天津市临港经济区人工湿地生态效益分析

李 璐 陈娟娟 殷小鸽

（天津港保税区环境监测站 天津 300308）

引言

人工湿地技术目前在我国污水处理、黑臭水体治理、海绵城市建设、城市径流污染治理中应用日益广泛[1]。张高军等设计两级串联人工湿地，对COD、NH3-N、TN去除率最好效果分别达到30.6%、82.2%、94.6%，净化后出水满足 《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类标准[2]。黄畯楠等构建高负荷复合式人工湿地，并研究该工艺对污水厂尾水低温时期的处理效能，结果表明在秋冬低温条件下，对COD、TN、NH3-N、TP 平均去除率分别为25%、24%、44%、34%，且净化后出水达到地表水质近Ⅳ类标准要求[3]。段田莉等研究垂直流湿地和多级生态塘组合系统，经处理后的污水厂尾水有显著的净化效果，NH3-N、TN、TP、COD 去除率分别达到81.06%、93.11%、55.81%、59.22%，符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅳ类限值要求[4]。

人工湿地系统除了能发挥较为稳定的水处理效果外，还伴随着资源功能、生态环境功能、人文功能等方面的效益[5]。济宁市老运河人工湿地的建设显著提升了生物多样性和环境质量，为区域内水禽、鱼虾等提供了良好的栖息场地，也为确保南水北调东线调水及其水质安全贡献了重要力量[6]。盐城湿地公园具有和城市排水系统连接的功能，可以通过控制城市的地表径流来减少内部灾害，当道路排水系统承载力有所欠缺时，湿地则通过其系统有效改善地表径流排放[7]。淮北市南湖国家湿地公园通过景观再造，实现了对水体、植被的修复和以湿生生境为主导的生物多样性修复[8]。

滨海湿地是陆地、地表水、地下水、海水相互作用形成的，其具有独特的生境和交错的生物群落分布，具有广泛的生态效益，对维持滨海区域生态平衡、物种生物多样性，实现区域生态、环境的可持续发展发挥着重要作用[9]。天津临港经济区位于海河入河口南侧滩涂浅海区，是滨海新区重要功能区之一。本文通过探究临港经济区人工湿地对水质净化功能及其它生态效益，证实其为环境保护与生态建设带来的积极影响。

1 人工湿地情况概述

1.1 湿地基本建设情况

临港人工湿地公园位于天津港保税区，北起长江道，南至珠江道，西邻海滨高速，东至渤海十路，占地面积约63 万平方米。湿地的建设和河湖水系的构建，一方面秉承生态环保理念，实现了提升污水处理厂尾水水质功能；另一方面秉承生态修复理念，实现了增加生物多样性、改善区域生态环境的功能。

1.2 湿地处理工艺

人工湿地技术工艺主要包括以下两个方面：污水湿地治理工程以及生态改造工程。其中，由于本区域内临海，地下水盐度较高，土壤盐碱化较为严重，加之上游污染物组分复杂且浓度不稳定易形成冲击，冬季气温较低不利于植物生长等不利因素，依靠单纯的潜流湿地无法满足处理要求。因此在污水湿地治理工程中要加入中水回用，同时加入表潜流相结合的方式进行处理。此外，可有效改善水质情况的水生植物、陆生植物被引种栽植，结合之前现有景观带，从而构建起了表面流和潜流相结合的复合型湿地生态系统。湿地在未来应用后可以达到加强水质净化功能、增强景观休闲人文效果、保证植物存活率等多种效果。

