人工湿地处理城市地表径流的研究进展

王 萍， 王学东

（温州医学院环境与公共卫生学院, 浙江 温州 325035）

人工湿地处理城市地表径流的研究进展

王 萍， 王学东

（温州医学院环境与公共卫生学院, 浙江 温州 325035）

人工湿地是独特的土壤-植物-微生物系统，具有耐冲击负荷能力强、投资少、运行费用低、维护管理简便等特点。介绍了城市地表径流的污染研究现状及其来源；总结了人工湿地生态系统的技术特性；评述了人工湿地处理污染物的机理及其在城市地表径流污染去除方面的应用研究；最后，对人工湿地处理城市地表径流污染物的研究趋势进行了分析展望。

人工湿地； 城市地表径流； 研究展望；

近年来，随着我国城市化进程的不断加快，水资源的需求量急剧增大，供需矛盾日益突出，随之而来的城市水体污染也日趋严重，水资源已成为制约我国城市发展的重要因素之一[1]。城市地表径流污染是典型的面源污染，具有地域范围广、随机性强、成因复杂等特点，必须对其进行有效控制，减少对城市水体的污染，进而实现城市的可持续性发展[2]。要消除城市地表径流的污染问题，就要在径流排放至河流、湖泊等水体之前进行处理，达到清除其中有毒有害物质的目的。目前已知的减少面源污染的措施主要有：一是运用行政和法律手段直接作用于政策对象，强制其执行环境标准的方法；二是开发行之有效的面源污染控制技术，例如污染物的截留分离技术、城市雨洪控制技术以及生态修复技术等。人工湿地处理系统作为一类重要的生态修复技术因具有污染处理效率高、投资少、运行和维护成本低、能耗低以及污染物处理量大等优点而越来越受到人们的广泛关注[3]。

1 城市地表径流的污染现状及其来源研究

城市地表径流污染是指在降雨的淋溶和冲刷作用下，存在于城市地表和大气中的污染物会随雨水及其形成的径流物扩散性地进入水体，污染地表水或地下水，进而造成城市水环境质量下降的过程[4]。1987 年美国国会将控制城市地表径流污染的条文加入到了《水污染防治法案》中，自1990 年正式发布实施后，城市地表径流这一面源污染越来越受到重视[5-6]。研究表明，城市地表径流中的固体悬浮物、重金属以及碳氢化合物等的浓度与未经处理的城市污水在数量级上基本相同[2]。可见，城市地表径流污染具有很大的危害性，研究其污染特性并探讨其中污染物的排放规律，进而开发出行之有效的污染控制技术及对策，不但对我国的水污染防治具有重要意义，也可为相关部门制定污染控制的管理决策提供理论依据和技术支持。

1.1 城市地表径流的污染现状研究

自20世纪70 年代开始，国外就已经展开了城市地表径流污染方面的研究，已开展的工作主要涉及[7]：(a) 确定城市地表径流中污染物的主要成分、相关成分的含量及其影响因素。此方面的研究开展较早，相关报道也较多[8-10]。(b) 确定污染物从地表沉积物或大气沉降物到受纳水体的迁移转化过程[11-12]。研究表明，不同土地使用功能的城市地表，其沉积物的来源也不同[13]。另外，目前有关城市地表径流迁移转化的研究大多限于分析城市水体中的化学需氧量（COD）、氮（N）、磷（P）等常规评价指标，对有毒有害污染物质的关注较少，相关研究工作也很少涉及。我们知道在城市的植被管理过程中，经常会使用杀虫剂、除草剂、农业肥料等，而在城市建设过程中，又不可避免地会产生各种各样的建筑废弃物，如果这些物质没有及时清理都有可能在降雨的过程中随地表径流进入到城市水体，污染地下水或地表水，进而可能对人体造成很大的危害。(c) 分析城市地表径流中携带的污染物对城市河道水体水质的影响。据报道，随地表径流进入受纳水体的污染物质会对城市水体的水质产生很大的影响，可能会使受纳水体的许多物理、化学性质发生较大的改变[8,13]。(d) 对城市地表径流污染控制措施的研究。提出了一系列控制城市公路路面（城市地表的重要组成部分）径流污染的一些管理措施（如清扫路面、限制除冰剂的使用等），同时还可根据城市雨水排水管网的分布特征，制定合理的控制策略，将排水管网中的径流雨水通过分区或集中的方式输送到合适的场所进行相关后续处理，最终达到净化水质的目的[2]。

