高位湖灘濕地在農業面源污染河水中的應用

劉 璐，李繼明，柯 凡，李文朝，侯長定

(1.江蘇省地質環境勘查院，江蘇南京 210012；2.天津市引灤工程管理處，天津 301900；3.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，江蘇南京 210008；4.玉溪市環境科學研究所，云南玉溪 653100)

撫仙湖是我國第二大深水湖，水質一直保持在I類[1]，但北岸壩區農業大量面源污染隨河流輸入湖中，占流域總入湖污染量的90%以上[2-3]，位于壩區西部的廣南營溝、沙盆河是撫仙湖北岸壩區的典型農業面源污染河流，河水常年攜帶大量農田廢棄物和生活垃圾，水體渾濁，河道入湖口沉積大量有機物，腐爛分解，釋放出有害物質和營養物質，造成氨氮含量上升[3]，湖水透明度下降，水質逐漸惡化。因此為防止農業面源污染物隨河流匯入撫仙湖，對廣南營溝、沙盆河進行河道末端整治十分必要。

農業面源污染來源分散、形成過程復雜，還受到農耕方式、化肥農藥施用量、降水、地質地貌等因素影響[4-7]，采用傳統的二級生化處理技術集中處理較為困難。目前針對農業面源污染河水常用的末端處理技術有河道曝氣等物理技術[8]，生物塘、人工濕地等自然生態處理方式等[9]。其中人工濕地作為農田和水體緩沖帶，通過吸附吸收、生物降解等作用降低徑流中氮、磷的含量[7]，被認為是治理農業面源污染有效且實際的工程措施[10]。國外對于人工濕地去除污染物的研究始于20世紀70年代。Peterjohn等[11]關于人工濕地治理農業面源污染地表徑流的試驗結果顯示，位于農田和水體間50 m寬的植被緩沖帶可以降低約89%的氮、80%的磷進入地表水中。美國普萊多除氮人工濕地占地940 hm2,一個月可去除約20 000 kg的硝酸鹽，具有很高的脫氮效果，通過該濕地對農業面源污染進行控制，從而達到圣安娜河水體的凈化[12]。Hey等[13]研究發現Des Plaines濕地對可溶性磷的去除率達52%～99%。人工濕地因其脫氮除磷效果好、投資維護費用低廉、操作簡單等優點[13]，在國際中得到廣泛應用。我國在“八五”攻關課題“滇池防護帶農田徑流污染控制工程技術研究”中，首次將人工濕地系統用于處理農田徑流廢水。整個工程占地13.33 hm2，是由灌、排水渠、沉沙池、曝氣坎、人工濕地串聯的復合系統。其中人工濕地區域因地制宜，利用1 257 m2低洼棄耕地構建，并選取適合該地區生長的植物垂直布設，運行結果顯示，該濕地CODCr去除率20%、TSS去除率70%、TN去除率60%、TP去除率50%，環境效益顯著[14-16]。楊揚等[17]在洱海湖濱區建立的潛流式植物碎石床人工濕地和湖濱帶人工濕地，占地2.77 km2，對區域內農業面源污水中氮磷有很好的去除效果，去除TN 53.8%～57.7%，去除TP 76.5%～84.5%。這些研究都為人工濕地處理農業面源污染的發展提供了技術支持。

