北方多級復合人工濕地對微污染河水的凈化效率：以廊坊龍河濕地為例

高志永 湯雙宇 宋洪濤 趙 奕 王 瑤 劉英華 張保君

(中持水務股份有限公司，北京 100192)

“十三五”期間，一批專項規劃和重大治理工程的順利實施有效提升了我國水環境質量，但主要江河監測水質斷面中仍有200 多個斷面(約占12%)為Ⅳ～Ⅴ類，污染程度呈輕度污染或微污染。微污染河水受污染程度較小，含有污染物濃度較低，尤其是可利用碳源少，通過傳統處理方法難以取得理想的凈化效果(左金龍等, 2012; 陳濤等, 2019;Kong et al, 2017)。

人工濕地上世紀六七十年代起源于歐洲(Vymazal et al, 2007)，作為一種生態型污水治理技術，廣泛應用于污水處理廠尾水深度處理、微污染河水凈化、微污染水源水質提升等領域(周曼舒等,2018; 李珂等, 2020; 莫曉云等, 2021)。根據水流方向，人工濕地可以分為表流人工濕地、水平潛流人工濕地及垂直流人工濕地，但在實際工程應用中，單一濕地往往不能達到預期效果。多級復合人工濕地將不同類型人工濕地有機串聯或并聯，以達到節約用地、提高凈化效果、減少能源消耗等目的(楊婷等, 2016; 葛媛等, 2018)。本研究以河北廊坊龍河大型多級復合人工濕地為例，該濕地自2018 年建成，已穩定運行3 a。通過對全年不同季節濕地各個處理單元進出水水質的監測，研究了龍河濕地不同季節、不同基質配置、不同植物配置條件下對化學耗氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)的去除率，探討溫度、基質及植物對濕地去除污染物效率的影響，為多級復合人工濕地技術治理微污染河水提供參考。

1 材料與方法

1.1 人工濕地試驗設計

多級復合人工濕地位于廊坊市安次區龍河下游段，東張務防洪閘至龍河出境斷面處，采用“高效沉淀池(預處理)+多級復合人工濕地”工藝，其中多級復合人工濕地由兩級水平潛流濕地與表流濕地串聯而成。濕地建設水平潛流濕地面積約6萬m2，表流濕地面積約2 萬m2，處理規模3 萬m3/d，設計進水濃度為懸浮物(SS)≤60 mg/L，五日生 化 需 氧 量(BOD5) ≤20 mg/L，CODCr≤60 mg/L，NH4+-N ≤6.0 mg/L，TP ≤1.5 mg/L，設計出水濃度為SS ≤20 mg/L，BOD5≤10 mg/L，CODCr≤40 mg/L，NH4+-N ≤2.0 mg/L，TP ≤0.4 mg/L。龍河濕地各單元布局如圖1 所示，龍河原水經旁路提升系統引入高效沉淀池進行預處理，再經過兩級串聯水平潛流人工濕地凈化后排入龍河河道表流濕地。潛流濕地單元處理規格為15 m×35 m，底部采用HDPE 土工膜防滲，濕地總進水采用多級管道配水系統，進入濕地后采用多孔管配水裝置，出水區的末端填料層底部設置穿孔集水管，同時設置旋轉彎頭和水位調節器以調節濕地水位。

圖1 龍河多級復合人工濕地各單元布局及采樣點位示意圖Fig.1 Layout and sampling points of each unit of Longhe multi-stage composite constructed wetland

為研究不同基質、植物的配置對潛流濕地凈化效率的影響，本研究在兩級潛流濕地中設計了不同的基質-植物搭配，其中一級潛流濕地基質為碎石(40 ～100 mm)，二級潛流濕地基質為碎石與沸石(16 ～32 mm)以1:4 比例均勻混合，基質厚度1.0 m，平均運行水深0.85 m。濕地植物選用本地水生植物中凈化效果較好的蘆葦(Phragmites australis)和香蒲(Typhae latifolia)，蘆葦種植密度為25 叢/m2，香蒲種植密度為16 叢/m2。

1.2 采樣設計

本研究共設置7 個采樣點，分別為龍河閘前水(LH)、高效沉淀池出水(GX)、一級潛流濕地1 出水(YJ1，基質為碎石，植物為蘆葦)、一級潛流濕地2出水(YJ2，基質為碎石，植物為香蒲)、二級潛流濕地1 出水(EJ1，基質為碎石+沸石，植物為香蒲)、二級潛流濕地2 出水(EJ2，基質為碎石+沸石，植物為蘆葦)、表流濕地末端出水(BL)。2019年12月10日—2020 年11 月21 日，對各濕地處理單元出水共采樣30 次(受到新冠疫情影響，2020 年2、3 月未采樣)，水樣采集后保存于4℃條件，24 h 內完成測試。

