人工湿地火山岩和沸石混合填料运行效果分析

柳月婷，晋波燕，王子龙，林瑞峰，白文荣

(1.北京水利水电学校，北京 100024；2.北京市北运河管理处，北京 101125)

国家《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》中强调，加快生态文明建设，到2035年，城镇污水得到安全高效处理，全民共享绿色、生态、安全的城镇水生态环境。同时，推广“生物+生态”污水处理技术，鼓励将再生水用于河湖湿地生态补水[1]。《北京市湿地保护条例》中也强调，湿地建设要结合乡村振兴战略，采用生态技术手段建设人工湿地处理农村生活污水的乡镇，建设小微湿地，既保证了水体的进一步处理，又提升了生态环境效应。

基于此，对北关潜流人工湿地填料的处理效果及维持生态多样性方面进行了分析研究，研究成果既能优化自身运行，也能为之后新建湿地提供技术上的参考。

1 概况

北关人工湿地位于北京城市副中心温榆河、北运河、运潮减河、通惠河、小中河5河交汇处，占地面积为16450m2，其中表面流人工湿地3450m2，潜流人工湿地4585m2，出水展示区共3750m2。北关拦河闸上游连通渠作为人工湿地进水，依靠动力提升泵，日最大进水量共5000m3/d，其中3000m3/d经过表面流人工湿地，2000m3/d利用垂直流方式进入潜流人工湿地，汇流后最终回补到北运河北关拦河闸下游河道。

1.1 潜流人工湿地填料

潜流人工湿地采用垂直流进水方式，利用水力径流经过管道至填料底部，从填料顶部流出，表面水力负荷为0.42m3/(m2·d)，水力停留时间为3.2d，最后汇集至潜流人工湿地展示区。潜流人工湿地面积4805m2，生态混合填料4126m3，采用900mm厚生态混合填料(火山岩∶沸石∶铁矿石=6∶3∶1)，填料粒径10～15mm。填料顶层覆300厚种植土，土壤上层种植，鸢尾、千屈菜、芦苇等植物[2]。

1.2 潜流湿地作用机理

人工湿地在水质净化过程中，潜流人工湿地对水体污染物的去除效果最理想，因此也是人工湿地设计的关键核心部分。对于潜流人工湿地，较为重要的结构为植被底下的填料层，根据填料的作用方式和对污染物的去除机理，可将人工湿地的填料分为离子交换型、表面共沉降型、缓释碳型、特性磷吸附型、电子攻击型、自氧反硝化型等[3]。本次研究的潜流人工湿地填料类型属于自养反硝化型。该潜流人工湿地通过通气孔和植物根系将氧气输送到填料层中，将填料层分为了缺氧区、好氧区共存的生态环境，满足了厌氧、缺氧、好氧的生物处理环境，不同的微生物可以较好地共存在一个生态环境中[4]。

潜流人工湿地对氮、磷的去除方法主要有硝化/反硝化、植物根系吸收等。在选用填料的过程中，要考虑填料的稳定性，选择吸附能力强，不容易解吸的填料[5]。本潜流人工湿地结构主要由火山岩、沸石等通透性好、比表面积大、吸附能力强的填料组成。潜流人工湿地经过2年的稳定运行，该混合填料能够使微生物较好地固定和挂膜，微生物中的硝化菌、反硝化菌等去除水中的有机物、氮等指标效果也比较显著。

2 湿地填料对水体污染物去除效果

本研究中的潜流人工湿地，水力停留时间HRT3.2d，该水力停留时间是对比了1、2、3、4d不同天数之后，确定停留时间为3～4d，此时硝化菌、反硝化菌等菌群活性较活跃，处理效果较好[6]。在潜流人工湿地稳定运行2年后，选取了2021年4—12月的进出水水质情况、去除率等数据，分析研究了混合填料结构对COD、TP、NH3-N、TN、叶绿素a等水质指标的去除效果的影响。

2.1 湿地填料对COD的去除效果分析

如图1所示，在研究过程中记录了水体采样当日平均气温，发现在5—11月份COD去除率受温度影响较大。随着温度的不断变化，在春夏期间随着温度的不断升高，COD的去除率不断上升；随着进入秋冬，COD的去除效果也随之降低，主要是因为温度影响了填料中附着的微生物活性。通过数据可以观察到潜流人工湿地填料对COD的去除效果明显，除11月份去除能力明显降低，全年COD去除率都稳定在35%～70%之间，与黄翔峰等[7]研究结果为40%左右的结果近似，甚至还高于该去除率。以4月份的进出水COD指标为例，进水指标在58mg/L，经过潜流人工湿地后的出水指标可以达到23mg/L，已经接近了地表Ⅲ类水的水质标准。因此，可确定该配比的火山岩、沸石、铁矿石混合填料具有稳定的COD的去除能力，并且对于较高COD的水质，处理效果也比较理想。

图1 2021年潜流人工湿地填料对COD的去除效果

2.2 湿地填料对TP的去除效果分析

如图2所示，2021年进水口TP平均浓度0.16mg/L，稳定在地表水Ⅲ类水平。由于进水TP指标良好，因此潜流湿地填料对TP去除效果并不显著，去除率处于波动形态。夏季的5、7月份进水TP浓度较高时，潜流湿地去除能力显著提高，处于60%～70%之间，在潜流展示区TP浓度始终能稳定在0.08～0.17mg/L之间。

