表面流人工湿地对微污染河水净化效果评价

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(1.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038； 2.元氏县水务局，石家庄 051130)

0 引 言

永年洼湿地是继白洋淀、衡水湖之后的华北第三大洼淀，为国家湿地公园试点单位，因其独特的湿地生态景观而有“北国小江南”之美称，具有重要的生态功能和观赏价值[1]。永年洼湿地的主要水源为滏阳河水，但滏阳河接纳了沿程城镇生活污水和工业排水，近年来水质较差，多种污染因子指标超标严重。其中，莲花口、苏里监测断面常年为劣Ⅴ类水[2]，对湿地生态环境构成严重威胁，生态功能逐渐退化。因此，控制滏阳河水主要污染因子浓度，对改善河道水环境健康、促进永年洼自然湿地生态恢复具有很大的现实意义。

人工湿地具有高效率、低投资、低运转费用等优点，是近年来发展较快的生态污水处理技术[3-4]。其中，表面流人工湿地因具有建设成本低、运行维护方便和水力条件好的特点，而被广泛用于处理受污染的河流水和湖泊水等[5-7]。为改善永年洼退化湿地进水水质、实现湿地生态恢复，拟构建永年洼人工湿地示范工程处理滏阳河水，研究人工湿地出水改善退化湿地生态恢复关键技术。

本文以表面流人工湿地系统为研究对象，采用标准指数评价法，评价分析其水质净化效果，考察表面流人工湿地对滏阳河水质净化的可行性，从而为永年洼人工湿地示范工程的建设及运行提供技术支撑，为人工湿地出水改善退化湿地生态恢复关键技术研究奠定基础。

1 表面流人工湿地概况

1.1 表面流人工湿地构建

表面流人工湿地系统建设于河北工程大学人工湿地试验场，其实景图及结构示意图分别见图1和图2。

图1 表面流人工湿地实景图Fig.1 Surface Constructed wetland

图2 表面流人工湿地结构示意图Fig.2 Surface Constructed wetland sectional view

试验池设计规模长80 m、宽4 m，深1.5 m，包括8个矩形砖混区域并植有不同的水生植物：配水区、空白区、芦苇区1、荷花区1、芦苇区2、荇菜+水芹菜区、荷花区2、香蒲区和集水池。系统前端设有配水区用以调蓄进水流量，由布水槽均匀布水，保证进入湿地的流量稳定；系统末端设有集水池，湿地出水通过落差跌落于集水池。构建人工湿地的植物均取自滏阳河两岸河滩地；基质取自滏阳河沿岸的河沙，深度约为1 m，分为2层：底层为深约0.2 m的黏土、上层为深约0.8 m的壤土。

1.2 运行方式

湿地系统后续稳定运行阶段植物长势情况：空白区长有少量杂草和芦苇；芦苇和香蒲区长势良好；荷花区荷花枯萎凋零，长满杂草；荇菜+水芹菜区荇菜耐旱性较差，逐渐枯萎凋零，现状为杂草、少量水芹和少量香蒲杂生。湿地床逐渐变为芦苇香蒲床。

人工湿地中试系统距离滏阳河河道较远，从滏阳河监测断面直接引水不合理。为保证试验用水与滏阳河水质一致，采用水罐车调取莲花口断面河水至试验场蓄水池，再用带滤网的水泵把河水从蓄水池抽至配水区。人工湿地在水力停留时间0.16～1.84 d、水力负荷0.17～2.39 m3/(m2·d-1)的工况下运行，平均水位维持在基质表面以上0.3 m。

工艺流程为河水从配水区通过多孔透水性砖依次流入芦苇区1、芦苇区2、杂草区1、芦苇区3、杂草区2、杂草区3和香蒲区，最后流入集水池，集水池设有至配水区的回流管道，构成一个可控制循环系统。

2 湿地系统水质净化效果评价

2.1 评价方法

本文采用标准指数评价法[8]。该评价方法简便易行，可以清晰直观地了解水质质量与所选评价标准之间的关系、监测断面沿程水质变化状况及污染最突出的水质指标。依据表面流人工湿地运行监测数据，采用标准指数评价法对湿地系统水质净化效果进行评价，了解湿地沿程净化情况及主要污染因子，从而为永年洼人工湿地示范工程的建设及运行提供指导参考。

1) 水质参数i在j点的标准指数Sij公式：

(1)

式中：Sij为水质参数i在j点的标准指数；Cij为水质参数i在j点的浓度值，mg/L；Csi为水质参数i点的标准值，mg/L。

2) pH值的标准指数：

(2)

(3)

3) DO的标准指数：

(4)

(5)

