洱海北部不同运行时长人工湿地的水质特征及净化效率评估

张秀梅

（大理市洱海生态中心，云南 大理 671000）

人工湿地技术是20世纪70年代发展起来的一种污水处理技术，被广泛应用于农村农业面源污染防治及低污染水处理[1,2]。人工湿地主要通过沉淀、物理拦截、过滤、填料（土壤）吸附、化学氧化还原、微生物硝化/反硝化作用、植物吸收等作用去除水体中的氮磷等污染物[3,4]。但随着人工湿地运行时间增长，由于填料吸附饱和、营养盐不断积累，湿地对营养盐的净化效率不断降低[5,6]。目前国内关于人工湿地的研究集中于湿地植物及填料的筛选、湿地运行初期的净化效率等方面，而不同运行时长的湿地处理效果评估鲜见报道。

洱海是云南省第二大高原湖泊，是大理人民的“母亲湖”。受洱海流域地形影响，人类活动主要集中于洱海北部和洱海西岸，随着流域内社会经济快速发展，入湖的污染负荷增加。尤其洱海北部地势平坦，流域内村庄和农田密布，人类活动强度大，且流经该区域的弥苴河、罗时江和永安江三条河流的流域面积及径流量大，输入的氮磷污染物量约占入洱海总量的50%[7]，使得洱海水环境压力不断加大，目前正处于富营养化初期[8]。为削减上游入湖河流的污染物，自2004年开始，洱海流域内分批分阶段恢复建设湖滨湿地、人工湿地、库塘湿地等，目前累计建成湿地面积约2000 hm2，不仅提升了流域内农业面源污染治理，同时强化了区域生态功能，湿地植物及鸟类的物种多样性逐渐恢复[9,10]。本文以洱海北部的罗时江湿地（运行11a）和江前湿地（运行6a）为研究对象，评估不同运行时长湿地水质现状及对氮磷污染物的净化效率，以期为洱海流域人工湿地建设及运行管理提供参考。

1.1 研究区概况

洱海流域位于澜沧江、金沙江和元江三大水系分水岭地带，流域面积2565 km2，洱海湖面面积252 km2，属亚热带季风气候，气候温和。洱海流域内有大小河流117条，北部主要有弥苴河、罗时江和永安江（北三江）流入洱海，是洱海主要水源，多年平均入湖流量占洱海补给水量的70%。同时，“北三江”流经区域农田广布、村庄密集，农村生活污水、农田废水及分散畜禽养殖废水通过“北三江”进入洱海，入湖氮磷污染负荷占全湖的50%以上[7,11]。因此，削减洱海北部入湖污染至关重要，先后实施了“2333”行动计划、洱海保护“七大行动”等系列措施，于2009年和2014年在洱海北部建成了罗时江湿地、江前湿地等，主要处理农村农业面源污染。在当地职能部门维护管理下，这两块湿地至今已运行11a和6a，其基本情况见表1。

罗时江湿地、江前湿地建设初期设计均采用近自然的复合型人工湿地，即“植物净化塘+多级表流湿地+天然湿地”处理上游来水。罗时江湿地在丰水期、平水期和枯水期的设计处理规模分别为：112、 30和 17万m³/d，江前湿地分别为4.5、3.4和2.2万m³/d。经调查，湿地内植物优势物种与设计时选择一致，具体见表1。罗时江湿地对总氮的平均去除效率为50.8%，总磷的平均去除效率为24.4%。由于水体中总氮的去除受到湿地脱氮功能生物体的生长代谢活动等因素的影响较大，导致湿地对总氮的去除效率波动较大，湿地出口水体总氮含量的变化与入口水体总氮含量的变化并不一致；
虽然总磷的去除也受湿地脱磷功能生物体的生长代谢活动等因素的影响，且湿地对总磷的去除效率也具有一定的波动性，但由于湿地对水体中总磷的去除效率较低，故出口水体中总磷的变化与入口水体中总磷的变化基本保持一致。

表1 长期运行湿地净化效率与水质相关性分析

表1 人工湿地基本情况

1.2 湿地工艺

根据项目预期的水质净化目标，以“前期处理、末端净化”的思路模式，采用近自然的复合型人工湿地即“植物净化塘+多级表流湿地+天然湿地”对污水进行处理，达到对水体净化的目的。

