多级沉淀与生物净化结合模式的水质净化特征分析

焦 健，花伟军，秦福云，苏德荣，宋桂龙

(1.北京林业大学 草坪研究所，北京 100083； 2.第九届中国国际园林博览会 丰台筹备办公室，北京 100070；3.北京市丰台园林绿化局 万芳亭公园管理处，北京 100072)

随着人们对生活环境需求的日益增高，景观水逐渐成为生活中的重要元素。景观水遍布于公园、居民区、校园、企业园区等，因此，其水质与景观效果的优劣也一定程度影响着人们的生活品质。景观水受到的外源污染源包括直接污染、水源、落叶尘土、底泥和滋生青苔等[1]，虽然其发生严重污染的概率较低，但因其水量小，不具有完善的生态系统，抵御外界干扰能力差[2,3]。目前，由于维护管理的落后，景观水水体常常处于不断恶化状态[4,5]，加之蒸发作用，换水以及补水是园林景观水常采用的维护管理措施[6-8]，而水源多来自地下水[8-10]，加重了地下水资源的消耗。而以景观水为主的园林景观的维护重点也在夏季，我国北方地区恰逢夏季多雨，可提供充足的水资源，因此，将道路雨水径流用于景观水及周围绿地灌溉能够有效解决常规景观水补水问题，保护地下水资源。然而，道路雨水径流往往污染超标[11-13]，在用于景观水之前要必须采取净化。

净化工艺中，沉淀是解决泥沙与悬浮物的最适用方法，沉淀池具有易于建造、工艺成熟稳定、使用寿命长、可靠性高且沉淀效率好的特点。沉淀是利用水力停留时间沉淀受污水体内颗粒物的主要方法，是解决泥沙与悬浮物的适用方法之一。当水力停留时间达到12 h时，能够去除≥0.07 mm颗粒，去除率大于70%[14,15]。而植物净化是一种模拟自然湿地的生物净化系统，其通过基质(填料)、植物和微生物三者的协同作用实现对污废水的高效净化作用[16]，还具有一定的景观生态功能[17]。水生植物对水质的净化作用已经有了广泛的研究[18-21]，水生植物在美化水体景观、净化水质、维持水体营养平衡方面具有显著功效。研究结果表明，生物净化对COD的去除率可达80%以上[22]，对N的去除率可达60%，对P的去除率可达90%以上[23-25]。因此，具有出水水质优，净化功能全面，兼具生态效益和环境效益的特点。

在实际应用中，研究沉淀与生物净化相结合的净化模式就具有了一定现实意义。以已经修建的多级沉淀与生物净化相结合的净化系统为研究对象，探讨了其净化路面雨水用于景观水补水和灌溉用水的室外实例，研究其净化水质特征以及多级净化的相互作用关系，分析其净化效果。

1 材料和方法

1.1 处理设施

试验是依据原处理设施正常运行状态下的实物基地，设施位于北京市六环高速公路边某企业园区，园区内修建了4个串联的硬化池塘承接六环高速公路的雨水径流，通过4个池塘净化后的雨水由水泵作用，排入园区内其他两处景观水湖作为用户补水以及绿地灌溉用水。4个池塘的布局及连接方式见图1，水流顺序依次为A-B-C-D。

图1 多级净化池布局

4个串联水池呈方形，边长10 m，水深1.5 m，全部采用防渗硬化处理，在每相邻的两个池塘底部通过两根平行于地面、直径300 mm的水管相连通，两根水管为上下布置，分别设置于水深1.3 m及1 m处。按水流顺序标为A、B、C、D池。4个池塘按照连通器原理构成了一个4级沉淀池，同时原设施A池稀疏地混合种植了芦苇(Phragmitesaustralis)与香蒲(Typhaangustifilia)，B、C、D池则密布睡莲(Nymphaea)，平均种植密度2.5株/m2，4个池塘构成了多级沉淀与多级生物净化相结合的净化系统。

