人工湿地水处理效率的Meta分析

龙 闹，刘茂松

(1．广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510000;2．南京大学生命科学学院，江苏南京 210046)

人工湿地(constructed wetland)是指人工设计、建造的用于优化自然过程从而净化污水的工程化系统［1-2］，通过人工湿地中基质、水生植物和微生物间一系列物理、化学、生物过程来完成对水体污染物的高效去除［3］。人工湿地具有净化效果好、运行费用低、易维护等特点。自1950年德国采用人工湿地技术净化生活污水以来［4］，人工湿地在全世界范围内得到了广泛应用［5］，近年来我国建成并投入使用的人工湿地数量也在快速增加［6］。

人工湿地污水处理系统包括水体、基质、水生植物和微生物四大基本要素，彼此间存在复杂的相互作用，其处理效率与湿地类型、湿地植物种类及植物种植方式、温度、入流浓度、水力停留、水质条件、基质类型、实验地点及规模等都有一定的相关性［6-8］。人工湿地对不同水质指标去除率和去除率稳定性存在较大差异，研究发现，人工湿地对BOD、COD、TSS的去除率可达90%以上，但对氮、磷的去除率较低且去除效果不稳定［9］。不同类型湿地系统间去除率差异较大，研究发现潜流湿地净化效果优于表流湿地［10］。不同污染浓度条件下人工湿地去除率也有所不同［11］。综合研究各类人工湿地在不同条件下的净化能力及其影响机制，并据以针对不同污染浓度水体选择合适的人工湿地工艺，可有效提高人工湿地的应用成效。

本研究收集了近二十年来发表的我国人工湿地相关文献资料，应用Meta分析，按水质指标、湿地类型、入流污染负荷浓度等分类研究了人工湿地的去除率及其稳定性，以期分析各类人工湿地对各主要水质指标净化能力的规律性，为人工湿地的应用提供技术参考。

1 材料与方法

1．1 Meta 分析

Meta分析(Meta-analysis)又称“整合分析”、“荟萃分析”、“二次分析”等［12］，可对同一课题的多项研究结果进行系统的、定量的综合性分析，广泛应用于医学、心理学、生态学等领域的研究中。其主要步骤包括:(1)根据所需解决的问题制定检索策略，全面广泛收集文献;(2)对文献进行质量评价和数据提取;(3)确定能够反映各个独立研究结果的效应值;(4)通过对效应值进行异质性检验，采取相应的统计模型计算综合效应值，完成对相关研究结果的评价［13］。

Meta分析中效应值的选取取决于研究对象的特征、原始文献数据的获取程度以及统计检验的假设等［14］，常用的效应值有 Glass估计值 Δ、Hedges估计值g、Hedges估计值d、反应比 lnR等［15］。本研究选择类似于反应比lnR的去除率r作为效应值以表征人工湿地的净化能力，如式(1)所示:

其中:c0—入流浓度，mg/L;

ce—出流浓度，mg/L。

计算综合效应值的模型可分为固定效应模型和随机效应模型，需根据效应值的异质性采用不同的模型。通常采用卡方检验计算效应值的异质性，如式(2)所示:

其中:ri—单个研究的效应值;

Wi—每个研究的权重，Wi=1/var(ri)。

统计量Q服从自由度为K-1的卡方分布，当Q值概率P＞0.05时，采用固定效应模型;P＜0.05时，采用随机效应模型［16］，并计算95%置信区间。固定效应模型综合效应值计算公式如式(3):

随机效应模型综合效应值计算公式为:

1．2 数据采集

本研究选用“constructed wetland”、“artificial wetland”、“构 造 湿 地”、“人 工 湿 地”在ScienceDirect、SpringerLink、CNKI、维普等几种中英文数据库中进行关键词检索，并追踪相关的综述类文章的参考文献。研究中对检索到的文献按以下标准进行筛选:

(1)数据资料必须来源于试验研究，试验地点在中国，至少包含一种人工湿地净污系统;

(2)数据资料中必须有人工湿地水质指标的入水浓度或出水浓度和相应的去除率，至少包含总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮、生化需氧量(COD)、化学需氧量(BOD)和总悬浮固体(TSS)等6种水质指标中的一种;

(3)数据资料应是具体的数值(包括图表)，数据包含平均值和标准差(或标准误差);

(4)重复报道的数据只选取一次，对每个独立研究中的每个处理，只使用一个测量值。

筛选后，对符合条件的59篇中、英文文献进行数据采集［16-74］。主要指标包括湿地类型、水质指标、温度条件、植物种类及种植方式、基质类型、实验规模、试验季节、水力停留时间、试验地点、污水来源等。

