陳 堯 倪金雷 湯文艷 章昱斌

（1.杭州國(guó)尼環(huán)保科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江中藍(lán)環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 325088；3.湖南子宏生態(tài)科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100；4.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

一些河涌眾多地區(qū)，由于整體建設(shè)規(guī)劃不完善，因此產(chǎn)生了大量的封閉水體河段。由于封閉水體河段無(wú)補(bǔ)水、持續(xù)暗管排污、地面徑流污染[1]，水體污染物累計(jì)，超過其自凈能力，造成河道水體水質(zhì)惡化，形成黑臭水體。

針對(duì)黑臭水體治理，國(guó)家相關(guān)部門聯(lián)合制定了《城市黑臭水體整治工作指南》[2]，提出了“控源截污、內(nèi)源治理；活水循環(huán)、清水補(bǔ)給；水質(zhì)凈化，生態(tài)修復(fù)”的基本路線，活水循環(huán)和清水補(bǔ)給往往不具備條件。其中水質(zhì)凈化，分為原位凈化[3]和異位凈化技術(shù)[4]，原位凈化主要為曝氣、生態(tài)浮島，異位凈化主要為一體化凈化設(shè)備、人工濕地以及常規(guī)污水站等。

在水質(zhì)凈化應(yīng)用中，人工濕地具有凈化效果好、景觀效果好以及能耗低等特點(diǎn)。該文通過實(shí)際工程中異位人工濕地對(duì)黑臭封閉水體水質(zhì)的凈化研究，為黑臭水體水質(zhì)凈化提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

封閉水體位于舟山市，全長(zhǎng)約1000 m，寬度10 m，平均水深1.5 m，水量約15000 m3。由于在水體中存在排口，溶氧濃度低，無(wú)新鮮活水引入，造成水體黑臭。為治理該封閉水體水質(zhì)，首先對(duì)排口進(jìn)行排查和截污納管，除地表徑流外，基本控制了外源污染；其次，在封閉水體中游岸邊設(shè)置一塊面積為1000 m2的人工濕地，人工濕地采用垂直潛流型，用泵在封閉水體下游取水，輸送至人工濕地進(jìn)行凈化，凈化后水體通過重力管道通過沿岸放坡自流至封閉水體上游排放，使封閉水體實(shí)現(xiàn)一定程度的自循環(huán)（如圖1 所示）。

圖1 封閉水體水質(zhì)凈化示意圖

人工濕地外墻采用磚混結(jié)構(gòu)，濕地表面由上至下依次為植物、布水系統(tǒng)、集配介質(zhì)、集水系統(tǒng)以及防滲膜。植物采用美人蕉和菖蒲，種植密度分別為1 株/m2、20 株/m2。集配介質(zhì)由上至下包括以下3 層：1）覆蓋層。粒徑為8mm～16mm 礫石，厚度300mm。2）濾料層。粒徑為0.2mm～6mm 無(wú)泥粗砂，厚度500mm。3）過渡層。粒徑為4mm～8mm 礫石，厚度200mm。4）排水層。粒徑為8mm～16mm 礫石，厚度300mm。

人工濕地表面設(shè)計(jì)水力負(fù)荷為1 m3/m2·d，泵流量為200 m3/h，采用時(shí)間繼電器控制，每小時(shí)運(yùn)行12.5 min，人工濕地每天凈化水量為1000 m3，人工濕地運(yùn)行15 d 對(duì)封閉水體整體進(jìn)行一次全面凈化。

1.2 取樣及分析方法

取樣點(diǎn)設(shè)置在封閉水體下游泵取水處。取樣頻率為4h一次，取12 h 混合樣為單次測(cè)量水樣。分析項(xiàng)目及測(cè)定方法見表1。

表1 水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定

2 數(shù)據(jù)分析和機(jī)理研究

2.1 人工濕地對(duì)封閉水體COD 的去除

該文數(shù)據(jù)為濕地建設(shè)調(diào)試完成后，開始取樣檢測(cè)。如圖2 所示，濕地在運(yùn)行第80 天取樣，COD 由原來(lái)605mg/L降至40.1mg/L，COD 去除率為93.4%。前50dCOD 去除率為92.6%，第50 天至第80 天水樣，COD 濃度基本無(wú)變化。開始到第80 天，每隔10 天COD 去除率分別為24.6%、21.8%、21.2%、16.2%、8.8%、1.2%、-0.7% 以及0.3%，相同時(shí)間間隔COD 的去除率基本逐漸降低，COD 濃度下降趨勢(shì)減緩最后趨于穩(wěn)定。

