北关人工湿地对河道水污染物去除研究

林瑞峰，沙洪利，沈晓强，郭珊珊，段 睿,白文荣,田 炜

(1.北京市北运河管理处，北京 101100；2.清华大学环境学院，北京 100084)

北运河日径流量300万m3，年出京水量7亿m3[1]。北关湿地位于北运河起点，在北京城市副中心生态景观带及运河文化展示长廊等方面发挥着重要作用。北关湿地主要由表流湿地和潜流湿地组成，占地约1.6万m2，使用一体化泵站从北运河取水，日处理总量为5000m3，现状俯视图如图1所示。表流湿地与潜流湿地并联运行，其中表流湿地面积3450m2，水深1m，日处理量为3000m3，潜流湿地面积4805m2，日处理量为2000m3。表流湿地采用地表推流进水，通过构建水下森林与种植挺水植物，实现植物的多样性。水力布局如图2所示，通过物理沉淀作用与生物作用去除水中氮磷和部分有机污染物[2- 4]。潜流湿地为0.9m厚生态填料混合物(火山岩∶沸石∶铁矿石=60∶30∶10)，上层覆盖0.3m种植土，种植菖蒲、鸢尾等植物。采用垂直推流进水，水流从潜流湿地底部进入，均匀流过填料后由顶部排出。潜流湿地利用填料表面的生物膜、植物的吸收等作用等，实现对氨氮、总磷和部分有机物的去除[5- 6]。北关湿地同时设有出水展示区，位于表流湿地和潜流湿地末端，科学配置水生植物与动物，进一步吸附去除水中的污染物。工艺流程如图3所示。

图1 北关人工湿地现状俯视图

图2 北关人工湿地水力布局图

图3 北关人工湿地工艺流程图

1 材料与方法

1.1 样品采集方法

本文在2019年8月—2020年7月期间对北关湿地进行连续取样，每2周分别于湿地进水区、表流湿地出水展示区、潜流湿地出水展示区取水样，每个区域选择3个采样点，将水样混合代表该区域水样，每个采样点的采样深度为0.4m。

1.2 样品分析测试方法

对湿地进出水中的化学需氧量、总氮、氨氮、总磷和叶绿素a进行了检测。检测方法参照HJ 399—2007《化学需氧量采用重铬酸钾法》、HJ 636—2012《总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》、HJ 545—2009《氨氮采用纳氏试剂光度法》、GB 11893—1989《总磷采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法》、HJ 897—2017《叶绿素a采用分光光度法》。测试中使用的试剂均为分析纯，生产厂家为国药集团化学试剂有限公司。

2 结果与讨论

2.1 人工湿地对化学需氧量的去除

如图4所示，不同季节进水中化学需氧量浓度基本维持稳定，为21.3～25.0mg/L，平均浓度为24.6mg/L。湿地系统处于一个植被生长成熟的阶段，化学需氧量的去除率还不高。潜流湿地对进水中化学需氧量的去除率高于表流湿地。潜流湿地对进水中化学需氧量的去除率在秋季、冬季和春季均在20%～30%之间，而表流湿地在秋、冬、春3个季度对进水中的化学需氧量去除率在10%～20%之间，其中的主要原因是潜流湿地由砂砾层-植物系统共同组成，进水经配水系统从填料床的一端均匀平缓流过填料床植物根系。潜流湿地是一个主要由土壤、湿地植物以及微生物共同组成的生态系统，可以充分利用填料表面附着的生物膜及丰富的植物根系。而表流人工湿地中进水在填料表面漫流，绝大部分的有机物的去除是通过植物水下茎，杆上的生物膜来实现的，因而表流人工湿地存在不能充分利用填料及植物根系的缺点[7- 9]。夏季潜流湿地和表流湿地的出水中化学需氧量相比于进水出现上升的现象。由于夏季温度高，水中的溶解氧含量较其他季节低，同时植物生长会消耗水中大量的溶解氧，可能会造成部分区域出现厌氧情况，水中的厌氧菌大量繁殖造成出水中化学需氧量上升。另外，夏季藻类繁殖也可能导致化学需氧量的上升。

2.2 人工湿地对总氮的去除

如图5(a)所示，在一年的不同时期人工湿地进水中总氮含量呈现一定波动，进水中的总氮浓度基本在3.9～11.7mg/L，平均浓度在7.9mg/L。进水中的总氮浓度在冬季最高，达到8.9mg/L；夏季进水中总氮浓度相对于其他季度较低，为6.3mg/L。图5(b)表明，进水经过人工湿地处理后总氮含量均有所下降。潜流湿地处理的总氮的去除率高于表流湿地。秋季时，潜流湿地和表流湿地对总氮的去除率在20%左右；在冬季潜流湿地和表流湿地对总氮的去除率均出现下降的趋势，主要原因是冬季温度降低，植物凋零，微生物的活性变差[10]，使得人工湿地去除进水中总氮的能力下降，出水中总氮的浓度分别为7.8mg/L和8.2mg/L，去除率为12.0%和8.2%。进入次年春季和夏季后，潜流湿地对水中总氮的去除率不断提高，夏季时出水总氮的浓度为3.3mg/L，去除率达到了48.2%；相反，表流湿地对水中总氮的去除率不断下降，夏季时出水总氮浓度为5.9mg/L，低于10%。人工湿地去除总氮的途径主要包括硝化和反硝化、植物吸收、基质吸收等，硝化和反硝化是人工湿地除氮最普遍的方式[11- 12]。硝化过程是指硝化菌(硝酸盐菌和亚硝酸盐菌)在好氧条件下，将氨氮氧化成硝酸盐和亚硝酸盐。而反硝化过程是指反硝化菌在缺氧条件下，将硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气。在运行前期，由于植物和湿地的基质对水中总氮有一定的吸收/吸附作用，因此表流湿地和潜流湿地对总氮均有一定的去除率。随着湿地不断成熟，潜流湿地进水通过填料内部和植物根系，存在好氧或者厌氧区域，硝化过程和反硝化过程均可以发生；而表流湿地进水只经过填料表面，溶解氧充足，不易发生反硝化过程。因此潜流湿地对于总氮的去除远高于表流湿地。

