濕地水質凈化效果分析范文

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1材料與方法

1．1樣品采集2013年8月1日15∶30—17∶00在貫涇港濕地的4個關鍵節點(G1-G4，圖1)采集水樣，具體為:G1為濕地進口，以了解濕地水源———海鹽塘的水質(水源1);G2為濕地根孔生態凈化區出口，以了解水源水經過根孔凈化區之后的水質變化;G3為深度凈化區出口，以了解根孔區之后的狹長型過渡河段和深度凈化區對水質的進一步凈化效果;G4為水廠取水口，以了解另一水源———南郊河的水質(水源2)。上述采樣點均有采樣斷面橋，方便采樣。采樣時天氣晴朗。水樣采集和保存參照《水與廢水監測分析方法(第4版)》［12］和《地表水和污水監測技術規范HJ/T91-2002》的標準方法進行。用沖洗2次的5L有機玻璃分層采水器于采樣斷面中點處約0．5m水深處采樣。為避免注水干擾和水質變化，立即在有機玻璃采水器中用現場校準的便攜式水質分析儀(上海精密儀器儀表有限公司)測定溫度、pH(pHB-4)、氧化還原電位(ORP，501型ORP復合電極)和溶解氧(DO，JPB-607A)，記錄測定時間。用棕色玻璃瓶采集兩份40mL水樣，加酸調節pH至小于2，一份水樣加4滴濃H2SO4，待測化學需氧量(COD)和總有機碳(TOC)，一份用0．45μm孔徑的水系濾膜現場過濾后加4滴濃HNO3，待測金屬元素。用塑料瓶采集600mL水樣，放入冷藏保溫箱中儲藏，待測其它水化學指標。用棕色玻璃瓶采集1L水樣，現場加魯哥氏液15mL固定。用塑料瓶采集600mL水樣，并立即加1mL碳酸鎂懸浮液，防止溶解，待測各種葉綠素。

