張 欣

(山西省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，煤炭等自然資源被大量開采，由此產(chǎn)生的廢水對生態(tài)環(huán)境造成了較大破壞。人工濕地具有擬自然、低耗能、低投資、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點，近年來，通過人工措施模擬濕地系統(tǒng)凈化污水的技術(shù)在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用，并取得了較好的凈化效果。已有學(xué)者在室內(nèi)模擬人工濕地，研究表明其對煤礦廢水中總氮、總磷、硫化物、CODCr等污染物有一定的去除作用。筆者在山西省左云縣十里河小京莊鄉(xiāng)段被煤礦廢水污染的河道內(nèi)建設(shè)人工濕地，測定其不同季節(jié)對煤礦廢水的凈化效果，以期為人工濕地在治理煤礦廢水中的推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 試驗地概況

試驗地位于山西省左云縣十里河小京莊鄉(xiāng)段被煤礦廢水污染的河道內(nèi)，地理坐標(biāo)112°39′49″～112°40′09″，39°46′39″～39°47′08″.地貌特征以黃土丘陵區(qū)為主，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季較熱多雨，秋季潮濕溫?zé)?，冬季寒冷少雪。年平均氣?.1 ℃，極端低溫為-29.5 ℃，極端高溫為34.5 ℃，年平均降雨量399 mm，年平均日照時數(shù)2 763.8 h，無霜期125 d.

2 人工濕地現(xiàn)場構(gòu)建

2017年，在試驗地進(jìn)行人工濕地現(xiàn)場建設(shè)。人工濕地現(xiàn)場包括前置處理區(qū)和核心處理區(qū)2個部分，見圖1.

圖1 人工濕地現(xiàn)場總體布局圖

2.1 前置處理區(qū)

2.1.1 喬木處理區(qū)

喬木處理區(qū)長300 m，寬24 m，面積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。整地方式采用穴狀整地，整地規(guī)格0.8 m×0.8 m×0.6 m.

2.1.2 柵格處理區(qū)

柵格處理區(qū)利用當(dāng)?shù)氐匦?，分為南、北兩部分，每部分長200 m，寬15 m，面積3 000 m2.北部撒播早熟禾、委陵菜、紅蓼等草籽，播種量為75 kg/hm2；南部鋪種草皮，挖取3 cm～5 cm厚的帶土草皮，按株行距20 cm×40 cm進(jìn)行栽植。

2.1.3 灌木處理區(qū)

灌木處理區(qū)長200 m，寬30 m，面積6 000 m2.栽植竹柳和沙棘各1 000株，均為2年生～3年生帶土球苗木，塊狀混交栽植，株行距為1.5 m×1.5 m，品字形排列，整地方式采用穴狀整地，整地規(guī)格為0.5 m×0.5 m×0.3 m.

2.1.4 靶向性植物處理區(qū)

靶向性植物處理區(qū)長100 m，寬20 m，面積2 000 m2.在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，按草帶形式種植靶向性植物，帶間距20 cm～30 cm，由東向西依次種植香蒲、蘆葦、紅蓼、委陵菜、水蔥、水麥冬、莎草，每種植物約200 m2～300 m2，栽植方式為帶土球穴植。

2.2 核心處理區(qū)

根據(jù)從加拿大引進(jìn)的人工濕地處理技術(shù)，結(jié)合室內(nèi)試驗成果，建造核心處理區(qū)，面積156 m2.其中，包括1個12 m×3 m的集水氧化池和5個2.5 m×10 m的人工濕地單元，集水氧化池和人工濕地單元之間以管道連接，濕地單元之間的取水口用PVC板控制開關(guān)。5個人工濕地單元從南向北依次排列，比降為0.3%，使水可以依靠自身重力流動；人工濕地單元間的出水口交錯排列，使水流呈S型流動。人工濕地單元深60 cm，挖除底泥，夯實底土，鋪1層土工布作為防滲層，上鋪10 cm礫石，之后填充基質(zhì)20 cm(濕地土壤：河沙=1∶1)，最后再在表層鋪10 cm礫石。5個人工濕地單元從南向北依次種植紅蓼、水蔥、蘆葦、委陵菜、水麥冬，穴狀栽植，株行距為20 cm×20 cm，見圖2.

