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人工湿地全生命周期管理策略

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人工湿地全生命周期管理策略

第15卷 第2期 湿 地 科 学 与 管 理 Vol.15 No.2 2019年6月 WETLAND SCIENCE 2 BGI Engineering Consultanting Ltd., Beijing 100038) Abstract With the increasing needs for better environment and hydrophilic landscape due to urban development, constructed wetland has gradually become one of the major facilities for water purification in modern cities. Due to the complexity of the constructed wetland and the variability during its operation process, there are many factors that affect the water quality of constructed wetlands. On the basis of a large number of domestic and overseas research achievements and practices, considering ecological approach as the main way of water purification for constructed wetland, both internal and external factors affecting water purification of constructed wetland were analyzed systematically, based on which the concept of whole lifecycle management strategies was developed, which will provide a scientific basis for improving the efficiency of water purification and maintaining healthy operation of the constructed wetlands. Key words Constructed wetland; Water purification; Management of operation; Lifecycle 收稿日期2018-07-20 基金资助北京市科技计划课题(Z161100001216011) 作者简介白彬彬,男(1981),建筑设计及其理论专业,硕士研究生学历,现任北京世界园艺博览会事务协调局总体规划部副部长。 E- *通讯作者王军辉,E- 水质净化是人工湿地的主要功能之一,这一点 和其他的污水处理措施(如污水处理厂、再生水厂等) 类似,但在结构系统上,人工湿地是一个由地质体、 基质层和生物群落等共同组成的“具有生命的个体”, 具有“生老病死”的特征,其水质净化效果很大程 度上取决于其自身的“健康状况”,不合理的建造 方案或运营管理不仅会大大降低其水质净化功能, 还会缩短其自身寿命,甚至还会酿成“臭水一潭” 的后果,形成新的污染源。 目前关于人工湿地水质净化功能的研究较多, 也比较深入,但由于影响因素太多,涉及到物理、 化学、生物和生态等多个学科,问题十分复杂。囿 于研究者的专业领域,目前的研究多集中在某个方 面(如基质设计、植物选择等),相关改进措施也 比较局限,带有一定的片面性,很难形成对一般人 工湿地的建设和运营管理具有普适性的指导。 针对以上问题,本文在系统调研当前人工湿地 研究成果的基础上,全面分析了人工湿地水质净化 的主要影响因素,有针对性地提出相关改进措施, 以期从管理策略上提高人工湿地的水质净化效果。 1 影响人工湿地水质净化的内因 内因一般指人工湿地的类型、基质材料与结构 和生物种类等(图1)。 1.1 人工湿地类型 根据水流流态,可将人工湿地分为3种类型 表面流型人工湿地、水平潜流型人工湿地和垂直潜 流型人工湿地Meutia, 2001;Avila et al,2010。 71 第2期 这3种类型湿地水质净化的机理是不同的,因此效 果也会有很大差别,在实际工作中应根据需要灵活 选定。