人工湿地对城市降雨径流污染的净化作用

余佳洁,周文静,刘琳

人工湿地对城市降雨径流污染的净化作用

余佳洁,周文静,刘琳

重庆建筑工程职业学院 建筑与艺术系, 重庆 400000

根据城市降雨径流的水质和水量特征，我们连续3年采用新型折流式人工湿地对其进行了降雨径流净化研究。对人工湿地不同运行阶段模拟降雨径流的净化效果进行了对比，分析CODCr，BOD5，SS，TN，TP，NH4+-N在湿地系统中的沿程变化，探讨人工湿地削减城市降雨径流污染效应。结果表明：各污染物在人工湿地中的削减效应大小依次为：SS＞CODCr＞BOD5＞NH4+-N＞TN＞TP，其中对SS的削减效应显著高于其他污染物的削减效应(＜0.05)，对TP的削减效应最弱(＜0.05)；人工湿地对CODCr，BOD5，SS，TN，TP，NH4+-N的削减效应在1~7月呈逐渐增加趋势，局部有所波动，9月达到最大值，9月以后削减效应趋于平稳；除了TN外，折流式人工湿地系统出水各污染物均达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类质量标准，其中TN达Ⅳ类标准。降雨径流各污染物主要在人工湿地的第1格被去除，其中，CODCr，BOD5，SS，TN，NH4+-N均有一半以上的削减效应发生在第1格，随着人工湿地沿程进水浓度的增加，其削减效应逐渐下降。因此，折流式人工湿地系统对城市降雨径流的净化效果显著，并且该湿地系统具有较强抗冲击负荷能力，可用于城市降雨径流污染的控制和雨水利用。

人工湿地; 径流污染; 净化效应

就整个生态系统而言，大陆和海洋是主要的生态局地系统，此外还有介于陆地和海洋之间的湿地区域，这是较为独特的生态系统，虽然湿地占据的地球面积并不是相当广阔，但是因其处于海陆交界地带，因此具有典型的生物多样性[1-3]。为了利用湿地的生态功能，在实际的生态利用过程中常用人工湿地这一生态技术，该技术来源于德国，是通过土壤和基质的有机结合产物，从而来构建局地人工生态系统，进而借助于生物及化学反应来处理水体污染物，起到净化水体的作用，其中主要的基质是炉渣及煤灰等，这些基质和土壤按照一定的比例来结合，此外，在人工湿地植入植被，加上微生物的分解及降解作用，能够有效去除大量的污染物[4,5]。该技术在上世纪七十年代得以快速发展，不仅投资成本明显较低，同时在运营过程中投入也少，具有典型的低耗特点[6,7]，同时又不失美观，因此在污水处理中利用广泛，同时在治理水体富营养化作用显著，具有重要的生态意义和现实应用性[7-9]。该技术不仅仅是生态局地系统，同时更是污水处理生态，随着环境问题的日益突出，越来越多的学者将眼光投向人工湿地的研究之中，以提升水治理效率[10-12]。随着研究的深入，人工湿地应用越来越广泛，不仅仅是生活污水和工业废水的治理，而且充分应用在垃圾滤液的处理，强化了农业废水处理，近些年来，该技术从欧美国家日益向世界其他国家发展，该技术早期被污水处理厂广泛使用，尤其是非点源污染。就我国而言，人工湿地的广泛研究和引入开始于七五期间，直到上世纪九十年代该技术才大面积应用于雨水径流污染物处理[13,14]，但是对这方面的研究相对较少，因此开展湿地在径流降污过程中的应用具有重要的现实意义，基于此，开展此方面的研究将有助于深入利用人工湿地开展污染治理，控制地表径流污染物含量，从而更加丰富人工湿地的应用。

