博斯腾湖西岸人工湿地对重金属污染水体的净化效果及其湿地运行状态评价

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博斯腾湖是塔里木河的主要补给源,也是巴音郭楞蒙古自治州重要的水源地。近年来,随着博斯腾湖流域内工农业的发展和人类对湖滨湿地的过度开发利用,严重破坏了博斯腾湖的生态环境,造成水质恶化,湿地面积退化严重。人工湿地作为一种绿色环保、简单高效的生态化污水处理设施,在重金属废水处理过程中应用备受推崇。本研究以博斯腾湖西岸表面流人工湿地为研究对象,于2019年4—9月对人工湿地的进水口、出水口以及人工湿地内部各沿程采样点的水体重金属浓度进行连续7个月的监测,通过对比分析Mn、Fe、Cu、Zn、Cd、Ni、As、Cd等八种水体重金属进水口和出水口的平均浓度变化,对比分析人工湿地进水口、出水口以及沿程各采样点的水体重金属浓度,定量分析人工湿地对水体中重金属的净化效果,并结合相关数据对人工湿地的运行状况进行一个综合性评价,以期为博斯腾湖西岸表面流人工湿地的工程建设和运行维护积累经验,并为博斯腾湖水污染治理提供强有力的理论支撑。(1)经过连续7个月的监测,从进水口水体重金属浓度来看,Cr、As、Cu、Mn、Ni、Fe、Cd、Zn的平均浓度分别为0.033 mg·L-1、0.031 mg·L-1、0.496 mg·L-1、0.7180 mg·L-1、0.038 mg·L-1、0.644 mg·L-1、0.003 mg·L-1、0.664 mg·L-1,而其在出水口的平均浓度则分别降至0.019 mg·L-1、0.018 mg·L-1、0.234 mg·L-1、0.307mg·L-1、0.021 mg·L-1、0.099 mg·L-1、0.0017 mg·L-1、0.349 mg·L-1,八种水体重金属元素的去除率从高到低的顺序为:Mn>Fe>Cu>Zn>Cd>Ni>As>Cr,去除率分别达到了54.14%、53.21%、51.99%、47.03%、42.1%、42.57%、41.04%、38.54%,说明人工湿地对水体重金属具有良好的去除效果。(2)从去除率上来看,4~5月(春季)为人工湿地运行初期,人工湿地系统对水体中的重金属的去除还未达到最佳效果。6~8月(夏季)为人工湿地运行的旺盛期,其中,Mn和Zn元素的平均去除率比春季的平均去除率分别上升了20.84%和13.55%。9~10月(秋季)为人工湿地运行的衰退期,对水体中重金属的去除率低于夏季。总体上来说,人工湿地对水体重金属的去除效果夏季要好于春秋两季。(3)在人工湿地前段水体重金属浓度下降速度最快,说明水体重金属主要在人工湿地前端被去除;人工湿地中段对重金属的去除效率降低,此阶段水体重金属浓度略有波动,但仍保持下降趋势。人工湿地后段,水体重金属浓度基本保持稳定。并通过建立指数化模型、二次多项式模型和线性化模型,重点对各沿程采样点与人工湿地系统进水口浓度的关系进行建模分析。二次多项式模拟方程对As、Ni、Cu、Zn和Cr元素含量沿程衰减具有较好的拟合效果,说明这5种重金属元素含量在人工湿地中的前程衰减较快但变化较缓和;而对Cd、Fe、Mn元素含量来说,指数模型具有较好的拟合效果,Cd、Fe、Mn元素含量在人工湿地中的前程衰减速度高于其它重金属元素。(4)该人工湿地运行状态综合评价得分为80.84,处于优级状态,说明该人工湿地在运行维护和监管治理等方面卓有成效。由对各评价指标分析可知,该人工湿地在植物管理、水质监测、堵塞管理、设备管理、污染物削减率等方面效果明显,说明该湿地在工程管理、净化水质、改善生态系统等方面发挥着积极作用。该湿地在运行过程中,在进出水水质稳定性、湿地工程维护等方面也存在一定问题。
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