例如,对于COD、总氮、总磷、氨氮等常见 污染物,垂直潜流人工湿地的去除效果最好,水平 潜流型人工湿地次之,表面流型人工湿地去除效果 较差(潘琼, 2015; 舒柳, 2015)。 1.2 基质层 基质层为水生植物提供载体和营养物质,为微 生物提供稳定的依附表面。通过拦截、过滤、吸附 和沉淀等作用,基质层直接去除了污染物,是人工 湿地中污水处理的主要场所,对水质净化效果影响 较大,主要体现在以下两个方面。 1.2.1 基质材料 不同的基质材料由于其成分不 同,对不同污染物的净化效果也不同,基质材料类 型对人工湿地硝化菌和反硝化菌的数量和空间分布 有较大影响(刘慎坦等,2011)。如沸石对氨氮具 有极强的选择吸附性,可快速截留污水中的氨氮(李 旭东等,2005)。针对不同的污染物,充分利用当 地的自然资源,选择合适的人工湿地基质,是构建 人工湿地、提高人工湿地净化能力的关键。 1.2.2 基质层结构 不同的基质层结构对于人工 湿地的净化效果也存在一定的影响,如孔隙率降 低,堵塞率增大(李静等,2012)。基质层厚度接 近栽种植被根系长度时,对氨氮的去除效果最好 (崔延瑞等,2016)。基质的类型、渗透率、含水 率、胶体类型、pH值、黏性及各种络合、螯合剂 的存在,都会影响到人工湿地的脱氮效率(崔理华 等,2007)。基质粒径小,水质净化效果更好(胡 欢等,2013)。 1.3 水生生物的影响 人工湿地中的生物总体上 分为动物、植物和微生物3大 类,对水质净化起主要作用的 是植物吸附和微生物降解,另 外,有些动物群对水质净化也 起到一定的间接调节作用。 1.3.1 微生物群落的作 用 微生物是人工湿地不可或 缺的成员,对湿地生态系统中 的物质转化、能量流动起着重 要作用,是对污染物进行降解 的主要生物群体和承担者。人 工湿地中的活性微生物能促进 营养物质的循环,对水质的改善和维持功能与天然 湿地相似。异养微生物分解有机碳,自养微生物分 解无机碳,因此湿地中有机碳和无机碳的数量和比例 不同就会产生不同的去除过程。 微生物在人工湿地整个生物群中属于可直接选 择性较差的一类,很大程度上受植物、动物、土壤、 水质、温度和基质等多种因素的影响。 1.3.2 植物 植物在湿地净化过程中起到重要的 作用,主要表现在以下3个方面①植物根系的巨 大表面会附着大量微生物,创造有利于各种微生物 生长的微环境;②植物可通过茎叶向下输送氧气, 在根系附近形成好氧区,促进有机质、氮、磷等的 转化;③此外,植物对营养物质的吸收也是净化的 主要途径(马勋静等,2010;郑翀等,2009)。 在人工湿地的建造和运营管理中,水生植物可 选择性较强,植物的合理选择是提高水质净化效果 的关键之一。 1.3.3 动物 大量的研究和实践表明动物对水 质的直接净化作用远小于植物和微生物,但动物是 人工湿地微生态系统食物链中的重要一环,动物对 水质净化也会起到一定的间接调节作用。如动物的 扰动会对植物根区吸附有机碳和氮产生影响(王琪 飞等,2016)。李先宁等(2010)研究认为,蚯蚓 的钻土和摄食矿化有机物对缓解和消除湿地的堵塞 现象能起到一定的作用。 动物除了具有一定的水质净化效果外,有些动 物还产生一定的代谢物(如鱼类、禽类等),也会 对人工湿地微生态环境产生一定影响,在选择动物 种类时也需要予以考虑。 图1 影响人工湿地水质净化能力的内部结构示意图(以水平潜流型湿地为例) Fig1 Internal structure affecting the water purification abilityof constructed wetland (A case of horizontal subsurface wetland) 白彬彬等人工湿地全生命周期管理策略 72 湿 地 科 学 与 管 理 第15卷 2 影响水质净化效果的外因 影响人工湿地水质净化效果的外部因素主要是 运营管理,如果人工湿地运营管理不够科学合理, 会极大地影响其水质净化效果,甚至造成人工湿地 水质净化功能的提前丧失,这在我国当前“重建设, 轻管理”的现状下表现得尤为突出。运营管理方面 主要考虑进水、出水、湿地地表水水位、基质层维 护情况和生物群落管理等。 2.1 进水的影响 进水的水量、水质和水温对水质净化效果有不 同程度的影响①进水量和水质共同决定了人工湿 地水质净化的水力负荷,水力负荷越大,实际净化 效果可能呈下降趋势,存在一个最优进水量和水质 问题,而且不同的基质材料、生物种类对不同的污 染物净化效果也不同;②进水温度不仅直接影响水 质净化中的物理、化学和生物反应过程,同时也影响 人工湿地中的生态环境,对生物群落的生存环境造成 影响。 2.2 出水的影响 出水的影响主要表现在人工湿地出水量的管 理。出水和进水是维持人工湿地系统物质和能量动 态平衡的因素。在人工湿地运营过程中,根据监测 结果,实现出水的动态科学管理,如出水的频次、 出水量等。 