石佛寺人工濕地對(duì)水體中富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除效果分析

周林飛，鐘 倩，王鶴翔，張 靜

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽(yáng)110866；2.撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 撫順113000；3.遼寧省供水局，沈陽(yáng)110003）

水資源是人類生存和社會(huì)發(fā)展的重要自然資源之一。目前由于工業(yè)廢水及生活污水的排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥的使用等因素，使氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在水體中不斷累積，引起我國(guó)部分河流湖泊出現(xiàn)嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。水體富營(yíng)養(yǎng)化的出現(xiàn)會(huì)使溶解氧量降低，水體透明度降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化，水體功能喪失，魚類及其他水生生物大量死亡，所以對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的治理已刻不容緩。人工濕地污水處理技術(shù)開始發(fā)展于20世紀(jì)70年代，其對(duì)水體中富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除主要依靠植物修復(fù)作用，具有低投資、低耗能等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度重視［1－2］。人工濕地通常可分為：表面流人工濕地、潛流人工濕地以及分段布置的垂直流和水平流混合系統(tǒng)，其中表流人工濕地水流直接與大氣接觸，具有更加良好的好氧環(huán)境，對(duì)水體中富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有較好的去除效果［3］。

水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入以及富集是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)象的主要因素，其來(lái)源分為外源與內(nèi)源。外源氮、磷主要通過(guò)點(diǎn)、面源污染進(jìn)入水體；內(nèi)源主要是指底泥及沉積物含有一定量的氮、磷物質(zhì)，可以通過(guò)溶解進(jìn)入水體。水體中的有機(jī)物含量多少可用CODMn，BOD5表示，BOD5代表污水中容易生化降解的指標(biāo)，它們的值越高，說(shuō)明水體受有機(jī)物的污染越嚴(yán)重，水體的富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)象也就越嚴(yán)重。而水體中的溶解氧水平會(huì)改變水中的氧化還原環(huán)境，從而影響對(duì)某些富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效果［4－5］，進(jìn)而影響到水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度，因此，在研究水體中的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化時(shí)，對(duì)溶解氧也要進(jìn)行研究。

石佛寺人工濕地水的主要來(lái)源為遼河的上游來(lái)水，它匯集了周邊地區(qū)排放的大量生活污水及工業(yè)廢水，富集了氮、磷以及有機(jī)質(zhì)等富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。本文通過(guò)在濕地入口、中間、出口等處設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，研究濕地對(duì)富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的修復(fù)效果，為濕地建設(shè)與健康發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

石佛寺水庫(kù)是遼河干流上唯一的大型控制性水利工程，位于遼寧省沈陽(yáng)市沈北新區(qū)黃家鄉(xiāng)和法庫(kù)縣依牛堡鄉(xiāng)。石佛寺人工濕地于2009年5月建成，位于水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)遼河的左岸，屬遼河沖積平原北部，栽植的水生植物選擇易成活的荷花、蘆葦和蒲草，是東北地區(qū)大型的表面流人工濕地。經(jīng)過(guò)近5a的生態(tài)建設(shè)與濕地的生態(tài)自我修復(fù)及演變，濕地內(nèi)生態(tài)環(huán)境不斷改善，經(jīng)調(diào)查水生植物種類逐年增加，鳥類也在此聚集，一個(gè)較為完善的濕地生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)形成。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)：濕地內(nèi)部共設(shè)4個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1是2009年濕地建成前設(shè)立的，位于濕地末端泄洪閘處；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3，4是濕地建成后設(shè)立的，分別位于濕地的進(jìn)口 、中部及出口。

水體富營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)與監(jiān)測(cè)頻次：結(jié)合濕地內(nèi)部的實(shí)際情況，選取的富營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3－N）、總氮（TN）和總磷（TP）。各點(diǎn)的監(jiān)測(cè)頻次為每月1次。具體分析時(shí)將數(shù)據(jù)劃分為汛期及非汛期，其中汛期為每年6—9月，非汛期為1—5月和10—12月。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為2005—2013年，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3，4數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為2009—2013年。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地水體中富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化分析