圖2 核心處理區(qū)設(shè)計圖

3 試驗方法

通過修建臨時擋壩將煤礦廢水引入人工濕地現(xiàn)場，煤礦廢水根據(jù)地勢變化依靠自身重力先后流經(jīng)喬木處理區(qū)(M1)、柵格處理區(qū)(M2)、灌木處理區(qū)(M3)、靶向性植物處理區(qū)(M4)和核心處理區(qū)(M5)。筆者分別于2018年2月(冬季)、5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)中旬測定各處理區(qū)對煤礦廢水的凈化效果。

3.1 前置處理區(qū)對煤礦廢水的凈化效果

在喬木處理區(qū)(M1)、柵格處理區(qū)(M2)、灌木處理區(qū)(M3)和靶向性植物處理區(qū)(M4)的出水口各設(shè)1個簡易測流堰，于同一天同一時段，在煤礦廢水自然流經(jīng)測流堰時取樣測定各處理區(qū)出水口的主要污染物含量，并計算去除率，每個處理3次重復(fù)。

3.2 核心處理區(qū)對煤礦廢水的凈化效果

當(dāng)煤礦廢水流入核心處理區(qū)時，先將其儲存在12 m×3 m的集水氧化池中，之后打開人工濕地單元1的進(jìn)水口，關(guān)閉出水口，使煤礦廢水在人工濕地單元1中停留48 h.之后再打開人工濕地單元2的進(jìn)水口，依次類推，通過PVC板控制煤礦廢水在每個人工濕地單元中的水力停留時間均為48 h.測定每個出水口煤礦廢水的主要污染物含量，并計算去除率，設(shè)3次重復(fù)。

3.3 主要污染物的測定與去除率的計算方法

總磷(TP)的測定采用鉬酸銨分光光度法，總氮(TN)的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，硫化物的測定采用硫代硫酸鈉滴定法，汞(Hg)的測定采用原子熒光法，CODCr的測定采用重鉻酸鹽法(GB/T11914-1989)。

去除率(%)=(1-水樣中污染物濃度/試驗前廢水中污染物濃度)×100%.

主要污染物濃度及去除率取3個重復(fù)的平均值，用EXCEL 2003進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的整理及分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 前置處理區(qū)對煤礦廢水的凈化效果

2018年，不同季節(jié)前置處理區(qū)對煤礦廢水的凈化效果見圖3.

由圖3可以看出，前置處理區(qū)對煤礦廢水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr均有一定凈化效果。其中，TN，TP，硫化物含量的變化趨勢相似，在喬木處理區(qū)下降速度較快，除了土壤基質(zhì)和喬木根系的作用外，可能與廢水排放初期N，P，S的揮發(fā)和吸附沉降作用較強(qiáng)有關(guān)；格柵處理區(qū)和灌木處理區(qū)，TN，TP，硫化物含量的下降速度減慢，可能是由于元素的揮發(fā)和基質(zhì)的吸附沉降達(dá)到飽和，而在較短的時間內(nèi)植物對廢水的凈化作用有限；到靶向性植物處理區(qū)時，TN，TP，硫化物含量的下降速度又有所增大，這可能是由于靶向性植物對N，P，S的吸收效果較之前的植物好。Hg和CODCr含量的變化趨勢相似，在4個處理區(qū)基本呈勻速下降的趨勢，這是由于重金屬離子Hg的去除主要是通過土壤基質(zhì)的吸附絡(luò)合和植物根系的吸收，而CODCr的去除主要依靠物理格柵、過濾、澄清和土壤基質(zhì)中微生物的代謝作用，因此隨廢水流經(jīng)不同的處理區(qū)凈化效果和速度保持基本穩(wěn)定。經(jīng)前置處理區(qū)后，2018年2月、5月、8月和11月煤礦廢水的TN含量分別降至11.75 mg/L，9.32 mg/L，8.47 mg/L，11.16 mg/L；TP含量分別降至1.24 mg/L，0.98 mg/L，0.92 mg/L，1.15 mg/L；硫化物含量分別降至0.182 mg/L，0.159 mg/L，0.156 mg/L，0.175 mg/L；Hg含量分別降至0.000 35 mg/L，0.000 30 mg/L，0.000 31 mg/L，0.000 33 mg/L；CODCr含量分別降至204 mg/L，165 mg/L，173 mg/L，191 mg/L.前置處理區(qū)對煤礦廢水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr的凈化效果有限，除硫化物達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)外，其它均未達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。不同季節(jié)前置處理區(qū)對煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率見第12頁表1.

