高位湖滩湿地在农业面源污染河水中的应用

刘 璐，李继明，柯 凡，李文朝，侯长定

(1.江苏省地质环境勘查院，江苏南京 210012；2.天津市引滦工程管理处，天津 301900；3.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，江苏南京 210008；4.玉溪市环境科学研究所，云南玉溪 653100)

抚仙湖是我国第二大深水湖，水质一直保持在I类[1]，但北岸坝区农业大量面源污染随河流输入湖中，占流域总入湖污染量的90%以上[2-3]，位于坝区西部的广南营沟、沙盆河是抚仙湖北岸坝区的典型农业面源污染河流，河水常年携带大量农田废弃物和生活垃圾，水体浑浊，河道入湖口沉积大量有机物，腐烂分解，释放出有害物质和营养物质，造成氨氮含量上升[3]，湖水透明度下降，水质逐渐恶化。因此为防止农业面源污染物随河流汇入抚仙湖，对广南营沟、沙盆河进行河道末端整治十分必要。

农业面源污染来源分散、形成过程复杂，还受到农耕方式、化肥农药施用量、降水、地质地貌等因素影响[4-7]，采用传统的二级生化处理技术集中处理较为困难。目前针对农业面源污染河水常用的末端处理技术有河道曝气等物理技术[8]，生物塘、人工湿地等自然生态处理方式等[9]。其中人工湿地作为农田和水体缓冲带，通过吸附吸收、生物降解等作用降低径流中氮、磷的含量[7]，被认为是治理农业面源污染有效且实际的工程措施[10]。国外对于人工湿地去除污染物的研究始于20世纪70年代。Peterjohn等[11]关于人工湿地治理农业面源污染地表径流的试验结果显示，位于农田和水体间50 m宽的植被缓冲带可以降低约89%的氮、80%的磷进入地表水中。美国普莱多除氮人工湿地占地940 hm2,一个月可去除约20 000 kg的硝酸盐，具有很高的脱氮效果，通过该湿地对农业面源污染进行控制，从而达到圣安娜河水体的净化[12]。Hey等[13]研究发现Des Plaines湿地对可溶性磷的去除率达52%～99%。人工湿地因其脱氮除磷效果好、投资维护费用低廉、操作简单等优点[13]，在国际中得到广泛应用。我国在“八五”攻关课题“滇池防护带农田径流污染控制工程技术研究”中，首次将人工湿地系统用于处理农田径流废水。整个工程占地13.33 hm2，是由灌、排水渠、沉沙池、曝气坎、人工湿地串联的复合系统。其中人工湿地区域因地制宜，利用1 257 m2低洼弃耕地构建，并选取适合该地区生长的植物垂直布设，运行结果显示，该湿地CODCr去除率20%、TSS去除率70%、TN去除率60%、TP去除率50%，环境效益显著[14-16]。杨扬等[17]在洱海湖滨区建立的潜流式植物碎石床人工湿地和湖滨带人工湿地，占地2.77 km2，对区域内农业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%。这些研究都为人工湿地处理农业面源污染的发展提供了技术支持。

针对广南营沟—沙盆河的水污染状况，采用拦污沉沙—二级表流湿地—砂砾床工艺路线设计了广南营沟—沙盆河高位湖滩湿地，该工程于2006年建成并一直运行至今。笔者以广南营沟—沙盆河高位湖滩湿地工程为研究对象，通过湿地对这2条河道的净化效果与机理的分析，探讨和验证该系统工艺设计参数对于类似受农业面源污染河水的适用性；通过与类似湿地净化工艺的比较，总结高位湖滩湿地技术工艺在结构与功能设计上的优缺点，以期为湖滨带湿地的设计改进和维护、退垦还湖生态系统修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1工程区概况高位湖滩湿地工程位于抚仙湖老环湖公路南侧广南营沟和沙盆河两侧的湖滩地上，该湖滩为冲积湖滩，主要利用老环湖公路以下405 m岸带的退垦湖滩地修建，占地43 000 m2，对广南营沟、沙盆河全部水量进行处理。该地区2条河流的旱季平均流量约0.7万m3/d，雨季平均流量约2万m3/d左右，最大流量6万m3/d，平均年入湖水量约500万m3。设计高位湖滩湿地处理能力为20 000 m3/d，最大过水能力为60 000 m3/d，对应的水力负荷分别为0.47、1.41 m3/(m2·d)。

1.2高位湖滩湿地构建高位湖滩湿地净化水质试验利用湖岸带退垦湖滩地修建。老环湖公路以下湖滩上为天然土质河道，高水位季节整个湖滩河水满溢，形成天然湿地。高位湖滩湿地系统就是在利用该天然湿地资源的基础上，建设自然湿地净化系统，工程占用湖滩耕地43 000 m2，人工湿地净化工程区容积16 860 m3。因工艺单元间存在一定的自然坡降，所以高位湖滩湿地采取平行于湖岸线的二级表流湿地结构，并按照均匀平流场设计，各级运行水位差0.1 m。主要处理工艺单元见表1。主要工艺流程见图1。

