龍 鬧，劉茂松

(1．廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510000;2．南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210046)

人工濕地(constructed wetland)是指人工設(shè)計(jì)、建造的用于優(yōu)化自然過程從而凈化污水的工程化系統(tǒng)［1-2］，通過人工濕地中基質(zhì)、水生植物和微生物間一系列物理、化學(xué)、生物過程來完成對(duì)水體污染物的高效去除［3］。人工濕地具有凈化效果好、運(yùn)行費(fèi)用低、易維護(hù)等特點(diǎn)。自1950年德國(guó)采用人工濕地技術(shù)凈化生活污水以來［4］，人工濕地在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用［5］，近年來我國(guó)建成并投入使用的人工濕地?cái)?shù)量也在快速增加［6］。

人工濕地污水處理系統(tǒng)包括水體、基質(zhì)、水生植物和微生物四大基本要素，彼此間存在復(fù)雜的相互作用，其處理效率與濕地類型、濕地植物種類及植物種植方式、溫度、入流濃度、水力停留、水質(zhì)條件、基質(zhì)類型、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及規(guī)模等都有一定的相關(guān)性［6-8］。人工濕地對(duì)不同水質(zhì)指標(biāo)去除率和去除率穩(wěn)定性存在較大差異，研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地對(duì)BOD、COD、TSS的去除率可達(dá)90%以上，但對(duì)氮、磷的去除率較低且去除效果不穩(wěn)定［9］。不同類型濕地系統(tǒng)間去除率差異較大，研究發(fā)現(xiàn)潛流濕地凈化效果優(yōu)于表流濕地［10］。不同污染濃度條件下人工濕地去除率也有所不同［11］。綜合研究各類人工濕地在不同條件下的凈化能力及其影響機(jī)制，并據(jù)以針對(duì)不同污染濃度水體選擇合適的人工濕地工藝，可有效提高人工濕地的應(yīng)用成效。

本研究收集了近二十年來發(fā)表的我國(guó)人工濕地相關(guān)文獻(xiàn)資料，應(yīng)用Meta分析，按水質(zhì)指標(biāo)、濕地類型、入流污染負(fù)荷濃度等分類研究了人工濕地的去除率及其穩(wěn)定性，以期分析各類人工濕地對(duì)各主要水質(zhì)指標(biāo)凈化能力的規(guī)律性，為人工濕地的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1．1 Meta 分析

Meta分析(Meta-analysis)又稱“整合分析”、“薈萃分析”、“二次分析”等［12］，可對(duì)同一課題的多項(xiàng)研究結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的、定量的綜合性分析，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的研究中。其主要步驟包括:(1)根據(jù)所需解決的問題制定檢索策略，全面廣泛收集文獻(xiàn);(2)對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)提取;(3)確定能夠反映各個(gè)獨(dú)立研究結(jié)果的效應(yīng)值;(4)通過對(duì)效應(yīng)值進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，采取相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算綜合效應(yīng)值，完成對(duì)相關(guān)研究結(jié)果的評(píng)價(jià)［13］。

Meta分析中效應(yīng)值的選取取決于研究對(duì)象的特征、原始文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取程度以及統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的假設(shè)等［14］，常用的效應(yīng)值有 Glass估計(jì)值 Δ、Hedges估計(jì)值g、Hedges估計(jì)值d、反應(yīng)比 lnR等［15］。本研究選擇類似于反應(yīng)比lnR的去除率r作為效應(yīng)值以表征人工濕地的凈化能力，如式(1)所示:

其中:c0—入流濃度，mg/L;

ce—出流濃度，mg/L。

計(jì)算綜合效應(yīng)值的模型可分為固定效應(yīng)模型和隨機(jī)效應(yīng)模型，需根據(jù)效應(yīng)值的異質(zhì)性采用不同的模型。通常采用卡方檢驗(yàn)計(jì)算效應(yīng)值的異質(zhì)性，如式(2)所示:

