湿地水质净化效果分析范文

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1材料与方法

1．1样品采集2013年8月1日15∶30—17∶00在贯泾港湿地的4个关键节点(G1-G4，图1)采集水样，具体为:G1为湿地进口，以了解湿地水源———海盐塘的水质(水源1);G2为湿地根孔生态净化区出口，以了解水源水经过根孔净化区之后的水质变化;G3为深度净化区出口，以了解根孔区之后的狭长型过渡河段和深度净化区对水质的进一步净化效果;G4为水厂取水口，以了解另一水源———南郊河的水质(水源2)。上述采样点均有采样断面桥，方便采样。采样时天气晴朗。水样采集和保存参照《水与废水监测分析方法(第4版)》［12］和《地表水和污水监测技术规范HJ/T91-2002》的标准方法进行。用冲洗2次的5L有机玻璃分层采水器于采样断面中点处约0．5m水深处采样。为避免注水干扰和水质变化，立即在有机玻璃采水器中用现场校准的便携式水质分析仪(上海精密仪器仪表有限公司)测定温度、pH(pHB-4)、氧化还原电位(ORP，501型ORP复合电极)和溶解氧(DO，JPB-607A)，记录测定时间。用棕色玻璃瓶采集两份40mL水样，加酸调节pH至小于2，一份水样加4滴浓H2SO4，待测化学需氧量(COD)和总有机碳(TOC)，一份用0．45μm孔径的水系滤膜现场过滤后加4滴浓HNO3，待测金属元素。用塑料瓶采集600mL水样，放入冷藏保温箱中储藏，待测其它水化学指标。用棕色玻璃瓶采集1L水样，现场加鲁哥氏液15mL固定。用塑料瓶采集600mL水样，并立即加1mL碳酸镁悬浮液，防止溶解，待测各种叶绿素。