随着城市规模的扩大和人口的增多，加之城区工业厂区布局等原因，工业废水、生活污水已然成为城市水污染的重要污染源，在这种情况下大量的工业厂区逐渐向城市外围搬迁，以有效降低工业污染对城市环境的破坏；除此之外，作为一种非点源性污染，城市降雨径流污染也日益成为重要的污染源，其污染物主要是城市地表的生活垃圾及废弃物等污染物，这些污染物在降雨的冲刷等作用下以径流的形式进入其他水体，从而形成了明显的水体污染[15,16]。近年来，点源性污染治理取得了较大的成效，但是径流造成的非点源污染难以有效治理，且已经成为水体污染的第三大污染源[17]。由于城市地表污染物不仅种类繁多，难以有效清除，而且时空变化大，受到多种因素的影响，城市污染不仅仅有生活垃圾和废弃物，还有部分工业污染物等，因此整体来说具有较大的治理难度[16]。目前对于城市径流污染的初期治理主要通过人工构筑物开展污染物的拦截处理，主要的形式有滞留池及涵水池等，此外还有人工湿地等方式，这些处理方式在实践中应用较为广泛，已经成为径流污染治理的主要手段，且取得了良好的效果，在治理非点源污染方面起着重要作用，是提升城市环境治理的有效途径之一，尤其是在难以从源头根本上治理城市污染物的情况下作用更为显著。近些年来，随着湿地系统研究的不断深入，加之快速过滤系统的不断提升，对地表径流污染的治理手段取得了较大进步，尤其是人工湿地在污染物处理的使用，从而有效滞留污染物，进而达到净化水质的目的。由于现实研究过程中降雨存在巨大不确定性，污染物分布状况不一致，进行土壤水样采集具有较大难度，因此在研究过程中通过实验室湿地实验来模拟湿地的水体净化效应，实验过程中使用的是原状人工湿地系统，并进行连续三年的实地研究，从而对湿地的径流污染治理机理及过程进行分析研究，以为城市径流污染治理提供有益的参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 人工湿地设计与流程

一般而言，人工湿地净化城市降雨径流试验研究需要历时36个月。本次试验时间选取了2015~2017年1~12月这个阶段，期间平均气温为10~32 ℃。在人工湿地研究过程中，湿地床采取长方体设置，由有机玻璃构建，要求其长、宽、高分别达到1.6，1.5，0.8 m，玻璃的厚度达到10 mm，要求其坡度低于5%；在湿地窗体设置导流墙，从而将其分为4个单元床，并形成了串联，单元床的长、宽、高分别达到0.5，1，0.4 m，并将过水孔置于导流墙，这样就形成了上行流及下行流，通过过水孔来实现水流的曲折性，这样能够充分使得污水接触湿地，从而增强湿地的利用面积；本试验的水样采集主要在单元床的出水口，并在试验过程中注重对污染物空间分布进行及时、全面记录，为后续分析湿地去污奠定基础。

1.2 测定方法

首先对人工湿地进行长达一年的运行，之后再对出水口采集的水样进行指标分析，进而探究其对污染物的净化效应，其各水质的削减效应通过进水口及出水口值计算而得，具体计算公式=(进水口值—出水口值)/出水口值×100%[1-3]

然后对各个湿地单元的植被数量进行统计，并测量株高等长势，统计单元以一平米为计，最后将植被进行收割，之后进行收割以便于后续开展地上及地下生物量的测定。对植株进行烘干处理，然后分别利用光度法、钒钼蓝法分别对TN，TP进行测量[18,19]。此外还需要对NH4+-N，BOD5和CODCr进行指标测定，分别使用接种法、氧化法、光度法进行[18,19]。

1.3 数据分析

Excel 2010.0统计所有数据，取3 a的平均值，SPSS 21.0进行方差统计和Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 人工湿地对BOD5的削减效应

