黑土洼人工湿地水质优化运用方案运用效果分析

焦利民　赵振国

【摘要】针对官厅水库黑土洼人工湿地水质优化运用方案的运行，从湿地系统水化学指标变化、出水水质两个方面对不同净化区总体运用效果对比分析。结果表明，根据对2008—2009年永定河八号桥水质资料分析，该方案的运行对官厅水库水质净化效果显著，三个净化区对BOD5、NH4-N去除率最为显著，基本上达到80%—90%以上，对NO3-N、T-N去除率为65%-75%左右，对CODMn、SS去除率最差，去除率为40%-60%左右。

【关键词】黑土洼；人工湿地；去除率；化学指标；

人工湿地是三个相互依存要素的组合体，即土壤、植物和微生物，生殖在土壤层中的微生物（细菌和真菌）在有机物的去除中起主要作用，湿地植物的根系将氧气带入周围的土壤，但远离根部的环境处于厌氧，形成处理环境的变化带，这就加强了人工湿地去除复杂污染物和难处理污染物的能力。大部分有机物的去除是靠土壤微生物，但某些污染物如重金属、硫、磷等可通过土壤、植物作用降低浓度。

1、项目区概况及工程布置

1.1 项目区概述

黑土洼人工湿地系统示范工程为中德合作项目，为永定河流域水生态环境综合治理关键技术研究与示范的关键工程之一。项目旨在通过示范作用，为北方地区湿地构建运行管理提供有益参考。黑土洼沟位于永定河入官厅水库河口的东北侧，与现状永定河主河道走向基本平行，距永定河不到1Km，最窄处不到400m。黑土洼沟长约2.5Km。宽约400-500m，最大水深有9m（以476.0m水面计）。浅水区以苦草为主，水上部分因人为作用及风浪冲刷，沙土裸露。黑土洼沟两侧岸边因坍塌形成陡坎。坎底高程约475.5m。

1.2 工程布置

黑土洼人工湿地主要由黑土洼稳定塘系统、人工湿地和监测系统三部分组成，黑土洼稳定塘系统主要利用由溢流坝围成的水体来沉淀和初步净化永定河高浓度来水。黑土洼沟是理想的湿地沉沙池和氧化塘，可以作为官厅水库天然的前置水库。根据水质净化工程原理，在稳定塘中增设了以下内容：1.在沟首布设分流堤，使永定河引水暗函出水均匀进入稳定塘。2.在稳定塘中部利用柔性隔墙把塘分为沉砂区（前置库）和净化区，前置水库主要作用是沉砂，水流从柔性隔墙顶部过流。3.在稳定塘右侧岸滨挺水植物带6.84万m2，其余部分自然形成沉水植物带，在前置水库中部浮水植物带2.52万m2。其工艺流程为：主配水池→布水暗渠→挺水植物塘→一级植物碎石床→水生生物塘→二级植物碎石床→沙虑池→退水管。

人工湿地为本工程的主要部分，位于月亮岛南侧水库滩地上，通过围堤与水库隔离，工程建设人工湿地110亩，由4m宽主干道和横向布水暗渠将湿地分割成两排四区，四周由围堤于水库相隔，堤顶高程478.0m，顶宽5m，堤顶设3m宽碎石车道。

示范工程湿地系统以湿地单位为最小单位，其中中方试验区各湿地单元并联，由排水暗渠统一布水；德方试验区各湿地单元既可并联也可串联，由管道统一布水。各湿地单元处理后的尾水由退水明渠集水并经埋于围堤底部的暗管外排进入堤外水塘，再经由纵向明渠排入官厅水库。

试验监测系统包括常规监测和特定项目监测，常规监测主要针对湿地系统中需要长期监测的水质、水量、生物指标等项目，通过规划设计，使监测规范化、系列化，为试验数据分析提供可靠依据。监测的化学指标主要包括：CODMn、BOD5、TN、NH4-N、NO3-N、TP、O-PO4、SS、水温、DO、PH值、电导率、透明度，每次31个水样。化学指标以及对应流量和叶绿素A监测频率相同，每月2-4次；浮游植物每月1次，底栖动物为每年2次，沉水、挺水植物调查为每年1次。

2、运用效果分析

2.1 不同净化区沿程水化学指标变化

2.1.1 Ⅰ区湿地单元沿程水化学指标变化

根据2009年3月24日至2009年6月11日Ⅰ区湿地单元水质监测资料分析，该时间段为湿地系统从低温运行至常温运行的过渡期，为了反映该时间段Ⅰ区湿地单元沿程净化效果，对3月～6月所监测的5次数据进行了分析处理，图2-1～图2-6为Ⅰ区湿地单元水化学指标沿程变化。

由图2-1～2-6可以看出，Ⅰ区湿地单元对BOD5具有较好的净化效果，湿地单元内BOD5沿层消减，整体去除率达到87%，其中挺水植物塘以及一级植物碎石床去除率最为显著，两级去除率达到75%，由于前两级去除率較高，因此，水生植物塘和二级植物碎石床去除率相对则较低。经过净化后水质BOD5平均达到Ⅱ～Ⅲ类水质标准；对NH4-N具有良好的破解效果，总去除率可达80%，其中一级植物碎石床去除率最大，可达65%。系统出水优于地表Ⅲ类水质标准；对NO3-N起到了逐步消减的效果，总体消减率为50%，一级植物碎石床去除率最大。对T-N去除能力较强，总去除率可达61%，其中一级植物碎石床去除率最大，可达50%，系统出水优于地表Ⅲ类水质标准；对CODMn也起到了一定的消减效果，总体消减率为48%，其中挺水植物塘和水生植物塘去除率最大，水质处理后基本上达到Ⅱ～Ⅲ类标准；对SS总去除率可达67%，其中挺水植物塘和一级植物碎石床去除率较大，两级去除率可达50%。

