人工濕地對城市降雨徑流污染的凈化作用

余佳潔,周文靜,劉琳

人工濕地對城市降雨徑流污染的凈化作用

余佳潔,周文靜,劉琳

重慶建筑工程職業學院 建筑與藝術系, 重慶 400000

根據城市降雨徑流的水質和水量特征，我們連續3年采用新型折流式人工濕地對其進行了降雨徑流凈化研究。對人工濕地不同運行階段模擬降雨徑流的凈化效果進行了對比，分析CODCr，BOD5，SS，TN，TP，NH4+-N在濕地系統中的沿程變化，探討人工濕地削減城市降雨徑流污染效應。結果表明：各污染物在人工濕地中的削減效應大小依次為：SS＞CODCr＞BOD5＞NH4+-N＞TN＞TP，其中對SS的削減效應顯著高于其他污染物的削減效應(＜0.05)，對TP的削減效應最弱(＜0.05)；人工濕地對CODCr，BOD5，SS，TN，TP，NH4+-N的削減效應在1~7月呈逐漸增加趨勢，局部有所波動，9月達到最大值，9月以后削減效應趨于平穩；除了TN外，折流式人工濕地系統出水各污染物均達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類質量標準，其中TN達Ⅳ類標準。降雨徑流各污染物主要在人工濕地的第1格被去除，其中，CODCr，BOD5，SS，TN，NH4+-N均有一半以上的削減效應發生在第1格，隨著人工濕地沿程進水濃度的增加，其削減效應逐漸下降。因此，折流式人工濕地系統對城市降雨徑流的凈化效果顯著，并且該濕地系統具有較強抗沖擊負荷能力，可用于城市降雨徑流污染的控制和雨水利用。

人工濕地; 徑流污染; 凈化效應

就整個生態系統而言，大陸和海洋是主要的生態局地系統，此外還有介于陸地和海洋之間的濕地區域，這是較為獨特的生態系統，雖然濕地占據的地球面積并不是相當廣闊，但是因其處于海陸交界地帶，因此具有典型的生物多樣性[1-3]。為了利用濕地的生態功能，在實際的生態利用過程中常用人工濕地這一生態技術，該技術來源于德國，是通過土壤和基質的有機結合產物，從而來構建局地人工生態系統，進而借助于生物及化學反應來處理水體污染物，起到凈化水體的作用，其中主要的基質是爐渣及煤灰等，這些基質和土壤按照一定的比例來結合，此外，在人工濕地植入植被，加上微生物的分解及降解作用，能夠有效去除大量的污染物[4,5]。該技術在上世紀七十年代得以快速發展，不僅投資成本明顯較低，同時在運營過程中投入也少，具有典型的低耗特點[6,7]，同時又不失美觀，因此在污水處理中利用廣泛，同時在治理水體富營養化作用顯著，具有重要的生態意義和現實應用性[7-9]。該技術不僅僅是生態局地系統，同時更是污水處理生態，隨著環境問題的日益突出，越來越多的學者將眼光投向人工濕地的研究之中，以提升水治理效率[10-12]。隨著研究的深入，人工濕地應用越來越廣泛，不僅僅是生活污水和工業廢水的治理，而且充分應用在垃圾濾液的處理，強化了農業廢水處理，近些年來，該技術從歐美國家日益向世界其他國家發展，該技術早期被污水處理廠廣泛使用，尤其是非點源污染。就我國而言，人工濕地的廣泛研究和引入開始于七五期間，直到上世紀九十年代該技術才大面積應用于雨水徑流污染物處理[13,14]，但是對這方面的研究相對較少，因此開展濕地在徑流降污過程中的應用具有重要的現實意義，基于此，開展此方面的研究將有助于深入利用人工濕地開展污染治理，控制地表徑流污染物含量，從而更加豐富人工濕地的應用。