1．2樣品處理與分析采樣結束盡快回到野外工作站，于暗處用真空泵和0．45μm孔徑玻璃纖維濾膜(WhatmanGF/C)抽濾葉綠素水樣500mL，用鑷子夾取過濾后濾膜放入棕色玻璃瓶冷凍保存。回到北京實驗室后，采用標準方法———分光光度法測定葉綠素，用90%的丙酮提取，離心后，用分光光度計測定波長750、663、645和630nm處吸光度值，計算可得到葉綠素a(chloro-phyll-a，chl-a)、葉綠素b(chlorophyll-b，chl-b)和葉綠素c(chlorophyll-c，chl-c)。加HCl酸化后用分光光度計測定750和665nm處吸光度值，計算得到脫鎂葉綠素a(Pheo-a)和校正葉綠素a(chl-a’)［13］。加魯哥氏液固定后的水樣靜置沉淀24h后，用虹吸法吸去上清液，余下20～25mL沉淀混合物轉入30mL定量瓶中，定容至30mL。加入1mL40%的甲醇溶液以利于長期保存。測定之前，將濃縮樣品搖勻，取1mL放于1mL的計數框中，小心蓋上蓋玻片，置10×40倍顯微鏡下對藻類計數，沿對角線計數小方格里的所有藻類個數，最后換算為每升水樣中所含浮游藻類的個數，即藻類密度［14］。水樣的COD采用HACH水質分析方法，取2mL水樣經HACH配套試劑消煮后由DR5000紫外可見分光光度計(HACH公司，美國)進行測定;TOC由總有機碳分析儀(島津TOC-VCPH，日本)直接測定;五日生化需氧量(BOD5)采用HJ505-2009規定的標準方法，測定20℃培養5d前后水樣的溶解氧差值得到。總懸浮顆粒物(totalsuspendedsolids，TSS)采用重量法測定，按照水樣潔凈程度抽濾100～250mL水樣，稱取0．45μm孔徑濾膜上的干物質換算得到。硝態氮(NO－3-N)用雙波長法測定，水樣加酸后分別在220和275nm下比色。亞硝態氮(NO－2-N)采用分光光度法，取一定量水樣加顯色劑后在540nm波長下比色測定。氨氮(NH+4-N)用靛酚藍比色法測定，加顯色劑后在625nm波長下比色可得。溶解性活性磷(solublereactivephosphorus，SRP)用鉬酸鹽顯色法，水樣加抗壞血酸和鉬酸鹽溶液顯色后在700nm波長下比色得到。總氮(TN)和總磷(TP)樣品分別加堿性過硫酸鉀、過硫酸鉀消煮后，按照水中NO－3-N、SRP的測定方法進行測定。總堿度(Alk)采用滴定法測定，用酚酞和甲基橙指示劑指示HCl滴定終點，通過利用HCl的體積計算可得。F－、Cl－和SO2－4等陰離子采用陰離子色譜(ICS2000型，Dionex公司，美國)直接上機測定過濾后的水樣。加HNO3保存的待測金屬樣品，其中常規金屬元素Ca、Mg、Na、K、Fe、Mn和Al用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES，OPTIMA2000DV，PerkinElmer，USA)測定，重金屬元素Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb用電感耦合等離子質譜儀(7500aICP-MS，Agilent，USA)測定。水體水化學類型依據O．A．阿列金分類法進行劃分。根據含量最多的陰離子將水分為3類:碳酸鹽類(符號C)、硫酸鹽類(S)和氯化物類(Cl)，含量的多少是以單位電荷離子為基本單元的物質的量濃度進行比較，并將HCO－3與CO2－3合并為一類。根據含量最多的陽離子將水分為3組:鈣組(符號Ca)、鎂組(Mg)與鈉組(Na)，在分組時將Na+與K+合并為鈉組，以Ca2+、Mg2+及Na+(K+)為基本單元的物質的量濃度進行比較。根據陰陽離子含量的比例關系將水分為4型(I～IV)。第I型水特點是堿度＞硬度，第II型水是堿度＜硬度＜堿度+硫酸根，第III型水是堿度+硫酸根＜硬度，或者說氯離子＞鈉離子，第IV型水是堿度為零。1．4統計分析采用國際標準統計分析軟件SASforWindows9．2軟件(SASInstitute，Inc．，Cary，NC，USA)進行數據處理和統計分析［15，16］。若無特別說明，所有統計學顯著性水平指α=0．05。

2結果與分析

2．1貫涇港濕地常規水質貫涇港濕地常規水質見表1。采樣時值盛夏晴天，水溫達35℃左右。貫涇港濕地沿程(G1-G3)pH變化較小，均呈弱堿性，顯著高于水廠現狀取水口G4(實為水源2———南郊河的水)，呈中性，二者pH相差1個單位以上，結合溫度、Alk和硬度等數據，表明貫涇港濕地其水體初級生產力水平和緩沖性能均明顯大于水源2。DO變化大，濕地進口的DO達10．3mg/L(飽和度151．0%)，經過根孔區的凈化后，水源水中氨氮氧化以及有機物分解過程多發生于此，從而消耗水體中較多DO，致使DO驟降至5．2mg/L(飽和度73．9%)，再經過狹長型過渡河段，及至狹長型深度凈化區后，依靠大氣自然復氧和水生植物光合作用產氧功能，其DO恢復至8．5mg/L(飽和度123．8%);然而，貫涇港水廠現狀取水口的DO卻極低，僅為0．9mg/L(飽和度12．8%)。可以看出，DO與pH具有協同變化性(表1)。水體ORP變化不大，在175～222mV之間，能夠滿足好氧微生物、兼性厭氧微生物的有氧呼吸的活動需要。水體Alk變化較小，不過G1-G3點位的Alk均較顯著高于G4點位，說明前者緩沖性能大于后者。綜上，水源2(G4)的pH、DO、Alk水平均顯著不及水源1(G1)。

