劉晨陽，李紹飛，董立新，余 萍，孫書洪

(1.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061)

北運(yùn)河貫穿京津冀，于天津大紅橋匯入海河，河道長度186 km(天津境內(nèi)長度89.8 km)，流域面積6 166 km2。由于城區(qū)段容納沿線多個(gè)污水處理廠的出水排放，水流滯緩、河岸硬化，存在著河道自凈能力不足、水體水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問題。北運(yùn)河的水質(zhì)改善及生態(tài)景觀修復(fù)一直是海河流域水環(huán)境改善的重點(diǎn)，后續(xù)即將建設(shè)水質(zhì)凈化示范工程。目前，生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)是河道水質(zhì)凈化的主要手段，水生植物在治理水體富營養(yǎng)化中可以發(fā)揮極大的作用。楊帆[1]等通過靜水試驗(yàn)對比研究了10種水生植物對河道水體的凈化效果；溫奮翔[2]、朱術(shù)超[3]等通過試驗(yàn)得出，植物浮床對河道水體具有較好的脫氮除磷效果。但是，在實(shí)際的水體污染治理應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的河道水質(zhì)指標(biāo)、水文要素及斷面資料，篩選植物種類、以適宜的密度布設(shè)浮床，才能達(dá)到有效去除水體中的氨氮、總磷、COD等污染物的目的，并且經(jīng)濟(jì)可行、易于維護(hù)。

本文分析北運(yùn)河城區(qū)段河道水質(zhì)的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)水槽模擬緩滯型河道水流，開展動(dòng)水條件下挺水植物對北運(yùn)河原水的凈化效果試驗(yàn)，篩選優(yōu)勢植物，測試不同覆蓋比例、不同水力停留時(shí)間下優(yōu)勢植物對氨氮、總磷和COD的去除率，為后續(xù)研發(fā)適用于北運(yùn)河水質(zhì)凈化的立體生物集成技術(shù)、建設(shè)示范工程提供數(shù)據(jù)支持。

1 北運(yùn)河武清城區(qū)段水質(zhì)變化規(guī)律

選取北運(yùn)河武清城區(qū)段的武清第七污水處理廠排污口至下游1 100 m范圍為研究河段(見圖1)。該河段容納了武清七污(日排放量0.55 萬t)和武清二污(日排放量3.0 萬t)的排放出水，結(jié)合河道現(xiàn)場實(shí)際情況及水流特征，以武清第七污水處理廠排污口為0+000樁號，選取0+000斷面、0+250斷面、0+800斷面和1+000斷面作為四個(gè)采樣點(diǎn)，監(jiān)測第七污水廠排污口的水質(zhì)變化情況，以及受上游污水廠排水匯入的影響下示范河道水質(zhì)變化情況。自2018年9月至2019年12月，采樣監(jiān)測4個(gè)斷面的氨氮、總磷和COD等水質(zhì)指標(biāo)，以及水溫、水位及流速等數(shù)據(jù)，分析河道水質(zhì)在時(shí)間上、空間上的變化規(guī)律。

圖1 研究河段及取樣點(diǎn)分布Fig.1 Study the distribution of river reach and sampling points

4個(gè)取樣點(diǎn)連續(xù)16個(gè)月的氨氮、總磷和COD污染物的濃度變化，如圖2所示。

圖2 研究河段污染物濃度時(shí)空變化Fig.2 Temporal and spatial variation of pollutants concentration in study river

圖2(a)中，4個(gè)取樣點(diǎn)的氨氮值變化介于0.3～2.2 mg/L，除汛期外的大部分時(shí)間均能達(dá)到地表V類水標(biāo)準(zhǔn)(地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值2 mg/L)。汛期7、8月份，氨氮濃度達(dá)到全年的峰值，4個(gè)取樣點(diǎn)的氨氮濃度均出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象。汛期的取樣均是在降雨過后進(jìn)行，因此，降雨徑流對河段水體中氨氮濃度影響很大，引起水質(zhì)超標(biāo)。冬季的11月到轉(zhuǎn)年1月份，4個(gè)采樣點(diǎn)的氨氮濃度會(huì)都有所升高，但未超標(biāo)。其他時(shí)段，研究河段的氨氮濃度變化不大，數(shù)值相對平穩(wěn)，保持在1.5 mg/L以下。在空間上，在同一時(shí)間取樣點(diǎn)1的氨氮濃度最低，其他3個(gè)取樣點(diǎn)濃度基本一致，這是由于取樣點(diǎn)1處的出水主要是七污的排水，基本不受上游來水的影響。七污排污口的出水中氨氮濃度達(dá)到了《天津市城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A的水平，在汛期也能夠?qū)⒊鏊械陌钡笜?biāo)控制得很好。而其他3個(gè)采樣點(diǎn)，由于河段的上游來水受降雨徑流匯入的影響，氮磷等污染物濃度大幅增長，所以研究河段的另外3個(gè)采樣點(diǎn)的氨氮濃度明顯增高。

