黃河蘭州段濕地景觀水體凈化處理及循環(huán)再生利用研究

曹峻博

(蘭州文理學院美術與設計學院，甘肅 蘭州 730010)

水為生命之源，社會發(fā)展與水資源密切相關。黃河蘭州段附近由于經濟發(fā)展，導致黃河水域污染嚴重，該問題成為了附近城市經濟發(fā)展的阻力[1-3]。黃河蘭州段濕地景觀優(yōu)美、水體干凈，提升了城市的環(huán)境品質，并且提升環(huán)境濕度、降低浮沉[4]，同時提升人們的居住的舒適感，黃河水體與人們的生活質量息息相關。但是由于水體蒸發(fā)與下滲等原因，導致黃河濕地景觀水位不斷下降，因此，需要補充水體，確保濕地景觀的水體景觀效果[5]，但是水資源日益匱乏，補充濕地景觀水體的可行性較低，為解決該問題，需要通過凈化處理黃河水體[6]，實現(xiàn)水體循環(huán)再生利用，解決水體補充問題。

相關研科研人員利用草酸鈣和硫酸的反應原理，凈化處理水體，研究表明反應溫度與兩者配比均會影響水體凈化處理效果，通過設計合理的反應溫度與配比，有效凈化處理水體，降低廢水凈化處理成本[7]；但是該方法僅能短期抑制水體內的污染物，無法徹底分解污染物，水體凈化處理的長期效果差；還有科研人員通過在濕地內添加生物碳基，凈化處理水體，研究表明生物碳基可加快植物生長速度，有效吸附水體內的污染物，提升水體凈化效果[8]，但是該方法需要定期投加生物碳基，水體凈化成本高，并且水體內磷的凈化處理效果差。

濕地景觀凈化法通過植物與填料共同作用吸附水體內的污染物，具備較優(yōu)的水體凈化處理效果，運行成本低，維護管理便利[9-11]，水力負荷適應能力強。針對上述問題，研究黃河濕地景觀水體凈化處理及循環(huán)再生利用方法，通過布設濕地景觀，凈化處理水體，利用一系列裝置分解廢水污染物，實現(xiàn)水體循環(huán)再生利用。以期通過設計的方法解決水資源缺乏的問題。

1 研究區(qū)概況

以黃河流域蘭州段濕地景觀為研究對象，蘭州市為西北第二大城市，黃河貫穿整個城市，流向是從西至東，黃河蘭州段總長是359 km，流經市區(qū)的水域長度是43 km，流經區(qū)域主要包含峽谷與平地，該流域為蘭州城市的居民提供大量的水源。但是城市經濟發(fā)展導致環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴重，嚴重影響蘭州市居民生活用水安全。黃河段附近包含不同類型的企業(yè)，較多的工業(yè)廢水與生活污水排入黃河，成為蘭州段水域主要污染源，水質污染源主要包含氨氮與石油類等。黃河河水進入市區(qū)后，沿河區(qū)域的企業(yè)及住戶不斷增加，導致污染源隨之增加，造成沿流程污染情況越來越重[12-14]。非雨季時，黃河蘭州段河水水位下降，但是此時污染源依舊較多，導致枯水期污染最為嚴重。研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 蘭州段黃河流域Fig.1 Lanzhou section of the Yellow River basin

1.1 黃河濕地景觀布設

通過布設黃河蘭州段濕地景觀，完成水體凈化處理。布設濕地景觀面積為760 m2，濕地景觀種植的植物為旱傘草、鳶尾、美人蕉、千屈菜、水柳。初始種植密度大致為25株/m2，按照植物根苗狀態(tài)實施種植，緩苗時間與生長期平均維持在40 d左右。

黃河蘭州段濕地景觀主要依據(jù)植物吸收并去除河流內的污染物[15]。其中，濕地景觀內填料在污染物去除方面起到較大的作用[16]。黃河濕地景觀填料主要為爐渣、磚塊與礫石，填料的來源與物理參數(shù)見表1。

