水杉林人工湿地对微污染河水的净化效果研究

林芳

摘 要：水杉林人工湿地具有诸多生态功能，可以应用于微污染河水净化。本文研究了水杉林人工湿地在不同水期（枯水期、平水期、丰水期）对TP、TN、NH3-N和COD的去除效果，分析了水杉林人工湿地对微污染河水的净化能力。结果表明，枯水期，水杉林人工湿地对TP、TN、NH3-N和COD的去除率分别为18.4%、1.1%、2.9%和30.1%;平水期，水杉林人工湿地对TP、TN、NH3-N和COD的去除率分别为15.4%、20.9%、6.6%和43.9%;丰水期，水杉林人工湿地对TP、TN、NH3-N和COD的去除率分别为38.3%、28.1%、7.9%和41.3%。以上数据说明，水杉林人工湿地对微污染河水具有较好的净化效果，而且不同水期的净化效果表现为：丰水期>平水期>枯水期。

关键词：水杉林;人工湿地;微污染河水

中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0137-04

Study on Purification Effect of Artificial Wetland of

Metasequoia Glyptostroboides Forest on Micro-polluted River Water

LIN Fang

（Huangshan Ecological Environmental Protection Integrated Administrative Law Enforcement Detachment，Huangshan Anhui 245000）

Abstract： Metasequoia glyptostroboides forest artificial wetland has many ecological functions， which can be used for the purification of micro-polluted river water. This paper studies the removal effect of artificial wetland of  Metasequoia glyptostroboides forest on TP， TN， NH3-N and COD in different water periods low water period， normal water period， and high water period）， and analyzes the purification ability of artificial wetland of  Metasequoia glyptostroboides forest to micro-polluted river water. The results show that during the low water period， the removal rates of TP， TN， NH3-N and COD are 18.4%， 1.1%， 2.9%， and 30.1% respectively in the artificial wetland of  Metasequoia glyptostroboides forest; during the normal water period， the removal rates of TP， TN， NH3-N and COD are 15.4%， 20.9%， 6.6%， and 43.9% in the artificial wetland of  Metasequoia glyptostroboides forest; during the high water period， the removal rates of TP， TN， NH3-N and COD are 38.3%， 28.1%， 7.9%， and 41.3% in the artificial wetland of  Metasequoia glyptostroboides forest. All the above data show that the artificial wetland of  Metasequoia glyptostroboides forest has a good purification effect on micro-polluted river water， and the purification effect in different high water periods is as follows： high water period> normal water period> low water peroad.

Keywords：  Metasequoia glyptostroboides forest;artificial wetland;micro-polluted river water

總体来说，湿地有两种形式，即天然湿地和人工湿地[1]。人工湿地是人为建设的综合生态系统，该系统通过土壤、人工介质、植物和微生物的物理、化学和生物相互作用来处理污水。人工湿地系统具有占地面积较大、易受气候条件影响、基建投资较高等弊端[2-3]。但是，若运行管理得当，人工湿地将会带来极高的经济效益、环境效益以及社会效益[4]。本文研究了人工湿地系统的一段（水杉林人工湿地）对常见水质指标的净化效果，结果发现，微污染河水经过人工湿地处理后，出水质量能够达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅲ类标准，因而能够确保饮用水水源地的水质[5]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

水西河是安徽省黄山市率水河（中心城区饮用水水源地）的一条支流，最终汇入率水河上游。湿地占地面积为17 200 m2，处理河水的流量为5 000 m3/d。水西河湿地由一级氧化塘+水平潜流人工湿地+自由表面流人工湿地+二级氧化塘+人工生物浮岛构成。

1.1.1 一级氧化塘。一级氧化塘面积为1 000 m2，水深为0.8 m，处理量为3 500 m3/d，停留时间为8.73 h。塘内植物有芦苇、美人蕉、香菇草、黄菖蒲、千屈菜、水葱和睡莲等，塘内还建设人工岛屿。一级氧化塘的主要作用是调节水质与水量，净化微污染河水，降低人工湿地的处理负荷。

1.1.2 水平潛流人工湿地。潜流层人工湿地长为30 m，宽为35 m，面积为1 000 m2，水深为1 m，底部坡度为0.1%，停留时间为11.45 h。底层填料采用碎石、沙砾等，中间层采用细小的石块，上层填料采用统料和陶粒。潜流湿地表面的植物有美人蕉、芦苇等，其利用植物根系吸收河水中的污染物，达到净化水质的目的。

1.1.3 自由表面流人工湿地。其处理污水的过程是在湿地表面形成一层地表水流，以推流的方式缓慢前进，其面积为7 500 m2，底部坡度为0.1%，微污染河水停留时间为40.91 h，水深为0.5 m。