当发生降水事件后，由六环高速路汇集的雨水径流首先进入A池，当水位超过连通水管所在高度后，自流进入B池，然后，依此逐步流入C、D池，待降水结束后，最终成为静止状态。在此过程中，雨水径流逐级流入A-D池发挥多级沉淀作用，降水停止，待水体稳定后，沉淀作用还将持续发生，而生物净化也开始发挥作用。

1.2 研究方法

试验于2012年8～10月进行，采样在发生降水强度>20 mm，且雨前干燥期≥7 d的降水后实施，试验期间共采集水样3次，分别为8月3日，9月27日，10月18日。每个水池以随机的形式在不同深度以及不同位点采3次水样作为重复，采集1次水样的体积为300 mL，储存于聚乙烯瓶中，并于当日测定其各项水质指标。

1.3 指标与方法

采样后立即测定pH、COD、TN、NH4+-N、NO2--N、TP，测定项目和方法见表1。

表1 水质测试项目及方法

2 结果与分析

2.1 pH

pH的稳定有利于各种净化方式发挥最大效应。3次测定时间pH均保持接近中性偏碱的环境，其中，10月pH整体偏碱，但始终在7.15～8.00(图2)，为植物与微生物的联合生物净化环节提供适宜的pH。

稳定pH条件首先能够稳定水体内各种污染物质的形态，保证了植物与微生物的正常吸收和利用，其次保证水生植物和微生物的正常活动，保持生物净化的高效性。试验中水体略偏碱性，这与植物、藻类的光合作用有关[26]。氮类物质尤其易受到pH影响，当pH为8.0～9.3时，氨的挥发增强[27]，此时氨挥发将是重要的除氮途径。同时，硝化作用也需要7.0～8.6的适宜的pH[26,28,29]，因此，试验中的水体皆适合硝化作用的进行。

图2 pH变化趋势

2.2 COD

4个净化池塘的COD总体上呈较为明显降低趋势，由A池至D池呈现逐渐降低的趋势(图3)，D池的水质能够达到地表水环境质量标准Ⅱ类-Ⅰ类水质标准。整个多级净化系统平均总去除率为78.94%，每次样品呈现的逐级去除率变化趋势不尽相似，但整个系统净化效率较高，保证了水质总体较优。

图3 COD变化趋势及逐级去除率

COD是水体中有机物含量的反应，立交桥雨水径流水质的COD与悬浮物具有较强的相关性，相关系数达到0.8[30]。因此，A池对COD的净化主要表现在沉淀作用，8月的测试COD起始浓度最高，B池的去除率较其他两组更高，9与10月的变化趋势相似，各级逐级去除率的变化趋势相似。以含悬浮物为主的路面雨水径流中，沉淀是主要的净化作用，悬浮物污染较轻的径流中，沉淀亦发挥作用，但此时植物净化作用是一种更可靠的净化方式。在本次测试中，B、C、D池主要表现在沉淀与生物净化的联合作用，睡莲等水生植物的根系为微生物的着生提供了条件，有利于形成生物膜，而微生物的COD的净化主要源于微生物的好氧降解过程[31]，成为微生物的碳源。同时植物根系对水体中的有机物也有吸收作用，此外，B、C、D池也依然存在一定的沉淀功能，这些因素都为高效去除COD提供了条件。

2.3 氮

2.3.1 TN 平均总氮去除率达83.67%(图4)。D池的水质能够达到地表水环境质量标准Ⅱ类-Ⅰ类水质标准。逐级去除率中，8、9月随着水质逐渐清洁，逐级去除率均表现为逐级降低。10月的各级去除率较相同，但总体去除率较为理想。

图4 TN变化趋势及逐级去除率

总氮的去除方式主要有氨挥发、硝化反应以及植物吸收[27]。氨挥发主要由水的pH决定，在接近中性情况下，氨挥发并不能成为水体除氮的主要途径[32]，因此，硝化反应和植物吸收同化作用将是除氮的主要途径，而这两种渠道均是在微生物与植物共同作用下完成，温度将是影响各级除氮效率的重要因素。10月中旬取样时，气温较8、9月低，因此，推测将影响B池的净化效率，使更多的净化负荷转移至C、D池，这也是10月各级去除率较为接近的原因。同时温度变化的影响也表明，TN的净化对沉淀的依赖并不强，生物净化的作用更加明显。温度较高的8、9月TN在C池已基本除净。

