景观水体的生态净化与水质维护工艺应用研究

丁一轩，李星*，杨艳玲，王男，刘永旺，赵锂

1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124 2.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124 3.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044



景观水体的生态净化与水质维护工艺应用研究

丁一轩1，李星1*，杨艳玲1，王男1，刘永旺2,3，赵锂3

1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124 2.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124 3.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044

依托实际景观水体水质维护的生态净化工程，研究充氧、过滤等物化技术以及水生植物塘、生态氧化塘、表流湿地等生态技术对景观水体的水质净化与维护作用，对比不同生态净化工艺流程的特点，评价各工艺单元对主要污染物的净化效果。结果表明：曝气/过滤、水生植物塘、生态氧化塘及表流湿地等单元均有较明显的水质净化效果，其中曝气/过滤单元的浊度去除效果最好，表流湿地、生态氧化塘及水生植物塘单元的有机物及营养物质去除效果更佳；季节和水温对净化效能有显著影响。不同生态净化工艺流程的对比结果表明，曝气/过滤-水生植物塘-表流湿地工艺流程的浊度去除效果更佳，曝气/过滤-生态氧化塘-表流湿地工艺流程的有机物及营养物质的削减作用更好。在稳定运行期间，2种生态净化工艺流程的浊度、CODMn、叶绿素a、TN、TP平均去除率分别为43.14%和35.45%、24.77%和27.77%、17.72%和24.06%、29.94%和36.65%、22.63%和33.60%。

景观水体；人工净化；生态净化；水质维护；工程应用

景观水体是城市和建筑小区生态环境的重要组成部分，其水质状况直接影响到生活及生态环境。景观水体具有易受污染、水环境容量小、水域面积小、流动性差、与居民接触较为密切以及自净能力差等特点[1]。近年来，景观水体普遍呈富营养化状态，水体发黑发臭，水生态系统遭到严重破坏，污染问题愈发突出[2]。采用有效、经济、适用的维护和净化技术，改善景观水体水质是亟待解决的问题。

目前，景观水体的治理主要包括物理、化学、生物及生态修复等方法，其中物理方法一般适用于中小型水体，见效快、周期短，但对藻类和有机物等无法有效去除；化学方法具有见效快的优点，但持久性较差；生物方法具有适用范围广、系统稳定的特点，但技术性强、操作难度大，难以大规模应用；生态方法具有效果稳定、生态友好的优点，但见效较慢、易受环境影响。在实际应用中多采用几种技术相结合的方式，以提高各种污染物的去除效能[3-5]。各种技术和工艺组合应用的实例已有大量报道，如生态-生物操控-微生物工艺[6]、磁性离子交换树脂-混凝工艺[7]、曝气-生物膜技术[8]等，但均存在工艺长期运行的稳定性不佳、水质净化效果随季节性变化、组合工艺净化效能和适用性对比等问题[9-12]。

1 生态净化流程与监测方法

1.1 生态净化流程

该景观水体占地约80 000 m2，其中景观河道水体积约50 000 m3，封闭式河道长约2 km。在景观河道的一端设置了生态净化设施，分别采用2种组合工艺对比运行以考察不同生态净化工艺流程的除污特性(图1)：工艺流程1，曝气/过滤-水生植物塘-表流湿地；工艺流程2，曝气/过滤-生态氧化塘-表流湿地。在2种组合工艺沿程设置了16个取样点，其中流程1取样点为1#～10#和16#；流程2取样点为1#～2#和11#～16#。在景观河道的末端设置1#取样点，作为组合工艺流程的进水点，在景观河道的始端设置16#取样点，作为组合工艺流程的出水点。

图1 景观河道生态净化组合工艺流程Fig.1 Combined ecological purification processes of landscape river

1.2 生态净化工艺单元

曝气/过滤装置由组合式无阀滤池增配曝气装置组成，采用石英砂、活性炭等滤料，进水和出水端设置曝气溶氧设施，处理水量为420 m3/h，循环周期约为120 h，采用水力自动运行方式，可自动调整反冲洗周期，反冲时间约3.5 min；曝气/过滤单元如图2所示。

图2 曝气/过滤单元构造及外观Fig.2 The structure and appearance of aeration/filtration unit

水生植物塘内种植有芦苇、水葱等挺水植物，睡莲等浮水植物以及狐尾藻等沉水植物。设有2个近圆形水生植物塘，其中水生植物塘Ⅰ的直径约为15 m，平均水深1.5 m，水力停留时间(HRT)约为1.3 h。水生植物塘Ⅱ的直径约为12 m，平均水深1.5 m，HRT约为0.8 h(图3～图4)。

