北方多級復(fù)合人工濕地對微污染河水的凈化效率：以廊坊龍河濕地為例

高志永 湯雙宇 宋洪濤 趙 奕 王 瑤 劉英華 張保君

(中持水務(wù)股份有限公司，北京 100192)

“十三五”期間，一批專項規(guī)劃和重大治理工程的順利實施有效提升了我國水環(huán)境質(zhì)量，但主要江河監(jiān)測水質(zhì)斷面中仍有200 多個斷面(約占12%)為Ⅳ～Ⅴ類，污染程度呈輕度污染或微污染。微污染河水受污染程度較小，含有污染物濃度較低，尤其是可利用碳源少，通過傳統(tǒng)處理方法難以取得理想的凈化效果(左金龍等, 2012; 陳濤等, 2019;Kong et al, 2017)。

人工濕地上世紀(jì)六七十年代起源于歐洲(Vymazal et al, 2007)，作為一種生態(tài)型污水治理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于污水處理廠尾水深度處理、微污染河水凈化、微污染水源水質(zhì)提升等領(lǐng)域(周曼舒等,2018; 李珂等, 2020; 莫曉云等, 2021)。根據(jù)水流方向，人工濕地可以分為表流人工濕地、水平潛流人工濕地及垂直流人工濕地，但在實際工程應(yīng)用中，單一濕地往往不能達(dá)到預(yù)期效果。多級復(fù)合人工濕地將不同類型人工濕地有機(jī)串聯(lián)或并聯(lián)，以達(dá)到節(jié)約用地、提高凈化效果、減少能源消耗等目的(楊婷等, 2016; 葛媛等, 2018)。本研究以河北廊坊龍河大型多級復(fù)合人工濕地為例，該濕地自2018 年建成，已穩(wěn)定運(yùn)行3 a。通過對全年不同季節(jié)濕地各個處理單元進(jìn)出水水質(zhì)的監(jiān)測，研究了龍河濕地不同季節(jié)、不同基質(zhì)配置、不同植物配置條件下對化學(xué)耗氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)的去除率，探討溫度、基質(zhì)及植物對濕地去除污染物效率的影響，為多級復(fù)合人工濕地技術(shù)治理微污染河水提供參考。

1 材料與方法

1.1 人工濕地試驗設(shè)計

多級復(fù)合人工濕地位于廊坊市安次區(qū)龍河下游段，東張務(wù)防洪閘至龍河出境斷面處，采用“高效沉淀池(預(yù)處理)+多級復(fù)合人工濕地”工藝，其中多級復(fù)合人工濕地由兩級水平潛流濕地與表流濕地串聯(lián)而成。濕地建設(shè)水平潛流濕地面積約6萬m2，表流濕地面積約2 萬m2，處理規(guī)模3 萬m3/d，設(shè)計進(jìn)水濃度為懸浮物(SS)≤60 mg/L，五日生 化 需 氧 量(BOD5) ≤20 mg/L，CODCr≤60 mg/L，NH4+-N ≤6.0 mg/L，TP ≤1.5 mg/L，設(shè)計出水濃度為SS ≤20 mg/L，BOD5≤10 mg/L，CODCr≤40 mg/L，NH4+-N ≤2.0 mg/L，TP ≤0.4 mg/L。龍河濕地各單元布局如圖1 所示，龍河原水經(jīng)旁路提升系統(tǒng)引入高效沉淀池進(jìn)行預(yù)處理，再經(jīng)過兩級串聯(lián)水平潛流人工濕地凈化后排入龍河河道表流濕地。潛流濕地單元處理規(guī)格為15 m×35 m，底部采用HDPE 土工膜防滲，濕地總進(jìn)水采用多級管道配水系統(tǒng)，進(jìn)入濕地后采用多孔管配水裝置，出水區(qū)的末端填料層底部設(shè)置穿孔集水管，同時設(shè)置旋轉(zhuǎn)彎頭和水位調(diào)節(jié)器以調(diào)節(jié)濕地水位。