目前有关城市地表径流污染的研究国外开展的较多，我国在这方面的研究起步较晚，相关研究最早始于上世纪80 年代对北京城市地表径流污染工作的开展，随后上海、杭州、苏州、南京、成都、西安、武汉等主要大中城市的相关研究也逐渐开展起来[2,14-15]。近年来，随着计算机硬件和软件的高速发展以及相关研究实践的需要，3S，GIS 以及人工模拟实验技术等都运用到了城市地表径流污染的研究领域中，相关的研究成果也已逐步出现[16]。

1.2 城市地表径流的污染来源研究

城市地表径流的污染来源概括起来主要分为以下四部分[17]：(a) 地表沉积物是城市地表径流污染物的主要来源。地表沉积物会以各种形式积累在路面、阴沟、垃圾处理厂和其它与排水系统直接相连接的不透水地面上，其中包括：固态废物碎屑（生活垃圾、动物粪便、建筑废料）、化学药品（杀虫剂、农业肥料）、大气的干湿沉降物以及车辆排放的尾气废弃物等。且具有不同土地使用功能的地表其沉积物的来源也不尽相同[2,13]；(b) 大气的干湿沉降物也是城市地表径流污染物的重要来源，它既包括以降尘为代表的大气干沉降，也包括降雨、降雪、降雾等湿沉降，另外，由于大气污染所导致的酸沉降也会对城市地表径流产生一定的影响[18]；(c) 水土流失物是城市地表径流污染物的又一来源。除了包括一般的水力侵蚀、重力侵蚀和风力侵蚀等外，城市水土流失还包括较大的土壤淤积、水资源流失和地表地下水污染等；(d) 下水道沉积物以及合流制排水系统漫溢出的污水也是城市地表径流污染的来源之一。在合流制排水系统里，废水和雨水掺混在一起排放到受纳水体或污水处理厂。当雨水径流流速较大时，排水管网中无雨时沉积下来的污染物也会被冲起并带走，进而造成对受纳水体的污染[19]。

2 人工湿地的技术简介

2.1 人工湿地的定义

人工湿地污水处理技术是一种利用人工手段将污水有控制地投配到种有水生植物的土地上，按不同方式控制有效停留时间并使其沿着一定的方向流动，在物理、化学、生物等的共同作用下实现水质净化的生物处理技术[20]。1953 年德国的Max Planck研究所最早将人工湿地处理技术应用于污水的净化处理中，该所的Seidel博士在研究中发现了芦苇能有效地去除大量有机和无机污染物[21]。之后，Seidel与Kickuth又提出了根区理论[22]，进而掀起了人工湿地研究与应用的“热潮”，到20 世纪70 年代末期人工湿地系统已逐渐发展成为一种独具特色的新型污水处理技术。目前人工湿地已经产生了良好的环境治理效应。同时，人工湿地还具有强大的生态修复功能，不但可以调节生态平衡和气候，而且对保护野生动物和提高局部地区景观的美学价值也有很大的益处[23-24]。因此，大力开发合适的人工湿地污水处理系统，进而开展相关的污水处理研究，对目前水环境污染治理的严峻形式无疑具有重大的意义。

2.2 人工湿地的类型

按照系统布水的方式，人工湿地可以分为表面流人工湿地、潜流人工湿地和垂直流人工湿地[20,25]。表面流人工湿地具有投资和运行成本低、操作简便等优点，但也存在负荷低、去污能力有限等缺点，由于该类型的湿地冬季在北方会结冰，夏季会滋生蚊蝇、散发臭味，一般不采用；潜流人工湿地受气候影响较小，卫生条件也相对较好，是目前国际上研究较多应用最广泛的一种；垂直流人工湿地是综合了以上两种湿地的特点而建成的，由于该类湿地的建筑要求较高，前期投入往往较高，但由于其具有表面水力负荷大，能节约用地等优点而越来越受到广泛关注。