圖3 不同季節(jié)前置處理區(qū)對煤礦廢水的凈化效果

表1 不同季節(jié)前置處理區(qū)對煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率 %

由表1可以看出，前置處理區(qū)對煤礦廢水主要污染指標(biāo)的去除率較低，TN為41.25%～57.65%，TP為40.10%～55.56%，硫化物為21.21%～32.47%，Hg為30.00%～40.00%，CODCr為43.80%～54.55%.這可能是由于廢水依靠重力自然流經(jīng)前4個處理區(qū)，沒有采取專門的措施增加水力停留時間，所以凈化效果相對較差。比較不同季節(jié)(月份)前置處理區(qū)對煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率，從小到大依次為冬季(2月)<秋季(11月)<春季(5月)<夏季(8月)。這可能是由于8月份植物的地下部分生長量最大，且溫暖的天氣對元素?fù)]發(fā)和微生物活動有利，所以對煤礦廢水的凈化效果較好；5月份次之，11月和2月天氣較冷，植物生長和微生物活動受到抑制，對煤礦廢水的凈化效果較差。

4.2 核心處理區(qū)對煤礦廢水的凈化效果

2018年，不同季節(jié)核心處理區(qū)對煤礦廢水的凈化效果見圖4.

由圖4可以看出，核心處理區(qū)對煤礦廢水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr均有較好的凈化效果。5種污染物含量的變化趨勢相似，在前3個濕地單元下降明顯，可能是由于不同植物根系對污染元素的吸收和根系周圍微生物的活動作用；濕地單元4和濕地單元5污染物含量的變化趨于平緩，這可能是由于基質(zhì)、植物及微生物的作用達(dá)到飽和導(dǎo)致的。經(jīng)核心處理區(qū)5個濕地單元處理后，2018年2月、5月、8月和11月煤礦廢水的TN含量分別降至0.92 mg/L，0.64 mg/L，0.58 mg/L，0.81 mg/L；TP含量分別降至0.18mg/L，0.12 mg/L，0.09 mg/L，0.16 mg/L；硫化物含量分別降至0.113 mg/L，0.096 mg/L，0.088 mg/L，0.104 mg/L；Hg含量分別降至0.000 10 mg/L，0.000 08 mg/L，0.000 06 mg/L，0.000 09 mg/L；CODCr含量分別降至18 mg/L，13 mg/L，12 mg/L，15 mg/L.核心處理區(qū)對煤礦廢水中的TN，TP，硫化物、Hg和CODCr的凈化效果較好，均能達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。不同季節(jié)核心處理區(qū)對煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率見表2.

圖4 不同季節(jié)核心處理區(qū)對煤礦廢水的凈化效果

表2 不同季節(jié)核心處理區(qū)對煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率 %

由表2可以看出，核心處理區(qū)對煤礦廢水主要污染指標(biāo)的去除率較高，TN為86.57%～87.50%，TP為70.91%～80.43%，硫化物為23.13%～33.33%，Hg為62.96%～71.43%，CODCr為84.00%～87.18%.這可能是由于通過設(shè)置PVC板延長了廢水在每個濕地單元中的水力停留時間(HRT=48 h)，使基質(zhì)、植物和微生物對煤礦廢水的凈化作用更充分，且不同植物可以吸收利用不同形式的污染物質(zhì)。不同季節(jié)(月份)，核心處理區(qū)對煤礦廢水各污染指標(biāo)的去除率差距不大且無明顯規(guī)律。這可能是由于以流經(jīng)前置處理區(qū)后的污染物含量為基礎(chǔ)進(jìn)行計算，對結(jié)果有一定影響。

5 結(jié)論與討論

各季節(jié)，煤礦廢水經(jīng)人工濕地現(xiàn)場的5個處理區(qū)后，主要污染物的含量均可被降低到符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的要求。不同月份(季節(jié))人工濕地對煤礦廢水的凈化效果略有差別，8月份效果最好，由于此時植物的地下部分生長量最大且氣溫較高，有利于污染物質(zhì)揮發(fā)和微生物活動；5月份次之，11月和2月天氣較冷，植物生長和微生物活動受到抑制，對煤礦廢水的凈化效果較差。