人工濕地火山巖和沸石混合填料運行效果分析

柳月婷，晉波燕，王子龍，林瑞峰，白文榮

(1.北京水利水電學校，北京 100024；2.北京市北運河管理處，北京 101125)

國家《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》中強調，加快生態文明建設，到2035年，城鎮污水得到安全高效處理，全民共享綠色、生態、安全的城鎮水生態環境。同時，推廣“生物+生態”污水處理技術，鼓勵將再生水用于河湖濕地生態補水[1]。《北京市濕地保護條例》中也強調，濕地建設要結合鄉村振興戰略，采用生態技術手段建設人工濕地處理農村生活污水的鄉鎮，建設小微濕地，既保證了水體的進一步處理，又提升了生態環境效應。

基于此，對北關潛流人工濕地填料的處理效果及維持生態多樣性方面進行了分析研究，研究成果既能優化自身運行，也能為之后新建濕地提供技術上的參考。

1 概況

北關人工濕地位于北京城市副中心溫榆河、北運河、運潮減河、通惠河、小中河5河交匯處，占地面積為16450m2，其中表面流人工濕地3450m2，潛流人工濕地4585m2，出水展示區共3750m2。北關攔河閘上游連通渠作為人工濕地進水，依靠動力提升泵，日最大進水量共5000m3/d，其中3000m3/d經過表面流人工濕地，2000m3/d利用垂直流方式進入潛流人工濕地，匯流后最終回補到北運河北關攔河閘下游河道。

1.1 潛流人工濕地填料

潛流人工濕地采用垂直流進水方式，利用水力徑流經過管道至填料底部，從填料頂部流出，表面水力負荷為0.42m3/(m2·d)，水力停留時間為3.2d，最后匯集至潛流人工濕地展示區。潛流人工濕地面積4805m2，生態混合填料4126m3，采用900mm厚生態混合填料(火山巖∶沸石∶鐵礦石=6∶3∶1)，填料粒徑10～15mm。填料頂層覆300厚種植土，土壤上層種植，鳶尾、千屈菜、蘆葦等植物[2]。

1.2 潛流濕地作用機理

人工濕地在水質凈化過程中，潛流人工濕地對水體污染物的去除效果最理想，因此也是人工濕地設計的關鍵核心部分。對于潛流人工濕地，較為重要的結構為植被底下的填料層，根據填料的作用方式和對污染物的去除機理，可將人工濕地的填料分為離子交換型、表面共沉降型、緩釋碳型、特性磷吸附型、電子攻擊型、自氧反硝化型等[3]。本次研究的潛流人工濕地填料類型屬于自養反硝化型。該潛流人工濕地通過通氣孔和植物根系將氧氣輸送到填料層中，將填料層分為了缺氧區、好氧區共存的生態環境，滿足了厭氧、缺氧、好氧的生物處理環境，不同的微生物可以較好地共存在一個生態環境中[4]。

潛流人工濕地對氮、磷的去除方法主要有硝化/反硝化、植物根系吸收等。在選用填料的過程中，要考慮填料的穩定性，選擇吸附能力強，不容易解吸的填料[5]。本潛流人工濕地結構主要由火山巖、沸石等通透性好、比表面積大、吸附能力強的填料組成。潛流人工濕地經過2年的穩定運行，該混合填料能夠使微生物較好地固定和掛膜，微生物中的硝化菌、反硝化菌等去除水中的有機物、氮等指標效果也比較顯著。

2 濕地填料對水體污染物去除效果

本研究中的潛流人工濕地，水力停留時間HRT3.2d，該水力停留時間是對比了1、2、3、4d不同天數之后，確定停留時間為3～4d，此時硝化菌、反硝化菌等菌群活性較活躍，處理效果較好[6]。在潛流人工濕地穩定運行2年后，選取了2021年4—12月的進出水水質情況、去除率等數據，分析研究了混合填料結構對COD、TP、NH3-N、TN、葉綠素a等水質指標的去除效果的影響。

2.1 濕地填料對COD的去除效果分析

如圖1所示，在研究過程中記錄了水體采樣當日平均氣溫，發現在5—11月份COD去除率受溫度影響較大。隨著溫度的不斷變化，在春夏期間隨著溫度的不斷升高，COD的去除率不斷上升；隨著進入秋冬，COD的去除效果也隨之降低，主要是因為溫度影響了填料中附著的微生物活性。通過數據可以觀察到潛流人工濕地填料對COD的去除效果明顯，除11月份去除能力明顯降低，全年COD去除率都穩定在35%～70%之間，與黃翔峰等[7]研究結果為40%左右的結果近似，甚至還高于該去除率。以4月份的進出水COD指標為例，進水指標在58mg/L，經過潛流人工濕地后的出水指標可以達到23mg/L，已經接近了地表Ⅲ類水的水質標準。因此，可確定該配比的火山巖、沸石、鐵礦石混合填料具有穩定的COD的去除能力，并且對于較高COD的水質，處理效果也比較理想。

圖1 2021年潛流人工濕地填料對COD的去除效果

2.2 濕地填料對TP的去除效果分析

如圖2所示，2021年進水口TP平均濃度0.16mg/L，穩定在地表水Ⅲ類水平。由于進水TP指標良好，因此潛流濕地填料對TP去除效果并不顯著，去除率處于波動形態。夏季的5、7月份進水TP濃度較高時，潛流濕地去除能力顯著提高，處于60%～70%之間，在潛流展示區TP濃度始終能穩定在0.08～0.17mg/L之間。

