邛海濕地五期小河溝人工濕地運(yùn)行效果調(diào)查

王洪波，何俊，王雪梅

（1.四川省涼山州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 西昌 615000；2.西昌學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，四川 西昌 615013）

0 引言

邛海是四川省第二大天然淡水湖，有保持生態(tài)平衡、維護(hù)生物多樣性、發(fā)展旅游經(jīng)濟(jì)等多方面的作用。在湖濱帶修建人工濕地是保障入湖水水質(zhì)安全，減緩湖濱地帶濕地退化，恢復(fù)區(qū)域生物多樣性的重要手段，對(duì)湖泊濕地生態(tài)環(huán)境有不可忽視的作用[1]。

人工濕地系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單、低成本的污水處理技術(shù)，具有獨(dú)特的凈化機(jī)理，高效的凈污能力。具備出水水質(zhì)優(yōu)良，設(shè)計(jì)建造和運(yùn)行成本低廉、工作人員管理便利、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)和美學(xué)優(yōu)點(diǎn)等好處。人工濕地有表面流人工濕地和水平潛流人工濕地兩種[2]。小河溝人工濕地是表面流人工濕地類(lèi)型，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、維護(hù)方便。是以自然濕地為設(shè)計(jì)理念，以基質(zhì)、挺水植物、微生物和水體組成的濕地[3]。表面流人工濕地由上部好氧層和下部厭氧層組成[4]，通過(guò)基質(zhì)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收以及微生物分解作用實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效凈化[5]。

邛海濕地五期小河溝人工濕地主要處理川興鎮(zhèn)海壩村的生活污水以及農(nóng)業(yè)污水，其中濕地污水處理系統(tǒng)是整個(gè)濕地重要組成部分，小河溝人工濕地保障了邛海濕地入水水環(huán)境穩(wěn)定和安全[3]。保證小河溝人工濕地各人工塘間植物生長(zhǎng)狀況良好，污水處理效率符合要求具有重要意義。本研究對(duì)邛海濕地五期小河溝人工濕地運(yùn)行效果進(jìn)行調(diào)查，分析人工濕地處理污染物的去污效率和凈化效果，討論影響人工濕地凈化處理效率的因素，為人工濕地維護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 人工濕地概況

邛海濕地五期小河溝人工濕地，位于西昌市東南方向，距西昌市中心約6.9km，東臨大漁村，西接小漁村，北接海壩村，距離邛海水體300m。該濕地所處地區(qū)海壩村屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，終年溫差較小，冬季少雨且氣候溫和，夜晚結(jié)冰情況極少。夏季陽(yáng)光充沛，最高氣溫達(dá)35～37℃。夏季多為夜雨，雨量較大，濕地平面布置如圖1所示。

圖1 邛海濕地五期小河溝人工濕地平面布置圖

1.2 采樣與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

根據(jù)西昌氣候特點(diǎn)將采樣分為雨季和旱季兩個(gè)季節(jié)進(jìn)行。分別于2017年旱季4月、5月，2017年雨季7月、8月，各連續(xù)采樣2個(gè)月。每次在各級(jí)濕地的出入口分別采集水樣3份，密封保存。采樣過(guò)程同時(shí)記錄濕地植物生長(zhǎng)情況。

1.3 實(shí)驗(yàn)室分析

小溝河人工濕地主要處理上游村民的生活污水以及商業(yè)區(qū)的餐飲廢水等，樣品的水質(zhì)參數(shù)測(cè)定包括COD、總磷（TP）、總氮（TN）和氨氮（NH3-N）。化學(xué)需氧量（COD）采用GB 11914-89重鉻酸法、總氮采用GB 11893-89鉬酸銨分光光度法、總磷采用GB ll894-89堿性過(guò)硫酸鉀消解分光光度法、氨氮采用納氏試劑法[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物去除效果分析

根據(jù)調(diào)查期間人工濕地出水污染物濃度變化可知，在雨季濕地對(duì)COD去除效果明顯，去除率達(dá)44.2%。而旱季小河溝濕地對(duì)COD凈化能力較差，COD去除率僅3.7%，且小河溝人工濕地水生植物部分出現(xiàn)枯萎死亡。對(duì)COD濃度分析結(jié)果表明，小河溝人工濕地對(duì)COD平均去除率較差。

雨季TN去除率較高，達(dá)到了54.7%，進(jìn)入旱季，由于入水量減少，污染物濃度高，水力停留時(shí)間變長(zhǎng)，人工濕地凈化能力明顯，TN去除率達(dá)到了70.6%。對(duì)該濕地系統(tǒng)進(jìn)出水的TN濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出，該人工濕地處理對(duì)TN去除效果較為理想，出水中TN濃度優(yōu)于Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

