作者：张 欣 ( 山西省林业和草原科学研究院，山西 太原 030012)

摘 要: 在山西省左云县被煤矿废水污染的河道内建设人工湿地，包括乔木处理区、栅格处理区、灌木处理区、靶向 性植物处理区和核心处理区，测定不同季节各处理区出水口的主要污染物含量，并计算去除率。结果表明，不同季 节煤矿废水经人工湿地现场的 5 个处理区后，主要污染物的含量均可被降低到符合地表水Ⅲ类标准的要求。不同 月份( 季节) 人工湿地对煤矿废水的净化效果略有差别，8 月份效果最好，5 月份次之，11 月和 2 月净化效果较差。

关键词: 人工湿地; 煤矿废水; 不同季节; 去除率; 净化效果

随着经济和社会的快速发展，煤炭等自然资源 被大量开采，由此产生的废水对生态环境造成了较 大破坏。人工湿地具有拟自然、低耗能、低投资、处 理效果稳定等优点，近年来，通过人工措施模拟湿地 系统净化污水的技术在国内外被广泛应用，并取得 了较好的净化效果。已有学者在室内模拟人工湿 地，研究表明其对煤矿废水中总氮、总磷、硫化物、 CODCr等污染物有一定的去除作用。笔者在山西省 左云县十里河小京庄乡段被煤矿废水污染的河道内 建设人工湿地，测定其不同季节对煤矿废水的净化 效果，以期为人工湿地在治理煤矿废水中的推广应 用提供参考和借鉴。

1 试验地概况

试验地位于山西省左云县十里河小京庄乡段被 煤矿废水污染的河道内，地理坐标 112°39'49″ ～ 112° 40'09″，39°46'39″ ～39°47'08″． 地貌特征以黄土丘陵区 为主，属温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，春季 干旱多风，夏季较热多雨，秋季潮湿温热，冬季寒冷少 雪。年平均气温6． 1 ℃，极端低温为 －29． 5 ℃，极端高 温为 34． 5 ℃，年平均降雨量 399 mm，年平均日照时 数 2 763． 8 h，无霜期 125 d．

2 人工湿地现场构建

2017 年，在试验地进行人工湿地现场建设。人 工湿地现场包括前置处理区和核心处理区 2 个部 分，见图 1．
2． 1 前置处理区

2． 1． 1 乔木处理区

乔木处理区长 300 m，宽 24 m，面积 7 200 m2 ． 栽植高0． 8 m ～1． 5 m 的樟子松和油松，株行距2 m × 2 m，品字形排列，樟子松 9 行，油松 3 行。整地方式 采用穴状整地，整地规格 0． 8 m × 0． 8 m × 0． 6 m．

2． 1． 2 栅格处理区

栅格处理区利用当地地形，分为南、北两部分， 每部分长 200 m，宽 15 m，面积 3 000 m2 ． 北部撒播早 熟禾、委陵菜、红蓼等草籽，播种量为 75 kg /hm2 ; 南部 铺种草皮，挖取 3 cm ～ 5 cm 厚的带土草皮，按株行 距 20 cm × 40 cm 进行栽植。

2． 1． 3 灌木处理区

灌木处理区长 200 m，宽 30 m，面积 6 000 m2 ． 栽植竹柳和沙棘各 1 000 株，均为 2 年生 ～ 3 年生带 土球苗木，块状混交栽植，株行距为 1． 5 m × 1． 5 m， 品字形排列，整地方式采用穴状整地，整地规格为 0． 5 m × 0． 5 m × 0． 3 m．

2． 1． 4 靶向性植物处理区

靶向性植物处理区长 100 m，宽 20 m，面积 2 000 m2 ． 在室内试验的基础上，按草带形式种植靶 向性植物，带间距 20 cm ～ 30 cm，由东向西依次种 植香蒲、芦苇、红蓼、委陵菜、水葱、水麦冬、莎草，每 种植物约 200 m2 ～ 300 m2 ，栽植方式为带土球穴植。