人工湿地系统的水源来自附近污水处理厂排水。湿地系统首先要建有调节池，污水处理厂出水通过带压管路进入人工湿地，为防止负荷冲击必须要对水量及水质进行调节、同时还能起到预曝气及净化调节的作用，再通过重力作用进入潜流湿地。潜流湿地中填料主要是以砾石为主，当水体进入潜流湿地后，其内部填料先进行过滤。大量维管束植物以及根系较为发达的水生植物在潜流湿地种植，植物根系及其存活在其中的厌氧菌群可以对水体内的污染组分进行深度净化，对有害成分进行吸附和分解。为了进一步保证水质得到充分处理，潜流湿地通过三级高差的设置，水体通过重力作用层层通过，缓慢进入主体景观湖。经过这一系列的处理之后，水体得到显著净化，水质已经基本满足要求。在景观湖区，引种栽植的大量水生、陆生植物，有效增加了表流湿地面积，用于进一步修复水体水质。

此外，为进一步净化水质，在系统出水口处设置了具有物理、化学、生物联合作用的生物栅，其可以起到有效截留、吸附、沉淀水中杂质的作用，一方面保证了高效净化水质，另一方面也可以避免在湿地系统中出现藻类堵塞。

2 水质净化效果分析

2.1 水质监测点位和指标

在湿地进水口设置1 个监测点位，湿地出水口设置1 个监测点位。自2021 年3 月至2021 年12 月，每月对湿地系统的进水、出水进行样品采集。选择氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）3 项指标进行监测。

其中，氨氮采用纳氏试剂分光光度法，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷采用钼酸铵分光光度法进行监测。

2.2 数据统计与分析

数据统计采用Excel 软件，数据分析与图形绘制采用Origin 软件。通过对比处理前后水质指标的变化规律，评价水质净化效果。

2.3 水质净化效果分析

2.3.1 对NH3-N 的去除效果

人工湿地系统对NH3-N 的去除效果如图1 所示。从监测数据来看，进水NH3-N 浓度较低，浓度范围为0.321mg/L～1.09mg/L，均值为0.666mg/L。出水浓度范围为0.181 mg/L～1.08mg/L，均值为0.510mg/L。除6 月份、9 月份外，其余监测时段均对NH3-N 有较为理想的去除效果，去除率范围为5.57%～67.4%，平均去除率为26.6%。

图1 湿地系统对NH3-N去除效果

微生物通过硝化作用吸附氮元素，再通过反硝化作用将其去除是人工湿地对NH3-N 的主要去除机理[10]。除8 月份外，湿地进水NH3-N 浓度均小于1.0mg/L，整体仍具备一定程度对低浓度NH3-N 进水的削减能力，经湿地处理后NH3-N 浓度有明显改善趋势，出水浓度均值达到 《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）地表Ⅲ类标准要求（1.0mg/L）。

2.3.2 对TN 的去除效果

人工湿地系统对TN 的去除效果如图2 所示。从监测数据来看，进水TN 浓度范围为1.99mg/L～16.5mg/L，均值为6.35mg/L。出水浓度范围为1.12mg/L～5.72mg/L，均值为2.91mg/L。除3 月份、4 月份外，其余时间均对TN 有较好的去除效果，去除率均在25%以上，去除率范围为25.8%～90.0%，平均去除率为43.1%。

图2 湿地系统对TN去除效果

微生物的氨化、硝化和反硝化作用，植物基质的吸附、离子交换等作用是人工湿地脱氮的主要机制。从去除率看，进水TN 浓度稍高，整体上未达到地表Ⅴ类标准要求，经过本工程处理后，对TN 产生一定程度的削减效果。自5 月至12 月，去除率整体呈现明显递增趋势，且自7 月份以来，各个监测月份出水浓度均能满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅴ类标准要求（2.0mg/L）。

2.3.3 对TP 的去除效果

人工湿地系统对TP 的去除效果如图3 所示。从监测数据来看，进水TP 浓度较低，浓度范围为0.05mg/L～0.22mg/L，均值为0.14mg/L。出水浓度范围为0.03mg/L～0.20mg/L，均值为0.07mg/L。除6 月份外，其余时间均对TP 有较好的去除效果，去除率范围为10.0%～77.3%，平均去除率为38.1%。

图3 湿地系统对TP去除效果

该湿地出水口TP 浓度均稳定在0.2mg/L 及以下，稳定达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准要求（0.2mg/L），均值达到地表Ⅱ类标准要求（0.1mg/L），说明本工程对TP 的净化效果较好。

