人工湿地全生命周期管理策略

白彬彬 王军辉 吕京京

（1 北京世界园艺博览会事务协调局，北京 100043；2 北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038）

水质净化是人工湿地的主要功能之一，这一点和其他的污水处理措施（如污水处理厂、再生水厂等）类似，但在结构系统上，人工湿地是一个由地质体、基质层和生物群落等共同组成的“具有生命的个体”，具有“生老病死”的特征，其水质净化效果很大程度上取决于其自身的“健康状况”，不合理的建造方案或运营管理不仅会大大降低其水质净化功能，还会缩短其自身寿命，甚至还会酿成“臭水一潭”的后果，形成新的污染源。

目前关于人工湿地水质净化功能的研究较多，也比较深入，但由于影响因素太多，涉及到物理、化学、生物和生态等多个学科，问题十分复杂。囿于研究者的专业领域，目前的研究多集中在某个方面（如基质设计、植物选择等），相关改进措施也比较局限，带有一定的片面性，很难形成对一般人工湿地的建设和运营管理具有普适性的指导。

针对以上问题，本文在系统调研当前人工湿地研究成果的基础上，全面分析了人工湿地水质净化的主要影响因素，有针对性地提出相关改进措施，以期从管理策略上提高人工湿地的水质净化效果。

1 影响人工湿地水质净化的内因

内因一般指人工湿地的类型、基质材料与结构和生物种类等（图1）。

1.1 人工湿地类型

图1 影响人工湿地水质净化能力的内部结构示意图（以水平潜流型湿地为例）Fig1 Internal structure aあecting the water purif i cation abilityof constructed wetland（A case of horizontal subsurface wetland）

根据水流流态，可将人工湿地分为3种类型：表面流型人工湿地、水平潜流型人工湿地和垂直潜流型人工湿地(Meutia, 2001;Avila et al，2010)。这3种类型湿地水质净化的机理是不同的，因此效果也会有很大差别，在实际工作中应根据需要灵活选定。例如，对于COD、总氮、总磷、氨氮等常见污染物，垂直潜流人工湿地的去除效果最好，水平潜流型人工湿地次之，表面流型人工湿地去除效果较差（潘琼, 2015; 舒柳, 2015）。

1.2 基质层

基质层为水生植物提供载体和营养物质,为微生物提供稳定的依附表面。通过拦截、过滤、吸附和沉淀等作用，基质层直接去除了污染物，是人工湿地中污水处理的主要场所，对水质净化效果影响较大，主要体现在以下两个方面。

1.2.1 基质材料 不同的基质材料由于其成分不同，对不同污染物的净化效果也不同，基质材料类型对人工湿地硝化菌和反硝化菌的数量和空间分布有较大影响（刘慎坦等,2011）。如沸石对氨氮具有极强的选择吸附性，可快速截留污水中的氨氮（李旭东等,2005）。针对不同的污染物，充分利用当地的自然资源，选择合适的人工湿地基质，是构建人工湿地、提高人工湿地净化能力的关键。

1.2.2 基质层结构 不同的基质层结构对于人工湿地的净化效果也存在一定的影响，如孔隙率降低，堵塞率增大（李静等,2012）。基质层厚度接近栽种植被根系长度时，对氨氮的去除效果最好（崔延瑞等,2016）。基质的类型、渗透率、含水率、胶体类型、pH值、黏性及各种络合、螯合剂的存在，都会影响到人工湿地的脱氮效率（崔理华等,2007）。基质粒径小，水质净化效果更好（胡欢等,2013）。

1.3 水生生物的影响

人工湿地中的生物总体上分为动物、植物和微生物3大类，对水质净化起主要作用的是植物吸附和微生物降解，另外，有些动物群对水质净化也起到一定的间接调节作用。

1.3.1 微生物群落的作用 微生物是人工湿地不可或缺的成员，对湿地生态系统中的物质转化、能量流动起着重要作用，是对污染物进行降解的主要生物群体和承担者。人工湿地中的活性微生物能促进营养物质的循环，对水质的改善和维持功能与天然湿地相似。异养微生物分解有机碳，自养微生物分解无机碳，因此湿地中有机碳和无机碳的数量和比例不同就会产生不同的去除过程。

微生物在人工湿地整个生物群中属于可直接选择性较差的一类，很大程度上受植物、动物、土壤、水质、温度和基质等多种因素的影响。

1.3.2 植物 植物在湿地净化过程中起到重要的作用，主要表现在以下3个方面：①植物根系的巨大表面会附着大量微生物，创造有利于各种微生物生长的微环境；②植物可通过茎叶向下输送氧气，在根系附近形成好氧区，促进有机质、氮、磷等的转化；③此外，植物对营养物质的吸收也是净化的主要途径（马勋静等,2010;郑翀等,2009）。

