北京漢石橋潛流濕地對總溶解性固體和濁度的去除效果分析

李偉 平云梅 崔麗娟* 王賀年張曼胤 趙欣勝 魏佳明 竇志國 蔡楊

（1 中國林業科學研究院濕地研究所，濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室，北京 100091；2 北京漢石橋濕地生態系統國家定位觀測研究站，北京 101300）

人工濕地是由人工建造并控制運行的一種濕地類型，是一種獨特的植物-水-土壤-微生物濕地生態系統，一般種植的濕地植物有蘆葦、茭白、香蒲等（崔麗娟等, 2006; Babatunde et al,2008）。人工濕地可以通過配置不同的濕地植物與選擇不同的基質構成，從而實現較高效率的污染水體凈化。一般來說，人工濕地通過其生態系統內部的各種物理、化學和生化反應對水體中的各種污染物達到去除效果（崔麗娟等, 2010），其配置和自然屬性會影響其運行效果（Garc??a et al, 2004;Hijosa-Valsero et al, 2010a，2010b）。人工濕地的理化參數具有時空變化的特征（Hijosa-Valsero et al, 2011; Imfeld et al, 2009），即便是在月變化或日變化的尺度上（Wie?ner et al, 2005），都會改變和影響其對污染物的去除能力。人工濕地主要包括表流濕地和潛流濕地兩種類型。其中，潛流濕地的水體主要是在濕地床表面下流動，可以充分利用基質表面和植物根系上的生物膜，實現對污染物的截留和降解。潛流濕地維護費用較低，且低溫條件不容易對其運行產生影響，目前各類污水的二級處理過程常用潛流濕地處理（張巖等,2013; Wang et al,2006; 盧少勇等,2006）。目前，水體污染成為許多國家和地區主要的環境問題（Sakaa et al,2016），其中污水濁度是水體污染的一個重要指標，濁度主要是由水中懸浮物引起的，懸浮物包括泥沙、有機物、無機物、微生物等，它們對水質質量和水體的景觀環境造成了嚴重威脅（魯敏等,2012; Buhan et al,2013;Mtavangu et al, 2017）。另外，水體的總溶解固體也是一個重要的指標，該指標是指水中全部溶質的總量，包括無機物和有機物兩者的含量，通常是水體中鹽度指標的一個度量，隨著時間的變化也對水體治理規劃和管理非常重要（Gholamreza et al,2016; Hubert et al, 2015; Mecredy et al, 2015; A l Dahaan Set al, 2016）。本試驗以北京市漢石橋濕地自然保護區污水處理廠外的潛流濕地為研究對象，其構建的目的是為了改善漢石橋中水處理廠的水體水質。本研究選取2014年與2015年的測試數據，分析潛流濕地總溶解性固體和濁度不同時間的運行效果。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

北京漢石橋潛流濕地位于漢石橋濕地自然保護區中水處理廠的東側，水源為中水處理廠經過處理的流出水。其基質由碎石、礫石構成，潛流濕地的水力停留時間為2-3 d。潛流濕地為全地下土筑構筑物，基坑根據需要進行防滲處理，采用粘土防滲層，基質碎石層厚1 m，基質礫石層厚0.25 m。種植植物主要有千屈菜Lythrum salicaria、香蒲Typha orientalis、水蔥Scirpus validus、蘆葦Phragmites australis等。

1.2 研究方法

2014-2015年每個月分兩次定期監測漢石橋潛流濕地進水處、出水處水質的變化；分別選取3個樣點，采集進水口和出水口橫斷面的水樣，并監測水體的相應指標，每個樣點做3個重復。采集樣品裝入500 mL塑料瓶內帶回實驗室供檢，將其保存在4℃條件下。水體的指標如水溫（T）、總溶解固體（TDS）和濁度（Turb）采用YSI6820（YSI，USA）多參數水質監測儀進行現場同步測定。

水體污染物的去除率(R)的計算公式如下：

式中：Ci為第i次污染物濃度(mg/L)；C0為初始濃度(mg/L)。

本研究主要選取總溶解固體（TDS）和濁度（Turb）作為一級動力學模型擬合指標，

式中：Ci和Co分別為潛流濕地污染物進出水濃度，單位為mg/L；C*為背景濃度，單位為mg/L；k為面積速率常數（單位面積處理濕地對污染物去除速率的常數），單位為m/d；Q為水力負荷，單位為m3/(m2·d)。

利用SPSS 20.0進行相關性分析，利用orgin 2019進行圖表的制作。

2 結果與分析

2.1 總溶解性固體和濁度去除效果及動態分析

圖1 不同月份總溶解固體和濁度的去除率Fig.1 Removal rates of total dissolved solids (TDS)and turbidity (Turb) in diあerent months