2.1.2 Ⅱ区湿地单元沿程水化学指标变

根据Ⅱ区湿地单元水质监测资料分析，研究湿地单元沿程水化学指标变化，图2-7～图2-12为Ⅱ区湿地单元水化学指标沿程变化。由图可得：对BOD5的整体去除率可达82%，其中挺水塘去除率最为显著，去除率达到50%，经过净化后水质BOD5平均达到Ⅱ～Ⅲ类水质标准。对NH4-N具有良好的硝解效果，总去除率达到67%，系统出水优于地表Ⅲ类水质标准，其中二级植物碎石床去除率最大，可达40%；对NO3-N起到逐步消减的效果，总体消减率达到41%，一级碎石床去除率最大；对T-N的总去除率可达54%，系统出水优于地表Ⅲ类水质标准，其中一级植物碎石床去除率最大，达40%；对CODMn总体消减率为41%，其中一级植物碎石床和二级植物碎石床去除率最大，水质处理后基本上能达到Ⅱ～Ⅲ类标准；对SS的去除能力较强，总去除率达67%，其中挺水植物塘和一级植物碎石床去除率较大，两级去除率可达50%。

2.1.3 Ⅲ区湿地单元沿程水化学指标变化

根据Ⅲ区湿地单元水质监测资料分析，研究湿地单元沿程水化学指标变化，图2-13～图2-18为Ⅲ区湿地单元水化学指标沿程变化。

由图可得：对BOD5的整体去除率达到75%，经过净化后水质BOD5平均达到Ⅱ～Ⅲ类水质标准；对NH4-N具有良好的硝解效果，總去除率可达52%，系统出水优于地表Ⅲ类水质标准，其中挺水植物塘和二级植物碎石床去除率较大；对NO3-N起到一定的削减效果，总体削减率为40%，一级植物碎石床去除率最大；对T-N去除能力较强，总去除率可达47%，其中一级植物碎石床去除率最大，可达35%；湿地单元内CODMn沿程逐步削减，总体削减率为32%，其中一级植物碎石床去除率较大，水质处理后基本上能达到Ⅱ类～Ⅲ类标准。系统对SS去除能力较强，总去除率可达78%，其中挺水植物塘和水生生物塘去除率较大。

2.2 不同净化区出水水质对比分析

为了综合对比分析三个不同净化区水质净化效果，对三个净化区的出水水质进行了对比分析，表2-1为不同净化区出水水质对比表，图2-19为三个不同净化区各项水质比较，图2-20为三个不同净化区各项水质指标去除率对比：

根据图2-19中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个净化区进水浓度和出水浓度的整体比较来看，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个净化区整体水化学指标去除效果相似，略有差别，但差别不大，各项指标去除效果较为明显，并且也反映了三个区都具有进一步净化水质的潜力；进水浓度基本上属于Ⅳ～Ⅴ类水，出水浓度均可达到Ⅲ类水质标准。

根据图2-20三个不同净化区去除率效果分析，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区BOD5的去除率分别为87.1%、81.7%、75%，可见BOD5的去除率排序为：Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区，其它水质指标NH4-N、NO3-N、T-N、CODMn的去除率排序与BOD5的去除率排序同样，Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区，但去除率差别不大；但SS去除率，Ⅲ区相对Ⅰ区和Ⅱ区具有较高的去除率，为58.3%，而Ⅰ区和Ⅱ区则为36.3%。

综合分析三个不同净化区对各项水质指标去除效果，可以发现三个净化区对BOD5、NH4-N去除率最为显著，基本上可达到80%～90%以上；对NO3-N、T-N相对较差，去除率为65%～75%左右；对CODMn和SS去除率最差，去除率为40%～60%左右。

3、结语

（1）黑土洼人工湿地系统属人工湿地水质净化系统，作为一项示范工程，为北方地区建设人工湿地系统以处理污水体提供了关键技术。

（2）黑土洼人工湿地在一定程度上对官厅水库的污水起到了一定的净化作用。根据对黑土洼人工湿地运行效果分析显示，经过黑土洼人工湿地净化后，水质均能够达到Ⅲ标准。

（3）由于水中TN，NH3-N和有机污染物的浓度较高，经过黑土洼人工湿地系统净化后，起到了一定程度的降解作用，但仍是湿地系统出水中的主要污染物，所以如何提高TN，NH3-N和有机污染物的去除率，减少水质的富营养化，需要做进一步研究。

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作者简介：

焦利民（1995-），男，山东东平人，在读本科生，水利水电工程专业，华北水利水电大学水利学院，450045。

通讯作者：赵振国（1978-），男，辽宁沈阳人，博士研究生，讲师，主要从事灌区水资源与水环境方面的研究。