人工濕地全生命周期管理策略

白彬彬 王軍輝 呂京京

（1 北京世界園藝博覽會事務(wù)協(xié)調(diào)局，北京 100043；2 北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038）

水質(zhì)凈化是人工濕地的主要功能之一，這一點(diǎn)和其他的污水處理措施（如污水處理廠、再生水廠等）類似，但在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上，人工濕地是一個(gè)由地質(zhì)體、基質(zhì)層和生物群落等共同組成的“具有生命的個(gè)體”，具有“生老病死”的特征，其水質(zhì)凈化效果很大程度上取決于其自身的“健康狀況”，不合理的建造方案或運(yùn)營管理不僅會大大降低其水質(zhì)凈化功能，還會縮短其自身壽命，甚至還會釀成“臭水一潭”的后果，形成新的污染源。

目前關(guān)于人工濕地水質(zhì)凈化功能的研究較多，也比較深入，但由于影響因素太多，涉及到物理、化學(xué)、生物和生態(tài)等多個(gè)學(xué)科，問題十分復(fù)雜。囿于研究者的專業(yè)領(lǐng)域，目前的研究多集中在某個(gè)方面（如基質(zhì)設(shè)計(jì)、植物選擇等），相關(guān)改進(jìn)措施也比較局限，帶有一定的片面性，很難形成對一般人工濕地的建設(shè)和運(yùn)營管理具有普適性的指導(dǎo)。

針對以上問題，本文在系統(tǒng)調(diào)研當(dāng)前人工濕地研究成果的基礎(chǔ)上，全面分析了人工濕地水質(zhì)凈化的主要影響因素，有針對性地提出相關(guān)改進(jìn)措施，以期從管理策略上提高人工濕地的水質(zhì)凈化效果。

1 影響人工濕地水質(zhì)凈化的內(nèi)因

內(nèi)因一般指人工濕地的類型、基質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)和生物種類等（圖1）。

1.1 人工濕地類型

圖1 影響人工濕地水質(zhì)凈化能力的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（以水平潛流型濕地為例）Fig1 Internal structure aあecting the water purif i cation abilityof constructed wetland（A case of horizontal subsurface wetland）

根據(jù)水流流態(tài)，可將人工濕地分為3種類型：表面流型人工濕地、水平潛流型人工濕地和垂直潛流型人工濕地(Meutia, 2001;Avila et al，2010)。這3種類型濕地水質(zhì)凈化的機(jī)理是不同的，因此效果也會有很大差別，在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)需要靈活選定。例如，對于COD、總氮、總磷、氨氮等常見污染物，垂直潛流人工濕地的去除效果最好，水平潛流型人工濕地次之，表面流型人工濕地去除效果較差（潘瓊, 2015; 舒柳, 2015）。

1.2 基質(zhì)層

基質(zhì)層為水生植物提供載體和營養(yǎng)物質(zhì),為微生物提供穩(wěn)定的依附表面。通過攔截、過濾、吸附和沉淀等作用，基質(zhì)層直接去除了污染物，是人工濕地中污水處理的主要場所，對水質(zhì)凈化效果影響較大，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1.2.1 基質(zhì)材料 不同的基質(zhì)材料由于其成分不同，對不同污染物的凈化效果也不同，基質(zhì)材料類型對人工濕地硝化菌和反硝化菌的數(shù)量和空間分布有較大影響（劉慎坦等,2011）。如沸石對氨氮具有極強(qiáng)的選擇吸附性，可快速截留污水中的氨氮（李旭東等,2005）。針對不同的污染物，充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源，選擇合適的人工濕地基質(zhì)，是構(gòu)建人工濕地、提高人工濕地凈化能力的關(guān)鍵。

1.2.2 基質(zhì)層結(jié)構(gòu) 不同的基質(zhì)層結(jié)構(gòu)對于人工濕地的凈化效果也存在一定的影響，如孔隙率降低，堵塞率增大（李靜等,2012）。基質(zhì)層厚度接近栽種植被根系長度時(shí)，對氨氮的去除效果最好（崔延瑞等,2016）?；|(zhì)的類型、滲透率、含水率、膠體類型、pH值、黏性及各種絡(luò)合、螯合劑的存在，都會影響到人工濕地的脫氮效率（崔理華等,2007）。基質(zhì)粒徑小，水質(zhì)凈化效果更好（胡歡等,2013）。

