山西省左云县人工湿地对煤矿废水的净化效果

张 欣

(山西省林业和草原科学研究院，山西 太原 030012)

随着经济和社会的快速发展，煤炭等自然资源被大量开采，由此产生的废水对生态环境造成了较大破坏。人工湿地具有拟自然、低耗能、低投资、处理效果稳定等优点，近年来，通过人工措施模拟湿地系统净化污水的技术在国内外被广泛应用，并取得了较好的净化效果。已有学者在室内模拟人工湿地，研究表明其对煤矿废水中总氮、总磷、硫化物、CODCr等污染物有一定的去除作用。笔者在山西省左云县十里河小京庄乡段被煤矿废水污染的河道内建设人工湿地，测定其不同季节对煤矿废水的净化效果，以期为人工湿地在治理煤矿废水中的推广应用提供参考和借鉴。

1 试验地概况

试验地位于山西省左云县十里河小京庄乡段被煤矿废水污染的河道内，地理坐标112°39′49″～112°40′09″，39°46′39″～39°47′08″.地貌特征以黄土丘陵区为主，属温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，春季干旱多风，夏季较热多雨，秋季潮湿温热，冬季寒冷少雪。年平均气温6.1 ℃，极端低温为-29.5 ℃，极端高温为34.5 ℃，年平均降雨量399 mm，年平均日照时数2 763.8 h，无霜期125 d.

2 人工湿地现场构建

2017年，在试验地进行人工湿地现场建设。人工湿地现场包括前置处理区和核心处理区2个部分，见图1.

图1 人工湿地现场总体布局图

2.1 前置处理区

2.1.1 乔木处理区

乔木处理区长300 m，宽24 m，面积7 200 m2.栽植高0.8 m～1.5 m的樟子松和油松，株行距2 m×2 m，品字形排列，樟子松9行，油松3行。整地方式采用穴状整地，整地规格0.8 m×0.8 m×0.6 m.

2.1.2 栅格处理区

栅格处理区利用当地地形，分为南、北两部分，每部分长200 m，宽15 m，面积3 000 m2.北部撒播早熟禾、委陵菜、红蓼等草籽，播种量为75 kg/hm2；南部铺种草皮，挖取3 cm～5 cm厚的带土草皮，按株行距20 cm×40 cm进行栽植。

2.1.3 灌木处理区

灌木处理区长200 m，宽30 m，面积6 000 m2.栽植竹柳和沙棘各1 000株，均为2年生～3年生带土球苗木，块状混交栽植，株行距为1.5 m×1.5 m，品字形排列，整地方式采用穴状整地，整地规格为0.5 m×0.5 m×0.3 m.

2.1.4 靶向性植物处理区

靶向性植物处理区长100 m，宽20 m，面积2 000 m2.在室内试验的基础上，按草带形式种植靶向性植物，带间距20 cm～30 cm，由东向西依次种植香蒲、芦苇、红蓼、委陵菜、水葱、水麦冬、莎草，每种植物约200 m2～300 m2，栽植方式为带土球穴植。

2.2 核心处理区

根据从加拿大引进的人工湿地处理技术，结合室内试验成果，建造核心处理区，面积156 m2.其中，包括1个12 m×3 m的集水氧化池和5个2.5 m×10 m的人工湿地单元，集水氧化池和人工湿地单元之间以管道连接，湿地单元之间的取水口用PVC板控制开关。5个人工湿地单元从南向北依次排列，比降为0.3%，使水可以依靠自身重力流动；人工湿地单元间的出水口交错排列，使水流呈S型流动。人工湿地单元深60 cm，挖除底泥，夯实底土，铺1层土工布作为防渗层，上铺10 cm砾石，之后填充基质20 cm(湿地土壤：河沙=1∶1)，最后再在表层铺10 cm砾石。5个人工湿地单元从南向北依次种植红蓼、水葱、芦苇、委陵菜、水麦冬，穴状栽植，株行距为20 cm×20 cm，见图2.

图2 核心处理区设计图

3 试验方法

通过修建临时挡坝将煤矿废水引入人工湿地现场，煤矿废水根据地势变化依靠自身重力先后流经乔木处理区(M1)、栅格处理区(M2)、灌木处理区(M3)、靶向性植物处理区(M4)和核心处理区(M5)。笔者分别于2018年2月(冬季)、5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)中旬测定各处理区对煤矿废水的净化效果。

3.1 前置处理区对煤矿废水的净化效果

在乔木处理区(M1)、栅格处理区(M2)、灌木处理区(M3)和靶向性植物处理区(M4)的出水口各设1个简易测流堰，于同一天同一时段，在煤矿废水自然流经测流堰时取样测定各处理区出水口的主要污染物含量，并计算去除率，每个处理3次重复。

3.2 核心处理区对煤矿废水的净化效果

当煤矿废水流入核心处理区时，先将其储存在12 m×3 m的集水氧化池中，之后打开人工湿地单元1的进水口，关闭出水口，使煤矿废水在人工湿地单元1中停留48 h.之后再打开人工湿地单元2的进水口，依次类推，通过PVC板控制煤矿废水在每个人工湿地单元中的水力停留时间均为48 h.测定每个出水口煤矿废水的主要污染物含量，并计算去除率，设3次重复。

3.3 主要污染物的测定与去除率的计算方法

总磷(TP)的测定采用钼酸铵分光光度法，总氮(TN)的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，硫化物的测定采用硫代硫酸钠滴定法，汞(Hg)的测定采用原子荧光法，CODCr的测定采用重铬酸盐法(GB/T11914-1989)。

去除率(%)=(1-水样中污染物浓度/试验前废水中污染物浓度)×100%.