2．2貫涇港濕地營養鹽指標貫涇港濕地營養鹽指標見表2。濕地對TSS的去除率為22．45%，其中根孔區去除率為61．22%，而水源2的TSS是水源1的2．35倍。濕地對NH+4-N和TN的去除率為66．80%和45．44%，而對NO－2-N和NO－3-N無明顯去除，水源2的NO－2-N和NO－3-N分別是水源1的11．5和7．4倍。濕地對SRP和TP的去除率為66．67%和50．28%，在根孔區有較高的去除率，而水源2的SRP和TP分別是水源1的41．1和1．7倍。濕地對TOC和COD的去除率為29．39%和59．26%，水源2的TOC和COD僅為水源1的68．9%和48．1%。濕地根孔區對BOD5的去除率為36．4%，而至深度凈化區后則又升至與濕地進口相近水平，總體上濕地對BOD5無明顯去除，水源2的BOD5僅為水源1的52．23%。由此看出，新通水調試運行的貫涇港濕地對水中營養物質的去除作用較明顯，特別是經過根孔凈化區后，去除率很高，及至深度凈化區，去除效果有部分波動，總體上較好，同已經運行良好的石臼漾濕地表現出類似的規律。水源2(G4)的水質相較于濕地中各點(G2和G3)的水質則要差很多，有的甚至是數量級的差距。水源2與水源1(G1)相比，其TN、TOC、COD和BOD5均低較多，但TSS、NH+4-N、NO－2-N、NO－3-N、SRP和TP又高出很多，因此綜合比較認為，水源2與水源1的營養鹽指標難分彼此(表2)。進一步分析貫涇港濕地水體中有機質的可生化性。一般認為，當COD與TOC比值(r(COD/TOC))實測值小于2．67時，說明待測物質中芳香族類化合物，特別是稠環、多環芳烴化合物的含量相對多些;當實測值大于2．67時，說明待測物質中除了碳以外的其他還原性物質的含量相對于芳香族類化合物多些;當實測值等于2．67時，可能是由于待測物質中二者含量相當，也可能是二者含量較少［17］。一般以BOD5與COD比值(r(BOD5/COD))0．3作為污水可生化降解的下限，比值越大說明有機質的可生化性越大［18］。由表3可知，r(COD/TOC)、r(BOD5/COD)這兩個比值皆低于下限值2．67和0.3。就r(COD/TOC)而言，G2點低于G1點，G3點遠低于G2點，從而說明，濕地根孔凈化區和深度凈化區均能顯著削減水源水中的除了碳以外的其他還原性物質的含量，而深度凈化區的削減作用更明顯。從絕對值上看，G2、G3的TOC差別不大，而G3其COD顯著低于G2，這說明深度凈化區確實能夠進一步有效去除水體有機物。就r(BOD5/COD)而言，G2點與G1點幾乎相等，G3點則遠大于G2點，表明經過濕地的處理，特別是在深度凈化區，水體中有機質的可生化性大大增加。從絕對值上看，G3其COD顯著低于G2，而BOD5則顯著高于G2，這很有可能是深度凈化區的生物活動釋放了某些可氧化物質，特別是有機物。縱觀兩個水源其有機質可生化性均較差。