按照湿地处理污水的类型，人工湿地又可以分为[20]：城市污水处理湿地、矿业废水处理湿地、暴雨和非点源污水处理湿地、垃圾填埋渗滤液处理湿地以及农业污水处理湿地等。

按照湿地中主要植物的类型，人工湿地还可分为[26]：挺水植物湿地类型、浮游植物湿地类型和沉水植物湿地类型。浮游植物湿地类型主要用于N、P等营养物质的去除；沉水植物湿地类型还处于试验阶段；目前在实际应用中效率较好也较为成熟的还主要是挺水植物湿地类型。

2.3 人工湿地的组成

人工湿地主要由五部分组成，分别为：各种具有透水性的基质、植物、水体、湿地中低等动物和好氧或厌氧微生物群落，其中各种透水性的基质、植物和微生物种群在其中起主要作用[27]。

湿地植物：植物是人工湿地的核心，在净化污水过程中起着重要作用，具有“营养盐清道夫”之称。其中植物的种类主要包括：挺水植物、沉水植物和浮水植物，人工湿地中常选用挺水植物。植物不但可以去除污染物，还可以促进污水中营养物质的循环和再利用，还能绿化土地，改善区域气候，促进生态环境的良性循环。

基质层：基质层也是人工湿地的重要组成部分。其中基质颗粒的粒径、矿质成分等直接影响着湿地的污水处理效果。目前可用的基质主要有：土壤、碎石、砾石、煤块、细沙、粗砂、煤渣、多孔介质(LECA)、硅灰石和工业废弃物中的一种或几种组合的混合物等。

微生物种群：微生物是人工湿地净化污水的主要“执行者”，它们把污水中的有机质作为丰富的能源，并能将其转化为自身的营养物质和能量。

3 人工湿地处理污染物的机理

人工湿地作为独特的生态系统，具有强大地净化污水的能力，是自然环境中自净能力最强的生态系统之一。由于湿地内的水流速度较缓慢，因此有利于其中污染物质的沉降；另外湿地中生长着多种多样的植物、微生物和细菌可以使进入湿地的污染物被分解转化进而达到去除污染物的效果。人工湿地能够利用基质—植物—微生物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过一系列的过滤、吸附、共沉淀、离子交换、植物直接吸收和微生物分解等作用来实现对有毒有害污染物质的高效分解与净化[28]。概括起来，人工湿地去除污染物的机理可归纳为以下几种过程：

（1） 有机物的去除

湿地中的有机物一般存在不溶性和可溶性有机物两种形态。进入湿地中的不溶性的有机物往往会吸附于一些固体颗粒物上，最终通过沉降、过滤等作用，进入底泥，进而被微生物利用而去除；湿地中可溶性有机物则可能通过植物的直接吸收作用吸附于根部，一部分会在根际微生物的作用下代谢消除，一部分会通过根部进入到内部组织并在植物体内传输，进入内部组织中的一部分有机物在一定条件下可能被植物利用而最终被新陈代谢[29-30]。

（2） N的去除

研究表明，进入湿地的N会发生相互转化作用，且氨态氮和有机氮是主要存在形态。N可能通过微生物的氨化、硝化与反硝化作用被去除，还可能通过植物的直接吸收和挥发作用，以及湿地中固体基质的吸附、过滤、沉淀等途径而最终达到去除的效果。不同的湿地类型对N的去除机理也不同，N的去除效率也相差较大。氨态氮的去除主要取决于植物根际的氧含量是否充足，及湿地植物的供养能力。若根际区的氧气充足，其中的氨态氮会被氧化为NO2-和NO3-，其机理就是通过硝化反应，先将氨态氮氧化成硝酸盐，再通过反硝化反应将硝酸盐还原成气态氮而从水中逸出[31-32]。湿地中的有机氮会在氨化菌的氨化作用下先转变为氨氮，然后氨氮会在硝化菌的消化作用下进一步转变为亚硝酸氮和硝酸氮，硝酸氮又会在反硝化菌的反硝化作用下转变为亚硝酸氮，生成的亚硝酸氮最终会变为气态氮，进而从湿地中去除。