式中：SDOj为溶解氧在j点的标准指数；DOij为溶解氧在j点的浓度值，mg/L；DOs为溶解氧地面水水质标准值，mg/L；DOf为饱和溶解氧浓度，mg/L。

2.2 评价模型应用

1) 评价标准。依据永年洼人工湿地示范工程出水水质优于Ⅳ类水(参照《地表水环境质量》GB3838-2002)相关要求)考核指标要求，本文评价标准采用《地表水环境质量》(GB 3838-2002)Ⅳ类水质标准。鉴于近两年滏阳河苏里和莲花口断面水质典型污染物主要为NH3-N和CODMn，超标倍数范围分别为3～6倍和1～3倍，所以本水质评价体系指标选取pH、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)和高锰酸盐指数(CODMn)5个指标，其对应的Ⅳ类水质标准代表值见表1。

表1 地表水评价标准代表值Table 1 Surface water evaluation standard representative value

2) 监测数据。于2017年7月份进行现场取水样监测，pH值利用便携仪器现场检测，其他指标于实验室2小时内检测完毕，具体检测方法参照《水和废水监测分析方法》(第四版)国际方法[8]。沿程取样点划分为8个断面节点，其中将配水池作为沿程第1个取样点，其检测结果作为进水水质。取各指标每天8个断面节点浓度的平均值为本日浓度日均值，湿地出水各指标浓度日均值见表2。取各断面6日浓度的平均值为该断面节点浓度均值，湿地沿程各指标浓度变化值见表3。

表2 湿地出水各指标浓度日均值监测结果Table 2 Daily average monitoring results of various indicators of wetland effluent

表3 湿地沿程各指标监测结果Table 3 Monitoring results of various indicators along the wetland

2.3 评价结果分析

将表2和表3的检测数据分别代入上述公式，得到湿地出水各指标浓度日均值单因子评价指数和湿地沿程各指标单因子评价指数，见表4和表5。对表各项指标的单因子评价指数进行分析，水质指标的单因子评价指数计算结果小于1，说明水质达标，结果大于1则为水质超标。

表4 湿地出水各指标浓度日均值单因子评价指数Table 4 Wetland effluent concentration index daily average single factor evaluation index

表5 湿地沿程各指标单因子评价指数Table 5 Single factor evaluation index for each indicator along the wetland

综合表4和表5可知，经过湿地净化5天后，湿地出水pH、TP、NH3-N和CODMn单因子评价指数均小于1，达到Ⅳ类水质标准。其中，TP和NH3-N基本在净化1天后即可达到Ⅳ类水质标准；TN在这5天净化过程中，单因子评价指数都大于1，超标倍数范围为2～6，超标最大点为3监测断面，在净化过程中随着水流向前推进呈先上升再下降的趋势。湿地出水未完全达到永年洼近自然湿地示范区出水Ⅳ类水质标准的考核指标要求，因此永年洼近自然湿地示范区在建设规划时需进一步采取相关措施，加大湿地对总氮污染因子的控制与治理，提高污染物的去除效能。

湿地出水pH、TP、NH3-N和CODMn指标都达到了Ⅳ类水质标准，初始浓度下TP累积去除率达到74.19%，NH3-N累积去除率达到87.82%，CODMn累积去除率为38.73%；TN由8.987 mg/L下降至3.271 mg/L，去除率63.60%。总的来说，经过表面流人工湿地5天的净化，湿地出水各指标(pH除外)单因子评价指数在湿地净化过程中随着净化时间的推移基本呈下降趋势，说明表面流人工湿地对滏阳河多种污染物的综合治理起到较好的净化效果，水质均有明显的好转。

3 结 论

1) 基于表面流人工湿地系统运行监测数据，采用综合评价法，构建表面流人工湿地水质净化综合评价指标体系。

2) 通过对表面流人工湿地净化滏阳河水体效果评价分析，结果表明pH、TP、NH3-N和CODMn指标都满足Ⅳ类水质标准要求，TN是主要超标因子，湿地出水未完全达到永年洼人工湿地示范工程Ⅳ类水质标准考核指标要求。因此，示范工程的规划建设应针对来水总氮污染因子超标严重情况，仍需要进一步采取措施提高污染物的去除效能。

3) 湿地出水各指标(pH除外)单因子评价指数在湿地净化过程中随着净化时间的推移基本都呈下降趋势，该湿地系统对滏阳河水主要污染物去除率符合《人工湿地污水处理技术规范》(HJ 2005-2010)中表面流人工湿地相应的要求，对主要污染物发挥出良好的去除效能，对滏阳河水的净化效果初步显示出一定的技术可行性，为永年洼人工湿地示范工程的建设及运行提供技术支撑。