巢湖污染问题由来已久.调查显示巢湖外源污染占98 %, 且绝大部分的外源污染来自入湖河流^[1].南淝河是巢湖入湖河流中污染量最大的河流, 水质状况为劣Ⅴ类, 属重度污染, 因此削减南淝河入湖污染物是改善巢湖水质的必要措施^[2].由于人工湿地技术具有运行费用低、维护管理简单和对周边环境影响小等优点^[3-5], 因此被广泛用于处理受污染的水体^[6-8].采用人工湿地技术净化污染河水的研究也已经成为国内外研究的热点^[9-10].如Jing等^[11]采用人工湿地净化污染河水时, 发现氨氮的去除效果受季节影响显著; Zheng等^[12]的研究发现, 在低水力负荷条件下, 水平潜流湿地对重污染河水的去除效果更好, 且秋季是污染物去除的最佳季节; 潘继征等^[13]的研究还发现垂直流湿地单元对污染物的去除效果明显高于水平流湿地单元.近年来对人工湿地的研究更趋向于复合人工湿地工艺^[14-17], 通过不同类型湿地的组合弥补单一湿地类型的局限, 提高湿地系统的去除效果及其稳定性.研究表明^[18-19], 复合人工湿地对污染河水的去除有更好的效果.此外, 人工湿地的净化效果也会因其所建地的不同而表现出差异^[20-22].因此, 针对污染河水水质状况易波动和沿岸地理环境相对复杂等特点, 采用复合人工湿地能更有效地达到净化污染河水水质的目的.

综上所述, 为了有效的削减南淝河入湖污染物, 于2013年建成“南淝河旁路多级人工湿地水质净化示范工程”.旁路多级人工湿地(multi-stage bypass constructed wetland)是复合人工湿地的一种新形式, 指在河道堤岸带现有洼地、沟渠或池塘等天然地形的基础上构建的具有多级净化单元的人工湿地生态系统.本文以南淝河旁路多级人工湿地为研究对象, 通过现场实验对人工湿地各净化单元的污染物去除效果进行分析, 并着重探讨季节变化对去除效果的影响, 以期为人工湿地工艺进一步优化提供参考.

1 材料与方法 1.1 工程背景

南淝河(31°42′55″~31°43′19″N, 117°23′21″~117°23′38″E)旁路多级人工湿地位于南淝河西侧的合肥市滨湖湿地森林公园东南, 该工程利用森林公园中已有的沟渠、池塘系统构建多级人工湿地生态系统.

于2014年3月至2015年2月, 对人工湿地的水温和气温进行观测(图 1).人工湿地平均气温为23.1℃, 最低气温为6.0℃, 最高气温为29.0℃; 平均水温为23.1℃, 最低水温为6.7℃, 最高水温为28.6℃.

旁路多级人工湿地主要包括预处理系统(沉砂池+混凝沉淀池+氧化塘)、垂直潜流湿地系统、水平潜流湿地系统3个部分(图 2).本研究将沉砂池、混凝沉淀池和氧化塘合并作为预处理系统, 设计处理水量为20000 m³/d.预处理系统占地面积3800 m², 其中沉砂池占地面积1200 m², 混凝沉淀池占地面积200 m², 氧化塘占地面积2400 m².垂直潜流湿地系统和水平潜流湿地系统设计处理水量为600~1200 m³/d, 占地面积1750 m².其中, 垂直潜流湿地系统占地面积600 m², 水平潜流湿地系统占地面积1150 m².

垂直潜流湿地系统和水平潜流湿地系统均采用孔隙率为37 %、粒径为20~40 mm的钙质公分石填料.由于钙质公分石填料具有价格便宜、来源广泛、能维持中性环境及为反硝化反应提供碳源等优点, 因此在人工湿地系统中被广泛应用^[23-24].

1.2 系统设计与工艺流程 1.2.1 预处理系统

预处理系统包括沉砂池、混凝沉淀池和氧化塘3个单元, 理论水力停留时间分别为2.30、1.20和7.24 h.

1.2.2 垂直潜流湿地系统

垂直潜流湿地系统分为2个单元, 尺寸为20 m×15 m×1.2 m, 水力负荷为1.00~2.00 m³/(m²·d), 理论水力停留时间为10.26h.垂直潜流湿地种植芦苇(Phragmites communis Trin)、菖蒲(Acorus calamas)和西伯利亚鸢尾(Iris sibirica).

1.2.3 水平潜流湿地系统

水平潜流湿地系统分为2个单元, 尺寸为25 m×23 m×1.2 m, 水力负荷为0.52~1.04 m³/(m²·d), 理论水力停留时间为11.10 h.水平潜流湿地种植芦苇、香蒲(Typha orientalis)和西伯利亚鸢尾.

