北方多级复合人工湿地对微污染河水的净化效率：以廊坊龙河湿地为例

高志永 汤双宇 宋洪涛 赵 奕 王 瑶 刘英华 张保君

(中持水务股份有限公司，北京 100192)

“十三五”期间，一批专项规划和重大治理工程的顺利实施有效提升了我国水环境质量，但主要江河监测水质断面中仍有200 多个断面(约占12%)为Ⅳ～Ⅴ类，污染程度呈轻度污染或微污染。微污染河水受污染程度较小，含有污染物浓度较低，尤其是可利用碳源少，通过传统处理方法难以取得理想的净化效果(左金龙等, 2012; 陈涛等, 2019;Kong et al, 2017)。

人工湿地上世纪六七十年代起源于欧洲(Vymazal et al, 2007)，作为一种生态型污水治理技术，广泛应用于污水处理厂尾水深度处理、微污染河水净化、微污染水源水质提升等领域(周曼舒等,2018; 李珂等, 2020; 莫晓云等, 2021)。根据水流方向，人工湿地可以分为表流人工湿地、水平潜流人工湿地及垂直流人工湿地，但在实际工程应用中，单一湿地往往不能达到预期效果。多级复合人工湿地将不同类型人工湿地有机串联或并联，以达到节约用地、提高净化效果、减少能源消耗等目的(杨婷等, 2016; 葛媛等, 2018)。本研究以河北廊坊龙河大型多级复合人工湿地为例，该湿地自2018 年建成，已稳定运行3 a。通过对全年不同季节湿地各个处理单元进出水水质的监测，研究了龙河湿地不同季节、不同基质配置、不同植物配置条件下对化学耗氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)的去除率，探讨温度、基质及植物对湿地去除污染物效率的影响，为多级复合人工湿地技术治理微污染河水提供参考。

1 材料与方法

1.1 人工湿地试验设计

多级复合人工湿地位于廊坊市安次区龙河下游段，东张务防洪闸至龙河出境断面处，采用“高效沉淀池(预处理)+多级复合人工湿地”工艺，其中多级复合人工湿地由两级水平潜流湿地与表流湿地串联而成。湿地建设水平潜流湿地面积约6万m2，表流湿地面积约2 万m2，处理规模3 万m3/d，设计进水浓度为悬浮物(SS)≤60 mg/L，五日生 化 需 氧 量(BOD5) ≤20 mg/L，CODCr≤60 mg/L，NH4+-N ≤6.0 mg/L，TP ≤1.5 mg/L，设计出水浓度为SS ≤20 mg/L，BOD5≤10 mg/L，CODCr≤40 mg/L，NH4+-N ≤2.0 mg/L，TP ≤0.4 mg/L。龙河湿地各单元布局如图1 所示，龙河原水经旁路提升系统引入高效沉淀池进行预处理，再经过两级串联水平潜流人工湿地净化后排入龙河河道表流湿地。潜流湿地单元处理规格为15 m×35 m，底部采用HDPE 土工膜防渗，湿地总进水采用多级管道配水系统，进入湿地后采用多孔管配水装置，出水区的末端填料层底部设置穿孔集水管，同时设置旋转弯头和水位调节器以调节湿地水位。

图1 龙河多级复合人工湿地各单元布局及采样点位示意图Fig.1 Layout and sampling points of each unit of Longhe multi-stage composite constructed wetland

为研究不同基质、植物的配置对潜流湿地净化效率的影响，本研究在两级潜流湿地中设计了不同的基质-植物搭配，其中一级潜流湿地基质为碎石(40 ～100 mm)，二级潜流湿地基质为碎石与沸石(16 ～32 mm)以1:4 比例均匀混合，基质厚度1.0 m，平均运行水深0.85 m。湿地植物选用本地水生植物中净化效果较好的芦苇(Phragmites australis)和香蒲(Typhae latifolia)，芦苇种植密度为25 丛/m2，香蒲种植密度为16 丛/m2。

1.2 采样设计

本研究共设置7 个采样点，分别为龙河闸前水(LH)、高效沉淀池出水(GX)、一级潜流湿地1 出水(YJ1，基质为碎石，植物为芦苇)、一级潜流湿地2出水(YJ2，基质为碎石，植物为香蒲)、二级潜流湿地1 出水(EJ1，基质为碎石+沸石，植物为香蒲)、二级潜流湿地2 出水(EJ2，基质为碎石+沸石，植物为芦苇)、表流湿地末端出水(BL)。2019年12月10日—2020 年11 月21 日，对各湿地处理单元出水共采样30 次(受到新冠疫情影响，2020 年2、3 月未采样)，水样采集后保存于4℃条件，24 h 内完成测试。

