劉 璐，李繼明，柯 凡，李文朝，侯長定

(1.江蘇省地質(zhì)環(huán)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(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇南京 210008；4.玉溪市環(huán)境科學(xué)研究所，云南玉溪 653100)

撫仙湖是我國第二大深水湖，水質(zhì)一直保持在I類[1]，但北岸壩區(qū)農(nóng)業(yè)大量面源污染隨河流輸入湖中，占流域總?cè)牒廴玖康?0%以上[2-3]，位于壩區(qū)西部的廣南營溝、沙盆河是撫仙湖北岸壩區(qū)的典型農(nóng)業(yè)面源污染河流，河水常年攜帶大量農(nóng)田廢棄物和生活垃圾，水體渾濁，河道入湖口沉積大量有機(jī)物，腐爛分解，釋放出有害物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，造成氨氮含量上升[3]，湖水透明度下降，水質(zhì)逐漸惡化。因此為防止農(nóng)業(yè)面源污染物隨河流匯入撫仙湖，對廣南營溝、沙盆河進(jìn)行河道末端整治十分必要。

農(nóng)業(yè)面源污染來源分散、形成過程復(fù)雜，還受到農(nóng)耕方式、化肥農(nóng)藥施用量、降水、地質(zhì)地貌等因素影響[4-7]，采用傳統(tǒng)的二級生化處理技術(shù)集中處理較為困難。目前針對農(nóng)業(yè)面源污染河水常用的末端處理技術(shù)有河道曝氣等物理技術(shù)[8]，生物塘、人工濕地等自然生態(tài)處理方式等[9]。其中人工濕地作為農(nóng)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(rèn)為是治理農(nóng)業(yè)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(jì)70年代。Peterjohn等[11]關(guān)于人工濕地治理農(nóng)業(yè)面源污染地表徑流的試驗結(jié)果顯示，位于農(nóng)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(jìn)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(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行控制，從而達(dá)到圣安娜河水體的凈化[12]。Hey等[13]研究發(fā)現(xiàn)Des Plaines濕地對可溶性磷的去除率達(dá)52%～99%。人工濕地因其脫氮除磷效果好、投資維護(hù)費用低廉、操作簡單等優(yōu)點[13]，在國際中得到廣泛應(yīng)用。我國在“八五”攻關(guān)課題“滇池防護(hù)帶農(nóng)田徑流污染控制工程技術(shù)研究”中，首次將人工濕地系統(tǒng)用于處理農(nóng)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(lián)的復(fù)合系統(tǒng)。其中人工濕地區(qū)域因地制宜，利用1 257 m2低洼棄耕地構(gòu)建，并選取適合該地區(qū)生長的植物垂直布設(shè)，運行結(jié)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(huán)境效益顯著[14-16]。楊揚等[17]在洱海湖濱區(qū)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(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)展提供了技術(shù)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(shè)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(jī)理的分析，探討和驗證該系統(tǒng)工藝設(shè)計參數(shù)對于類似受農(nóng)業(yè)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(jié)高位湖灘濕地技術(shù)工藝在結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計上的優(yōu)缺點，以期為湖濱帶濕地的設(shè)計改進(jìn)和維護(hù)、退墾還湖生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1工程區(qū)概況高位湖灘濕地工程位于撫仙湖老環(huán)湖公路南側(cè)廣南營溝和沙盆河兩側(cè)的湖灘地上，該湖灘為沖積湖灘，主要利用老環(huán)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(jìn)行處理。該地區(qū)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(shè)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(yīng)的水力負(fù)荷分別為0.47、1.41 m3/(m2·d)。

1.2高位湖灘濕地構(gòu)建高位湖灘濕地凈化水質(zhì)試驗利用湖岸帶退墾湖灘地修建。老環(huán)湖公路以下湖灘上為天然土質(zhì)河道，高水位季節(jié)整個湖灘河水滿溢，形成天然濕地。高位湖灘濕地系統(tǒng)就是在利用該天然濕地資源的基礎(chǔ)上，建設(shè)自然濕地凈化系統(tǒng)，工程占用湖灘耕地43 000 m2，人工濕地凈化工程區(qū)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(jié)構(gòu)，并按照均勻平流場設(shè)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(jiān)測方法沿水流流向設(shè)置3個監(jiān)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(jiān)測指標(biāo)有固體懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(CODCr)、總氮(TN)、總磷(TP)等。整個監(jiān)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(nèi)長時間無水進(jìn)入濕地，2015年7月1日因降雨影響，出水水質(zhì)未進(jìn)行監(jiān)測。