1.1.4 二级氧化塘。水西河的二级氧化塘面积为1 500 m2，水深为0.8 m，微污染河水停留时间为13.09 h。塘内的植物有芦苇、千屈菜等。

1.1.5 人工生物浮岛。水西河的人工生物浮岛是漂浮在河面上的，上面种有一些植物，如水芹等。这样可以利用生长在浮岛上的植物根系吸收河水中的某些污染物，同时植物根系上吸附的微生物也可以对河水中的污染物进行吸附与降解，使水质得到改善。浮岛在水下采用锚式固定。浮岛单元尺寸为5.0 m×1.5 m×0.5 m，共设计了5组（120 m2）。

1.2 采样点布设及采集

本文研究区域是水杉林湿地，采样原则如下：首先，考虑采样点是否具有代表性、采样是否可行以及需要的费用是否合理等问题，再确定监测断面和采样点的数量;其次，选择的采样点一定不能是一些特殊区域，如死水区、排污口等，而应该选择流速相对稳定、水面相对宽阔的区域。

1.3 试验材料

1.3.1 试剂。一是总磷（TP）测定试剂，包括硫酸、50 g/L过硫酸钾溶液、100 g/L抗坏血酸溶液、钼酸盐容液。二是总氮（TN）测定试剂，包括盐酸溶液（1+9）、碱性过硫酸钾溶液。三是氨氮（NH3-N）测定试剂，包括无氨水、纳氏试剂、酒石酸钾钠溶液。四是化学需氧量（COD）测定试剂，包括重铬酸钾、硫酸亚铁铵、邻苯二甲酸氢钾、七水合硫酸亚铁、硫酸溶液（1+9）、硫酸银-硫酸溶液、硫酸汞溶液、硫酸亚铁铵标准溶液和试亚铁灵指示剂。

1.3.2 试验仪器。一是TP测定仪器，包括密度1.1～1.4 kg/cm2的压力锅、50 mL比色管、分光光度计。二是TN测定仪器，包括紫外分光光度计、压力锅、25 mL比色管、10 mm比色皿、其他常用仪器及设备。三是NH3-N测定仪器，包括可见分光光度计、20 mm比色皿。四是COD测定仪器，包括回流装置、加热装置、分析天平、酸式滴定管、其他常用仪器及设备。

1.4 试验原理

将2020年各月份按水量分为枯水期（1月、2月和12月）、平水期（3月、4月、10月和11月）和丰水期（5—9月），对该三个时期的水质指标进行系统监测，分析进、出水水质。监测指标主要为TP、TN、NH3-N和COD。[c1]表示进水浓度，[c2]表示出水浓度，本研究通过式（1）得出去除率[a]，继而判断湿地净化微污染河水的效果。去除率计算公式如下：

[a=（c1-c2）÷c1×100%]                    （1）

2 结果与讨论

2.1 TP数据分析

水杉林人工湿地TP的监测数据如表1所示，其对TP的去除率变化如图1所示。

由表1可知，在枯水期、平水期以及丰水期，1号点的TP浓度均高于2号点的TP浓度，说明水杉林人工湿地对污水中的TP有一定的吸收能力。由图1可知，枯水期TP的去除率为18.4%，平水期TP的去除率为15.4%，枯水期和平水期的去除率差不多，原因可能是天气刚好从冬天向春天过渡，万物等待复苏，还未在湿地中发挥作用。丰水期，TP的去除率为38.3%。人工湿地除磷主要有基质的吸附作用、植物的吸收作用和微生物的作用，它们是湿地除磷的重要途径。在除磷的过程中，自然状况会影响湿地系统中磷形态的转化、溶解氧的浓度变化和总体的除磷效果。在未来的研究过程中，必须充分利用基质、植物以及微生物的协同作用，构建出最高效的人工湿地[6]。

2.2 TN数据分析

水杉林人工湿地TN的监测数据如表2所示，其对TN的去除率变化如图2所示。

由表2可知，枯水期，水杉林人工湿地对河水的净化效果不明显，平水期和丰水期则有较好的脱氮效果。由图2可知，枯水期，水杉林人工湿地对TN的去除率为1.1%，原因可能是天气寒冷，微生物的活性较低，一些水生植物和动物甚至会出现死亡现象，导致湿地在枯水期对TN的去除率极低。平水期，水杉林人工湿地对TN的去除率为20.9%;丰水期，水杉林人工湿地对TN的去除率为28.1%。植物的吸收、填料基质的吸附以及硝化-反硝化作用均可以去除微污染河水中的氮，平水期和丰水期温度较高，微生物活动旺盛，使得硝化-反硝化作用十分明显。水平潜流人工湿地的构造使湿地内部呈现为厌氧的状态，有利于硝化-反硝化反应的进行。反硝化作用是反硝化细菌在缺氧条件下将NO3-转换成N2而逸出水体。

