人工濕地對封閉水體凈化的研究

陳 堯 倪金雷 湯文艷 章昱斌

（1.杭州國尼環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310000；2.浙江中藍環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 325088；3.湖南子宏生態(tài)科技股份有限公司，湖南 長沙 410100；4.安徽建筑大學環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

一些河涌眾多地區(qū)，由于整體建設(shè)規(guī)劃不完善，因此產(chǎn)生了大量的封閉水體河段。由于封閉水體河段無補水、持續(xù)暗管排污、地面徑流污染[1]，水體污染物累計，超過其自凈能力，造成河道水體水質(zhì)惡化，形成黑臭水體。

針對黑臭水體治理，國家相關(guān)部門聯(lián)合制定了《城市黑臭水體整治工作指南》[2]，提出了“控源截污、內(nèi)源治理；活水循環(huán)、清水補給；水質(zhì)凈化，生態(tài)修復(fù)”的基本路線，活水循環(huán)和清水補給往往不具備條件。其中水質(zhì)凈化，分為原位凈化[3]和異位凈化技術(shù)[4]，原位凈化主要為曝氣、生態(tài)浮島，異位凈化主要為一體化凈化設(shè)備、人工濕地以及常規(guī)污水站等。

在水質(zhì)凈化應(yīng)用中，人工濕地具有凈化效果好、景觀效果好以及能耗低等特點。該文通過實際工程中異位人工濕地對黑臭封閉水體水質(zhì)的凈化研究，為黑臭水體水質(zhì)凈化提供指導(dǎo)。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

封閉水體位于舟山市，全長約1000 m，寬度10 m，平均水深1.5 m，水量約15000 m3。由于在水體中存在排口，溶氧濃度低，無新鮮活水引入，造成水體黑臭。為治理該封閉水體水質(zhì)，首先對排口進行排查和截污納管，除地表徑流外，基本控制了外源污染；其次，在封閉水體中游岸邊設(shè)置一塊面積為1000 m2的人工濕地，人工濕地采用垂直潛流型，用泵在封閉水體下游取水，輸送至人工濕地進行凈化，凈化后水體通過重力管道通過沿岸放坡自流至封閉水體上游排放，使封閉水體實現(xiàn)一定程度的自循環(huán)（如圖1 所示）。

圖1 封閉水體水質(zhì)凈化示意圖

人工濕地外墻采用磚混結(jié)構(gòu)，濕地表面由上至下依次為植物、布水系統(tǒng)、集配介質(zhì)、集水系統(tǒng)以及防滲膜。植物采用美人蕉和菖蒲，種植密度分別為1 株/m2、20 株/m2。集配介質(zhì)由上至下包括以下3 層：1）覆蓋層。粒徑為8mm～16mm 礫石，厚度300mm。2）濾料層。粒徑為0.2mm～6mm 無泥粗砂，厚度500mm。3）過渡層。粒徑為4mm～8mm 礫石，厚度200mm。4）排水層。粒徑為8mm～16mm 礫石，厚度300mm。

人工濕地表面設(shè)計水力負荷為1 m3/m2·d，泵流量為200 m3/h，采用時間繼電器控制，每小時運行12.5 min，人工濕地每天凈化水量為1000 m3，人工濕地運行15 d 對封閉水體整體進行一次全面凈化。

1.2 取樣及分析方法

取樣點設(shè)置在封閉水體下游泵取水處。取樣頻率為4h一次，取12 h 混合樣為單次測量水樣。分析項目及測定方法見表1。

表1 水質(zhì)指標的測定

2 數(shù)據(jù)分析和機理研究

2.1 人工濕地對封閉水體COD 的去除

該文數(shù)據(jù)為濕地建設(shè)調(diào)試完成后，開始取樣檢測。如圖2 所示，濕地在運行第80 天取樣，COD 由原來605mg/L降至40.1mg/L，COD 去除率為93.4%。前50dCOD 去除率為92.6%，第50 天至第80 天水樣，COD 濃度基本無變化。開始到第80 天，每隔10 天COD 去除率分別為24.6%、21.8%、21.2%、16.2%、8.8%、1.2%、-0.7% 以及0.3%，相同時間間隔COD 的去除率基本逐漸降低，COD 濃度下降趨勢減緩最后趨于穩(wěn)定。