（3） P的去除

P在人工湿地中的去除机理目前还不甚清楚。但普遍认为，湿地中P的去除是通过湿地植物的直接吸收和积累作用、微生物的生物化学作用，以及基质层的过滤、吸附、络合和沉淀作用等共同完成的[33-34]。具体的作用主要表现为：(a) 湿地植物对P的去除方面：由于P是植物的必需元素，因此污水中的无机磷会在植物的吸收和同化作用下被合成腺苷三磷酸（ATP）等有机成分，最后通过收割而从湿地系统中去除[35]；(b) 微生物对P的去除方面：微生物对P的作用主要包括微生物对P的正常吸收和过量积累等作用[36]，湿地中某些细菌种类往往可能从污水中吸收超过其生长所需的P，而使微生物细胞内P的过量积累，这可通过对湿地床的定期更换而将此类细菌从系统中去除，进而去除其中的P。目前人工湿地中的P的去除还主要依赖于基质层对其的过滤、吸附、络合和沉淀等共同作用[37]。

（4） 重金属去除

湿地中重金属的去除主要依赖于天然的物理沉降作用，重金属往往会吸附到一些固态颗粒物上，而颗粒物会在重力的作用下逐渐沉降至底泥中，从而达到去除重金属的效果；其次，湿地中的重金属可能会与某些化合物络合或形成不溶性的沉淀最终也沉降至底泥中；再次，在适合的条件下，湿地中的植物可能会直接吸收水中或沉积物中的重金属并富集于体内，然后通过植物的收割进而去除湿地中的重金属。

4 人工湿地在城市地表径流污染去除的应用

人工湿地是已被广泛地应用于生活污水、暴雨径流、工业废水、农业径流、酸性采矿废水以及垃圾渗滤液等各种废水的处理，作为一种自然处理系统，人工湿地处理系统具有重要的污水处理和资源恢复的功能[23]。目前有关人工湿地在城市地表径流污染去除方面的研究工作开展的还较少。尹炜等以武汉市桃花岛塘和人工湿地组合生态处理系统为研究对象，探讨了该系统处理城市地表径流的初期运行，结果表明：塘和人工湿地组合生态系统可以有效的处理城市地表径流，复合潜流人工湿地系统具有独特的除氮效果[38]。程江等利用室内土壤柱模拟城市绿地对典型降雨地表径流污染的削减效应，研究土地覆被、径流污染物浓度、土层厚度以及水力负荷与停留时间对污染削减率的影响。结果表明，在低、中、高3 种典型降雨地表径流污染浓度水平，进水负荷持续1 h 条件下，城市绿地的污染削减能力良好、稳定[39]。Scholes等通过一年的监测发现，大多数情况下，湿地对集水区排放污水中的微量金属离子的去除率是相当高的，特别是暴雨期，处理效果都达到了90%以上[40-41]。刘瑞提出了利用人工湿地处理小区地表径流并回用于城市地下水补给、绿化的思路，论述了城市雨水人工湿地再生处理利用系统中主要工艺的设计计算方法，为缓解城市用水压力提供了有效途径[42]。Lee等研究了 6 种垂直流人工湿地系统对模拟暴雨径流中污染物的去除能力，实验持续了2 年发现，湿地对其中的镍和铜的去除效果较好[43]。

5 研究展望

虽然人工湿地作为处理城市地表径流污染的手段已显示出了巨大的优越性，但人工湿地作为特殊的水处理系统有其本身的特殊性。一方面，人工湿地占地面积较大，其净化效果仍然受着气候、土壤、污水特性和植物种类等因素的影响，还仍然是限制其发展的主要方面；另一方面，理论上加大实验装置及场地的投入力度，会使实验的模拟程度更高，将更有利于人工湿地作为污水处理技术的发展研究。而当前很多生态城市，生态居住区及生态园区的建设都增加了水面设置，但这些人工水面往往得不到较好的维护，可能收到事倍功半的效果，不仅成为社区负担，而且在后期维护中增加了资金投入，甚至被迫停用。如果将水净化理念引入到人工湿地的建设中，不仅可以净化水体，增加绿地，减少维护和管理的投入，更重要的是拉近了人与自然的距离，这样才会实现真正的生态建设。由于我国城市地表径流污染研究的时间还不长，对降雨径流污染的严重性认识还不够充分，因此加强城市径流污染控制，实现雨水资源化，结合我国实际进一步研究，提出切实可行、经济实用的控制管理技术方法，是我国现在和今后研究的重点。

[1] 贺缠生，傅伯杰，陈利顶.非点源污染的管理及控制[J].环境科学，1998，19(5): 87-91.