圖2(b)所示，研究河段中4個(gè)采樣點(diǎn)的總磷濃度介于0.04～0.6 mg/L，在汛期有明顯超標(biāo)情況發(fā)生。在時(shí)間上，在汛期7、8月份時(shí)，各取樣點(diǎn)總磷濃度明顯超標(biāo)(地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值0.4 mg/L)，最大值接近0.6 mg/L。七污的室外除磷工藝受降雨影響，出水后1號采樣點(diǎn)總磷濃度升高；其他3個(gè)采樣點(diǎn)，由于上游來水受降雨徑流匯入影響，總磷濃度增幅明顯，最高超標(biāo)50%。因此，降雨徑流對河道水體中總磷濃度影響很大，是河道水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的主要影響因素。在空間上，除汛期外，同一時(shí)間4個(gè)取樣點(diǎn)總磷濃度基本一致；在汛期，8月份取樣點(diǎn)1的總磷濃度低于其他3個(gè)采樣點(diǎn)，但也超過地表水5類標(biāo)準(zhǔn)，這是由于取樣點(diǎn)1處的出水主要是七污的排水，基本不受上游來水的影響，而其他3個(gè)采樣點(diǎn)，受雨后降雨徑流匯入的影響，總磷濃度更高。

圖2(c)所示為4個(gè)取樣點(diǎn)處COD的濃度監(jiān)測圖，研究河段中的COD濃度位于15～42 mg/L(地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值40 mg/L)。相比氨氮和總磷，4個(gè)采樣點(diǎn)的COD濃度變化規(guī)律不太明顯。除采樣點(diǎn)一以外，其他3個(gè)采樣點(diǎn)都是汛期濃度較高2、3月濃度較低。在時(shí)間上、除2、3月份外，采樣點(diǎn)2、3、4的COD濃度值都較接近或高于標(biāo)準(zhǔn)值，說明水體中有機(jī)物濃度較高，河道水體富營養(yǎng)化情況較嚴(yán)重。在空間上，大致規(guī)律為自排污口斷面向下游COD濃度逐漸遞增，在出口斷面處最高。

根據(jù)以上監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，北運(yùn)河武清城區(qū)段水質(zhì)在時(shí)間上的規(guī)律：汛期的7、8、9月份以及冬季的11、12、1月份，河道的水質(zhì)相對較差，氨氮、總磷和COD濃度都有不同程度的升高，其他月份水質(zhì)平穩(wěn)，能夠達(dá)標(biāo)；在空間上，采樣點(diǎn)1監(jiān)測武清七污排水的水質(zhì)，不受河道上游來水的影響，而其他3個(gè)采樣點(diǎn)受上游來水的影響，在汛期降雨過后，氨氮和總磷濃度明顯升高，通常高于采樣點(diǎn)1。

2 水生植物水質(zhì)凈化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年3月20日開始，購買了鳶尾、水蔥、菖蒲，千屈菜和蘆葦?shù)?種北方常見得挺水植物幼苗，在水池中進(jìn)行育苗培養(yǎng)，2個(gè)月后株高達(dá)到成熟高度后，選取長勢較好、適應(yīng)性較強(qiáng)的鳶尾和水蔥測試水質(zhì)凈化效果。