2．3葉綠素與藻類密度為分析貫涇港濕地夏季高溫季節是否有爆發藻類水華的風險，本次采樣測定了水中的藻類細胞密度和各種葉綠素。藻類細胞密度最能直接說明水體中藻類的多少和水華爆發的強度，葉綠素是所有光合藻類和高等植物所共有的，是藻類細胞重要組成成分之一，所有的藻類均含有葉綠素，葉綠素含的高低與水體中藻類的種類、數量等密切相關，也與水環境質量有關。chl-a、chl-b和chl-c是浮游藻類細胞中常見的3種葉綠素，其中chl-a是估計藻類生物量的重要指標，在3種常見葉綠素中的比例最大。因此，通過測定水體中葉綠素能夠在一定程度上反映水體中藻類數量的多少和水質狀況［13，14］。由表4可知，貫涇港濕地對水中的各種葉綠素均有很好的去除效果。chl-a、chl-b和chl-c在本濕地中的去除率可達68．93%、91．82%和84．15%。3種常見葉綠素(a，b和c)的總濃度由水源的221．59μg/L下降為根孔凈化區過后的85．76μg/L，再經過深度凈化區后下降至19．27μg/L，去除率非常高。Pheo-a是一種chl-a的普通降解產物，它在chl-a的相同光譜區吸收光合熒光，能夠干擾chl-a的測定［13］。chl-a’和Pheo-a的去除率分別達到了67．04%和81．71%。可以看出，水廠取水口(水源2)的各種葉綠素濃度是最低的，這是因為取水口的濁度非常大，DO極低，水質很差，很少有藻類能在此生長，所以葉綠素濃度非常低，其藻類密度亦最低(表4)。在貫涇港濕地內部，藻類密度隨著水力流程先降低后增加，在根孔區出口最低，去除率可達60．31%，深度凈化區出口相對于濕地進口的去除率也能達到42．42%。表觀上綜合來看，水源2的各葉綠素濃度與藻類密度均極顯著低于水源1的相應值。研究表明，對于大型淺水富營養化湖泊而言，在形成水華時，水體中chl-a的濃度一般在10μg/L以上;通常當TN∶TP＜29時，可以形成水華的藍藻會占優勢，然而最近的研究結果表明，在較高的TN∶TP的情況下，水體中也會形成藍藻的水華，較低的TN∶TP并不是藍藻水華形成的條件，而是藍藻水華產生的結果［19］。貫涇港濕地chl-a濃度均在10μg/L以上，其進口(水源1)、根孔區出水、深度凈化區出口的N∶P物質的量比值分別為23．6、38．7和25．8，濕地進口、出口的N∶P比基本相等，而經過根孔凈化區之后N∶P比提升較多。根據現場觀察，在貫涇港濕地內部未發現明顯的藻類水華點，研究亦表明構筑根孔濕地的根孔凈化區的植物床-溝壕系統具有顯著的藻類捕獲效應［6］，這從貫涇港濕地根孔區藻類密度的降低以及N∶P比最高均可以看出來。水源2的N∶P比最小，僅為11．6，結合水源2的溶解氧僅為0．9mg/L，初步推測水源2很可能是爆發了藻類水華后的結果。今后，針對高溫季節水源水中藻類水華爆發的可能性以及構筑根孔濕地對藻類水華爆發的抑制性，需從藻類種類組成及其群落演替特征等方面開展深入研究。

2．4主要金屬元素與八大離子分析金屬元素特別是重金屬數據，可知常規金屬和重金屬在濕地內波動，大部分隨著水力流程下降(表5)。常規金屬Ca、Na、Fe、Mn和Al呈現一定去除率，而Mg、K去除效果不明顯。濕地對重金屬去除效果比較明顯，除了毒性較大的Cd未檢出外，其他五種重金屬Cr、Cu、Ni、Zn和Pb的去除率分別為31．74%、23．21%、82．47%、52．24%和40．44%，且Cr、Cu和Zn3種重金屬的濃度最低值出現在根孔凈化區出口，及至深度凈化區，濃度稍微上升。水廠取水口(水源2)的各重金屬濃度普遍高于濕地根孔凈化區出口和深度凈化區出口重金屬的濃度，甚至重金屬Ni和常規金屬Mn的濃度高于濕地進口(水源1)濃度，表明水廠取水口的水質比濕地出口水質差。比較兩個水源，除了極少數的元素(Mn和Ni)，水源2的重金屬濃度低于水源1，表明水源2受到的重金屬污染比較少，金屬元素的濃度較低。天然水中溶存數量多的主要離子是Ca2+。Mg2+、Na+和K+4種陽離子和HCO－3、CO2－3、SO2－4和Cl－4種陰離子，合稱八大離子。它們構成的鹽類約占水中溶解鹽類總量的90%以上，它們的總量又非常接近水體的礦化度［20］。對8大離子濃度分布特征(表6)進行分析表明，經過貫涇港濕地根孔凈化區的凈化作用，水體中HCO－3、CO2－3、Cl－、Ca2+和Na+均有下降，Mg2+和K+基本不變，SO2－4升高，離子總量從水源水的303．95mg/L顯著降低為267．14mg/L，陽離子組別從鈣組變為鈉組，但主要離子的比例關系仍維持不變。再經過深度凈化區的作用后，水體中多數陰陽離子(SO2－4除外)的濃度略有反彈，離子總量略微升高至271．39mg/L，濕地對離子總量的去除率為10．71%。水源2中除SO2－4離子濃度極顯著高于水源1中濃度，其余離子濃度均低于水源1，但水源2離子總量仍高于貫涇港濕地根孔凈化區和深度凈化區的出水。