圖2 人工濕地對封閉水體COD 的去除

COD 的去除包括人工濕地去除、封閉水體中微生物自凈降解。封閉水體水深在1.0 m～2.0 m，可作為兼性塘[5]，由于封閉水體發(fā)黑，透光度相對較差，因此不考慮封閉水體中微生物自凈部分，COD 基本由人工濕地去除。人工濕地對污染物的去除是濕地植物、濕地介質(zhì)、濕地介質(zhì)層中微生物三者協(xié)同，采用物理、化學、生物的方法完成。在COD 去除過程中，在人工濕地中起核心作用的是介質(zhì)層中的微生物，將凝聚性與可溶性COD 進行生物降解[6]。

2.2 人工濕地對封閉水體總氮和氨氮的去除

如圖3 所示，濕地在運行第80 天取樣，總氮由原來的57.2 mg/L 降至11.4 mg/L，總氮去除率為80.1%。開始至第80天，每隔10 d 總氮去除率分別為16.4%、13.8%、14.9%、10.0%、10.7%、9.1%、3.0%以及2.3%，相同時間間隔總氮的去除率整體呈下降趨勢。第80 天取樣氨氮由原來38.3mg/L 降至0.49mg/L，氨氮去除率為98.7%。開始至第80d，每隔10d 氨氮去除率分別為10.2%、13.6%、15.9%、18.8%、25.8%、13.9%、0.3%、0.1%，前50d相同時間間隔氨氮的去除率呈上升趨勢，第60d 氨氮濃度開始趨于穩(wěn)定，氨氮濃度呈較低值。

圖3 人工濕地對封閉水體總氮和氨氮的去除

封閉水體中總氮主要是由氨氮和硝態(tài)氮組成的。氨氮的主要去除途徑為濕地中微生物的硝化作用、植物直接吸收；總氮的主要去除途徑為濕地中微生物的反硝化作用、植物直接吸收[7]。氨氮和總氮的去除率有一定相關(guān)性，由于去除機理的不同，造成去除率的變化趨勢不同。開始階段，封閉水體中COD 濃度相對較高，對硝化作用有抑制作用[8]，由于前期有機污染物物濃度較高，為硝態(tài)氮的反硝化提供了相對充足的碳源，為微生物反硝化反應(yīng)提供了良好條件，因此在開始階段，隨著時間推移，相同時間段內(nèi)總氮去除率變化呈下降趨勢，相同時間內(nèi)氨氮去除率變化呈上升趨勢。

2.3 人工濕地對封閉水體總磷的去除

如圖4 所示，濕地在運行第80 天取樣，總磷從原來的9.5mg/L 降至1.2mg/L，總磷去除率為87.4%。開始至第80 天，每隔10 天總氮去除率分別為23.2%、20.0%、17.9%、9.5%、6.3%、3.2%、4.2%以及3.2%，相同時間間隔總磷的去除率整體呈下降趨勢。總磷濃度仍存在下降的趨勢，即80d 后人工濕地對總磷濃度降低仍具有一定的效果。通過后期人工濕地對封閉水體的持續(xù)凈化，可以將總磷濃度控制在更低的水平。

圖4 人工濕地對封閉水體總磷的去除

總磷的去除主要途徑為濕地植物的吸收和濕地介質(zhì)的吸附。植物吸收磷后可轉(zhuǎn)化為植物的ATP、DNA 以及RNA等有機物[9]，最后通過植物的收割去除。濕地介質(zhì)中含有鈣離子和鎂離子，對水中總磷有化學吸附作用，轉(zhuǎn)化為不溶性的磷酸鹽，附著在介質(zhì)上，對水中的總磷去除。對總磷的2種去除途徑去除效果都與水體中總磷的濃度有關(guān)，當總磷濃度下降時，傳質(zhì)作用下降，植物根系與介質(zhì)對總磷的捕捉效率下降。

2.4 人工濕地對封閉水體藍藻爆發(fā)預(yù)防的分析

人工濕地對封閉水體凈化80d 后，各項水質(zhì)指標提升，黑臭現(xiàn)象消除，COD、總氮、氨氮、總磷指標分別為40.1mg/L、11.4mg/L、0.49mg/L、1.2mg/L 均高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838—2002）中地表水V 類水質(zhì)對應(yīng)的40mg/L、2.0mg/L、2.0mg/L、0.2mg/L（湖庫），水體為劣五類水體。根據(jù)美國環(huán)境保護局（EPA）對水體富營養(yǎng)化劃分，當水體總磷大于0.02mg/L～0.025mg/L 可判斷為富營養(yǎng)化水體。對藻類化學成分進行分析，典型藻類的經(jīng)驗分子式為（CH2O）106（NH3）16（H3PO4），其中氮磷質(zhì)量含量比為7.2 ∶1，封閉水體根據(jù)氮磷比為9.5 ∶1，適宜藻類的生長。綜上所述，經(jīng)80d處理后，封閉水體水質(zhì)存在藻類爆發(fā)風險。