表1 高位湖滩湿地主要工艺单元

图1 高位湖滩湿地工艺流程Fig.1 Process flow of Lakeshore Raised Constructed Wetlands

1.3监测方法沿水流流向设置3个监测点。2个入湖河口各1个，高位湖滩湿地出口取1点混合样。主要监测指标有固体悬浮物(SS)、化学需氧量(CODCr)、总氮(TN)、总磷(TP)等。整个监测期为2014年4月—2015年7月，其中2015年1月8日—3月29日的干旱期内长时间无水进入湿地，2015年7月1日因降雨影响，出水水质未进行监测。

1.4分析方法及仪器采用电子天平、电热鼓风干燥箱、电子恒温水浴锅、紫外可见分光光度计等，依据《水和废水监测分析方法》(第四版)[18]中的标准方法，对水中SS、CODCr、TN、TP等指标进行测定；采用电子天平、温度计、有机碳消化装置、油浴锅、凯氏瓶、定氮蒸馏仪、调压变压器、紫外可见分光光度计等，依据《湖泊富营养化调查规范(第2版)》[19]测定沉积物中总有机碳(TOC)、TN、TP的含量。

2 结果与分析

2.1进水水量从图2可看出，广南营沟、沙盆河2条河流入湖流量较大，日流量的月波动也较大，雨季、旱季较为分明。沙盆河雨季时最大流量超过35 000 m3/d，旱季最低流量低于2 500 m3/d；广南营沟雨季日流量最大在37 500 m3/d左右，干旱期间日流量最低为0。

2.2原水水质广南营沟-沙盆河为农灌沟河水，水质比较浑浊，河水挟带着大量的垃圾杂物，主要为农田废弃物和生活垃圾。系统运行期间监测的水质见表2，入湖水质中污染物主要为SS、TN、TP，CODCr含量较低，水质达Ⅳ类或Ⅴ类、劣Ⅴ类(GB3838—2002)[20]。

表2广南营沟—沙盆河入湖污染物负荷量

Table2LoadcapacityofpollutantintothelakefromtheGuangnanyinggou-ShapenheRiver

水质指标Water quality index变化范围Variation range∥mg/L入湖负荷量Load capacity into the lake∥t/a评价结果Evaluation resultCODCr2.13～28.6964.90Ⅳ类SS9～167241.13TN2.39～16.0747.00劣Ⅴ类TP0.05～0.361.15Ⅴ类

2.3湿地对河水的净化效果选取SS、CODCr、TN、TP 这4项指标，计算和比较该系统对污染物的去除率，通过1年的监测数据显示(图3)，湿地整体上各污染物进水浓度均不高。

2014年9月SS含量沙盆河湿地进水浓度高，受到径流区内农作物收割影响，河道边堆放的大量农田废弃物经雨水冲刷进入河道。出水SS含量较低且稳定，去除效果明显，平均去除率达90%。

6、7、10月CODCr进水浓度普遍偏低，受到大量雨水稀释的影响。出水CODCr浓度有明显的下降，平均浓度为5.9 mg/L，平均去除率达54%，均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

TN进水浓度较高，由于雨水将农药化肥冲刷至河道中，增加了进水TN的含量。经湿地处理后，TN得到削减，出水浓度在0～2 mg/L，TN的平均去除率达到50%。

湿地进、出水口的TP浓度均很小且较稳定，有个别出水TP浓度高于进水浓度，由于基质及微生物作用吸附饱和后，存在磷释放的现象。但湿地系统仍是有一定的去除效果，去除率达66%。

整个系统出水CODCr、TN呈现夏季浓度低、冬季浓度较高，净化效果受到季节影响。温度适宜，微生物拥有良好的生长环境，微生物好氧代谢快，降解有机物迅速。净化效果也受到进水量的影响，该地区冬季旱季监测期内1—3月有3个月长时间无水进入湿地，水量过低，湿地水力负荷过低，总体去除率较低；夏季为雨季，进水量较大，在设计水力负荷的范围内去除效果最好。除磷效果则在冬季更佳，冬季为旱季，进入湿地系统水量小于雨季，水力停留时间长，吸附时间充分，处理效果较好。

2.4湿地对污染物的削减量根据实际进入湿地污水污染物负荷量和出水的污染负荷量，得到削减的污染负荷量，SS、CODCr、TN、TP 的削减量分别为197 480.69、36 091.46、25 828.11、650.52 kg/a(表3)。