罗时江、永安江水在拦水坝的拦截作用下分段被引入植物净化塘，通过厌氧菌的代谢功能，使有机底物得到降解。首先由产酸菌将复杂的大分子有机物进行水解，转化成简单的有机物（有机酸、醇、醛等）；
然后产甲烷菌将这些有机物作为营养物质，进行厌氧发酵反应，产生甲烷和二氧化碳等。

处理后低污染水形成推流式水流流向，依次进入多级表流湿地，通过物理过滤、拦截、自然沉降、化学反应沉淀、微生物好氧氧化、湿地植物生长营养吸收等作用实现对水体中氮、磷、有机物的净化。

经表流湿地处理后的水体流入天然芦苇湿地，通过水生植物净化作用对水体进行深度处理，经过一系列的净化最终出水流入洱海。

1.3 样品采集与分析

分别在罗时江湿地和江前湿地的进水口、出水口及湿地中段布设三个采样点，2019年8月—2020年7月期间，每月中旬采集，低温保存带回实验室。水样总氮（TN）采用HJ 636-2009碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，氨氮（NH3-N）采用HJ 535-2009纳氏试剂分光光度法，总磷（TP）采用GB 11893-89钼酸铵分光光度法，化学需氧量（COD）采用HJ 399-2007快速消解分光光度法，pH和溶解氧（DO）用便携式pH计和便携式溶解氧仪测定。

1.3 数据处理

污染物净化效率按公式（1）计算。

式中：ηi—为某污染物i的净化效率，%；
ρ0i—为湿地进水中某污染物i的浓度，mg/L；
ρ1i—为湿地出水中某污染物i的浓度，mg/L；
i=1,2,3,4，分别为TN、NH3-N、TP和COD。

文中的数据均使用Office 2010汇总，利用Origin 2018绘制柱状图，利用SPSS 23进行差异性分析和相关性分析。

2.1 不同运行时长湿地的水质现状

2019年8月—2020年7月期间，罗时江湿地和江前湿地水质指标如图1所示。两湿地的pH平均在7.13～9.28，为弱碱性水，DO在1.85～12.54 mg/L，干季溶解氧含量高于湿季。现场调研期间，罗时江湿地TN、NH3-N、TP和COD的平均浓度分别在0.453～1.76、0.056～1.00、0.022～0.223和6.8～53 mg/L，而江前湿地分别在0.45～1.72、0.025～0.76、0.01～0.21和4.9～133 mg/L。差异性分析结果显示，罗时江湿地TP和COD显著高于江前湿地（P＜0.05），而TN和NH3-N并未表现出显著差异性（P＞0.05）。孙莉等[12]研究结果证实水稻-大蒜种植模式下农田土壤养分含量高，尤其罗时江流域内上关-邓川地区农田土壤氮磷含量高，大量氮磷流失进入罗时江，成为洱海北部污染程度最高的河流[11]，因而罗时江湿地污染物浓度高于江前湿地。

图1 罗时江湿地和江前湿地水体水质动态变化（2019年8月—2020年7月）

根据《GB 3838-2002 地表水环境质量标准》，除2020年4月外，罗时江湿地和江前湿地水体的TP和NH3-N处于I～II类，TN和COD处于I～III类。TN是洱海北部入湖河流首要污染物，COD是旱季的次要污染物[7]，罗时江湿地和江前湿地分别处理洱海北部罗时江和永安江的面源污染，TN和COD也是湿地中主要污染物，主要受上游农业生产影响。张辰等[13]研究表明，畜禽养殖、生活污水排放和种植业农田退水是洱海流域主要污染源；
王哲等[14]的研究结果表明，水稻-大蒜种植制度下，由于冬季大蒜种植期间氮肥施用量大，向水环境排放的氮含量大，有45.4%的氮进入水环境。近年来，洱海保护治理正处于关键时期，为进一步保护洱海水生态环境，切实推进“三禁四推”工作，调整农业种植结构，减少过量依赖化肥实现增产增效的大蒜等种植面积，罗时江湿地水体氮浓度较2014年和2018年呈下降趋势[15,16]。