从图1不难看出，对于BOD5与CODCr水体净化而言，湿地系统对二者的净化效应基本接近，此外，进出口的水浓度变化也相差微小，由于一月是湿地植被的生长初期，植被尚未开始发育，湿地系统内微生物活动较弱，微生物尚未大量繁殖发育，因此湿地对BOD5的净化效应较弱，因此其出水浓度较高，随着季节的变化，湿地的净化效应日益增强，进入七月，湿地系统对其去除效应达到了近80%，且逐渐趋于稳定，在九月前后，植被处于生长的高峰期，植被已经形成了发达的根系，微生物活动也明显增强，湿地植被的吸附、拦截等效果凸显，加之微生物对水体污染物分解和降解作用的增强，湿地对BOD5的净化效果较为明显，因此其出水浓度较低；进入十一月，植被生长逐渐下降，微生物活动也相应降低，因此其净化效应有所下降，出水浓度略高，进入十二月，湿地的净化效应基本接近于九月。

图 1 人工湿地对BOD5削减效应及进/出水浓度的影响

图 2 人工湿地对CODCr削减效应及进/出水浓度的影响

2.2 人工湿地对CODCr的削减效应

从图2不难看出，污染物质的净化效应基本与进水浓度接近，由于一月湿地对CODCr的净化效应也较弱，因此其出水平均浓度达到118.23 mg·L-1，随着季节的变化，湿地的净化效应日益增强，进入七月，该效应达到了近93%，并在十一月期间达到稳定；在九月前后，植被已经形成了发达的根系，微生物活动也明显增强，湿地植被的吸附、拦截等效果凸显，加之微生物对水体污染物分解和降解作用的增强，湿地对CODCr的净化效果较为明显，因此其出水浓度较低；进入十一月，植被生长逐渐下降，微生物活动也相应降低，因此其净化效应有大约10%的下降幅度，出水浓度平均为38.5 mg·L-1，进入十二月，湿地的净化效应基本接近于九月。综合来看，在温度不断上升的情况下其去除效应有所增加，当其进水浓度处于一定范围的时候，在浓度增加的情况下去除效果有所增强；但是进水浓度超出范围后去除效应将会减弱。

2.3 人工湿地对TN削减效应

湿地系统对TN的去除效应具有较为明显的季节差异（图3），由于一月是湿地植被的生长初期，植被尚未开始发育，湿地系统内微生物活动较弱，微生物尚未大量繁殖发育，无法大量进行氮的转化，因此呈现较低水平的去除效应，此外，温度较低会影响反硝化作用，从而不利于氮的去除。

2.4 人工湿地对NH4+-N的削减效应

在人工湿地中，去除NH4+-N和去除N的机制类似。在1月份人工湿地刚运行时，NH4+-N削减效应会扩大，月平均进水浓度为4.6 mg·L-1削，削减效应可达78.3%；之后，随着月份的增加，削减效应随平均进水浓度的变化而逐渐增加，7月、11月、12月的削减效应分别为80.2%，81.1%，80.9%，相应的进水分别为5.8，6.3，5.9 mg·L-1。1~8月NH4+-N削减效应出现了不同的波动与变化。与11月、12月相比，7月的削减效应与其逐渐持平，变化幅度不大，保持稳定的原因在于，从7月开始，气温升高、脱除负荷高、进水浓度高，植物与微生物的协同作用得到提高与加强。

图 3 人工湿地对TN的削减效应及进/出水浓度的影响

图 4 人工湿地对NH4+-N的削减效应及进/出水浓度的影响

2.5 人工湿地对TP的削减效应

在人工湿地初运行时，TP削减效应波动幅度较大，大约保持在30%，出水浓度低于1 mg·L-1，能够达到地表Ⅲ类水标准。出现这种现象的原因为，该时期进水浓度较低(平均1.06 mg·L-1)，并且基质吸附能力比较强。而随着月份的增加，消减效应则出现较大的变化，7月、11月和12月的TP平均进水浓度分别达到2.3，2.9，2.7 mg·L-1，出水均低于0.7 mg·L-1，11月则呈现进水浓度和脱除负荷都较低的情况；值得注意的是，12月虽然温度低，但在进水浓度与7月保持一致的情况下，出水浓度、削减效应竟与7月保持同一水平。