對(duì)比分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)1濕地建成后（2009—2013年）與濕地建成前（2005—2008年）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析濕地建成前后水體中富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化情況。圖1—6為2005—2013年監(jiān)測(cè)點(diǎn)1濕地水體中DO，CODMn，BOD5，NH3－N，TN和TP的濃度變化曲線。

2.1.1 DO的變化趨勢(shì)分析 從圖1可以看出，在汛期及非汛期DO的含量整體均呈上升趨勢(shì)，2009年濕地建成后DO的含量明顯高于濕地建成前。說(shuō)明由于水生植物量的增加，莖葉的輸氧作用以及植物的光合作用等向水體中輸送大量氧，使?jié)竦厮w中溶解氧濃度明顯提高。2009年后汛期DO變化范圍為6.8～7.3mg/L，非汛期為7.3～9.6mg/L，DO含量非汛期大于汛期，一方面是由于水體中DO的含量與氣溫、水溫有關(guān)，在氣溫低的非汛期在水中的溶解量更高；另一方面說(shuō)明非汛期挺水植物開始衰退，水面受植物遮擋面積減小，濕地中大量沉水植物的光合作用加強(qiáng)，另外在冬季水面結(jié)冰時(shí)，有的沉水植物（如菹草）也不死亡，均可使水中氧含量增加。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的DO濃度變化曲線

2.1.2 CODMn，BOD5變化趨勢(shì)分析 根據(jù)圖2和圖3可以看出，相比于濕地建設(shè)前2005—2008年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，濕地建設(shè)后2009—2013年CODMn及BOD5的含量明顯降低，說(shuō)明由于水生植物的恢復(fù)使?jié)竦貙?duì)有機(jī)物降解能力增強(qiáng)。2005—2013年CODMn及BOD5的含量在非汛期基本都高于汛期，一是由于汛期水生植物生長(zhǎng)旺盛，對(duì)有機(jī)物具有更好的吸收效果；二是汛期水量大，濕地內(nèi)水體更新速度快，自凈能力增強(qiáng)。石佛寺人工濕地的修建對(duì)遼河水中的有機(jī)物具有良好的修復(fù)作用。但對(duì)于汛期大水量的稀釋作用，水生植物對(duì)有機(jī)物的降解作用，這兩者對(duì)有機(jī)物的影響，各自所占的比重有多大，還需進(jìn)行更詳細(xì)與更深入的研究。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的CODMn濃度變化曲線

由圖3可以看出，2005—2011年BOD5一直呈下降趨勢(shì)，但之后又有一個(gè)緩慢的上升趨勢(shì)。這種上升可能是因?yàn)闈竦貎?nèi)水生植物繁茂，腐爛分解所引起的。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的BOD5濃度變化曲線

2.1.3 NH3－N，TN和 TP變化趨勢(shì)分析 由圖4，圖5，圖6可知，2009年濕地建成后相比于濕地建成前NH3－N，TN和TP的濃度在汛期及非汛期基本都呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明濕地對(duì)此三種富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有良好的去除效果。濕地建成后的2009—2013年，NH3－N的濃度在汛期及2009—2012年非汛期無(wú)明顯變化，在2013年非汛期有明顯升高；TN的濃度在2009—2011年汛期及非汛期時(shí)段呈波動(dòng)變化，在2011—2013年呈明顯上升趨勢(shì)；TP的濃度在汛期及非汛期時(shí)段雖然變化趨勢(shì)較小，但在2011—2013年略有上升趨勢(shì)。石佛寺人工濕地建成后，濕地內(nèi)部的挺水植物、沉水植物等對(duì)營(yíng)養(yǎng)因子具有良好的吸附作用以及對(duì)遼河水質(zhì)的嚴(yán)格管理，使水體富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)象得到改善，但隨著水生植物年復(fù)一年的死亡腐爛，會(huì)釋放出含氮含磷物質(zhì)，已出現(xiàn)了二次污染現(xiàn)象。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的NH3－N濃度變化曲線