表1 填料來源與物理參數(shù)Tab.1 Packing sources and physical parameters

從表1可以看出，爐渣與磚塊的水力傳導系數(shù)、真密度、堆積密度與孔隙率均差距小，并且水力傳導系數(shù)更加合適，填料的水力傳導系數(shù)大，不會導致流域堵塞和增加處理效果難度，水力傳導系數(shù)較小[17-18]，會導致流域堵塞，降低濕地的過水性能。孔隙率最大的填料是礫石，孔隙率越大，填料的吸附性能越好，吸附面積越大。綜合分析各填料的物理性能可知，黃河濕地景觀填料比例為爐渣∶磚塊∶礫石為6.5∶2.5∶1，3種填料混合均勻后，添入黃河濕地床體，床體表層土為普通黃土，在內部添加少許有機土。

1.2 樣品采樣與分析方法

表2 各指標的檢測方法Tab.2 Detection methods of each indicator

1.3 水體循環(huán)再生利用

水資源短缺為影響黃河蘭州段區(qū)域發(fā)展的主要原因之一。因此，研究黃河水資源循環(huán)再生利用模式，有效解決黃河蘭州段濕地退化嚴重問題具有重要意義。以循環(huán)再生利用水資源的方式，恢復黃河蘭州段濕地，黃河蘭州段濕地水資源循環(huán)再生利用模式如圖2所示。

圖2 黃河蘭州段濕地水資源循環(huán)再生利用模式Fig.2 Recycling and utilization mode of wetland water resources in Lanzhou section of the Yellow River

黃河蘭州段水產養(yǎng)殖與農作物種植基本由黃河提供水源，但是蘭州段附近的工業(yè)廢水與生活污水等均排入黃河，導致黃河水被嚴重污染，從而嚴重影響水產養(yǎng)殖和農作物種植。為了解決上述問題，通過設計濕地水資源循環(huán)再生利用模式，并且利用厭氧池、缺氧池、微電解與固化微生物[19-20]等一系列裝置分解工業(yè)廢水與生活污水等水體內的污染物，將分解后的無污染水資源排入黃河蘭州段濕地，經由黃河蘭州段濕地為水產與農業(yè)等提供水資源，實現(xiàn)黃河蘭州段濕地景觀水體循環(huán)再生利用。

2 試驗分析

利用重鉻酸鉀法分析黃河濕地景觀水體內CODCr的凈化處理效果，分析結果如圖3所示。

圖3 不同級別濕地景觀水體內CODCr的凈化處理效果Fig.3 Purification effect of CODCr in different grades of wetland landscape water

分析圖3可知，3個月份各級別濕地景觀的入口與出口處CODCr去除率的差距均小，隨著黃河蘭州段濕地景觀級別的提升，3個月份CODCr去除率均呈下降趨勢，這是因為經過前端濕地的凈化，CODCr的濃度明顯下降，黃河蘭州段濕地景觀對濃度較少CODCr的凈化效果有限；3個月份中8月各采樣點的CODCr去除率最高，12月份各采樣點的CODCr去除率最低，原因是8月份為夏季，此時黃河蘭州段濕地景觀中植物生長最為茂盛，植物根系附近聚集的微生物量不斷增加，產生微生物膜，在水體凈化處理中具有主導作用，并結合填料的作用，提升CODCr的吸收降解效果；12月份屬于冬季，大部分植物枯萎，僅依靠填料實現(xiàn)CODCr的吸收與降解，導致CODCr的去除率大大降低。實驗證明：布設黃河蘭州段濕地景觀，有效凈化處理水體內的CODCr，且夏季CODCr的去除率明顯高于冬季。

分析不同水力負荷時，黃河蘭州段濕地景觀水體內CODCr的凈化處理效果，分析結果如圖4所示。

圖4 水力負荷對CODCr凈化處理效果的影響Fig.4 Influence of hydraulic load on CODCr purification effect

由圖4可知，一級與二級黃河蘭州段濕地景觀各入口與出口采樣點CODCr的濃度僅有微小差距，且在不同水力負荷時，各采樣點CODCr的濃度波動幅度小，一級黃河濕地景觀采樣點CODCr的濃度維持在35～50 mg/L，二級黃河濕地景觀采樣點CODCr的濃度維持在15～25 mg/L，根據(jù)該分析結果，表明水力負荷對CODCr的凈化處理效果影響較小。