2.3.2 NH4+-N 在3次试验中NH4+-N具有差异较大的起始浓度，但是各组总体呈现较显著的降低趋势，NH4+-N平均总去除率68.89%(图5)。除9月C池出现氨氮浓度上升的情况，其他情况下均具有有效的逐级去除率。各组D池水质接近地表水环境质量标准Ⅰ类水质标准。起始浓度较高时对应较高的去除率，最终都达到相接近的优良水质标准。

铵态氮是植物能够直接利用的氮的形式之一，因此植物吸收是去除铵态氮的途径，同时氨气的挥发也是氨氮去除的途径。由于植物的光合作用，植物根系的含氧量高，氧气与COD为参与硝化作用的微生物提供了适宜的反应条件，使铵态氮向硝态氮转化[33]，以上因素均是氨氮降低的原因。9月出现NH4+-N在C池升高的情况，首先9月氨氮含量本身较低，其次推测C池可能局部呈现厌氧状况，发生了反硝化作用。另外，路面雨水径流中存在来自于机动车尾气和轮胎的Pb、Zn等重金属，研究发现，金属离子可致处理水中的NH4+-N增加[34]。同时，由于NH4+-N与悬浮物和COD具有较显著的相关性[30,35]，因此，试验的系统的沉淀作用也对氨氮的去除具有贡献作用，8、10月的逐级去除率基本相同，表明生物作用去除氨氮较沉淀作用更好。

图5 NH4+-N变化趋势及逐级去除率

2.3.3 NO2--N 作为水体中氮素的中间产物，亚硝酸盐氮具有与总氮相似的稳定的下降趋势，总体去除率78.96%，各级去除率整体表现为C池与A池略高，D池略低(图6)。

图6 NO2--N变化趋势及逐级去除率

亚硝酸氮盐是硝化作用与反硝化作用的中间产物，其含量反映了水体中氮的转化情况。亚硝酸盐氮的降低与总氮的趋势一致，表明水体内几种除氮环节的有效性，水体氮含量总体下降。逐级去除率表明，在C池中NO2--N基本除净，B池、C池是发生NO2--N转化的主要场所。在亚硝化细菌的作用下NH4+-N转化为NO2--N达到除氨氮的作用，硝化作用产生硝酸盐氮NO3--N的在植物的吸收作用下去除，使水体的总氮得以降低。总氮和亚硝酸盐氮的逐级去除率表明，亚硝酸盐氮无积累现象，硝化作用进行顺利，水生植物在吸收氮素用于自身生长外也通过光合作用为水体营造了良好的富氧环境，得以保证水体氮的顺利去除。此外，9月C池一部分亚硝酸盐氮可能参与了反硝化作用，导致氨氮浓度的增高。

2.4 TP

水体总磷TP具有稳定的降低趋势，总磷平均去除率为87.55%。8月B、C池内总磷基本被除净，9、10月B池的去除率较C、D池高，总体去除效果理想(图7)。C池的水质就已经达到地表水环境质量标准Ⅱ类水质标准。