圖1 龍河多級復(fù)合人工濕地各單元布局及采樣點位示意圖Fig.1 Layout and sampling points of each unit of Longhe multi-stage composite constructed wetland

為研究不同基質(zhì)、植物的配置對潛流濕地凈化效率的影響，本研究在兩級潛流濕地中設(shè)計了不同的基質(zhì)-植物搭配，其中一級潛流濕地基質(zhì)為碎石(40 ～100 mm)，二級潛流濕地基質(zhì)為碎石與沸石(16 ～32 mm)以1:4 比例均勻混合，基質(zhì)厚度1.0 m，平均運(yùn)行水深0.85 m。濕地植物選用本地水生植物中凈化效果較好的蘆葦(Phragmites australis)和香蒲(Typhae latifolia)，蘆葦種植密度為25 叢/m2，香蒲種植密度為16 叢/m2。

1.2 采樣設(shè)計

本研究共設(shè)置7 個采樣點，分別為龍河閘前水(LH)、高效沉淀池出水(GX)、一級潛流濕地1 出水(YJ1，基質(zhì)為碎石，植物為蘆葦)、一級潛流濕地2出水(YJ2，基質(zhì)為碎石，植物為香蒲)、二級潛流濕地1 出水(EJ1，基質(zhì)為碎石+沸石，植物為香蒲)、二級潛流濕地2 出水(EJ2，基質(zhì)為碎石+沸石，植物為蘆葦)、表流濕地末端出水(BL)。2019年12月10日—2020 年11 月21 日，對各濕地處理單元出水共采樣30 次(受到新冠疫情影響，2020 年2、3 月未采樣)，水樣采集后保存于4℃條件，24 h 內(nèi)完成測試。

1.3 指標(biāo)測試

本研究測定了各單元出水中pH 值、溶解氧(DO)、SS、CODCr、NH3-N、TP 等指標(biāo)，各項指標(biāo)的監(jiān)測方法參照國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水檢測分析方法》。pH 值與DO 采用雷磁DZS-706 多參數(shù)分析儀測量。SS采取過濾烘干法測量，烘干過程使用恒泰臺式電熱鼓風(fēng)干燥箱DHG-9145A 測量。CODCr采用重鉻酸鉀法測量，加熱消解過程使用科迪博COD 恒溫加熱器JR-9012；NH3+-N 采用納氏試劑-紫外分光光度法測量，TP采用鉬酸銨-紫外分光光度法測量，使用儀器為光譜722E 型可見分光光度計。溫度(T)取當(dāng)日氣溫最高值。

1.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計方法

本研究采用單因素方差分析(One-way ANOVA)探究不同搭配潛流人工濕地單元以及不同季度之間的去除率差異；根據(jù)氣溫變化，將2019 年12 月、2020 年1 月數(shù)據(jù)作為冬季數(shù)據(jù)，2020 年4、5、10、11 月作為春秋數(shù)據(jù)，2020 年6、7、8、9 月數(shù)據(jù)作為夏季數(shù)據(jù)。將YJ1 與EJ1、YJ2 與EJ2 作為兩個不同搭配的綜合潛流濕地單元進(jìn)行整體比較，采用Pearson 相關(guān)性分析研究潛流人工濕地污染物去除率與環(huán)境因子的相關(guān)性；最后使用Excel 2013、Origin 2021 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地系統(tǒng)凈化效率

龍河濕地主要污染物CODCr、NH3-N、TP 進(jìn)出水濃度全年變化如圖2 所示。CODCr、NH3-N、TP 在濕地最后1 個處理單元表流濕地末端出水均優(yōu)于地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)，平均削減濃度分別為13.3 mg/L(圖2a)、分別為0.395 mg/L(圖2b)、0.086 mg/L(圖2c)，平均去除率分別達(dá)到48.4%、75.5%、57.9%。