2.1 試驗(yàn)水槽

根據(jù)北運(yùn)河城區(qū)段的斷面尺寸、水力停留時(shí)間，設(shè)計(jì)有機(jī)玻璃材質(zhì)的模擬北運(yùn)河城區(qū)段的試驗(yàn)水槽，尺寸為148 cm×33 cm×50 cm，見圖3。水槽包括4部分：進(jìn)水區(qū)、穩(wěn)流區(qū)、試驗(yàn)區(qū)和循環(huán)區(qū)。左側(cè)為循環(huán)區(qū)，底部放置潛水泵，箱體旁側(cè)設(shè)有循環(huán)水管，啟動(dòng)水泵實(shí)現(xiàn)槽內(nèi)的水流循環(huán)。中間區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，尺寸為100 cm×33 cm×50 cm，模擬北運(yùn)河城區(qū)段的緩滯型流場，放置植物進(jìn)行凈化效果試驗(yàn)。右側(cè)為進(jìn)水區(qū)和穩(wěn)流區(qū)，二者之間設(shè)有跌水擋板，啟動(dòng)潛水泵，進(jìn)水區(qū)水位升高，通過跌水溢流至穩(wěn)流區(qū)，再通過試驗(yàn)區(qū)兩側(cè)的多孔穩(wěn)流板，使得試驗(yàn)區(qū)的水流狀態(tài)和溶解氧水平與實(shí)際河段接近。

1-循環(huán)區(qū)；2-試驗(yàn)區(qū)；3-穩(wěn)流區(qū)；4-進(jìn)水區(qū)；5-多孔穩(wěn)流板；6-跌水擋板；7-小型潛水泵圖3 模擬北運(yùn)河水流的水槽示意圖Fig.3 Sketch map of the flume simulating flow in Beiyunhe River

利用水槽可模擬研究河段正常流速(流速受下游新老米店閘控制，一般情況下流速小于0.05 m/s)下的水力停留時(shí)間，以此來計(jì)算植物浮床最適宜的鋪設(shè)長度L，又可去除其他干擾因素的影響，能夠準(zhǔn)確測試植物對水體中的氨氮、TP、COD的去除效果，數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確合理。

2.2 試驗(yàn)方法

2019年6月，水蔥和鳶尾在室外自然條件下長勢良好，鳶尾株高20 cm左右，水蔥株高50 cm左右，株高已達(dá)到成熟高度，開始進(jìn)行水質(zhì)凈化試驗(yàn)。試驗(yàn)前用蒸餾水洗凈根部備用。

本試驗(yàn)共設(shè)置5組處理組，每組試驗(yàn)開始前，水槽中先加入標(biāo)準(zhǔn)水量(100 L)的北運(yùn)河河道原水，然后再放入各植物并固定好，運(yùn)行周期均為7 d，每日上午10時(shí)在水槽試驗(yàn)區(qū)取一次水樣，測定所取水樣中的氨氮，總磷和COD等水質(zhì)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)過程中觀察水槽中水分蒸發(fā)情況，及時(shí)添加蒸餾水保證在取水樣時(shí)水量至標(biāo)準(zhǔn)水量(100 L)。在取水樣的同時(shí)，量測水體相應(yīng)的溶解氧和水溫。每組處理的工況如表1所示。

表1 不同處理工況Tab.1 Different treatment conditions

試驗(yàn)照片見圖4。

圖4 水生植物凈化水質(zhì)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Pictures of water purification test by aquatic plants

試驗(yàn)水體中氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測定；總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法測定；COD濃度采用重鉻酸鉀消解法測定；溶解氧、溫度均采用哈希便捷式多功能測量儀的探頭測定；水槽中的流速用流速儀通過測取試驗(yàn)區(qū)前中后3點(diǎn)流速取平均值(0.02 m/s)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同處理下水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果

試驗(yàn)自2018年6月1日開始，每組處理的試驗(yàn)周期為7 d，試驗(yàn)期間水溫保持在22～25 ℃之間，溶解氧維持在6～8 mg/L。表2、3、4為5個(gè)處理在試驗(yàn)期間每天監(jiān)測的氨氮、總磷和COD濃度值。

由表2～表4中數(shù)據(jù)可以看出，兩種挺水植物對氨氮、總磷和COD污染物都表現(xiàn)出很好的凈化效果，除空白試驗(yàn)外，不同處理下7 d后兩種挺水植物對氨氮、總磷和COD濃度的去除率均能達(dá)到78%、95%和92%，說明兩種挺水植物在水體富營養(yǎng)化治理中均有顯著作用。