[2] 赵剑强.城市地表径流污染与控制[M].北京: 中国环境科学出版社，2002.

[3] 卢少勇，张彭义，余刚,等.人工湿地处理农业径流的研究进展[J].生态学报，2007，27(6): 2627-2635.

[4] 尹炜，李培军，可欣,等.我国城市地表径流污染治理技术探讨[J].生态学杂志，2005，24(5): 533-536.

[5] U.S. Environmental Protection Agency.Handbook: urban runoff pollution prevention and control planning[M].EPA/625/R-93/004，1993，7-15.

[6] JAISWAL A，NEWKIRK S，BLANKENBURG W，et al.A practical plan for pollution prevention: urban runoff solutions for the Monterey region[M]. America: The Natural Resources Defense Council，2005：15- 30.

[7] 潘华.城市地表径流污染特性及排污规律的研究[D].西安：长安大学，2005，23-27.

[8] JANG A，SEO Y，BISHOP P L.The removal of heavy metals in urban runoff by sorption on mulch[J].Environmental Pollution，2005，133：1-8.

[9] BENDER G M，TERSTRIEP M L.Effectiveness of street sweeping in urban runoff pollution control[J].Science of The Total Environment，1984，33(1-4)：185-192.

[10] CHARACKLIS G W，WIESNER M R.Particles，metals，and water quality in runoff from large urban watershed[J].Journal of Environmental Engineering，1997，123(8)：753-759.

[11] CHARBENEAU R J，Barrett M E.Rainwater utilization and storm pollution control based on urban runoff characterization[J].Journal of Environmental Sciences，2010，22(1)：40-46.

[12] MILLAR R G.Analytical determination of pollutant wash-off parameters[J].Journal of Environmental Engineering，1999，125(10)：989-992.

[13] ELLIS J B，REVITT D M et al.The contribution of highway surfaces to urban stormwater sediments and metal loadings[J].The Science of the Total Environment，1987，59：339-349.

[14] 汪慧贞，李宪法.北京城区雨水径流的污染及控制[J].城市环境与城市生态，2002，15(2)：16-18.

[15] 赵剑强，闫敏，刘珊,等.城市路面径流污染的调查[J].中国给水排水，2001，17(1)：33-35.

[16] 尹澄清.城市面源污染的控制原理和技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.

[17] 陈玉成，李章平，李章成,等.城市地表径流污染及其全过程削减[J].水土保持学报，2004，18(3)：133-136.

[18] BRAIN J，FAUZIA U，DAVID G，et al.Initiatives to tackle diffuse pollution in the UK[J].Water Science Technology，1998，38(10)：131-138.

[19] DRAPPER D，TOMLINSON R，WILLIAMS P.Pollutant concentration in road runoff： southeast queensland case study[J].Journal of Environmental Engineering，1999，126(4)：313-320.

[20] HAMMER D A . Constructed wetlands for wastewater treatment[J].Michigan：Lewis Publishers Inc.，1989，5-20.

[21] House C H.Combining constructed wetlands and aquatic and soil filter for reclamation and reuse of water[J].Ecological Engineering，1999，12：27-28.

[22] Brix H.Use of constructed wetland in water pollution control: Historical development，present status，and future perspectives[J].Water Science Technology，1994，30(8)：209-223.

[23] 张忠祥，钱易.废水生物处理新技术[M].北京：清华大学出版社，2004.

[24] JAMES N C.constructed wetlands in treating urban stormwater runoff[J].Water Environment Research，2000，72(3)：295-304.

[25] 束文圣，周海云，黄立南,等.环境污染与生态恢复[M].北京：科学出版社，2003:225-230.

[26] 许衡.利用人工湿地去除污染物机理探讨[J].上海水务，2006，22(1)：28-30.

[27] 姚芳.人工湿地候选植物对污水的净化作用及其机理研究[C].浙江大学，杭州，2005.

[28] 安树青.湿地生态工程－湿地资源利用与保护的优化模式[M].北京：化学工业出版社，2003:52-55.

[29] 黄翔峰，沈捷，闻岳,等.生物法-人工湿地工艺处理采油废水及其有机物的降解特性[J].环境科学，2010，31(2)：338-344.

