清潔小流域生態(tài)凈化工程對原水TP削減效果分析

王 超

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

1 引言

生態(tài)清潔小流域是在傳統(tǒng)小流域綜合治理基礎(chǔ)上，將水土流失防治、水資源保護(hù)、面源污染防治、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、村莊污水治理、垃圾處理等結(jié)合到一起的一種新型綜合治理模式。清潔小流域生態(tài)凈化工程是以人工濕地為核心，配有預(yù)處理單元、凈水單元、蓄水單元，并可以人為控制和管理的生態(tài)凈水、蓄水工程，可集物理凈化法、化學(xué)凈化法、生物凈化法及人工濕地技術(shù)為一體的綜合污染原水凈化工程，具有非常廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。本文以上海市某生態(tài)清潔小流域為例，分析不同季節(jié)水體生態(tài)凈化工程對原水TP(總磷)含量削減的作用效果，探討季節(jié)變化對TP削減效果的影響，為生態(tài)清潔小流域的發(fā)展和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域和工藝簡介

上海市是長江三角洲沖積平原的一部分，屬典型的平原河網(wǎng)區(qū)，其陸域水系屬太湖流域，全市共有河道(湖泊)47446條(個)，河湖面積共640.93 km2。上海市不缺水，但缺好水，水質(zhì)性缺水已成為制約上海市高質(zhì)量發(fā)展面臨的難題。為此，上海市近年來加快了清潔小流域建設(shè)工程的建設(shè)。本工藝在清潔小流域建設(shè)工程中融入生態(tài)凈化工藝，以期達(dá)到水質(zhì)凈化和改善生態(tài)環(huán)境的效果。具體設(shè)計工藝見圖1。

圖1 清潔小流域生態(tài)凈化工程工藝流程

預(yù)處理區(qū)是生態(tài)凈化工程的重要前置單元，主要

作用為降低水體懸浮物，提高出水透明度，初步凈化水質(zhì)。生態(tài)濕地凈化區(qū)是生態(tài)凈化的核心部分，分為挺水植物凈化區(qū)和沉水植物凈化區(qū)，是進(jìn)一步去除水體營養(yǎng)物質(zhì)、凈化水質(zhì)的重要場所，充分利用植物凈化水質(zhì)的機(jī)理，通過生物同化、吸收、轉(zhuǎn)化等作用有效降低水體污染物及氮磷營養(yǎng)水平。深度凈化區(qū)是生態(tài)凈化工程的水質(zhì)保障單元，具有儲水、水質(zhì)維護(hù)與改善、降低有機(jī)物及營養(yǎng)鹽及改善區(qū)域生態(tài)景觀等作用。

3 研究方法

經(jīng)過一年的運行，清潔小流域生態(tài)凈化工程已經(jīng)基本穩(wěn)定。于2020年3月份至2021年2月份，每周對上游匯集的原水、預(yù)處理區(qū)出水(預(yù)出)、挺水植物凈化區(qū)出水(挺出)、沉水植物凈化區(qū)出水(沉出)、深度凈化區(qū)出水(輸水)等5個點位進(jìn)行采樣，對水體中的TP進(jìn)行測定，并以季節(jié)為單位對清潔小流域生態(tài)凈化工程TP削減效果進(jìn)行分析。根據(jù)上海市氣候條件，把春、夏、秋、冬分別確定為3～5月份、6～8月份、9～11月份、12月至次年2月份。監(jiān)測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[7]。

4 結(jié)果分析

4.1 原水TP含量分析

從圖2知，上游匯集原水的TP含量在年內(nèi)有一定的變化。原水TP含量春季平均0.183 mg/L(Ⅲ類)，夏季平均0.318 mg/L(Ⅴ類)，秋季0.209 mg/L(Ⅳ類)，冬季0.175 mg/L(Ⅲ類)，全年平均含量0.221 mg/L(Ⅳ類)。夏秋季節(jié)原水TP含量明顯高于冬春季節(jié)，一是可能由于夏秋季節(jié)降水豐沛，流域內(nèi)污染物隨徑流大量涌入河道；二是因為夏秋季節(jié)河道居民產(chǎn)生的生活污水增多，污染加重；三是夏秋季節(jié)水溫高，水中的有機(jī)物易腐爛，使較多的TP釋放到水體當(dāng)中。整體來看，上游匯集原水TP含量全年超過一半的月份超過了地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，須采用必要措施降低原水中TP及其他污染物的含量。