表2 不同處理下氨氮濃度變化表 mg/LTab.2 Table of ammonia nitrogen concentration changes under different treatments

表3 不同處理下總磷濃度變化表 mg/LTab.3 Table of total phosphorus concentration changes under different treatments

表4 不同處理下COD濃度變化表 mg/LTab.4 Table of COD concentration changes under different treatments

3.2 北運(yùn)河水質(zhì)凈化的優(yōu)勢植物種類篩選

對比表2～表4中C2組與C3組的數(shù)據(jù)可知，在覆蓋面積比例均為67%的情況下，水蔥對河道水體的凈化效果要較好于鳶尾。1 d內(nèi)兩種植物對氨氮、總磷和COD污染物的去除率，見表5。

表5 不同植物24 h對各污染物的去除率Tab.5 The removal rate of pollutants by different plants for 24 h

由表5數(shù)據(jù)可知，在覆蓋面積比例為67%、水力停留時(shí)間1 d的情況下，水蔥對污染物氨氮、總磷、COD的去除率分別為63%、88.9%、76.5%，鳶尾分別為57.6%、78%、65.8%。水蔥比鳶尾分別高出5.4%、10.9%、10.7%。北運(yùn)河城區(qū)段河道的水力停留時(shí)間低于24 h，水蔥相對更適合作為凈化河道水質(zhì)的優(yōu)勢植物。

3.3 水蔥在不同覆蓋比例、不同水力停留時(shí)間下的水質(zhì)凈化效果

對比優(yōu)勢植物水蔥覆蓋面積比例分別為25%、50%和67%情況下，在水力停留時(shí)間為1～7 d時(shí)，對氨氮、總磷和COD的去除率，見圖5。

圖5(a)、(b)可以看出3種覆蓋面積比例下，水蔥對水體中氨氮、總磷均有明顯的去除效果。第4 d時(shí)，不同覆蓋面積比例下氨氮的去除率基本接近，均能達(dá)到70%以上；對總磷的去除率也很接近，均達(dá)到90%以上。水力停留時(shí)間超過4 d以后，去除率基本不再增加。3種覆蓋比例對氨氮和總磷凈化效果的差別主要在于前4 d的表現(xiàn)不同：第2 d，25%、50%、67%覆蓋比例下，氨氮的去除率分別為38.6%、57.6%、65.4%；總磷的去除率分別為57.9%、80%、88.9%，可見，覆蓋面積比例越高，去除效果越好，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還要綜合要考慮造價(jià)和經(jīng)濟(jì)的因素來選擇覆蓋面積比例；水力停留時(shí)間為2～4 d時(shí)，氨氮的去除率分別為32.5%、21.2%、13.6%；總磷的去除率分別為31.6%、10%、5.5%，此時(shí)，25%覆蓋比例下去除率最高。

圖5 不同覆蓋面積比例下水蔥對各污染物的去除率Fig.5 The removal rates of pollutants by scirpus with different coverage ratios

圖5(c)可看出，3種不同覆蓋比例對COD的去除率表現(xiàn)出相同的規(guī)律：第2 d去除率較高，隨后出現(xiàn)反彈，第4 d之后開始穩(wěn)定去除，到第7 d時(shí)，去除率均能達(dá)到92%以上。COD濃度呈現(xiàn)上述變化規(guī)律，是由于水體COD的去除主要通過厭氧微生物群的降解作用實(shí)現(xiàn)的，試驗(yàn)開始時(shí)COD濃度的降低是因?yàn)橹参锔康奈阶饔?，而?dāng)厭氧微生物生長繁殖穩(wěn)定后又釋放出來，水體中COD濃度增高，之后厭氧微生物穩(wěn)定降解，COD濃度一直下降。

3種覆蓋比例對COD去除效果在前3 d的表現(xiàn)有較大差異，水力停留時(shí)間為2 d時(shí)，25%、50%、67%覆蓋面積比例下，對COD的去除率分別為43.2%、65.8%、76.5%，去除率隨覆蓋面積比例的增加而增加；水力停留時(shí)間為1～2 d時(shí)，COD濃度不降反增，前兩種覆蓋比例下增幅為5%左右，而67%覆蓋比例下增幅高達(dá)17.7%；水力停留時(shí)間為3～5 d時(shí)，去除率分別為35.2%、18.4%、26.5%；水力停留時(shí)間1～5 d時(shí)，25%覆蓋面積比例下表現(xiàn)優(yōu)秀。