1．2样品处理与分析采样结束尽快回到野外工作站，于暗处用真空泵和0．45μm孔径玻璃纤维滤膜(WhatmanGF/C)抽滤叶绿素水样500mL，用镊子夹取过滤后滤膜放入棕色玻璃瓶冷冻保存。回到北京实验室后，采用标准方法———分光光度法测定叶绿素，用90%的丙酮提取，离心后，用分光光度计测定波长750、663、645和630nm处吸光度值，计算可得到叶绿素a(chloro-phyll-a，chl-a)、叶绿素b(chlorophyll-b，chl-b)和叶绿素c(chlorophyll-c，chl-c)。加HCl酸化后用分光光度计测定750和665nm处吸光度值，计算得到脱镁叶绿素a(Pheo-a)和校正叶绿素a(chl-a’)［13］。加鲁哥氏液固定后的水样静置沉淀24h后，用虹吸法吸去上清液，余下20～25mL沉淀混合物转入30mL定量瓶中，定容至30mL。加入1mL40%的甲醇溶液以利于长期保存。测定之前，将浓缩样品摇匀，取1mL放于1mL的计数框中，小心盖上盖玻片，置10×40倍显微镜下对藻类计数，沿对角线计数小方格里的所有藻类个数，最后换算为每升水样中所含浮游藻类的个数，即藻类密度［14］。水样的COD采用HACH水质分析方法，取2mL水样经HACH配套试剂消煮后由DR5000紫外可见分光光度计(HACH公司，美国)进行测定;TOC由总有机碳分析仪(岛津TOC-VCPH，日本)直接测定;五日生化需氧量(BOD5)采用HJ505-2009规定的标准方法，测定20℃培养5d前后水样的溶解氧差值得到。总悬浮颗粒物(totalsuspendedsolids，TSS)采用重量法测定，按照水样洁净程度抽滤100～250mL水样，称取0．45μm孔径滤膜上的干物质换算得到。硝态氮(NO－3-N)用双波长法测定，水样加酸后分别在220和275nm下比色。亚硝态氮(NO－2-N)采用分光光度法，取一定量水样加显色剂后在540nm波长下比色测定。氨氮(NH+4-N)用靛酚蓝比色法测定，加显色剂后在625nm波长下比色可得。溶解性活性磷(solublereactivephosphorus，SRP)用钼酸盐显色法，水样加抗坏血酸和钼酸盐溶液显色后在700nm波长下比色得到。总氮(TN)和总磷(TP)样品分别加碱性过硫酸钾、过硫酸钾消煮后，按照水中NO－3-N、SRP的测定方法进行测定。总碱度(Alk)采用滴定法测定，用酚酞和甲基橙指示剂指示HCl滴定终点，通过利用HCl的体积计算可得。F－、Cl－和SO2－4等阴离子采用阴离子色谱(ICS2000型，Dionex公司，美国)直接上机测定过滤后的水样。加HNO3保存的待测金属样品，其中常规金属元素Ca、Mg、Na、K、Fe、Mn和Al用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，OPTIMA2000DV，PerkinElmer，USA)测定，重金属元素Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb用电感耦合等离子质谱仪(7500aICP-MS，Agilent，USA)测定。水体水化学类型依据O．A．阿列金分类法进行划分。根据含量最多的阴离子将水分为3类:碳酸盐类(符号C)、硫酸盐类(S)和氯化物类(Cl)，含量的多少是以单位电荷离子为基本单元的物质的量浓度进行比较，并将HCO－3与CO2－3合并为一类。根据含量最多的阳离子将水分为3组:钙组(符号Ca)、镁组(Mg)与钠组(Na)，在分组时将Na+与K+合并为钠组，以Ca2+、Mg2+及Na+(K+)为基本单元的物质的量浓度进行比较。根据阴阳离子含量的比例关系将水分为4型(I～IV)。第I型水特点是碱度＞硬度，第II型水是碱度＜硬度＜碱度+硫酸根，第III型水是碱度+硫酸根＜硬度，或者说氯离子＞钠离子，第IV型水是碱度为零。1．4统计分析采用国际标准统计分析软件SASforWindows9．2软件(SASInstitute，Inc．，Cary，NC，USA)进行数据处理和统计分析［15，16］。若无特别说明，所有统计学显著性水平指α=0．05。

2结果与分析

2．1贯泾港湿地常规水质贯泾港湿地常规水质见表1。采样时值盛夏晴天，水温达35℃左右。贯泾港湿地沿程(G1-G3)pH变化较小，均呈弱碱性，显著高于水厂现状取水口G4(实为水源2———南郊河的水)，呈中性，二者pH相差1个单位以上，结合温度、Alk和硬度等数据，表明贯泾港湿地其水体初级生产力水平和缓冲性能均明显大于水源2。DO变化大，湿地进口的DO达10．3mg/L(饱和度151．0%)，经过根孔区的净化后，水源水中氨氮氧化以及有机物分解过程多发生于此，从而消耗水体中较多DO，致使DO骤降至5．2mg/L(饱和度73．9%)，再经过狭长型过渡河段，及至狭长型深度净化区后，依靠大气自然复氧和水生植物光合作用产氧功能，其DO恢复至8．5mg/L(饱和度123．8%);然而，贯泾港水厂现状取水口的DO却极低，仅为0．9mg/L(饱和度12．8%)。可以看出，DO与pH具有协同变化性(表1)。水体ORP变化不大，在175～222mV之间，能够满足好氧微生物、兼性厌氧微生物的有氧呼吸的活动需要。水体Alk变化较小，不过G1-G3点位的Alk均较显著高于G4点位，说明前者缓冲性能大于后者。综上，水源2(G4)的pH、DO、Alk水平均显著不及水源1(G1)。