2． 2 核心处理区

根据从加拿大引进的人工湿地处理技术，结合 室内试验成果，建造核心处理区，面积 156 m2 ． 其中， 包括 1 个 12 m × 3 m 的集水氧化池和 5 个 2． 5 m × 10 m 的人工湿地单元，集水氧化池和人工湿地单元 之间以管道连接，湿地单元之间的取水口用 PVC 板 控制开关。5 个人工湿地单元从南向北依次排列， 比降为 0． 3% ，使水可以依靠自身重力流动; 人工湿 地单元间的出水口交错排列，使水流呈 S 型流动。 人工湿地单元深 60 cm，挖除底泥，夯实底土，铺 1 层土工布作为防渗层，上铺 10 cm 砾石，之后填充 基质 20 cm( 湿地土壤: 河沙 = 1∶ 1) ，最后再在表层 铺 10 cm 砾石。5 个人工湿地单元从南向北依次种 植红蓼、水葱、芦苇、委陵菜、水麦冬，穴状栽植，株行 距为 20 cm × 20 cm，见图 2．

3 试验方法

通过修建临时挡坝将煤矿废水引入人工湿地现 场，煤矿废水根据地势变化依靠自身重力先后流经 乔木处理区( M1) 、栅格处理区( M2) 、灌木处理区 ( M3) 、靶 向 性 植 物 处 理 区 ( M4 ) 和 核 心 处 理 区 ( M5) 。笔者分别于 2018 年 2 月( 冬季) 、5 月( 春 季) 、8 月( 夏季) 、11 月( 秋季) 中旬测定各处理区对 煤矿废水的净化效果。

3． 1 前置处理区对煤矿废水的净化效果

在乔木处理区( M1) 、栅格处理区( M2) 、灌木处 理区( M3) 和靶向性植物处理区( M4) 的出水口各设 1 个简易测流堰，于同一天同一时段，在煤矿废水自 然流经测流堰时取样测定各处理区出水口的主要污 染物含量，并计算去除率，每个处理 3 次重复。

3． 2 核心处理区对煤矿废水的净化效果

当煤矿废水流入核心处理区时，先将其储存在 12 m × 3 m 的集水氧化池中，之后打开人工湿地单 元 1 的进水口，关闭出水口，使煤矿废水在人工湿地 单元 1 中停留 48 h． 之后再打开人工湿地单元 2 的 进水口，依次类推，通过 PVC 板控制煤矿废水在每个人工湿地单元中的水力停留时间均为 48 h． 测定 每个出水口煤矿废水的主要污染物含量，并计算去 除率，设 3 次重复。

3． 3 主要污染物的测定与去除率的计算方法

总磷( TP) 的测定采用钼酸铵分光光度法，总 氮( TN) 的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光 度法，硫化物的测定采用硫代硫酸钠滴定法，汞( Hg) 的测定采用原子荧光法，CODCr的测定采用重铬酸盐 法( GB/T11914 －1989) 。 去除率( % ) = ( 1 － 水样中污染物浓度/试验前 废水中污染物浓度) × 100% ． 主要污染物浓度及去除率取 3 个重复的平均 值，用 EXCEL 2003 进行试验数据的整理及分析。 4 结果与分析