雨季TP去除率較好，達(dá)到了78.0%，進(jìn)入旱季，植物部分死亡會(huì)影響處理的效率，但是水處理量減少，也能達(dá)到良好的效果，TP去除率81.4%。

雨季NH3-N去除率不高，達(dá)到49.2%，進(jìn)入旱季，進(jìn)入人工濕地的水量減少，進(jìn)水污染物濃度更高，水力停留時(shí)間變長(zhǎng)，加之西昌氣候溫和等因素，NH3-N去除達(dá)到不錯(cuò)的處理效果，NH3-N去除率達(dá)到了68.2%。

從污染物的整體去除率來(lái)看旱季比雨季高，在整個(gè)人工濕地中對(duì) COD 凈化率雨季比旱季更加理想，但是COD濃度在旱季和雨季均出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象。對(duì)于TN主要還是進(jìn)水濃度與去除率有一定相關(guān)性[8]，污水濃度高導(dǎo)致去除率升高，其次旱季由于水量較小，水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，其TN去除率旱季比雨季高。NH3-N在人工濕地中，主要去除途徑為揮發(fā)、基質(zhì)吸附和離子交換、植物吸收、硝化與反硝化等，TN 質(zhì)量濃度的變化過(guò)程與 NH3-N的較為一致[8]。因此在雨季水流較大時(shí)，水力停留時(shí)間相對(duì)較短，雨季NH3-N的去除率較旱季低。

2.2 各級(jí)濕地處理單元對(duì)污染物去除分析

如圖2所示，濕地單元出水中化學(xué)需氧量呈現(xiàn)顯著性差異，去除率變化較大，污水中的去除效果如表2，B1、B4濕地對(duì) COD有明顯的污染物去除效果，B2、B3濕地出水呈現(xiàn)了COD升高的現(xiàn)象，其主要原因是B2、B3人工濕地中萎焉、死亡的植物沒(méi)有清理，在濕地中腐爛導(dǎo)致水質(zhì)變壞[6,19]。

圖2 各級(jí)濕地COD 濃度變化

表1 邛海濕地五期小河溝人工濕地污染物去除情況

表2 邛海濕地五期小河溝人工濕地各級(jí)濕地污染物去除率 （%）

在人工濕地中，氮主要通過(guò)植物吸收，硝化和反硝化作用去除[9]，研究表明揮發(fā)、基質(zhì)吸附和離子交換對(duì)脫氮沒(méi)有明顯影響，而植物吸收占總質(zhì)量的10%左右[9,10]。表明微生物的硝化和反硝化是污染物去除的主要方向。因此，人造濕地中微生物硝化和反硝化在濕地中起著重要作用。水在濕地中滯留時(shí)間越長(zhǎng)，濕地中微生物有充足的時(shí)間凈化水質(zhì)，TN的去除率越高。如圖3所示，TN進(jìn)水質(zhì)量濃度與去除率之間有著較好的一致性，即進(jìn)水質(zhì)量濃度高，去除率也較高。綜上所述，旱季濕地對(duì)總氮的去除效果比雨季好。

圖3 各級(jí)濕地TN濃度變化

B4濕地出水TN濃度出現(xiàn)升高現(xiàn)象，原因是B4濕地中花葉蘆竹生長(zhǎng)狀況較差，約40%花葉蘆竹死亡，植株腐爛在濕地中導(dǎo)致水質(zhì)變壞。

如圖4示，濕地單元出水中TP的去除率呈現(xiàn)出顯著性差異，污水中 TP的去除效果較好。小河溝人工濕地對(duì)TP的去除效果最好的濕地單元是 B1濕地，其原因是 B1最接近進(jìn)水口，其中 TP濃度高，TP進(jìn)水濃度與去除率之間有著較好的一致性，即進(jìn)水質(zhì)量濃度高，去除率也較高。旱季B4濕地TP濃度升高，是因?yàn)榛ㄈ~蘆竹死亡腐爛在濕地單元造成濕地水體污染。

圖4 各級(jí)濕地TP濃度變化

如圖5所示，濕地單元出水中NH3-N的去除率呈顯著性差異，污水中氨氮的去除效果較好，污水經(jīng)人工濕地系統(tǒng)處理后，小河溝人工濕地B1、B2、B3單元對(duì)氨氮均有較好的去除效果。根據(jù)表2，B1（菖蒲、梭魚(yú)草）濕地對(duì)氨氮的去除率最高。B4（花葉蘆竹、紙莎草）濕地對(duì)氨氮的去除效果最差，甚至出現(xiàn)污染物濃度升高的現(xiàn)象。主要原因?yàn)锽4濕地中花葉蘆竹死亡，植株腐爛在濕地單元中，造成實(shí)質(zhì)變壞。

