稻屯洼人工湿地冬季水质净化效果研究

马义源 张克峰 苏苗苗 刘晓东

摘 要：针对人工湿地冬季运行效果问题，以稻屯洼人工湿地为—研究对象，对其冬季水质进化效果进行了分析，结果表明，冬季条件下稻屯洼人工湿地仍能保持较好的水质净化效果，水中COD、NH3-N、TN、TP去除率分别为77.96%、85.83%、52.19%、75.66%，出水水质基本满足地表Ⅲ类水质标准，保障了南水北调东线工程的水质安全。

关键词：冬季;人工湿地;水质净化

中图分类号 X703文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）08-0132-04

Abstract： For the research of constructed wetland operation in winter condition， Watun constructed wetland is used as the object in this article. Sewage treatment plant technologies for the tail water are introduced， and the constructed wetland removal mechanisms of COD、NH3-N、TN and TP are expounded. Water samples are taken and the operation effect are also detected in different time. The detection result shows that Watun constructed wetland keep good water purification， the removal rate of COD、NH3-N、TN and TP are 77.96%、85.83%、52.19% and 75.66%. The effluent quality reaches the III standard of surface water， makes sure the water safety for South-to-North Water Diversion Project.

Key words： Winter; Constructed wetland; Water purification

我国水资源具有总量大、人均少且分布不均匀的特点，人均水资源量远低于世界平均水平，已成为世界贫水国之一[1]。随着我国城镇化建设不断加快，水环境污染状况不断加重[2]。为了快速提高作物产量，人们大量施用化肥、农药，但大多数化肥农药残留于环境和农作物中，然后随降雨、地表径流和土壤溶淋等途径进入水环境，造成水体氮磷含量升高[3]。农业生产对化肥农药的过度依赖和过量施用成为我国农业面源污染的主要原因[4]。人工湿地处理技术主要利用植物-基质-微生物的物理、化学、生物三重协同作用对污水进行处理[5]，具有低成本、低消耗、低运行的优势[6]，对改善农业面源污染具有重要意义。人工湿地处理技术在中小城镇快速发展起来，在我国南方地区应用极其广泛，但是在我国北方寒冷地区，气候条件成为限制人工湿地发展的首要因素[7]。

1 研究方法

1.1 项目概况 稻屯洼人工湿地水质净化工程位于泰安市东平县，该县境内有南水北调东线工程重要调水节点东平湖。泰安市属典型北温带季风气候，降水季节性变化大，境内河流径流补给少，多以污水处理厂外排尾水为水源，流域治污压力大。为保障南水北调东线工程水质安全，确保东平湖水质稳定达标，对流入东平湖的水实施截污导流工程：将入湖的大汶河水和县城污水处理厂出水引入稻屯洼人工湿地进一步净化处理，出水水质达《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水质标准后排放。

1.1.1 处理工艺 人工湿地按照布水方式的不同可分为表面流人湿地和潜流人工湿地[8]。表面流人工湿地具有富氧效果好，对水中悬浮有机物、有机质、氨氮的去除率高等优点，但占地面积大，一般作为污水预处理系统。潜流人工湿地对总氮、总磷去除效果更好，适合作为水处理系统的主要处理单元[9]。本污水处理工程采用“深度强化处理+表面流湿地”的工艺流程，强化处理区采用了“前处理床-表流湿地-潜流湿地-表流湿地”的组合工艺，最后排入表流湿地，湿地工艺流程图如图1。

1.1.2 设计规模 稻屯洼人工湿地水质净化工程由当地环保局组织建设，总投资9300万元，占地382.67hm2，日处理污水量10万m3。其中深度强化处理湿地16hm2，主要用于处理县污水处理厂外排尾水。包括5.5公里输水管线、提升设施，1个预处理池、1个潜流池、2个表流池以及附属设施;处理后污水排入366.6hm2表面流湿地。表面流湿地主要用于处理县城生态景观用水，该水引自大汶河，汇集后自流进入表面流湿地，经表面流湿地处理后，就地资源化利用，供湿地周围生态和周围农林用水。

1.1.3 进出水水质设计

1.1.3.1 进水水质 进水水质为污水处理厂处理后达到排放标准一级A的出水，湿地进水水质见表1。

1.1.3.2 出水水质 根据南水北调东线工程水质要求，经人工湿地处理后的水质指标应达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水体的要求，其主要水质指标见表2。

1.2 样品的采集与处理 本试验在2016年11月至2017年2月在人工湿地各工艺的进出口和沿程进行了8次水样采集，监测分析水样的化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、溶解氧（DO）、pH值等水质指标。在监测期间大气温度约为-10～17℃，并呈现出先降低后升高的变化趋势，1月份气温達到最低值。

