北關人工濕地對河道水污染物去除研究

林瑞峰，沙洪利，沈曉強，郭珊珊，段 睿,白文榮,田 煒

(1.北京市北運河管理處，北京 101100；2.清華大學環境學院，北京 100084)

北運河日徑流量300萬m3，年出京水量7億m3[1]。北關濕地位于北運河起點，在北京城市副中心生態景觀帶及運河文化展示長廊等方面發揮著重要作用。北關濕地主要由表流濕地和潛流濕地組成，占地約1.6萬m2，使用一體化泵站從北運河取水，日處理總量為5000m3，現狀俯視圖如圖1所示。表流濕地與潛流濕地并聯運行，其中表流濕地面積3450m2，水深1m，日處理量為3000m3，潛流濕地面積4805m2，日處理量為2000m3。表流濕地采用地表推流進水，通過構建水下森林與種植挺水植物，實現植物的多樣性。水力布局如圖2所示，通過物理沉淀作用與生物作用去除水中氮磷和部分有機污染物[2- 4]。潛流濕地為0.9m厚生態填料混合物(火山巖∶沸石∶鐵礦石=60∶30∶10)，上層覆蓋0.3m種植土，種植菖蒲、鳶尾等植物。采用垂直推流進水，水流從潛流濕地底部進入，均勻流過填料后由頂部排出。潛流濕地利用填料表面的生物膜、植物的吸收等作用等，實現對氨氮、總磷和部分有機物的去除[5- 6]。北關濕地同時設有出水展示區，位于表流濕地和潛流濕地末端，科學配置水生植物與動物，進一步吸附去除水中的污染物。工藝流程如圖3所示。

圖1 北關人工濕地現狀俯視圖

圖2 北關人工濕地水力布局圖

圖3 北關人工濕地工藝流程圖

1 材料與方法

1.1 樣品采集方法

本文在2019年8月—2020年7月期間對北關濕地進行連續取樣，每2周分別于濕地進水區、表流濕地出水展示區、潛流濕地出水展示區取水樣，每個區域選擇3個采樣點，將水樣混合代表該區域水樣，每個采樣點的采樣深度為0.4m。

1.2 樣品分析測試方法

對濕地進出水中的化學需氧量、總氮、氨氮、總磷和葉綠素a進行了檢測。檢測方法參照HJ 399—2007《化學需氧量采用重鉻酸鉀法》、HJ 636—2012《總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》、HJ 545—2009《氨氮采用納氏試劑光度法》、GB 11893—1989《總磷采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法》、HJ 897—2017《葉綠素a采用分光光度法》。測試中使用的試劑均為分析純，生產廠家為國藥集團化學試劑有限公司。

2 結果與討論

2.1 人工濕地對化學需氧量的去除

如圖4所示，不同季節進水中化學需氧量濃度基本維持穩定，為21.3～25.0mg/L，平均濃度為24.6mg/L。濕地系統處于一個植被生長成熟的階段，化學需氧量的去除率還不高。潛流濕地對進水中化學需氧量的去除率高于表流濕地。潛流濕地對進水中化學需氧量的去除率在秋季、冬季和春季均在20%～30%之間，而表流濕地在秋、冬、春3個季度對進水中的化學需氧量去除率在10%～20%之間，其中的主要原因是潛流濕地由砂礫層-植物系統共同組成，進水經配水系統從填料床的一端均勻平緩流過填料床植物根系。潛流濕地是一個主要由土壤、濕地植物以及微生物共同組成的生態系統，可以充分利用填料表面附著的生物膜及豐富的植物根系。而表流人工濕地中進水在填料表面漫流，絕大部分的有機物的去除是通過植物水下莖，桿上的生物膜來實現的，因而表流人工濕地存在不能充分利用填料及植物根系的缺點[7- 9]。夏季潛流濕地和表流濕地的出水中化學需氧量相比于進水出現上升的現象。由于夏季溫度高，水中的溶解氧含量較其他季節低，同時植物生長會消耗水中大量的溶解氧，可能會造成部分區域出現厭氧情況，水中的厭氧菌大量繁殖造成出水中化學需氧量上升。另外，夏季藻類繁殖也可能導致化學需氧量的上升。