表3湿地系统污染物去除负荷量统计

Table3Statisticsonremovalloadsofwetlandsystempollutants

kg/a

监测期内，对湿地进行过一次清淤，清淤量为1 819.40 m3/a，换算成质量后减掉悬浮固体SS负荷量得到去除的泥沙负荷量为760 681.51 kg/a，对去除泥沙进行成分分析，泥沙中有机质含量较高。去除泥沙中TOC、TN、TP负荷量分别为57 873.46、2 778.72、1 438.98 kg/a。

综上所述，河流携带的泥沙量远大于悬浮固体量，整个湿地系统拦污沉沙布水渠区域对泥沙的拦截沉淀效果极佳，可以完全有效地去除这一部分污染负荷。其中随泥沙沉淀的有机质、TP负荷量远大于湿地系统对水中有机质、TP污染负荷的削减量。

2.5高位湖滩湿地净化机理分析高位湖滩湿地采取前端设置拦污沉沙布水渠，后设置二级表流湿地、自然砂砾床湿地的复合工艺。不同功能区针对污染物不同特点进行去除。该套系统工艺特点是按照污染物颗粒大小，针对悬浮物、胶体、溶解物进行逐一削减，从而达到净化河水的目的。

2.5.1湿地系统对泥沙、SS的去除分析。广南营沟、沙盆河2条河流携带大量的垃圾杂物及泥沙。该系统根据污染物颗粒大小，在湿地系统前段布设拦污沉沙布水渠，大量泥沙基本可以在沉淀池中得以沉淀，随泥沙沉淀去除的有机质、TP负荷量较大；颗粒较大的悬浮固体、垃圾杂物在进入湿地前也被拦污网得以拦截。该区域对泥沙、SS进行截留，不易造成湿地填料堵塞，减轻了后续湿地净化污染物的压力。

2.5.2湿地系统脱氮机理分析。人工湿地中TN的去除主要是通过基质吸附、过滤沉淀、植物吸收、氨的挥发、微生物的硝化和反硝化作用[21-22]。相关研究显示，人工湿地对氮的去除率差异性很大，为30%～98%[23]，该系统去除率约50%，效果适中。

TN包括了有机氮、NO3--N、NH4+-N，系统中NO2--N含量很少。在二级表流湿地中，一级深水湿地、二级浅水湿地的设置使系统内部形成了有利的兼氧环境。湿地内水汽接触面更为宽阔，种植的挺水植物生长旺盛，其根系泌氧及光合作用为微生物硝化作用提供了有利的好氧环境，加速微生物对氨氮的硝化作用，有效地净化污水中氨态氮；在植物根系存在局部缺氧区域[24]，为微生物反硝化反应提供了缺氧环境，淤泥腐殖质也为反硝化菌提供了所需碳源，对反应过程有一定的促进作用，最终将硝态氮还原为氮气，从而得以去除污水中的氮。

经过前端系统净化的污水进入该区域前已经较为清澈，但前端系统中仍存在氨的内部迁移转化作用，二级表流湿地中未得到完全净化的TN流入自然砂砾床潜流湿地后，通过基质、植物、微生物共同作用，得到深度净化。该区域因污水在填料表面下渗流，微生物更为丰富，厌氧环境相较表流湿地更有利于微生物进行反硝化反应，从而达到脱氮的目的。

图3 广南营沟-沙盆河湿地污染物净化效果Fig.3 Pollutant purification effect of the Guangnanyinggou-Shapen River wetland

2.5.3湿地除磷机理分析。人工湿地系统中主要通过微生物同化、植物吸收和基质吸附作用协同完成对磷的去除[25]。但由于微生物在死亡后会释放大部分生长活动时吸收的磷，植物可吸收的磷元素量小，所以人工湿地中主要是靠基质的吸附除磷。一般来说人工湿地对磷去除率为20%～90%[23]，该系统对磷的净化效果较明显，为66%；与李跃勋等[26]在滇池湖滨区构建的浅水-深水湿地相比，其对磷的去除率为35%，该系统除磷方面更有优势。

该系统在前端设置拦污沉沙设施，部分磷已在沉淀池中被拦截、沉淀。进入湿地后，主要依靠土壤吸附。同时生物吸收也有一定作用，是一个好氧吸收、厌氧释放的过程[26]。表流湿地系统表层土壤溶解氧充足，在好氧状态下，土壤中非定性氧化态的铁、铝与磷形成难溶复合物[27]沉淀；微生物活性在好氧条件下增强，对磷吸收能力也增强；湿地中种植的美人蕉、香蒲、菖蒲、芦苇等均是生物量较高的挺水植物，对磷也有一定的吸收作用，同时通过植物收割，也把磷从湿地中去除。但系统前端沉淀池、深水湿地内基质和微生物、植物吸附饱和后存在磷释放现象，该系统考虑到这一现象，将浅水湿地设在深水湿地后端，二级浅水区较前端更为广阔，氧气更为充足，可以吸收前端系统释放的部分磷。最后水流再经过自然砂砾床潜流湿地进行深度净化，从而达到净化效果。