图3 水生植物塘ⅠFig.3 The aquatic plant pond Ⅰ

图4 水生植物塘ⅡFig.4 The aquatic plant pond Ⅱ

图5 生态氧化塘Fig.5 The ecological oxidation pond

生态氧化塘的岸边种植有芦苇，塘底种植多种水草、藻类植物，塘内投加适量草鱼等鱼类，氧化塘为50 m×20 m×3 m的长方体，HRT约为14.3 h(图5)。

表流湿地沿岸种植有少量芦苇，水生植物以沉水植物狐尾藻为主，其中表流湿地Ⅰ尺寸为160 m×2 m×1.2 m，HRT约为1.8 h；表流湿地Ⅱ尺寸为120 m×3 m×1.5 m，HRT约为2.6 h(图6～图7)。

图6 表流湿地ⅠFig.6 The surface flow wetland Ⅰ

图7 表流湿地ⅡFig.7 The surface flow wetland Ⅱ

1.3 取样方式及分析方法

每个取样点分别测试3～5次，取平均值，每周取样2次。浊度、叶绿素a(Chl-a)在现场检测；CODMn、TN和TP浓度带回实验室检测。各水质指标均参照《水和废水监测方法(4版)》进行测定。浊度采用HACH 2100Q浊度仪测定，量程0～1 000 NTU，精度为±2%；CODMn采用高锰酸盐指数测定仪(GDYS-102SK)测定，量程0～8.00 mg/L，精度为±5%；TN浓度采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，测量范围0.05～4.00 mg/L，相对标准偏差为2%；TP浓度采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定，测量范围0.01～0.60 mg/L，相对标准偏差为1%；Chl-a浓度采用Aquafluor荧光仪测定，量程0～300 μg/L，精度为±0.1%。

2 结果与讨论

2.1 单元净化效果

2.1.1 曝气/过滤单元

曝气/过滤单元的除污效果如图8所示。由图8可以看出，不同季节的水质及曝气/过滤单元的浊度、CODMn、Chl-a、TN、和TP去除效果有较大差异。5—6月中旬，进水各项指标和去除率均呈缓慢上升趋势。6—9月进水和出水浊度平均值分别为6.62和3.70 NTU，CODMn平均值分别为6.43和4.99 mg/L，浊度和CODMn平均去除率为43.91%和22.04%；进水和出水Chl-a、TN和TP浓度平均值分别为17.26和14.33 μg/L、1.50和1.20 mg/L、0.169和0.130 mg/L，去除率平均值为16.85%、20.20%和22.13%。

图8 曝气/过滤单元除污效果Fig.8 The removal effects of aeration/filtration unit on pollutants

10—11月的曝气/过滤单元进水和出水各项指标均呈降低趋势。进水浊度降至3.77 NTU，去除率降至20.16%，但出水浊度几乎没有变化，表明过滤效能没有受到明显影响。进水和出水CODMn也均呈降低趋势，进水CODMn降至4.65 mg/L，去除率降至7.96%，但出水CODMn变化较小。Chl-a、TN和TP浓度也呈类似的降低趋势，去除率分别降至6.48%、6.25%和5.77%。

由图8可以看出，进水的浊度、CODMn、Chl-a、TN和TP浓度均在6—9月较高，总体去除效果也较好，表明曝气/过滤单元的除污作用较稳定。10—11月的进水各指标呈下降趋势，去除率也出现明显的降低，表明净化作用不断减弱。

曝气/过滤单元对Chl-a、CODMn、TN和TP有较明显的去除效果，表明景观水中有些污染物是非溶解性的，可以与浊度得到共同去除。滤池的生物净化作用不明显，这可以从温度变化对各指标去除效果的影响趋势看出。Chl-a、TN和TP的进水浓度及去除率变化趋势与浊度非常近似，说明大部分非溶解性藻类和氮磷是随浊度得到共同去除的，浊度去除效果降低也造成了藻类和氮磷的去除效果变差；CODMn的变化趋势明显比较平缓，表明有机物去除作用没有随着水温的持续降低而发生明显变化。可见，进水浊度和水温的降低可能是造成过滤效能变差的主要因素。