2.2 人工濕地對總氮的去除

如圖5(a)所示，在一年的不同時期人工濕地進水中總氮含量呈現一定波動，進水中的總氮濃度基本在3.9～11.7mg/L，平均濃度在7.9mg/L。進水中的總氮濃度在冬季最高，達到8.9mg/L；夏季進水中總氮濃度相對于其他季度較低，為6.3mg/L。圖5(b)表明，進水經過人工濕地處理后總氮含量均有所下降。潛流濕地處理的總氮的去除率高于表流濕地。秋季時，潛流濕地和表流濕地對總氮的去除率在20%左右；在冬季潛流濕地和表流濕地對總氮的去除率均出現下降的趨勢，主要原因是冬季溫度降低，植物凋零，微生物的活性變差[10]，使得人工濕地去除進水中總氮的能力下降，出水中總氮的濃度分別為7.8mg/L和8.2mg/L，去除率為12.0%和8.2%。進入次年春季和夏季后，潛流濕地對水中總氮的去除率不斷提高，夏季時出水總氮的濃度為3.3mg/L，去除率達到了48.2%；相反，表流濕地對水中總氮的去除率不斷下降，夏季時出水總氮濃度為5.9mg/L，低于10%。人工濕地去除總氮的途徑主要包括硝化和反硝化、植物吸收、基質吸收等，硝化和反硝化是人工濕地除氮最普遍的方式[11- 12]。硝化過程是指硝化菌(硝酸鹽菌和亞硝酸鹽菌)在好氧條件下，將氨氮氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽。而反硝化過程是指反硝化菌在缺氧條件下，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣。在運行前期，由于植物和濕地的基質對水中總氮有一定的吸收/吸附作用，因此表流濕地和潛流濕地對總氮均有一定的去除率。隨著濕地不斷成熟，潛流濕地進水通過填料內部和植物根系，存在好氧或者厭氧區域，硝化過程和反硝化過程均可以發生；而表流濕地進水只經過填料表面，溶解氧充足，不易發生反硝化過程。因此潛流濕地對于總氮的去除遠高于表流濕地。

圖4 各取樣口(a)化學需氧量隨時間變化及(b)化學需氧量各季節均值變化和減少率

圖5 各取樣口(a)總氮隨時間變化及(b)總氮各季節均值變化和減少率

2.3 人工濕地對氨氮的去除

從圖6(a)可以看出，進水中的氨氮濃度除了個別時間有較大波動，其余氨氮的濃度均在0.3～1.3mg/L，平均濃度在0.9mg/L，在總氮中所占的比例接近1/10。進水中氨氮的濃度在秋、冬、春季接近；在夏季最低，達到0.6mg/L。圖6(b)可以看出，潛流濕地對氨氮的去除率遠高于表流濕地對氨氮的去除，兩者相差約20%。潛流濕地和表流濕地對氨氮的去除效果與對總磷和總氮的趨勢接近，潛流濕地和表流濕地在秋季對氨氮的去除率分別達到83.2%和60.9%。進入冬季后，由于氣溫的下降，微生物的活性降低，使得潛流濕地和表流濕地對氨氮的去除率均出現下降的趨勢[13- 14]。進入次年春季，溫度回暖以及微生物的活性恢復提高了潛流濕地和表流濕地對水中的氨氮去除率。潛流濕地出水氨氮濃度為0.2mg/L，去除率達到80%；表流濕地出水氨氮濃度為0.43mg/L，去除率達到57.7%。進入夏季之后，潛流濕地和表流濕地對氨氮的去除率明顯下降，分別只有39.0%和13.2%。硝化過程需要氧氣，而夏季由于氣溫和藻類等因素的影響，限制了硝化過程的進行，降低了氨氮的去除。這也正好和夏季出水中化學需氧量上升的現象相吻合。