图 5 人工湿地对TP的削减效应及进/出水浓度的影响

图 6 人工湿地对SS的削减效应及进/出水浓度的影响

2.6 人工湿地对SS的削减效应

由图6可知，SS去除效果与进出水浓度密切相关。当进水SS浓度在110.5~83.5 mg·L-1之间时，时间越久，SS浓度愈增加，出水SS浓度＜45 mg·L-1，平均削减效应达到86.2%。虽然SS进水浓度变化较为明显，但是当8月人工湿地系统稳定时，去除效果也趋于稳定，效应值保持在85.6%~93.7%之间，由此可知，人工湿地能够较为有力地抗击SS。

图 7 人工湿地对污染物的削减效应

注：不同小写字母表示差异显著(＜0.05)

Note: Different little letters showed a significant difference at 0.05 level.

2.7 人工湿地对城市降雨径流污染物的削减效应

从图7不难发现湿地对污染物SS的去除效果最佳，其去除率高达84.3%以上，而湿地对其他污染物的去除率明显低于SS去除率，且这种差异在0.05的检验水平下达到显著；去除效果较好的CODCr，拥有近82%的去除率，仅次于SS；再次是BOD5和NH4+-N，但是二者的去除率基本接近，在0.05的检验水平下不显著；而去除效果最差的是对TN、TP的去除；综合来看，人工湿地对于不同地表径流污染物的去除效果具有差异性。

2.8 降雨径流各污染物在人工湿地中的沿程变化

经过研究发现，TN、TH4+-N在第1、3格被有效大量去除，主要原因在于水流下渗不断加强的情况下发生了明显的水面复氧，能促进硝化及反硝化作用，进而有效去除氮元素；第一格能够有效去除43.9%的氮，明显高于其他湿地格段，也就是说起沿程趋势不断下降。湿地在运行前期基质能够有效发挥起沉淀吸附作用，因其未达到饱和状态，因而能够有效发挥净化作用。在TP浓度不断下降的情况下，后续进水浓度下降，污染负荷降低，去除效应也随之明显减弱；SS的去除效果主要集中在前两格，后两格去除效果微弱。

表 1 降雨径流各污染物在人工湿地中的沿程变化

3 结论与讨论

对于人工湿地而言，其对污染物的净化作用主要通过以下几个方面实现：第一，通过植被的截流及过滤作用，由于湿地中植被能够进行充分的生长，其根茎及叶片等能够有效对污染物进行拦截，从而初步过滤污染物；第二，基质的吸附及沉降作用[1-3]，由于人工湿地主要使用砾石及煤灰等作用基质填充，该填充物质能够充分吸附污染物，并在水力的作用下形成污染物沉降；第三，微生物的降解等作用，由于填充基质具有较大孔隙度，能够为微生物生长提供较大的空间，从而利于微生物进行新陈代谢等活动[5,7,8]，一方面微生物能够进行污染物等分解及降解，另一方面其挂膜作用利于处理污染物。本实验采取的是炉渣及泥沙作为基质填充，这能够大大降低短流现象，且较高的孔隙度能够充分扩大表面积，从而为微生物活动提供更广阔的空间，进而明显提升湿地对污染物的吸附及沉降等作用，利于污染物去除。综合来看，人工湿地植被对地表径流污染起到了明显的净化作用，但是对于不同的污染物，其净化效果并不是完全一致，其中对TP的净化作用较差，主要通过吸附作用来降低P含量，该成分在基质及植被的作用下被明显截留，之后在理化及微生物作用下大量去除；在微生物的作用下，加之植被的输氧功能，在湿地的底部形成了不同氧喜好的根区[20]，这样的环境利于微生物活动。就本实验湿地而言，其pH值达到中性水平，同时由于炉渣及石灰石具有较高的Ca、Fe，因此磷沉降作用显著；当植被及基质的吸附作用达到饱和后磷被释放[20]。由于基质具有较强的吸附作用，因此污染物的沉降效应明显，微生物不同的氧喜好有利于磷的积累。

