洱海北部不同運行時長人工濕地的水質特征及凈化效率評估

張秀梅

（大理市洱海生態中心，云南 大理 671000）

0 引言

人工濕地技術是20世紀70年代發展起來的一種污水處理技術，被廣泛應用于農村農業面源污染防治及低污染水處理[1,2]。人工濕地主要通過沉淀、物理攔截、過濾、填料（土壤）吸附、化學氧化還原、微生物硝化/反硝化作用、植物吸收等作用去除水體中的氮磷等污染物[3,4]。但隨著人工濕地運行時間增長，由于填料吸附飽和、營養鹽不斷積累，濕地對營養鹽的凈化效率不斷降低[5,6]。目前國內關于人工濕地的研究集中于濕地植物及填料的篩選、濕地運行初期的凈化效率等方面，而不同運行時長的濕地處理效果評估鮮見報道。

洱海是云南省第二大高原湖泊，是大理人民的“母親湖”。受洱海流域地形影響，人類活動主要集中于洱海北部和洱海西岸，隨著流域內社會經濟快速發展，入湖的污染負荷增加。尤其洱海北部地勢平坦，流域內村莊和農田密布，人類活動強度大，且流經該區域的彌苴河、羅時江和永安江三條河流的流域面積及徑流量大，輸入的氮磷污染物量約占入洱海總量的50%[7]，使得洱海水環境壓力不斷加大，目前正處于富營養化初期[8]。為削減上游入湖河流的污染物，自2004年開始，洱海流域內分批分階段恢復建設湖濱濕地、人工濕地、庫塘濕地等，目前累計建成濕地面積約2000 hm2，不僅提升了流域內農業面源污染治理，同時強化了區域生態功能，濕地植物及鳥類的物種多樣性逐漸恢復[9,10]。本文以洱海北部的羅時江濕地（運行11a）和江前濕地（運行6a）為研究對象，評估不同運行時長濕地水質現狀及對氮磷污染物的凈化效率，以期為洱海流域人工濕地建設及運行管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

洱海流域位于瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶，流域面積2565 km2，洱海湖面面積252 km2，屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和。洱海流域內有大小河流117條，北部主要有彌苴河、羅時江和永安江（北三江）流入洱海，是洱海主要水源，多年平均入湖流量占洱海補給水量的70%。同時，“北三江”流經區域農田廣布、村莊密集，農村生活污水、農田廢水及分散畜禽養殖廢水通過“北三江”進入洱海，入湖氮磷污染負荷占全湖的50%以上[7,11]。因此，削減洱海北部入湖污染至關重要，先后實施了“2333”行動計劃、洱海保護“七大行動”等系列措施，于2009年和2014年在洱海北部建成了羅時江濕地、江前濕地等，主要處理農村農業面源污染。在當地職能部門維護管理下，這兩塊濕地至今已運行11a和6a，其基本情況見表1。

羅時江濕地、江前濕地建設初期設計均采用近自然的復合型人工濕地，即“植物凈化塘+多級表流濕地+天然濕地”處理上游來水。羅時江濕地在豐水期、平水期和枯水期的設計處理規模分別為：112、 30和 17萬m3/d，江前濕地分別為4.5、3.4和2.2萬m3/d。經調查，濕地內植物優勢物種與設計時選擇一致，具體見表1。羅時江濕地對總氮的平均去除效率為50.8%，總磷的平均去除效率為24.4%。由于水體中總氮的去除受到濕地脫氮功能生物體的生長代謝活動等因素的影響較大，導致濕地對總氮的去除效率波動較大，濕地出口水體總氮含量的變化與入口水體總氮含量的變化并不一致；雖然總磷的去除也受濕地脫磷功能生物體的生長代謝活動等因素的影響，且濕地對總磷的去除效率也具有一定的波動性，但由于濕地對水體中總磷的去除效率較低，故出口水體中總磷的變化與入口水體中總磷的變化基本保持一致。

表1 長期運行濕地凈化效率與水質相關性分析

表1 人工濕地基本情況

1.2 濕地工藝

根據項目預期的水質凈化目標，以“前期處理、末端凈化”的思路模式，采用近自然的復合型人工濕地即“植物凈化塘+多級表流濕地+天然濕地”對污水進行處理，達到對水體凈化的目的。

