稻屯洼人工濕地冬季水質凈化效果研究

馬義源 張克峰 蘇苗苗 劉曉東

摘 要：針對人工濕地冬季運行效果問題，以稻屯洼人工濕地為—研究對象，對其冬季水質進化效果進行了分析，結果表明，冬季條件下稻屯洼人工濕地仍能保持較好的水質凈化效果，水中COD、NH3-N、TN、TP去除率分別為77.96%、85.83%、52.19%、75.66%，出水水質基本滿足地表Ⅲ類水質標準，保障了南水北調東線工程的水質安全。

關鍵詞：冬季;人工濕地;水質凈化

中圖分類號 X703文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）08-0132-04

Abstract： For the research of constructed wetland operation in winter condition， Watun constructed wetland is used as the object in this article. Sewage treatment plant technologies for the tail water are introduced， and the constructed wetland removal mechanisms of COD、NH3-N、TN and TP are expounded. Water samples are taken and the operation effect are also detected in different time. The detection result shows that Watun constructed wetland keep good water purification， the removal rate of COD、NH3-N、TN and TP are 77.96%、85.83%、52.19% and 75.66%. The effluent quality reaches the III standard of surface water， makes sure the water safety for South-to-North Water Diversion Project.

Key words： Winter; Constructed wetland; Water purification

我國水資源具有總量大、人均少且分布不均勻的特點，人均水資源量遠低于世界平均水平，已成為世界貧水國之一[1]。隨著我國城鎮化建設不斷加快，水環境污染狀況不斷加重[2]。為了快速提高作物產量，人們大量施用化肥、農藥，但大多數化肥農藥殘留于環境和農作物中，然后隨降雨、地表徑流和土壤溶淋等途徑進入水環境，造成水體氮磷含量升高[3]。農業生產對化肥農藥的過度依賴和過量施用成為我國農業面源污染的主要原因[4]。人工濕地處理技術主要利用植物-基質-微生物的物理、化學、生物三重協同作用對污水進行處理[5]，具有低成本、低消耗、低運行的優勢[6]，對改善農業面源污染具有重要意義。人工濕地處理技術在中小城鎮快速發展起來，在我國南方地區應用極其廣泛，但是在我國北方寒冷地區，氣候條件成為限制人工濕地發展的首要因素[7]。

1 研究方法

1.1 項目概況 稻屯洼人工濕地水質凈化工程位于泰安市東平縣，該縣境內有南水北調東線工程重要調水節點東平湖。泰安市屬典型北溫帶季風氣候，降水季節性變化大，境內河流徑流補給少，多以污水處理廠外排尾水為水源，流域治污壓力大。為保障南水北調東線工程水質安全，確保東平湖水質穩定達標，對流入東平湖的水實施截污導流工程：將入湖的大汶河水和縣城污水處理廠出水引入稻屯洼人工濕地進一步凈化處理，出水水質達《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類水質標準后排放。

1.1.1 處理工藝 人工濕地按照布水方式的不同可分為表面流人濕地和潛流人工濕地[8]。表面流人工濕地具有富氧效果好，對水中懸浮有機物、有機質、氨氮的去除率高等優點，但占地面積大，一般作為污水預處理系統。潛流人工濕地對總氮、總磷去除效果更好，適合作為水處理系統的主要處理單元[9]。本污水處理工程采用“深度強化處理+表面流濕地”的工藝流程，強化處理區采用了“前處理床-表流濕地-潛流濕地-表流濕地”的組合工藝，最后排入表流濕地，濕地工藝流程圖如圖1。

1.1.2 設計規模 稻屯洼人工濕地水質凈化工程由當地環保局組織建設，總投資9300萬元，占地382.67hm2，日處理污水量10萬m3。其中深度強化處理濕地16hm2，主要用于處理縣污水處理廠外排尾水。包括5.5公里輸水管線、提升設施，1個預處理池、1個潛流池、2個表流池以及附屬設施;處理后污水排入366.6hm2表面流濕地。表面流濕地主要用于處理縣城生態景觀用水，該水引自大汶河，匯集后自流進入表面流濕地，經表面流濕地處理后，就地資源化利用，供濕地周圍生態和周圍農林用水。