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的TN濃度變化曲線

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的TP濃度變化曲線

2.2 濕地對(duì)水體中富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除效果分析

為進(jìn)一步分析遼河水流經(jīng)濕地內(nèi)部時(shí)其中富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化情況，對(duì)濕地建成后2009—2013年濕地進(jìn)口、中間和出口的水體富營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及去除率見表1。

2.2.1 水體DO的變化 DO濃度的增加，可以使水體富營(yíng)養(yǎng)化的級(jí)別降低。從表1可以看出，汛期DO的變化率除在2011年為正值，其余年份都為負(fù)值，說(shuō)明從入口到出口，除2011年外DO濃度均降低了；非汛期2011年、2012年和2013年變化率為正值，其余年份為負(fù)值。水體中溶解氧含量主要受到以下兩方面影響：一方面為水生生物的呼吸作用及好氧有機(jī)物的降解使DO含量下降的耗氧作用，另一方面為水生植物的光合作用及空氣中氧氣在水中溶解量增加的復(fù)氧作用，這兩方面因素互相消長(zhǎng)，使水中溶解氧含量產(chǎn)生變化。當(dāng)富含有機(jī)物的遼河水流經(jīng)濕地內(nèi)部時(shí)，微生物對(duì)有機(jī)物的降解會(huì)消耗氧，當(dāng)耗氧速度超過(guò)氧的補(bǔ)給速度時(shí)，水中的DO含量降低，因此濕地出口部分時(shí)段含氧量降低。從表1可以看出濕地出口DO變化范圍為4.7～9.6mg/L，水體富營(yíng)養(yǎng)情況可達(dá)到中營(yíng)養(yǎng)水平。水體流經(jīng)過(guò)濕地后，流速增加，植被覆蓋減少，復(fù)氧能力的加強(qiáng)，水中溶解氧的濃度也會(huì)逐漸增加。

表1 2009－2013年石佛寺人工濕地水體富營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化情況

2.2.2 濕地對(duì)CODMn，BOD5的去除效果 從表1可以看出，汛期時(shí)段，CODMn從濕地的進(jìn)口到中部、進(jìn)口到出口的去除率（除2012年外），均為正值；非汛期時(shí)段，CODMn的去除率（除2012年和2013年外），均為正值。汛期時(shí)段，BOD5從濕地的進(jìn)口到中部、進(jìn)口到出口的去除率（除2013年外），均為正值；非汛期時(shí)段，BOD5去除率（除2012年和2013年外），均為正值。

濕地中有機(jī)物的去除主要是依靠植物吸收、微生物代謝以及植物根部的微環(huán)境物理截流沉淀作用。從以上數(shù)據(jù)可以看出2009—2011年，石佛寺人工濕地對(duì)有機(jī)物CODMn，BOD5的去除效果在汛期及非汛期都十分明顯，部分時(shí)段的去除率可達(dá)到30%以上，且整體上汛期時(shí)段的去除效果好于非汛期時(shí)段。一方面說(shuō)明非汛期仍有部分沉水植物不會(huì)死亡，使?jié)竦卦诜茄雌趯?duì)有機(jī)物同樣具有良好的去除效果，另一方面說(shuō)明北方地區(qū)汛期為植物的生長(zhǎng)期，且溫度高雨量大，發(fā)達(dá)的植物根系具有更好的吸附、吸收作用，微生物的活性高也會(huì)加強(qiáng)生物的代謝降解作用，因此相比于非汛期，濕地在汛期對(duì)有機(jī)物的去除效果更好。

