北京汉石桥潜流湿地对总溶解性固体和浊度的去除效果分析

2019-07-08李伟平云梅崔丽娟王贺年张曼胤赵欣胜魏佳明窦志国蔡杨

湿地科学与管理 2019年2期

李伟平云梅崔丽娟* 王贺年张曼胤赵欣胜魏佳明窦志国蔡杨

（1 中国林业科学研究院湿地研究所，湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京 100091；2 北京汉石桥湿地生态系统国家定位观测研究站，北京 101300）

人工湿地是由人工建造并控制运行的一种湿地类型，是一种独特的植物-水-土壤-微生物湿地生态系统，一般种植的湿地植物有芦苇、茭白、香蒲等（崔丽娟等, 2006; Babatunde et al,2008）。人工湿地可以通过配置不同的湿地植物与选择不同的基质构成，从而实现较高效率的污染水体净化。一般来说，人工湿地通过其生态系统内部的各种物理、化学和生化反应对水体中的各种污染物达到去除效果（崔丽娟等, 2010），其配置和自然属性会影响其运行效果（Garcı́a et al, 2004;Hijosa-Valsero et al, 2010a，2010b）。人工湿地的理化参数具有时空变化的特征（Hijosa-Valsero et al, 2011; Imfeld et al, 2009），即便是在月变化或日变化的尺度上（Wießner et al, 2005），都会改变和影响其对污染物的去除能力。人工湿地主要包括表流湿地和潜流湿地两种类型。其中，潜流湿地的水体主要是在湿地床表面下流动，可以充分利用基质表面和植物根系上的生物膜，实现对污染物的截留和降解。潜流湿地维护费用较低，且低温条件不容易对其运行产生影响，目前各类污水的二级处理过程常用潜流湿地处理（张岩等,2013; Wang et al,2006; 卢少勇等,2006）。目前，水体污染成为许多国家和地区主要的环境问题（Sakaa et al,2016），其中污水浊度是水体污染的一个重要指标，浊度主要是由水中悬浮物引起的，悬浮物包括泥沙、有机物、无机物、微生物等，它们对水质质量和水体的景观环境造成了严重威胁（鲁敏等,2012; Buhan et al,2013;Mtavangu et al, 2017）。另外，水体的总溶解固体也是一个重要的指标，该指标是指水中全部溶质的总量，包括无机物和有机物两者的含量，通常是水体中盐度指标的一个度量，随着时间的变化也对水体治理规划和管理非常重要（Gholamreza et al,2016; Hubert et al, 2015; Mecredy et al, 2015; A l Dahaan Set al, 2016）。本试验以北京市汉石桥湿地自然保护区污水处理厂外的潜流湿地为研究对象，其构建的目的是为了改善汉石桥中水处理厂的水体水质。本研究选取2014年与2015年的测试数据，分析潜流湿地总溶解性固体和浊度不同时间的运行效果。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北京汉石桥潜流湿地位于汉石桥湿地自然保护区中水处理厂的东侧，水源为中水处理厂经过处理的流出水。其基质由碎石、砾石构成，潜流湿地的水力停留时间为2-3 d。潜流湿地为全地下土筑构筑物，基坑根据需要进行防渗处理，采用粘土防渗层，基质碎石层厚1 m，基质砾石层厚0.25 m。种植植物主要有千屈菜Lythrum salicaria、香蒲Typha orientalis、水葱Scirpus validus、芦苇Phragmites australis等。

1.2 研究方法

2014-2015年每个月分两次定期监测汉石桥潜流湿地进水处、出水处水质的变化；分别选取3个样点，采集进水口和出水口横断面的水样，并监测水体的相应指标，每个样点做3个重复。采集样品装入500 mL塑料瓶内带回实验室供检，将其保存在4℃条件下。水体的指标如水温（T）、总溶解固体（TDS）和浊度（Turb）采用YSI6820（YSI，USA）多参数水质监测仪进行现场同步测定。

水体污染物的去除率(R)的计算公式如下：

式中：Ci为第i次污染物浓度(mg/L)；C0为初始浓度(mg/L)。

本研究主要选取总溶解固体（TDS）和浊度（Turb）作为一级动力学模型拟合指标，

式中：Ci和Co分别为潜流湿地污染物进出水浓度，单位为mg/L；C*为背景浓度，单位为mg/L；k为面积速率常数（单位面积处理湿地对污染物去除速率的常数），单位为m/d；Q为水力负荷，单位为m3/(m2·d)。

