人工濕地水處理效率的Meta分析

龍 鬧，劉茂松

(1．廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510000;2．南京大學生命科學學院，江蘇南京 210046)

人工濕地(constructed wetland)是指人工設(shè)計、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、生物過程來完成對水體污染物的高效去除［3］。人工濕地具有凈化效果好、運行費用低、易維護等特點。自1950年德國采用人工濕地技術(shù)凈化生活污水以來［4］，人工濕地在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用［5］，近年來我國建成并投入使用的人工濕地數(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、實驗地點及規(guī)模等都有一定的相關(guān)性［6-8］。人工濕地對不同水質(zhì)指標去除率和去除率穩(wěn)定性存在較大差異，研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地對BOD、COD、TSS的去除率可達90%以上，但對氮、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制，并據(jù)以針對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用成效。

本研究收集了近二十年來發(fā)表的我國人工濕地相關(guān)文獻資料，應用Meta分析，按水質(zhì)指標、濕地類型、入流污染負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各主要水質(zhì)指標凈化能力的規(guī)律性，為人工濕地的應用提供技術(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］，可對同一課題的多項研究結(jié)果進行系統(tǒng)的、定量的綜合性分析，廣泛應用于醫(yī)學、心理學、生態(tài)學等領(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;(2)對文獻進行質(zhì)量評價和數(shù)據(jù)提取;(3)確定能夠反映各個獨立研究結(jié)果的效應值;(4)通過對效應值進行異質(zhì)性檢驗，采取相應的統(tǒng)計模型計算綜合效應值，完成對相關(guān)研究結(jié)果的評價［13］。

Meta分析中效應值的選取取決于研究對象的特征、原始文獻數(shù)據(jù)的獲取程度以及統(tǒng)計檢驗的假設(shè)等［14］，常用的效應值有 Glass估計值 Δ、Hedges估計值g、Hedges估計值d、反應比 lnR等［15］。本研究選擇類似于反應比lnR的去除率r作為效應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。

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

其中:ri—單個研究的效應值;

Wi—每個研究的權(quán)重，Wi=1/var(ri)。

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

隨機效應模型綜合效應值計算公式為:

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)庫中進行關(guān)鍵詞檢索，并追蹤相關(guān)的綜述類文章的參考文獻。研究中對檢索到的文獻按以下標準進行篩選:

(1)數(shù)據(jù)資料必須來源于試驗研究，試驗地點在中國，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)指標的入水濃度或出水濃度和相應的去除率，至少包含總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮、生化需氧量(COD)、化學需氧量(BOD)和總懸浮固體(TSS)等6種水質(zhì)指標中的一種;

(3)數(shù)據(jù)資料應是具體的數(shù)值(包括圖表)，數(shù)據(jù)包含平均值和標準差(或標準誤差);

(4)重復報道的數(shù)據(jù)只選取一次，對每個獨立研究中的每個處理，只使用一個測量值。

篩選后，對符合條件的59篇中、英文文獻進行數(shù)據(jù)采集［16-74］。主要指標包括濕地類型、水質(zhì)指標、溫度條件、植物種類及種植方式、基質(zhì)類型、實驗規(guī)模、試驗季節(jié)、水力停留時間、試驗地點、污水來源等。

本研究選取6種常用的人工濕地水質(zhì)指標進行研究，即懸浮固體總量(TSS)、生化需氧量(BOD)、化學需氧量(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)和復合人工濕地(hybrid constructed wetlands)，復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)庫的59篇文獻的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，試驗地點分布較廣，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，主要運行時間為濕地植物生長季，水力停留時間多為3～10天，少數(shù)案例水力停留超過1個月。

2 結(jié)果與討論

2．1 人工濕地對不同水質(zhì)指標處理效果

按水質(zhì)指標分別計算各個案例的各水質(zhì)指標去除率效應值，并對各效應值進行異質(zhì)性檢驗，異質(zhì)性結(jié)果表明6種水質(zhì)指標的去除率效應值均具有同質(zhì)性(卡方檢驗P＞0．05)，可采用固定效應模型計算綜合效應值，計算95%置信區(qū)間，如表1所示。

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

由表1可知，人工濕地對6種水質(zhì)指標去除率綜合效應值為58．54% ～88．24%;對TSS去除率效應值最高，為88．24%;對BOD、TP去除率效應值較高，分別為 83．26%和 81．88%;對 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BOD和TSS去除效果穩(wěn)定性相對較高，對TN和氨氮去除效果穩(wěn)定性相對較低。