1.3 指标测试

本研究测定了各单元出水中pH 值、溶解氧(DO)、SS、CODCr、NH3-N、TP 等指标，各项指标的监测方法参照国家环境保护总局《水和废水检测分析方法》。pH 值与DO 采用雷磁DZS-706 多参数分析仪测量。SS采取过滤烘干法测量，烘干过程使用恒泰台式电热鼓风干燥箱DHG-9145A 测量。CODCr采用重铬酸钾法测量，加热消解过程使用科迪博COD 恒温加热器JR-9012；NH3+-N 采用纳氏试剂-紫外分光光度法测量，TP采用钼酸铵-紫外分光光度法测量，使用仪器为光谱722E 型可见分光光度计。温度(T)取当日气温最高值。

1.4 数据分析与统计方法

本研究采用单因素方差分析(One-way ANOVA)探究不同搭配潜流人工湿地单元以及不同季度之间的去除率差异；根据气温变化，将2019 年12 月、2020 年1 月数据作为冬季数据，2020 年4、5、10、11 月作为春秋数据，2020 年6、7、8、9 月数据作为夏季数据。将YJ1 与EJ1、YJ2 与EJ2 作为两个不同搭配的综合潜流湿地单元进行整体比较，采用Pearson 相关性分析研究潜流人工湿地污染物去除率与环境因子的相关性；最后使用Excel 2013、Origin 2021 软件对数据进行统计分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 湿地系统净化效率

龙河湿地主要污染物CODCr、NH3-N、TP 进出水浓度全年变化如图2 所示。CODCr、NH3-N、TP 在湿地最后1 个处理单元表流湿地末端出水均优于地表水环境质量Ⅲ类标准(GB3838-2002)，平均削减浓度分别为13.3 mg/L(图2a)、分别为0.395 mg/L(图2b)、0.086 mg/L(图2c)，平均去除率分别达到48.4%、75.5%、57.9%。

图2 龙河湿地对污染物去除率Fig.2 Pollutant removal effiency of Longhe constructed wetland

不同季度龙河湿地进出水中污染物浓度及其去除率存在较大差异。夏季人工湿地出水平均CODCr浓度为14.4 mg/L，显著高于冬季和春秋，而夏季CODCr平均去除率仅为45.9%，也显著低于冬季和春秋(P＜0.05)。夏季温度较高且CODCr浓度较高，微生物在高温下对CODCr的去除率下降。龙河湿地NH3-N 和TP 去除率均在春秋达到较高水平，平均去除率分别为77.2%和63.6%，显著高于冬季和夏季的去除率(P＜0.05)，但造成这一结果的原因却不相同。人工湿地进水NH3-N 浓度在春秋达0.569 mg/L，比冬季和夏季分别高出18.0%和15.2%，而不同季度人工湿地出水NH3-N 浓度之间差异较小，说明人工湿地对NH3-N 指标的控制效果较为稳定，当进水NH3-N 浓度较大时，去除率也可达到较高的水平。而在TP 方面，除了春秋TP 去除率最高外，人工湿地春秋进出水中TP 平均浓度也显著低于其他季度(P＜0.05)，一方面可能是因为春季植物生长对磷的吸收能力更强，另一方面也可能是因为春秋季的温度(20 ～30℃)更适宜聚磷菌的生长(刘有华等,2021)。

2.2 各功能单元去除污染物贡献

湿地各功能单元pH 值和DO平均值如图3 所示，采样点LH 全年平均pH 值为7.87，显著高于后续其他单元(P＜0.05)。EJ2 全年平均DO 浓度最高，为6.80 mg/L，可能是因为EJ2 前潜流湿地种植芦苇，芦苇根部泌氧能力强，使得水体中DO 浓度上升。各功能单元出水平均pH 值在不同季度无显著差异(P＞0.05)，但DO 浓度由于不同季节气温变化显著而呈现冬季低、春夏季高的趋势。

图3 龙河湿地各采样点pH 值和DO 平均值及差异性分析Fig.3 The mean value and difference analysis of pH and DO at each sampling point of Longhe constructed wetland

