人工湿地在乌梁素海水环境治理中的应用研究

李生勇霍轶珍郭富强兰海今曾利彬胡振曾祥

(1.河套学院，内蒙古 巴彦淖尔 015000；2.内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010000；3.内蒙古自治区河套灌区灌溉排水工程技术研究中心，内蒙古 巴彦淖尔 015000；4.内蒙古巴彦淖尔市生态乌梁素海保护中心/巴彦淖尔市临河黄河国家湿地公园管理中心，内蒙古 巴彦淖尔 015000；5.内蒙古阿尔格生命科学有限公司，内蒙古 乌兰察布 011800；6.武汉湖振煜环境科技有限公司，湖北 武汉 430040；7.长江科学院，湖北 武汉 430010)

1 河套灌区农业面源污染是乌梁素海水环境变差的重要原因

乌梁素海是内蒙古境内的大型草原型浅水湖泊，具有蓄滞洪水、控制污染、改善环境、保护物种基因多样性等功能。同时，乌梁素海也是河套灌区灌排系统的重要组成部分，是河套农业灌区农田排水容泄区，河套灌区90%以上的排水都通过排水系统进入乌梁素海，经过净化作用后排入黄河，对黄河水质、水量有重要影响[1]。

河套灌区是我国重要的商品粮生产基地之一，农业生产中农民为追求高产稳产不断提高化肥和农药的使用量，而河套灌区作物田间灌水方法基本采用传统的地面灌水技术，化肥利用率比较低，这就造成大量氮、磷等营养元素随农田灌溉过程的径流进入农田排水沟，而各级排水沟中含有的相当一部分的污染物以及营养盐的水，基本没有经过净化处理就直接排入乌梁素海。这样的排水方式不仅造成氮、磷元素大量流失的经济损失，也使乌梁素海水体更加营养化，同时其盐化、矿化和沼泽化的程度不断加剧。这样做的后果不但会直接影响乌梁素海湖泊湿地整体功能发挥，同时会影响到该区域范围内的粮食安全和黄河中下游的供水安全。

因此，要改善乌梁素海水环境，就需要综合采用自然生态与人工强化的水环境治理技术，充分利用灌区现有的自然资源条件，选择常用的人工湿地、生态排水沟、生态浮床、生物坝等水环境治理技术对农田退水中的所富含的氮、磷等污染物进行利用、拦截、阻断和降解等技术进行深度处理与再净化，重新建立一个具备消纳农业面源污染物质的健康生态系统，最终实现整个乌梁素海流域农业生态环境的系统结构以及功能从本质上得到提高和优化。

2 表面流人工湿地净化在河套灌区的适用性

人工湿地、生态浮床、生物塘、生态排水沟等水环境治理技术基本都是遵循生态学原理，在保证水土、气土交换和生态结构不破坏前提下，在由水体-基质-微生物-植物组成的复合生态系统，通过物理、化学和生物共同作用来实现污染物拦截净化作用，各种技术各有适用条件，需要根据污染水体的特点、当地气候条件和工程条件加以选择。

人工湿地是模拟天然湿地建造而成的，由于人工湿地中水体滞留时间和储水量可人为控制，可以充分发挥植物、微生物、基质对污染物的吸收作用，在处理低浓度的氮、磷污染水体时具有较好的效果，是当前流域面源污染控制与治理的首选技术[2]。人工湿地有表面流人工湿地、水平潜流湿地、垂直流湿地以及移动湿地等多种类型，各种类型的人工湿地去除污染物的种类、去除效率、建设运行费用及适用条件都不同，在使用时需根据要处理的水体、所处地域气候条件、地形地貌等特点，对植物、基质和微生物加以选择。

其中，表面流人工湿地主要通过植物根系和基质的吸收、吸附以及生物膜的降解等过程有效处理污染物，植物生长能直接吸收水中的氮磷物质，并通过分泌氧气改善人工湿地的内部条件，进而提高脱氮效果。表面流湿地系统的处理效果比自然湿地要好，投资及运行费用低，建造、运行和维护都比较简单，但其水力负荷较小，需要使用面积相对较大才能取得对污染水体明显的净化效果[3]。