針對廣南營溝—沙盆河的水污染狀況，采用攔污沉沙—二級表流濕地—砂礫床工藝路線設計了廣南營溝—沙盆河高位湖灘濕地，該工程于2006年建成并一直運行至今。筆者以廣南營溝—沙盆河高位湖灘濕地工程為研究對象，通過濕地對這2條河道的凈化效果與機理的分析，探討和驗證該系統工藝設計參數對于類似受農業面源污染河水的適用性；通過與類似濕地凈化工藝的比較，總結高位湖灘濕地技術工藝在結構與功能設計上的優缺點，以期為湖濱帶濕地的設計改進和維護、退墾還湖生態系統修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1工程區概況高位湖灘濕地工程位于撫仙湖老環湖公路南側廣南營溝和沙盆河兩側的湖灘地上，該湖灘為沖積湖灘，主要利用老環湖公路以下405 m岸帶的退墾湖灘地修建，占地43 000 m2，對廣南營溝、沙盆河全部水量進行處理。該地區2條河流的旱季平均流量約0.7萬m3/d，雨季平均流量約2萬m3/d左右，最大流量6萬m3/d，平均年入湖水量約500萬m3。設計高位湖灘濕地處理能力為20 000 m3/d，最大過水能力為60 000 m3/d，對應的水力負荷分別為0.47、1.41 m3/(m2·d)。

1.2高位湖灘濕地構建高位湖灘濕地凈化水質試驗利用湖岸帶退墾湖灘地修建。老環湖公路以下湖灘上為天然土質河道，高水位季節整個湖灘河水滿溢，形成天然濕地。高位湖灘濕地系統就是在利用該天然濕地資源的基礎上，建設自然濕地凈化系統，工程占用湖灘耕地43 000 m2，人工濕地凈化工程區容積16 860 m3。因工藝單元間存在一定的自然坡降，所以高位湖灘濕地采取平行于湖岸線的二級表流濕地結構，并按照均勻平流場設計，各級運行水位差0.1 m。主要處理工藝單元見表1。主要工藝流程見圖1。

表1 高位湖灘濕地主要工藝單元

圖1 高位湖灘濕地工藝流程Fig.1 Process flow of Lakeshore Raised Constructed Wetlands

1.3監測方法沿水流流向設置3個監測點。2個入湖河口各1個，高位湖灘濕地出口取1點混合樣。主要監測指標有固體懸浮物(SS)、化學需氧量(CODCr)、總氮(TN)、總磷(TP)等。整個監測期為2014年4月—2015年7月，其中2015年1月8日—3月29日的干旱期內長時間無水進入濕地，2015年7月1日因降雨影響，出水水質未進行監測。

1.4分析方法及儀器采用電子天平、電熱鼓風干燥箱、電子恒溫水浴鍋、紫外可見分光光度計等，依據《水和廢水監測分析方法》(第四版)[18]中的標準方法，對水中SS、CODCr、TN、TP等指標進行測定；采用電子天平、溫度計、有機碳消化裝置、油浴鍋、凱氏瓶、定氮蒸餾儀、調壓變壓器、紫外可見分光光度計等，依據《湖泊富營養化調查規范(第2版)》[19]測定沉積物中總有機碳(TOC)、TN、TP的含量。

2 結果與分析

2.1進水水量從圖2可看出，廣南營溝、沙盆河2條河流入湖流量較大，日流量的月波動也較大，雨季、旱季較為分明。沙盆河雨季時最大流量超過35 000 m3/d，旱季最低流量低于2 500 m3/d；廣南營溝雨季日流量最大在37 500 m3/d左右，干旱期間日流量最低為0。

2.2原水水質廣南營溝-沙盆河為農灌溝河水，水質比較渾濁，河水挾帶著大量的垃圾雜物，主要為農田廢棄物和生活垃圾。系統運行期間監測的水質見表2，入湖水質中污染物主要為SS、TN、TP，CODCr含量較低，水質達Ⅳ類或Ⅴ類、劣Ⅴ類(GB3838—2002)[20]。

表2廣南營溝—沙盆河入湖污染物負荷量

Table2LoadcapacityofpollutantintothelakefromtheGuangnanyinggou-ShapenheRiver

水質指標Water quality index變化范圍Variation range∥mg/L入湖負荷量Load capacity into the lake∥t/a評價結果Evaluation resultCODCr2.13～28.6964.90Ⅳ類SS9～167241.13TN2.39～16.0747.00劣Ⅴ類TP0.05～0.361.15Ⅴ類