2.1.2 水生植物塘

由图9可以看出，水生植物塘对各项指标都有一定的去除效果。水生植物塘Ⅰ在6—9月进出水各指标均较高，且在一定范围内稳定波动。其中进水和出水浊度平均值分别为3.90和3.39 NTU，CODMn平均值分别为5.20和4.67 mg/L，浊度和CODMn平均去除率为12.98%和10.28%；进水和出水Chl-a、TN和TP浓度平均值分别为15.26和13.11 μg/L、1.29和1.07 mg/L、0.142和0.121 mg/L，去除率平均值为14.14%、16.80%和16.41%。10—11月，进水和出水各项指标均呈不断降低的趋势。进水浊度由3.67 NTU降至3.03 NTU，出水浊度由3.37 NTU降至2.99 NTU，去除率由12.26%降至1.98%；进出水的CODMn、Chl-a、TN和TP指标也呈类似的降低趋势，11月末，其去除率分别降至1.41%、1.96%、1.61%和2.01%。由图10可以看出，水生植物塘Ⅱ在6—11月间的进出水各指标及去除率与水生植物塘Ⅰ的变化规律相似。二者均是在6—9月时进出水各指标和去除率较高，10—11月不断下降，11月末时净化效能基本丧失。

图9 水生植物塘Ⅰ除污效果Fig.9 The removal effects of aquatic plant pond Ⅰ on pollutants

对比图9和图10可以看出，水生植物塘Ⅰ对各指标的去除效果均好于水生植物塘Ⅱ，这是因为在水生植物种类、种植密度以及其他设计参数相近的前提下，水生植物塘Ⅰ的水力停留时间较长。由图9和图10还可看出，水生植物塘的水质净化效果与水温有一定的相关性，不同季节表现出不同的变化趋势。6—9月的水温较高，各类水生植物生长旺盛，水生植物塘对各污染物的去除效果较好，尤其是营养盐氮磷和藻类。10月以后，由于水温变低，水生植物逐渐枯萎衰亡，水生植物塘植物的吸收富集作用和微生物的代谢作用减弱，除污效果明显降低。除污效果的降低与水生植物的生长周期有很大关联度[13]，因为6—9月为大多数挺水植物、浮水植物和沉水植物的营养期和开花期，10—11月为枯萎期[14]。

图10 水生植物塘Ⅱ除污效果Fig.10 The removal effects of aquatic plant pond Ⅱ on pollutants

2.1.3 生态氧化塘

生态氧化塘的除污效果如图11所示。由图11可以看出，不同季节间，生态氧化塘单元的除污效果有较大差异。6—9月其进水、出水浊度和CODMn平均值分别为4.60和4.91 NTU，以及5.32和4.84 mg/L，浊度没有得到去除，CODMn去除率平均值为9.21%；进水和出水Chl-a、TN、TP浓度平均值分别为15.63和13.85 μg/L、1.22和1.06 mg/L、0.146和0.129 mg/L，去除率平均值为11.40%、13.52%和12.71%。10—11月进出水各指标均呈不同程度的降低趋势。进水和出水浊度降至3.27和3.33 NTU，浊度仍没有去除效果；进出水CODMn分别降至4.26和4.18 mg/L，去除率降至1.17%。

图11 生态氧化塘除污效果Fig.11 The removal effects of ecological oxidation pond on pollutants

生态氧化塘出现的浊度升高现象可能与鱼类活动有关[15]。6—9月的浊度去除率波动幅度较大，10月以后则变化较为平缓。6—9月生态氧化塘的Chl-a、CODMn、TN和TP去除率较高，10月以后呈逐渐下降趋势，但去除效果不像其他处理单元降幅很大，主要是因为生态氧化塘可形成复杂生态系统[16]，生态结构和功能较为稳定[17]，对有机物和氮磷的降解效果受水温影响不明显。