其中:ri—單個(gè)研究的效應(yīng)值;

Wi—每個(gè)研究的權(quán)重，Wi=1/var(ri)。

統(tǒng)計(jì)量Q服從自由度為K-1的卡方分布，當(dāng)Q值概率P＞0.05時(shí)，采用固定效應(yīng)模型;P＜0.05時(shí)，采用隨機(jī)效應(yīng)模型［16］，并計(jì)算95%置信區(qū)間。固定效應(yīng)模型綜合效應(yīng)值計(jì)算公式如式(3):

隨機(jī)效應(yīng)模型綜合效應(yīng)值計(jì)算公式為:

1．2 數(shù)據(jù)采集

本研究選用“constructed wetland”、“artificial wetland”、“構(gòu) 造 濕 地”、“人 工 濕 地”在ScienceDirect、SpringerLink、CNKI、維普等幾種中英文數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行關(guān)鍵詞檢索，并追蹤相關(guān)的綜述類文章的參考文獻(xiàn)。研究中對(duì)檢索到的文獻(xiàn)按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選:

(1)數(shù)據(jù)資料必須來源于試驗(yàn)研究，試驗(yàn)地點(diǎn)在中國(guó)，至少包含一種人工濕地凈污系統(tǒng);

(2)數(shù)據(jù)資料中必須有人工濕地水質(zhì)指標(biāo)的入水濃度或出水濃度和相應(yīng)的去除率，至少包含總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮、生化需氧量(COD)、化學(xué)需氧量(BOD)和總懸浮固體(TSS)等6種水質(zhì)指標(biāo)中的一種;

(3)數(shù)據(jù)資料應(yīng)是具體的數(shù)值(包括圖表)，數(shù)據(jù)包含平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(或標(biāo)準(zhǔn)誤差);

(4)重復(fù)報(bào)道的數(shù)據(jù)只選取一次，對(duì)每個(gè)獨(dú)立研究中的每個(gè)處理，只使用一個(gè)測(cè)量值。

篩選后，對(duì)符合條件的59篇中、英文文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集［16-74］。主要指標(biāo)包括濕地類型、水質(zhì)指標(biāo)、溫度條件、植物種類及種植方式、基質(zhì)類型、實(shí)驗(yàn)規(guī)模、試驗(yàn)季節(jié)、水力停留時(shí)間、試驗(yàn)地點(diǎn)、污水來源等。

本研究選取6種常用的人工濕地水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行研究，即懸浮固體總量(TSS)、生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)和氨氮(NH3-N)。研究中，根據(jù)人工濕地系統(tǒng)布水方式的不同將濕地類型分為自由表面流人工濕地(free water surfacewetlands)、水平潛流人工濕地(horizontal sub-surface constructed wetlands)、垂直潛流人工濕地(verticalsub-surfaceconstructed wetlands)和復(fù)合人工濕地(hybrid constructed wetlands)，復(fù)合濕地是將自由表流、水平潛流和垂直潛流等濕地中的2種或2種以上組合形成的濕地系統(tǒng)［1］。

在納入Meta分析數(shù)據(jù)庫(kù)的59篇文獻(xiàn)的72例人工濕地中，自由表流人工濕地18例，水平潛流人工濕地26例，垂直潛流人工濕地12例，復(fù)合人工濕地16例。污水來源主要為生活污水，少量為黑臭河水或工業(yè)廢水，試驗(yàn)地點(diǎn)分布較廣，主要分布在北京(9例)、江蘇(8例)、廣東(6例)等。本研究涉及的人工濕地基質(zhì)類型有組合基質(zhì)、煤渣、爐渣、砂土等，以組合基質(zhì)為主;涉及到的人工濕地植物有蘆葦、美人蕉、風(fēng)車草、千屈菜等，以多種植物組合搭配出現(xiàn)為主。納入本研究的人工濕地入流水質(zhì)情況較差，以污染水體為主;納入本研究的案例為樣地人工濕地，主要運(yùn)行時(shí)間為濕地植物生長(zhǎng)季，水力停留時(shí)間多為3～10天，少數(shù)案例水力停留超過1個(gè)月。

