山西省左云縣人工濕地對(duì)煤礦廢水的凈化效果

張 欣

(山西省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，煤炭等自然資源被大量開采，由此產(chǎn)生的廢水對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了較大破壞。人工濕地具有擬自然、低耗能、低投資、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，通過人工措施模擬濕地系統(tǒng)凈化污水的技術(shù)在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用，并取得了較好的凈化效果。已有學(xué)者在室內(nèi)模擬人工濕地，研究表明其對(duì)煤礦廢水中總氮、總磷、硫化物、CODCr等污染物有一定的去除作用。筆者在山西省左云縣十里河小京莊鄉(xiāng)段被煤礦廢水污染的河道內(nèi)建設(shè)人工濕地，測(cè)定其不同季節(jié)對(duì)煤礦廢水的凈化效果，以期為人工濕地在治理煤礦廢水中的推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西省左云縣十里河小京莊鄉(xiāng)段被煤礦廢水污染的河道內(nèi)，地理坐標(biāo)112°39′49″～112°40′09″，39°46′39″～39°47′08″.地貌特征以黃土丘陵區(qū)為主，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季較熱多雨，秋季潮濕溫?zé)?，冬季寒冷少雪。年平均氣?.1 ℃，極端低溫為-29.5 ℃，極端高溫為34.5 ℃，年平均降雨量399 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 763.8 h，無(wú)霜期125 d.

2 人工濕地現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建

2017年，在試驗(yàn)地進(jìn)行人工濕地現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)。人工濕地現(xiàn)場(chǎng)包括前置處理區(qū)和核心處理區(qū)2個(gè)部分，見圖1.

圖1 人工濕地現(xiàn)場(chǎng)總體布局圖

2.1 前置處理區(qū)

2.1.1 喬木處理區(qū)

喬木處理區(qū)長(zhǎng)300 m，寬24 m，面積7 200 m2.栽植高0.8 m～1.5 m的樟子松和油松，株行距2 m×2 m，品字形排列，樟子松9行，油松3行。整地方式采用穴狀整地，整地規(guī)格0.8 m×0.8 m×0.6 m.

2.1.2 柵格處理區(qū)

柵格處理區(qū)利用當(dāng)?shù)氐匦?，分為南、北兩部分，每部分長(zhǎng)200 m，寬15 m，面積3 000 m2.北部撒播早熟禾、委陵菜、紅蓼等草籽，播種量為75 kg/hm2；南部鋪種草皮，挖取3 cm～5 cm厚的帶土草皮，按株行距20 cm×40 cm進(jìn)行栽植。

2.1.3 灌木處理區(qū)

灌木處理區(qū)長(zhǎng)200 m，寬30 m，面積6 000 m2.栽植竹柳和沙棘各1 000株，均為2年生～3年生帶土球苗木，塊狀混交栽植，株行距為1.5 m×1.5 m，品字形排列，整地方式采用穴狀整地，整地規(guī)格為0.5 m×0.5 m×0.3 m.

2.1.4 靶向性植物處理區(qū)

靶向性植物處理區(qū)長(zhǎng)100 m，寬20 m，面積2 000 m2.在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按草帶形式種植靶向性植物，帶間距20 cm～30 cm，由東向西依次種植香蒲、蘆葦、紅蓼、委陵菜、水蔥、水麥冬、莎草，每種植物約200 m2～300 m2，栽植方式為帶土球穴植。

2.2 核心處理區(qū)

根據(jù)從加拿大引進(jìn)的人工濕地處理技術(shù)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果，建造核心處理區(qū)，面積156 m2.其中，包括1個(gè)12 m×3 m的集水氧化池和5個(gè)2.5 m×10 m的人工濕地單元，集水氧化池和人工濕地單元之間以管道連接，濕地單元之間的取水口用PVC板控制開關(guān)。5個(gè)人工濕地單元從南向北依次排列，比降為0.3%，使水可以依靠自身重力流動(dòng)；人工濕地單元間的出水口交錯(cuò)排列，使水流呈S型流動(dòng)。人工濕地單元深60 cm，挖除底泥，夯實(shí)底土，鋪1層土工布作為防滲層，上鋪10 cm礫石，之后填充基質(zhì)20 cm(濕地土壤：河沙=1∶1)，最后再在表層鋪10 cm礫石。5個(gè)人工濕地單元從南向北依次種植紅蓼、水蔥、蘆葦、委陵菜、水麥冬，穴狀栽植，株行距為20 cm×20 cm，見圖2.