在人工湿地的建造和运营管理中，水生植物可选择性较强，植物的合理选择是提高水质净化效果的关键之一。

1.3.3 动物 大量的研究和实践表明：动物对水质的直接净化作用远小于植物和微生物，但动物是人工湿地微生态系统食物链中的重要一环，动物对水质净化也会起到一定的间接调节作用。如动物的扰动会对植物根区吸附有机碳和氮产生影响（王琪飞等,2016）。李先宁等（2010）研究认为，蚯蚓的钻土和摄食矿化有机物对缓解和消除湿地的堵塞现象能起到一定的作用。

动物除了具有一定的水质净化效果外，有些动物还产生一定的代谢物（如鱼类、禽类等），也会对人工湿地微生态环境产生一定影响，在选择动物种类时也需要予以考虑。

2 影响水质净化效果的外因

影响人工湿地水质净化效果的外部因素主要是运营管理，如果人工湿地运营管理不够科学合理，会极大地影响其水质净化效果，甚至造成人工湿地水质净化功能的提前丧失，这在我国当前“重建设，轻管理”的现状下表现得尤为突出。运营管理方面主要考虑进水、出水、湿地地表水水位、基质层维护情况和生物群落管理等。

2.1 进水的影响

进水的水量、水质和水温对水质净化效果有不同程度的影响：①进水量和水质共同决定了人工湿地水质净化的水力负荷，水力负荷越大，实际净化效果可能呈下降趋势，存在一个最优进水量和水质问题，而且不同的基质材料、生物种类对不同的污染物净化效果也不同；②进水温度不仅直接影响水质净化中的物理、化学和生物反应过程，同时也影响人工湿地中的生态环境，对生物群落的生存环境造成影响。

2.2 出水的影响

出水的影响主要表现在人工湿地出水量的管理。出水和进水是维持人工湿地系统物质和能量动态平衡的因素。在人工湿地运营过程中，根据监测结果，实现出水的动态科学管理，如出水的频次、出水量等。

2.3 人工湿地水体水位的影响

受进水和出水以及气象条件的影响，人工湿地运营过程中的水位呈动态变化，水位不仅影响水力的停留时间，还会对大气中氧气向水中的扩散产生影响，进而影响生物对生存环境的适宜性以及水质净化效果（姚枝良等,2006）。另外冬季水位过低，水容易结冰，降低微生物的活性和植物的生存几率，也影响水质的净化效果（陈亮等,2005）。

2.4 基质材料饱和度的影响

基质层对污水的净化作用主要通过过滤、沉淀和吸附等物理化学过程，随着运营时间的推移或污水处理水力负荷的增大，基质层的物理化学作用会达到饱和或堵塞（王文明等, 2014），使基质的水质净化作用削弱甚至失效。

2.5 生物群落动态的影响

人工湿地一般运营周期较长，受气候环境季节性变化的影响，生物的数量、种类也会变化，如动物的迁徙和冬眠，植物的“一岁一枯荣”，都会对人工湿地水质的净化效果造成影响。

3 人工湿地全生命周期管理策略

3.1 科学规划、设计和施工

人工湿地建设前期应明确其目的和功能目标，并依据当地的气象、水文和地质条件，因地制宜地进行科学规划、设计和施工，包括人工湿地的选址、选型和规模的确定、基质材料和结构的确定，生物种类的选择等，形成系统的规划设计方案，并在施工期间严格执行，确保施工质量。

3.2 加强人工湿地系统检测和环境监测

环境监测是十分重要的工作，既是检验人工湿地建造质量是否满足要求的重要指标，也是检验运营管理是否合理的重要手段，也是采取相关处理措施的重要依据。人工湿地环境监测内容应包括多个方面（表1）。

表1 人工湿地环境监测内容一览表Table 1 List of environmental monitoring contents of constructed wetland

3.3 科学制定并执行运营管理和维护制度

根据人工湿地规划设计方案，结合动态环境监测结果（表1），制定科学的运营管理方案和制度，防止人工湿地超荷运营或带病运营。在保证人工湿地健康运营的同时，更大程度地发挥其水质净化效率。对于不能达到要求的人工湿地，应及时做出维护处理措施（如基质和生物种类的更换），必要时还需进行人工湿地的改扩建。人工湿地全生命周期管理方案见图2。

4 结论

影响人工湿地水质净化效果的因素很多，既有建设期产生的内因，也有运营期产生的外因，这些因素贯穿人工湿地整个全生命周期。以生态方式为主的水质净化工程和人工湿地是有生命的，水质净化效果很大程度上取决于其健康程度。因此，提高人工湿地水质净化能力是一个系统工程，需要从全生命周期考虑，真正做到“科学建造、严格监测、合理运营管理、动态维护”，在确保人工湿地健康运营的同时，更大程度地发挥其水质净化效果，实现显著的环境效益和经济效益。

图2 提高人工湿全生命周期管理策略示意图Fig.2 Flowchart of lifecycle management strategy measures for constructed wetland