对于湿地N循环而言，其过程具有明显的复杂性，不仅有挥发及硝化反应，同时还有吸附作用，同时利于微生物固氮；好氧微生物的分解作用能够大大提升NH4+-N的去除；对N的净化主要借助于硝化及反硝化过程[4,5]。本实验研究发现，湿地植被能够较强地去除氮素，但是未能有效去除TP，主要原因在于湿地植被能够对氮素进行较充分地截留及吸附，同时微生物能够对氮素进行充分的分解和降解[22]，从而取得较好的净化作用。湿地植被具有较发达的新生根系，这对于微生物的生长发育有利，进而利于对氮的分解等，因此在氮素降解过程中常常选用根系发达的湿地植被[13,20,21]；钟成华等[22]通过研究对比分析得知，湿地系统主要为厌氧，这种情况下硝化作用受到抑制；通过本实验对比分析可知，人工湿地在复氧方面的作用并不强，且其氨化、硝化的作用能力并不强，这对于反硝化作用起到了明显的抑制作用，从而使得TN具有较高的出水浓度，其出水标准基本与地表Ⅲ类水接近，而NH4+-N出水则强于该标准。人工湿地对SS具有明显的削减作用，该效应低有机物的去除产生作用，同时也对氮、磷的去除产生影响，主要原因在于SS的表面会附着氮等以上物质，在湿地植被及基质的过滤及截留作用下，这些物质被有效去除。

通过本研究的统计分析显示，人工湿地植被对TN、TP、SS等物质具有不同的去除效果，说明环境因子对水质净化具有较大影响，不同的植被具有不同发达程度的根系，且其生物量也存在较大差异，其长势及根茎等能够对污染成分产生不同的富集效果，因此在湿地构建的过程需要注重不同植被的搭配，从而能够对多种污染物质进行吸附、过滤等，以尽可能发挥不同植被的净化水体优势，形成对多种污染物的处理，从而将湿地净化效率予以大大提升，此外，能够利用植被净化来降低成本，更很大程度地降低了引用外来植被的生物入侵风险。此外，湿地植被能够有效吸收污染物中的部分营养成分，尤其是有机质等，且能够有效提升微生物活性，对于湿地降污起到重要作用。

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The Cleanup Effect of Artificial Wetland on Rainfall Runoff Pollutants in a City

YU Jia-jie, ZHOU Wen-jing, LIU Lin

400000,

According to water characteristics of rain runoff, an improved constructed wetland was used for purification experiment study of simulated and on-the-spot rain runoff. The purification effects of simulated rain runoff were compared in different operated phases of constructed wetland. Meanwhile, the variation of the pollutants (CODCr, BOD5, SS, TN, TP, NH4+-N) along constructed wetland and their reduction effects were analyzed and discussed, respectively. In the purification study of on-the-spot rain runoff, reduction effects of CODCr, BOD5, SS, TN, TP, NH4+-N ordered SS＞CODCr＞BOD5＞ NH4+-N＞TN＞TP, which the reduction effects of SS were the highest (＜0.05) and the reduction effects of TP were the lowest (＜0.05). From January to July, the reduction effects gradually increased and the to the peak value in September, after September, the reduction effects leveled off. In the simulated experiment, the effluent water quality of constructed wetland system met the needs of Environmental Quality Standard for Surface Water (GB3838-2002) Ⅲ, besides TN, and most of the pollutants were removed in the front of the constructed wetland. The reduction effects gradually decreased with the units. Correlation analysis showed that TP had no significant difference with the other pollution parameter (＞0.05). In total, there was remarkable treatment performance of the mining rain runoff when constructed wetland system was used, which also can withstand strong shock load. Moreover, it can be used to control urban surface runoff pollution and use rainwater.

Artificial wetland; rainfall-runoff pollutants; cleanup effect

Q89;X171

A

1000-2324(2020)03-0452-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.012

2018-12-14

2019-03-20

余佳洁(1990-),女,硕士,讲师,研究方向:设计学. E-mail:yjj901229@163.com