圖2 人工濕地對(duì)封閉水體COD 的去除

COD 的去除包括人工濕地去除、封閉水體中微生物自凈降解。封閉水體水深在1.0 m～2.0 m，可作為兼性塘[5]，由于封閉水體發(fā)黑，透光度相對(duì)較差，因此不考慮封閉水體中微生物自凈部分，COD 基本由人工濕地去除。人工濕地對(duì)污染物的去除是濕地植物、濕地介質(zhì)、濕地介質(zhì)層中微生物三者協(xié)同，采用物理、化學(xué)、生物的方法完成。在COD 去除過程中，在人工濕地中起核心作用的是介質(zhì)層中的微生物，將凝聚性與可溶性COD 進(jìn)行生物降解[6]。

2.2 人工濕地對(duì)封閉水體總氮和氨氮的去除

如圖3 所示，濕地在運(yùn)行第80 天取樣，總氮由原來(lái)的57.2 mg/L 降至11.4 mg/L，總氮去除率為80.1%。開始至第80天，每隔10 d 總氮去除率分別為16.4%、13.8%、14.9%、10.0%、10.7%、9.1%、3.0%以及2.3%，相同時(shí)間間隔總氮的去除率整體呈下降趨勢(shì)。第80 天取樣氨氮由原來(lái)38.3mg/L 降至0.49mg/L，氨氮去除率為98.7%。開始至第80d，每隔10d 氨氮去除率分別為10.2%、13.6%、15.9%、18.8%、25.8%、13.9%、0.3%、0.1%，前50d相同時(shí)間間隔氨氮的去除率呈上升趨勢(shì)，第60d 氨氮濃度開始趨于穩(wěn)定，氨氮濃度呈較低值。

圖3 人工濕地對(duì)封閉水體總氮和氨氮的去除

封閉水體中總氮主要是由氨氮和硝態(tài)氮組成的。氨氮的主要去除途徑為濕地中微生物的硝化作用、植物直接吸收；總氮的主要去除途徑為濕地中微生物的反硝化作用、植物直接吸收[7]。氨氮和總氮的去除率有一定相關(guān)性，由于去除機(jī)理的不同，造成去除率的變化趨勢(shì)不同。開始階段，封閉水體中COD 濃度相對(duì)較高，對(duì)硝化作用有抑制作用[8]，由于前期有機(jī)污染物物濃度較高，為硝態(tài)氮的反硝化提供了相對(duì)充足的碳源，為微生物反硝化反應(yīng)提供了良好條件，因此在開始階段，隨著時(shí)間推移，相同時(shí)間段內(nèi)總氮去除率變化呈下降趨勢(shì)，相同時(shí)間內(nèi)氨氮去除率變化呈上升趨勢(shì)。

2.3 人工濕地對(duì)封閉水體總磷的去除

如圖4 所示，濕地在運(yùn)行第80 天取樣，總磷從原來(lái)的9.5mg/L 降至1.2mg/L，總磷去除率為87.4%。開始至第80 天，每隔10 天總氮去除率分別為23.2%、20.0%、17.9%、9.5%、6.3%、3.2%、4.2%以及3.2%，相同時(shí)間間隔總磷的去除率整體呈下降趨勢(shì)?？偭诐舛热源嬖谙陆档内厔?shì)，即80d 后人工濕地對(duì)總磷濃度降低仍具有一定的效果。通過后期人工濕地對(duì)封閉水體的持續(xù)凈化，可以將總磷濃度控制在更低的水平。

圖4 人工濕地對(duì)封閉水體總磷的去除

總磷的去除主要途徑為濕地植物的吸收和濕地介質(zhì)的吸附。植物吸收磷后可轉(zhuǎn)化為植物的ATP、DNA 以及RNA等有機(jī)物[9]，最后通過植物的收割去除。濕地介質(zhì)中含有鈣離子和鎂離子，對(duì)水中總磷有化學(xué)吸附作用，轉(zhuǎn)化為不溶性的磷酸鹽，附著在介質(zhì)上，對(duì)水中的總磷去除。對(duì)總磷的2種去除途徑去除效果都與水體中總磷的濃度有關(guān)，當(dāng)總磷濃度下降時(shí)，傳質(zhì)作用下降，植物根系與介質(zhì)對(duì)總磷的捕捉效率下降。