图7 TP变化趋势及逐级去除率

在此多级净化系统中，水体磷的去除具备沉淀与生物去除多种形式。研究表明，路面径流雨水的SS(悬浮物)与TP具有良好的线性相关性[35]，并且，路面雨水径流中TP的颗粒吸附态污染占路面径流的83.1%[36]，因此，沉淀作用是去除TP的重要途径之一，虽然A池水生植物较少，但3组数据仍表现为第1级总磷去除率较为稳定且高效。总磷去除的第2个途径为溶解性磷的植物吸附作用，磷与氮同样作为植物吸收同化的重要养分。一方面，植物表面为聚磷菌等微生物的附着提供了条件，植物与微生物的共同作用，在此多级净化系统中的后期净化中起着重要作用，得以去除颗粒性磷之余的TP，保证了水体较高的的TP去除率，这种特性在立交桥道路雨水径流水质及污染特征变化较大的情况下更为适用，因此，无论各级的去除率如何分配，依然能够保证TP的去除率。

3 讨论与结论

3.1 讨论

试验研究的多级沉淀与生物净化相结合的净化工艺对以路面雨水径流为主的水体具备一定的净化作用，各类污染净化去除率68.9%～78.9%，与其他有关沉淀或生物净化的研究结果相同[22,26,27,31,32]。主要的有机污染、氮污染和磷污染皆能够得到有效的净化，使水质从污染状态达到较优的Ⅱ类水质标准。

试验研究的净化系统中的沉淀主要以沉降颗粒污染物为主[37]，而雨水径流中的颗粒物往往是各类污染的吸附体[38]，因此，针对颗粒物的净化也有助于改善整体的水质。这也是净化B池的各项污染指标相对A池都有显著的降低。而此时净化系统中的水生植物对净化的贡献一方面为自身吸收污染物质用于自身营养，另一方面其网状根系为微生物提供了着生条件，为形成生物膜提供条件，进一步提高了系统净化的效率。这为去除沉淀作用之外的有机污染、富营养污染提供了条件。此外，A池首先沉淀了雨水径流中的大量颗粒物，减少了大量污染物，保障了B，C和D池植物和微生物的正常生长，使生物净化效果得以保持，实现了沉淀与生物净化合理、稳定、高效的结合方法。在净化系统中，沉淀应被视为主要措施，因为其具有稳定、受环境扰动小的特点，而传统生物净化范围广、净化彻底，可作为沉淀作用之后必要的高效补充。通过试验证明，在常规季节条件下，二者的结合是一种净化效果优良、实效性好的净化方式，同时其组合具有实现难度低、管理维护容易、具备一定景观效果的优点。

同一指标不同采样月份的各级去除率具有一定的差异，但最终去除率却呈现高效和稳定的特点。这与不同路面径流污染特点，以及不同降水特征有关。具体表现为，在降水强度更大，单位时间径流量更大的情况下，A池水体流动性也就越强，水力停留时间减小，沉淀效果降低，依此B、C、D池也将涌入更多的污染，造成多样的水质变化趋势。而最终水质均达到有效改善，证明了四级净化能够抵御一般情况下的水质变化并保持系统运行效果的稳定；其次，试验中，C池NO2--N出现了净化效率放缓的现象，可能由于C池内存在局部缺氧条件，因此，发生了一定程度的反硝化作用。在种植水生植物时，应当注意合理的种植密度以及分散程度，以避免造成密集的枝叶阻碍水气的交换以及过度的植物好氧。

3.2 结论

(1)多级沉淀与生物净化相结合的净化模式具理想的去除率。COD、TN、NH4+-N、NO2--N和TP各污染指标平均总去除率分别为78.9%、83.7%、68.9%、79.0%和87.6%，去除效率高。

(2)净化出水水质清洁。经最后一级净化后的D池的水质基本达到地表环境水质量标准Ⅱ类以上水质标准，其中，总氮TN与亚硝酸氮NO2--N在C池时水质已可作为景观水及绿地灌溉的水源。

(3)A、B池对TP具较高的去除效果，C、D池对COD、N类污染具有主要的去除效果。A、B池主要针对以沉淀为主的污染物，C、D池主要针对以生物净化和吸附为主的污染物。

(4)沉淀作用与生物净化作用表现并不独立，具有相互作用，共同去污的特点。沉淀快速降低重度污染，为后续生物净化维护较稳定的条件，而生物净化则达到更彻底的净化效果。

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