圖5 各級(jí)濕地NH3-N濃度變化

2.3 植物生長(zhǎng)狀況分析

人造濕地的大部分去除效果源于植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。由于植物濕地的生長(zhǎng)直接影響到污染物的去除效率，人工濕地植物的生長(zhǎng)直接關(guān)系到污水的凈化和濕地的景觀，因此促進(jìn)植物生長(zhǎng)和防治雜草具有實(shí)際意義。

表3是邛海濕地五期小河溝人工濕地旱季、雨季植物生長(zhǎng)情況的調(diào)查。分別記錄了人工濕地旱季、雨季的水深、植物類(lèi)型、密度、蓋度。旱季、雨季濕地植物平均蓋度都達(dá)到90%以上，人工濕地水深最低的季節(jié)為旱季，水深10cm，能滿足植物生長(zhǎng)需要。雨季生長(zhǎng)茂盛程度大于旱季，植物生長(zhǎng)密度也高于旱季。全年植物生長(zhǎng)密度最低的季節(jié)為旱季，其植物覆蓋度雖然較高，但是部分植物生長(zhǎng)狀態(tài)較差，出現(xiàn)部分植物萎焉和死亡的現(xiàn)象，枯萎死亡的植株在濕地水體中沒(méi)有專(zhuān)人及時(shí)清理任其倒伏在濕地，未處理的植物腐爛在濕地中，給濕地運(yùn)行造成極大負(fù)擔(dān)。

表3 邛海濕地五期小河溝人工濕地旱季、雨季植物生長(zhǎng)狀況

無(wú)論雨季還是旱季，B1、B3濕地植物生長(zhǎng)狀態(tài)都較好，B1濕地植物為菖蒲、梭魚(yú)草，B3濕地為鳶尾。B1濕地中梭魚(yú)草部分枯萎根莖未及時(shí)清理，一定程度上影響了梭魚(yú)草的生長(zhǎng)。由于雨季處于植物生長(zhǎng)歷程的巔峰時(shí)期，因此在雨季濕地植物無(wú)論蓋度、密度都較旱季好。

3 討論

小河溝人工濕地出現(xiàn)COD濃度異常升高現(xiàn)象，其主要原因是B2、B3人工濕地中萎焉、死亡的植物沒(méi)有清理，在濕地中腐爛導(dǎo)致水質(zhì)變壞[6,19]；其次，濕地過(guò)多的淤泥堆積影響濕地處理效率。比如B4濕地植物死亡導(dǎo)致濕地單元不僅沒(méi)有降低污染物濃度反而出現(xiàn)污染物濃度升高現(xiàn)象。以上說(shuō)明人工濕地成功運(yùn)行后維護(hù)是十分必要的。

部分植物在旱季會(huì)出現(xiàn)枯萎的根莖和枝葉，沒(méi)有及時(shí)收割和清理會(huì)進(jìn)入濕地單元對(duì)濕地運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響[19,20]，B4濕地由于濕地植物花葉蘆竹大面積死亡，未及時(shí)處理，使得污染物去除率受到極大的影響，甚至出現(xiàn)污染物濃度升高現(xiàn)象。

人工濕地對(duì)污水的凈化和水力停留時(shí)間長(zhǎng)短有較強(qiáng)相關(guān)性，控制水力停留時(shí)間能把污染物去除效率和處理污水量達(dá)到最佳平衡[11]。人工濕地中，氮的主要去除途徑為揮發(fā)、基質(zhì)吸附和離子交換、植物吸收、硝化與反硝化等[9]，有研究表明植物吸收約占總質(zhì)量的10%[9,10]。間接說(shuō)明脫氮與污水停留時(shí)間、微生物群落生長(zhǎng)狀態(tài)密切相關(guān)。水流經(jīng)濕地停留時(shí)間越長(zhǎng)TN去除率越高。因此，雨季水量大的時(shí)候應(yīng)進(jìn)行污水分流，避免濕地超負(fù)荷運(yùn)行。

邛海濕地五期小河溝人工濕地污染物出水濃度未到達(dá)設(shè)計(jì)要求，主要原因?yàn)椋喝狈?zhuān)業(yè)的管理維護(hù)，包括枯萎植物的收割、抽排過(guò)多的污泥、病蟲(chóng)害不及時(shí)治理等；雨季水量大，未分流減輕濕地負(fù)擔(dān)。因此建議濕地配備專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員定期監(jiān)測(cè)濕地運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)濕地穩(wěn)定運(yùn)行，如清理腐敗死亡的植物根莖，濕地中過(guò)多的污泥、雜草等。

4 結(jié)論

調(diào)查期間人工濕地出水的TN、TP、NH3-H達(dá)到《GB 3838-2002中華人民共和國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，COD出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。旱季整體污染物去除率好于雨季。小河溝人工濕地雨季植物比旱季茂盛，該濕地部分濕地單元植物枯萎莖葉和堆積淤泥未清理，導(dǎo)致堵塞等原因影響了濕地的凈化功能。