图2 2021年潜流人工湿地填料对TP的去除效果

潜流人工湿地对水体中磷污染物的去除主要是通过微生物处理、填料吸附沉淀、植物吸收的共同作用[8]，其中填料吸附和微生物处理发挥着重要作用，不同的填料对磷的去除影响效果不同。由于填料对磷基质的去除受填料自身钙、镁、铁等物质的影响，还受外界水力条件、温度、pH值的影响[9]，造成去除率的整体规律性不强，呈波动状态。推断火山岩、沸石、铁矿石混合填料对TP的去除存在一定局限性，但能够将TP稳定在一定的浓度区间。

2.3 湿地填料对NH3-N的去除效果分析

如图3所示，潜流人工湿地填料对NH3-N的去除效果最为理想。春、夏去除率分别达到60%～80%，秋季去除率55%左右，冬季去除率也能达到38%左右。在Santee中提到，在总的氮去除量中硝化反应占总氮量的60%～80%[10]，因此分析NH3-N的去除效率能够较好地说明潜流人工湿地中的火山岩、沸石、铁矿石混合填料具有较大的饱和吸附量，并且能够保证在吸附饱和后，利用与土壤中植物形成较好的生态系统，植物进行一部分氮的吸收，使除氮效率最大化。

图3 2021年潜流人工湿地填料对NH3-N的去除效果

NH3-N的去除率受温度的影响较明显，随着温度的变化，潜流人工湿地对NH3-N的去除率呈正相关变化趋势。潜流人工湿地除氮受温度的影响主要有2方面：一方面是植物吸收氮的效果随温度而变化；另一方面是填料中的微生物受到温度的影响，其活性会发生改变。对于硝化反应，最佳温度在30～40℃范围[10]。我们通过数据可以判断8月份温度较高，在30℃以上时，NH3-N的去除率也相应达到最高值。异常点出现在9月份，可能存在取样、检测异常等问题，导致相应的去除率较低。

2.4 湿地填料对TN的去除效果分析

如图4所示，TN的去除率与温度之间的关系较为紧密。4—8月植物和微生物的活性最旺盛，TN的去除率较高，最高去除率到达98%。9—12月温度越来越低，由于火山岩、沸石、铁矿石混合填料上附着的微生物活性和植物的光合作用的衰弱，导致TN的去除率也越来越小，在12月处于最低去除率状态。

图4 2021年潜流人工湿地填料对TN的去除效果

2.5 湿地填料对叶绿素a的去除效果分析

如图5所示，叶绿素a的含量具有明显的季节特点，夏季该指标含量处于高值状态，与气温呈现明显的正相关关系[11]，在4—8月叶绿素a含量不断升高的情况下，混合填料对其去除率能够达到83%～90%，全年整体的去除率在70%～90%之间。因此，可以初步确定火山岩、沸石、铁矿石混合填料吸附过滤叶绿素a的能力较强，满足对潜流人工湿地水体叶绿素的稳定处理，整体处理效果理想。

图5 2021年潜流人工湿地填料对叶绿素a的去除效果

2.6 湿地填料对5种物质去除率对比分析

如图6所示，对比火山岩、沸石、铁矿石混合填料对水中COD、NH3-N、TN、TP、叶绿素a这5种物质的去除率，可以发现叶绿素a的去除效果最理想，主要是由于火山岩、沸石填料高吸附过滤作用；其次是对NH3-N的去除效果较好，主要由于该混合填料附着的微生物对氮的高处理性能和植物根系的吸收作用。COD、TN、TP总的去除率变化呈波动状态，4—8月由于温度的升高去除率处于波动上升的趋势，9—12月由于温度的降低去除率处于下降趋势。可以确定火山岩、沸石、铁矿石混合填料对污染物的去除很大程度上受到季节的影响，去除率与环境温度呈正相关。

图6 2021年潜流人工湿地填料对5种物质去除率对比

3 湿地填料维持生态多样性的分析

分析潜流人工湿地填料维持生态多样性需要从水生态健康评价指标体系入手，本研究参照DB11T 1722—2020《水生态健康评价技术规范》[12]中的理化指标要求。将流过潜流人工湿地填料后的出水指标TP、NH3-N、叶绿素a、TN取平均值，数值见表1。根据DB11T 1722—2020，NH3-N、叶绿素a的赋分高于80分，处于健康状态；TP、TN的赋分在60～80分之间，处于亚健康状态，理化指标总得分为13.15。在不考虑其他理化指标的前提下，北关潜流人工湿地填料处理后出水的水生态健康等级处于健康与亚健康之间，处理的水质保证了水生态系统的稳定运行，进一步说明火山岩、沸石、铁矿石混合填料能够保证湿地处于一个稳定运行状态，同时满足了潜流人工湿地生物多样性的需求。

表1 潜流人工湿地水生态健康情况

4 结论

随着北运河河道水质持续改善，北关人工湿地进水稳定在Ⅳ类及以上，各水质指标数值普遍较低，但火山岩、沸石、铁矿石混合填料对污染物处理效果仍较好。因此，在建设潜流人工湿地时，应侧重选取孔隙率大易挂膜、吸附性能强、解吸能力差的填料，以保证人工湿地水污染物的去除效果。人工湿地是一个综合的生态系统，在对人工湿地水质指标进行分析的同时，也需对混合填料稳定人工湿地生态系统健康进行综合评价。建议在今后的相关研究中，开展微生物菌群分析，探明微生物与污染物去除效果的相关性，以更好地研究人工湿地填料的运行机理。