1.3 运行管理方式

旁路多级人工湿地于2013年4月建成, 运行及监测管理时间自2014年3月至2015年2月, 为期1年.运行期间逐月取样, 其中春季为2014年3-5月, 夏季为2014年6-8月, 秋季为2014年9-11月, 冬季为2014年12月至2015年2月.采样点设置:1-南淝河进水, 2-预处理系统出水, 3-垂直潜流湿地出水, 4-水平潜流湿地出水(图 2).

1.4 水质分析方法

主要监测指标包括高锰酸盐指数(COD_Mn)、总氮(TN)、铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)、亚硝态氮(NO₂^--N)、总磷(TP)和溶解氧(DO)浓度等, 指标参照《水和废水监测分析方法》^[25]进行监测.

1.5 统计方法

本文采用Excel 2013软件对数据进行平均值和标准偏差的计算; 采用SPSS 20.0软件中的LSD法进行不同参数之间的方差分析.

1.6 进水水质

旁路多级人工湿地进水水质如表 1所示.进出水的水质分析数据采用平均值±标准偏差等进行统计.

2 结果与讨论 2.1 旁路多级人工湿地对COD_Mn的削减效果

旁路多级人工湿地对COD_Mn具有良好的去除效果, 春季、夏季、秋季和冬季平均去除率分别达到67.2 %、70.9 %、68.4 %和25.9 %, COD_Mn平均出水浓度分别为7.30±2.07、7.61±2.23、5.83±1.03和7.22± 0.23 mg/L(图 3).从COD_Mn平均去除率来看, 不同季节之间存在一定差异, 其中冬季与其他季节之间差异极显著(P < 0.01), 春季与夏季之间差异显著(P < 0.05), 而秋季与春、夏季之间没有显著差异(P>0.05).从总体趋势来看, 不同季节对COD_Mn的去除能力表现为夏季>秋季>春季>冬季, 冬季去除率下降尤为明显, 这是因为冬季温度较低(图 1), 影响湿地微生物的活性, 加上植物枯萎被收割等原因导致处理效果下降, 这与聂志丹等^[26]的研究结果一致.

旁路多级人工湿地各净化单元对COD_Mn的去除率差异显著(P < 0.05)，且去除主要发生在预处理单元.春、夏、秋和冬季预处理单元对COD_Mn削减的净化率分别为55.5 %、65.1 %、64.6 %和11.5 %, 而垂直潜流湿地单元和水平潜流湿地单元的贡献率则不足10 %, 说明大部分有机物是通过预处理单元的沉淀作用而去除, 这也反映出预处理单元存在以沉淀为主的净化机制, 从预处理系统各单元的理论水力停留时间同样说明这一点, 这与潘继征等^[13]的研究结果相似.从周年运行情况来看, 系统COD_Mn平均出水浓度低于7 mg/L, 优于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅳ类水标准(10 mg/L).

2.2 旁路多级人工湿地对氮的削减效果 2.2.1 旁路多级人工湿地对TN的削减效果

人工湿地对TN的去除主要通过硝化作用、反硝化作用、植物摄取和介质吸附等方面^[27-28], 其中, 反硝化作用才最终将氮从污水中去除^[29].

旁路多级人工湿地对TN的去除效果较好(图 4), 春、夏、秋和冬季TN平均去除率分别达到30.1 %、27.0 %、43.7 %和15.9 %, TN平均出水浓度分别为6.33±1.12、5.52±2.27、6.01±0.59和12.81±1.78 mg/L.从TN平均去除率来看, 秋季与冬季差异显著(P < 0.05), 而春、夏季与冬季没有显著差异(P>0.05).处理系统在冬季对TN的去除率比其他3个季节低10 % ~20 % (图 4).有研究表明^{[17, 30]}, 温度变化会直接影响氨化、硝化和反硝化微生物的活性, 从而影响TN的去除, 春季、夏季和秋季处理系统平均水温在20℃以上, 冬季平均水温低于10℃(图 1), 显然, 温度的变化直接影响系统对TN的去除率, 这与钟成华等^[31]的研究结果相似.

旁路多级人工湿地各净化单元对TN的去除率不高且差异显著(P < 0.05)(图 4).通过分析处理系统中的碳氮比(C/N)发现, 碳源不足(图 5)是造成TN去除率不高的主要原因之一, 虽然在运行期间已对水平潜流湿地进行人工补充碳源(秸秆)和在秋、冬季植物凋落后补充一定的碳源, 有研究表明^[32], 增加碳源能有效提高湿地对TN的去除效果; 通过对处理系统中的DO浓度分析发现, 系统内DO浓度过高(图 6), 难以形成反硝化进行的缺氧或厌氧状态, 氧的存在抑制反硝化作用^[28], 这是造成TN去除率不高的另一原因; 此外, 由前文可知, 本处理系统理论水力停留时间均过短, 导致生化反应不够充分, 这也是造成TN去除率不高的原因之一, 周志强等^[17]的研究发现, 合理增加水力停留时间可提高TN的去除效果. TN主要在垂直潜流湿地单元中去除, 春季、夏季、秋季和冬季对TN削减的净化率分别为17.7 %、15.7 %、23.2 %和6.9 % (图 4).