利用氯化亞錫還原光度法分析黃河濕地景觀水體內TP的凈化處理效果，分析結果如圖5所示。

圖5 濕地景觀水體內TP的凈化處理效果Fig.5 Purification effect of TP in different grades of wetland landscape water

根據(jù)圖5可知，隨著黃河濕地景觀等級的提升，TP去除率不斷下降，這是因為濕地景觀等級越高，水體中懸浮物顆粒體積越小，其沉降速度越慢，利用植物根系或填料吸收降解TP需要的時間較長，影響TP的凈化處理效果，導致去除率低；各采樣點的入口處TP去除率均高于出口處TP去除率；實驗證明：布設黃河蘭州段濕地景觀，有效凈化處理水體內的TP。

分析不同水力負荷時，黃河蘭州段濕地景觀水體內TP的凈化處理效果，分析結果如圖6所示，以8月份的采樣點D11、D12為例。

圖6 水力負荷對TP凈化處理效果的影響Fig.6 Influence of hydraulic load on TP purification effect

根據(jù)圖6可知，不同水力負荷時，2個采樣點的TP濃度波動幅度較小，并且TP濃度未出現(xiàn)顯著的下降趨勢，濕地景觀入口采樣點處TP濃度均高于出口采樣點，該變化趨勢與水力負荷的變化趨勢基本一致。實驗證明：水力負荷對TP的凈化處理效果影響較小。

圖7 不同級別濕地景觀水體內凈化處理效果Fig.7 Purification effects of in different levels of wetland landscape water

圖8 水力負荷對凈化處理效果的影響Fig.8 Influence of hydraulic load on purification effect

利用鉬酸銨分光光度法分析分析黃河濕地景觀水體內NH3-N的凈化處理效果，分析結果如圖9所示。

圖9 不同級別濕地景觀水體內NH3-N的凈化處理效果Fig.9 Purification effect of NH3-N in different grades of wetland landscape water

根據(jù)圖9可知，一級與二級濕地入口采樣點NH3-N去除率均低于出口采樣點，但兩者去除率差距小，三級與四級濕地入口采樣點NH3-N去除率與出口采樣點基本一致。實驗證明：布設黃河蘭州段濕地景觀，有效凈化處理水體內的NH3-N，提高了NH3-N的去除率。

分析不同水力負荷時，黃河蘭州段濕地景觀水體內NH3-N的凈化處理效果，分析結果如圖10所示，以12月份的采樣點、為例。

根據(jù)圖10可知，水力負荷低于1.0 m3/(m2·d)時，濕地入口采樣點與出口采樣點NH3-N的濃度均較高，凈化處理NH3-N的效果較差；在水力負荷達到1.0 m3/(m2·d)時，濕地入口采樣點與出口采樣點的NH3-N濃度迅速下降，這是因為在濕地內種植的植物泌氧效果差，進水引進濕地的DO為NH3-N硝化的關鍵電力受體，并且水力負荷與DO的引進量呈正比，DO越多硝化反應越順利，進而NH3-N的凈化處理效果越佳。實驗證明：在水力負荷超過1.0 m3/(m2·d)(包含1.0 m3/(m2·d))時，NH3-N的凈化處理效果越佳。

圖10 水力負荷對NH3-N凈化處理效果的影響Fig.10 Influence of hydraulic load on NH3-N purification effect

3 結論

黃河蘭州段兩岸經濟在快速發(fā)展的過程中，黃河水受到嚴重污染，加劇了水資源缺乏程度，因此，研究黃河蘭州段濕地景觀水體凈化處理及循環(huán)再生利用，通過布局黃河蘭州段濕地景觀內的植物和填料，凈化處理流域內水體，解決水體內化學需氧量與硝態(tài)氮等指標超標的問題，設計循環(huán)再生利用模式，合理分解污水內的有機物，循環(huán)利用黃河水體，提高黃河蘭州段水體的利用率。