圖2 龍河濕地對污染物去除率Fig.2 Pollutant removal effiency of Longhe constructed wetland

不同季度龍河濕地進(jìn)出水中污染物濃度及其去除率存在較大差異。夏季人工濕地出水平均CODCr濃度為14.4 mg/L，顯著高于冬季和春秋，而夏季CODCr平均去除率僅為45.9%，也顯著低于冬季和春秋(P＜0.05)。夏季溫度較高且CODCr濃度較高，微生物在高溫下對CODCr的去除率下降。龍河濕地NH3-N 和TP 去除率均在春秋達(dá)到較高水平，平均去除率分別為77.2%和63.6%，顯著高于冬季和夏季的去除率(P＜0.05)，但造成這一結(jié)果的原因卻不相同。人工濕地進(jìn)水NH3-N 濃度在春秋達(dá)0.569 mg/L，比冬季和夏季分別高出18.0%和15.2%，而不同季度人工濕地出水NH3-N 濃度之間差異較小，說明人工濕地對NH3-N 指標(biāo)的控制效果較為穩(wěn)定，當(dāng)進(jìn)水NH3-N 濃度較大時，去除率也可達(dá)到較高的水平。而在TP 方面，除了春秋TP 去除率最高外，人工濕地春秋進(jìn)出水中TP 平均濃度也顯著低于其他季度(P＜0.05)，一方面可能是因為春季植物生長對磷的吸收能力更強(qiáng)，另一方面也可能是因為春秋季的溫度(20 ～30℃)更適宜聚磷菌的生長(劉有華等,2021)。

2.2 各功能單元去除污染物貢獻(xiàn)

濕地各功能單元pH 值和DO平均值如圖3 所示，采樣點LH 全年平均pH 值為7.87，顯著高于后續(xù)其他單元(P＜0.05)。EJ2 全年平均DO 濃度最高，為6.80 mg/L，可能是因為EJ2 前潛流濕地種植蘆葦，蘆葦根部泌氧能力強(qiáng)，使得水體中DO 濃度上升。各功能單元出水平均pH 值在不同季度無顯著差異(P＞0.05)，但DO 濃度由于不同季節(jié)氣溫變化顯著而呈現(xiàn)冬季低、春夏季高的趨勢。

圖3 龍河濕地各采樣點pH 值和DO 平均值及差異性分析Fig.3 The mean value and difference analysis of pH and DO at each sampling point of Longhe constructed wetland

龍河濕地各功能單元對污染物去除均有不可忽視的貢獻(xiàn)(圖4)，其中YJ、EJ 分別取YJ1 與YJ2、EJ1 與EJ2 數(shù)據(jù)平均值。濕地中71.8%的CODCr通過高效沉淀池和一級潛流濕地進(jìn)行去除，各單元對CODCr的去除貢獻(xiàn)排序為：高效沉淀池＞一級潛流濕地＞二級潛流濕地＞表流濕地。兩級潛流濕地共為NH3-N 的去除貢獻(xiàn)了60.9%，平均有43.0%的NH3-N在一級潛流濕地中被去除，各單元對NH3-N 的去除貢獻(xiàn)排序為：一級潛流濕地＞高效沉淀池＞二級潛流濕地＞表流濕地。TP 的去除也主要由高效沉淀池(29.6%)和一級潛流濕地(34.6%)貢獻(xiàn)，各單元對TP 的去除貢獻(xiàn)排序為：一級潛流濕地＞高效沉淀池＞二級潛流濕地＞表流濕地。

圖4 濕地各功能單元不同季度對污染物的去除貢獻(xiàn)Fig.4 Contribution of each functionalunit of the constructed wetland to pollutant removal in different seasons

不同季節(jié)中濕地各功能單元對CODCr的去除貢獻(xiàn)比例變化較小，但在NH3-N 和TP 的去除上存在顯著差異(P＜0.05)。冬季低溫下，高效沉淀池對NH3-N的去除率和去除貢獻(xiàn)顯著降低，一級潛流濕地的去除貢獻(xiàn)達(dá)到了66.8%。夏季，一級潛流濕地對NH3-N去除的貢獻(xiàn)下降至25.8%，二級潛流濕地的貢獻(xiàn)則達(dá)到全年最高的33.8%。這一結(jié)果說明，當(dāng)一級潛流濕地對NH3-N 去除能力相對下降時，二級潛流濕地可以起到較好的補(bǔ)充凈化作用，保障出水中NH3-N 的濃度達(dá)標(biāo)。而冬季進(jìn)水中TP 濃度顯著高于其他季度，高效沉淀池對TP 的平均削減濃度達(dá)0.050 mg/L，顯著高于春秋和夏季(P＜0.05)。