2．2贯泾港湿地营养盐指标贯泾港湿地营养盐指标见表2。湿地对TSS的去除率为22．45%，其中根孔区去除率为61．22%，而水源2的TSS是水源1的2．35倍。湿地对NH+4-N和TN的去除率为66．80%和45．44%，而对NO－2-N和NO－3-N无明显去除，水源2的NO－2-N和NO－3-N分别是水源1的11．5和7．4倍。湿地对SRP和TP的去除率为66．67%和50．28%，在根孔区有较高的去除率，而水源2的SRP和TP分别是水源1的41．1和1．7倍。湿地对TOC和COD的去除率为29．39%和59．26%，水源2的TOC和COD仅为水源1的68．9%和48．1%。湿地根孔区对BOD5的去除率为36．4%，而至深度净化区后则又升至与湿地进口相近水平，总体上湿地对BOD5无明显去除，水源2的BOD5仅为水源1的52．23%。由此看出，新通水调试运行的贯泾港湿地对水中营养物质的去除作用较明显，特别是经过根孔净化区后，去除率很高，及至深度净化区，去除效果有部分波动，总体上较好，同已经运行良好的石臼漾湿地表现出类似的规律。水源2(G4)的水质相较于湿地中各点(G2和G3)的水质则要差很多，有的甚至是数量级的差距。水源2与水源1(G1)相比，其TN、TOC、COD和BOD5均低较多，但TSS、NH+4-N、NO－2-N、NO－3-N、SRP和TP又高出很多，因此综合比较认为，水源2与水源1的营养盐指标难分彼此(表2)。进一步分析贯泾港湿地水体中有机质的可生化性。一般认为，当COD与TOC比值(r(COD/TOC))实测值小于2．67时，说明待测物质中芳香族类化合物，特别是稠环、多环芳烃化合物的含量相对多些;当实测值大于2．67时，说明待测物质中除了碳以外的其他还原性物质的含量相对于芳香族类化合物多些;当实测值等于2．67时，可能是由于待测物质中二者含量相当，也可能是二者含量较少［17］。一般以BOD5与COD比值(r(BOD5/COD))0．3作为污水可生化降解的下限，比值越大说明有机质的可生化性越大［18］。由表3可知，r(COD/TOC)、r(BOD5/COD)这两个比值皆低于下限值2．67和0.3。就r(COD/TOC)而言，G2点低于G1点，G3点远低于G2点，从而说明，湿地根孔净化区和深度净化区均能显著削减水源水中的除了碳以外的其他还原性物质的含量，而深度净化区的削减作用更明显。从绝对值上看，G2、G3的TOC差别不大，而G3其COD显著低于G2，这说明深度净化区确实能够进一步有效去除水体有机物。就r(BOD5/COD)而言，G2点与G1点几乎相等，G3点则远大于G2点，表明经过湿地的处理，特别是在深度净化区，水体中有机质的可生化性大大增加。从绝对值上看，G3其COD显著低于G2，而BOD5则显著高于G2，这很有可能是深度净化区的生物活动释放了某些可氧化物质，特别是有机物。纵观两个水源其有机质可生化性均较差。