羅時江、永安江水在攔水壩的攔截作用下分段被引入植物凈化塘，通過厭氧菌的代謝功能，使有機底物得到降解。首先由產酸菌將復雜的大分子有機物進行水解，轉化成簡單的有機物（有機酸、醇、醛等）；然后產甲烷菌將這些有機物作為營養物質，進行厭氧發酵反應，產生甲烷和二氧化碳等。

處理后低污染水形成推流式水流流向，依次進入多級表流濕地，通過物理過濾、攔截、自然沉降、化學反應沉淀、微生物好氧氧化、濕地植物生長營養吸收等作用實現對水體中氮、磷、有機物的凈化。

經表流濕地處理后的水體流入天然蘆葦濕地，通過水生植物凈化作用對水體進行深度處理，經過一系列的凈化最終出水流入洱海。

1.3 樣品采集與分析

分別在羅時江濕地和江前濕地的進水口、出水口及濕地中段布設三個采樣點，2019年8月—2020年7月期間，每月中旬采集，低溫保存帶回實驗室。水樣總氮（TN）采用HJ 636-2009堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，氨氮（NH3-N）采用HJ 535-2009納氏試劑分光光度法，總磷（TP）采用GB 11893-89鉬酸銨分光光度法，化學需氧量（COD）采用HJ 399-2007快速消解分光光度法，pH和溶解氧（DO）用便攜式pH計和便攜式溶解氧儀測定。

1.3 數據處理

污染物凈化效率按公式（1）計算。

式中：ηi—為某污染物i的凈化效率，%；ρ0i—為濕地進水中某污染物i的濃度，mg/L；ρ1i—為濕地出水中某污染物i的濃度，mg/L；i=1,2,3,4，分別為TN、NH3-N、TP和COD。

文中的數據均使用Office 2010匯總，利用Origin 2018繪制柱狀圖，利用SPSS 23進行差異性分析和相關性分析。

2 結果與討論

2.1 不同運行時長濕地的水質現狀

2019年8月—2020年7月期間，羅時江濕地和江前濕地水質指標如圖1所示。兩濕地的pH平均在7.13～9.28，為弱堿性水，DO在1.85～12.54 mg/L，干季溶解氧含量高于濕季。現場調研期間，羅時江濕地TN、NH3-N、TP和COD的平均濃度分別在0.453～1.76、0.056～1.00、0.022～0.223和6.8～53 mg/L，而江前濕地分別在0.45～1.72、0.025～0.76、0.01～0.21和4.9～133 mg/L。差異性分析結果顯示，羅時江濕地TP和COD顯著高于江前濕地（P＜0.05），而TN和NH3-N并未表現出顯著差異性（P＞0.05）。孫莉等[12]研究結果證實水稻-大蒜種植模式下農田土壤養分含量高，尤其羅時江流域內上關-鄧川地區農田土壤氮磷含量高，大量氮磷流失進入羅時江，成為洱海北部污染程度最高的河流[11]，因而羅時江濕地污染物濃度高于江前濕地。

圖1 羅時江濕地和江前濕地水體水質動態變化（2019年8月—2020年7月）

根據《GB 3838-2002 地表水環境質量標準》，除2020年4月外，羅時江濕地和江前濕地水體的TP和NH3-N處于I～II類，TN和COD處于I～III類。TN是洱海北部入湖河流首要污染物，COD是旱季的次要污染物[7]，羅時江濕地和江前濕地分別處理洱海北部羅時江和永安江的面源污染，TN和COD也是濕地中主要污染物，主要受上游農業生產影響。張辰等[13]研究表明，畜禽養殖、生活污水排放和種植業農田退水是洱海流域主要污染源；王哲等[14]的研究結果表明，水稻-大蒜種植制度下，由于冬季大蒜種植期間氮肥施用量大，向水環境排放的氮含量大，有45.4%的氮進入水環境。近年來，洱海保護治理正處于關鍵時期，為進一步保護洱海水生態環境，切實推進“三禁四推”工作，調整農業種植結構，減少過量依賴化肥實現增產增效的大蒜等種植面積，羅時江濕地水體氮濃度較2014年和2018年呈下降趨勢[15,16]。