2.3 NH3-N数据分析

水杉林人工湿地NH3-N的监测数据如表3所示，其对NH3-N的去除率变化如图3所示。

由表3可知，在枯水期、平水期、丰水期，水杉林人工湿地对NH3-N的去除效果差不多，并不是很明显。由图3可知，枯水期，水杉林人工湿地对NH3-N的去除效率为2.9%;平水期，水杉林人工湿地对NH3-N的去除效率为6.6%;丰水期，水杉林人工湿地对NH3-N的去除效率为7.9%。影响人工湿地氨氮去除的因素有很多种，如水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化、氮的挥发、溶解氧（DO）、pH和温度等，而脱氮的最主要途径是微生物的硝化与反硝化，所以氨氮的去除率低，很有可能是微生物的硝化与反硝化反应受到了抑制。溶解氧浓度的不足会使硝化反应受到抑制，同时由于碳源不足，异养反硝化也进行得不够彻底，导致人工湿地系统实际的脱氮效果无法达到预期。另外，河水中的氧气主要来自水面的扩散和植物根系的传输，整个人工湿地系统处于露天状态，受天气影响比较大，在夏季因温度较高而容易滋生蚊蝇。

2.4 COD数据分析

水杉林人工湿地COD的监测数据如表4所示，其对COD的去除率变化如图4所示。

由表4和图4可知，水杉林人工湿地对COD的去除效果比较明显。枯水期，水杉林人工湿地对COD的去除效率为30.1%;平水期，水杉林人工湿地对COD的去除效率为43.9%;丰水期，水杉林人工湿地对COD的去除效率为41.3%。通过植物根系处生物膜的吸附、吸收代谢降解过程去除污水中的可溶解性有机污染物，使河水的COD浓度得以降低，而污水中相对难溶的有机污染物经过基质的过滤、沉淀作用后，迅速截留下来，继而被微生物吸收。微生物降解有机物的过程分为好氧降解和厌氧降解两部分。当然，植物也能够起着比较明显的作用，植物的存在可以加快微生物对有机物的矿质化过程和腐殖化过程。植物本身能够吸收部分有机污染物，而且植物的根系微生物能够加快有机污染物的分解。

3 结论

通过试验测定可知，经过水杉林人工湿地处理后，河水的TP、TN、NH3-N和COD浓度都比未处理时的浓度低，说明水杉林湿地对这些水质指标都有较好的去除效果。表面流湿地内建设有水杉林，因为水杉属于喜光性强的树种，对环境条件有很好的适应能力。由所得数据可知，水杉林人工湿地对TP和COD的去除率大于对TN和NH3-N的去除率。水杉林人工湿地属于表面流人工湿地，其面积约为7 500 m2，微污染河水停留时间为40.91 h。主要过程是向湿地表面布水，维持10～30 cm的水层厚度，水力负荷可达200 m3/（hm2·d），水流以推流式前进，流至终端后溢出，这就是水杉林湿地的整个净化过程。湿地中种植大量浮水植物和挺水植物，植物根系形成的生物滤膜可以对河水中的污染物进行过滤、截留，最终达到净化水质的目的。

在人工湿地系统中，植物不仅能够吸收有机物、P、N等营养物质，还能为微生物提供附着场所，使得污染物通过硝化、反硝化、吸附等作用而被除去。污水进入水杉林人工湿地后，在流动过程中与植物根系生长的生物膜接触，通过物理、化学、生物作用而得到净化。由以上试验分析可得，不同水期污染因子的去除规律为：丰水期>平水期>枯水期。但是，试验数据显示，枯水期和平水期的水质明显比丰水期好。这是因为丰水期水质和水位变化很大，通常，降雨较多，导致其水质较差，但是由于其水容量大，所以丰水期去除水质影响因子的效率较高。

参考文献：

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[2]白晓慧，王宝贞.人工湿地污水处理技术及其应用发展[J].哈尔滨工業大学学报，2015（6）：89-90.

[3]崔理华，朱夕珍，骆世明.煤渣-草炭基质垂直流人工湿地系统对城市污水净化效果[J].应用生态学报，2003（4）：597-600.

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[5]饶秀娟，蒋梦云，戴志，等.新安江流域（黄山段）氮磷污染特征的研究[J].安徽农业科学，2014（15）：4733-4735.

[6]王力实，柳小康，史永强，等.人工湿地除磷途径及其机理研究进展[J].黑龙江科技信息，2011（7）：83-84.