本研究选取6种常用的人工湿地水质指标进行研究，即悬浮固体总量(TSS)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)和氨氮(NH3-N)。研究中，根据人工湿地系统布水方式的不同将湿地类型分为自由表面流人工湿地(free water surfacewetlands)、水平潜流人工湿地(horizontal sub-surface constructed wetlands)、垂直潜流人工湿地(verticalsub-surfaceconstructed wetlands)和复合人工湿地(hybrid constructed wetlands)，复合湿地是将自由表流、水平潜流和垂直潜流等湿地中的2种或2种以上组合形成的湿地系统［1］。

在纳入Meta分析数据库的59篇文献的72例人工湿地中，自由表流人工湿地18例，水平潜流人工湿地26例，垂直潜流人工湿地12例，复合人工湿地16例。污水来源主要为生活污水，少量为黑臭河水或工业废水，试验地点分布较广，主要分布在北京(9例)、江苏(8例)、广东(6例)等。本研究涉及的人工湿地基质类型有组合基质、煤渣、炉渣、砂土等，以组合基质为主;涉及到的人工湿地植物有芦苇、美人蕉、风车草、千屈菜等，以多种植物组合搭配出现为主。纳入本研究的人工湿地入流水质情况较差，以污染水体为主;纳入本研究的案例为样地人工湿地，主要运行时间为湿地植物生长季，水力停留时间多为3～10天，少数案例水力停留超过1个月。

2 结果与讨论

2．1 人工湿地对不同水质指标处理效果

按水质指标分别计算各个案例的各水质指标去除率效应值，并对各效应值进行异质性检验，异质性结果表明6种水质指标的去除率效应值均具有同质性(卡方检验P＞0．05)，可采用固定效应模型计算综合效应值，计算95%置信区间，如表1所示。

表1 人工湿地对不同水质指标去除率效应值Tab．1 Removal Effect of Different Water Quality Items for Constructed Wetland

由表1可知，人工湿地对6种水质指标去除率综合效应值为58．54% ～88．24%;对TSS去除率效应值最高，为88．24%;对BOD、TP去除率效应值较高，分别为 83．26%和 81．88%;对 TN去除率最低，为58．54%。比较95%置信区间发现，总体上人工湿地去除效果稳定性较高，对BOD和TSS去除效果稳定性相对较高，对TN和氨氮去除效果稳定性相对较低。

人工湿地对污水的处理有十分复杂的净化机理。一般认为，人工湿地通过一系列物理的、化学的及生物的过程实现对污水的净化。物理作用主要包括沉积、过滤和吸附，化学作用主要包括化学沉淀和离子交换，生物作用则主要指植物、微生物的代谢和吸收［75］。人工湿地中不同水质指标去除的主要机制有所不同，相关研究发现，除磷主要依靠基质的沉淀和吸附作用［76］;脱氮主要依靠微生物的硝化和反硝化作用［77］;TSS的去除则主要依靠植物茎秆阻挡、微生物分解和填料的过滤作用［78］;COD的去除主要依靠植物吸收和微生物的分解［79］;BOD的去除主要依靠填料的过滤和微生物的分解［80］。由于人工湿地类型的不同，加之各指标相关的主要生态过程的差异性，必将导致不同水质指标的去除率及稳定性存在差异。Liu等［81］综合中国构造湿地主要水质指标得出，BOD5的平均去除率高达81．8%，但总氮的平均去除率仅44．3%。由于不同研究人员研究案例不同，不同研究者的研究成果间的具体数值可能存在差异，但总体趋势较为一致，一般BOD、TP等的去除率较高，而氨氮、TN等较低。

比较各水质指标主要去除机制与去除率效应值发现，人工湿地对主要依赖于物理过程的TSS、TP以及容易生物降解的BOD的去除率一般较高且其变化范围较小，综合去除率效应值较高且相对稳定;对主要依赖于相对复杂的化学与生物过程的氨氮、COD和TN等指标的去除率则相对较低，综合去除率效应值的变化范围也较大。推测由于相对复杂的去除过程往往需要相对复杂多样的反应条件，因此更易受各种条件因子的影响。

2．2 不同人工湿地类型水处理效果

为研究不同类型人工湿地水处理效率差异，按照人工湿地类型分别统计不同水质指标去除率效应值并进行同质性检验，发现各湿地类型各水质指标的去除率效应值均具有同质性(卡方检验P＞0．05)，可采用固定效应模型计算综合效应值。

表2 不同构造湿地类型去除率综合效应值Tab．2 Effective Value of Removal Rate for Different Types of Constructed Wetlands

由表2可知，对单一类型湿地而言，垂直潜流对TN、氨氮、BOD和COD去除率综合效应值较高;水平潜流对TP去除率综合效应值较高，但对TN去除率综合效应值相对较低;自由表流对TSS去除率综合效应值较高，但对 TP、氨氮、BOD和COD去除率综合效应值相对较低;复合湿地对TP、COD和TSS去除率高于单一类型湿地，而对TN、氨氮和BOD的去除率却略低于垂直潜流人工湿地。