2.4 人工濕地對總磷的去除

從圖7(a)可以看出，進水中總磷濃度在0.08～0.26mg/L之間，平均濃度為0.13mg/L。秋季進水總磷濃度較高，達到0.16mg/L，其他三個季節進水總磷濃度相近。從圖7(b)可以看出，四季中，潛流濕地出水的總磷去除率均高于表流濕地。潛流濕地對水中總磷的去除呈現一個下降的過程，秋季對水中總磷去除率為41.8%，次年夏季對總磷的去除率下降至22.4%。表流濕地對水中總磷的去除率整體也呈現下降的趨勢，不過在次年春季時，表流濕地出水中總磷的含量高于進水中總磷的含量，這可能是由于表流濕地植被體內的磷分解重新進入水體。人工濕地除磷主要是通過植物和藻類吸收、濕地基質吸附、化學沉淀和微生物的同化作用來完成[12，15]。人工濕地對水中磷去除的效果不及對氮的去除效果，在運行前期植物的生長對水中總磷的去除有一定的效果，隨著濕地運行不斷成熟，對磷的效果會逐漸減弱，這也側面反應了濕地運行的不斷完善和成熟。

圖6 各取樣口(a)氨氮隨時間變化及(b)氨氮各季節均值變化和減少率

圖7 各取樣口(a)總磷隨時間變化及(b)總磷各季節均值變化和減少率

2.5 人工濕地對葉綠素a的影響

葉綠素a的濃度在一定程度上反映了水體中藻類的含量。從圖8(a)可以看出，進水中葉綠素a在一年中的變化非常明顯，濃度在1.81～273mg/L之間，葉綠素a平均濃度為59.5mg/L。圖8(b)可以發現，在冬季和春季，進水中葉綠素a的濃度分別為21.1mg/L和30.6mg/L，遠低于夏季和秋季。這主要是由于冬季和春季氣溫較低，藻類繁殖緩慢，導致北運河進水的葉綠素a濃度較低。進水中葉綠素a的濃度在夏季最大，為89.2mg/L。潛流濕地對葉綠素a的去除率高于表流濕地[16]。潛流濕地在春季、夏季和秋季對葉綠素a的去除率在55%～85%之間。表流濕地在春季、夏季和秋季對葉綠素a的去除率遠低于潛流濕地，分別為31.9%、4.0%和45.3%，雖然濕地系統會去除部分葉綠素a，但同時濕地本身也會在出水中帶入葉綠素a，導致葉綠素a的去除效果不夠理想。在夏季，由于藻類生長迅速，表流濕地對葉綠素a的去除效果很低。在冬季時，潛流濕地和表流濕地的出水中葉綠素a均高于進水中葉綠素a，可能是由于冬季植物死亡后被微生物分解，磷、有機物進入水體，促進藻類的生長，使得出現出水中葉綠素a高于進水。

3 結論

通過一年的連續觀察，北關人工濕地生態系統以及運行逐漸趨于成熟和穩定，但受到溫度、植被生長、微生物活性等多重因素的影響，個別季節出水污染物濃度較進水出現上升。潛流濕地和表流濕地在不同季節化學需氧量的去除效果相近，而對葉綠素a的去除率則有較大差異。在脫氮除磷方面，潛流濕地的效果明顯優于表流濕地。秋季水處理效果較好，夏季受降雨等影響，水處理效果稍差，冬春季節受溫度影響，水處理效果最差。隨著運行時間的延長，北關濕地趨于成熟穩定，處理效果逐步向好，耐沖擊負荷穩定增加，該研究可為人工濕地處理微污染河道水提供理論支持和數據支撐。

圖8 各取樣口(a)葉綠素a隨時間變化及(b)葉綠素a各季節均值變化和減少率