李萍, 岳展， 尹茜, 吳鵬舉, 黃娜, 管秀娟

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006； 2.東莞松山湖高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)綠色低碳發(fā)展促進(jìn)中心，廣東 東莞 523668)

東莞燕嶺濕地作為海綿城市建設(shè)的樣板工程，占地62.7 hm2。由設(shè)置有生態(tài)浮床的高位配水池、垂直流人工濕地和景觀河流3部分構(gòu)成。按照城市水“生態(tài)循環(huán)、梯級(jí)利用”的模式，燕嶺濕地以城市污水處理廠(南畬朗污水處理廠)的出水(再生水)作為補(bǔ)給水源，再生水經(jīng)過(guò)生態(tài)浮床和垂直流人工濕地深度凈化后進(jìn)入自然濕地的景觀水體。近年來(lái)，東莞燕嶺濕地景觀水體出現(xiàn)水色泛綠、透光性下降，影響水體景觀效果的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題[1]。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)高位配水池與垂直流人工濕地在不同月份進(jìn)出水的水質(zhì)，評(píng)價(jià)再生水深度處理設(shè)施對(duì)CODCr、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)等污染物的去除效率；根據(jù)垂直流人工濕地出水的水質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外湖泊及水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化閾值[2-5]，設(shè)置兩組模擬試驗(yàn)，研究緩慢流動(dòng)(流速低于1.5 m/min)的景觀水體的氮、磷濃度對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響；依據(jù)模擬試驗(yàn)的水質(zhì)變化特點(diǎn)，分析藻類生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)水體中氮、磷的凈化效果。提出通過(guò)藻類吸收氮和磷，物理或生物除藻，從根本上解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的方法。

1 材料與方法

1.1 高位配水池、垂直流人工濕地水質(zhì)的檢測(cè)點(diǎn)位與檢測(cè)方法

沿著水流方向在高位配水池的進(jìn)水口、高位配水池的出水口(出水口1)、垂直流人工濕地西南片區(qū)的出水口(出水口2)分別設(shè)置采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)設(shè)在采樣斷面的中央、水面以下0.3 m處。于2016年2月至2018年12月期間的不同月份，采樣檢測(cè)CODCr、NH3-N和TP等水質(zhì)指標(biāo)。水樣預(yù)處理及分析測(cè)試采用水和廢水的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法[6]。

1.2 藻類的培養(yǎng)試驗(yàn)

根據(jù)東莞國(guó)家濕地公園燕嶺濕地的水質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)湖泊及水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化閾值，設(shè)置了兩組模擬試驗(yàn)，研究氮、磷濃度對(duì)藻類生長(zhǎng)情況的影響。第一組試驗(yàn)是在穩(wěn)定TP濃度為0.1 mg/L的條件下，調(diào)節(jié)水中TN濃度分別為0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、12.0、16.0 mg/L。第二組試驗(yàn)是在穩(wěn)定TN濃度為5 mg/L的條件下，調(diào)節(jié)水中TP濃度分別為0.01、0.025、0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6 mg/L。試驗(yàn)周期為30 d，期間每3 d取樣分析一次，檢測(cè)葉綠素a、CODCr、TN和TP等水質(zhì)參數(shù)，依據(jù)采樣分析得到TN、TP的檢測(cè)結(jié)果，補(bǔ)充氮和磷來(lái)維持系統(tǒng)設(shè)定的氮、磷濃度。

1.3 藻類生長(zhǎng)對(duì)氮和磷的吸收試驗(yàn)

以TP濃度為0.1 mg/L、TN濃度為0.5 mg/L，TP濃度為0.01 mg/L、TN濃度為5 mg/L兩個(gè)藻類培養(yǎng)試驗(yàn)為例，依據(jù)試驗(yàn)期間每3 d取樣分析一次，檢測(cè)TN、TP的濃度變化，計(jì)算不同時(shí)期藻類生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)氮和磷的吸收去除效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場(chǎng)采樣的水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

于2016年2月至2018年12月期間的不同月份，采集進(jìn)水口、出水口1、出水口2這3個(gè)采樣點(diǎn)的水樣，分別檢測(cè)CODCr、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)水質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果如圖1—3所示。

CODCr是景觀水常用的水質(zhì)指標(biāo)，其反映景觀水體中有機(jī)物的污染狀況[7-8]。東莞燕嶺濕地高位配水池與垂直流人工濕地進(jìn)、出水CODCr濃度的時(shí)空變化情況如圖1所示。由圖1可知：沿著東莞燕嶺濕地景觀水系水流的方向，CODCr的濃度穩(wěn)步下降，從高位配水池進(jìn)水口的25 mg/L左右，下降至垂直流人工濕地出水口的15 mg/L左右。這說(shuō)明高位配水池的生態(tài)浮床和垂直流人工濕地對(duì)再生水中的CODCr有較好的去除效果。

圖1 不同采樣點(diǎn)CODCr濃度的變化

東莞燕嶺濕地高位配水池和垂直流人工濕地進(jìn)出水的氨氮濃度變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可知：從高位配水池的進(jìn)水口到高位配水池的出水口(出水口1)，水中氨氮濃度的變化不明顯，說(shuō)明高位水池對(duì)氨氮的去除效率很有限；垂直流人工濕地西南片區(qū)的出水(出水口2)與高位配水池的出水(出水口1)相比，氨氮下降的幅度較大，說(shuō)明垂直流人工濕地對(duì)再生水中氨氮的去除效果明顯。