1.3 水生生物的影響

人工濕地中的生物總體上分為動物、植物和微生物3大類，對水質(zhì)凈化起主要作用的是植物吸附和微生物降解，另外，有些動物群對水質(zhì)凈化也起到一定的間接調(diào)節(jié)作用。

1.3.1 微生物群落的作用 微生物是人工濕地不可或缺的成員，對濕地生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量流動起著重要作用，是對污染物進(jìn)行降解的主要生物群體和承擔(dān)者。人工濕地中的活性微生物能促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，對水質(zhì)的改善和維持功能與天然濕地相似。異養(yǎng)微生物分解有機(jī)碳，自養(yǎng)微生物分解無機(jī)碳，因此濕地中有機(jī)碳和無機(jī)碳的數(shù)量和比例不同就會產(chǎn)生不同的去除過程。

微生物在人工濕地整個(gè)生物群中屬于可直接選擇性較差的一類，很大程度上受植物、動物、土壤、水質(zhì)、溫度和基質(zhì)等多種因素的影響。

1.3.2 植物 植物在濕地凈化過程中起到重要的作用，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①植物根系的巨大表面會附著大量微生物，創(chuàng)造有利于各種微生物生長的微環(huán)境；②植物可通過莖葉向下輸送氧氣，在根系附近形成好氧區(qū)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)、氮、磷等的轉(zhuǎn)化；③此外，植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收也是凈化的主要途徑（馬勛靜等,2010;鄭翀等,2009）。

在人工濕地的建造和運(yùn)營管理中，水生植物可選擇性較強(qiáng)，植物的合理選擇是提高水質(zhì)凈化效果的關(guān)鍵之一。

1.3.3 動物 大量的研究和實(shí)踐表明：動物對水質(zhì)的直接凈化作用遠(yuǎn)小于植物和微生物，但動物是人工濕地微生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中的重要一環(huán)，動物對水質(zhì)凈化也會起到一定的間接調(diào)節(jié)作用。如動物的擾動會對植物根區(qū)吸附有機(jī)碳和氮產(chǎn)生影響（王琪飛等,2016）。李先寧等（2010）研究認(rèn)為，蚯蚓的鉆土和攝食礦化有機(jī)物對緩解和消除濕地的堵塞現(xiàn)象能起到一定的作用。

動物除了具有一定的水質(zhì)凈化效果外，有些動物還產(chǎn)生一定的代謝物（如魚類、禽類等），也會對人工濕地微生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，在選擇動物種類時(shí)也需要予以考慮。

2 影響水質(zhì)凈化效果的外因

影響人工濕地水質(zhì)凈化效果的外部因素主要是運(yùn)營管理，如果人工濕地運(yùn)營管理不夠科學(xué)合理，會極大地影響其水質(zhì)凈化效果，甚至造成人工濕地水質(zhì)凈化功能的提前喪失，這在我國當(dāng)前“重建設(shè)，輕管理”的現(xiàn)狀下表現(xiàn)得尤為突出。運(yùn)營管理方面主要考慮進(jìn)水、出水、濕地地表水水位、基質(zhì)層維護(hù)情況和生物群落管理等。

2.1 進(jìn)水的影響

進(jìn)水的水量、水質(zhì)和水溫對水質(zhì)凈化效果有不同程度的影響：①進(jìn)水量和水質(zhì)共同決定了人工濕地水質(zhì)凈化的水力負(fù)荷，水力負(fù)荷越大，實(shí)際凈化效果可能呈下降趨勢，存在一個(gè)最優(yōu)進(jìn)水量和水質(zhì)問題，而且不同的基質(zhì)材料、生物種類對不同的污染物凈化效果也不同；②進(jìn)水溫度不僅直接影響水質(zhì)凈化中的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)過程，同時(shí)也影響人工濕地中的生態(tài)環(huán)境，對生物群落的生存環(huán)境造成影響。