圖2 總溶解固體和濁度的總體去除率Fig.2 Total removal rates of total dissolved solids (TDS) and turbidity (Turb)

北京漢石橋潛流濕地不同月份總溶解固體和濁度的去除率存在差異（圖1）。從1月到12月，水體的濁度呈現出明顯的先升高后下降的趨勢，夏季和秋季污染物的去除率明顯高于春季和冬季污染物的去除率，其中5、6、7月的去除率較高，去除率分別為98.5%、99.1%、98.9%；1月和2月的去除率較低，去除率分別為65.3%和73.1%。同時，水體的總溶解固體去除率具有波動性，也表現出夏秋季明顯高于春冬季，5月和9月的去除率較高，總溶解固體的去除率分別為17.8%和19.6%；4月和12月的去除率較低，總溶解固體的去除率分別為2.6%和0.8%。兩者的去除率相比，水體濁度去除率顯著大于總溶解固體的去除率（p＜0.05）。潛流濕地具有凈化水質的功能，將2014年與2015年的潛流濕地對水體污染物的去除效果進行比較（圖2），2015年水體的總溶解固體與濁度的去除率相較于2014年較高，但無顯著差異（p＞0.05）。

2.2 溫度對總溶解性固體和濁度去除效果的影響

水體中溶解性固體和濁度的去除在不同的月份存在差異，造成這種結果的原因可能與溫度的高低有關（崔麗娟等, 2010）。在溫度較高的季節，潛流濕地水體的植物正處在生長較旺盛的時期，水體內的微生物等活性也較大，它們的存在可以加速水體污染物溶解性固體和濁度的去除（申歡等,2017）。在北方地區，冬季溫度較低，較為寒冷，因此較低的溫度可能會對微生物的活性產生影響，而且潛流濕地的植物在秋冬季節就會進入生長末期，植物開始或已經死亡，再加上濕地植物凋落物的分解，不但會增加水體的營養元素含量，而且會降低水體透明度，對水體產生“二次污染”，因此水體的濁度可能上升，水體中的雜質增多，這也會影響潛流濕地的凈化效果（Chimney et al, 2006）。

將水體中不同指標的去除率與水體的溫度做相關性分析，對污染指標背景值做出估計，結果如圖3所示。水體濁度與總溶解固體的去除率與溫度之間均存在一定的相關性，而且濁度與溫度的相關性大于總溶解固體與溫度的相關性，在一定的溫度范圍內，溫度升高可以加快水體污染物的總溶解性固體和濁度的去除。

2.3 總溶解性固體和濁度的進水濃度對面積速率常數的影響

從圖4可以看出，北京漢石橋潛流濕地兩個指標的面積速率常數，在零背景值和估值背景濃度條件下存在一定的差異。其中總溶解固體指標在估值背景濃度條件下的面積速率常數高于背景濃度為零時的面積速率常數（p＞0.05）。潛流濕地對總溶解固體去除的面積速率常數隨水處理廠出水污染負荷的升高而升高。水體的濁度指標在估值背景濃度條件下的面積速率常數同樣高于背景濃度為零時的面積速率常數（p＜0.05）。濁度的面積速率常數在低污染負荷下對背景濃度的敏感性較強，且不同背景濃度對濁度的面積速率常數的影響差異較大，隨著污染負荷的升高，濁度的面積速率常數變化漸趨于一致（圖4）。

圖3 總溶解固體和濁度與溫度的相關性分析Fig.3 Correlation analysis of total dissolved solids (TDS) and turbidity (Turb) with temperature

圖4 不同背景濃度下總溶解固體和濁度去除的面積速率常數與進水負荷之間的相關關系Fig. 4 The correlation between the area rate constants of total dissolved solids (TDS) and turbidity (Turb) removal and the inf l uent load at diあerent background concentrations

3 結論

（1）通過比較北京漢石橋潛流濕地對總溶解固體和濁度的去除率，整體來看潛流濕地對濁度的去除率大于對總溶解固體的去除率；北京漢石橋潛流濕地對濁度和總溶解固體的去除率在夏季和秋季明顯高于春季和冬季，總體呈先升高后降低的趨勢。

（2）北京漢石橋潛流濕地對濁度和總溶解固體的去除率受溫度影響明顯，其中，溫度對水體濁度去除率的影響要高于總溶解固體。

（3）北京漢石橋潛流濕地對總溶解固體和濁度去除的面積速率常數受到進水濃度的影響，在估值背景濃度條件下，總溶解固體和濁度的面積速率常數高于背景濃度為零時的面積速率常數。