1.1.3 進出水水質設計

1.1.3.1 進水水質 進水水質為污水處理廠處理后達到排放標準一級A的出水，濕地進水水質見表1。

1.1.3.2 出水水質 根據南水北調東線工程水質要求，經人工濕地處理后的水質指標應達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類水體的要求，其主要水質指標見表2。

1.2 樣品的采集與處理 本試驗在2016年11月至2017年2月在人工濕地各工藝的進出口和沿程進行了8次水樣采集，監測分析水樣的化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、溶解氧（DO）、pH值等水質指標。在監測期間大氣溫度約為-10～17℃，并呈現出先降低后升高的變化趨勢，1月份氣溫達到最低值。

每個采樣點釆集水樣500mL，裝入聚乙烯瓶中，現場測定水樣的pH和DO。加酸調整pH值至2.0保存，帶回實驗室48h內檢測。對比處理前后各水質指標的變化規律，計算各類污染物實際去除效果，評價人工濕地系統冬季運行狀況。

1.3 樣品的監測及分析 具體的水樣分析項目與方法見表3。

2 結果與分析

2.1 COD去除效果 人工濕地對有機物有較強的降解能力，主要通過沉淀、過濾作用，同時被植物根系或基質截留而被微生物降解或利用而得以去除[10]。從圖2可以看出，監測期間稻屯洼人工濕地進水COD濃度約為54.3～112.2mg/L，屬于劣Ⅴ類水體，經過人工濕地處理后，COD平均去除率達77.96%，除部分監測時段外，基本滿足地表Ⅲ類水質要求，說明人工濕地冬季運行仍能發揮較好的凈化作用。雖然冬季條件下植物大多數已經死亡，其根系截留和吸收能力較弱，對有機物去除效果降低，但濕地基質截留和生物膜吸附作用仍能使有機物得到有效去除。

2.2 NH3-N凈化效果 人工濕地脫氮的主要途徑為植物和生物吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用以及氨的揮發作用[11]。污水中的無機氮是植物生長過程中不可缺少的元素，可以被植物吸收利用，用于合成植物蛋白等，氮元素的去除通過植物收割從濕地系統中去除[11]。冬季氣溫降低，植物吸收氮素能力降低，同時，系統中硝化細菌和反硝化細菌活性降低也會影響對氨氮的凈化效果。從圖3可以看出，稻屯洼人工濕地進水NH3-N濃度在3.56～7.49mg/L左右，進水水質較差且不穩定，達不到設計要求，但其出水水質基本滿足設計要求，出水NH3-N濃度約為0.32～1.47mg/L，NH3-N去除率75.84%～92.39%，平均去除率85.53%。從圖中可以看出，出水中NH3-N濃度與進水濃度保持相同的變化趨勢，從側面印證了影響系統對NH3-N去除效果的主要因素是進水負荷，而受季節影響較小的說法[12]。

2.3 TN凈化效果 人工濕地污水中的氮包括無機氮和有機氮2種形式，其中有機氮在微生物的作用下很容易轉換成無機氮，因此人工濕地的除氮機理主要是指對無機氮的去除[6]。人工濕地脫氮的主要機制是微生物的氨化、硝化和反硝化作用，及植物吸收、揮發、基質吸附和離子交換等作用[13]。從4圖可以看出，稻屯洼人工濕地TN進水濃度8.47～20.44mg/L，進水水質不穩定，出水中TN濃度3.41～11.21mg/L，出水濃度遠高于地表Ⅲ類水TN濃度≤1.0mg/L的要求。可能是因為冬季氣溫逐漸降低，系統植物、微生物等的生長繁殖活動減弱，對氮的去除主要依靠基質的吸附蓄積能力。