2 結(jié)果與討論

2．1 人工濕地對(duì)不同水質(zhì)指標(biāo)處理效果

按水質(zhì)指標(biāo)分別計(jì)算各個(gè)案例的各水質(zhì)指標(biāo)去除率效應(yīng)值，并對(duì)各效應(yīng)值進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，異質(zhì)性結(jié)果表明6種水質(zhì)指標(biāo)的去除率效應(yīng)值均具有同質(zhì)性(卡方檢驗(yàn)P＞0．05)，可采用固定效應(yīng)模型計(jì)算綜合效應(yīng)值，計(jì)算95%置信區(qū)間，如表1所示。

表1 人工濕地對(duì)不同水質(zhì)指標(biāo)去除率效應(yīng)值Tab．1 Removal Effect of Different Water Quality Items for Constructed Wetland

由表1可知，人工濕地對(duì)6種水質(zhì)指標(biāo)去除率綜合效應(yīng)值為58．54% ～88．24%;對(duì)TSS去除率效應(yīng)值最高，為88．24%;對(duì)BOD、TP去除率效應(yīng)值較高，分別為 83．26%和 81．88%;對(duì) TN去除率最低，為58．54%。比較95%置信區(qū)間發(fā)現(xiàn)，總體上人工濕地去除效果穩(wěn)定性較高，對(duì)BOD和TSS去除效果穩(wěn)定性相對(duì)較高，對(duì)TN和氨氮去除效果穩(wěn)定性相對(duì)較低。

人工濕地對(duì)污水的處理有十分復(fù)雜的凈化機(jī)理。一般認(rèn)為，人工濕地通過一系列物理的、化學(xué)的及生物的過程實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化。物理作用主要包括沉積、過濾和吸附，化學(xué)作用主要包括化學(xué)沉淀和離子交換，生物作用則主要指植物、微生物的代謝和吸收［75］。人工濕地中不同水質(zhì)指標(biāo)去除的主要機(jī)制有所不同，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，除磷主要依靠基質(zhì)的沉淀和吸附作用［76］;脫氮主要依靠微生物的硝化和反硝化作用［77］;TSS的去除則主要依靠植物莖稈阻擋、微生物分解和填料的過濾作用［78］;COD的去除主要依靠植物吸收和微生物的分解［79］;BOD的去除主要依靠填料的過濾和微生物的分解［80］。由于人工濕地類型的不同，加之各指標(biāo)相關(guān)的主要生態(tài)過程的差異性，必將導(dǎo)致不同水質(zhì)指標(biāo)的去除率及穩(wěn)定性存在差異。Liu等［81］綜合中國(guó)構(gòu)造濕地主要水質(zhì)指標(biāo)得出，BOD5的平均去除率高達(dá)81．8%，但總氮的平均去除率僅44．3%。由于不同研究人員研究案例不同，不同研究者的研究成果間的具體數(shù)值可能存在差異，但總體趨勢(shì)較為一致，一般BOD、TP等的去除率較高，而氨氮、TN等較低。

比較各水質(zhì)指標(biāo)主要去除機(jī)制與去除率效應(yīng)值發(fā)現(xiàn)，人工濕地對(duì)主要依賴于物理過程的TSS、TP以及容易生物降解的BOD的去除率一般較高且其變化范圍較小，綜合去除率效應(yīng)值較高且相對(duì)穩(wěn)定;對(duì)主要依賴于相對(duì)復(fù)雜的化學(xué)與生物過程的氨氮、COD和TN等指標(biāo)的去除率則相對(duì)較低，綜合去除率效應(yīng)值的變化范圍也較大。推測(cè)由于相對(duì)復(fù)雜的去除過程往往需要相對(duì)復(fù)雜多樣的反應(yīng)條件，因此更易受各種條件因子的影響。