主要污染物浓度及去除率取3个重复的平均值，用EXCEL 2003进行试验数据的整理及分析。

4 结果与分析

4.1 前置处理区对煤矿废水的净化效果

2018年，不同季节前置处理区对煤矿废水的净化效果见图3.

由图3可以看出，前置处理区对煤矿废水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr均有一定净化效果。其中，TN，TP，硫化物含量的变化趋势相似，在乔木处理区下降速度较快，除了土壤基质和乔木根系的作用外，可能与废水排放初期N，P，S的挥发和吸附沉降作用较强有关；格栅处理区和灌木处理区，TN，TP，硫化物含量的下降速度减慢，可能是由于元素的挥发和基质的吸附沉降达到饱和，而在较短的时间内植物对废水的净化作用有限；到靶向性植物处理区时，TN，TP，硫化物含量的下降速度又有所增大，这可能是由于靶向性植物对N，P，S的吸收效果较之前的植物好。Hg和CODCr含量的变化趋势相似，在4个处理区基本呈匀速下降的趋势，这是由于重金属离子Hg的去除主要是通过土壤基质的吸附络合和植物根系的吸收，而CODCr的去除主要依靠物理格栅、过滤、澄清和土壤基质中微生物的代谢作用，因此随废水流经不同的处理区净化效果和速度保持基本稳定。经前置处理区后，2018年2月、5月、8月和11月煤矿废水的TN含量分别降至11.75 mg/L，9.32 mg/L，8.47 mg/L，11.16 mg/L；TP含量分别降至1.24 mg/L，0.98 mg/L，0.92 mg/L，1.15 mg/L；硫化物含量分别降至0.182 mg/L，0.159 mg/L，0.156 mg/L，0.175 mg/L；Hg含量分别降至0.000 35 mg/L，0.000 30 mg/L，0.000 31 mg/L，0.000 33 mg/L；CODCr含量分别降至204 mg/L，165 mg/L，173 mg/L，191 mg/L.前置处理区对煤矿废水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr的净化效果有限，除硫化物达到地表水Ⅲ类标准外，其它均未达到地表水Ⅲ类标准。不同季节前置处理区对煤矿废水各污染指标的去除率见第12页表1.

图3 不同季节前置处理区对煤矿废水的净化效果

表1 不同季节前置处理区对煤矿废水各污染指标的去除率 %

由表1可以看出，前置处理区对煤矿废水主要污染指标的去除率较低，TN为41.25%～57.65%，TP为40.10%～55.56%，硫化物为21.21%～32.47%，Hg为30.00%～40.00%，CODCr为43.80%～54.55%.这可能是由于废水依靠重力自然流经前4个处理区，没有采取专门的措施增加水力停留时间，所以净化效果相对较差。比较不同季节(月份)前置处理区对煤矿废水各污染指标的去除率，从小到大依次为冬季(2月)<秋季(11月)<春季(5月)<夏季(8月)。这可能是由于8月份植物的地下部分生长量最大，且温暖的天气对元素挥发和微生物活动有利，所以对煤矿废水的净化效果较好；5月份次之，11月和2月天气较冷，植物生长和微生物活动受到抑制，对煤矿废水的净化效果较差。

4.2 核心处理区对煤矿废水的净化效果

2018年，不同季节核心处理区对煤矿废水的净化效果见图4.

由图4可以看出，核心处理区对煤矿废水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr均有较好的净化效果。5种污染物含量的变化趋势相似，在前3个湿地单元下降明显，可能是由于不同植物根系对污染元素的吸收和根系周围微生物的活动作用；湿地单元4和湿地单元5污染物含量的变化趋于平缓，这可能是由于基质、植物及微生物的作用达到饱和导致的。经核心处理区5个湿地单元处理后，2018年2月、5月、8月和11月煤矿废水的TN含量分别降至0.92 mg/L，0.64 mg/L，0.58 mg/L，0.81 mg/L；TP含量分别降至0.18mg/L，0.12 mg/L，0.09 mg/L，0.16 mg/L；硫化物含量分别降至0.113 mg/L，0.096 mg/L，0.088 mg/L，0.104 mg/L；Hg含量分别降至0.000 10 mg/L，0.000 08 mg/L，0.000 06 mg/L，0.000 09 mg/L；CODCr含量分别降至18 mg/L，13 mg/L，12 mg/L，15 mg/L.核心处理区对煤矿废水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr的净化效果较好，均能达到地表水Ⅲ类标准。不同季节核心处理区对煤矿废水各污染指标的去除率见表2.

图4 不同季节核心处理区对煤矿废水的净化效果

表2 不同季节核心处理区对煤矿废水各污染指标的去除率 %

由表2可以看出，核心处理区对煤矿废水主要污染指标的去除率较高，TN为86.57%～87.50%，TP为70.91%～80.43%，硫化物为23.13%～33.33%，Hg为62.96%～71.43%，CODCr为84.00%～87.18%.这可能是由于通过设置PVC板延长了废水在每个湿地单元中的水力停留时间(HRT=48 h)，使基质、植物和微生物对煤矿废水的净化作用更充分，且不同植物可以吸收利用不同形式的污染物质。不同季节(月份)，核心处理区对煤矿废水各污染指标的去除率差距不大且无明显规律。这可能是由于以流经前置处理区后的污染物含量为基础进行计算，对结果有一定影响。

5 结论与讨论

各季节，煤矿废水经人工湿地现场的5个处理区后，主要污染物的含量均可被降低到符合地表水Ⅲ类标准的要求。不同月份(季节)人工湿地对煤矿废水的净化效果略有差别，8月份效果最好，由于此时植物的地下部分生长量最大且气温较高，有利于污染物质挥发和微生物活动；5月份次之，11月和2月天气较冷，植物生长和微生物活动受到抑制，对煤矿废水的净化效果较差。