龙河湿地各功能单元对污染物去除均有不可忽视的贡献(图4)，其中YJ、EJ 分别取YJ1 与YJ2、EJ1 与EJ2 数据平均值。湿地中71.8%的CODCr通过高效沉淀池和一级潜流湿地进行去除，各单元对CODCr的去除贡献排序为：高效沉淀池＞一级潜流湿地＞二级潜流湿地＞表流湿地。两级潜流湿地共为NH3-N 的去除贡献了60.9%，平均有43.0%的NH3-N在一级潜流湿地中被去除，各单元对NH3-N 的去除贡献排序为：一级潜流湿地＞高效沉淀池＞二级潜流湿地＞表流湿地。TP 的去除也主要由高效沉淀池(29.6%)和一级潜流湿地(34.6%)贡献，各单元对TP 的去除贡献排序为：一级潜流湿地＞高效沉淀池＞二级潜流湿地＞表流湿地。

图4 湿地各功能单元不同季度对污染物的去除贡献Fig.4 Contribution of each functionalunit of the constructed wetland to pollutant removal in different seasons

不同季节中湿地各功能单元对CODCr的去除贡献比例变化较小，但在NH3-N 和TP 的去除上存在显著差异(P＜0.05)。冬季低温下，高效沉淀池对NH3-N的去除率和去除贡献显著降低，一级潜流湿地的去除贡献达到了66.8%。夏季，一级潜流湿地对NH3-N去除的贡献下降至25.8%，二级潜流湿地的贡献则达到全年最高的33.8%。这一结果说明，当一级潜流湿地对NH3-N 去除能力相对下降时，二级潜流湿地可以起到较好的补充净化作用，保障出水中NH3-N 的浓度达标。而冬季进水中TP 浓度显著高于其他季度，高效沉淀池对TP 的平均削减浓度达0.050 mg/L，显著高于春秋和夏季(P＜0.05)。

2.3 潜流湿地污染物去除季度差异

不同配置潜流湿地单元在不同季度对CODCr、NH3-N 和TP 的去除率如图5 所示。在相同基质配置的情况下，种植香蒲的YJ2 和EJ1 对CODCr的净化效率分别显著高于YJ1 和EJ2(P＜0.05)，说明香蒲比芦苇更有利于潜流湿地对微污染河水中CODCr的去除。YJ1 和EJ2 对CODCr的去除率在春秋季分别可达到22.2%和11.0%，显著高于夏季和冬季(P＜0.05)；YJ2 与EJ1 对CODCr的去除率则在冬季达到最高，但季度之间不存在显著差异(P＞0.05)。这一结果说明种植芦苇的潜流湿地受季节的影响大于种植香蒲的潜流湿地，可能是因为芦苇生长的季节性较香蒲更强，而香蒲对CODCr的去除率更稳定。

图5 潜流湿地单元不同季度对污染物的去除率Fig.5 Pollutant removal effiency of subsurface flow units with in different seasons

YJ1 和YJ2 对NH3-N 去 除 率 显 著 高 于EJ1 和EJ2(P＜0.05)，因为一级湿地进水中NH3-N浓度更高。但在一级湿地处理效果较差的月份，如2020 年5 月、7 月EJ1 对NH3-N 的去除率显著高于YJ1，2020 年6—8 月，EJ2 对NH3-N 的去除率也高于YJ2，说明基质“碎石+沸石”的配置比碎石更有利于NH3-N 的去除。另一方面，YJ1 与YJ2、EJ1 与EJ2 湿地植物配置不同，但对NH3-N 的去除率不存在显著差异(P＞0.05)，说明芦苇和香蒲对于NH3-N 的去除效果差异不大。

4 种不同配置的湿地单元对TP 的去除率排序为：YJ2 ＞YJ1 ＞EJ2 ＞EJ1。两个一级湿地对TP 去除显著高于两个二级湿地，主要是因为一级潜流湿地进水中TP 浓度显著高于二级潜流湿地的进水。而YJ1 与YJ2、EJ1 与EJ2 的去除率之间均不存在显著差异(P＞0.05)，说明芦苇和香蒲对于TP 的去除效果差异不大。