隨著城市規模的擴大和人口的增多，加之城區工業廠區布局等原因，工業廢水、生活污水已然成為城市水污染的重要污染源，在這種情況下大量的工業廠區逐漸向城市外圍搬遷，以有效降低工業污染對城市環境的破壞；除此之外，作為一種非點源性污染，城市降雨徑流污染也日益成為重要的污染源，其污染物主要是城市地表的生活垃圾及廢棄物等污染物，這些污染物在降雨的沖刷等作用下以徑流的形式進入其他水體，從而形成了明顯的水體污染[15,16]。近年來，點源性污染治理取得了較大的成效，但是徑流造成的非點源污染難以有效治理，且已經成為水體污染的第三大污染源[17]。由于城市地表污染物不僅種類繁多，難以有效清除，而且時空變化大，受到多種因素的影響，城市污染不僅僅有生活垃圾和廢棄物，還有部分工業污染物等，因此整體來說具有較大的治理難度[16]。目前對于城市徑流污染的初期治理主要通過人工構筑物開展污染物的攔截處理，主要的形式有滯留池及涵水池等，此外還有人工濕地等方式，這些處理方式在實踐中應用較為廣泛，已經成為徑流污染治理的主要手段，且取得了良好的效果，在治理非點源污染方面起著重要作用，是提升城市環境治理的有效途徑之一，尤其是在難以從源頭根本上治理城市污染物的情況下作用更為顯著。近些年來，隨著濕地系統研究的不斷深入，加之快速過濾系統的不斷提升，對地表徑流污染的治理手段取得了較大進步，尤其是人工濕地在污染物處理的使用，從而有效滯留污染物，進而達到凈化水質的目的。由于現實研究過程中降雨存在巨大不確定性，污染物分布狀況不一致，進行土壤水樣采集具有較大難度，因此在研究過程中通過實驗室濕地實驗來模擬濕地的水體凈化效應，實驗過程中使用的是原狀人工濕地系統，并進行連續三年的實地研究，從而對濕地的徑流污染治理機理及過程進行分析研究，以為城市徑流污染治理提供有益的參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 人工濕地設計與流程

一般而言，人工濕地凈化城市降雨徑流試驗研究需要歷時36個月。本次試驗時間選取了2015~2017年1~12月這個階段，期間平均氣溫為10~32 ℃。在人工濕地研究過程中，濕地床采取長方體設置，由有機玻璃構建，要求其長、寬、高分別達到1.6，1.5，0.8 m，玻璃的厚度達到10 mm，要求其坡度低于5%；在濕地窗體設置導流墻，從而將其分為4個單元床，并形成了串聯，單元床的長、寬、高分別達到0.5，1，0.4 m，并將過水孔置于導流墻，這樣就形成了上行流及下行流，通過過水孔來實現水流的曲折性，這樣能夠充分使得污水接觸濕地，從而增強濕地的利用面積；本試驗的水樣采集主要在單元床的出水口，并在試驗過程中注重對污染物空間分布進行及時、全面記錄，為后續分析濕地去污奠定基礎。

1.2 測定方法

首先對人工濕地進行長達一年的運行，之后再對出水口采集的水樣進行指標分析，進而探究其對污染物的凈化效應，其各水質的削減效應通過進水口及出水口值計算而得，具體計算公式=(進水口值—出水口值)/出水口值×100%[1-3]

然后對各個濕地單元的植被數量進行統計，并測量株高等長勢，統計單元以一平米為計，最后將植被進行收割，之后進行收割以便于后續開展地上及地下生物量的測定。對植株進行烘干處理，然后分別利用光度法、釩鉬藍法分別對TN，TP進行測量[18,19]。此外還需要對NH4+-N，BOD5和CODCr進行指標測定，分別使用接種法、氧化法、光度法進行[18,19]。

1.3 數據分析

Excel 2010.0統計所有數據，取3 a的平均值，SPSS 21.0進行方差統計和Origin 8.5作圖。

2 結果與分析

2.1 人工濕地對BOD5的削減效應

從圖1不難看出，對于BOD5與CODCr水體凈化而言，濕地系統對二者的凈化效應基本接近，此外，進出口的水濃度變化也相差微小，由于一月是濕地植被的生長初期，植被尚未開始發育，濕地系統內微生物活動較弱，微生物尚未大量繁殖發育，因此濕地對BOD5的凈化效應較弱，因此其出水濃度較高，隨著季節的變化，濕地的凈化效應日益增強，進入七月，濕地系統對其去除效應達到了近80%，且逐漸趨于穩定，在九月前后，植被處于生長的高峰期，植被已經形成了發達的根系，微生物活動也明顯增強，濕地植被的吸附、攔截等效果凸顯，加之微生物對水體污染物分解和降解作用的增強，濕地對BOD5的凈化效果較為明顯，因此其出水濃度較低；進入十一月，植被生長逐漸下降，微生物活動也相應降低，因此其凈化效應有所下降，出水濃度略高，進入十二月，濕地的凈化效應基本接近于九月。