2.2 出水的影響

出水的影響主要表現(xiàn)在人工濕地出水量的管理。出水和進(jìn)水是維持人工濕地系統(tǒng)物質(zhì)和能量動態(tài)平衡的因素。在人工濕地運(yùn)營過程中，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)出水的動態(tài)科學(xué)管理，如出水的頻次、出水量等。

2.3 人工濕地水體水位的影響

受進(jìn)水和出水以及氣象條件的影響，人工濕地運(yùn)營過程中的水位呈動態(tài)變化，水位不僅影響水力的停留時(shí)間，還會對大氣中氧氣向水中的擴(kuò)散產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響生物對生存環(huán)境的適宜性以及水質(zhì)凈化效果（姚枝良等,2006）。另外冬季水位過低，水容易結(jié)冰，降低微生物的活性和植物的生存幾率，也影響水質(zhì)的凈化效果（陳亮等,2005）。

2.4 基質(zhì)材料飽和度的影響

基質(zhì)層對污水的凈化作用主要通過過濾、沉淀和吸附等物理化學(xué)過程，隨著運(yùn)營時(shí)間的推移或污水處理水力負(fù)荷的增大，基質(zhì)層的物理化學(xué)作用會達(dá)到飽和或堵塞（王文明等, 2014），使基質(zhì)的水質(zhì)凈化作用削弱甚至失效。

2.5 生物群落動態(tài)的影響

人工濕地一般運(yùn)營周期較長，受氣候環(huán)境季節(jié)性變化的影響，生物的數(shù)量、種類也會變化，如動物的遷徙和冬眠，植物的“一歲一枯榮”，都會對人工濕地水質(zhì)的凈化效果造成影響。

3 人工濕地全生命周期管理策略

3.1 科學(xué)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工

人工濕地建設(shè)前期應(yīng)明確其目的和功能目標(biāo)，并依據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀?、水文和地質(zhì)條件，因地制宜地進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工，包括人工濕地的選址、選型和規(guī)模的確定、基質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)的確定，生物種類的選擇等，形成系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，并在施工期間嚴(yán)格執(zhí)行，確保施工質(zhì)量。

3.2 加強(qiáng)人工濕地系統(tǒng)檢測和環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測是十分重要的工作，既是檢驗(yàn)人工濕地建造質(zhì)量是否滿足要求的重要指標(biāo)，也是檢驗(yàn)運(yùn)營管理是否合理的重要手段，也是采取相關(guān)處理措施的重要依據(jù)。人工濕地環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包括多個(gè)方面（表1）。

表1 人工濕地環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容一覽表Table 1 List of environmental monitoring contents of constructed wetland

3.3 科學(xué)制定并執(zhí)行運(yùn)營管理和維護(hù)制度

根據(jù)人工濕地規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，結(jié)合動態(tài)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果（表1），制定科學(xué)的運(yùn)營管理方案和制度，防止人工濕地超荷運(yùn)營或帶病運(yùn)營。在保證人工濕地健康運(yùn)營的同時(shí)，更大程度地發(fā)揮其水質(zhì)凈化效率。對于不能達(dá)到要求的人工濕地，應(yīng)及時(shí)做出維護(hù)處理措施（如基質(zhì)和生物種類的更換），必要時(shí)還需進(jìn)行人工濕地的改擴(kuò)建。人工濕地全生命周期管理方案見圖2。

4 結(jié)論

影響人工濕地水質(zhì)凈化效果的因素很多，既有建設(shè)期產(chǎn)生的內(nèi)因，也有運(yùn)營期產(chǎn)生的外因，這些因素貫穿人工濕地整個(gè)全生命周期。以生態(tài)方式為主的水質(zhì)凈化工程和人工濕地是有生命的，水質(zhì)凈化效果很大程度上取決于其健康程度。因此，提高人工濕地水質(zhì)凈化能力是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要從全生命周期考慮，真正做到“科學(xué)建造、嚴(yán)格監(jiān)測、合理運(yùn)營管理、動態(tài)維護(hù)”，在確保人工濕地健康運(yùn)營的同時(shí)，更大程度地發(fā)揮其水質(zhì)凈化效果，實(shí)現(xiàn)顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 提高人工濕全生命周期管理策略示意圖Fig.2 Flowchart of lifecycle management strategy measures for constructed wetland