河套灌区地广人稀，农田排水沟旁侧常有大量弃用的低洼地，由于土壤盐碱化严重无法用作耕地，经过简单的地形改造后可形成表面流人工湿地，可以将各级排水沟中含有大量污染物、营养盐的农田排水引入旁侧表面流人工湿地进行沉淀净化，待农田排水水质得到有效提升后再通过排水沟进入乌梁素海。

人工湿地作为面源污染消减技术在工业污染物处理、深度脱氮、生态修复等方面已有大量的研究，然而针对农田退水污染物拦截消减净化效果的研究较少，尤其地处寒旱区的河套灌区关于人工湿地构建关键技术及对农田排水污染物净化效果鲜少有研究。

因此，本文提出对河套灌区农田旁侧低洼地进行工程改造以形成人工湿地沟塘系统，并对人工湿地构建的关键技术开展研究，以期通过人工湿地与排水沟相结合对农田退水中的氮、磷等污染物实现有效的拦截、阻断和降解，最大程度地削减进入乌梁素海的污染物总量[7]。

3 人工表面流湿地构建技术及农田排水净化效果影响因素分析

本研究中构建的人工表面流湿地是模拟天然湿地系统的结构和功能，为了避免人工湿地内注入的农田排水发生渗漏，降低地下水被污染的风险，在开展人工湿地净化农田排水环境效应研究时，增加围护防渗层，由于水生植物能够改变水流方向，缓冲水体的流速，有利于污水的均匀分布，还能促进微生物的生长繁衍，所以，更有助于强化湿地对污染物的净化。该湿地主要由围护结构及防渗层、人工基质、水生植物、微生物等部分构成。

3.1 人工湿地土方开挖及TPO防渗围护结构

为避免农田排水引入人工湿地后发生渗漏，降低地下水被污染的风险，人工表面流湿地需要依据农田排水沟旁低洼地的地形地貌进行土方的开挖整理，并采用TPO防水卷材作为围护结构防渗层。TPO防水卷材是以聚丙烯长丝无纺布为中间加强层与热塑性聚烯烃共聚物经压延复合而成。两膜一布(热塑性聚烯烃共聚物加聚丙烯长丝无纺布加热塑性聚烯烃共聚物)的独特复合结构，使得该产品对于人工湿地中植物根部系统的穿刺和破坏有着极强的抵御能力，其中，加强层聚丙烯长丝土工布是以道达尔聚丙烯树脂为主要原材料，采用独有的椭圆形针刺工艺，经纺丝、牵伸、铺网、等工艺流程制成。TPO防水卷材具有良好的力学性能、稳定的化学性能和良好的耐久性，其抗拉强度和抗撕裂、抗穿刺强度都很高，具有坚固的结构，能够保证人工湿地防渗层质量。而且TPO防水卷材的化学性能稳定，对酸性和碱性溶液也具有良好的耐久性，不会发生生物降解，特别适合在地处季节性冻土地区、土壤盐碱化严重的河套灌区使用，防渗围护结构保证了湿地底部及围护结构细部构造不会因为水体浸泡、冲刷而垮塌，形成人工湿地储水区域的封闭造型，如图1所示。

图1 人工湿地防渗围护结构

3.2 人工表面流湿地基质选择

基质作为人工湿地的重要组成部分，需要通过沉淀、过滤和吸附完成对污染物的去除、降解作用，还要为微生物和植物提供适合的生存环境，基质材料应该是环保绿色的，不包含有害物质，不同的基质会显著影响人工湿地去除污染物的效果[4]。

基质在人工湿地中是微生物附着的主要载体，因此作为基质的材料要求接触水体的比表面积要大，要具有较强的吸附能力，还需要经常保持通透性，避免堵塞，因此颗粒基质材料的级配也很重要。另外，为了保证基质具有持续去除污染物的能力，有时还需要对其进行更换，因此基质的选择应尽量就地取材，在河套灌区容易获得且价格便宜。

不同基质对污染物去除过程和效果也不同，如对磷的去除主要靠吸附作用，对氮的去除则需要通过促进基质表面的微生物生长，利用硝化和反硝化作用来间接达到脱氮的效果[2]，因此要利用基质之间的互补性，将除磷效果较好的基质和除氮效果较好的基质组合使用，基质之间产生的优势互补作用可以有效吸收农业生产过程中化肥、农药中的磷氮营养盐、重金属及其他有机污染物。