每个采样点釆集水样500mL，装入聚乙烯瓶中，现场测定水样的pH和DO。加酸调整pH值至2.0保存，带回实验室48h内检测。对比处理前后各水质指标的变化规律，计算各类污染物实际去除效果，评价人工湿地系统冬季运行状况。

1.3 样品的监测及分析 具体的水样分析项目与方法见表3。

2 结果与分析

2.1 COD去除效果 人工湿地对有机物有较强的降解能力，主要通过沉淀、过滤作用，同时被植物根系或基质截留而被微生物降解或利用而得以去除[10]。从图2可以看出，监测期间稻屯洼人工湿地进水COD浓度约为54.3～112.2mg/L，属于劣Ⅴ类水体，经过人工湿地处理后，COD平均去除率达77.96%，除部分监测时段外，基本满足地表Ⅲ类水质要求，说明人工湿地冬季运行仍能发挥较好的净化作用。虽然冬季条件下植物大多数已经死亡，其根系截留和吸收能力较弱，对有机物去除效果降低，但湿地基质截留和生物膜吸附作用仍能使有机物得到有效去除。

2.2 NH3-N净化效果 人工湿地脱氮的主要途径为植物和生物吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用以及氨的挥发作用[11]。污水中的无机氮是植物生长过程中不可缺少的元素，可以被植物吸收利用，用于合成植物蛋白等，氮元素的去除通过植物收割从湿地系统中去除[11]。冬季气温降低，植物吸收氮素能力降低，同时，系统中硝化细菌和反硝化细菌活性降低也会影响对氨氮的净化效果。从图3可以看出，稻屯洼人工湿地进水NH3-N浓度在3.56～7.49mg/L左右，进水水质较差且不稳定，达不到设计要求，但其出水水质基本满足设计要求，出水NH3-N浓度约为0.32～1.47mg/L，NH3-N去除率75.84%～92.39%，平均去除率85.53%。从图中可以看出，出水中NH3-N浓度与进水浓度保持相同的变化趋势，从侧面印证了影响系统对NH3-N去除效果的主要因素是进水负荷，而受季节影响较小的说法[12]。

2.3 TN净化效果 人工湿地污水中的氮包括无机氮和有机氮2种形式，其中有机氮在微生物的作用下很容易转换成无机氮，因此人工湿地的除氮机理主要是指对无机氮的去除[6]。人工湿地脱氮的主要机制是微生物的氨化、硝化和反硝化作用，及植物吸收、挥发、基质吸附和离子交换等作用[13]。从4图可以看出，稻屯洼人工湿地TN进水浓度8.47～20.44mg/L，进水水质不稳定，出水中TN浓度3.41～11.21mg/L，出水濃度远高于地表Ⅲ类水TN浓度≤1.0mg/L的要求。可能是因为冬季气温逐渐降低，系统植物、微生物等的生长繁殖活动减弱，对氮的去除主要依靠基质的吸附蓄积能力。

2.4 TP净化效果 人工湿地中总磷的去除主要通过微生物的氧化分解、植物的吸收以及基质的物化反应（沉淀、吸附、沉积、离子交换、矿化等）3种形式[14]。植物收割和基质的更替是人工湿地系统除磷的主要途径，微生物降解和植物吸收所产生的除磷作用有限[13]。从图5图可以看出，稻屯洼人工湿地TP进水浓度0.33～1.12 mg/L，且水质波动较大，，经人工湿地系统处理后TP浓度仅为原来的15.16～42.16%，出水浓度0.05～0.43 mg/L，除温度最低的1月份，出水水质基本达到设计标准，可能是因为受温度影响较小的基质物化反应发挥重要作用。

3 结论与建议

（1）通过对稻屯洼湿地多次水质检测可知，冬季条件下人工湿地对水中COD、NH3-N、TN、TP等污染物的平均去除率分别为77.96%、85.83%、52.19%、75.66%。经人工湿地系统处理后，除TN外其他水质指标基本可以达到设计水质标准。

（2）冬季大多数湿地植物枯萎，根系吸收能力降低，微生物降解能力因温度原因受到抑制，填料基质的物理化学作用对污染物的去除发挥了至关重要的作用，保证了冬季稻屯洼人工湿地的综合去污能力。

（3）提高进水水质稳定性，防止污染严重水进入湿地可有效保持湿地稳定运行。基质的选择应当考虑表面积大、孔隙率大、磷吸附能力强和多孔性的填料混合应用。适当增加湿地植物种类和植物丰度，对湿地做保温处理，可以有效提高潜流区温度，提高去污效果。

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（责编：王慧晴）