2.3 潛流濕地污染物去除季度差異

不同配置潛流濕地單元在不同季度對CODCr、NH3-N 和TP 的去除率如圖5 所示。在相同基質(zhì)配置的情況下，種植香蒲的YJ2 和EJ1 對CODCr的凈化效率分別顯著高于YJ1 和EJ2(P＜0.05)，說明香蒲比蘆葦更有利于潛流濕地對微污染河水中CODCr的去除。YJ1 和EJ2 對CODCr的去除率在春秋季分別可達(dá)到22.2%和11.0%，顯著高于夏季和冬季(P＜0.05)；YJ2 與EJ1 對CODCr的去除率則在冬季達(dá)到最高，但季度之間不存在顯著差異(P＞0.05)。這一結(jié)果說明種植蘆葦?shù)臐摿鳚竦厥芗竟?jié)的影響大于種植香蒲的潛流濕地，可能是因為蘆葦生長的季節(jié)性較香蒲更強(qiáng)，而香蒲對CODCr的去除率更穩(wěn)定。

圖5 潛流濕地單元不同季度對污染物的去除率Fig.5 Pollutant removal effiency of subsurface flow units with in different seasons

YJ1 和YJ2 對NH3-N 去 除 率 顯 著 高 于EJ1 和EJ2(P＜0.05)，因為一級濕地進(jìn)水中NH3-N濃度更高。但在一級濕地處理效果較差的月份，如2020 年5 月、7 月EJ1 對NH3-N 的去除率顯著高于YJ1，2020 年6—8 月，EJ2 對NH3-N 的去除率也高于YJ2，說明基質(zhì)“碎石+沸石”的配置比碎石更有利于NH3-N 的去除。另一方面，YJ1 與YJ2、EJ1 與EJ2 濕地植物配置不同，但對NH3-N 的去除率不存在顯著差異(P＞0.05)，說明蘆葦和香蒲對于NH3-N 的去除效果差異不大。

4 種不同配置的濕地單元對TP 的去除率排序為：YJ2 ＞YJ1 ＞EJ2 ＞EJ1。兩個一級濕地對TP 去除顯著高于兩個二級濕地，主要是因為一級潛流濕地進(jìn)水中TP 濃度顯著高于二級潛流濕地的進(jìn)水。而YJ1 與YJ2、EJ1 與EJ2 的去除率之間均不存在顯著差異(P＞0.05)，說明蘆葦和香蒲對于TP 的去除效果差異不大。

3 討論

3.1 潛流濕地凈化效率影響因子

人工濕地對污染物的去除受溫度、季節(jié)影響較大。北方河流在冬季斷流、冰封導(dǎo)致流量減小，人工濕地中微生物活性降低，堵塞、結(jié)冰等情況多發(fā)，單一人工濕地及多級復(fù)合人工濕地系統(tǒng)的凈化效率都在冬季顯著降低(熊家晴等, 2015;嵇斌等,2019;姚東等, 2022)。龍河濕地系統(tǒng)及濕地各個功能單元對CODCr、NH3-N 和TP 的去除率均在春秋季達(dá)到最高。一方面，隨著溫度的增加，濕地對有機(jī)物的去除呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，因此在溫度過高時，COD 去除率會呈現(xiàn)下降趨勢。另一方面，秋季是濕地微生物量達(dá)到最高的季節(jié)(王銳萍等, 2006)，且秋季溫度適宜，有利于微生物對污染物的去除(陳永華等,2012)。