2．2 不同人工濕地類型水處理效果

為研究不同類型人工濕地水處理效率差異，按照人工濕地類型分別統(tǒng)計(jì)不同水質(zhì)指標(biāo)去除率效應(yīng)值并進(jìn)行同質(zhì)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各濕地類型各水質(zhì)指標(biāo)的去除率效應(yīng)值均具有同質(zhì)性(卡方檢驗(yàn)P＞0．05)，可采用固定效應(yīng)模型計(jì)算綜合效應(yīng)值。

表2 不同構(gòu)造濕地類型去除率綜合效應(yīng)值Tab．2 Effective Value of Removal Rate for Different Types of Constructed Wetlands

由表2可知，對(duì)單一類型濕地而言，垂直潛流對(duì)TN、氨氮、BOD和COD去除率綜合效應(yīng)值較高;水平潛流對(duì)TP去除率綜合效應(yīng)值較高，但對(duì)TN去除率綜合效應(yīng)值相對(duì)較低;自由表流對(duì)TSS去除率綜合效應(yīng)值較高，但對(duì) TP、氨氮、BOD和COD去除率綜合效應(yīng)值相對(duì)較低;復(fù)合濕地對(duì)TP、COD和TSS去除率高于單一類型濕地，而對(duì)TN、氨氮和BOD的去除率卻略低于垂直潛流人工濕地。

不同類型的人工濕地中，生態(tài)過程的差異性影響各水質(zhì)指標(biāo)的去除率。趙建剛等［10］研究認(rèn)為，水平潛流濕地對(duì)各種污染物的凈化能力均優(yōu)于表流濕地。而聶志丹等［82］則認(rèn)為，相對(duì)于水平潛流和自由表流人工濕地，垂直潛流濕地處理富營(yíng)養(yǎng)化水體的出水水質(zhì)更穩(wěn)定。

自由表流濕地中，植物根系及填料的直接作用較小，對(duì)于主要依靠填料吸附、沉淀的TP等的去除效果較差;水平潛流濕地可充分利用填料、植物根系和微生物的作用，但床體相對(duì)缺氧，不利于硝化反應(yīng)，除氮效果略差;垂直潛流濕地充分利用了填料、植物根系和微生物的作用，氧氣可通過水流進(jìn)入濕地，形成兼氧環(huán)境，有利于硝化、反硝化作用，對(duì)于TN、COD、BOD、氨氮等需要復(fù)雜化學(xué)和生物過程的水質(zhì)指標(biāo)去除效果較好。Vymazal［83］研究認(rèn)為復(fù)合型人工濕地能夠達(dá)到最優(yōu)的除氮效果，但劉雯等［84］則發(fā)現(xiàn)復(fù)合型人工濕地對(duì)TN的去除效果較差，僅為33%，本研究也顯示，復(fù)合濕地對(duì)依靠復(fù)雜化學(xué)和生物反應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)并沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，可能與不同復(fù)合濕地的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。

2．3 不同入流濃度條件下人工濕地的水處理效率差異

人工濕地對(duì)不同入流濃度水體的處理效率可能存在一定差異。本研究根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2003)中的V類水標(biāo)準(zhǔn)限值、《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中最高容許排放濃度一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)和兩倍于一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的濃度，將人工濕地入流水質(zhì)污染程度按低濃度、中濃度、高濃度、超高濃度分為四個(gè)等級(jí)，如表3所示。

表3 入流水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)Tab．3 Standard of Classification of Influent Water Quality

由于本研究收集的TSS和BOD數(shù)據(jù)難以按上述標(biāo)準(zhǔn)分類，僅選取了TN、TP、氨氮和COD四個(gè)指標(biāo)，分別計(jì)算不同入流濃度水質(zhì)指標(biāo)去除率效應(yīng)值。經(jīng)檢驗(yàn)，不同污染負(fù)荷下，各水質(zhì)指標(biāo)的去除率效應(yīng)值均具有同質(zhì)性(卡方檢驗(yàn)P＞0．05)，可采用固定效應(yīng)模型計(jì)算綜合效應(yīng)值，如表4所示。