2．3叶绿素与藻类密度为分析贯泾港湿地夏季高温季节是否有爆发藻类水华的风险，本次采样测定了水中的藻类细胞密度和各种叶绿素。藻类细胞密度最能直接说明水体中藻类的多少和水华爆发的强度，叶绿素是所有光合藻类和高等植物所共有的，是藻类细胞重要组成成分之一，所有的藻类均含有叶绿素，叶绿素含的高低与水体中藻类的种类、数量等密切相关，也与水环境质量有关。chl-a、chl-b和chl-c是浮游藻类细胞中常见的3种叶绿素，其中chl-a是估计藻类生物量的重要指标，在3种常见叶绿素中的比例最大。因此，通过测定水体中叶绿素能够在一定程度上反映水体中藻类数量的多少和水质状况［13，14］。由表4可知，贯泾港湿地对水中的各种叶绿素均有很好的去除效果。chl-a、chl-b和chl-c在本湿地中的去除率可达68．93%、91．82%和84．15%。3种常见叶绿素(a，b和c)的总浓度由水源的221．59μg/L下降为根孔净化区过后的85．76μg/L，再经过深度净化区后下降至19．27μg/L，去除率非常高。Pheo-a是一种chl-a的普通降解产物，它在chl-a的相同光谱区吸收光合荧光，能够干扰chl-a的测定［13］。chl-a’和Pheo-a的去除率分别达到了67．04%和81．71%。可以看出，水厂取水口(水源2)的各种叶绿素浓度是最低的，这是因为取水口的浊度非常大，DO极低，水质很差，很少有藻类能在此生长，所以叶绿素浓度非常低，其藻类密度亦最低(表4)。在贯泾港湿地内部，藻类密度随着水力流程先降低后增加，在根孔区出口最低，去除率可达60．31%，深度净化区出口相对于湿地进口的去除率也能达到42．42%。表观上综合来看，水源2的各叶绿素浓度与藻类密度均极显著低于水源1的相应值。研究表明，对于大型浅水富营养化湖泊而言，在形成水华时，水体中chl-a的浓度一般在10μg/L以上;通常当TN∶TP＜29时，可以形成水华的蓝藻会占优势，然而最近的研究结果表明，在较高的TN∶TP的情况下，水体中也会形成蓝藻的水华，较低的TN∶TP并不是蓝藻水华形成的条件，而是蓝藻水华产生的结果［19］。贯泾港湿地chl-a浓度均在10μg/L以上，其进口(水源1)、根孔区出水、深度净化区出口的N∶P物质的量比值分别为23．6、38．7和25．8，湿地进口、出口的N∶P比基本相等，而经过根孔净化区之后N∶P比提升较多。根据现场观察，在贯泾港湿地内部未发现明显的藻类水华点，研究亦表明构筑根孔湿地的根孔净化区的植物床-沟壕系统具有显著的藻类捕获效应［6］，这从贯泾港湿地根孔区藻类密度的降低以及N∶P比最高均可以看出来。水源2的N∶P比最小，仅为11．6，结合水源2的溶解氧仅为0．9mg/L，初步推测水源2很可能是爆发了藻类水华后的结果。今后，针对高温季节水源水中藻类水华爆发的可能性以及构筑根孔湿地对藻类水华爆发的抑制性，需从藻类种类组成及其群落演替特征等方面开展深入研究。

2．4主要金属元素与八大离子分析金属元素特别是重金属数据，可知常规金属和重金属在湿地内波动，大部分随着水力流程下降(表5)。常规金属Ca、Na、Fe、Mn和Al呈现一定去除率，而Mg、K去除效果不明显。湿地对重金属去除效果比较明显，除了毒性较大的Cd未检出外，其他五种重金属Cr、Cu、Ni、Zn和Pb的去除率分别为31．74%、23．21%、82．47%、52．24%和40．44%，且Cr、Cu和Zn3种重金属的浓度最低值出现在根孔净化区出口，及至深度净化区，浓度稍微上升。水厂取水口(水源2)的各重金属浓度普遍高于湿地根孔净化区出口和深度净化区出口重金属的浓度，甚至重金属Ni和常规金属Mn的浓度高于湿地进口(水源1)浓度，表明水厂取水口的水质比湿地出口水质差。比较两个水源，除了极少数的元素(Mn和Ni)，水源2的重金属浓度低于水源1，表明水源2受到的重金属污染比较少，金属元素的浓度较低。天然水中溶存数量多的主要离子是Ca2+。Mg2+、Na+和K+4种阳离子和HCO－3、CO2－3、SO2－4和Cl－4种阴离子，合称八大离子。它们构成的盐类约占水中溶解盐类总量的90%以上，它们的总量又非常接近水体的矿化度［20］。对8大离子浓度分布特征(表6)进行分析表明，经过贯泾港湿地根孔净化区的净化作用，水体中HCO－3、CO2－3、Cl－、Ca2+和Na+均有下降，Mg2+和K+基本不变，SO2－4升高，离子总量从水源水的303．95mg/L显著降低为267．14mg/L，阳离子组别从钙组变为钠组，但主要离子的比例关系仍维持不变。再经过深度净化区的作用后，水体中多数阴阳离子(SO2－4除外)的浓度略有反弹，离子总量略微升高至271．39mg/L，湿地对离子总量的去除率为10．71%。水源2中除SO2－4离子浓度极显著高于水源1中浓度，其余离子浓度均低于水源1，但水源2离子总量仍高于贯泾港湿地根孔净化区和深度净化区的出水。