以綜合潛流濕地單元1(YJ1+EJ1) 和單元2(YJ2+EJ2)為分析對象，對濕地進(jìn)水各指標(biāo)及污染物去除率進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，兩個綜合濕地單元表現(xiàn)出相似的規(guī)律(圖6)。潛流濕地中DO 與溫度(T)呈顯著正相關(guān)，溫度越高，水中溶解氧的濃度就越高，有利于濕地中微生物的新陳代謝。同時潛流濕地中CODCr的總?cè)コ逝cCODCr濃度顯著負(fù)相關(guān)，TP 的總?cè)コ逝cTP、SS 的濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明在一定范圍內(nèi)CODCr和TP 濃度越高，潛流濕地對這兩種污染物的去除效率就越低。另外，相關(guān)性分析結(jié)果表明，NH3-N 的去除率與溫度和DO 具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。一般來說，溫度與DO 越高，越有利于潛流濕地中的微生物進(jìn)行硝化-反硝化作用去除NH3-N。但另一方面，溫度也與NH3-N 濃度顯著正相關(guān)，說明在龍河濕地潛流單元中，污染物濃度是影響去除率更重要的驅(qū)動因子。

圖6 綜合潛流濕地單元各指標(biāo)Pearson 相關(guān)性分析Fig.6 Pearson correlation analysis of in dexesin the comprehensive subsurface flow wetland unit

3.2 基質(zhì)與植物對濕地凈化效果的影響

與單一人工濕地相比，多級復(fù)合人工濕地的污染物去除率可提高30%～50%(葛媛等, 2018)，而潛-表濕地組合中的潛流濕地承擔(dān)了主要的氮、磷以及有機(jī)物的去除貢獻(xiàn)(王健等, 2010)，如山東淄河多級復(fù)合濕地研究中，潛流濕地對NH4+-N、TP 的去除貢獻(xiàn)可達(dá)到90%和62.6%(丁永偉等, 2009)。潛流濕地中基質(zhì)與植物配置直接影響到濕地對污染物的去除效率?；|(zhì)在潛流濕地系統(tǒng)中占比較大，為植物生長與微生物附著提供載體，在吸附、截流污染物的同時為微生物及水生動物的活動提供空間。常見的濕地基質(zhì)材料包括礫石、沸石、火山巖、石灰石等天然材料，也包括爐渣、鋼渣、秸稈等工、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物(王明銘等, 2021)。碎石作為一種天然惰性材料，表面活性較低，對氨氮吸附等污染物去除效果較差，但對微污染水體中的磷有較好的去除效果(陸海明等, 2018)。沸石則屬于以微孔和中孔為主的多孔物質(zhì)，在盧少勇等(2016)進(jìn)行的29 種濕地填料對氨氮吸附性能比較研究中，沸石的氨氮吸附量和吸附速率都位居前列。另外，基質(zhì)堵塞是人工濕地運(yùn)行效率降低的重要因素之一，選擇不同組合、不同粒徑的填料可有效提高濕地的運(yùn)行壽命(Vymazal et al, 2018)。我國潛流濕地常用的水生植物包括香蒲、蘆葦、水蔥(Scirpus validus)、美人蕉(Canna indica)等，多采用多種植物交叉栽種(關(guān)艷艷等, 2010)，種植植物的人工濕地對污染物的去除效率可比不種植的情況下提高20%～50%以上(Vymazal et al, 2014)。研究表明，不同植物根系的泌氧量及分泌物存在較大的差別，從而影響到濕地微生物群落結(jié)構(gòu)和活性，造成對不同污染物去除的差異(孫磊等, 2020)。

4 結(jié)論

經(jīng)過廊坊龍河多級復(fù)合人工濕地凈化后，龍河微污染河水水質(zhì)提升至穩(wěn)定達(dá)標(biāo)地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類，濕地系統(tǒng)對CODCr、NH3-N、TP 的平均去除率分別達(dá)到48.4%、75.5%、57.9%。在潛流-表流復(fù)合濕地中，潛流濕地是去除氮、磷等污染物的主要功能單元，且其對污染物的去除率主要受到污染物濃度的驅(qū)動。龍河濕地對污染物的去除率受季節(jié)變化的顯著影響，濕地凈化效率在冬季最低，在春秋季達(dá)到最高。