2.2.2 旁路多级人工湿地对NH₄⁺-N的削减效果

人工湿地对NH₄⁺-N的去除由氨化作用和硝化作用共同决定, 其影响因素较为复杂, 这是人工湿地研究的热点^[33-35].

旁路多级人工湿地对NH₄⁺-N的去除效果稍好于TN(图 7), 春季、夏季、秋季和冬季对NH₄⁺-N的平均去除率分别达到36.0 %、36.9 %、43.7 %和31.6 %; 平均出水NH₄⁺-N浓度分别为3.31±0.42、3.53±2.17、3.84±2.57和3.07±0.27 mg/L. NH₄⁺-N与TN去除率变化规律相似, 夏季最高、冬季最低，秋季与冬季差异显著(P < 0.05).

旁路多级人工湿地各净化单元对NH₄⁺-N的去除率差异显著(P < 0.05), 但预处理单元与水平潜流湿地单元差异不显著(P>0.05).夏、秋季NH₄⁺-N的去除率稍高于春、冬季, 通过分析处理系统中水温发现, 温度是限制春、冬季NH₄⁺-N去除率不高的原因之一(图 7), 有研究表明^[36], 温度与NH₄⁺-N去除率呈显著正相关. NH₄⁺-N的去除主要在垂直潜流湿地单元, 该单元春季、夏季、秋季和冬季对NH₄⁺-N削减的净化率分别为20.7 %、27.1 %、25.3 %和17.0 %.从周年运行情况来看, 系统NH₄⁺-N出水平均浓度在4 mg/L以下, 优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A类标准(5 mg/L).

2.3 旁路多级人工湿地对TP的削减效果

人工湿地对TP的去除主要通过吸附和沉淀、微生物吸收和过量积累及植物吸收等几方面共同作用^[37-39], 其中介质之间的非生物作用^[40]是主要作用.

旁路多级人工湿地对TP具有较好的去除效果(图 8), 春季、夏季、秋季和冬季对TP的平均去除率分别达到45.6 %、76.6 %、65.8 %和36.6 %, 平均出水TP浓度分别为0.29±0.01、0.11±0.01、0.13±0.01和0.36±0.10 mg/L.对TP平均去除率而言, 不同季节差异显著(P < 0.05), 说明TP的去除受季节性变化影响较大, 这与周志强等^[17]对皂河的研究结果相矛盾.

旁路多级人工湿地各净化单元对TP的去除率较高且差异显著(P < 0.05), 但预处理单元与水平潜流湿地单元没有显著差异(P>0.05). TP去除率相对较高可能与所选用的基质(钙质公分石)有关, 有研究表明^[41], 选择合适的基质能有效提高TP的去除率. TP去除主要在垂直潜流湿地单元, 该单元春季、夏季、秋季和冬季对TP削减的净化率分别为28.7 %、51.1 %、28.9 %和12.8 % (图 8).从周年运行情况来看, 系统TP平均出水浓度小于0.3 mg/L, 优于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的Ⅳ类水标准(0.3 mg/L).

2.4 工艺优化建议

通过对南淝河旁路多级人工湿地周年运行数据分析得知, 该人工湿地对COD_Mn和TP的去除效果较好, 而脱氮(TN和NH₄⁺-N)效果较差.对于脱氮效果不明显, 分析得出的原因主要是碳源不足和水力停留时间过短.对污染河水而言, 针对碳源不足和水力停留时间过短现象, 已有研究表明^{[17, 32, 42]}, 合理增加碳源和水力停留时间能有效提高脱氮效果.因此, 本工艺进一步优化可从碳源和水力停留时间两个角度着手, 建议通过进一步增加碳源和水力停留时间来优化该处理工艺, 以达到有效提高脱氮效果的目的.

3 结论

1) 在进水水量为600~1200m³/d的条件下, 旁路多级人工湿地表现出了较强的缓冲调节能力和较高的去除效果, 出水稳定.旁路多级人工湿地对COD_Mn、TN、NH₄⁺-N和TP等污染物的去除率分别为70.9 %、43.7 %、43.5 %和76.6 %. COD_Mn和TP平均出水浓度均优于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的Ⅳ类水标准; NH₄⁺-N平均出水浓度优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A类标准.

2) 旁路多级人工湿地各净化单元对污染物的去除效果差异显著, COD_Mn的去除主要在预处理单元, 其对COD_Mn削减的净化率为65.1 %; TN、NH₄⁺-N和TP的去除主要发生在垂直潜流湿地单元, 其对TN、NH₄⁺-N和TP削减的净化率分别为23.2 %、27.1 %和51.1 %.

3) 不同季节, 旁路多级人工湿地对污染物的去除效果差异显著.其中, 对COD_Mn和TP的去除率均表现为夏季>秋季>春季>冬季, 对TN的去除率表现为秋季>春季>夏季>冬季, 对NH₄⁺-N的去除率表现为秋季>夏季>春季>冬季.