河套灌区可以应用于人工湿地的基质填料有煤渣、砂子、碎石等，综合考虑有效性、经济性、实用性，可考虑将土壤与其他基质组合使用，如采用生物质炭材料、膨润土、火山岩等材料对人工湿地的土壤底质进行配级，有效提升人工湿地净化农田排水的效果。

3.3 人工湿地植物及微生物选择

植物选择是人工湿地建设中的关键问题，对污染物去除效果起着至关重要的作用。植物可直接吸收农田排水中可利用的营养物质，同时还可以吸附重金属和有毒有害物质；植物可以为微生物吸附和生长提供较大的比表面积，为植物根区好氧微生物输送氧气；此外，植物能维持和增强基质的水力传输性能。袁东海等[5]通过研究发现，湿地中种植石菖蒲、灯芯草和蝴蝶花时TN平均去除率分别为77.7%、71.2%和66.4%，而未种植植物的湿地系统的TN去除率仅为55.8%，相比未种植植物的湿地系统，种植植物的湿地系统具有更高的脱氮、除磷效果。但是不同的植物所起到的脱氮、除磷效果不同，因此需要选择合适的湿地植物，尤其是在河套灌区特有的气候、水文土壤条件下，需要筛选能够存活且降解污染物效果良好的植物。

湿地植物选择应保证不对当地的生态环境构成威胁，具有生态安全性；湿地植物需要适应河套灌区的生长环境，对污水承受能力较强，而且抗冻、抗热、抗病虫害；湿地植物还需要具有很强的生命力和旺盛的生长势，根系发达才能具备良好的去污效果，同时还应具备美观和经济价值。

在河套灌区人工表面流湿地中选择植物种类时首先要考虑沉水植物、挺水植物、浮叶植物的合理搭配，优先考虑选择当地优势作物窄叶香蒲、三棱蒲、芦苇、水葱、鸢尾、狐尾藻、黑藻、金鱼藻等易于成活的水生植物[6]。

微生物也是人工湿地脱氮、除磷的重要因素，微生物通过新陈代谢来分解水中的氮、磷等营养物质，进行有机物的降解、氮化合物的脱氮作用和磷化合物的转化等。植物根部表面及附近区域都是好氧区域，在该区域好氧微生物将废水中大部分有机物质分解为水和二氧化碳，硝化细菌硝化有机氮化合物，在离根区较远的兼性区，反硝化细菌则将有机物降解，并将氮素分解成氮气释放至大气中；对于废水中的磷化合物，溶解性好的磷化合物直接被植物吸收，而溶解性差的磷化合物通过微生物溶解后才能被植物吸收利用。表面流人工湿地系统对有机物的去除主要是依赖植物、基质和微生物共同作用的结果，其中微生物是湿地系统污水净化的主要执行者，其分解的污染物通常占整个系统污染物去除的70%左右。因此，人工湿地构建中也应重视对河套灌区农田排水净化效果良好的微生物的选择研究。此外，在微生物选择方面，还需要考虑当地的气候条件，作为北方寒旱地区，到了秋季末期和整个冬季，微生物的活性大幅度降低，同时湿地内的水会结冰，降解效果大幅度下降，第2年春季气温回升缓慢，微生物恢复也需要很长时间。

4 结语

本文根据河套灌区地理特点、主要的农业面源污染产生、发生和发展的特征和乌梁素海水污染形成的成因，开展人工湿地沟塘系统在乌梁素海水环境治理中的应用研究，提出对河套灌区农田排水沟旁侧低洼地进行工程改造以形成人工湿地沟塘系统，并从物理、化学、生物等方面分析了人工湿地沟塘系统的作用机制及污染物去除影响因素，对人工湿地沟塘系统的地形重塑、物种配置和维护管理提出建议。

研究表明，人工湿地沟塘系统兼具农田排水污染物质的截留、植物和微生物的栖息、生态廊道等生态效益，可以有效削减农田排水排入乌梁素海的污染物总量，减轻乌梁素海富营养化程度，从根本上改善乌梁素海水环境。