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協調局，北京 100043；2 北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038）

水質凈化是人工濕地的主要功能之一，這一點和其他的污水處理措施（如污水處理廠、再生水廠等）類似，但在結構系統上，人工濕地是一個由地質體、基質層和生物群落等共同組成的“具有生命的個體”，具有“生老病死”的特征，其水質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營管理不僅會大大降低其水質凈化功能，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。

目前關于人工濕地水質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、生物和生態等多個學科，問題十分復雜。囿于研究者的專業領域，目前的研究多集中在某個方面（如基質設計、植物選擇等），相關改進措施也比較局限，帶有一定的片面性，很難形成對一般人工濕地的建設和運營管理具有普適性的指導。

針對以上問題，本文在系統調研當前人工濕地研究成果的基礎上，全面分析了人工濕地水質凈化的主要影響因素，有針對性地提出相關改進措施，以期從管理策略上提高人工濕地的水質凈化效果。

1 影響人工濕地水質凈化的內因

內因一般指人工濕地的類型、基質材料與結構和生物種類等（圖1）。

1.1 人工濕地類型

圖1 影響人工濕地水質凈化能力的內部結構示意圖（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）

根據水流流態，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種類型濕地水質凈化的機理是不同的，因此效果也會有很大差別，在實際工作中應根據需要靈活選定。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 基質層

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

1.2.1 基質材料 不同的基質材料由于其成分不同，對不同污染物的凈化效果也不同，基質材料類型對人工濕地硝化菌和反硝化菌的數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，充分利用當地的自然資源，選擇合適的人工濕地基質，是構建人工濕地、提高人工濕地凈化能力的關鍵。

1.2.2 基質層結構 不同的基質層結構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）。基質層厚度接近栽種植被根系長度時，對氨氮的去除效果最好（崔延瑞等,2016）。基質的類型、滲透率、含水率、膠體類型、pH值、黏性及各種絡合、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）。基質粒徑小，水質凈化效果更好（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，有些動物群對水質凈化也起到一定的間接調節作用。

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，對濕地生態系統中的物質轉化、能量流動起著重要作用，是對污染物進行降解的主要生物群體和承擔者。人工濕地中的活性微生物能促進營養物質的循環，對水質的改善和維持功能與天然濕地相似。異養微生物分解有機碳，自養微生物分解無機碳，因此濕地中有機碳和無機碳的數量和比例不同就會產生不同的去除過程。

微生物在人工濕地整個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、溫度和基質等多種因素的影響。

1.3.2 植物 植物在濕地凈化過程中起到重要的作用，主要表現在以下3個方面：①植物根系的巨大表面會附著大量微生物，創造有利于各種微生物生長的微環境；②植物可通過莖葉向下輸送氧氣，在根系附近形成好氧區，促進有機質、氮、磷等的轉化；③此外，植物對營養物質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營管理中，水生植物可選擇性較強，植物的合理選擇是提高水質凈化效果的關鍵之一。

1.3.3 動物 大量的研究和實踐表明：動物對水質的直接凈化作用遠小于植物和微生物，但動物是人工濕地微生態系統食物鏈中的重要一環，動物對水質凈化也會起到一定的間接調節作用。如動物的擾動會對植物根區吸附有機碳和氮產生影響（王琪飛等,2016）。李先寧等（2010）研究認為，蚯蚓的鉆土和攝食礦化有機物對緩解和消除濕地的堵塞現象能起到一定的作用。

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

2 影響水質凈化效果的外因

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

2.1 進水的影響

進水的水量、水質和水溫對水質凈化效果有不同程度的影響：①進水量和水質共同決定了人工濕地水質凈化的水力負荷，水力負荷越大，實際凈化效果可能呈下降趨勢，存在一個最優進水量和水質問題，而且不同的基質材料、生物種類對不同的污染物凈化效果也不同；②進水溫度不僅直接影響水質凈化中的物理、化學和生物反應過程，同時也影響人工濕地中的生態環境，對生物群落的生存環境造成影響。

2.2 出水的影響

出水的影響主要表現在人工濕地出水量的管理。出水和進水是維持人工濕地系統物質和能量動態平衡的因素。在人工濕地運營過程中，根據監測結果，實現出水的動態科學管理，如出水的頻次、出水量等。

2.3 人工濕地水體水位的影響

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

2.4 基質材料飽和度的影響

基質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過程，隨著運營時間的推移或污水處理水力負荷的增大，基質層的物理化學作用會達到飽和或堵塞（王文明等, 2014），使基質的水質凈化作用削弱甚至失效。

2.5 生物群落動態的影響

人工濕地一般運營周期較長，受氣候環境季節性變化的影響，生物的數量、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 科學規劃、設計和施工

人工濕地建設前期應明確其目的和功能目標，并依據當地的氣象、水文和地質條件，因地制宜地進行科學規劃、設計和施工，包括人工濕地的選址、選型和規模的確定、基質材料和結構的確定，生物種類的選擇等，形成系統的規劃設計方案，并在施工期間嚴格執行，確保施工質量。

3.2 加強人工濕地系統檢測和環境監測

環境監測是十分重要的工作，既是檢驗人工濕地建造質量是否滿足要求的重要指標，也是檢驗運營管理是否合理的重要手段，也是采取相關處理措施的重要依據。人工濕地環境監測內容應包括多個方面（表1）。

表1 人工濕地環境監測內容一覽表Table 1 List of environmental monitoring contents of constructed wetland

3.3 科學制定并執行運營管理和維護制度

根據人工濕地規劃設計方案，結合動態環境監測結果（表1），制定科學的運營管理方案和制度，防止人工濕地超荷運營或帶病運營。在保證人工濕地健康運營的同時，更大程度地發揮其水質凈化效率。對于不能達到要求的人工濕地，應及時做出維護處理措施（如基質和生物種類的更換），必要時還需進行人工濕地的改擴建。人工濕地全生命周期管理方案見圖2。

4 結論

影響人工濕地水質凈化效果的因素很多，既有建設期產生的內因，也有運營期產生的外因，這些因素貫穿人工濕地整個全生命周期。以生態方式為主的水質凈化工程和人工濕地是有生命的，水質凈化效果很大程度上取決于其健康程度。因此，提高人工濕地水質凈化能力是一個系統工程，需要從全生命周期考慮，真正做到“科學建造、嚴格監測、合理運營管理、動態維護”，在確保人工濕地健康運營的同時，更大程度地發揮其水質凈化效果，實現顯著的環境效益和經濟效益。

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