在2012年和2013年CODMn及BOD5的去除率出現(xiàn)負(fù)值，這兩年間CODMn的濃度值處于4.2～6.7 mg/L，BOD5的濃度值處于2.6～4.7mg/L，與2011年相比略有降低，說(shuō)明近年來(lái)對(duì)遼河水的治理使水體富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)象得到明顯改善，同時(shí)也可以看出，隨著濕地運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，內(nèi)源污染的產(chǎn)生使水體自凈能力減弱，若不能加強(qiáng)對(duì)濕地內(nèi)部植物的管理，會(huì)影響濕地對(duì)有機(jī)物的去除效果。

2.2.3 濕地對(duì) NH3－N，TN 和 TP的去除效果 根據(jù)表1知，NH3－N從濕地的進(jìn)口到中部、進(jìn)口到出口的去除率（除2012年和2013年外），均為正值。TN從濕地的進(jìn)口到中部、進(jìn)口到出口，汛期時(shí)段（除2013年外），均為正值；非汛期時(shí)段（除2012年和2013年外），均為正值。TP從濕地的進(jìn)口到中部、進(jìn)口到出口，去除率均為正值；非汛期時(shí)段（除2012年和2013年外），均為正值。

濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除主要通過(guò)植物的吸收、硝化與反硝化作用、微生物降解和揮發(fā)作用、基質(zhì)的吸附過(guò)濾等物理化學(xué)作用等幾方面協(xié)同完成的。從以上數(shù)據(jù)可以看出，濕地內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)鹽在同年非汛期時(shí)段的濃度均高于汛期時(shí)段的濃度，而且在汛期具有更高的去除率。主要原因是汛期為植物的生長(zhǎng)期且溫度較高，水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽不僅可以作為植物及微生物的營(yíng)養(yǎng)成分被直接吸收，而且硝化及反硝化作用的增強(qiáng)也會(huì)加強(qiáng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果。

在2012年和2013年濕地內(nèi)部NH3－N，TN和TP的去除率出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明石佛寺人工濕地自建成以來(lái)已穩(wěn)定運(yùn)行了5a，隨著水生植物年復(fù)一年的生長(zhǎng)凋落，濕地中積累了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不僅會(huì)消耗水中的溶解氧含量，降低濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果，而且會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向水體再釋放，造成二次污染。因此要加強(qiáng)水生植物腐敗后的管理，做到及時(shí)收割并定期去除濕地表層植被凋落物，防止二次污染。

3 結(jié) 論

自2009年石佛寺人工濕地建成以來(lái)，水庫(kù)出口處水體富營(yíng)養(yǎng)情況明顯好于濕地建成前。DO含量明顯增加，有機(jī)物CODMn，BOD5及營(yíng)養(yǎng)鹽 NH3－N，TN和TP的含量有顯著降低，說(shuō)明石佛寺人工濕地對(duì)水體中的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有一定的凈化效果，使水庫(kù)水質(zhì)得到明顯改善。

石佛寺人工濕地建成后2009—2013年，雖然部分時(shí)段水體中DO含量的變化率出現(xiàn)負(fù)值，但濕地出口處DO含量均達(dá)到了7.0mg/L以上。石佛寺人工濕地對(duì)有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)鹽具有良好的去除效果，且去除效果在汛期好于非汛期，2009—2011年的去除率均達(dá)到正值，對(duì)有機(jī)物CODMn，BOD5的最大去除率分別可達(dá)到48.3%，65.8%，對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽 NH3－N，TN和TP的最大去除率分別可達(dá)到78.1%，88.2%和72.0%；2012年、2013年部分時(shí)段的去除率出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明二次污染現(xiàn)象已經(jīng)出現(xiàn)。

濕地中的水生植物能有效去除濕地水體中的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高濕地內(nèi)部的自凈能力，然而北方地區(qū)冬季寒冷，多數(shù)植物死亡后腐爛分解，會(huì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向水和底泥中再釋放。因此，如何控制內(nèi)源性污染，如何采取措施增強(qiáng)人工濕地對(duì)富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效果是今后研究的重點(diǎn)。

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