3 讨论

3.1 潜流湿地净化效率影响因子

人工湿地对污染物的去除受温度、季节影响较大。北方河流在冬季断流、冰封导致流量减小，人工湿地中微生物活性降低，堵塞、结冰等情况多发，单一人工湿地及多级复合人工湿地系统的净化效率都在冬季显著降低(熊家晴等, 2015;嵇斌等,2019;姚东等, 2022)。龙河湿地系统及湿地各个功能单元对CODCr、NH3-N 和TP 的去除率均在春秋季达到最高。一方面，随着温度的增加，湿地对有机物的去除呈现先上升后下降的趋势，因此在温度过高时，COD 去除率会呈现下降趋势。另一方面，秋季是湿地微生物量达到最高的季节(王锐萍等, 2006)，且秋季温度适宜，有利于微生物对污染物的去除(陈永华等,2012)。

以综合潜流湿地单元1(YJ1+EJ1) 和单元2(YJ2+EJ2)为分析对象，对湿地进水各指标及污染物去除率进行Pearson 相关性分析，两个综合湿地单元表现出相似的规律(图6)。潜流湿地中DO 与温度(T)呈显著正相关，温度越高，水中溶解氧的浓度就越高，有利于湿地中微生物的新陈代谢。同时潜流湿地中CODCr的总去除率与CODCr浓度显著负相关，TP 的总去除率与TP、SS 的浓度呈显著负相关关系，说明在一定范围内CODCr和TP 浓度越高，潜流湿地对这两种污染物的去除效率就越低。另外，相关性分析结果表明，NH3-N 的去除率与温度和DO 具有显著的负相关关系。一般来说，温度与DO 越高，越有利于潜流湿地中的微生物进行硝化-反硝化作用去除NH3-N。但另一方面，温度也与NH3-N 浓度显著正相关，说明在龙河湿地潜流单元中，污染物浓度是影响去除率更重要的驱动因子。

图6 综合潜流湿地单元各指标Pearson 相关性分析Fig.6 Pearson correlation analysis of in dexesin the comprehensive subsurface flow wetland unit

3.2 基质与植物对湿地净化效果的影响

与单一人工湿地相比，多级复合人工湿地的污染物去除率可提高30%～50%(葛媛等, 2018)，而潜-表湿地组合中的潜流湿地承担了主要的氮、磷以及有机物的去除贡献(王健等, 2010)，如山东淄河多级复合湿地研究中，潜流湿地对NH4+-N、TP 的去除贡献可达到90%和62.6%(丁永伟等, 2009)。潜流湿地中基质与植物配置直接影响到湿地对污染物的去除效率。基质在潜流湿地系统中占比较大，为植物生长与微生物附着提供载体，在吸附、截流污染物的同时为微生物及水生动物的活动提供空间。常见的湿地基质材料包括砾石、沸石、火山岩、石灰石等天然材料，也包括炉渣、钢渣、秸秆等工、农业副产物(王明铭等, 2021)。碎石作为一种天然惰性材料，表面活性较低，对氨氮吸附等污染物去除效果较差，但对微污染水体中的磷有较好的去除效果(陆海明等, 2018)。沸石则属于以微孔和中孔为主的多孔物质，在卢少勇等(2016)进行的29 种湿地填料对氨氮吸附性能比较研究中，沸石的氨氮吸附量和吸附速率都位居前列。另外，基质堵塞是人工湿地运行效率降低的重要因素之一，选择不同组合、不同粒径的填料可有效提高湿地的运行寿命(Vymazal et al, 2018)。我国潜流湿地常用的水生植物包括香蒲、芦苇、水葱(Scirpus validus)、美人蕉(Canna indica)等，多采用多种植物交叉栽种(关艳艳等, 2010)，种植植物的人工湿地对污染物的去除效率可比不种植的情况下提高20%～50%以上(Vymazal et al, 2014)。研究表明，不同植物根系的泌氧量及分泌物存在较大的差别，从而影响到湿地微生物群落结构和活性，造成对不同污染物去除的差异(孙磊等, 2020)。

4 结论

经过廊坊龙河多级复合人工湿地净化后，龙河微污染河水水质提升至稳定达标地表水环境质量Ⅲ类，湿地系统对CODCr、NH3-N、TP 的平均去除率分别达到48.4%、75.5%、57.9%。在潜流-表流复合湿地中，潜流湿地是去除氮、磷等污染物的主要功能单元，且其对污染物的去除率主要受到污染物浓度的驱动。龙河湿地对污染物的去除率受季节变化的显著影响，湿地净化效率在冬季最低，在春秋季达到最高。