2.4 人工濕地對(duì)封閉水體藍(lán)藻爆發(fā)預(yù)防的分析

人工濕地對(duì)封閉水體凈化80d 后，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)提升，黑臭現(xiàn)象消除，COD、總氮、氨氮、總磷指標(biāo)分別為40.1mg/L、11.4mg/L、0.49mg/L、1.2mg/L 均高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中地表水V 類水質(zhì)對(duì)應(yīng)的40mg/L、2.0mg/L、2.0mg/L、0.2mg/L（湖庫(kù)），水體為劣五類水體。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化劃分，當(dāng)水體總磷大于0.02mg/L～0.025mg/L 可判斷為富營(yíng)養(yǎng)化水體。對(duì)藻類化學(xué)成分進(jìn)行分析，典型藻類的經(jīng)驗(yàn)分子式為（CH2O）106（NH3）16（H3PO4），其中氮磷質(zhì)量含量比為7.2 ∶1，封閉水體根據(jù)氮磷比為9.5 ∶1，適宜藻類的生長(zhǎng)。綜上所述，經(jīng)80d處理后，封閉水體水質(zhì)存在藻類爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

封閉水體通過截污后，封閉水體污染源主要為地表徑流雨水與封閉水體底部淤泥，這兩個(gè)污染源會(huì)增加封閉水體COD、總氮、氨氮和總磷等指標(biāo)。如圖2～圖4 所示，經(jīng)80 d 人工濕地凈化COD、氨氮去除與污染源引入已達(dá)平衡，總氮、總磷去除大于污染源引入，為使封閉水體水質(zhì)得到進(jìn)一步提升和降低藍(lán)藻爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，除持續(xù)進(jìn)行人工濕地凈化外，還需引入其他方法對(duì)水體污染進(jìn)行控制，降低COD、總氮、氨氮和總磷等指標(biāo)，引入內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷控制和對(duì)封閉水體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)。內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷控制技術(shù)包括用引水稀釋、底泥疏浚、生物凈化技術(shù)。封閉水體所在區(qū)域位置不滿足引水稀釋條件。進(jìn)行底泥疏浚，可先對(duì)底泥進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，再根據(jù)底泥監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和底泥中水生生物監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果及水質(zhì)情況確定清淤厚度，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)清淤，避免過度清淤造成封閉水體底床破壞或清淤厚度不夠?？刂苾?nèi)源的生物凈化技術(shù)，主要為向封閉水體投加微生物菌劑，通過有機(jī)物分解、硝化作用、反硝化作用，降低水中COD、氨氮、總氮。水體生態(tài)修復(fù)主要是在封閉水體底部建設(shè)穩(wěn)定草型水體生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能吸收水體中氮磷提升水質(zhì)，同時(shí)能遏制沉積物的動(dòng)力懸浮過程，提高水體透明度。該文研究的封閉水體須經(jīng)過藻型為主的生態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在一定范圍內(nèi)且水體具有一定的透明度時(shí)，才能建設(shè)成穩(wěn)定草型水體生態(tài)系統(tǒng)。

封閉水體經(jīng)過人工濕地凈化后，水質(zhì)得到改善，在濕地表面水力負(fù)荷承受范圍內(nèi)，可減少封閉水體一次全面凈化的時(shí)間，即增加每天濕地處理水量，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，水力負(fù)荷可調(diào)整為5 m3/m2·d。濕地水力負(fù)荷提升后，能提高水體斷面平均流速。流速對(duì)藍(lán)藻的生長(zhǎng)和優(yōu)勢(shì)藻種變化影響顯著，如果流速較高就能抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)，同時(shí)能促進(jìn)其他藻類生長(zhǎng)。

3 結(jié)論

通過數(shù)據(jù)分析和機(jī)理研究，得出以下4 個(gè)結(jié)論：1）人工濕地對(duì)封閉水體有良好的凈化效果，經(jīng)80 d濕地的凈化COD、總氮、氨氮和總磷的去除率分別為93.4%、80.1%、98.7%和87.4%。2）人工濕地具有微生物反應(yīng)、介質(zhì)吸收、植物吸收等多途徑相互協(xié)調(diào)作用，在無(wú)曝氣和外加藥劑投加情況下，可對(duì)氨氮、總磷去除效果良好。3）結(jié)合文中數(shù)據(jù)和水質(zhì)凈化情況，封閉水體的治理可分為2 個(gè)階段，第一階段通過人工濕地凈化，黑臭消除，水質(zhì)快速提升；第二階段為水質(zhì)深度提升和藍(lán)藻爆發(fā)預(yù)防階段，該階段還需引入其他技術(shù)進(jìn)行共同作用，如底泥疏浚、生物凈化技術(shù)，建設(shè)穩(wěn)定草型生態(tài)系統(tǒng)。4）為充分發(fā)揮人工濕地在封閉水體凈化中作用，濕地運(yùn)行的表面水力負(fù)荷可根據(jù)封閉水體水質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，提高該負(fù)荷能提高封閉水體斷面平均流速，抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)。