2.3濕地對河水的凈化效果選取SS、CODCr、TN、TP 這4項指標，計算和比較該系統對污染物的去除率，通過1年的監測數據顯示(圖3)，濕地整體上各污染物進水濃度均不高。

2014年9月SS含量沙盆河濕地進水濃度高，受到徑流區內農作物收割影響，河道邊堆放的大量農田廢棄物經雨水沖刷進入河道。出水SS含量較低且穩定，去除效果明顯，平均去除率達90%。

6、7、10月CODCr進水濃度普遍偏低，受到大量雨水稀釋的影響。出水CODCr濃度有明顯的下降，平均濃度為5.9 mg/L，平均去除率達54%，均達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

TN進水濃度較高，由于雨水將農藥化肥沖刷至河道中，增加了進水TN的含量。經濕地處理后，TN得到削減，出水濃度在0～2 mg/L，TN的平均去除率達到50%。

濕地進、出水口的TP濃度均很小且較穩定，有個別出水TP濃度高于進水濃度，由于基質及微生物作用吸附飽和后，存在磷釋放的現象。但濕地系統仍是有一定的去除效果，去除率達66%。

整個系統出水CODCr、TN呈現夏季濃度低、冬季濃度較高，凈化效果受到季節影響。溫度適宜，微生物擁有良好的生長環境，微生物好氧代謝快，降解有機物迅速。凈化效果也受到進水量的影響，該地區冬季旱季監測期內1—3月有3個月長時間無水進入濕地，水量過低，濕地水力負荷過低，總體去除率較低；夏季為雨季，進水量較大，在設計水力負荷的范圍內去除效果最好。除磷效果則在冬季更佳，冬季為旱季，進入濕地系統水量小于雨季，水力停留時間長，吸附時間充分，處理效果較好。

2.4濕地對污染物的削減量根據實際進入濕地污水污染物負荷量和出水的污染負荷量，得到削減的污染負荷量，SS、CODCr、TN、TP 的削減量分別為197 480.69、36 091.46、25 828.11、650.52 kg/a(表3)。

表3濕地系統污染物去除負荷量統計

Table3Statisticsonremovalloadsofwetlandsystempollutants

kg/a

監測期內，對濕地進行過一次清淤，清淤量為1 819.40 m3/a，換算成質量后減掉懸浮固體SS負荷量得到去除的泥沙負荷量為760 681.51 kg/a，對去除泥沙進行成分分析，泥沙中有機質含量較高。去除泥沙中TOC、TN、TP負荷量分別為57 873.46、2 778.72、1 438.98 kg/a。

綜上所述，河流攜帶的泥沙量遠大于懸浮固體量，整個濕地系統攔污沉沙布水渠區域對泥沙的攔截沉淀效果極佳，可以完全有效地去除這一部分污染負荷。其中隨泥沙沉淀的有機質、TP負荷量遠大于濕地系統對水中有機質、TP污染負荷的削減量。

2.5高位湖灘濕地凈化機理分析高位湖灘濕地采取前端設置攔污沉沙布水渠，后設置二級表流濕地、自然砂礫床濕地的復合工藝。不同功能區針對污染物不同特點進行去除。該套系統工藝特點是按照污染物顆粒大小，針對懸浮物、膠體、溶解物進行逐一削減，從而達到凈化河水的目的。

2.5.1濕地系統對泥沙、SS的去除分析。廣南營溝、沙盆河2條河流攜帶大量的垃圾雜物及泥沙。該系統根據污染物顆粒大小，在濕地系統前段布設攔污沉沙布水渠，大量泥沙基本可以在沉淀池中得以沉淀，隨泥沙沉淀去除的有機質、TP負荷量較大；顆粒較大的懸浮固體、垃圾雜物在進入濕地前也被攔污網得以攔截。該區域對泥沙、SS進行截留，不易造成濕地填料堵塞，減輕了后續濕地凈化污染物的壓力。