圖 1 人工濕地對BOD5削減效應及進/出水濃度的影響

圖 2 人工濕地對CODCr削減效應及進/出水濃度的影響

2.2 人工濕地對CODCr的削減效應

從圖2不難看出，污染物質的凈化效應基本與進水濃度接近，由于一月濕地對CODCr的凈化效應也較弱，因此其出水平均濃度達到118.23 mg·L-1，隨著季節的變化，濕地的凈化效應日益增強，進入七月，該效應達到了近93%，并在十一月期間達到穩定；在九月前后，植被已經形成了發達的根系，微生物活動也明顯增強，濕地植被的吸附、攔截等效果凸顯，加之微生物對水體污染物分解和降解作用的增強，濕地對CODCr的凈化效果較為明顯，因此其出水濃度較低；進入十一月，植被生長逐漸下降，微生物活動也相應降低，因此其凈化效應有大約10%的下降幅度，出水濃度平均為38.5 mg·L-1，進入十二月，濕地的凈化效應基本接近于九月。綜合來看，在溫度不斷上升的情況下其去除效應有所增加，當其進水濃度處于一定范圍的時候，在濃度增加的情況下去除效果有所增強；但是進水濃度超出范圍后去除效應將會減弱。

2.3 人工濕地對TN削減效應

濕地系統對TN的去除效應具有較為明顯的季節差異（圖3），由于一月是濕地植被的生長初期，植被尚未開始發育，濕地系統內微生物活動較弱，微生物尚未大量繁殖發育，無法大量進行氮的轉化，因此呈現較低水平的去除效應，此外，溫度較低會影響反硝化作用，從而不利于氮的去除。

2.4 人工濕地對NH4+-N的削減效應

在人工濕地中，去除NH4+-N和去除N的機制類似。在1月份人工濕地剛運行時，NH4+-N削減效應會擴大，月平均進水濃度為4.6 mg·L-1削，削減效應可達78.3%；之后，隨著月份的增加，削減效應隨平均進水濃度的變化而逐漸增加，7月、11月、12月的削減效應分別為80.2%，81.1%，80.9%，相應的進水分別為5.8，6.3，5.9 mg·L-1。1~8月NH4+-N削減效應出現了不同的波動與變化。與11月、12月相比，7月的削減效應與其逐漸持平，變化幅度不大，保持穩定的原因在于，從7月開始，氣溫升高、脫除負荷高、進水濃度高，植物與微生物的協同作用得到提高與加強。

圖 3 人工濕地對TN的削減效應及進/出水濃度的影響

圖 4 人工濕地對NH4+-N的削減效應及進/出水濃度的影響

2.5 人工濕地對TP的削減效應

在人工濕地初運行時，TP削減效應波動幅度較大，大約保持在30%，出水濃度低于1 mg·L-1，能夠達到地表Ⅲ類水標準。出現這種現象的原因為，該時期進水濃度較低(平均1.06 mg·L-1)，并且基質吸附能力比較強。而隨著月份的增加，消減效應則出現較大的變化，7月、11月和12月的TP平均進水濃度分別達到2.3，2.9，2.7 mg·L-1，出水均低于0.7 mg·L-1，11月則呈現進水濃度和脫除負荷都較低的情況；值得注意的是，12月雖然溫度低，但在進水濃度與7月保持一致的情況下，出水濃度、削減效應竟與7月保持同一水平。

圖 5 人工濕地對TP的削減效應及進/出水濃度的影響

圖 6 人工濕地對SS的削減效應及進/出水濃度的影響

2.6 人工濕地對SS的削減效應

由圖6可知，SS去除效果與進出水濃度密切相關。當進水SS濃度在110.5~83.5 mg·L-1之間時，時間越久，SS濃度愈增加，出水SS濃度＜45 mg·L-1，平均削減效應達到86.2%。雖然SS進水濃度變化較為明顯，但是當8月人工濕地系統穩定時，去除效果也趨于穩定，效應值保持在85.6%~93.7%之間，由此可知，人工濕地能夠較為有力地抗擊SS。

圖 7 人工濕地對污染物的削減效應

注：不同小寫字母表示差異顯著(＜0.05)

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

2.7 人工濕地對城市降雨徑流污染物的削減效應

從圖7不難發現濕地對污染物SS的去除效果最佳，其去除率高達84.3%以上，而濕地對其他污染物的去除率明顯低于SS去除率，且這種差異在0.05的檢驗水平下達到顯著；去除效果較好的CODCr，擁有近82%的去除率，僅次于SS；再次是BOD5和NH4+-N，但是二者的去除率基本接近，在0.05的檢驗水平下不顯著；而去除效果最差的是對TN、TP的去除；綜合來看，人工濕地對于不同地表徑流污染物的去除效果具有差異性。

