城市人工湿地对人工湖水体净化效果研究

石心慧， 徐淑霞， 潘彦硕， 王幽静， 张继冉， 吴 坤， 张世敏

(河南农业大学生命科学学院，河南 郑州 450002)

城市人工湿地对人工湖水体净化效果研究

石心慧， 徐淑霞， 潘彦硕， 王幽静， 张继冉， 吴 坤， 张世敏

(河南农业大学生命科学学院，河南 郑州 450002)

以郑州市郑东新区如意湖及湿地公园为研究对象，选取净化入口、跌水曝气池、净化出口和湖中4个样点采集水样并进行相关测试，检测了人工湿地对如意湖水体中BOD5、CODMn、TN、TP的去除效果。结果表明，人工湿地能有效地去除人工湖中的BOD5、CODMn、TN、TP等污染物，对人工湖水质能起到重要的净化保护作用，经人工湿地处理后的如意湖运行平稳，水质常年保持在Ⅱ至Ⅲ类水平。

城市人工湿地；人工湖；去除效率；净化效果

随着人们对居住环境生态质量的重视和城市可持续发展的需要，越来越多的人工水体出现在人们生活的城市当中，人工湖即是其中的一种[1]。人工湖作为人工建造的小型储水水库，湖水主要来源于地下水和雨水，由于其水体面体一般较小，流动性差，导致了水体循环能力和调节能力低下，加之人类活动影响，致使其污染和富营养化概率增加[2]，很多人工水体变成了藻类的天堂，甚至变绿变臭，不仅没带来益处，反而给人们的生活造成很大的负面影响[3]。因此，保证城市人工湖的水质尤为重要。如何净化人工湖水体已成为水环境领域研究热点之一[4-5]。人工湿地是人工建造和控制运行的湿地类型，研究表明，人工湿地不仅具有生态景观功能，而且具备水质净化功能[6]。所以，现代城市规划中都将其应用于城市人工湖水体的净化中[7]。如意湖位于河南省郑州市郑东新区CBD中心，占地约11万m2，蓄水量约26万m3，是一座集休闲、娱乐、景观于一体的人工湖生态系统。郑东新区湿地公园作为如意湖的配套水处理工程，位于商务内环路和外环路之间、南运河的东侧[8]，占地面积约4万m2，也是目前全国城市生态水处理系统中水处理能力最大的人工湿地工程之一。它主要是利用植物的吸收作用、微生物的生物降解作用及填料的吸附等物理作用，分解人工湖水体中的污染物质和营养物质，使水体得到净化，实现水资源的循环利用。为了进一步研究湿地公园对如意湖水体的净化效果，本研究通过周年定期取样检测，系统研究了湿地公园对如意湖水体的净化效果，为湿地公园在人工湖水质净化方面的作用提供理论和数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及采样点确定

郑东新区湿地公园对水质的净化处理主要是通过跌水曝气池、生物塘和碎石床，利用基质、微生物和植物的协同作用，通过物理、化学和生物3种手段的同时使用来实现的。水质净化的处理流程为：湖水通过水泵被抽到湿地公园的跌水曝气池，充氧除铁后依次经流一级生物塘、一级碎石床、二级生物塘和二级碎石床，通过生物塘和碎石床完成除氮脱磷后通过集水管流回如意湖。在湿地公园的四角各有一个浆砌卵石结构的跌水曝气池，每个跌水曝气池供应2组湿地生态处理系统。8组湿地处理系统同时并相对独立地运行，湿地公园与如意湖位置关系及水流方向如图1所示。

图1 如意湖、人工湿地净化系统及采样点示意图Fig.1 Location and sampling sites of the purification system in the Ruyi Lake and constructed wetland

如意湖的注水量约为2.6×105m3，人工湿地公园每天对如意湖水的处理量约为1×104m3，最大日处理量可达2×104m3，湿地公园将如意湖的湖水净化1次仅需1个月左右。研究选取净化入口、跌水曝气池、净化出口、湖中4个取样地点，从2015年9月至2016年8月进行为期1a的定期监测研究。净化入口指抽取的流向跌水曝气池的湖水所经流管道的入口处；跌水曝气池处所采集的水样是从管道中流出后经跌水曝气池处理，曝气充氧后的水体；净化出口指的是经过湿地公园净化后的湖水流回如意湖的出口位置；湖中则是指从净化出口相距净化入口的中间位置。

