表面流人工湿地改善城市河道水质的工程试验

2020-09-08姚成雷樊绿叶龚金龙

环境科技 2020年4期

梅菁，姚成雷，樊绿叶，龚金龙，李馨

（1.昆山市质量工程检测中心，江苏昆山 215300；2.东南大学，江苏南京 211189）

0 引言

随着城市建设的进行，城区河网水系被改造程度日益加强，原有河网的水生态平衡发生了较大改变，引发水资源短缺和水质黑臭恶化等问题[1]。根据2017年《中国生态环境状况公报》，位于城镇附近、特别是城乡接合部的河流、湖泊、沟渠、塘坝等的污染普遍较重[2]，雨污混接、水体流动性差等因素导致部分河流湖泊出现了季节性或常年性水体黑臭的现象[3]。在严峻的水污染形势下，2015年《城市黑臭水体整治工作指南》中提出“到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内的目标[4]。国家“十三五”环境规划提出，要综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施，改变传统人为干预的手段，采用生态手段恢复河道自净能力与生态系统[5]。如今河道治理观念已由单纯的物化方法治水转变为河道生态功能的修复，同时河道的建设理念也与城市的宜居性相结合[6]。

人工湿地是近年来常用于河道水质提升的生态处理设施，对TP、氨氮、COD 等均有较好的去除效果[7]。近些年来人工湿地获得了迅速的发展和应用，目前已成功应用于暴雨径流、微污染水体、矿山废水、养殖废水、垃圾渗滤液的水质净化[8]。表面流人工湿地主要有雨水径流调蓄[9]、削减面源污染、增加河道周边生物多样性[10]等功能，具有出水水质好、脱氮除磷能力强、建设成本及运行成本低和运行管理方便等优点,表面流人工湿地在河道水质处理方面已有一定的成效。

目前，国内黑臭河道治理方法研究已经有了一定的理论积累，但对市区内的黑臭河道治理研究还不全面，如何将治理河道与生态改善结合，达到长效治理的效果，是将来探究的重点，人工湿地处理污染河水的长期运行效果和受环境因素的影响规律有待深入研究。青淞河治理采用表面流人工湿地技术改善河道水质，恢复河流生态平衡。本文评价了青淞河人工湿地对黑臭性河水中污染物的净化效果，分析温度、降雨等因素对表面流人工湿地运行的影响。为运用表面流人工湿地处理城市黑臭河道，恢复黑臭河道自然生态环境提供理论基础和应用借鉴。

1 项目概况

1.1 基底条件

青淞河位于江苏省苏州市昆山高新区城南联圩，北起佛塘江，南至吴淞江，长约960 m，平均面宽24 m，河道为南北走向，具体见图1 。河道两岸以工业区为主，河道两岸共有16 家企业，主要污染来源是工厂废水和附近居民区生活污水的排放。

2017年11 月河道断面水质检测数据表明，河水COD 质量浓度均值为10.7 mg/L，TP 均值为0.94 mg/L，氨氮均值为10.17 mg/L，溶解氧均值为4.40 mg/L，依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》属于劣V 类水，存在轻度黑臭。青淞中心河与外厍生产河和佛塘江连通，这2 条河对青淞中心河的水质有直接影响。河道断面水质检测结果显示TP 与氨氮2 个指标不同程度地超过V 类水标准。

表1 河道断面水质数据 mg·L-1

1.2 湿地概况

青淞河人工湿地项目选址在河道北段，紧邻青淞中心河与佛塘江。建设区分为东西2 个湿地，东湿地占地面积18 000 m2，西湿地占地面积约8 000 m2。

由图1可以看出，东湿地处理区面积为14 000 m2，形状为不规则的L 字型。湿地平均宽度约57 m，总长度约260 m，转弯处按照水流的自然形态设计，避免出现滞留区。湿地最深处水深为2 m，平均水深1.3 m，停留时间为3 d，日处理量约6 000 m3/d。湿地内分为进水区域，处理区域，出水区域3 部分，面积占比分别为30%，65%以及5%。其中西湿地处理区面积约6 000 m2，长约100 m，宽约60 m，平均水深1.8 m，停留时间为2.5 d，日处理量4 300 m3/d。2 块湿地基质均采用粗砾石+工程废料作为湿地基底。