2.1.4 表流湿地

由图12可以看出，表流湿地对各类污染物均有一定的去除效果。6—9月，表流湿地Ⅰ进水和出水浊度平均值分别为4.57和4.22 NTU，CODMn平均值分别为5.58和5.33 mg/L，浊度和CODMn平均去除率为7.69%和4.43%；进水和出水Chl-a、TN和TP浓度平均值分别为16.69和15.68 μg/L、1.30和1.22 mg/L、0.165和0.149 mg/L，平均去除率分别为6.03%、6.61%和9.72%。10—11月进出水各项指标均呈不断降低趋势。进水浊度由4.23 NTU降至3.18 NTU，出水浊度由4.02 NTU降至3.12 NTU，去除率由4.96%降至1.89%；进水CODMn由5.32 mg/L降至4.43 mg/L，出水CODMn由5.14 mg/L降至4.36 mg/L，去除率由4.02%降至1.58%；进出水的Chl-a、TN和TP浓度也呈类似的降低趋势，11月末，其去除率分别降到1.88%、1.47%和1.56%。由图13可以看出，表流湿地Ⅱ在6—11月期间进出水各指标及去除率的变化规律与表流湿地Ⅰ相似，二者均是在6—9月时进出水各指标和去除率较高，10—11月不断下降，11月末时各指标去除率趋近于0，净化效能基本丧失。

图12 表流湿地Ⅰ除污效果Fig.12 The removal effects of surface flow wetland Ⅰ on pollutants

对比图12和图13可知，表流湿地Ⅱ的除污效果好于表流湿地Ⅰ，主要因为其水力停留时间较长。6—9月，浊度和TN、TP的去除率波动较大，去除效果不稳定，CODMn的去除率变化较为稳定；10—11月，随着水温降低，除污效果呈明显的下降趋势。表流湿地对CODMn的去除率比其他工艺单元低，这可能是因为水在表流湿地中流速较快，同时进水有机物浓度较低、停留时间较短，使得有机物的降解效率很低[18]。10月以后各污染物的去除率呈明显下降趋势，11月各污染物去除率均低于5%。进水中各污染物浓度也越来越低，进水与出水浓度差值逐渐减小。这是因为10月以后，随着水温的降低，湿地中的芦苇等植物出现枯萎，导致了其光合作用和净化能力明显减弱；同时微生物的活性减弱，导致了氮磷和有机物的吸收和降解效率下降[19]。

图13 表流湿地Ⅱ除污效果Fig.13 The removal effects of surface flow wetland Ⅱ on pollutants

低温对表流湿地的影响可表现在水生植物的生长周期更替以及微生物的活性上。10—11月，大多数水生植物腐烂分解后，70%以上的氮磷释放到表流湿地水中[20]。微生物的活性也与水温显著相关，10月后微生物的活性下降，对碳源的需求、硝化反硝化作用有较大影响[21]。10—11月，表流湿地的悬浮物、有机物和氮磷去除率不高，可能与水生植物腐烂以及微生物活性降低有关。

2.2 工艺流程净化效果

2种工艺流程对景观水体浊度、Chl-a、CODMn、TN、TP的去除效果如图14所示。由图14可见，6—9月，进水和工艺流程1出水的浊度平均值分别为6.77和3.85 NTU，CODMn平均值分别为6.54和4.92 mg/L，去除率平均值为43.14%和24.77%；进水和出水Chl-a、TN和TP浓度平均值分别为17.73和14.01 μg/L、1.52和1.06 mg/L、0.170和0.131 mg/L，去除率平均值为17.72%、29.94%和22.63%。10—11月进出水各项指标均呈不同程度降低趋势。进水浊度由6.02 NTU降至3.77 NTU，出水浊度由3.70 NTU降至3.05 NTU，去除率由40.20%降至19.10%；进出水CODMn也呈逐渐降低的趋势，进水CODMn由6.10 mg/L降至4.65 mg/L，出水CODMn由4.81 mg/L降至4.28 mg/L，去除率由21.15%降至7.96%；Chl-a、TN和TP去除率也分别降至5.56%、7.79%和5.77%。

图14 不同工艺流程的除污效果对比Fig.14 Comparison of removal effects of different combined processes on pollutants

工艺流程2对各指标的去除效果与工艺流程1的变化趋势相似。6—9月，工艺流程2出水浊度和CODMn平均值分别为4.30 NTU和4.70 mg/L，去除率平均值为35.45%和27.77%；Chl-a、TN和TP去除率平均值为24.06%、36.65%和33.60%。10—11月工艺流程2出水各指标及去除率均呈不同程度降低趋势。出水浊度由3.70 NTU降至3.05 NTU，去除率由40.20%降至19.10%；出水CODMn由4.81 mg/L降至4.28 mg/L，去除率由21.15%降至7.96%；Chl-a、TN和TP去除率也分别降至7.62%、9.84%和8.79%。