3討論

3．1貫涇港濕地對水源水的處理效果貫涇港構筑根孔濕地是仿自然人工濕地的一種。人工濕地中污染物質的去除機制主要包括物理、化學、生物等過程，其中物理過程為物理吸附、固定與沉積，化學過程主要有化學吸附、氧化與水解、沉淀與共沉淀、絡合等作用，生物過程主要是植物吸收、微生物新陳代謝等作用。總體上，貫涇港構筑根孔濕地在調試運行期階段表現出了較好的水質凈化效果，尤其是核心區———濕地根孔生態凈化區，對各種污染物的去除具有較高的效率，主要表現在常規指標、營養鹽指標和藻類密度、各種葉綠素等。但仍然可以看出某些指標的去除率尚不是十分理想，一方面是因為水源水中濃度本身較低，另一方面是由于其他綜合因素的影響，如濕地系統處于調試運行期間，水生植物尚處于蓄水涵養階段，植物床的根區環境亦未發育成熟，人造根孔和自然根孔還處于形成階段。這種較好的去除效果主要體現在濕地進口到根孔區出口這一段上，在根孔區出口到深度凈化區出口這段，部分指標表現出了進一步去除和降低的效果，但多數指標均有所上升。此結果表明，深度凈化區在試通水調試運行初期仍不穩定，對部分污染物并沒有表現出像已經穩定運行的石臼漾濕地的處理效果。石臼漾濕地亦是同類型的構筑根孔濕地，經過5年多的持續穩定運行，其植物、動物、微生物等多種資源得到較大發展，生物多樣性較顯著提高，水質指標有明顯改善，水質基本提升一個等級，對水體中的難降解有機物如多環芳烴和重金屬元素都有較好的處理效果。貫涇港濕地與石臼漾濕地相比，剛剛試通水調試運行，加之其規模更大，水源水質情況更復雜，濕地植物和水生態系統尚處于非成熟的演替初期階段，相對不穩定。在目前進水水源(水源1)部分指標高于水廠取水口(水源2)的情況下，濕地出水水質好于或明顯好于取水口，可以預期在濕地逐步成熟后，其出水水質會進一步提高。

3．2雙水源的水質狀況比較由分析可以得知，水中的常規理化指標和營養鹽指標在2個水源之間沒有絕對的區分，部分指標是水源1較好，如DO、TSS、氮和磷的各種形態，部分指標則水源2較好，如COD、TOC、TN。藻類密度與葉綠素在水源2顯示出了極大的優勢，此原因可以歸結為水源2即取水口處水體濁度非常大，即便是夏季高溫季節也不適合藻類的生長，同時結合水源2的DO極低(0．9mg/L)，推測很有可能是水源2剛剛爆發了藻類水華的結果，這方面的準確界定還需今后的深入研究揭示。水源2水體在各種陰陽離子特別是金屬濃度上顯示了較好的質量，特別是重金屬濃度，明顯優于水源1。但本質上，平原河網水源的特點是:水文水動力條件反復多變，2個水源有相互交叉的部分，南郊河、海鹽塘水源的水質均不穩定。由于地理位置和城市土地利用規劃的原因，濕地只能以水源1即海鹽塘作為其進水，所以為進一步保證濕地的水質凈化效果，需要定期對海鹽塘河道進行疏浚清淤，做好河道和河岸整治工作。