图4 各取样口(a)化学需氧量随时间变化及(b)化学需氧量各季节均值变化和减少率

图5 各取样口(a)总氮随时间变化及(b)总氮各季节均值变化和减少率

2.3 人工湿地对氨氮的去除

从图6(a)可以看出，进水中的氨氮浓度除了个别时间有较大波动，其余氨氮的浓度均在0.3～1.3mg/L，平均浓度在0.9mg/L，在总氮中所占的比例接近1/10。进水中氨氮的浓度在秋、冬、春季接近；在夏季最低，达到0.6mg/L。图6(b)可以看出，潜流湿地对氨氮的去除率远高于表流湿地对氨氮的去除，两者相差约20%。潜流湿地和表流湿地对氨氮的去除效果与对总磷和总氮的趋势接近，潜流湿地和表流湿地在秋季对氨氮的去除率分别达到83.2%和60.9%。进入冬季后，由于气温的下降，微生物的活性降低，使得潜流湿地和表流湿地对氨氮的去除率均出现下降的趋势[13- 14]。进入次年春季，温度回暖以及微生物的活性恢复提高了潜流湿地和表流湿地对水中的氨氮去除率。潜流湿地出水氨氮浓度为0.2mg/L，去除率达到80%；表流湿地出水氨氮浓度为0.43mg/L，去除率达到57.7%。进入夏季之后，潜流湿地和表流湿地对氨氮的去除率明显下降，分别只有39.0%和13.2%。硝化过程需要氧气，而夏季由于气温和藻类等因素的影响，限制了硝化过程的进行，降低了氨氮的去除。这也正好和夏季出水中化学需氧量上升的现象相吻合。

2.4 人工湿地对总磷的去除

从图7(a)可以看出，进水中总磷浓度在0.08～0.26mg/L之间，平均浓度为0.13mg/L。秋季进水总磷浓度较高，达到0.16mg/L，其他三个季节进水总磷浓度相近。从图7(b)可以看出，四季中，潜流湿地出水的总磷去除率均高于表流湿地。潜流湿地对水中总磷的去除呈现一个下降的过程，秋季对水中总磷去除率为41.8%，次年夏季对总磷的去除率下降至22.4%。表流湿地对水中总磷的去除率整体也呈现下降的趋势，不过在次年春季时，表流湿地出水中总磷的含量高于进水中总磷的含量，这可能是由于表流湿地植被体内的磷分解重新进入水体。人工湿地除磷主要是通过植物和藻类吸收、湿地基质吸附、化学沉淀和微生物的同化作用来完成[12，15]。人工湿地对水中磷去除的效果不及对氮的去除效果，在运行前期植物的生长对水中总磷的去除有一定的效果，随着湿地运行不断成熟，对磷的效果会逐渐减弱，这也侧面反应了湿地运行的不断完善和成熟。

图6 各取样口(a)氨氮随时间变化及(b)氨氮各季节均值变化和减少率

图7 各取样口(a)总磷随时间变化及(b)总磷各季节均值变化和减少率

2.5 人工湿地对叶绿素a的影响

叶绿素a的浓度在一定程度上反映了水体中藻类的含量。从图8(a)可以看出，进水中叶绿素a在一年中的变化非常明显，浓度在1.81～273mg/L之间，叶绿素a平均浓度为59.5mg/L。图8(b)可以发现，在冬季和春季，进水中叶绿素a的浓度分别为21.1mg/L和30.6mg/L，远低于夏季和秋季。这主要是由于冬季和春季气温较低，藻类繁殖缓慢，导致北运河进水的叶绿素a浓度较低。进水中叶绿素a的浓度在夏季最大，为89.2mg/L。潜流湿地对叶绿素a的去除率高于表流湿地[16]。潜流湿地在春季、夏季和秋季对叶绿素a的去除率在55%～85%之间。表流湿地在春季、夏季和秋季对叶绿素a的去除率远低于潜流湿地，分别为31.9%、4.0%和45.3%，虽然湿地系统会去除部分叶绿素a，但同时湿地本身也会在出水中带入叶绿素a，导致叶绿素a的去除效果不够理想。在夏季，由于藻类生长迅速，表流湿地对叶绿素a的去除效果很低。在冬季时，潜流湿地和表流湿地的出水中叶绿素a均高于进水中叶绿素a，可能是由于冬季植物死亡后被微生物分解，磷、有机物进入水体，促进藻类的生长，使得出现出水中叶绿素a高于进水。

3 结论

通过一年的连续观察，北关人工湿地生态系统以及运行逐渐趋于成熟和稳定，但受到温度、植被生长、微生物活性等多重因素的影响，个别季节出水污染物浓度较进水出现上升。潜流湿地和表流湿地在不同季节化学需氧量的去除效果相近，而对叶绿素a的去除率则有较大差异。在脱氮除磷方面，潜流湿地的效果明显优于表流湿地。秋季水处理效果较好，夏季受降雨等影响，水处理效果稍差，冬春季节受温度影响，水处理效果最差。随着运行时间的延长，北关湿地趋于成熟稳定，处理效果逐步向好，耐冲击负荷稳定增加，该研究可为人工湿地处理微污染河道水提供理论支持和数据支撑。

图8 各取样口(a)叶绿素a随时间变化及(b)叶绿素a各季节均值变化和减少率