圖2 核心處理區(qū)設(shè)計(jì)圖

3 試驗(yàn)方法

通過修建臨時(shí)擋壩將煤礦廢水引入人工濕地現(xiàn)場(chǎng)，煤礦廢水根據(jù)地勢(shì)變化依靠自身重力先后流經(jīng)喬木處理區(qū)(M1)、柵格處理區(qū)(M2)、灌木處理區(qū)(M3)、靶向性植物處理區(qū)(M4)和核心處理區(qū)(M5)。筆者分別于2018年2月(冬季)、5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)中旬測(cè)定各處理區(qū)對(duì)煤礦廢水的凈化效果。

3.1 前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水的凈化效果

在喬木處理區(qū)(M1)、柵格處理區(qū)(M2)、灌木處理區(qū)(M3)和靶向性植物處理區(qū)(M4)的出水口各設(shè)1個(gè)簡(jiǎn)易測(cè)流堰，于同一天同一時(shí)段，在煤礦廢水自然流經(jīng)測(cè)流堰時(shí)取樣測(cè)定各處理區(qū)出水口的主要污染物含量，并計(jì)算去除率，每個(gè)處理3次重復(fù)。

3.2 核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水的凈化效果

當(dāng)煤礦廢水流入核心處理區(qū)時(shí)，先將其儲(chǔ)存在12 m×3 m的集水氧化池中，之后打開人工濕地單元1的進(jìn)水口，關(guān)閉出水口，使煤礦廢水在人工濕地單元1中停留48 h.之后再打開人工濕地單元2的進(jìn)水口，依次類推，通過PVC板控制煤礦廢水在每個(gè)人工濕地單元中的水力停留時(shí)間均為48 h.測(cè)定每個(gè)出水口煤礦廢水的主要污染物含量，并計(jì)算去除率，設(shè)3次重復(fù)。

3.3 主要污染物的測(cè)定與去除率的計(jì)算方法

總磷(TP)的測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法，總氮(TN)的測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，硫化物的測(cè)定采用硫代硫酸鈉滴定法，汞(Hg)的測(cè)定采用原子熒光法，CODCr的測(cè)定采用重鉻酸鹽法(GB/T11914-1989)。

去除率(%)=(1-水樣中污染物濃度/試驗(yàn)前廢水中污染物濃度)×100%.

主要污染物濃度及去除率取3個(gè)重復(fù)的平均值，用EXCEL 2003進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理及分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水的凈化效果

2018年，不同季節(jié)前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水的凈化效果見圖3.

由圖3可以看出，前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr均有一定凈化效果。其中，TN，TP，硫化物含量的變化趨勢(shì)相似，在喬木處理區(qū)下降速度較快，除了土壤基質(zhì)和喬木根系的作用外，可能與廢水排放初期N，P，S的揮發(fā)和吸附沉降作用較強(qiáng)有關(guān)；格柵處理區(qū)和灌木處理區(qū)，TN，TP，硫化物含量的下降速度減慢，可能是由于元素的揮發(fā)和基質(zhì)的吸附沉降達(dá)到飽和，而在較短的時(shí)間內(nèi)植物對(duì)廢水的凈化作用有限；到靶向性植物處理區(qū)時(shí)，TN，TP，硫化物含量的下降速度又有所增大，這可能是由于靶向性植物對(duì)N，P，S的吸收效果較之前的植物好。Hg和CODCr含量的變化趨勢(shì)相似，在4個(gè)處理區(qū)基本呈勻速下降的趨勢(shì)，這是由于重金屬離子Hg的去除主要是通過土壤基質(zhì)的吸附絡(luò)合和植物根系的吸收，而CODCr的去除主要依靠物理格柵、過濾、澄清和土壤基質(zhì)中微生物的代謝作用，因此隨廢水流經(jīng)不同的處理區(qū)凈化效果和速度保持基本穩(wěn)定。經(jīng)前置處理區(qū)后，2018年2月、5月、8月和11月煤礦廢水的TN含量分別降至11.75 mg/L，9.32 mg/L，8.47 mg/L，11.16 mg/L；TP含量分別降至1.24 mg/L，0.98 mg/L，0.92 mg/L，1.15 mg/L；硫化物含量分別降至0.182 mg/L，0.159 mg/L，0.156 mg/L，0.175 mg/L；Hg含量分別降至0.000 35 mg/L，0.000 30 mg/L，0.000 31 mg/L，0.000 33 mg/L；CODCr含量分別降至204 mg/L，165 mg/L，173 mg/L，191 mg/L.前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr的凈化效果有限，除硫化物達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)外，其它均未達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。不同季節(jié)前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率見第12頁(yè)表1.