不同类型的人工湿地中，生态过程的差异性影响各水质指标的去除率。赵建刚等［10］研究认为，水平潜流湿地对各种污染物的净化能力均优于表流湿地。而聂志丹等［82］则认为，相对于水平潜流和自由表流人工湿地，垂直潜流湿地处理富营养化水体的出水水质更稳定。

自由表流湿地中，植物根系及填料的直接作用较小，对于主要依靠填料吸附、沉淀的TP等的去除效果较差;水平潜流湿地可充分利用填料、植物根系和微生物的作用，但床体相对缺氧，不利于硝化反应，除氮效果略差;垂直潜流湿地充分利用了填料、植物根系和微生物的作用，氧气可通过水流进入湿地，形成兼氧环境，有利于硝化、反硝化作用，对于TN、COD、BOD、氨氮等需要复杂化学和生物过程的水质指标去除效果较好。Vymazal［83］研究认为复合型人工湿地能够达到最优的除氮效果，但刘雯等［84］则发现复合型人工湿地对TN的去除效果较差，仅为33%，本研究也显示，复合湿地对依靠复杂化学和生物反应的水质指标并没有体现出明显的优势，可能与不同复合湿地的设计参数有关。

2．3 不同入流浓度条件下人工湿地的水处理效率差异

人工湿地对不同入流浓度水体的处理效率可能存在一定差异。本研究根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2003)中的V类水标准限值、《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中最高容许排放浓度一级B标准和两倍于一级B标准的浓度，将人工湿地入流水质污染程度按低浓度、中浓度、高浓度、超高浓度分为四个等级，如表3所示。

表3 入流水质分类标准Tab．3 Standard of Classification of Influent Water Quality

由于本研究收集的TSS和BOD数据难以按上述标准分类，仅选取了TN、TP、氨氮和COD四个指标，分别计算不同入流浓度水质指标去除率效应值。经检验，不同污染负荷下，各水质指标的去除率效应值均具有同质性(卡方检验P＞0．05)，可采用固定效应模型计算综合效应值，如表4所示。

表4 人工湿地对不同入流水质处理综合效应值Tab．4 Comprehensive Effective Value of Removal Rate for Different Influent Water Quality in Constructed Wetland

由表4可知，人工湿地在超高入流浓度条件下对TN和氨氮去除率综合效应值较大且去除率稳定性较高;在高入流浓度条件下对TP和COD去除率综合效应值较大且去除率稳定性较高;在低入流浓度条件下对四个水质指标去除率综合效应值相对较小且去除率稳定性均较低。

由Meta分析结果可知，随着入流污染浓度的提高，人工湿地去除率综合效应值和去除率稳定性都会升高。相关研究发现，在一定浓度范围内，随着污染浓度的提高，植物去除污染物速度加快［11］，同时也可促进人工湿地基质生物膜的良好发育，加快人工湿地生态系统自身的成熟，从而提高去除效率［85］，但污染浓度超过一定阈值后，去除率将有所下降［86］。一般情况下，较高污染浓度下人工湿地往往具有较高的去除率和较高的去除率稳定性。

3 结论与建议

本文运用Meta分析对近二十年来发表的我国境内构建的人工湿地水处理效率进行了比较研究，并按湿地类型和入流污染浓度两个影响因素分析了人工湿地的去除率及去除率稳定性。

根据分析与讨论，可以得出如下结论:(1)人工湿地对BOD、固体悬浮物、总磷去除率相对较高，对氨氮、COD和TN等指标去除量相对较低;(2)垂直潜流湿地对有机物、氮含量较高的污染水体去除效果相对较好，水平潜流对TSS、磷含量高的污染水体去除效果相对较好，复合湿地可以综合不同单一类型湿地优势，提高净化效果;(3)人工湿地对高污染水体去除效果相对较好，优先处理高污染水体可有效控制污染物的扩散。

根据本研究的结果和需完善的工作及研究实践中的问题，对以后的人工湿地研究和应用提出几点建议:

(1)对人工湿地运行稳定性研究不足，目前对人工湿地的研究主要强调去除效率影响因素分析，对高效、持续运行的研究比较薄弱，导致很多人工湿地正常工作时间短。应加强人工湿地运行稳定性研究，寻找延长人工湿地污水处理寿命的方法。

(2)人工湿地占地面积相对较大，限制了其在土地资源相对紧张的城市的推广。在人工湿地选址过程中，应充分考虑人工湿地规模对环境、经济效益的影响，避免浪费宝贵的土地资源。

(3)我国境内复合人工湿地运行数据较少，且缺乏设计参数，亟需建立我国人工湿地工程实例数据库，积累相关设计运行经验，以促进高效人工湿地的推广应用。

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