1.3 植物配置

结合河道水质现状，依据昆山市本地植物的种类，通过不同种类的植物群落配合，挺水植物、浮水植物、沉水植物的共同作用完成水质净化，同时设计部分大面积的开阔水域，有助于氨态氮的挥发与去除[11]。其中挺水植物主要包括芦苇、美人蕉、菖蒲，沉水植物则主要包括金鱼藻、黑藻、苦草等。沉水植物可去除水中有机物，抑制藻类生长，同时可提升湿地内溶解氧含量，有利于促进微生物生理活动[12]。

湿地及河道周边建设了约6 000 m2的绿化植物栽培区，于2018年春季栽培了花叶芦竹、芦苇、美人蕉、梭草等挺水植物，植物成活并形成一定的生物量。根据植物生长特性，对沉水植物栽培品种进行了设计和试验栽培，在湿地的深水区栽种了苦草、穗状狐尾藻等沉水植物。湿地周围绿化区选用月见草，毛地黄，马鞭草等具有绿化效应的植物，完善人工湿地的植物种类，增加人工湿地的生物量，同时也具有一定观赏价值，美化城市景观。

2 湿地运行效果

2.1 人工湿地净化效能分析

该项目于2018年3月完工，4月正式投入运行。在试运行期间，对人工湿地与河道进行了为期9个月的水质检测，检测频率为每天1 次。

东、西湿地均运行稳定。根据数据结果显示，在运行0～60 d 时，水质处理效果存在一定的波动，在运行60 d 后人工湿地的出水趋于稳定。湿地运行后，河道TP、氨氮、COD浓度均显著下降，出水水质稳定，平均去除率分别达到45.6%，60.4%，23.7%。

2.1.1 人工湿地对TP 的去除效果

湿地运行后TP 浓度变化见图2。从图2可以看出，在湿地运行初期TP 去除效果最佳，在运行30 d时，东、西2 块湿地的去除率在50%～75%之间。在运行30～60 d 后，进水中TP 质量浓度由0.35 mg/L降至0.15 mg/L 左右，河道水质明显好转，人工湿地对TP 的去除率维持在在40%～50%。在湿地在运行60 d 后，进水与出水水质接近，河道水质已趋于稳定，维持在0.10 mg/L 左右，此时人工湿地对TP 的去除率降至10%～20%。磷进入湿地后被湿地植被及基质截留，主要通过植被的吸附及物理化学作用去除，少量的磷在微生物细胞合成中去除[13]。磷的去除主要依赖基质吸附及植被的截留作用，2 块湿地对磷的去除表现出相似的规律。磷去除率的下降一方面是由于人工湿地基质磷吸附逐渐饱和，吸附效果变弱；另一方面则因为当进水磷浓度降低，湿地中基质有可能会释放之前吸附的磷，在植物的同化吸附等作用的共同影响下，到达吸附-释放动态平衡的状态。

图2 人工湿地进出水TP 浓度及去除率

2.1.2 人工湿地对氨氮的去除效果

湿地运行后氨氮浓度变化见图3。从图3可以看出，东湿地对氨氮的平均去除率为60.4%，在运行60 d 后出水氨氮质量浓度维持在0.1±0.05 mg/L；西湿地对氨氮的平均去除率则为47.3%，出水质量浓度维持在0.17±0.09 mg/L。

图3 人工湿地进出水氨氮浓度及去除率

结果表明2 块湿地出水水质均可达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水标准，东湿地相比西湿地对氨氮的去除率更高，这是因为东湿地面积较大，植物量更多，植物根系更发达；同时水深比西湿地浅，水中溶解氧含量更高，可供硝化细菌进行硝化反应，因此对氨氮的去除效果更好。氨氮去除途径包括基质吸附作用和植物、微生物吸收作用[12]。微生物硝化作用对于去除氨氮具有显著的作用，硝化须在有氧环境下进行，因此，具有较好富氧效果的表面流湿地能够产生较显著的氧化硝化作用。

至莽荡山间，石壁侵天万丈，入地腾竹纵横。遥望松萝，山崖斗(陡)暗，虫狼离合，百鸟关关，思忆帝乡，乃为歌曰：

2.1.3 人工湿地对COD 的去除效果

湿地运行后COD浓度变化见图4。从图4可以看出，运行稳定后，东湿地的平均出水COD 质量浓度为23.6 mg/L，平均去除率为24.6%；西湿地的平均出水COD 平均质量浓度为18.33 mg/L，平均去除率为21.57%。2 块湿地在运行初期COD 去除率较低，为5.88%～18.75%，在运行20 d 后湿地中的植物量增加，植物根系微生物也逐渐繁殖增加，此时去除率开始升高达到40%～60%。在60～100 d 时，去除率降低。此时去除率降低是由于此时河道水质开始好转，进水COD浓度下降，无法为微生物的生长提供足够的碳源。

