黄河兰州段湿地景观水体净化处理及循环再生利用研究

曹峻博

(兰州文理学院美术与设计学院，甘肃 兰州 730010)

水为生命之源，社会发展与水资源密切相关。黄河兰州段附近由于经济发展，导致黄河水域污染严重，该问题成为了附近城市经济发展的阻力[1-3]。黄河兰州段湿地景观优美、水体干净，提升了城市的环境品质，并且提升环境湿度、降低浮沉[4]，同时提升人们的居住的舒适感，黄河水体与人们的生活质量息息相关。但是由于水体蒸发与下渗等原因，导致黄河湿地景观水位不断下降，因此，需要补充水体，确保湿地景观的水体景观效果[5]，但是水资源日益匮乏，补充湿地景观水体的可行性较低，为解决该问题，需要通过净化处理黄河水体[6]，实现水体循环再生利用，解决水体补充问题。

相关研科研人员利用草酸钙和硫酸的反应原理，净化处理水体，研究表明反应温度与两者配比均会影响水体净化处理效果，通过设计合理的反应温度与配比，有效净化处理水体，降低废水净化处理成本[7]；但是该方法仅能短期抑制水体内的污染物，无法彻底分解污染物，水体净化处理的长期效果差；还有科研人员通过在湿地内添加生物碳基，净化处理水体，研究表明生物碳基可加快植物生长速度，有效吸附水体内的污染物，提升水体净化效果[8]，但是该方法需要定期投加生物碳基，水体净化成本高，并且水体内磷的净化处理效果差。

湿地景观净化法通过植物与填料共同作用吸附水体内的污染物，具备较优的水体净化处理效果，运行成本低，维护管理便利[9-11]，水力负荷适应能力强。针对上述问题，研究黄河湿地景观水体净化处理及循环再生利用方法，通过布设湿地景观，净化处理水体，利用一系列装置分解废水污染物，实现水体循环再生利用。以期通过设计的方法解决水资源缺乏的问题。

1 研究区概况

以黄河流域兰州段湿地景观为研究对象，兰州市为西北第二大城市，黄河贯穿整个城市，流向是从西至东，黄河兰州段总长是359 km，流经市区的水域长度是43 km，流经区域主要包含峡谷与平地，该流域为兰州城市的居民提供大量的水源。但是城市经济发展导致环境污染问题愈发严重，严重影响兰州市居民生活用水安全。黄河段附近包含不同类型的企业，较多的工业废水与生活污水排入黄河，成为兰州段水域主要污染源，水质污染源主要包含氨氮与石油类等。黄河河水进入市区后，沿河区域的企业及住户不断增加，导致污染源随之增加，造成沿流程污染情况越来越重[12-14]。非雨季时，黄河兰州段河水水位下降，但是此时污染源依旧较多，导致枯水期污染最为严重。研究区域如图1所示。

图1 兰州段黄河流域Fig.1 Lanzhou section of the Yellow River basin

1.1 黄河湿地景观布设

通过布设黄河兰州段湿地景观，完成水体净化处理。布设湿地景观面积为760 m2，湿地景观种植的植物为旱伞草、鸢尾、美人蕉、千屈菜、水柳。初始种植密度大致为25株/m2，按照植物根苗状态实施种植，缓苗时间与生长期平均维持在40 d左右。

黄河兰州段湿地景观主要依据植物吸收并去除河流内的污染物[15]。其中，湿地景观内填料在污染物去除方面起到较大的作用[16]。黄河湿地景观填料主要为炉渣、砖块与砾石，填料的来源与物理参数见表1。

表1 填料来源与物理参数Tab.1 Packing sources and physical parameters

从表1可以看出，炉渣与砖块的水力传导系数、真密度、堆积密度与孔隙率均差距小，并且水力传导系数更加合适，填料的水力传导系数大，不会导致流域堵塞和增加处理效果难度，水力传导系数较小[17-18]，会导致流域堵塞，降低湿地的过水性能。孔隙率最大的填料是砾石，孔隙率越大，填料的吸附性能越好，吸附面积越大。综合分析各填料的物理性能可知，黄河湿地景观填料比例为炉渣∶砖块∶砾石为6.5∶2.5∶1，3种填料混合均匀后，添入黄河湿地床体，床体表层土为普通黄土，在内部添加少许有机土。

1.2 样品采样与分析方法

表2 各指标的检测方法Tab.2 Detection methods of each indicator

1.3 水体循环再生利用

水资源短缺为影响黄河兰州段区域发展的主要原因之一。因此，研究黄河水资源循环再生利用模式，有效解决黄河兰州段湿地退化严重问题具有重要意义。以循环再生利用水资源的方式，恢复黄河兰州段湿地，黄河兰州段湿地水资源循环再生利用模式如图2所示。

图2 黄河兰州段湿地水资源循环再生利用模式Fig.2 Recycling and utilization mode of wetland water resources in Lanzhou section of the Yellow River

黄河兰州段水产养殖与农作物种植基本由黄河提供水源，但是兰州段附近的工业废水与生活污水等均排入黄河，导致黄河水被严重污染，从而严重影响水产养殖和农作物种植。为了解决上述问题，通过设计湿地水资源循环再生利用模式，并且利用厌氧池、缺氧池、微电解与固化微生物[19-20]等一系列装置分解工业废水与生活污水等水体内的污染物，将分解后的无污染水资源排入黄河兰州段湿地，经由黄河兰州段湿地为水产与农业等提供水资源，实现黄河兰州段湿地景观水体循环再生利用。