3讨论

3．1贯泾港湿地对水源水的处理效果贯泾港构筑根孔湿地是仿自然人工湿地的一种。人工湿地中污染物质的去除机制主要包括物理、化学、生物等过程，其中物理过程为物理吸附、固定与沉积，化学过程主要有化学吸附、氧化与水解、沉淀与共沉淀、络合等作用，生物过程主要是植物吸收、微生物新陈代谢等作用。总体上，贯泾港构筑根孔湿地在调试运行期阶段表现出了较好的水质净化效果，尤其是核心区———湿地根孔生态净化区，对各种污染物的去除具有较高的效率，主要表现在常规指标、营养盐指标和藻类密度、各种叶绿素等。但仍然可以看出某些指标的去除率尚不是十分理想，一方面是因为水源水中浓度本身较低，另一方面是由于其他综合因素的影响，如湿地系统处于调试运行期间，水生植物尚处于蓄水涵养阶段，植物床的根区环境亦未发育成熟，人造根孔和自然根孔还处于形成阶段。这种较好的去除效果主要体现在湿地进口到根孔区出口这一段上，在根孔区出口到深度净化区出口这段，部分指标表现出了进一步去除和降低的效果，但多数指标均有所上升。此结果表明，深度净化区在试通水调试运行初期仍不稳定，对部分污染物并没有表现出像已经稳定运行的石臼漾湿地的处理效果。石臼漾湿地亦是同类型的构筑根孔湿地，经过5年多的持续稳定运行，其植物、动物、微生物等多种资源得到较大发展，生物多样性较显著提高，水质指标有明显改善，水质基本提升一个等级，对水体中的难降解有机物如多环芳烃和重金属元素都有较好的处理效果。贯泾港湿地与石臼漾湿地相比，刚刚试通水调试运行，加之其规模更大，水源水质情况更复杂，湿地植物和水生态系统尚处于非成熟的演替初期阶段，相对不稳定。在目前进水水源(水源1)部分指标高于水厂取水口(水源2)的情况下，湿地出水水质好于或明显好于取水口，可以预期在湿地逐步成熟后，其出水水质会进一步提高。

3．2双水源的水质状况比较由分析可以得知，水中的常规理化指标和营养盐指标在2个水源之间没有绝对的区分，部分指标是水源1较好，如DO、TSS、氮和磷的各种形态，部分指标则水源2较好，如COD、TOC、TN。藻类密度与叶绿素在水源2显示出了极大的优势，此原因可以归结为水源2即取水口处水体浊度非常大，即便是夏季高温季节也不适合藻类的生长，同时结合水源2的DO极低(0．9mg/L)，推测很有可能是水源2刚刚爆发了藻类水华的结果，这方面的准确界定还需今后的深入研究揭示。水源2水体在各种阴阳离子特别是金属浓度上显示了较好的质量，特别是重金属浓度，明显优于水源1。但本质上，平原河网水源的特点是:水文水动力条件反复多变，2个水源有相互交叉的部分，南郊河、海盐塘水源的水质均不稳定。由于地理位置和城市土地利用规划的原因，湿地只能以水源1即海盐塘作为其进水，所以为进一步保证湿地的水质净化效果，需要定期对海盐塘河道进行疏浚清淤，做好河道和河岸整治工作。