3．3貫涇港濕地存在的問題及改進措施由于貫涇港濕地剛剛開始調試運行，濕地尚處于不穩定的狀態，本研究對于及時發現濕地運行初期存在的問題尤其重要，發現的問題有以下幾個方面:(1)水源的選擇更要慎重，需要更深入對比兩個水源的水質，同時亦需更全面考慮其他客觀因素;濕地水源海鹽塘需要定期疏浚清淤;(2)深度凈化區的維護和管理需要更加細心，由于此區域狹長，與水源河道和根孔凈化區相鄰，需要防滲漏，防污染，調整好運行條件和水位梯度;(3)現有深度凈化區(含濕地過渡河段)為狹長型，整體面積偏小，其蓄水容積較小，水質穩定性較差，不利于發揮其深度凈化、穩定水質和提供較大量緩沖應急供水等功能，且存在爆發藻類水華的可能性。在可能的情況下，宜進一步擴大深度凈化區的面積和蓄水容量;(4)植物園凈化區雖然暫時未通水，但由于面積較大(102hm2)，水力狀況復雜，后續通水后游客參觀會對水體有影響，需要加強宣傳與教育，并及時監督和報告水質異常;(5)貫涇港水廠的取水口需要進一步核查是否存在泄漏，水利設施條件是否完善，原有的污水是否排出，底泥是否污染水體，對漂浮垃圾等需要及時打撈和清理，保證取水安全，更保證取水口的水確實是濕地的正常出水，充分發揮和利用構筑根孔濕地的水質凈化作用。可以預期，雖然貫涇港濕地在試通水調試運行期存在某些不足，但是經過采取有效手段解決這些問題，進一步優化和加強管理，貫涇港濕地會逐步趨于穩定運行和發揮較好水質凈化效果。石臼漾濕地在運行初期亦存在著一些不足［29］，但是經過多年穩定運行和優化管理，越來越好地發揮著穩定改善水質的作用。隨著濕地植物和水生態系統逐步趨于成熟，貫涇港濕地亦能與石臼漾濕地一樣呈現較好的水質處理效果，特別是對飲用水源中的難降解高分子有機物質，保證嘉興地區的飲用水供給，也可為其他類似地區的飲用水源處理提供一定的借鑒意義和經驗。

4結論

(1)貫涇港構筑根孔濕地的水質凈化效果較好。經過根孔凈化區(核心區域)和深度凈化區處理后的水源水，其水質相對較好。濕地對營養物質、各種葉綠素、藻類密度和重金屬元素具有很高的去除效率，對chl-a、chl-b、chl-c、藻類密度去除率分別為68．93%、91．82%、84．15%和60．31%，對重金屬Cr、Cu、Ni、Zn和Pb的去除率分別為31．74%、23.21%、82．47%、52．24%和40．44%。(2)比較2個水源水質后發現，總體上水源2的水質相對較好，但水中的常規指標、營養鹽指標在兩個水源沒有絕對的區分，部分指標是水源1較好，如DO、TSS、氮和磷的各種形態，部分指標則水源2較好，如COD、TOC和TN。藻類密度與葉綠素在水源2呈現出了極大的優勢，但DO極低，水源2中各種陰陽離子特別是在金屬元素的含量上顯示出了較好的質量。(3)雖然貫涇港濕地在調試運行期存在某些不足，但是可以預期經過有效解決這些問題，優化運行和管理，貫涇港濕地會逐步趨于穩定，同石臼漾濕地一樣呈現較好的水質處理效果，保證嘉興地區的飲用水供給。

作者：王寶玲 潘瀟 張榮斌 陳慶華 周春東 沈培鋒 王為東 尹澄清 單位：中國科學院生態環境研究中心 環境水質學國家重點實驗室 中國科學院大學 嘉興市水利投資有限公司 嘉興市水利水電勘察設計研究院