2.6高位湖滩湿地工艺的技术优势广南营沟、沙盆河、窑泥沟、马料河均是抚仙湖北岸入湖河流，该系统与窑泥沟湿地[28]、马料河湿地[29]处理对象均为农灌沟，但该系统的工艺路线有所不同。

窑泥沟污染情况与广南营沟、沙盆河类似，河道多垃圾杂物，其采用水平潜流湿地+表流湿地复合工艺，水力负荷为0.37 m3/(m2·d)，净化效果较稳定，实际运行效果显示其表流区域对氮、磷的去除效果高于潜流区，且潜流湿地会有填料堵塞的现象。该系统在窑泥沟系统设计基础上进行改进，针对不同颗粒大小污染物逐一去除，采用拦污沉沙+一级深水二级浅水表流人工湿地+自然砂砾床潜流湿地复合工艺。拦污沉沙区域截留泥沙垃圾，降低水中SS含量；二级表流湿地区域上层氧气更为充分，而水深部分、基质区域因为溶解氧的消耗形成厌氧区，湿地系统内部形成兼氧环境，加速微生物的生长和作用，对氮、磷的去除效果明显；通过前端系统的净化，进入潜流湿地的水污染物负荷小、悬浮物质少，不易造成潜流湿地堵塞，也降低了湿地系统的运行维护成本，提高了湿地净化效果。

马料河除了农业面源污染，还有少量居民生活污水，马料河湿地采用垂直潜流湿地+表流湿地复合工艺，湿地进水量较大、水力负荷高，水流速度快，对基质冲击力大，污水在湿地停留时间短，容易将已被吸附的污染物质冲出湿地，且湿地易处于持续饱和的状态从而氧浓度降低，抑制硝化反应[30]，影响湿地净化效果。该系统的总水力负荷为0.47 m3/(m2·d)，污水在湿地中反应更为充分，系统可处理的污染负荷较高，湿地对污水的净化效果较好。

针对表流湿地占地面积大这一缺点，该系统因地制宜，利用湖滩退耕地建造，净化入湖水质的同时实现退耕还湖的目的，具有较好的环境效益。

植物选择方面，该系统选取对氮、磷吸收效果较好的美人蕉、菖蒲、香蒲、旱伞竹、芦苇等植物，这些植物生物量大，净化效果明显；同时借鉴窑泥沟湿地，种植水芹菜、莲藕等。水芹菜适应性和生长能力都较强，莲藕在春夏生长旺盛，这些植物不仅去污能力强，还可以收割莲藕、莲子、水芹菜等产品；另一方面，按照植物多样性原则进行优化，选种了可做良好草资源的黑麦草、可食用的地母鸡等植物。整个系统不仅对污水净化效果明显，也有可观的经济效益。

该系统处理效果受进水量影响、旱季湿地进水量小、水力负荷小、净化效果不理想这一现象，需要构建净化能力更强的半人工湿地植被。对于磷释放现象，还需进一步加强对湿地基质吸附饱和后的再生翻新处理研究。

3 结论

高位湖滩湿地采用拦污沉沙+深水表流湿地+浅水表流湿地+自然砂砾床潜流湿地工艺，设计利用河流湖泊间自然水位差实现完全自流运行，能耗低，投资维护成本低。该工艺流程针对污染物颗粒大小、不同特点区别对待，在不同功能区逐一去除。在受污染河流进入湿地前加上必要的拦污、沉沙设施，有效地拦截去除漂浮杂物和垃圾，沉淀去除泥沙污染物；通过建设深水-浅水表流湿地，强化湖滩湿地植被，对入湖河水进行净化，去除有色物质，澄清水质，削减氮磷污染负荷；最后通过自然砂砾床潜流湿地，加强细颗粒悬浮物及胶体物质的去除，强化脱氮效率。整个系统在水力负荷设计范围内，其水力停留时间较长，反应充分，设计水力负荷为0.47 m3/(m2·d)时，对污染物的去除效果最佳。整套系统能够对入湖水质达到深度净化，出水水质达到要求。对SS、CODCr、TN、TP的去除率分别达到90%、54%、50%、66%。

该套湿地系统已有效运行十多年，效果良好；同时利用天然的湖滩湿地资源，同时实现了退耕还湖的目的，对于氨氮较高的农业面源污染水体，其脱氮效果较理想，运行稳定，在农业污水的治理中有较为明显的优势。高位湖滩湿地不仅可以进行河水的污水处理，净化入湖河水，还可以实现退垦和湿地生态修复，具有良好的经济、环境、生态效益。

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