1.3 指標測試

本研究測定了各單元出水中pH 值、溶解氧(DO)、SS、CODCr、NH3-N、TP 等指標，各項指標的監測方法參照國家環境保護總局《水和廢水檢測分析方法》。pH 值與DO 采用雷磁DZS-706 多參數分析儀測量。SS采取過濾烘干法測量，烘干過程使用恒泰臺式電熱鼓風干燥箱DHG-9145A 測量。CODCr采用重鉻酸鉀法測量，加熱消解過程使用科迪博COD 恒溫加熱器JR-9012；NH3+-N 采用納氏試劑-紫外分光光度法測量，TP采用鉬酸銨-紫外分光光度法測量，使用儀器為光譜722E 型可見分光光度計。溫度(T)取當日氣溫最高值。

1.4 數據分析與統計方法

本研究采用單因素方差分析(One-way ANOVA)探究不同搭配潛流人工濕地單元以及不同季度之間的去除率差異；根據氣溫變化，將2019 年12 月、2020 年1 月數據作為冬季數據，2020 年4、5、10、11 月作為春秋數據，2020 年6、7、8、9 月數據作為夏季數據。將YJ1 與EJ1、YJ2 與EJ2 作為兩個不同搭配的綜合潛流濕地單元進行整體比較，采用Pearson 相關性分析研究潛流人工濕地污染物去除率與環境因子的相關性；最后使用Excel 2013、Origin 2021 軟件對數據進行統計分析與繪圖。

2 結果與分析

2.1 濕地系統凈化效率

龍河濕地主要污染物CODCr、NH3-N、TP 進出水濃度全年變化如圖2 所示。CODCr、NH3-N、TP 在濕地最后1 個處理單元表流濕地末端出水均優于地表水環境質量Ⅲ類標準(GB3838-2002)，平均削減濃度分別為13.3 mg/L(圖2a)、分別為0.395 mg/L(圖2b)、0.086 mg/L(圖2c)，平均去除率分別達到48.4%、75.5%、57.9%。

圖2 龍河濕地對污染物去除率Fig.2 Pollutant removal effiency of Longhe constructed wetland

不同季度龍河濕地進出水中污染物濃度及其去除率存在較大差異。夏季人工濕地出水平均CODCr濃度為14.4 mg/L，顯著高于冬季和春秋，而夏季CODCr平均去除率僅為45.9%，也顯著低于冬季和春秋(P＜0.05)。夏季溫度較高且CODCr濃度較高，微生物在高溫下對CODCr的去除率下降。龍河濕地NH3-N 和TP 去除率均在春秋達到較高水平，平均去除率分別為77.2%和63.6%，顯著高于冬季和夏季的去除率(P＜0.05)，但造成這一結果的原因卻不相同。人工濕地進水NH3-N 濃度在春秋達0.569 mg/L，比冬季和夏季分別高出18.0%和15.2%，而不同季度人工濕地出水NH3-N 濃度之間差異較小，說明人工濕地對NH3-N 指標的控制效果較為穩定，當進水NH3-N 濃度較大時，去除率也可達到較高的水平。而在TP 方面，除了春秋TP 去除率最高外，人工濕地春秋進出水中TP 平均濃度也顯著低于其他季度(P＜0.05)，一方面可能是因為春季植物生長對磷的吸收能力更強，另一方面也可能是因為春秋季的溫度(20 ～30℃)更適宜聚磷菌的生長(劉有華等,2021)。

2.2 各功能單元去除污染物貢獻

濕地各功能單元pH 值和DO平均值如圖3 所示，采樣點LH 全年平均pH 值為7.87，顯著高于后續其他單元(P＜0.05)。EJ2 全年平均DO 濃度最高，為6.80 mg/L，可能是因為EJ2 前潛流濕地種植蘆葦，蘆葦根部泌氧能力強，使得水體中DO 濃度上升。各功能單元出水平均pH 值在不同季度無顯著差異(P＞0.05)，但DO 濃度由于不同季節氣溫變化顯著而呈現冬季低、春夏季高的趨勢。

圖3 龍河濕地各采樣點pH 值和DO 平均值及差異性分析Fig.3 The mean value and difference analysis of pH and DO at each sampling point of Longhe constructed wetland