1.4分析方法及儀器采用電子天平、電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子恒溫水浴鍋、紫外可見分光光度計等，依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[18]中的標(biāo)準(zhǔn)方法，對水中SS、CODCr、TN、TP等指標(biāo)進(jìn)行測定；采用電子天平、溫度計、有機(jī)碳消化裝置、油浴鍋、凱氏瓶、定氮蒸餾儀、調(diào)壓變壓器、紫外可見分光光度計等，依據(jù)《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第2版)》[19]測定沉積物中總有機(jī)碳(TOC)、TN、TP的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1進(jìn)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(zhì)廣南營溝-沙盆河為農(nóng)灌溝河水，水質(zhì)比較渾濁，河水挾帶著大量的垃圾雜物，主要為農(nóng)田廢棄物和生活垃圾。系統(tǒng)運行期間監(jiān)測的水質(zhì)見表2，入湖水質(zhì)中污染物主要為SS、TN、TP，CODCr含量較低，水質(zhì)達(dá)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(fù)荷量

Table2LoadcapacityofpollutantintothelakefromtheGuangnanyinggou-ShapenheRiver

水質(zhì)指標(biāo)Water quality index變化范圍Variation range∥mg/L入湖負(fù)荷量Load capacity into the lake∥t/a評價結(jié)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(biāo)，計算和比較該系統(tǒng)對污染物的去除率，通過1年的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示(圖3)，濕地整體上各污染物進(jìn)水濃度均不高。

2014年9月SS含量沙盆河濕地進(jìn)水濃度高，受到徑流區(qū)內(nèi)農(nóng)作物收割影響，河道邊堆放的大量農(nóng)田廢棄物經(jīng)雨水沖刷進(jìn)入河道。出水SS含量較低且穩(wěn)定，去除效果明顯，平均去除率達(dá)90%。

6、7、10月CODCr進(jìn)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(dá)54%，均達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。

TN進(jìn)水濃度較高，由于雨水將農(nóng)藥化肥沖刷至河道中，增加了進(jìn)水TN的含量。經(jīng)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(dá)到50%。

濕地進(jìn)、出水口的TP濃度均很小且較穩(wěn)定，有個別出水TP濃度高于進(jìn)水濃度，由于基質(zhì)及微生物作用吸附飽和后，存在磷釋放的現(xiàn)象。但濕地系統(tǒng)仍是有一定的去除效果，去除率達(dá)66%。

整個系統(tǒng)出水CODCr、TN呈現(xiàn)夏季濃度低、冬季濃度較高，凈化效果受到季節(jié)影響。溫度適宜，微生物擁有良好的生長環(huán)境，微生物好氧代謝快，降解有機(jī)物迅速。凈化效果也受到進(jìn)水量的影響，該地區(qū)冬季旱季監(jiān)測期內(nèi)1—3月有3個月長時間無水進(jìn)入濕地，水量過低，濕地水力負(fù)荷過低，總體去除率較低；夏季為雨季，進(jìn)水量較大，在設(shè)計水力負(fù)荷的范圍內(nèi)去除效果最好。除磷效果則在冬季更佳，冬季為旱季，進(jìn)入濕地系統(tǒng)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(jù)實際進(jìn)入濕地污水污染物負(fù)荷量和出水的污染負(fù)荷量，得到削減的污染負(fù)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(tǒng)污染物去除負(fù)荷量統(tǒng)計

Table3Statisticsonremovalloadsofwetlandsystempollutants

kg/a

監(jiān)測期內(nèi)，對濕地進(jìn)行過一次清淤，清淤量為1 819.40 m3/a，換算成質(zhì)量后減掉懸浮固體SS負(fù)荷量得到去除的泥沙負(fù)荷量為760 681.51 kg/a，對去除泥沙進(jìn)行成分分析，泥沙中有機(jī)質(zhì)含量較高。去除泥沙中TOC、TN、TP負(fù)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(yuǎn)大于懸浮固體量，整個濕地系統(tǒng)攔污沉沙布水渠區(qū)域?qū)δ嗌车臄r截沉淀效果極佳，可以完全有效地去除這一部分污染負(fù)荷。其中隨泥沙沉淀的有機(jī)質(zhì)、TP負(fù)荷量遠(yuǎn)大于濕地系統(tǒng)對水中有機(jī)質(zhì)、TP污染負(fù)荷的削減量。