利用SPSS 20.0进行相关性分析，利用orgin 2019进行图表的制作。

2 结果与分析

2.1 总溶解性固体和浊度去除效果及动态分析

图1 不同月份总溶解固体和浊度的去除率Fig.1 Removal rates of total dissolved solids (TDS)and turbidity (Turb) in diあerent months

图2 总溶解固体和浊度的总体去除率Fig.2 Total removal rates of total dissolved solids (TDS) and turbidity (Turb)

北京汉石桥潜流湿地不同月份总溶解固体和浊度的去除率存在差异（图1）。从1月到12月，水体的浊度呈现出明显的先升高后下降的趋势，夏季和秋季污染物的去除率明显高于春季和冬季污染物的去除率，其中5、6、7月的去除率较高，去除率分别为98.5%、99.1%、98.9%；1月和2月的去除率较低，去除率分别为65.3%和73.1%。同时，水体的总溶解固体去除率具有波动性，也表现出夏秋季明显高于春冬季，5月和9月的去除率较高，总溶解固体的去除率分别为17.8%和19.6%；4月和12月的去除率较低，总溶解固体的去除率分别为2.6%和0.8%。两者的去除率相比，水体浊度去除率显著大于总溶解固体的去除率（p＜0.05）。潜流湿地具有净化水质的功能，将2014年与2015年的潜流湿地对水体污染物的去除效果进行比较（图2），2015年水体的总溶解固体与浊度的去除率相较于2014年较高，但无显著差异（p＞0.05）。

2.2 温度对总溶解性固体和浊度去除效果的影响

水体中溶解性固体和浊度的去除在不同的月份存在差异，造成这种结果的原因可能与温度的高低有关（崔丽娟等, 2010）。在温度较高的季节，潜流湿地水体的植物正处在生长较旺盛的时期，水体内的微生物等活性也较大，它们的存在可以加速水体污染物溶解性固体和浊度的去除（申欢等,2017）。在北方地区，冬季温度较低，较为寒冷，因此较低的温度可能会对微生物的活性产生影响，而且潜流湿地的植物在秋冬季节就会进入生长末期，植物开始或已经死亡，再加上湿地植物凋落物的分解，不但会增加水体的营养元素含量，而且会降低水体透明度，对水体产生“二次污染”，因此水体的浊度可能上升，水体中的杂质增多，这也会影响潜流湿地的净化效果（Chimney et al, 2006）。

将水体中不同指标的去除率与水体的温度做相关性分析，对污染指标背景值做出估计，结果如图3所示。水体浊度与总溶解固体的去除率与温度之间均存在一定的相关性，而且浊度与温度的相关性大于总溶解固体与温度的相关性，在一定的温度范围内，温度升高可以加快水体污染物的总溶解性固体和浊度的去除。

2.3 总溶解性固体和浊度的进水浓度对面积速率常数的影响

从图4可以看出，北京汉石桥潜流湿地两个指标的面积速率常数，在零背景值和估值背景浓度条件下存在一定的差异。其中总溶解固体指标在估值背景浓度条件下的面积速率常数高于背景浓度为零时的面积速率常数（p＞0.05）。潜流湿地对总溶解固体去除的面积速率常数随水处理厂出水污染负荷的升高而升高。水体的浊度指标在估值背景浓度条件下的面积速率常数同样高于背景浓度为零时的面积速率常数（p＜0.05）。浊度的面积速率常数在低污染负荷下对背景浓度的敏感性较强，且不同背景浓度对浊度的面积速率常数的影响差异较大，随着污染负荷的升高，浊度的面积速率常数变化渐趋于一致（图4）。

图3 总溶解固体和浊度与温度的相关性分析Fig.3 Correlation analysis of total dissolved solids (TDS) and turbidity (Turb) with temperature

图4 不同背景浓度下总溶解固体和浊度去除的面积速率常数与进水负荷之间的相关关系Fig. 4 The correlation between the area rate constants of total dissolved solids (TDS) and turbidity (Turb) removal and the inf l uent load at diあerent background concentrations