2.5.2濕地系統脫氮機理分析。人工濕地中TN的去除主要是通過基質吸附、過濾沉淀、植物吸收、氨的揮發、微生物的硝化和反硝化作用[21-22]。相關研究顯示，人工濕地對氮的去除率差異性很大，為30%～98%[23]，該系統去除率約50%，效果適中。

TN包括了有機氮、NO3--N、NH4+-N，系統中NO2--N含量很少。在二級表流濕地中，一級深水濕地、二級淺水濕地的設置使系統內部形成了有利的兼氧環境。濕地內水汽接觸面更為寬闊，種植的挺水植物生長旺盛，其根系泌氧及光合作用為微生物硝化作用提供了有利的好氧環境，加速微生物對氨氮的硝化作用，有效地凈化污水中氨態氮；在植物根系存在局部缺氧區域[24]，為微生物反硝化反應提供了缺氧環境，淤泥腐殖質也為反硝化菌提供了所需碳源，對反應過程有一定的促進作用，最終將硝態氮還原為氮氣，從而得以去除污水中的氮。

經過前端系統凈化的污水進入該區域前已經較為清澈，但前端系統中仍存在氨的內部遷移轉化作用，二級表流濕地中未得到完全凈化的TN流入自然砂礫床潛流濕地后，通過基質、植物、微生物共同作用，得到深度凈化。該區域因污水在填料表面下滲流，微生物更為豐富，厭氧環境相較表流濕地更有利于微生物進行反硝化反應，從而達到脫氮的目的。

圖3 廣南營溝-沙盆河濕地污染物凈化效果Fig.3 Pollutant purification effect of the Guangnanyinggou-Shapen River wetland

2.5.3濕地除磷機理分析。人工濕地系統中主要通過微生物同化、植物吸收和基質吸附作用協同完成對磷的去除[25]。但由于微生物在死亡后會釋放大部分生長活動時吸收的磷，植物可吸收的磷元素量小，所以人工濕地中主要是靠基質的吸附除磷。一般來說人工濕地對磷去除率為20%～90%[23]，該系統對磷的凈化效果較明顯，為66%；與李躍勛等[26]在滇池湖濱區構建的淺水-深水濕地相比，其對磷的去除率為35%，該系統除磷方面更有優勢。

該系統在前端設置攔污沉沙設施，部分磷已在沉淀池中被攔截、沉淀。進入濕地后，主要依靠土壤吸附。同時生物吸收也有一定作用，是一個好氧吸收、厭氧釋放的過程[26]。表流濕地系統表層土壤溶解氧充足，在好氧狀態下，土壤中非定性氧化態的鐵、鋁與磷形成難溶復合物[27]沉淀；微生物活性在好氧條件下增強，對磷吸收能力也增強；濕地中種植的美人蕉、香蒲、菖蒲、蘆葦等均是生物量較高的挺水植物，對磷也有一定的吸收作用，同時通過植物收割，也把磷從濕地中去除。但系統前端沉淀池、深水濕地內基質和微生物、植物吸附飽和后存在磷釋放現象，該系統考慮到這一現象，將淺水濕地設在深水濕地后端，二級淺水區較前端更為廣闊，氧氣更為充足，可以吸收前端系統釋放的部分磷。最后水流再經過自然砂礫床潛流濕地進行深度凈化，從而達到凈化效果。

2.6高位湖灘濕地工藝的技術優勢廣南營溝、沙盆河、窯泥溝、馬料河均是撫仙湖北岸入湖河流，該系統與窯泥溝濕地[28]、馬料河濕地[29]處理對象均為農灌溝，但該系統的工藝路線有所不同。