2.8 降雨徑流各污染物在人工濕地中的沿程變化

經過研究發現，TN、TH4+-N在第1、3格被有效大量去除，主要原因在于水流下滲不斷加強的情況下發生了明顯的水面復氧，能促進硝化及反硝化作用，進而有效去除氮元素；第一格能夠有效去除43.9%的氮，明顯高于其他濕地格段，也就是說起沿程趨勢不斷下降。濕地在運行前期基質能夠有效發揮起沉淀吸附作用，因其未達到飽和狀態，因而能夠有效發揮凈化作用。在TP濃度不斷下降的情況下，后續進水濃度下降，污染負荷降低，去除效應也隨之明顯減弱；SS的去除效果主要集中在前兩格，后兩格去除效果微弱。

表 1 降雨徑流各污染物在人工濕地中的沿程變化

3 結論與討論

對于人工濕地而言，其對污染物的凈化作用主要通過以下幾個方面實現：第一，通過植被的截流及過濾作用，由于濕地中植被能夠進行充分的生長，其根莖及葉片等能夠有效對污染物進行攔截，從而初步過濾污染物；第二，基質的吸附及沉降作用[1-3]，由于人工濕地主要使用礫石及煤灰等作用基質填充，該填充物質能夠充分吸附污染物，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，由于填充基質具有較大孔隙度，能夠為微生物生長提供較大的空間，從而利于微生物進行新陳代謝等活動[5,7,8]，一方面微生物能夠進行污染物等分解及降解，另一方面其掛膜作用利于處理污染物。本實驗采取的是爐渣及泥沙作為基質填充，這能夠大大降低短流現象，且較高的孔隙度能夠充分擴大表面積，從而為微生物活動提供更廣闊的空間，進而明顯提升濕地對污染物的吸附及沉降等作用，利于污染物去除。綜合來看，人工濕地植被對地表徑流污染起到了明顯的凈化作用，但是對于不同的污染物，其凈化效果并不是完全一致，其中對TP的凈化作用較差，主要通過吸附作用來降低P含量，該成分在基質及植被的作用下被明顯截留，之后在理化及微生物作用下大量去除；在微生物的作用下，加之植被的輸氧功能，在濕地的底部形成了不同氧喜好的根區[20]，這樣的環境利于微生物活動。就本實驗濕地而言，其pH值達到中性水平，同時由于爐渣及石灰石具有較高的Ca、Fe，因此磷沉降作用顯著；當植被及基質的吸附作用達到飽和后磷被釋放[20]。由于基質具有較強的吸附作用，因此污染物的沉降效應明顯，微生物不同的氧喜好有利于磷的積累。

對于濕地N循環而言，其過程具有明顯的復雜性，不僅有揮發及硝化反應，同時還有吸附作用，同時利于微生物固氮；好氧微生物的分解作用能夠大大提升NH4+-N的去除；對N的凈化主要借助于硝化及反硝化過程[4,5]。本實驗研究發現，濕地植被能夠較強地去除氮素，但是未能有效去除TP，主要原因在于濕地植被能夠對氮素進行較充分地截留及吸附，同時微生物能夠對氮素進行充分的分解和降解[22]，從而取得較好的凈化作用。濕地植被具有較發達的新生根系，這對于微生物的生長發育有利，進而利于對氮的分解等，因此在氮素降解過程中常常選用根系發達的濕地植被[13,20,21]；鐘成華等[22]通過研究對比分析得知，濕地系統主要為厭氧，這種情況下硝化作用受到抑制；通過本實驗對比分析可知，人工濕地在復氧方面的作用并不強，且其氨化、硝化的作用能力并不強，這對于反硝化作用起到了明顯的抑制作用，從而使得TN具有較高的出水濃度，其出水標準基本與地表Ⅲ類水接近，而NH4+-N出水則強于該標準。人工濕地對SS具有明顯的削減作用，該效應低有機物的去除產生作用，同時也對氮、磷的去除產生影響，主要原因在于SS的表面會附著氮等以上物質，在濕地植被及基質的過濾及截留作用下，這些物質被有效去除。

通過本研究的統計分析顯示，人工濕地植被對TN、TP、SS等物質具有不同的去除效果，說明環境因子對水質凈化具有較大影響，不同的植被具有不同發達程度的根系，且其生物量也存在較大差異，其長勢及根莖等能夠對污染成分產生不同的富集效果，因此在濕地構建的過程需要注重不同植被的搭配，從而能夠對多種污染物質進行吸附、過濾等，以盡可能發揮不同植被的凈化水體優勢，形成對多種污染物的處理，從而將濕地凈化效率予以大大提升，此外，能夠利用植被凈化來降低成本，更很大程度地降低了引用外來植被的生物入侵風險。此外，濕地植被能夠有效吸收污染物中的部分營養成分，尤其是有機質等，且能夠有效提升微生物活性，對于濕地降污起到重要作用。

