浮动湿地对再生水受纳的景观水体水质净化作用研究

科研管理水利规划与设计2016年第7期DOI：10.3969/j.issn.1672-2469.2016.07.020浮动湿地对再生水受纳的景观水体水质净化作用研究倪盈\邵海波2,韩子乾3，郭兴华4,王璐1(1.北京市可持续发展科技促进中心，北京100035;2.百奥源生态环保科技（北京）有限公司，北京100027;3.北京致清源环保科技有限公司，北京102200)4.北京师范大学资源学院，北京100875)摘要：浮动湿地技术是新型的原位生物-生态处理技术，具有水质净化、藻华防控及生态修复等相关作用。浮动湿地的净水效果试验在一再生水受纳的景观水体内进行，试验结果表明，浮动湿地技术对试验水体的CODcr、氨氮、TN和TP的总体去除效率分别为396、476、616和396。在试验过程中出现再生水补水及降雨等情况，但是从整体来看浮动湿地对水质净化的作用并未受到补水及降雨的影响，始终保持良好的污染物去除效率。关键词：浮动湿地；原位技术；水质净化；再生水受纳水体中图分类号：X524文献标识码！B文章编号：1672-2469(2016)07-0055-03再生水资源已被许多国家用于工业回用、农业灌溉、景观补水以及市政杂用等众多领域，有些发达国家已将高质量的再生水资源补充到饮用水水源作为饮用水的补给，再生水补给回用可提高水资源利用率，并改善城市水资源紧缺状况，利用再生水作为补给水源已成为我国水资源的发展趋势⑴。目前，再生水补水景观用水已作为再生水回用的重要途径之一。我国多数补给景观水的再生水水质状况不佳，尤其氮、磷浓度较高，经常会使景观水体超过水体的自净能力。冯萃敏等对再生水受纳水体及其补充水源水质进行监测发现，作为补充水源的市政再生水中氮、磷浓度较高，补充到受纳水体后，水体多处于富营养化的状态[2]。并且，多数城市景观水体存在流动性较差，存在流动死角，水体深度较浅等问题，使水体易发生水华等现象，导致水质加速恶化，带来视觉及感官的不适，并可能造成水生态系统的破坏[3]。生物处理技术通过增加水生动植物或微生物的方式，通过微生物对污染物质的分解利用，水生植物对污染物的吸附吸收等作用达到污染物去除的作用，通过改变水体的生物群落结构、构建水体生态系统的方式，达到净化水质、藻华防控和景观效果等综合效益[4]。针对再生水补充的景观水体的特点，生物处理技术具有污染物去除效率高、无二次污染等特点，是一种有效的解决景观水体污染物浓度高及富营养化问题处理方法[5]。浮动湿地技术是在人工湿地技术与浮岛技术基础上研究发展而来的新型技术。相对于人工湿地技术，浮动湿地技术直接布设于水体内，无需占用土地资源。浮动湿地技术可广泛应用于江河湖库等自然水体的水质净化、景观美化、生态修复、消波防浪等多方面领域内。浮动湿地技术以纤维丝质填料为主体，纤维丝质填料是提供浮力的载体以及水生植物的种植载体，形成以水质净化为主要目的，并具有生态与景观功能的浮动平台，如图1所示。传统的生态浮床载体主要由聚苯乙烯发泡板、pic及竹质材料等组成[6]。纤维材质的丝填料载体使得浮动湿地与传统生态浮岛有着本质的不同。水生植物种植在纤维填料上，植物经过生长周期后，可在纤维填料的任意部分、任意方向进行生长，达到较大的植物总量，并形成茂密的根系区。纤维填料与植物根系区可为水体内微生物提供生长繁殖的附着点，使微生物大量附着形成微生物膜，利用微生物作用达到水质净收稿日期！2016-06-17基金项目：北京市科技计划课题（D141100004514003)作者筒介：倪盈（1984年一），女，助理研究员。•55•2016年第7期水利规划与设计科研管理化的功能[7]。植物自身对水体污染物的吸收也可促进水体净化的效率。因此，植物总量、根系区茂密程度以及载体材质结构均会影响对水体污染物的去除效率。结果与讨论图1浮动湿地净水原理示意图1试验材料与方法1.1试验场地及采样规则本次试验场地选取在以再生水补水为唯一水源的景观湖。景观湖水面面积约4200m2，平均水深1.2m。