封閉水體通過截污后，封閉水體污染源主要為地表徑流雨水與封閉水體底部淤泥，這兩個污染源會增加封閉水體COD、總氮、氨氮和總磷等指標。如圖2～圖4 所示，經(jīng)80 d 人工濕地凈化COD、氨氮去除與污染源引入已達平衡，總氮、總磷去除大于污染源引入，為使封閉水體水質(zhì)得到進一步提升和降低藍藻爆發(fā)風險，除持續(xù)進行人工濕地凈化外，還需引入其他方法對水體污染進行控制，降低COD、總氮、氨氮和總磷等指標，引入內(nèi)源營養(yǎng)負荷控制和對封閉水體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)。內(nèi)源營養(yǎng)負荷控制技術(shù)包括用引水稀釋、底泥疏浚、生物凈化技術(shù)。封閉水體所在區(qū)域位置不滿足引水稀釋條件。進行底泥疏浚，可先對底泥進行采樣監(jiān)測和評價，再根據(jù)底泥監(jiān)測評價和底泥中水生生物監(jiān)測評價結(jié)果及水質(zhì)情況確定清淤厚度，以實現(xiàn)精準清淤，避免過度清淤造成封閉水體底床破壞或清淤厚度不夠?？刂苾?nèi)源的生物凈化技術(shù)，主要為向封閉水體投加微生物菌劑，通過有機物分解、硝化作用、反硝化作用，降低水中COD、氨氮、總氮。水體生態(tài)修復(fù)主要是在封閉水體底部建設(shè)穩(wěn)定草型水體生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能吸收水體中氮磷提升水質(zhì)，同時能遏制沉積物的動力懸浮過程，提高水體透明度。該文研究的封閉水體須經(jīng)過藻型為主的生態(tài)系統(tǒng)，當水體營養(yǎng)物質(zhì)在一定范圍內(nèi)且水體具有一定的透明度時，才能建設(shè)成穩(wěn)定草型水體生態(tài)系統(tǒng)。

封閉水體經(jīng)過人工濕地凈化后，水質(zhì)得到改善，在濕地表面水力負荷承受范圍內(nèi)，可減少封閉水體一次全面凈化的時間，即增加每天濕地處理水量，結(jié)合實際運行情況，水力負荷可調(diào)整為5 m3/m2·d。濕地水力負荷提升后，能提高水體斷面平均流速。流速對藍藻的生長和優(yōu)勢藻種變化影響顯著，如果流速較高就能抑制藍藻生長，同時能促進其他藻類生長。

3 結(jié)論

通過數(shù)據(jù)分析和機理研究，得出以下4 個結(jié)論：1）人工濕地對封閉水體有良好的凈化效果，經(jīng)80 d濕地的凈化COD、總氮、氨氮和總磷的去除率分別為93.4%、80.1%、98.7%和87.4%。2）人工濕地具有微生物反應(yīng)、介質(zhì)吸收、植物吸收等多途徑相互協(xié)調(diào)作用，在無曝氣和外加藥劑投加情況下，可對氨氮、總磷去除效果良好。3）結(jié)合文中數(shù)據(jù)和水質(zhì)凈化情況，封閉水體的治理可分為2 個階段，第一階段通過人工濕地凈化，黑臭消除，水質(zhì)快速提升；第二階段為水質(zhì)深度提升和藍藻爆發(fā)預(yù)防階段，該階段還需引入其他技術(shù)進行共同作用，如底泥疏浚、生物凈化技術(shù)，建設(shè)穩(wěn)定草型生態(tài)系統(tǒng)。4）為充分發(fā)揮人工濕地在封閉水體凈化中作用，濕地運行的表面水力負荷可根據(jù)封閉水體水質(zhì)進行調(diào)整，提高該負荷能提高封閉水體斷面平均流速，抑制藍藻生長。