邛海湿地五期小河沟人工湿地运行效果调查

2022-04-13王洪波何俊王雪梅

环境科学导刊 2022年2期

王洪波，何俊，王雪梅

（1.四川省凉山州环境监测中心站，四川西昌 615000；2.西昌学院资源与环境学院，四川西昌 615013）

0 引言

邛海是四川省第二大天然淡水湖，有保持生态平衡、维护生物多样性、发展旅游经济等多方面的作用。在湖滨带修建人工湿地是保障入湖水水质安全，减缓湖滨地带湿地退化，恢复区域生物多样性的重要手段，对湖泊湿地生态环境有不可忽视的作用[1]。

人工湿地系统是一种简单、低成本的污水处理技术，具有独特的净化机理，高效的净污能力。具备出水水质优良，设计建造和运行成本低廉、工作人员管理便利、运行稳定性强和美学优点等好处。人工湿地有表面流人工湿地和水平潜流人工湿地两种[2]。小河沟人工湿地是表面流人工湿地类型，其设计简单、造价低、维护方便。是以自然湿地为设计理念，以基质、挺水植物、微生物和水体组成的湿地[3]。表面流人工湿地由上部好氧层和下部厌氧层组成[4]，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收以及微生物分解作用实现对污水的高效净化[5]。

邛海湿地五期小河沟人工湿地主要处理川兴镇海坝村的生活污水以及农业污水，其中湿地污水处理系统是整个湿地重要组成部分，小河沟人工湿地保障了邛海湿地入水水环境稳定和安全[3]。保证小河沟人工湿地各人工塘间植物生长状况良好，污水处理效率符合要求具有重要意义。本研究对邛海湿地五期小河沟人工湿地运行效果进行调查，分析人工湿地处理污染物的去污效率和净化效果，讨论影响人工湿地净化处理效率的因素，为人工湿地维护提供依据。

1 材料与方法

1.1 人工湿地概况

邛海湿地五期小河沟人工湿地，位于西昌市东南方向，距西昌市中心约6.9km，东临大渔村，西接小渔村，北接海坝村，距离邛海水体300m。该湿地所处地区海坝村属于亚热带季风气候，终年温差较小，冬季少雨且气候温和，夜晚结冰情况极少。夏季阳光充沛，最高气温达35～37℃。夏季多为夜雨，雨量较大，湿地平面布置如图1所示。

图1 邛海湿地五期小河沟人工湿地平面布置图

1.2 采样与现场调查

根据西昌气候特点将采样分为雨季和旱季两个季节进行。分别于2017年旱季4月、5月，2017年雨季7月、8月，各连续采样2个月。每次在各级湿地的出入口分别采集水样3份，密封保存。采样过程同时记录湿地植物生长情况。

1.3 实验室分析

小沟河人工湿地主要处理上游村民的生活污水以及商业区的餐饮废水等，样品的水质参数测定包括COD、总磷（TP）、总氮（TN）和氨氮（NH3-N）。化学需氧量（COD）采用GB 11914-89重铬酸法、总氮采用GB 11893-89钼酸铵分光光度法、总磷采用GB ll894-89碱性过硫酸钾消解分光光度法、氨氮采用纳氏试剂法[5]。

2 结果与分析

2.1 污染物去除效果分析

根据调查期间人工湿地出水污染物浓度变化可知，在雨季湿地对COD去除效果明显，去除率达44.2%。而旱季小河沟湿地对COD净化能力较差，COD去除率仅3.7%，且小河沟人工湿地水生植物部分出现枯萎死亡。对COD浓度分析结果表明，小河沟人工湿地对COD平均去除率较差。

雨季TN去除率较高，达到了54.7%，进入旱季，由于入水量减少，污染物浓度高，水力停留时间变长，人工湿地净化能力明显，TN去除率达到了70.6%。对该湿地系统进出水的TN浓度进行数据分析得出，该人工湿地处理对TN去除效果较为理想，出水中TN浓度优于Ⅲ类水标准。

雨季TP去除率较好，达到了78.0%，进入旱季，植物部分死亡会影响处理的效率，但是水处理量减少，也能达到良好的效果，TP去除率81.4%。

雨季NH3-N去除率不高，达到49.2%，进入旱季，进入人工湿地的水量减少，进水污染物浓度更高，水力停留时间变长，加之西昌气候温和等因素，NH3-N去除达到不错的处理效果，NH3-N去除率达到了68.2%。

从污染物的整体去除率来看旱季比雨季高，在整个人工湿地中对 COD 净化率雨季比旱季更加理想，但是COD浓度在旱季和雨季均出现异常升高现象。对于TN主要还是进水浓度与去除率有一定相关性[8]，污水浓度高导致去除率升高，其次旱季由于水量较小，水力停留时间较长，其TN去除率旱季比雨季高。NH3-N在人工湿地中，主要去除途径为挥发、基质吸附和离子交换、植物吸收、硝化与反硝化等，TN 质量浓度的变化过程与 NH3-N的较为一致[8]。因此在雨季水流较大时，水力停留时间相对较短，雨季NH3-N的去除率较旱季低。

2.2 各级湿地处理单元对污染物去除分析

如图2所示，湿地单元出水中化学需氧量呈现显著性差异，去除率变化较大，污水中的去除效果如表2，B1、B4湿地对 COD有明显的污染物去除效果，B2、B3湿地出水呈现了COD升高的现象，其主要原因是B2、B3人工湿地中萎焉、死亡的植物没有清理，在湿地中腐烂导致水质变坏[6,19]。