龍河濕地各功能單元對污染物去除均有不可忽視的貢獻(圖4)，其中YJ、EJ 分別取YJ1 與YJ2、EJ1 與EJ2 數據平均值。濕地中71.8%的CODCr通過高效沉淀池和一級潛流濕地進行去除，各單元對CODCr的去除貢獻排序為：高效沉淀池＞一級潛流濕地＞二級潛流濕地＞表流濕地。兩級潛流濕地共為NH3-N 的去除貢獻了60.9%，平均有43.0%的NH3-N在一級潛流濕地中被去除，各單元對NH3-N 的去除貢獻排序為：一級潛流濕地＞高效沉淀池＞二級潛流濕地＞表流濕地。TP 的去除也主要由高效沉淀池(29.6%)和一級潛流濕地(34.6%)貢獻，各單元對TP 的去除貢獻排序為：一級潛流濕地＞高效沉淀池＞二級潛流濕地＞表流濕地。

圖4 濕地各功能單元不同季度對污染物的去除貢獻Fig.4 Contribution of each functionalunit of the constructed wetland to pollutant removal in different seasons

不同季節中濕地各功能單元對CODCr的去除貢獻比例變化較小，但在NH3-N 和TP 的去除上存在顯著差異(P＜0.05)。冬季低溫下，高效沉淀池對NH3-N的去除率和去除貢獻顯著降低，一級潛流濕地的去除貢獻達到了66.8%。夏季，一級潛流濕地對NH3-N去除的貢獻下降至25.8%，二級潛流濕地的貢獻則達到全年最高的33.8%。這一結果說明，當一級潛流濕地對NH3-N 去除能力相對下降時，二級潛流濕地可以起到較好的補充凈化作用，保障出水中NH3-N 的濃度達標。而冬季進水中TP 濃度顯著高于其他季度，高效沉淀池對TP 的平均削減濃度達0.050 mg/L，顯著高于春秋和夏季(P＜0.05)。

2.3 潛流濕地污染物去除季度差異

不同配置潛流濕地單元在不同季度對CODCr、NH3-N 和TP 的去除率如圖5 所示。在相同基質配置的情況下，種植香蒲的YJ2 和EJ1 對CODCr的凈化效率分別顯著高于YJ1 和EJ2(P＜0.05)，說明香蒲比蘆葦更有利于潛流濕地對微污染河水中CODCr的去除。YJ1 和EJ2 對CODCr的去除率在春秋季分別可達到22.2%和11.0%，顯著高于夏季和冬季(P＜0.05)；YJ2 與EJ1 對CODCr的去除率則在冬季達到最高，但季度之間不存在顯著差異(P＞0.05)。這一結果說明種植蘆葦的潛流濕地受季節的影響大于種植香蒲的潛流濕地，可能是因為蘆葦生長的季節性較香蒲更強，而香蒲對CODCr的去除率更穩定。

圖5 潛流濕地單元不同季度對污染物的去除率Fig.5 Pollutant removal effiency of subsurface flow units with in different seasons

YJ1 和YJ2 對NH3-N 去 除 率 顯 著 高 于EJ1 和EJ2(P＜0.05)，因為一級濕地進水中NH3-N濃度更高。但在一級濕地處理效果較差的月份，如2020 年5 月、7 月EJ1 對NH3-N 的去除率顯著高于YJ1，2020 年6—8 月，EJ2 對NH3-N 的去除率也高于YJ2，說明基質“碎石+沸石”的配置比碎石更有利于NH3-N 的去除。另一方面，YJ1 與YJ2、EJ1 與EJ2 濕地植物配置不同，但對NH3-N 的去除率不存在顯著差異(P＞0.05)，說明蘆葦和香蒲對于NH3-N 的去除效果差異不大。

4 種不同配置的濕地單元對TP 的去除率排序為：YJ2 ＞YJ1 ＞EJ2 ＞EJ1。兩個一級濕地對TP 去除顯著高于兩個二級濕地，主要是因為一級潛流濕地進水中TP 濃度顯著高于二級潛流濕地的進水。而YJ1 與YJ2、EJ1 與EJ2 的去除率之間均不存在顯著差異(P＞0.05)，說明蘆葦和香蒲對于TP 的去除效果差異不大。