3．3贯泾港湿地存在的问题及改进措施由于贯泾港湿地刚刚开始调试运行，湿地尚处于不稳定的状态，本研究对于及时发现湿地运行初期存在的问题尤其重要，发现的问题有以下几个方面:(1)水源的选择更要慎重，需要更深入对比两个水源的水质，同时亦需更全面考虑其他客观因素;湿地水源海盐塘需要定期疏浚清淤;(2)深度净化区的维护和管理需要更加细心，由于此区域狭长，与水源河道和根孔净化区相邻，需要防渗漏，防污染，调整好运行条件和水位梯度;(3)现有深度净化区(含湿地过渡河段)为狭长型，整体面积偏小，其蓄水容积较小，水质稳定性较差，不利于发挥其深度净化、稳定水质和提供较大量缓冲应急供水等功能，且存在爆发藻类水华的可能性。在可能的情况下，宜进一步扩大深度净化区的面积和蓄水容量;(4)植物园净化区虽然暂时未通水，但由于面积较大(102hm2)，水力状况复杂，后续通水后游客参观会对水体有影响，需要加强宣传与教育，并及时监督和报告水质异常;(5)贯泾港水厂的取水口需要进一步核查是否存在泄漏，水利设施条件是否完善，原有的污水是否排出，底泥是否污染水体，对漂浮垃圾等需要及时打捞和清理，保证取水安全，更保证取水口的水确实是湿地的正常出水，充分发挥和利用构筑根孔湿地的水质净化作用。可以预期，虽然贯泾港湿地在试通水调试运行期存在某些不足，但是经过采取有效手段解决这些问题，进一步优化和加强管理，贯泾港湿地会逐步趋于稳定运行和发挥较好水质净化效果。石臼漾湿地在运行初期亦存在着一些不足［29］，但是经过多年稳定运行和优化管理，越来越好地发挥着稳定改善水质的作用。随着湿地植物和水生态系统逐步趋于成熟，贯泾港湿地亦能与石臼漾湿地一样呈现较好的水质处理效果，特别是对饮用水源中的难降解高分子有机物质，保证嘉兴地区的饮用水供给，也可为其他类似地区的饮用水源处理提供一定的借鉴意义和经验。

4结论

(1)贯泾港构筑根孔湿地的水质净化效果较好。经过根孔净化区(核心区域)和深度净化区处理后的水源水，其水质相对较好。湿地对营养物质、各种叶绿素、藻类密度和重金属元素具有很高的去除效率，对chl-a、chl-b、chl-c、藻类密度去除率分别为68．93%、91．82%、84．15%和60．31%，对重金属Cr、Cu、Ni、Zn和Pb的去除率分别为31．74%、23.21%、82．47%、52．24%和40．44%。(2)比较2个水源水质后发现，总体上水源2的水质相对较好，但水中的常规指标、营养盐指标在两个水源没有绝对的区分，部分指标是水源1较好，如DO、TSS、氮和磷的各种形态，部分指标则水源2较好，如COD、TOC和TN。藻类密度与叶绿素在水源2呈现出了极大的优势，但DO极低，水源2中各种阴阳离子特别是在金属元素的含量上显示出了较好的质量。(3)虽然贯泾港湿地在调试运行期存在某些不足，但是可以预期经过有效解决这些问题，优化运行和管理，贯泾港湿地会逐步趋于稳定，同石臼漾湿地一样呈现较好的水质处理效果，保证嘉兴地区的饮用水供给。

作者：王宝玲 潘潇 张荣斌 陈庆华 周春东 沈培锋 王为东 尹澄清 单位：中国科学院生态环境研究中心 环境水质学国家重点实验室 中国科学院大学 嘉兴市水利投资有限公司 嘉兴市水利水电勘察设计研究院