圖2 原水TP含量年內(nèi)變化

4.2 整體工程TP去除率分析

從圖3知，春夏秋冬四季TP去除率分別為：67.76%、76.42%、41.15%、28.57%；受原水TP含量和去除率共同影響，春夏秋冬四季TP單位面積去除量分別為：11.92 mg/(m2·d)，23.35 mg/(m2·d)，8.27 mg/(m2·d)，4.81mg/(m2·d)。水體通過生態(tài)凈化工程后，水質(zhì)有了明顯提升，輸水口TP含量春夏季節(jié)維持在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，秋冬季節(jié)維持在Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。人工濕地除磷途徑主要有化學(xué)和物理吸附、過濾和沉淀、微生物作用和植物吸收等[8]，植物根際微環(huán)境以及植物與微生物的耦合作用可能是人工濕地除磷的主要途徑之一[9]，春夏秋冬四季去除效果的差異主要由原水TP含量、微生物活性和植物生長狀況不同造成的。人工濕地的吸附、過濾和沉淀作用是四季輸水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的重要保障，但在冬季低溫條件下，植物根系對水下土壤輸氧能力有限[10]，微生物對TP同化作用減弱。另外，秋冬季節(jié)底泥中沉積較多的植物殘枝，腐爛后釋放TP，使水體TP去除率下降。

圖3 不同季節(jié)TP去除效果

4.3 不同季節(jié)TP去除率分析

4.3.1 預(yù)處理區(qū)

由表1知，不同季節(jié)預(yù)處理區(qū)TP去除率大小為：

表1 不同季節(jié)各處理單元TP去除率 %

春季>夏季>秋季>冬季，春夏秋冬四季TP單位面積去除量分別為：62.97 mg/(m2·d)，89.96 mg/(m2·d)，31.98 mg/(m2·d)，5.00 mg/(m2·d)，年平均單位面積去除量為47.48 mg/m2·d。預(yù)處理區(qū)是工藝中重要的前置單元，曝氣機(jī)、沉淀池、人工介質(zhì)生物膜填料陣列等裝置起到了減緩水流流速、沉降大顆粒懸浮物質(zhì)、吸附水體中營養(yǎng)物質(zhì)的作用，達(dá)到初步凈化水質(zhì)的效果。春夏季節(jié)TP的凈化效果高于其他季節(jié)，一是因為原水TP含量較大，沉積和吸附效果明顯；二是因為人工介質(zhì)生物膜填料上微生物活性較強(qiáng)，加快TP同化作用，增強(qiáng)生物膜填料吸附功能。研究表明[11～13]，人工介質(zhì)填料能夠為微生物提供良好的生活環(huán)境，并能吸附大量顆粒懸浮物，可增加人工介質(zhì)填料陣列數(shù)量，增加預(yù)處理區(qū)的凈化效果。

4.3.2 挺水植物凈化區(qū)

不同季節(jié)挺水植物凈化區(qū)TP去除率大小為：春季>秋季>夏季>冬季，春夏秋冬四季TP單位面積去除量分別為：18.38 mg/(m2·d)，16.93 mg/(m2·d)，18.86 mg/(m2·d)，6.77 mg/(m2·d)，年平均單位面積去除量為15.23 mg/(m2·d)。挺水植物直接從水體和底泥中吸收有效磷，并通過人工收割去除。除直接吸收外，挺水植物對提高水體TP凈化效果還起到重要的間接作用：植株將氧氣輸送至根部，促進(jìn)根部微生物對TP的同化作用。植物的根系和枝葉對水體中的顆粒物有一定的阻礙和吸附作用，使水體中TP含量進(jìn)一步降低。秋冬季挺水植物枯萎后，固定在植物體內(nèi)的TP將回流到水體和底泥中去，應(yīng)及時收割并清理植物殘枝，減少TP的釋放。