图2 各级湿地COD 浓度变化

表1 邛海湿地五期小河沟人工湿地污染物去除情况

表2 邛海湿地五期小河沟人工湿地各级湿地污染物去除率（%）

在人工湿地中，氮主要通过植物吸收，硝化和反硝化作用去除[9]，研究表明挥发、基质吸附和离子交换对脱氮没有明显影响，而植物吸收占总质量的10%左右[9,10]。表明微生物的硝化和反硝化是污染物去除的主要方向。因此，人造湿地中微生物硝化和反硝化在湿地中起着重要作用。水在湿地中滞留时间越长，湿地中微生物有充足的时间净化水质，TN的去除率越高。如图3所示，TN进水质量浓度与去除率之间有着较好的一致性，即进水质量浓度高，去除率也较高。综上所述，旱季湿地对总氮的去除效果比雨季好。

图3 各级湿地TN浓度变化

B4湿地出水TN浓度出现升高现象，原因是B4湿地中花叶芦竹生长状况较差，约40%花叶芦竹死亡，植株腐烂在湿地中导致水质变坏。

如图4示，湿地单元出水中TP的去除率呈现出显著性差异，污水中 TP的去除效果较好。小河沟人工湿地对TP的去除效果最好的湿地单元是 B1湿地，其原因是 B1最接近进水口，其中 TP浓度高，TP进水浓度与去除率之间有着较好的一致性，即进水质量浓度高，去除率也较高。旱季B4湿地TP浓度升高，是因为花叶芦竹死亡腐烂在湿地单元造成湿地水体污染。

图4 各级湿地TP浓度变化

如图5所示，湿地单元出水中NH3-N的去除率呈显著性差异，污水中氨氮的去除效果较好，污水经人工湿地系统处理后，小河沟人工湿地B1、B2、B3单元对氨氮均有较好的去除效果。根据表2，B1（菖蒲、梭鱼草）湿地对氨氮的去除率最高。B4（花叶芦竹、纸莎草）湿地对氨氮的去除效果最差，甚至出现污染物浓度升高的现象。主要原因为B4湿地中花叶芦竹死亡，植株腐烂在湿地单元中，造成实质变坏。

图5 各级湿地NH3-N浓度变化

2.3 植物生长状况分析

人造湿地的大部分去除效果源于植物的生长状态。由于植物湿地的生长直接影响到污染物的去除效率，人工湿地植物的生长直接关系到污水的净化和湿地的景观，因此促进植物生长和防治杂草具有实际意义。

表3是邛海湿地五期小河沟人工湿地旱季、雨季植物生长情况的调查。分别记录了人工湿地旱季、雨季的水深、植物类型、密度、盖度。旱季、雨季湿地植物平均盖度都达到90%以上，人工湿地水深最低的季节为旱季，水深10cm，能满足植物生长需要。雨季生长茂盛程度大于旱季，植物生长密度也高于旱季。全年植物生长密度最低的季节为旱季，其植物覆盖度虽然较高，但是部分植物生长状态较差，出现部分植物萎焉和死亡的现象，枯萎死亡的植株在湿地水体中没有专人及时清理任其倒伏在湿地，未处理的植物腐烂在湿地中，给湿地运行造成极大负担。

表3 邛海湿地五期小河沟人工湿地旱季、雨季植物生长状况

无论雨季还是旱季，B1、B3湿地植物生长状态都较好，B1湿地植物为菖蒲、梭鱼草，B3湿地为鸢尾。B1湿地中梭鱼草部分枯萎根茎未及时清理，一定程度上影响了梭鱼草的生长。由于雨季处于植物生长历程的巅峰时期，因此在雨季湿地植物无论盖度、密度都较旱季好。

3 讨论

小河沟人工湿地出现COD浓度异常升高现象，其主要原因是B2、B3人工湿地中萎焉、死亡的植物没有清理，在湿地中腐烂导致水质变坏[6,19]；其次，湿地过多的淤泥堆积影响湿地处理效率。比如B4湿地植物死亡导致湿地单元不仅没有降低污染物浓度反而出现污染物浓度升高现象。以上说明人工湿地成功运行后维护是十分必要的。

部分植物在旱季会出现枯萎的根茎和枝叶，没有及时收割和清理会进入湿地单元对湿地运行产生较大的影响[19,20]，B4湿地由于湿地植物花叶芦竹大面积死亡，未及时处理，使得污染物去除率受到极大的影响，甚至出现污染物浓度升高现象。

人工湿地对污水的净化和水力停留时间长短有较强相关性，控制水力停留时间能把污染物去除效率和处理污水量达到最佳平衡[11]。人工湿地中，氮的主要去除途径为挥发、基质吸附和离子交换、植物吸收、硝化与反硝化等[9]，有研究表明植物吸收约占总质量的10%[9,10]。间接说明脱氮与污水停留时间、微生物群落生长状态密切相关。水流经湿地停留时间越长TN去除率越高。因此，雨季水量大的时候应进行污水分流，避免湿地超负荷运行。

邛海湿地五期小河沟人工湿地污染物出水浓度未到达设计要求，主要原因为：缺乏专业的管理维护，包括枯萎植物的收割、抽排过多的污泥、病虫害不及时治理等；雨季水量大，未分流减轻湿地负担。因此建议湿地配备专业的技术人员定期监测湿地运行状态，维护湿地稳定运行，如清理腐败死亡的植物根茎，湿地中过多的污泥、杂草等。