圖2 2021年潛流人工濕地填料對TP的去除效果

潛流人工濕地對水體中磷污染物的去除主要是通過微生物處理、填料吸附沉淀、植物吸收的共同作用[8]，其中填料吸附和微生物處理發揮著重要作用，不同的填料對磷的去除影響效果不同。由于填料對磷基質的去除受填料自身鈣、鎂、鐵等物質的影響，還受外界水力條件、溫度、pH值的影響[9]，造成去除率的整體規律性不強，呈波動狀態。推斷火山巖、沸石、鐵礦石混合填料對TP的去除存在一定局限性，但能夠將TP穩定在一定的濃度區間。

2.3 濕地填料對NH3-N的去除效果分析

如圖3所示，潛流人工濕地填料對NH3-N的去除效果最為理想。春、夏去除率分別達到60%～80%，秋季去除率55%左右，冬季去除率也能達到38%左右。在Santee中提到，在總的氮去除量中硝化反應占總氮量的60%～80%[10]，因此分析NH3-N的去除效率能夠較好地說明潛流人工濕地中的火山巖、沸石、鐵礦石混合填料具有較大的飽和吸附量，并且能夠保證在吸附飽和后，利用與土壤中植物形成較好的生態系統，植物進行一部分氮的吸收，使除氮效率最大化。

圖3 2021年潛流人工濕地填料對NH3-N的去除效果

NH3-N的去除率受溫度的影響較明顯，隨著溫度的變化，潛流人工濕地對NH3-N的去除率呈正相關變化趨勢。潛流人工濕地除氮受溫度的影響主要有2方面：一方面是植物吸收氮的效果隨溫度而變化；另一方面是填料中的微生物受到溫度的影響，其活性會發生改變。對于硝化反應，最佳溫度在30～40℃范圍[10]。我們通過數據可以判斷8月份溫度較高，在30℃以上時，NH3-N的去除率也相應達到最高值。異常點出現在9月份，可能存在取樣、檢測異常等問題，導致相應的去除率較低。

2.4 濕地填料對TN的去除效果分析

如圖4所示，TN的去除率與溫度之間的關系較為緊密。4—8月植物和微生物的活性最旺盛，TN的去除率較高，最高去除率到達98%。9—12月溫度越來越低，由于火山巖、沸石、鐵礦石混合填料上附著的微生物活性和植物的光合作用的衰弱，導致TN的去除率也越來越小，在12月處于最低去除率狀態。

圖4 2021年潛流人工濕地填料對TN的去除效果

2.5 濕地填料對葉綠素a的去除效果分析

如圖5所示，葉綠素a的含量具有明顯的季節特點，夏季該指標含量處于高值狀態，與氣溫呈現明顯的正相關關系[11]，在4—8月葉綠素a含量不斷升高的情況下，混合填料對其去除率能夠達到83%～90%，全年整體的去除率在70%～90%之間。因此，可以初步確定火山巖、沸石、鐵礦石混合填料吸附過濾葉綠素a的能力較強，滿足對潛流人工濕地水體葉綠素的穩定處理，整體處理效果理想。

圖5 2021年潛流人工濕地填料對葉綠素a的去除效果

2.6 濕地填料對5種物質去除率對比分析

如圖6所示，對比火山巖、沸石、鐵礦石混合填料對水中COD、NH3-N、TN、TP、葉綠素a這5種物質的去除率，可以發現葉綠素a的去除效果最理想，主要是由于火山巖、沸石填料高吸附過濾作用；其次是對NH3-N的去除效果較好，主要由于該混合填料附著的微生物對氮的高處理性能和植物根系的吸收作用。COD、TN、TP總的去除率變化呈波動狀態，4—8月由于溫度的升高去除率處于波動上升的趨勢，9—12月由于溫度的降低去除率處于下降趨勢。可以確定火山巖、沸石、鐵礦石混合填料對污染物的去除很大程度上受到季節的影響，去除率與環境溫度呈正相關。

圖6 2021年潛流人工濕地填料對5種物質去除率對比

3 濕地填料維持生態多樣性的分析

分析潛流人工濕地填料維持生態多樣性需要從水生態健康評價指標體系入手，本研究參照DB11T 1722—2020《水生態健康評價技術規范》[12]中的理化指標要求。將流過潛流人工濕地填料后的出水指標TP、NH3-N、葉綠素a、TN取平均值，數值見表1。根據DB11T 1722—2020，NH3-N、葉綠素a的賦分高于80分，處于健康狀態；TP、TN的賦分在60～80分之間，處于亞健康狀態，理化指標總得分為13.15。在不考慮其他理化指標的前提下，北關潛流人工濕地填料處理后出水的水生態健康等級處于健康與亞健康之間，處理的水質保證了水生態系統的穩定運行，進一步說明火山巖、沸石、鐵礦石混合填料能夠保證濕地處于一個穩定運行狀態，同時滿足了潛流人工濕地生物多樣性的需求。

表1 潛流人工濕地水生態健康情況

4 結論

隨著北運河河道水質持續改善，北關人工濕地進水穩定在Ⅳ類及以上，各水質指標數值普遍較低，但火山巖、沸石、鐵礦石混合填料對污染物處理效果仍較好。因此，在建設潛流人工濕地時，應側重選取孔隙率大易掛膜、吸附性能強、解吸能力差的填料，以保證人工濕地水污染物的去除效果。人工濕地是一個綜合的生態系統，在對人工濕地水質指標進行分析的同時，也需對混合填料穩定人工濕地生態系統健康進行綜合評價。建議在今后的相關研究中，開展微生物菌群分析，探明微生物與污染物去除效果的相關性，以更好地研究人工濕地填料的運行機理。