2.2 不同運行時長濕地的凈化效率

在地方職能部門的維護管理下，羅時江濕地和江前濕地至今已運行11a和6a。調查期間，羅時江濕地對COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為：22.50%±13.44%、18.35%±10.88%、15.32%±4.91%和17.67%±13.12%，而江前濕地的平均去除率分別為：19.49%±16.09%、2 1.0 5%±1 2.3 4%、1 6.7 1%±1 3.1 2%和30.38%±11.24%（見圖2）。運行11a的羅時江濕地對NH3-N、TN和TP的平均去除率都低于運行6a后的江前濕地，但差異性未達到顯著水平（P＞0.05），進一步證實長期運行的濕地對氮磷污染物仍具備一定凈化效率，與其他學者的研究結果一致[16]。

圖2 洱海北部不同運行時長濕地的凈化效率

楊桐[17]、梁啟斌等[16]和高曉鈺等[18]研究發現羅時江濕地對TN的去除率分別為50.8%、37.2%和30.0%，TN去除率呈現出隨運行時間增加而降低的趨勢。高曉鈺[18]的研究結果顯示，江前濕地對TN和TP的去除率分別為45.0%和30.0%，高于本研究結果。由圖2可知，數據顯示兩塊濕地對污染物凈化效率的動態變化較大，個別月份甚至出現負值，表明運行11a和6a后的羅時江濕地和江前濕地存在退化現象[18]。Huett等[5]研究發現，隨著人工濕地運行時間增長，由于填料吸附飽和或沉積物中營養鹽不斷積累，濕地逐漸“老化”，導致濕地對營養鹽的凈化效率不斷降低[6]。王書錦等[19,20]研究發現羅時江濕地表層沉積物氮磷含量高達1.84和1.09 g/kg，屬重度污染水平，且呈現明顯的表層富集現象。綜上，隨著運行時間增加，兩塊濕地對氮、磷的凈化效果較之前的研究結果均有不同程度的下降。因此，可考慮對長期運行濕地的沉積物開展環保疏浚，清除氮、磷營養鹽，提升人工濕地對營養鹽的去除效果，同時將疏浚底泥用于周邊綠化，增加綠地土壤肥力，實現資源化利用。此外，也可考慮長期運行濕地功能轉型，用作生物多樣性恢復地等[18]。

2.3 洱海流域長期運行濕地凈化效率的影響因素

為探討濕地進水水質對凈化效率的影響，基于Pearson對羅時江濕地和江前濕地η（TN）、η（NH3-N）、η（TP）、η（COD）與ρ（TN）、ρ（NH3-N）、ρ（TP）、ρ（COD）的相關性分析，結果見表1。

表1顯示，濕地TN、NH3-N、TP和COD濃度間均呈顯著正相關關系（P＜0.05），濕地水體中氮、磷和COD等污染物具有同源性。η（TN）與ρ（TN）、ρ（NH3-N）顯著正相關（P＜0.05），說明水體中較高TN和NH3-N濃度有益于濕地中TN的去除。此外，η（NH3-N）與η（TP）、η（COD）、ρ（TP）顯著正相關（P＜0.05），表明TP和COD的去除有益于濕地對水體中NH3-N的去除，合理的碳氮磷比決定微生物的繁殖及污染物的去除。碳影響濕地硝化、反硝化過程碳源供給，進而影響TP和NH3-N的去除，因而η（NH3-N）和η（TP）與ρ（COD）呈現出顯著的正相關關系（P＜0.05）。

3 結論

（1）洱海北部羅時江濕地和江前濕地水體的TP和NH3-N處于I～II類，TN和COD處于I～III類，在切實推行洱海水生態環境系列保護措施后，水質得到改善。

（2）洱海北部運行11a和6a的羅時江濕地和江前濕地仍有一定水質凈化能力，羅時江濕地對COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為：20.2%±8.4%、18.8%±10.9%、14.5%±4.8%和23.1%±8.1%，江前濕地的平均去除率分別為：8.8%±5.8%、20.4%±13.7%、17.4%±15.1%和24.3%±9.7%。

（3）運行11a的羅時江濕地對污染物去除率明顯下降，建議開展環保疏浚或濕地功能轉型。