2.5高位湖灘濕地凈化機(jī)理分析高位湖灘濕地采取前端設(shè)置攔污沉沙布水渠，后設(shè)置二級表流濕地、自然砂礫床濕地的復(fù)合工藝。不同功能區(qū)針對污染物不同特點進(jìn)行去除。該套系統(tǒng)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(jìn)行逐一削減，從而達(dá)到凈化河水的目的。

2.5.1濕地系統(tǒng)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(tǒng)根據(jù)污染物顆粒大小，在濕地系統(tǒng)前段布設(shè)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(jī)質(zhì)、TP負(fù)荷量較大；顆粒較大的懸浮固體、垃圾雜物在進(jìn)入濕地前也被攔污網(wǎng)得以攔截。該區(qū)域?qū)δ嗌场S進(jìn)行截留，不易造成濕地填料堵塞，減輕了后續(xù)濕地凈化污染物的壓力。

2.5.2濕地系統(tǒng)脫氮機(jī)理分析。人工濕地中TN的去除主要是通過基質(zhì)吸附、過濾沉淀、植物吸收、氨的揮發(fā)、微生物的硝化和反硝化作用[21-22]。相關(guān)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(tǒng)去除率約50%，效果適中。

TN包括了有機(jī)氮、NO3--N、NH4+-N，系統(tǒng)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(shè)置使系統(tǒng)內(nèi)部形成了有利的兼氧環(huán)境。濕地內(nèi)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(huán)境，加速微生物對氨氮的硝化作用，有效地凈化污水中氨態(tài)氮；在植物根系存在局部缺氧區(qū)域[24]，為微生物反硝化反應(yīng)提供了缺氧環(huán)境，淤泥腐殖質(zhì)也為反硝化菌提供了所需碳源，對反應(yīng)過程有一定的促進(jìn)作用，最終將硝態(tài)氮還原為氮氣，從而得以去除污水中的氮。

經(jīng)過前端系統(tǒng)凈化的污水進(jìn)入該區(qū)域前已經(jīng)較為清澈，但前端系統(tǒng)中仍存在氨的內(nèi)部遷移轉(zhuǎn)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(zhì)、植物、微生物共同作用，得到深度凈化。該區(qū)域因污水在填料表面下滲流，微生物更為豐富，厭氧環(huán)境相較表流濕地更有利于微生物進(jìn)行反硝化反應(yīng)，從而達(dá)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(jī)理分析。人工濕地系統(tǒng)中主要通過微生物同化、植物吸收和基質(zhì)吸附作用協(xié)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(zhì)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(tǒng)對磷的凈化效果較明顯，為66%；與李躍勛等[26]在滇池湖濱區(qū)構(gòu)建的淺水-深水濕地相比，其對磷的去除率為35%，該系統(tǒng)除磷方面更有優(yōu)勢。

該系統(tǒng)在前端設(shè)置攔污沉沙設(shè)施，部分磷已在沉淀池中被攔截、沉淀。進(jìn)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(tǒng)表層土壤溶解氧充足，在好氧狀態(tài)下，土壤中非定性氧化態(tài)的鐵、鋁與磷形成難溶復(fù)合物[27]沉淀；微生物活性在好氧條件下增強(qiáng)，對磷吸收能力也增強(qiáng)；濕地中種植的美人蕉、香蒲、菖蒲、蘆葦?shù)染巧锪枯^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(tǒng)前端沉淀池、深水濕地內(nèi)基質(zhì)和微生物、植物吸附飽和后存在磷釋放現(xiàn)象，該系統(tǒng)考慮到這一現(xiàn)象，將淺水濕地設(shè)在深水濕地后端，二級淺水區(qū)較前端更為廣闊，氧氣更為充足，可以吸收前端系統(tǒng)釋放的部分磷。最后水流再經(jīng)過自然砂礫床潛流濕地進(jìn)行深度凈化，從而達(dá)到凈化效果。