1.2 样品采集及测试方法

每月10号左右进行采样，水样的采集、保存、运输依据文献[9]的方法，采集水面下0.5 m的表层水，现场测定pH值，采样瓶要装满，不得有气泡，水样在4 ℃条件下运回实验室，测定总磷(TP)、总氮(TN)、5日生化需氧量(BOD5)和高锰酸盐指数(CODMn)等指标。BOD5测定采用稀释与接种法(HJ505—2009)，CODMn测定采用高锰酸钾法(GB/T11914—1989)，TN测定采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法(GB/T11894—1989)，TP测定采用钼锑抗分光光度法(GB/T11893—1989)。

1.3 数据处理与分析方法

数据处理与分析采用Excel 2013以及DPS软件进行。

BOD5、CODMn、TN和TP 去除率(R)的计算公式如下：

式中：R为去除率(%)；C0为净化入口处BOD5、CODMn、TN或TP的质量浓度(mg·L-1)；Ci为净化出口或跌水曝气池处BOD5、CODMn、TN或TP的质量浓度(mg·L-1)。

2 结果与分析

2.1 如意湖水体pH周年变化

pH值是水体监测中常见和最重要的检验项目之一，其变化主要受水中游离的CO2及碳酸盐含量的影响。而在富营养化水体中，O2和CO2含量的变化主要受生物生长的影响，藻类的大量繁殖会导致水体的pH值升高[10-11]。研究表明，净化出口或跌水曝气池处水体pH值均低于湖中及入口处，说明经人工湿地处理过的水体水质明显得到改善(表1)。

2.2 水体中BOD5的去除效果

BOD5(5日生化学需氧量)，是表征水体中可被微生物分解的有机污染物含量的一个综合指示[12]。人工湿地公园对如意湖湖水中BOD5的去除率如图2所示。从图2可以看出，夏秋两季人工湿地对BOD5的去除率比较高，净化出口处位置BOD5去除率均达到了25 %以上；冬季的去除效果较差，从12月份到2月份，由于平均气温低于零度，加上降水量减少，由于结冰，基本断流，生物塘和碎石床内栽种的植物已经枯萎，根茎净化作用变小，BOD5去除率相对降低。

表1 采样点水体pH值周年变化Table 1 Annual variations of pH in sampling sites

A:跌水曝气池；B:人工湿地。下同。A：Drop-aeration tank; B:Exit position treated by constructed wetland. the same as below.图2 人工湿地对BOD5去除率Fig.2 Removal rate of BOD5 in constructed wetlands

2.3 水体中CODMn的去除效果

CODMn(化学需氧量)，是指水体中能被氧化的物质在一定条件下进行化学氧化过程中所消耗的氧化剂的量，既包括被微生物氧化的有机物的量，也包括不能被微生物氧化的有机物和某些还原性无机物的量，一般要高于BOD5的值[13]。湖水在经过人工湿地公园净化后，其水体中CODMn的含量降低了35 %(图3)，去除后CODMn值均在20 mg·L-1以下。

图3 人工湿地的CODMn去除率

2.4 人工湿地对总氮的净化效果

水体中的总氮(TN)包括有机氮、硝酸盐、亚硝酸盐以及氨等各种形态的有机、无机氮的总量[14-15]。人工湿地对水体中氮的去除主要是通过微生物的硝化和反硝化作用，以及植物的同化作用来实现的[16]，如意湖的TN主要来源于雨雪水及周边人类的各种活动。人工湿地对TN的去除率如图4所示。从图4中可以看出，春、夏两季植物生长旺盛时，人工湿地对TN的去除率比较高，达到40 %左右。而冬季的去除效果相较于春、夏两季有所下降，总的来说，依照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)[17]，经过人工湿地处理过的水体TN含量均低于1.0 mg·L-1，达到Ⅱ类或Ⅲ类水标准。

2.5 人工湿地对TP的净化效果

人工湿地对水体中磷的去除主要是通过添料表面的生物膜的吸收和转化及人工栽种的水生植物的吸收利用等[18-19]，不同季节的去除效率如图5所示。从图5中可以看出，人工湿地对TP的去除效果略低于TN的去除效果，且具有明显的季节性，但经过人工湿地处理过的水， 去除率最高时TP的含量减少了31%，依照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)[17]，经处理后的水体TP含量均低于0.05 mg·L-1，达到Ⅲ类水标准。