3 討論

3.1 潛流濕地凈化效率影響因子

人工濕地對污染物的去除受溫度、季節影響較大。北方河流在冬季斷流、冰封導致流量減小，人工濕地中微生物活性降低，堵塞、結冰等情況多發，單一人工濕地及多級復合人工濕地系統的凈化效率都在冬季顯著降低(熊家晴等, 2015;嵇斌等,2019;姚東等, 2022)。龍河濕地系統及濕地各個功能單元對CODCr、NH3-N 和TP 的去除率均在春秋季達到最高。一方面，隨著溫度的增加，濕地對有機物的去除呈現先上升后下降的趨勢，因此在溫度過高時，COD 去除率會呈現下降趨勢。另一方面，秋季是濕地微生物量達到最高的季節(王銳萍等, 2006)，且秋季溫度適宜，有利于微生物對污染物的去除(陳永華等,2012)。

以綜合潛流濕地單元1(YJ1+EJ1) 和單元2(YJ2+EJ2)為分析對象，對濕地進水各指標及污染物去除率進行Pearson 相關性分析，兩個綜合濕地單元表現出相似的規律(圖6)。潛流濕地中DO 與溫度(T)呈顯著正相關，溫度越高，水中溶解氧的濃度就越高，有利于濕地中微生物的新陳代謝。同時潛流濕地中CODCr的總去除率與CODCr濃度顯著負相關，TP 的總去除率與TP、SS 的濃度呈顯著負相關關系，說明在一定范圍內CODCr和TP 濃度越高，潛流濕地對這兩種污染物的去除效率就越低。另外，相關性分析結果表明，NH3-N 的去除率與溫度和DO 具有顯著的負相關關系。一般來說，溫度與DO 越高，越有利于潛流濕地中的微生物進行硝化-反硝化作用去除NH3-N。但另一方面，溫度也與NH3-N 濃度顯著正相關，說明在龍河濕地潛流單元中，污染物濃度是影響去除率更重要的驅動因子。

圖6 綜合潛流濕地單元各指標Pearson 相關性分析Fig.6 Pearson correlation analysis of in dexesin the comprehensive subsurface flow wetland unit

3.2 基質與植物對濕地凈化效果的影響

與單一人工濕地相比，多級復合人工濕地的污染物去除率可提高30%～50%(葛媛等, 2018)，而潛-表濕地組合中的潛流濕地承擔了主要的氮、磷以及有機物的去除貢獻(王健等, 2010)，如山東淄河多級復合濕地研究中，潛流濕地對NH4+-N、TP 的去除貢獻可達到90%和62.6%(丁永偉等, 2009)。潛流濕地中基質與植物配置直接影響到濕地對污染物的去除效率。基質在潛流濕地系統中占比較大，為植物生長與微生物附著提供載體，在吸附、截流污染物的同時為微生物及水生動物的活動提供空間。常見的濕地基質材料包括礫石、沸石、火山巖、石灰石等天然材料，也包括爐渣、鋼渣、秸稈等工、農業副產物(王明銘等, 2021)。碎石作為一種天然惰性材料，表面活性較低，對氨氮吸附等污染物去除效果較差，但對微污染水體中的磷有較好的去除效果(陸海明等, 2018)。沸石則屬于以微孔和中孔為主的多孔物質，在盧少勇等(2016)進行的29 種濕地填料對氨氮吸附性能比較研究中，沸石的氨氮吸附量和吸附速率都位居前列。另外，基質堵塞是人工濕地運行效率降低的重要因素之一，選擇不同組合、不同粒徑的填料可有效提高濕地的運行壽命(Vymazal et al, 2018)。我國潛流濕地常用的水生植物包括香蒲、蘆葦、水蔥(Scirpus validus)、美人蕉(Canna indica)等，多采用多種植物交叉栽種(關艷艷等, 2010)，種植植物的人工濕地對污染物的去除效率可比不種植的情況下提高20%～50%以上(Vymazal et al, 2014)。研究表明，不同植物根系的泌氧量及分泌物存在較大的差別，從而影響到濕地微生物群落結構和活性，造成對不同污染物去除的差異(孫磊等, 2020)。

4 結論

經過廊坊龍河多級復合人工濕地凈化后，龍河微污染河水水質提升至穩定達標地表水環境質量Ⅲ類，濕地系統對CODCr、NH3-N、TP 的平均去除率分別達到48.4%、75.5%、57.9%。在潛流-表流復合濕地中，潛流濕地是去除氮、磷等污染物的主要功能單元，且其對污染物的去除率主要受到污染物濃度的驅動。龍河濕地對污染物的去除率受季節變化的顯著影響，濕地凈化效率在冬季最低，在春秋季達到最高。