由2种工艺流程进出水各项指标的变化可以看出，工艺流程2的Chl-a、CODMn、TN和TP去除效果优于工艺流程1，工艺流程1的浊度去除效果明显优于工艺流程2。由于在不同季节各工艺单元的净化效果有很大差异，所以不同工艺流程的净化效果也有明显差别。6—9月2种工艺流程除污效果均较好，且2种工艺流程的去除率差值较大；10—11月2种工艺流程的除污效果均显著降低，2种工艺流程的去除率差值减小。从2种工艺流程的除污效果看，工艺流程1更适用于浊度偏高的景观水体，而工艺流程2则更适用于氮磷浓度较高、富营养化较严重的景观水体。

3 结论

(1)6—9月，景观水体温度较高且稳定，曝气/过滤、表流湿地、生态氧化塘及水生植物塘等单元均有较显著的水质净化效果，其中曝气/过滤单元的除浊效果最好，平均去除率约40%，有机物、藻类和氮磷去除率达15%以上；水生植物塘和生态氧化塘的Chl-a、TN和TP去除率都在10%以上，表流湿地的各污染物去除率则大多在10%以下。生态净化单元的净化效能最佳。

(2)10—11月，景观水体水温显著下降，各工艺单元的除污效果大幅降低。曝气/过滤单元的除污效果受水温变化的影响较小，水生植物塘、生态氧化塘、表流湿地等生态净化单元的除污效果与水温呈明显的相关性，水温低于5 ℃时生态净化单元基本丧失净化功能。

(3)2种组合式工艺流程的对比表明，工艺流程1的浊度去除效果更佳，6—9月的平均去除率达43.14%；工艺流程2的有机物及氮磷削减作用更好，6—9月的CODMn、Chl-a、TN和TP的平均去除率分别为27.77%、24.06%、36.65%和33.60%。2种工艺流程出水的浊度、CODMn、TN和TP均满足GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景观环境用水水质》的要求。

(4)采用曝气/过滤的物化净化技术可以更有效地提高景观水体的水质，受气候和水温的影响较小，是景观水体维护和净化的主要措施；生态净化技术对水质改善的作用易受水温和季节的影响，可作为水质净化与维护的辅助手段，更具生态和景观价值。

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Application study on ecological purification and water quality maintenance processes of landscape water

DING Yixuan1, LI Xing1, YANG Yanling1, WANG Nan1, LIU Yongwang2,3, ZHAO Li3

1.Institute of Architectural Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China 2.College of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China 3.China Architecture Design and Research Institute Company, Beijing 100044, China

This study investigated the effect of physicochemical technology (oxygen filling, filtration) and ecological technology (aquatic plant pond, ecological oxidation pond, surface flow wetland) on landscape water purification and maintenance, compared the characteristics of different purification processes and evaluated the purification effects of various process units, based on the actual ecological purification engineering of the water quality maintenance of landscape water. The results demonstrated that the aerationfiltration, aquatic plant pond, ecological oxidation pond and surface flow wetland all had obvious water purification effects, the aerationfiltration unit had the best turbidity removal effect while the surface flow wetland, ecological oxidation pond and aquatic plant pond had the better removal effects on the organic pollutants and nutrients; the seasonality and water temperature had significant impact on the purification efficiency. Comparing different ecological purification processes, it was indicated that the aerationfiltration - aquatic plant pond - surface flow wetland had better removal effects on turbidity while the aerationfiltration - ecological oxidation pond - surface flow wetland had better removal effects on the organic pollutants and nutrients. During the time of stable operation, the average removal rates of turbidity, CODMn, chlorophyll-a, TN, TP of the two sets of ecological purification processes were 43.14% and 35.45%, 24.77% and 27.77%, 17.72% and 24.06%, 29.94% and 36.65%, 22.63% and 33.60%, respectively.

landscape water; artificial purification; ecological purification; water quality maintenance; engineering application

2017-03-30

国家“十二五”科技支撑计划项目(2013BAJ02B02)

丁一轩(1992—)，男，硕士研究生，主要从事景观水维护保障技术研究，dyxbjut@163.com

*责任作者：李星(1963—)，男，研究员，博士，主要从事水污染控制技术研究，lixing@bjut.edu.cn

X703

1674-991X(2017)04-0442-09

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.060

丁一轩，李星，杨艳玲,等.景观水体的生态净化与水质维护工艺应用研究[J].环境工程技术学报,2017,7(4):442-450.

DING Y X, LI X,YANG Y L, et al.Application study on ecological purification and water quality maintenance processes of landscape water[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(4):442-450.