2.4 TP凈化效果 人工濕地中總磷的去除主要通過微生物的氧化分解、植物的吸收以及基質的物化反應（沉淀、吸附、沉積、離子交換、礦化等）3種形式[14]。植物收割和基質的更替是人工濕地系統除磷的主要途徑，微生物降解和植物吸收所產生的除磷作用有限[13]。從圖5圖可以看出，稻屯洼人工濕地TP進水濃度0.33～1.12 mg/L，且水質波動較大，，經人工濕地系統處理后TP濃度僅為原來的15.16～42.16%，出水濃度0.05～0.43 mg/L，除溫度最低的1月份，出水水質基本達到設計標準，可能是因為受溫度影響較小的基質物化反應發揮重要作用。

3 結論與建議

（1）通過對稻屯洼濕地多次水質檢測可知，冬季條件下人工濕地對水中COD、NH3-N、TN、TP等污染物的平均去除率分別為77.96%、85.83%、52.19%、75.66%。經人工濕地系統處理后，除TN外其他水質指標基本可以達到設計水質標準。

（2）冬季大多數濕地植物枯萎，根系吸收能力降低，微生物降解能力因溫度原因受到抑制，填料基質的物理化學作用對污染物的去除發揮了至關重要的作用，保證了冬季稻屯洼人工濕地的綜合去污能力。

（3）提高進水水質穩定性，防止污染嚴重水進入濕地可有效保持濕地穩定運行。基質的選擇應當考慮表面積大、孔隙率大、磷吸附能力強和多孔性的填料混合應用。適當增加濕地植物種類和植物豐度，對濕地做保溫處理，可以有效提高潛流區溫度，提高去污效果。

參考文獻

[1]余周，胡志偉，吳佳，等，污染現狀、危害及處理措施研究[J].環境與發展，2019，31（06）：61+63.

[2]劉玉燦，田一，蘇慶亮，等.現狀與防治策略探索[J/OL].凈水技術：1-8[2021-01-28].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1513.TQ.20201218.0952.002.html.

[3]劉玉燦，蘇苗苗，張巖，等.不同UV工藝中阿特拉津的降解效果與機理研究[J].中國給水排水，2019，35（05）：60-66.

[4]張曉楠，邱國玉.化肥對我國水環境安全的影響及過量施用的成因分析[J].南水北調與水利科技，2019，17（04）：104-114.

[5]江丹丹，孫甲玉，許艷，等.復合型人工濕地對水質的凈化效果評估[J].山東農業大學學報（自然科學版），2020，51（04）：651-654.

[6]周旭丹，孫曉剛，趙春莉，等.人工濕地植被根區土壤性質及其凈化水質季節效應分析[J].生態環境學報，2015，24（06）：1043-1049.

[7]王宇娜，國曉春，盧少勇，等.工濕地對低污染水中氮去除的研究進展：效果、機制和影響因素[J/OL].業資源與環境學報：1-27[2021-01-28].ttps：//doi.org/10.13254/j.jare.2020.0499.

[8]Laura， Flores， Joan， et al. Constructed wetlands for winery wastewater treatment：A comparative Life Cycle Assessment[J]. The Science of the total environment， 2019， 659：1567-1576.

[9]丁怡，唐海燕，劉興坡，等.不同類型人工濕地在污水脫氮中的研究進展[J].工業水處理，2019，39（07）：1-3+9.

[10]孫園，魏心雨，丁怡.人工濕地在修復富營養化水體中的應用及研究進展[J/OL].工業水處理：1-10[2021-01-28].

[11]王海燕，趙遠哲，王文富，等.人工濕地脫氮影響因素及強化措施研究進展[J].環境工程技術學報，2020，10（04）：585-597.

[12]項學敏，楊洪濤，周集體，等.人工濕地對城市生活污水的深度凈化效果研究：冬季和夏季對比[J].環境科學，2009，30（03）：713-719.

[13]丁怡，王瑋，宋新山，等.人工濕地在水質凈化中的應用及研究進展[J].工業水處理，2017，37（03）：6-10.

[14]仇付國，徐艷秋，許俊挺，等.人工濕地系統除磷影響因素研究進展[J].科技導報，2017，35（09）：23-29.

（責編：王慧晴）