人工濕地對污水的處理有十分復雜的凈化機理。一般認為，人工濕地通過一系列物理的、化學的及生物的過程實現(xiàn)對污水的凈化。物理作用主要包括沉積、過濾和吸附，化學作用主要包括化學沉淀和離子交換，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)指標去除的主要機制有所不同，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，加之各指標相關(guān)的主要生態(tài)過程的差異性，必將導致不同水質(zhì)指標的去除率及穩(wěn)定性存在差異。Liu等［81］綜合中國構(gòu)造濕地主要水質(zhì)指標得出，BOD5的平均去除率高達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)指標主要去除機制與去除率效應值發(fā)現(xiàn)，人工濕地對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，綜合去除率效應值較高且相對穩(wěn)定;對主要依賴于相對復雜的化學與生物過程的氨氮、COD和TN等指標的去除率則相對較低，綜合去除率效應值的變化范圍也較大。推測由于相對復雜的去除過程往往需要相對復雜多樣的反應條件，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)計不同水質(zhì)指標去除率效應值并進行同質(zhì)性檢驗，發(fā)現(xiàn)各濕地類型各水質(zhì)指標的去除率效應值均具有同質(zhì)性(卡方檢驗P＞0．05)，可采用固定效應模型計算綜合效應值。

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

由表2可知，對單一類型濕地而言，垂直潛流對TN、氨氮、BOD和COD去除率綜合效應值較高;水平潛流對TP去除率綜合效應值較高，但對TN去除率綜合效應值相對較低;自由表流對TSS去除率綜合效應值較高，但對 TP、氨氮、BOD和COD去除率綜合效應值相對較低;復合濕地對TP、COD和TSS去除率高于單一類型濕地，而對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)指標的去除率。趙建剛等［10］研究認為，水平潛流濕地對各種污染物的凈化能力均優(yōu)于表流濕地。而聶志丹等［82］則認為，相對于水平潛流和自由表流人工濕地，垂直潛流濕地處理富營養(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，但床體相對缺氧，不利于硝化反應，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，氧氣可通過水流進入濕地，形成兼氧環(huán)境，有利于硝化、反硝化作用，對于TN、COD、BOD、氨氮等需要復雜化學和生物過程的水質(zhì)指標去除效果較好。Vymazal［83］研究認為復合型人工濕地能夠達到最優(yōu)的除氮效果，但劉雯等［84］則發(fā)現(xiàn)復合型人工濕地對TN的去除效果較差，僅為33%，本研究也顯示，復合濕地對依靠復雜化學和生物反應的水質(zhì)指標并沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，可能與不同復合濕地的設(shè)計參數(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)量標準》(GB 3838—2003)中的V類水標準限值、《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中最高容許排放濃度一級B標準和兩倍于一級B標準的濃度，將人工濕地入流水質(zhì)污染程度按低濃度、中濃度、高濃度、超高濃度分為四個等級，如表3所示。

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

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

表4 人工濕地對不同入流水質(zhì)處理綜合效應值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TN和氨氮去除率綜合效應值較大且去除率穩(wěn)定性較高;在高入流濃度條件下對TP和COD去除率綜合效應值較大且去除率穩(wěn)定性較高;在低入流濃度條件下對四個水質(zhì)指標去除率綜合效應值相對較小且去除率穩(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值和去除率穩(wěn)定性都會升高。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］，同時也可促進人工濕地基質(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

本文運用Meta分析對近二十年來發(fā)表的我國境內(nèi)構(gòu)建的人工濕地水處理效率進行了比較研究，并按濕地類型和入流污染濃度兩個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BOD、固體懸浮物、總磷去除率相對較高，對氨氮、COD和TN等指標去除量相對較低;(2)垂直潛流濕地對有機物、氮含量較高的污染水體去除效果相對較好，水平潛流對TSS、磷含量高的污染水體去除效果相對較好，復合濕地可以綜合不同單一類型濕地優(yōu)勢，提高凈化效果;(3)人工濕地對高污染水體去除效果相對較好，優(yōu)先處理高污染水體可有效控制污染物的擴散。

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

(1)對人工濕地運行穩(wěn)定性研究不足，目前對人工濕地的研究主要強調(diào)去除效率影響因素分析，對高效、持續(xù)運行的研究比較薄弱，導致很多人工濕地正常工作時間短。應加強人工濕地運行穩(wěn)定性研究，尋找延長人工濕地污水處理壽命的方法。

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

(3)我國境內(nèi)復合人工濕地運行數(shù)據(jù)較少，且缺乏設(shè)計參數(shù)，亟需建立我國人工濕地工程實例數(shù)據(jù)庫，積累相關(guān)設(shè)計運行經(jīng)驗，以促進高效人工濕地的推廣應用。

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