此外，空白試驗(yàn)中，水槽中水體模擬北運(yùn)河原水的流動(dòng)狀態(tài)，隨著水力停留時(shí)間的延長，氨氮、總磷和COD也有一定的去除效果。這是因?yàn)楸边\(yùn)河原水中的微生物及懸浮，對氨氮和COD具有硝化作用，對總磷具有一定的沉淀、固結(jié)、吸附作用，體現(xiàn)了水體的自凈功能。

3.4 水力停留時(shí)間低于24 h的水質(zhì)凈化效果

參考上述試驗(yàn)結(jié)果，在北運(yùn)河后續(xù)將開展的立體生物技術(shù)示范工程中，綜合考慮水質(zhì)凈化效果和工程造價(jià)，水蔥25%的覆蓋面積比例是比較適宜的處理工況。

為了更好地為后續(xù)示范工程提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合北運(yùn)河不同調(diào)度方案下的河水流速小、河道水力停留時(shí)間短的特點(diǎn)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了低于24 h的水力停留時(shí)間下，25%覆蓋面積比例的水蔥對北運(yùn)河水體中氨氮、總磷和COD去除效果的試驗(yàn)。試驗(yàn)周期為24 h，每4 h取一次水樣監(jiān)測氨氮、總磷和COD濃度。數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 水蔥對北運(yùn)河水質(zhì)的凈化效果(覆蓋面積比例25%、水力停留時(shí)間24 h)Fig.6 Beiyunhe river water purification effect by scirpus(25% coverage area ratio,hydraulic retention time 24 h)

圖6表明，0～24 h之間，25%覆蓋面積比例的水蔥對氨氮、總磷和COD三項(xiàng)指標(biāo)的去除率基本都呈線性變化，水力負(fù)荷參數(shù)分別為0.49、0.15、17 mg/(L·d)，去除率隨著水力停留時(shí)間的增加，呈線性增加。因此，以水蔥為主的植物浮床，適用于北運(yùn)河這種水力停留時(shí)間相對較長的緩滯型河道水質(zhì)凈化。

4 結(jié)論與分析

北運(yùn)河武清城區(qū)段屬于緩滯型河道，沿線有污水廠尾水匯入，連續(xù)水質(zhì)監(jiān)測分析表明：在汛期，由于降雨徑流匯入影響，氨氮、總磷和COD大幅增加，水質(zhì)不穩(wěn)定，常出現(xiàn)超標(biāo)；除汛期外，大部分時(shí)間水質(zhì)能夠達(dá)到地表五類標(biāo)準(zhǔn)。因此，主要污染來源是汛期降雨徑流匯入，其次是沿線的污水廠尾水排放。

模擬北運(yùn)河河道水流特征，開展不同植物、不同覆蓋比例、不同水力停留時(shí)間的水質(zhì)凈化試驗(yàn)，結(jié)果表明：水蔥為凈化北運(yùn)河水質(zhì)的優(yōu)勢植物，當(dāng)水力停留時(shí)間為24 h時(shí)，25%、50%以及67%覆蓋面積比例下氨氮、總磷和COD 的去除率分別為38.6%、57.6%、65.4%；總磷的去除率分別為57.9%、80%、88.9%；COD的去除率分別為43.2%、65.8%、76.5%。綜合考慮水質(zhì)凈化效果和工程造價(jià)，25%覆蓋比例的處理方案更適合在研究河段示范應(yīng)用。水力停留時(shí)間低于24 h時(shí)，25%覆蓋比例情況下對氨氮、總磷和COD的去除率呈線性變化，水力負(fù)荷參數(shù)分別為0.49、0.15、17 mg/(L·d)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為后續(xù)示范工程在不同的水力停留時(shí)間下的凈化效果提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

本文的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)可為后期開展的示范工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中還需結(jié)合現(xiàn)場情況綜合考慮確定施工方案。在后續(xù)的試驗(yàn)研究中，還需要考慮到秋冬季節(jié)低水溫對植物凈化效果的影響，以及植物的植齡等因素，以期得到更完整、更系統(tǒng)的凈化效果數(shù)據(jù)。

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