圖3 不同季節(jié)前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水的凈化效果

表1 不同季節(jié)前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率 %

由表1可以看出，前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水主要污染指標(biāo)的去除率較低，TN為41.25%～57.65%，TP為40.10%～55.56%，硫化物為21.21%～32.47%，Hg為30.00%～40.00%，CODCr為43.80%～54.55%.這可能是由于廢水依靠重力自然流經(jīng)前4個(gè)處理區(qū)，沒有采取專門的措施增加水力停留時(shí)間，所以凈化效果相對(duì)較差。比較不同季節(jié)(月份)前置處理區(qū)對(duì)煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率，從小到大依次為冬季(2月)<秋季(11月)<春季(5月)<夏季(8月)。這可能是由于8月份植物的地下部分生長(zhǎng)量最大，且溫暖的天氣對(duì)元素?fù)]發(fā)和微生物活動(dòng)有利，所以對(duì)煤礦廢水的凈化效果較好；5月份次之，11月和2月天氣較冷，植物生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)受到抑制，對(duì)煤礦廢水的凈化效果較差。

4.2 核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水的凈化效果

2018年，不同季節(jié)核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水的凈化效果見圖4.

由圖4可以看出，核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr均有較好的凈化效果。5種污染物含量的變化趨勢(shì)相似，在前3個(gè)濕地單元下降明顯，可能是由于不同植物根系對(duì)污染元素的吸收和根系周圍微生物的活動(dòng)作用；濕地單元4和濕地單元5污染物含量的變化趨于平緩，這可能是由于基質(zhì)、植物及微生物的作用達(dá)到飽和導(dǎo)致的。經(jīng)核心處理區(qū)5個(gè)濕地單元處理后，2018年2月、5月、8月和11月煤礦廢水的TN含量分別降至0.92 mg/L，0.64 mg/L，0.58 mg/L，0.81 mg/L；TP含量分別降至0.18mg/L，0.12 mg/L，0.09 mg/L，0.16 mg/L；硫化物含量分別降至0.113 mg/L，0.096 mg/L，0.088 mg/L，0.104 mg/L；Hg含量分別降至0.000 10 mg/L，0.000 08 mg/L，0.000 06 mg/L，0.000 09 mg/L；CODCr含量分別降至18 mg/L，13 mg/L，12 mg/L，15 mg/L.核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr的凈化效果較好，均能達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。不同季節(jié)核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率見表2.

圖4 不同季節(jié)核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水的凈化效果

表2 不同季節(jié)核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率 %

由表2可以看出，核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水主要污染指標(biāo)的去除率較高，TN為86.57%～87.50%，TP為70.91%～80.43%，硫化物為23.13%～33.33%，Hg為62.96%～71.43%，CODCr為84.00%～87.18%.這可能是由于通過設(shè)置PVC板延長(zhǎng)了廢水在每個(gè)濕地單元中的水力停留時(shí)間(HRT=48 h)，使基質(zhì)、植物和微生物對(duì)煤礦廢水的凈化作用更充分，且不同植物可以吸收利用不同形式的污染物質(zhì)。不同季節(jié)(月份)，核心處理區(qū)對(duì)煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率差距不大且無(wú)明顯規(guī)律。這可能是由于以流經(jīng)前置處理區(qū)后的污染物含量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)結(jié)果有一定影響。

5 結(jié)論與討論

各季節(jié)，煤礦廢水經(jīng)人工濕地現(xiàn)場(chǎng)的5個(gè)處理區(qū)后，主要污染物的含量均可被降低到符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的要求。不同月份(季節(jié))人工濕地對(duì)煤礦廢水的凈化效果略有差別，8月份效果最好，由于此時(shí)植物的地下部分生長(zhǎng)量最大且氣溫較高，有利于污染物質(zhì)揮發(fā)和微生物活動(dòng)；5月份次之，11月和2月天氣較冷，植物生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)受到抑制，對(duì)煤礦廢水的凈化效果較差。