窯泥溝污染情況與廣南營溝、沙盆河類似，河道多垃圾雜物，其采用水平潛流濕地+表流濕地復合工藝，水力負荷為0.37 m3/(m2·d)，凈化效果較穩定，實際運行效果顯示其表流區域對氮、磷的去除效果高于潛流區，且潛流濕地會有填料堵塞的現象。該系統在窯泥溝系統設計基礎上進行改進，針對不同顆粒大小污染物逐一去除，采用攔污沉沙+一級深水二級淺水表流人工濕地+自然砂礫床潛流濕地復合工藝。攔污沉沙區域截留泥沙垃圾，降低水中SS含量；二級表流濕地區域上層氧氣更為充分，而水深部分、基質區域因為溶解氧的消耗形成厭氧區，濕地系統內部形成兼氧環境，加速微生物的生長和作用，對氮、磷的去除效果明顯；通過前端系統的凈化，進入潛流濕地的水污染物負荷小、懸浮物質少，不易造成潛流濕地堵塞，也降低了濕地系統的運行維護成本，提高了濕地凈化效果。

馬料河除了農業面源污染，還有少量居民生活污水，馬料河濕地采用垂直潛流濕地+表流濕地復合工藝，濕地進水量較大、水力負荷高，水流速度快，對基質沖擊力大，污水在濕地停留時間短，容易將已被吸附的污染物質沖出濕地，且濕地易處于持續飽和的狀態從而氧濃度降低，抑制硝化反應[30]，影響濕地凈化效果。該系統的總水力負荷為0.47 m3/(m2·d)，污水在濕地中反應更為充分，系統可處理的污染負荷較高，濕地對污水的凈化效果較好。

針對表流濕地占地面積大這一缺點，該系統因地制宜，利用湖灘退耕地建造，凈化入湖水質的同時實現退耕還湖的目的，具有較好的環境效益。

植物選擇方面，該系統選取對氮、磷吸收效果較好的美人蕉、菖蒲、香蒲、旱傘竹、蘆葦等植物，這些植物生物量大，凈化效果明顯；同時借鑒窯泥溝濕地，種植水芹菜、蓮藕等。水芹菜適應性和生長能力都較強，蓮藕在春夏生長旺盛，這些植物不僅去污能力強，還可以收割蓮藕、蓮子、水芹菜等產品；另一方面，按照植物多樣性原則進行優化，選種了可做良好草資源的黑麥草、可食用的地母雞等植物。整個系統不僅對污水凈化效果明顯，也有可觀的經濟效益。

該系統處理效果受進水量影響、旱季濕地進水量小、水力負荷小、凈化效果不理想這一現象，需要構建凈化能力更強的半人工濕地植被。對于磷釋放現象，還需進一步加強對濕地基質吸附飽和后的再生翻新處理研究。

3 結論

高位湖灘濕地采用攔污沉沙+深水表流濕地+淺水表流濕地+自然砂礫床潛流濕地工藝，設計利用河流湖泊間自然水位差實現完全自流運行，能耗低，投資維護成本低。該工藝流程針對污染物顆粒大小、不同特點區別對待，在不同功能區逐一去除。在受污染河流進入濕地前加上必要的攔污、沉沙設施，有效地攔截去除漂浮雜物和垃圾，沉淀去除泥沙污染物；通過建設深水-淺水表流濕地，強化湖灘濕地植被，對入湖河水進行凈化，去除有色物質，澄清水質，削減氮磷污染負荷；最后通過自然砂礫床潛流濕地，加強細顆粒懸浮物及膠體物質的去除，強化脫氮效率。整個系統在水力負荷設計范圍內，其水力停留時間較長，反應充分，設計水力負荷為0.47 m3/(m2·d)時，對污染物的去除效果最佳。整套系統能夠對入湖水質達到深度凈化，出水水質達到要求。對SS、CODCr、TN、TP的去除率分別達到90%、54%、50%、66%。

該套濕地系統已有效運行十多年，效果良好；同時利用天然的湖灘濕地資源，同時實現了退耕還湖的目的，對于氨氮較高的農業面源污染水體，其脫氮效果較理想，運行穩定，在農業污水的治理中有較為明顯的優勢。高位湖灘濕地不僅可以進行河水的污水處理，凈化入湖河水，還可以實現退墾和濕地生態修復，具有良好的經濟、環境、生態效益。

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