试验共计60天，试验过程的第24天，湖体补水一次，补水量约为730m3。试验过程中，第3、17、31和46天有降雨出现。试验开始时，湖体内CODcr、TN、氨氮和TP的平均浓度分别为：37.6mg/L、13.2mg/L、4.3mg/L和0.46mg/L。1.2浮动湿地布设景观湖内共布设浮动湿地650m2，分布在5个采样点附近，平面布置图如图2所示。在浮动湿地上种植的水生植物有旱伞草、千屈菜、鸢尾及菖蒲。起始种植密度约为20株/m2。由于植物以根苗的状态进行种植，需要缓苗及生长期，时间约为30R。此段生长期后为试验的起始时间。1.3采样规则与水质检测方法试验中共有5个采样点。其中，1号采样点位于补水人口附近，2号至5号采样点均匀分布于水体其它位置。试验过程中，每5R进行水样采集及水质检测，水质检测内容包括CODcr、NH4+-N、TN和TP。各水质指标的检测方法如下：CODcr:重铬酸钾法，NH+-N:纳氏试剂光度法，TN!碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP!钼酸氨分光光度法。在试验的第23d，再生水对湖体进行补充，补充水量约为湖体常水量的156。试验的第3、17、31和46d有降雨出现，平均降雨量分别约为6mm、14mm、12mm和9mm。再生水补水及降雨均会对整体效果有一定的扰动，造成水质指标值升降波动的影响。试验过程中CODcr变化曲线如图3所示。CODc在整个试验过程中呈现下降趋势，最高CODcr去除率达406，总体的CODcr去除率为396，CODc指标已达到地表（类水标准，并接近地表'类水标准。试验初期（0-5d)CODcr浓度下降缓慢，植物生长情况及降雨是影响此阶段降解速率的主要因素。试验初期，植物虽然已经过缓苗期，但是植物总量仍未达到最大，尤其是植物根系区域未达到最大密度及长度，并未附着大量微生物，对污染物质的吸收降解能力有限。浮动湿地上水生植物在试验一周后逐渐形成规模并达到稳定生长，植物根系区域逐渐富集微生物，从而形成微生物膜，起到水质净化的主导作用，使有机物吸收降解速率加快。在试验中期（20-50d)，由于降雨及再生水补水等原因，CODc浓度开始波动。再生水及初期雨水径流内CODcr浓度偏高是造成此现象的主要原因。在试验后期（50-60R)，在没有外界因素的干扰下，水体内污染物质继续被浮动湿地系统吸收降解，CODc浓度持续下降。在试验结束时，CODc浓度仍保持下降趋势。试验过程中氨氮与TN的变化曲线如图4和图5所示。浮动湿地系统对氮的去除主要依靠根系及填料部分富集的微生物作用及水生植物本身的吸•56•科研管理水利规划与设计2016年第7期20S105040茨30缠20f10c图3浮动湿地试验过程中COD浓度及去除率变化曲线收、吸附作用。浮动湿地对湖体内氮元素的去除效果相对较好，氨氮及TN的总体去除率分别为47%和616。试验结束时，水体氨氮和TN浓度已接近地表V类水指标，并且仍保持下降趋势。再生水补水和降雨对浮动湿地系统去除氮元素的效率有着一定的影响，但在补水及降雨过后，浮动湿地系统仍能保持这良好的污染物去除效率，且降解速率基本保持一致。第25~35d，氨氮和T[都在较高的速率下被浮动湿地系统分解转化，并未受到降雨的影响，可能由于雨水径流内氮的污染负荷较低。从整体去除率来讲，TN去除率大于氨氮去除率，也说明浮动湿地系统对硝态氮具备很好的去除能力。氨氮变化曲线051015202530354045505560时间(d)图-浮动湿地试验过程中TP浓度及去除率变化曲线浮动湿地系统对此再生水受纳景观水体内污染物具有较好的降解作用，试验期间湖体水质虽受到补水及降雨的影响，但试验结束时，浮动湿地系统对湖体CODcr、氨氮、TN和TP的总体去除效率分别为396、476、616和396。湖体水质由初始的地表劣V类水质转变为接近地表V类水标准，CODcr指标已达到地表水（类水标准，且各指标仍处于下降趋势。