2.3.4 季节对污染物去除率的影响

临港湿地系统在不同季节中对污染物去除效果的影响见表1。NH3-N 在春季、夏季、秋季去除率较为接近，分别为26.5%、17.6%、16.3%，在冬季去除率较为显著，达到55.5%。TN 在夏季、秋季、冬季去除率均在40%以上，且去除率呈现递增趋势。TP 去除率在夏季较低，其它季节表现平稳，去除率范围在47.5%～50.0%。可见，湿地对污染物的去除效果会受到一年中不同季节的影响，在冬季低温运行效果较好，对各污染物去除效果最为显著。

表1 不同季节污染物的去除率（%）

3 环保及生态效益分析

3.1 促进盐碱化土壤改良

沿海地区由于地势低平的原因会受到海水的浸渍，土壤表层含盐量相对较高，经雨水淋洗、微生物作用会演变为滨海盐土，影响水生植物的生长[11]。临港湿地生态系统和景观水系的运行，可以使水作用于土壤中，由于重力作用透过土壤缝隙不断下渗，从而作用于盐碱化土壤中，并可以有效阻止由于蒸发作用导致的地下含盐水沿土壤毛细缝隙上升，从而达到压盐、洗盐、改良盐碱化土壤的作用，为植物提供基本的生长条件[12]。

3.2 涵养水源

水文调节是湿地的重要作用之一。临港湿地可以对区域起到补给地下水、维持区域水平衡、调节径流、调蓄水量的作用[13]。此外，大面积湿地植物的存在可以起到保持水土、涵养水源的作用，一方面通过增加土壤孔隙度和保持储水力来改善土壤结构，以便存储来自雨水、河湖多余的水分，另一方面可以增加植物所在区域的空气湿度，使植物表面的纤维结构存储一些水源以备旱季使用[14]。

3.3 调节局部气候

一方面，临港湿地及景观湖中的植物具有光合作用、蒸腾作用，可以不断吸收热量、增加空气湿度，从而起到降低区域温度、保证气候条件稳定的作用。另一方面，当湿地表面的水分蒸发至大气环境中后，能够促进大气水循环从而增加空气湿度，对区域的气候产生部分影响[15]。此外，当空气中的湿度达到一定累积后，可能会形成降水。降水过程中对湿地周围环境也会起到调节温度的作用。

3.4 维持生态稳定

在湿地及生态景观湖中栽种植被是可以抵御极端天气给沿岸造成侵蚀的有效办法，植物的根系可以帮助维持区域的生态系统稳定。此外，人工湿地和景观湖可以为多种鸟类提供栖息场所，在发挥了生态调节功能的同时，提升了人工湿地的生态服务功能和生物多样性。

3.5 生态宣教作用

人工湿地的宣教功能多样，主要体现在以下几个方面：一是大众在日常休闲运动的同时可以进一步增加对湿地概念、功能等方面知识的储备，广泛提高环保意识、人与自然和谐共生意识；二是临港湿地拥有丰富的动植物资源，系统中多样的动植物群落能够发挥重要的教学作用。

结语

（1）临港经济区人工湿地具有较好的生态效能，处理工艺稳定，对水体中污染物NH3-N、TN、TP 去除效果良好，去除率较为明显，能有效改善水体水质，充分发挥了湿地的净化功能，为区域水环境质量的改善提供保障。（2）湿地具有一定的环保及生态效益，在促进盐碱化土壤改良、涵养水源、调节局部气候、维持生态稳定及生态宣教等方面发挥着关键作用，满足民众对美好生态环境的需求。（3）由于本文对临港湿地在不同季节中去除污染物效果的研究有限，因此文中得出在冬季去除效果最优的结论仅能代表当前时期研究结果。建议湿地加强后期的保护与管理，可以依据季节变化和临港湿地的综合状况，不断优化污染物的处理工艺，保障系统的持续正常运行。