4． 1 前置处理区对煤矿废水的净化效果

2018 年，不同季节前置处理区对煤矿废水的净 化效果见图 3． 由图 3 可以看出，前置处理区对煤矿废水中的 TN，TP，硫化物、Hg 和 CODCr均有一定净化效果。其 中，TN，TP，硫化物含量的变化趋势相似，在乔木处 理区下降速度较快，除了土壤基质和乔木根系的作 用外，可能与废水排放初期 N，P，S 的挥发和吸附沉 降作用较强有关; 格栅处理区和灌木处理区，TN， TP，硫化物含量的下降速度减慢，可能是由于元素 的挥发和基质的吸附沉降达到饱和，而在较短的时 间内植物对废水的净化作用有限; 到靶向性植物处 理区时，TN，TP，硫化物含量的下降速度又有所增 大，这可能是由于靶向性植物对 N，P，S 的吸收效果 较之前的植物好。Hg 和 CODCr 含量的变化趋势相 似，在 4 个处理区基本呈匀速下降的趋势，这是由于 重金属离子 Hg 的去除主要是通过土壤基质的吸附 络合和植物根系的吸收，而 CODCr的去除主要依靠 物理格栅、过滤、澄清和土壤基质中微生物的代谢作 用，因此随废水流经不同的处理区净化效果和速度 保持基本稳定。经前置处理区后，2018 年 2 月、 5 月、8 月和 11 月煤矿 废 水 的 TN 含 量 分 别 降 至 11． 75 mg /L，9． 32 mg /L，8． 47 mg /L，11． 16 mg /L; TP 含量分别降至 1． 24 mg /L，0． 98 mg /L，0． 92 mg /L， 1． 15 mg /L; 硫 化 物 含 量 分 别 降 至 0． 182 mg /L， 0． 159 mg /L，0． 156 mg /L，0． 175 mg /L; Hg 含量分别 降至 0． 000 35 mg /L，0． 000 30 mg /L，0． 000 31 mg /L， 0． 000 33 mg /L; CODCr 含 量 分 别 降 至 204 mg /L， 165 mg /L，173 mg /L，191 mg /L． 前置处理区对煤矿废水中的 TN，TP，硫化物、Hg 和 CODCr的净化效果 有限，除硫化物达到地表水Ⅲ类标准外，其它均未达 到地表水Ⅲ类标准。不同季节前置处理区对煤矿废 水各污染指标的去除率见第 12 页表 1．

由表 1 可以看出，前置处理区对煤矿废水主要污 染指标的去除率较低，TN 为 41． 25% ～ 57． 65%，TP 为 40． 10% ～ 55． 56%，硫化物为 21． 21% ～ 32． 47%， Hg 为30． 00% ～ 40． 00%，CODCr为 43． 80% ～ 54． 55%． 这可能是由于废水依靠重力自然流经前 4 个处理 区，没有采取专门的措施增加水力停留时间，所以净 化效果相对较差。比较不同季节( 月份) 前置处理 区对煤矿废水各污染指标的去除率，从小到大依次 为冬季( 2 月) ＜ 秋季( 11 月) ＜ 春季( 5 月) ＜ 夏季 ( 8 月) 。这可能是由于 8 月份植物的地下部分生长 量最大，且温暖的天气对元素挥发和微生物活动有 利，所以对煤矿废水的净化效果较好; 5 月份次之， 11 月和 2 月天气较冷，植物生长和微生物活动受到 抑制，对煤矿废水的净化效果较差。 4． 2 核心处理区对煤矿废水的净化效果 2018 年，不同季节核心处理区对煤矿废水的净 化效果见图 4． 由图 4 可以看出，核心处理区对煤矿废水中的 TN，TP，硫化物、Hg 和 CODCr均有较好的净化效果。 5 种污染物含量的变化趋势相似，在前 3 个湿地单元 下降明显，可能是由于不同植物根系对污染元素的吸 收和根系周围微生物的活动作用; 湿地单元 4 和湿地 单元 5 污染物含量的变化趋于平缓，这可能是由于基 质、植物及微生物的作用达到饱和导致的。经核心处 理区 5 个湿地单元处理后，2018 年 2 月、5 月、8 月和 11 月煤矿废水的 TN 含量分别降至 0． 92 mg /L， 0． 64 mg /L，0． 58 mg /L，0． 81 mg /L; TP 含量分别降至 0． 18mg /L，0． 12 mg /L，0． 09 mg /L，0． 16 mg /L; 硫化物 含量分别降至 0． 113 mg /L，0． 096 mg /L，0． 088 mg /L， 0． 104 mg /L; Hg 含 量 分 别 降 至 0． 000 10 mg /L， 0． 000 08 mg /L，0． 000 06 mg /L，0． 000 09 mg /L; CODCr 含量分别降至 18 mg /L，13 mg /L，12 mg /L，15 mg /L． 核心处理区对煤矿废水中的 TN，TP，硫化物、Hg 和 CODCr的净化效果较好，均能达到地表水Ⅲ类标准。 不同季节核心处理区对煤矿废水各污染指标的去除 率见表 2