[1] Coban O, Kuschk P, Kappelmeyer U,. Nitrogen transforming community in a horizontal subsurface-flow constructed wetland [J]. Water Research, 2015,27(2):203-212

[2] Zhi W, Ji G. Quantitative response relationships between nitrogen transformation rates and nitrogen functional genes in a tidal flow constructed wetland under C/N ratio constraints [J]. Water Research, 2014,26(5):32-41

[3] Villasenor J, Capilla P, Rodrigo MA,. Operation of a horizontal subsurface flow constructed wetland-microbial fuel cell treating wastewater under different organic loading rates [J]. Water Research, 2013,47(17):6731-6738

[4] Leung HM, Duzgoren-Aydin NS, Au CK,. Monitoring and assessment of heavy metal contamination in a constructed wetland in Shaoguan(Guangdong Province, China):bioaccumulation of Pb, Zn, Cu and Cd in aquatic and terrestrial components [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016,24(10):1-10

[5] Lv T, Zhang Y, Zhang L,. Removal of the pesticides imazalil and tebuconazole in saturated constructed wetland mesocosms [J]. Water Research, 2016,91(3):126-136

[6] ávila C, Bayona JM, Martín I,. Emerging organic contaminant removal in a full-scale hybrid constructed wetland system for wastewater treatment and reuse [J]. Ecological Engineering, 2015,80:108-116

[7] Lünsmann V, Kappelmeyer U, Benndorf R,. In situ p rotein‐SIP highlights Burkholderiaceae as key players degrading toluene by para ring hydroxylation in a constructed wetland model [J]. Environmental microbiology, 2016,18(4):1176-1186

[8] Ding Y, Wang W, Liu X,. Intensified nitrogen removal of constructed wetland by novel integration of high rate algal pond biotechnology [J]. Bioresource Technology, 2016,219:757-761

[9] Shehzadi M, Afzal M, Khan MU,. Enhanced degradation of textile effluent in constructed wetland system using Typha domingensis and textile effluent-degrading endophytic bacteria [J]. Water Research, 2014,12(58):152-159

[10] Zhao Y, Collum S, Phelan M,. Preliminary investigation of constructed wetland incorporating microbial fuel cell:batch and continuous flow trials [J]. Chemical Engineering Journal, 2013,229:364-370

[11] Martín M, Oliver N, Hernández-Crespo C,. The use of free water surface constructed wetland to treat the eutrophicated waters of lake L′Albufera de Valencia (Spain) [J]. Ecological Engineering, 2013,50:52-61

[12] Abe K, Komada M, Ookuma A,. Purification performance of a shallow free-water-surface constructed wetland receiving secondary effluent for about 5 years [J]. Ecological Engineering, 2014,69:126-133

[13] 于君寶,侯小凱,韓廣軒,等.多介質人工濕地對生活污水中氮和磷的去除效率研究[J].濕地科學,2013,11(2):233-239

[14] 杜剛,黃磊,高旭,等.人工濕地中微生物數量與污染物去除的關系[J].濕地科學,2013,11(1):13-20

[15] 李家科,高志新,汪琴琴,等.不同水深下多級串聯人工濕地對城市地面徑流的凈化效果[J].水土保持學報,2014,28(3):125-133

[16] 崔芳.利用水平潛流人工濕地凈化城市湖泊污水:以西安市興慶湖為例[J].濕地科學,2015,13(2):207-210

[17] 呂濤,吳樹彪,柳明慧,等.潮汐流及水平潛流人工濕地污水處理效果比較研究[J].農業環境科學學報,2013,32(8):1618-1624

[18] 周旭丹,孫曉剛,趙春莉,等.人工濕地植被根區土壤性質及其凈化水質季節效應分析[J].生態環境學報,2015,24(6):1043-1049

[19] 劉長娥,宋祥甫,劉福興,等.潛流—表面流復合人工濕地的河道水質凈化效果[J].環境污染與防治,2014,36(8):11-18

[20] 籍國東,孫鐵珩,李順.人工濕地及其在工業廢水處理中的應用[J].應用生態學報,2002,13(2):224-228

[21] 吳振斌,成水平,賀鋒,等.垂直流人工濕地的設計及凈化功能初探[J].應用生態學報,2002,13(6):715-718

[22] 鐘成華,李杰,鄧春光.人工濕地廢水處理中氮,磷去除機理研究[J].重慶建筑大學學報,2008,30(4):141-146

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

余佳潔(1990-),女,碩士,講師,研究方向:設計學. E-mail:yjj901229@163.com