2.6 人工湿地对污染物的周年去除效果

图4 人工湿地的TN去除率Fig.4 Removal rates of TN in constructed wetlands

从表2中可以看出，人工湿地对4种污染物的去除率季节性差异比较大，冬季对污染物的去除率低于春夏秋三季。夏季由于气温比较高，水体中的微生物代谢活动比较强，对污染水体中的BOD5，TN，TP去除率都比较高，总的来说，如意湖的水经过人工湿地处理后，按照上述标准，全年水质可以达到地表水Ⅱ类或Ⅲ类标准。

图5 人工湿地的TP去除率Fig.5 Removal rates of TP in constructed wetlands

表2 人工湿地对污染物的四季平均去除率及年平均去除率Table 2 The average contaminant removal rate of the four seasons and years by the constructed wetland %

3 结论与讨论

城市人工湖是城市水生态的重要组成部分，由于城市人工湖多属于内源性湖泊，具有收纳周边雨水、废水的作用，如果运行不当势必造成严重污染，引起水体富营养化。所以在设计人工湖时一定要首先考虑水体处理问题。如意湖在设计之初即有配套的人工湿地处理系统，很好地解决了这一问题。

如意湖水体中BOD5、CODMn、TN、TP等污染物主要来自河道补水、地表径流、湖面降水和旅游等，不存在农业源污染，所以水体中BOD5、CODMn、TN、TP通过周年检测处于可控水平，经过人工湿地处理后可以达到Ⅱ类或Ⅲ类水质，说明人工湿地不仅可以美化城市，而且能够起到应有的净化效果。

湿地水处理系统的原理主要是利用微生物的好氧分解和植物吸收转化来实现对水体的净化[20]。实践证明，这种系统对BOD5和CODMn去除率比较高，通过对比跌水曝气池及人工湿地出口的污染物去除率可以发现，污染物的去除主要是通过碎石床和生物塘实现的。在湿地公园的生物塘和碎石床内栽有荷花(Nelumbonucifera)，香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(CannaindicaL.)，睡莲(Nymphaeatetragona)等水生植物，这些植物形成了庞大的根系系统，加上生物膜中解磷菌、氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌的共同作用，共同构建了有效的生物滤除系统，可有效地吸附和吸收去除水体中的悬浮物、BOD、CODMn和氮磷等污染物。由于依赖生物处理，处理效果随季节变化比较大，夏季雨水多，水体中污染物含量高，生物活性强，处理效果好；冬季雨水少，水体污染物含量低，气温低，生物活性较低，系统处理效率低。

如果水体中TN、TP含量长期处于一个较高水平的话，对水体来说是一种潜在危险，水体的藻类在合适的条件下可以利用其大量繁殖[21]，从而产生水华，造成水质恶化。所以可以考虑改良生物膜结构，优化处理系统，强化水体对TN和TP的去除效果。

与南北运河和东西运河连通后，如意湖的水源将更加复杂，可能会有更多的污染物进入水体，会对湿地处理系统造成新的压力，对于如意湖的水质变化情况我们将持续关注。另外进入水体的污染物不单单是经过湿地系统降解，水体自净也是很重要的一个方面。由于篇幅限制，对于水体净化时具体因子对净化能力的影响效果等问题将另文阐述。

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Effectsofurbanconstructedwetlandonwaterpurificationefficacyforartificiallake

SHI Xinhui, XU Shuxia, PAN Yanshuo, WANG Youjing, ZHANG Jiran, WU Kun, ZHANG Shimin

(College of Life Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

The object of this article was to investigate the effects of urban constructed wetland on water purification efficacy for artificial lake. Four sampling spots were selected from Ruyi lake and wetland park in Zhengdong area of Zhengzhou city, including purification inlet, drop-aeration tank, purification exit and the middle of the lake. The removal efficiency on purification of BOD5, CODMn, TN, TP in Ruyi lake by constructed wetland was evaluated. The results showed that constructed wetland could reduce pollutant BOD5, CODMn, TN, TP in artificial lake efficaciously. It indicated that constructed wetland played an important role in purifying and protecting the water purity of the artificial lake water. The constructed wetland made the lakes run smoothly and kept the water quality at a constant level of Ⅱ to Ⅲ degrees.

urban constructed wetlands; artificial lake;removal efficiency; purification

2017-04-07

水利部公益性行业科研专项 (NO.201101007)

石心慧(1992-)女，河南周口人，硕士研究生，主要从事环境微生物学研究。

张世敏(1970-)男，河南济源人，副教授，博士。

1000-2340(2017)06-0855-05

X 524

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朱秀英)