4.3.3 沉水植物凈化區(qū)

不同季節(jié)沉水植物凈化區(qū)TP去除率大小為：夏季>春季>冬季>秋季，春夏秋冬四季TP單位面積去除量分別為：3.00 mg/(m2·d)，16.49 mg/(m2·d)，-11.49 mg/(m2·d)，5.00 mg/(m2·d)，年平均單位面積去除量為3.25 mg/(m2·d)。沉水植物對削減水體中TP有重要意義，通過直接吸收及促進(jìn)懸浮物沉淀，及改變水體和底泥表面的理化條件，降低水體TP的深度。沉水植物區(qū)夏季去除效果明顯，而秋季TP濃度反而上升，原因是枯萎的沉水植物未及時收割，造成TP的釋放，導(dǎo)致濃度升高。

4.3.4 深度凈化區(qū)

深度凈化區(qū)是清潔小流域生態(tài)凈化工程最后一道生態(tài)凈化工藝，具有重要的蓄水凈水作用。不同季節(jié)深度凈化區(qū)TP去除率大小為：夏季>春季>冬季>秋季，春夏秋冬四季TP單位面積去除量分別為：3.19 mg/(m2·d)，15.93 mg/(m2·d)，7.12 mg/(m2·d)，3.94 mg/(m2·d)，年平均單位面積去除量為7.54 mg/(m2·d)。水體在深度凈化區(qū)流速緩慢，利于懸浮物的沉降，使TP濃度進(jìn)一步下降。經(jīng)上游單元的凈化，進(jìn)入深度凈化區(qū)水體的TP含量已經(jīng)達(dá)到Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險，保障供水安全。

5 結(jié)論

(1)原水的TP含量具有明顯的季節(jié)性差異，TP含量年平均為Ⅳ類水質(zhì)，全年超過一半的月份超過了水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其中以夏季最差，為Ⅴ類水質(zhì)。原水經(jīng)清潔小流域生態(tài)凈化工程后，水質(zhì)有明顯改善，輸水口TP含量春夏季節(jié)維持在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，秋冬季節(jié)維持在Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)清潔小流域生態(tài)凈化工程春夏秋冬四季TP去除率分別為：67.76%、76.42%、41.15%、28.57%；TP單位面積去除量分別為：11.92 mg/(m2·d)，23.35 mg/(m2·d)，8.27 mg/(m2·d)，4.81mg/(m2·d)。人工濕地的吸附、過濾和沉淀作用是全年輸水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的重要保障，四季TP去除效果的差異主要由原水TP含量、微生物活性和植物生長狀況不同，以及秋冬季節(jié)土壤中沉積較多的植物殘枝釋放TP等原因造成的。

(3)預(yù)處理區(qū)、挺水植物凈化區(qū)、沉水植物凈化區(qū)、深度凈化區(qū)年平均單位面積去除量分別為47.48 mg/(m2·d)，15.23mg/(m2·d)，3.25 mg/(m2·d)，7.54 mg/(m2·d)。預(yù)處理區(qū)效果最為明顯，說明沉淀和吸附作用對水體TP含量的削減發(fā)揮著關(guān)鍵作用；其次是挺水植物區(qū)，植物的吸收亦發(fā)揮著重要作用，挺水植物區(qū)對TP削減作用大于沉水植物區(qū)。

6 建議

為進(jìn)一步提高清潔小流域生態(tài)凈化工程除磷效果，一是建議在預(yù)處理區(qū)增加人工介質(zhì)填料陣列數(shù)量，強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)除磷效果；二是加強(qiáng)水生植物的管理，及時收割枯萎植物并徹底清理植物殘枝，減少植物殘枝腐爛釋放的TP；三是在沉水植物凈化區(qū)增加冬季型的水生植物種，如播撒菹草(Potamogetoncrispus)、伊樂藻(Elodeanuttallii)等冷型水草種子，增加冬春季節(jié)沉水植物密度，增強(qiáng)沉水植物區(qū)TP去除效果。