2.3 人工湿地水体水位的影响 受进水和出水以及气象条件的影响,人工湿地 运营过程中的水位呈动态变化,水位不仅影响水力 的停留时间,还会对大气中氧气向水中的扩散产生 影响,进而影响生物对生存环境的适宜性以及水质 净化效果(姚枝良等,2006)。另外冬季水位过低, 水容易结冰,降低微生物的活性和植物的生存几率, 也影响水质的净化效果(陈亮等,2005)。 2.4 基质材料饱和度的影响 基质层对污水的净化作用主要通过过滤、沉淀 和吸附等物理化学过程,随着运营时间的推移或污 水处理水力负荷的增大,基质层的物理化学作用会 达到饱和或堵塞(王文明等, 2014),使基质的水 质净化作用削弱甚至失效。 2.5 生物群落动态的影响 人工湿地一般运营周期较长,受气候环境季节 性变化的影响,生物的数量、种类也会变化,如动物 的迁徙和冬眠,植物的“一岁一枯荣”,都会对人工 湿地水质的净化效果造成影响。 3 人工湿地全生命周期管理策略 3.1 科学规划、设计和施工 人工湿地建设前期应明确其目的和功能目标, 并依据当地的气象、水文和地质条件,因地制宜地 进行科学规划、设计和施工,包括人工湿地的选址、 选型和规模的确定、基质材料和结构的确定,生物 种类的选择等,形成系统的规划设计方案,并在施 工期间严格执行,确保施工质量。 3.2 加强人工湿地系统检测和环境监测 环境监测是十分重要的工作,既是检验人工湿 地建造质量是否满足要求的重要指标,也是检验运 营管理是否合理的重要手段,也是采取相关处理措 施的重要依据。人工湿地环境监测内容应包括多个 方面(表1)。 3.3 科学制定并执行运营管理和维护制度 根据人工湿地规划设计方案,结合动态环境监 测结果(表1),制定科学的运营管理方案和制度, 防止人工湿地超荷运营或带病运营。在保证人工湿 地健康运营的同时,更大程度地发挥其水质净化效 率。对于不能达到要求的人工湿地,应及时做出维 护处理措施(如基质和生物种类的更换),必要时 还需进行人工湿地的改扩建。人工湿地全生命周期 管理方案见图2。 4 结论 影响人工湿地水质净化效果的因素很多,既有 建设期产生的内因,也有运营期产生的外因,这些 因素贯穿人工湿地整个全生命周期。以生态方式为 主的水质净化工程和人工湿地是有生命的,水质净 化效果很大程度上取决于其健康程度。因此,提高 人工湿地水质净化能力是一个系统工程,需要从全 生命周期考虑,真正做到“科学建造、严格监测、 合理运营管理、动态维护”,在确保人工湿地健康 运营的同时,更大程度地发挥其水质净化效果,实 表1 人工湿地环境监测内容一览表 Table 1 List of environmental monitoring contents of constructed wetland 监测对象 监测内容 目的和意义 水质净化效果 进水水量和水质,出 评价水质净化能 水水量和水质 力,以及是否存 在超荷运营现象 人工湿地系统 人工湿地内部水位、水 人工湿地系统自 质、水温,生物群落物 身健康情况的定 种和数量的变化等 期体检 人工湿地周边 环境 地下水水位和水质变化、 人工湿地的环境 土壤环境变化、大气环境 效应评价 和周边生态圈的变化等 73 第2期 白彬彬等人工湿地全生命周期管理策略 现显著的环境效益和经济效益。 参考文献 陈亮,卢少勇,陈新红.2005.人工湿地的运营和管理[J].环境 科学与技术,28增刊141-142,146 崔理华,朱夕珍,骆世明,等.2007.几种人工湿地基质磷的吸 附特性研究[J].农业环境科学学报,263894-898 崔延瑞,张璐璐,程瑶,等.2016.流型、植物种类和基质厚 度对人工湿地去除废水中氨氮的影响[J].科学技术与工 程,1612312-315 胡欢,周明涛,杨平.2013.基质粒径和沿程变化对生态滤床净 化效果的影响[J].中国水土保持655-57 李静,姜冰冰,王飞宇,等.2012.北京市杨镇一中人工湿地设 计及污水处理效果[J].湿地科学,101102-108 李先宁,金秋,姜伟,等.2010.蚯蚓人工湿地对农村生活污水 净化效果试验研究[J].环境科学与技术,331146-149 李旭东,周琪,张荣社,等.2005.三种人工湿地脱氮除磷效果 比较研究[J].地学前缘,12473-76 刘慎坦,王国芳,谢祥峰,等.2011.不同基质对人工湿地脱氮 效果和硝化及反硝化细菌分布的影响[J].东南大学学报自 然科学版,412400-405 马勋静,胡开林,严雪梅,等.2010.五家堆人工湿地处理污水 的工程总结[J].中国给水排水,264496-98 聂志丹,年跃刚,金相灿,等.2007.3种类型人工湿地处理富营 养化水体中试比较研究[J].环境科学,2881675-1680 潘琼,潘峰.2015.不同类型人工湿地对洞庭湖水质净化效果研 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