圖2 不同采樣點(diǎn)NH3-N濃度的變化

東莞燕嶺濕地高位配水池和垂直流人工濕地進(jìn)出水的總磷濃度變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可以看出：從高位配水池的進(jìn)水到高位配水池的出水(出水口1)，水中總磷的濃度沒(méi)有明顯的下降，有些時(shí)候甚至還會(huì)升高，說(shuō)明高位配水池的生態(tài)浮床對(duì)總磷的去除作用有限；垂直流人工濕地西南片區(qū)的出水(出水口2)與高位配水池的出水(出水口1)相比，總磷的濃度下降明顯，說(shuō)明人工濕地對(duì)再生水中的總磷有很好的去除效果。

圖3 不同采樣點(diǎn)TP濃度的變化

2.2 不同總氮、總磷濃度對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響

2.2.1 不同總氮濃度對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響

試驗(yàn)期間每3 d取樣檢測(cè)一次，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，及時(shí)補(bǔ)充氮和磷，維持系統(tǒng)設(shè)定的氮的濃度，穩(wěn)定TP濃度為0.1 mg/L。水體中葉綠素a含量的變化情況如圖4所示。由于前3個(gè)試驗(yàn)水樣所需總氮的濃度比景觀水體中總氮的實(shí)際濃度低，須用自來(lái)水稀釋，所以葉綠素a的起始(第0天)濃度不同。

圖4 不同總氮濃度條件下葉綠素a含量的變化

從圖4可以看出：在TP濃度穩(wěn)定的條件下，葉綠素a含量隨著TN濃度的增加而增加，藻類的生長(zhǎng)與TN濃度呈正相關(guān)；當(dāng)TP濃度為0.1 mg/L、TN濃度小于8.0 mg/L時(shí)，隨著TN濃度的增加，葉綠素a含量增加幅度很大，此時(shí)TN的濃度是藻類生長(zhǎng)的重要控制因子；當(dāng)TP濃度為0.1 mg/L、TN濃度大于8.0 mg/L時(shí)，隨著TN濃度的增加，葉綠素a含量雖然也在增加，但是增加幅度很小，這時(shí)TN濃度的大小對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響作用并沒(méi)有那么明顯；隨著時(shí)間的推移，即使TN濃度符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(TN濃度≤1.0 mg/L)，葉綠素a含量還是持續(xù)增加，說(shuō)明藻類在氮濃度較低的條件下也會(huì)大量滋生，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。

2.2.2 不同總磷濃度對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響

在穩(wěn)定總氮濃度(5 mg/L)的條件下，提高總磷的濃度(從0.01 mg/L提升至1.60 mg/L)，葉綠素a含量的變化情況如圖5所示。

圖5 不同總磷濃度條件下葉綠素a含量的變化

從圖5可以看出：在TN濃度一定的條件下，藻類繁殖速度隨著TP濃度的增加而顯著加快，尤其是在TP濃度>0.1 mg/L時(shí)，藻類生長(zhǎng)速度增長(zhǎng)很快，控制TP的濃度是抑制藻類爆發(fā)的重要措施；即使TP濃度符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)(TP濃度≤0.025 mg/L)，葉綠素a含量還是不斷上升，說(shuō)明藻類在低磷的條件下也會(huì)大量滋生，單純的脫氮除磷只能在短時(shí)間內(nèi)解決富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。

2.3 藻類生長(zhǎng)對(duì)氮和磷的吸收情況

氮和磷是藻類生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素，藻類生長(zhǎng)過(guò)程中需要利用氮和磷合成自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。提高水體中氮、磷的含量可以促使藻類生長(zhǎng)，藻類生長(zhǎng)的同時(shí)也利用了氮、磷，降低了水中氮、磷的濃度[9]。進(jìn)行TP濃度為0.1 mg/L、TN濃度為0.5 mg/L，TN濃度為5 mg/L、TP濃度為0.01 mg/L的兩個(gè)藻類培養(yǎng)試驗(yàn)，不同時(shí)期藻類生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)氮和磷的吸收去除效率情況如圖6和圖7所示。

圖6 總氮和總磷的去除率(TP濃度為0.1 mg/L、TN濃度為0.5 mg/L)

圖7 總氮和總磷的去除率(TP濃度為0.01 mg/L、TN濃度為5 mg/L)

由圖6和圖7可知：在總氮或總磷濃度較低的水體中，藻類的生長(zhǎng)可顯著降低水中氮、磷的濃度；每3 d測(cè)試一次，在TP和TN濃度分別維持在0.1、0.5 mg/L的條件下時(shí)，藻類對(duì)總氮和總磷的去除率隨藻類濃度的增加而增加，對(duì)總氮和總磷的去除率分別達(dá)到35%和65%；在TP和TN濃度分別維持在0.01、5 mg/L的條件下時(shí)，藻類對(duì)總氮和總磷的去除率分別接近50%和60%。

3 結(jié)論

隨著《生態(tài)文明體制改革總體方案》《水十條》等重大決策的出臺(tái)，海綿城市與水生態(tài)文明建設(shè)的政策導(dǎo)向日漸清晰。城市再生水經(jīng)過(guò)深度處理后補(bǔ)充景觀水，具有節(jié)約城市用水、減少污染排放等多種作用，已經(jīng)成為我國(guó)海綿城市建設(shè)的重要內(nèi)容。

研究結(jié)果表明：盡管生態(tài)浮床配合垂直流人工濕地對(duì)再生水中的葉綠素a、CODCr、總氮和總磷均有明顯的去除效果，但是景觀水體流動(dòng)緩慢，自我凈化的能力小，即使總氮濃度低于1 mg/L、總磷濃度低于0.025 mg/L也會(huì)出現(xiàn)葉綠素a含量增長(zhǎng)和水體富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)象；藻類的生長(zhǎng)可顯著降低水中氮、磷的濃度，配合物理或生物除藻的方法[10]，可以高效地降低水體中氮和磷的濃度，避免景觀水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化。