试验过程中共经历1次补水和4次降雨，虽然湖体水质收到影响而形成波动，但补水或降雨后浮动湿地系统对污染物的去除效率并未受到冲击，并保持稳定。3结论浮动湿地技术作为一项新型原位生物-生态技术，对再生水受纳的景观水体内污染物质具有良好的去除作用。在60d的试验中，浮动湿地系统对景观水体的CODcr、氨氮、TN和TP的总体去除效率分别为396、476、616和396，使水体接近地表水V类水质，试验结束时仍保持（下转第79页)•57•051015202530354045505560时间(d)图4浮动湿地试验过程中氨氮浓度及去除率变化曲线TXT亦办曲祕20051015202530354045505560时间(d)图5浮动湿地试验过程中TN浓度及去除率变化曲线试验过程中TP的变化曲线如图6所示。浮动湿地系统对水体中TP的去除作用主要依靠去除水体悬浮物质所吸附的P元素以及植物本身的吸收吸附。浮动湿地系统对湖体TP的总体去除率约为396,且接近地表V类水指标。试验初期（0-10d)，浮动湿地系统对湖体内TP的出去效率较高，此阶段主要依靠对湖体内悬浮物质的移出，浮动湿地系统茂密的根系区可有效促进悬浮物的吸附和沉降。降雨及再生水补水对浮动湿地系统TP的去除效率有一定的影响，在降雨和补水后，TP的去除率有变缓的趋势，可能与雨水径流及再生水中带有较高浓度的悬浮物有关，悬浮物浓度提升更不利于系统内P的去除。05「TP变化曲线，5〇(％)#叢dHoooo321;.3.2(1/§日)蟹dH432(1/3日)te!磁搣《科研管理水利规划与设计2016年第7期根据模糊理论中的二元方法确定各项指标的权重，首先得到各项指标的二元比较矩阵，随后对其进行一致性校验，得到标度矩阵。根据矩阵各行之和确定指标的重要程度，并得出相对隶属度关系，对关系矩阵进行归一化处理得到指标权重向量。十二官拦河闸安全评价相对隶属度矩阵为！-0.0520.0510.0490.0530.050-0.0860.0550.0920.0500.0540.1660.1640.1600.1550.153-0.6950.6970.6990.7090.713-将隶属度矩阵带人级别特征值向量，计算出十二官拦河闸的级别特征值为3.5。根据水闸级别与特征值关系表，发现此级别特征值不满足要求，因此该水闸存在较大安全隐患。2)加固措施及建议由于拦河闸易产生沉陷变形和稳定问题、渗透稳定问题及渗漏问题，闸前淤积问题非常严重等，是该工程的主要病险问题，已影响工程基本功能效益的发挥和下游居民生命财产安全，急需进行治理。从模糊理论的计算结果看，该拦河闸已失去水闸应有的功能，无灌溉农田和防洪效益，目前十二官拦河闸存在重大安全隐患，建议改建或扩建。(上接第57页）良好的净水效率。浮动湿地系统通过水生植物自身的吸收吸附以及根系区附着的微生物膜对污染物质的消化、降解而形成的水质净化作用。水体内污染物质可为植物及微生物的生长繁殖提供养分，植物长成后的收割可将污染物移出系统。试验过程中，水体水质情况受到再生水补水及雨水径流等因素影响而产生波动。浮动湿地系统对污染物的去除作用并未受到这些状况的影响，仍可以保持较高的去除效率，说明浮动湿地技术可以有效避免外来水源带来的水质波动。参考文献[1]杨扬，胡洪营，陆韵，吴乾元，时孝磊.再生水补充饮用水的水3结语水闸在灌溉、发电、防洪、城市供水等方面具有重要作用。我国多数水闸建于上世纪中期，受当时经济、技术水平等因素制约，加上长期收到载荷作用，目前已经出现了不同程度的损害。以辽宁省十二官拦河闸为研究对象，首先对水闸存在的病险情进行分析，并基于模糊群决策理论和拦河闸病险情，建立了该水闸的安全评价体系，在数学模型的基础上，确定了定性指标和定量指标的隶属度，推导了拦河闸评价指标的隶属度矩阵，从而得出全面的水闸安全评估结果，为今后的拦河闸病险情分析及安全评价研究奠定了理论基础。参考文献[1]杜培文，许志刚.弥河寒桥拦河闸平面闸门结构设计特点分析[J].水利规划与设计，2007(03):49-52.[2]王国华.旗岭水闸砂砾