2 试验分析

利用重铬酸钾法分析黄河湿地景观水体内CODCr的净化处理效果，分析结果如图3所示。

图3 不同级别湿地景观水体内CODCr的净化处理效果Fig.3 Purification effect of CODCr in different grades of wetland landscape water

分析图3可知，3个月份各级别湿地景观的入口与出口处CODCr去除率的差距均小，随着黄河兰州段湿地景观级别的提升，3个月份CODCr去除率均呈下降趋势，这是因为经过前端湿地的净化，CODCr的浓度明显下降，黄河兰州段湿地景观对浓度较少CODCr的净化效果有限；3个月份中8月各采样点的CODCr去除率最高，12月份各采样点的CODCr去除率最低，原因是8月份为夏季，此时黄河兰州段湿地景观中植物生长最为茂盛，植物根系附近聚集的微生物量不断增加，产生微生物膜，在水体净化处理中具有主导作用，并结合填料的作用，提升CODCr的吸收降解效果；12月份属于冬季，大部分植物枯萎，仅依靠填料实现CODCr的吸收与降解，导致CODCr的去除率大大降低。实验证明：布设黄河兰州段湿地景观，有效净化处理水体内的CODCr，且夏季CODCr的去除率明显高于冬季。

分析不同水力负荷时，黄河兰州段湿地景观水体内CODCr的净化处理效果，分析结果如图4所示。

图4 水力负荷对CODCr净化处理效果的影响Fig.4 Influence of hydraulic load on CODCr purification effect

由图4可知，一级与二级黄河兰州段湿地景观各入口与出口采样点CODCr的浓度仅有微小差距，且在不同水力负荷时，各采样点CODCr的浓度波动幅度小，一级黄河湿地景观采样点CODCr的浓度维持在35～50 mg/L，二级黄河湿地景观采样点CODCr的浓度维持在15～25 mg/L，根据该分析结果，表明水力负荷对CODCr的净化处理效果影响较小。

利用氯化亚锡还原光度法分析黄河湿地景观水体内TP的净化处理效果，分析结果如图5所示。

图5 湿地景观水体内TP的净化处理效果Fig.5 Purification effect of TP in different grades of wetland landscape water

根据图5可知，随着黄河湿地景观等级的提升，TP去除率不断下降，这是因为湿地景观等级越高，水体中悬浮物颗粒体积越小，其沉降速度越慢，利用植物根系或填料吸收降解TP需要的时间较长，影响TP的净化处理效果，导致去除率低；各采样点的入口处TP去除率均高于出口处TP去除率；实验证明：布设黄河兰州段湿地景观，有效净化处理水体内的TP。

分析不同水力负荷时，黄河兰州段湿地景观水体内TP的净化处理效果，分析结果如图6所示，以8月份的采样点D11、D12为例。

图6 水力负荷对TP净化处理效果的影响Fig.6 Influence of hydraulic load on TP purification effect

根据图6可知，不同水力负荷时，2个采样点的TP浓度波动幅度较小，并且TP浓度未出现显著的下降趋势，湿地景观入口采样点处TP浓度均高于出口采样点，该变化趋势与水力负荷的变化趋势基本一致。实验证明：水力负荷对TP的净化处理效果影响较小。

图7 不同级别湿地景观水体内净化处理效果Fig.7 Purification effects of in different levels of wetland landscape water

图8 水力负荷对净化处理效果的影响Fig.8 Influence of hydraulic load on purification effect

利用钼酸铵分光光度法分析分析黄河湿地景观水体内NH3-N的净化处理效果，分析结果如图9所示。

图9 不同级别湿地景观水体内NH3-N的净化处理效果Fig.9 Purification effect of NH3-N in different grades of wetland landscape water

根据图9可知，一级与二级湿地入口采样点NH3-N去除率均低于出口采样点，但两者去除率差距小，三级与四级湿地入口采样点NH3-N去除率与出口采样点基本一致。实验证明：布设黄河兰州段湿地景观，有效净化处理水体内的NH3-N，提高了NH3-N的去除率。

分析不同水力负荷时，黄河兰州段湿地景观水体内NH3-N的净化处理效果，分析结果如图10所示，以12月份的采样点、为例。

根据图10可知，水力负荷低于1.0 m3/(m2·d)时，湿地入口采样点与出口采样点NH3-N的浓度均较高，净化处理NH3-N的效果较差；在水力负荷达到1.0 m3/(m2·d)时，湿地入口采样点与出口采样点的NH3-N浓度迅速下降，这是因为在湿地内种植的植物泌氧效果差，进水引进湿地的DO为NH3-N硝化的关键电力受体，并且水力负荷与DO的引进量呈正比，DO越多硝化反应越顺利，进而NH3-N的净化处理效果越佳。实验证明：在水力负荷超过1.0 m3/(m2·d)(包含1.0 m3/(m2·d))时，NH3-N的净化处理效果越佳。

图10 水力负荷对NH3-N净化处理效果的影响Fig.10 Influence of hydraulic load on NH3-N purification effect

3 结论

黄河兰州段两岸经济在快速发展的过程中，黄河水受到严重污染，加剧了水资源缺乏程度，因此，研究黄河兰州段湿地景观水体净化处理及循环再生利用，通过布局黄河兰州段湿地景观内的植物和填料，净化处理流域内水体，解决水体内化学需氧量与硝态氮等指标超标的问题，设计循环再生利用模式，合理分解污水内的有机物，循环利用黄河水体，提高黄河兰州段水体的利用率。