2.2 不同运行时长湿地的净化效率

在地方职能部门的维护管理下，罗时江湿地和江前湿地至今已运行11a和6a。调查期间，罗时江湿地对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为：22.50%±13.44%、18.35%±10.88%、15.32%±4.91%和17.67%±13.12%，而江前湿地的平均去除率分别为：19.49%±16.09%、2 1.0 5%±1 2.3 4%、1 6.7 1%±1 3.1 2%和30.38%±11.24%（见图2）。运行11a的罗时江湿地对NH3-N、TN和TP的平均去除率都低于运行6a后的江前湿地，但差异性未达到显著水平（P＞0.05），进一步证实长期运行的湿地对氮磷污染物仍具备一定净化效率，与其他学者的研究结果一致[16]。

图2 洱海北部不同运行时长湿地的净化效率

杨桐[17]、梁启斌等[16]和高晓钰等[18]研究发现罗时江湿地对TN的去除率分别为50.8%、37.2%和30.0%，TN去除率呈现出随运行时间增加而降低的趋势。高晓钰[18]的研究结果显示，江前湿地对TN和TP的去除率分别为45.0%和30.0%，高于本研究结果。由图2可知，数据显示两块湿地对污染物净化效率的动态变化较大，个别月份甚至出现负值，表明运行11a和6a后的罗时江湿地和江前湿地存在退化现象[18]。Huett等[5]研究发现，随着人工湿地运行时间增长，由于填料吸附饱和或沉积物中营养盐不断积累，湿地逐渐“老化”，导致湿地对营养盐的净化效率不断降低[6]。王书锦等[19,20]研究发现罗时江湿地表层沉积物氮磷含量高达1.84和1.09 g/kg，属重度污染水平，且呈现明显的表层富集现象。综上，随着运行时间增加，两块湿地对氮、磷的净化效果较之前的研究结果均有不同程度的下降。因此，可考虑对长期运行湿地的沉积物开展环保疏浚，清除氮、磷营养盐，提升人工湿地对营养盐的去除效果，同时将疏浚底泥用于周边绿化，增加绿地土壤肥力，实现资源化利用。此外，也可考虑长期运行湿地功能转型，用作生物多样性恢复地等[18]。

2.3 洱海流域长期运行湿地净化效率的影响因素

为探讨湿地进水水质对净化效率的影响，基于Pearson对罗时江湿地和江前湿地η（TN）、η（NH3-N）、η（TP）、η（COD）与ρ（TN）、ρ（NH3-N）、ρ（TP）、ρ（COD）的相关性分析，结果见表1。

表1显示，湿地TN、NH3-N、TP和COD浓度间均呈显著正相关关系（P＜0.05），湿地水体中氮、磷和COD等污染物具有同源性。η（TN）与ρ（TN）、ρ（NH3-N）显著正相关（P＜0.05），说明水体中较高TN和NH3-N浓度有益于湿地中TN的去除。此外，η（NH3-N）与η（TP）、η（COD）、ρ（TP）显著正相关（P＜0.05），表明TP和COD的去除有益于湿地对水体中NH3-N的去除，合理的碳氮磷比决定微生物的繁殖及污染物的去除。碳影响湿地硝化、反硝化过程碳源供给，进而影响TP和NH3-N的去除，因而η（NH3-N）和η（TP）与ρ（COD）呈现出显著的正相关关系（P＜0.05）。

（1）洱海北部罗时江湿地和江前湿地水体的TP和NH3-N处于I～II类，TN和COD处于I～III类，在切实推行洱海水生态环境系列保护措施后，水质得到改善。

（2）洱海北部运行11a和6a的罗时江湿地和江前湿地仍有一定水质净化能力，罗时江湿地对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为：20.2%±8.4%、18.8%±10.9%、14.5%±4.8%和23.1%±8.1%，江前湿地的平均去除率分别为：8.8%±5.8%、20.4%±13.7%、17.4%±15.1%和24.3%±9.7%。

（3）运行11a的罗时江湿地对污染物去除率明显下降，建议开展环保疏浚或湿地功能转型。