表4 人工濕地對(duì)不同入流水質(zhì)處理綜合效應(yīng)值Tab．4 Comprehensive Effective Value of Removal Rate for Different Influent Water Quality in Constructed Wetland

由表4可知，人工濕地在超高入流濃度條件下對(duì)TN和氨氮去除率綜合效應(yīng)值較大且去除率穩(wěn)定性較高;在高入流濃度條件下對(duì)TP和COD去除率綜合效應(yīng)值較大且去除率穩(wěn)定性較高;在低入流濃度條件下對(duì)四個(gè)水質(zhì)指標(biāo)去除率綜合效應(yīng)值相對(duì)較小且去除率穩(wěn)定性均較低。

由Meta分析結(jié)果可知，隨著入流污染濃度的提高，人工濕地去除率綜合效應(yīng)值和去除率穩(wěn)定性都會(huì)升高。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在一定濃度范圍內(nèi)，隨著污染濃度的提高，植物去除污染物速度加快［11］，同時(shí)也可促進(jìn)人工濕地基質(zhì)生物膜的良好發(fā)育，加快人工濕地生態(tài)系統(tǒng)自身的成熟，從而提高去除效率［85］，但污染濃度超過一定閾值后，去除率將有所下降［86］。一般情況下，較高污染濃度下人工濕地往往具有較高的去除率和較高的去除率穩(wěn)定性。

3 結(jié)論與建議

本文運(yùn)用Meta分析對(duì)近二十年來發(fā)表的我國(guó)境內(nèi)構(gòu)建的人工濕地水處理效率進(jìn)行了比較研究，并按濕地類型和入流污染濃度兩個(gè)影響因素分析了人工濕地的去除率及去除率穩(wěn)定性。

根據(jù)分析與討論，可以得出如下結(jié)論:(1)人工濕地對(duì)BOD、固體懸浮物、總磷去除率相對(duì)較高，對(duì)氨氮、COD和TN等指標(biāo)去除量相對(duì)較低;(2)垂直潛流濕地對(duì)有機(jī)物、氮含量較高的污染水體去除效果相對(duì)較好，水平潛流對(duì)TSS、磷含量高的污染水體去除效果相對(duì)較好，復(fù)合濕地可以綜合不同單一類型濕地優(yōu)勢(shì)，提高凈化效果;(3)人工濕地對(duì)高污染水體去除效果相對(duì)較好，優(yōu)先處理高污染水體可有效控制污染物的擴(kuò)散。

根據(jù)本研究的結(jié)果和需完善的工作及研究實(shí)踐中的問題，對(duì)以后的人工濕地研究和應(yīng)用提出幾點(diǎn)建議:

(1)對(duì)人工濕地運(yùn)行穩(wěn)定性研究不足，目前對(duì)人工濕地的研究主要強(qiáng)調(diào)去除效率影響因素分析，對(duì)高效、持續(xù)運(yùn)行的研究比較薄弱，導(dǎo)致很多人工濕地正常工作時(shí)間短。應(yīng)加強(qiáng)人工濕地運(yùn)行穩(wěn)定性研究，尋找延長(zhǎng)人工濕地污水處理壽命的方法。

(2)人工濕地占地面積相對(duì)較大，限制了其在土地資源相對(duì)緊張的城市的推廣。在人工濕地選址過程中，應(yīng)充分考慮人工濕地規(guī)模對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益的影響，避免浪費(fèi)寶貴的土地資源。

(3)我國(guó)境內(nèi)復(fù)合人工濕地運(yùn)行數(shù)據(jù)較少，且缺乏設(shè)計(jì)參數(shù)，亟需建立我國(guó)人工濕地工程實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)，積累相關(guān)設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以促進(jìn)高效人工濕地的推廣應(yīng)用。

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