2.6高位湖灘濕地工藝的技術(shù)優(yōu)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(tǒng)與窯泥溝濕地[28]、馬料河濕地[29]處理對象均為農(nóng)灌溝，但該系統(tǒng)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(fù)合工藝，水力負(fù)荷為0.37 m3/(m2·d)，凈化效果較穩(wěn)定，實際運行效果顯示其表流區(qū)域?qū)Φ?、磷的去除效果高于潛流區(qū)，且潛流濕地會有填料堵塞的現(xiàn)象。該系統(tǒng)在窯泥溝系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，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(fù)合工藝。攔污沉沙區(qū)域截留泥沙垃圾，降低水中SS含量；二級表流濕地區(qū)域上層氧氣更為充分，而水深部分、基質(zhì)區(qū)域因為溶解氧的消耗形成厭氧區(qū)，濕地系統(tǒng)內(nèi)部形成兼氧環(huán)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(tǒng)的凈化，進(jìn)入潛流濕地的水污染物負(fù)荷小、懸浮物質(zhì)少，不易造成潛流濕地堵塞，也降低了濕地系統(tǒng)的運行維護(hù)成本，提高了濕地凈化效果。

馬料河除了農(nóng)業(yè)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(fù)合工藝，濕地進(jìn)水量較大、水力負(fù)荷高，水流速度快，對基質(zhì)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(zhì)沖出濕地，且濕地易處于持續(xù)飽和的狀態(tài)從而氧濃度降低，抑制硝化反應(yīng)[30]，影響濕地凈化效果。該系統(tǒng)的總水力負(fù)荷為0.47 m3/(m2·d)，污水在濕地中反應(yīng)更為充分，系統(tǒng)可處理的污染負(fù)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(tǒng)因地制宜，利用湖灘退耕地建造，凈化入湖水質(zhì)的同時實現(xiàn)退耕還湖的目的，具有較好的環(huán)境效益。

植物選擇方面，該系統(tǒng)選取對氮、磷吸收效果較好的美人蕉、菖蒲、香蒲、旱傘竹、蘆葦?shù)戎参?，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(yīng)性和生長能力都較強(qiáng)，蓮藕在春夏生長旺盛，這些植物不僅去污能力強(qiáng)，還可以收割蓮藕、蓮子、水芹菜等產(chǎn)品；另一方面，按照植物多樣性原則進(jìn)行優(yōu)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(tǒng)不僅對污水凈化效果明顯，也有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

該系統(tǒng)處理效果受進(jìn)水量影響、旱季濕地進(jìn)水量小、水力負(fù)荷小、凈化效果不理想這一現(xiàn)象，需要構(gòu)建凈化能力更強(qiáng)的半人工濕地植被。對于磷釋放現(xiàn)象，還需進(jìn)一步加強(qiáng)對濕地基質(zhì)吸附飽和后的再生翻新處理研究。

3 結(jié)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(shè)計利用河流湖泊間自然水位差實現(xiàn)完全自流運行，能耗低，投資維護(hù)成本低。該工藝流程針對污染物顆粒大小、不同特點區(qū)別對待，在不同功能區(qū)逐一去除。在受污染河流進(jìn)入濕地前加上必要的攔污、沉沙設(shè)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(shè)深水-淺水表流濕地，強(qiáng)化湖灘濕地植被，對入湖河水進(jìn)行凈化，去除有色物質(zhì)，澄清水質(zhì)，削減氮磷污染負(fù)荷；最后通過自然砂礫床潛流濕地，加強(qiáng)細(xì)顆粒懸浮物及膠體物質(zhì)的去除，強(qiáng)化脫氮效率。整個系統(tǒng)在水力負(fù)荷設(shè)計范圍內(nèi)，其水力停留時間較長，反應(yīng)充分，設(shè)計水力負(fù)荷為0.47 m3/(m2·d)時，對污染物的去除效果最佳。整套系統(tǒng)能夠?qū)θ牒|(zhì)達(dá)到深度凈化，出水水質(zhì)達(dá)到要求。對SS、CODCr、TN、TP的去除率分別達(dá)到90%、54%、50%、66%。

該套濕地系統(tǒng)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(xiàn)了退耕還湖的目的，對于氨氮較高的農(nóng)業(yè)面源污染水體，其脫氮效果較理想，運行穩(wěn)定，在農(nóng)業(yè)污水的治理中有較為明顯的優(yōu)勢。高位湖灘濕地不僅可以進(jìn)行河水的污水處理，凈化入湖河水，還可以實現(xiàn)退墾和濕地生態(tài)修復(fù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)效益。

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