人工湿地进水中的有机物主要是非溶解态有机物和溶解态有机物2 大类。非溶解态有机物的去除机理与悬浮物类似，主要通过植物拦截、自然沉降、吸附、土壤过滤等作用除去；对于可溶解有机物，则主要通过植物同化和微生物的代谢作用除去[14]。

图4 人工湿地进出水COD浓度及去除率

2.1.4 人工湿地对河道水质的改善效果

2017年和2018年的河道水质变化对比见图5。从图5可以看出，2017年5，8，10月份河道中主要水质指标均有明显升高，主要原因为河两岸存在管道混接现象，未经处理过的污水排入河道。人工湿地工程运行前，河道水质波动较大，水质处于轻度黑臭的状态。人工湿地运行后，河道水质明显改善，COD质量浓度由13.09±8.34 降至7.07±1.33 mg/L，氨氮质量浓度由15.66 ± 0.92 降至0.84 ± 0.96 mg/L，TP质量浓度由1.26±3.34 降至7.07±1.33 mg/L，表面流人工湿地去除污染物效果显著，水质波动也大幅减小。治理后达到地表水Ⅳ类水质标准。结果表明该工程有效去除黑臭水体中的有机物、氨氮、TP 等污染物，改善水环境。

图5 治理前后河道水质变化

2.2 人工湿地运行稳定性分析

青淞河东湿地与西湿地均为表面流人工湿地，水质变化规律相似，选择东湿地进行分析。

2.2.1 温度对出水水质的影响

人工湿地出水中污染物浓度见图6。从图6可以看出，TP 与温度的相关性较弱，并没有明显的趋势。由于磷的去除主要靠植物根系的拦截与基质的吸附，因此在此湿地中没有表现出明显的相关性。

湿地出水氨氮浓度从2018年4月份到12月份，呈现出先减小、后增大的趋势。整体趋势为温度越高，氨氮浓度越低。出水水质整体波动较小，稳定保持在Ⅳ类水。2018年6～10月份，出水氨氮质量浓度较低，保持在0.12～0.59 mg/L 之间，均值0.30 mg/L；从11月份开始，氨氮浓度呈升高趋势，这是由于11月份后气温较低，冬季植物处于休眠期，微生物代谢下降，致使氨氮去除率降低。

人工湿地出水COD浓度与氨氮有类似的规律，2018年4～12月份，呈现出先减小、后增大的趋势。着温度的增高，COD浓度呈现下降的趋势。出水水质良好，总体保持在Ⅳ类到V 类之间。出水COD 质量浓度在4～7月期间呈现下降趋势，最低降至18 mg/L（出现在7月）。8～9月出水COD 质量浓度波动较大，从10月份开始，出水COD 质量浓度有升高趋势，但与6～9月出水相差不大，出水水质主要在18～25 mg/L 之间。

图6 不同温度人工湿地出水污染物浓度

2.2.2 降雨对出水水质的影响

昆山所在区域属北亚热带南部季风气候区，多年平均气温为16.8 ℃，多年平均降雨量为1 149.3 mm。根据雨量记录显示，在2018年7～8月期间降雨次数多，且包含了小雨、中雨、大雨等降雨事件（小雨指24 h 降水量小于10 mm，中雨指24 h 降水量10～25 mm，大雨指24 h 降水量25～50 mm，暴雨指24 h 降水量大于50 mm），较为典型，因此选择2018年7～8月的降雨数据及水质变化进行分析。

小雨和中雨对人工湿地的影响显著，TP、氨氮、COD 与降雨量关系见图7～图10。由图7～图10 可知，在7月24日～8月7日、8月16日～8月21日的小雨、中雨降雨期间，出水TP、氨氮、COD浓度均有不同程度的升高。这是由于降雨初期地面径流污染物含量较高，会使人工湿地内水质指标浓度有短期内的升高，小雨、中雨降雨量较小，将地面的污染物质不断带入人工湿地后，没有足够雨量稀释水体。