[30] KASEVA M E，Performance of a sub-surface flow constructed wetland in polishing pretreated wastewater-a tropical case study[J].Water Research，2004，38：681-687.

[31] BURCHELL M R，SKAGGS R W，BROOME S W，et al.Effect of substrate organic matter addition on nitrate removal efficiency in surface flow constructed wetlands[M].Trans. ASAE，2002.

[32] TANG X Q，HUANG S L，MIKLAS S，et al.Nutrient removal in pilotscale constructed wetland streating eutrophic river water: Assessment of plants， intermittent artificial aeration and polyhedron hollow polypropylene balls[J].Water Air and Soil Pollution，2009，197：61-73.

[33] GREENWAY M，WOOLLEY A.Constructed wetlands in Queenlands; performance efficiency and nutrient bioaccumulation[J].Ecological Engineering，1999，12：39-55.

[34] REDDY K R，KADLEC R H，FLAIG E，et al.Phosphorus retention in streams and wetlands; a review[J].Environmental Science and Technology，1999，29：83-146.

[35] 黄德锋，李田.不同基质复合垂直流人工湿地对富营养化景观水的净化效果[J].环境污染与防治，2007，29(8)：616-621.

[36] 丁疆华，舒强.人工湿地在处理污水中的应用[J].农业环境保护，2000，19(5)：320-323.

[37] 徐祖信，谢海林，叶建锋,等.模拟煤灰渣垂直潜流人工湿地的除磷性能分析[J].环境污染与防治，2007，29(4)：241-243.

[38] 尹炜，李培军，叶闽,等.塘-人工湿地生态系统处理城市地表径流的初期运行[J].环境工程，2006，24(3)：93-95.

[39] 程江，杨凯，吕永鹏,等.城市绿地削减降雨地表径流污染效应的试验研究[J].环境科学，2009，30(11)：3236-3242.

[40] SCHOLES L，SHUTES R B E，REVITT D M.The treatment of metals in urban runoff by constructed wetlands[J].The Science of Total Environment，1998，214：211.

[41] SCHOLES L，SHUTES R B E，REVITT D M.The removal of urban pollutants by constructed wetlands during wet weather[J].Water Science and Technology，1999，40(3)：333-340.

[42] 刘瑞.城市生态住宅小区分散式雨水人工湿地处理研究[J].湿地科学与管理，2008，4(1)：25-27.

[43] LEE B H，SCHOLZ M，HORN A.Constructed wetlands: treatment of concentrated storm water runoff (Part A)[J].Environmental Engineering Science，2006，23(2)：320-331.

Research Progress in Treatment of Urban Surface Runoff by Constructed Wetland

WANG Ping，WANG Xue-dong*
(.School of Environmental Science and Public Health, Wenzhou Medical College, Zhejiang Wenzhou 325035, China）

Constructed wetland (CW) is a unique soil-plant-microbe system, which has strong impact load resistant capability, low investment and running cost, easy maintenance and management. In this paper, research status and sources of urban surface runoff pollution were firstly introduced. Secondly, technological characteristics of the CW ecosystem were summarized. Thirdly, mechanisms of the CW treating pollution and its applications in removing urban surface runoff pollutions were reviewed. Finally, development trend of future researches on CW to treat urban surface runoff pollutions was prospected.

Constructed wetland; Urban surface runoff; Prospect

X 171.1

A

1671-0460（2011）03-0322-05

国家自然科学基金，项目号：21077079；（浙江省教育厅科研项目（Y201016867））；温州城市河道地表径流污染防治对策研究项目，项目号：Z090921421；温州医学院科研发展基金项目，项目号：QTJ09009，QTJ09004。

2010-11-03

王萍（1981-），女，讲师，博士，山东青岛人，2009年毕业于厦门大学环境科学专业，研究方向：有机污染物在环境中的迁移转化行为研究。E-mail：wangping_xmu@163.com，电话：0577-86699553。

王学东（1967-），男，教授，博士，研究方向：各种绿色环保分析前处理技术，毛细管电泳、微流控芯片－质谱在生物分析、环境分析中的基础及应用研究等。E-mail：wxdong@wzmc.edu.cn，电话：0577-86689733。