Study on constructed Wetland for Water Quality Improvement of Rainwater in Urban Area
SHEN Huan1，PAN Yong-bao2，HU Hong-ying1 Abstract：Pollutants removal for improving water quality of rainwater in urban area using subsurface constructed wetland was studied. The experimental results showed that the removal rates of TP, TN and turbidity were 20~50%, 30~55% and 80~95%, respectively, under the operating condition of that the hydraulic loading rate was 0.3~1.2 m/d. When the hydraulic loading rate increased to 1.5 m/d, the removal rates of TN decreased observably, but the removal rates of TP and turbidity sustained the same performance on the whole. TP and TN in the wetland effluent have linear relation to their area loading rates. Most TP, TN and turbidity of rainwater were removed in the initial 1/2 of the wetland bed. After being treated by the wetland, TP and TN of the rainwater in tank could meet the China national standards of Grade Ⅱ and Grade Ⅲ defined in Environmental quality standards for surface water (GB 3838－2002), respectively.
Key words： subsurface constructed wetland；rainwater；nitrogen；phosphorus 1 前言
为了解决水资源短缺的问题，雨水作为一种水资源愈来愈受到人们重视。城市雨水的收集、利用不仅可以解决城市小区部分用水问题（如：处理后的雨水可以用于城市景观水体、绿化、洗车、喷洒道路、消防以及冲厕）；而且可以起到蓄洪的作用，以减少暴雨时城市的排洪量。由于雨水在时空分布上具有很大的不均匀性,大量的雨水往往集中在为期较短的雨季,为能充分利用雨水资源,应采取措施将收集的雨水进行合理贮存。
在城市中，通常可将收集的雨水就近储存在大大小小的蓄水构筑物中，如：湖泊洼地、河道、池塘、人工景观水体等，以供使用。由于雨水中含有较高浓度的污染物（如COD、SS 、N、P等）,再加上大多数雨水储存构筑物内水体的循环流动性较差，因此水质恶化和由水体富营养化引起的水华现象普遍存在，在严重的情况下还会出现雨水恶臭现象，丧失可利用的价值，反而成为新的污染源。因此研究和开发雨水水质净化和保持技术成为了雨水资源化的重要课题。
人工湿地是近些年来研究和应用较多的一项水环境生态修复技术。由于人工湿地对污染物的去除负荷较小，因此往往需要较大的占地面积，这就限制了其在城市水环境污染修复方面的应用。为此本文提出采用新型人工湿地对城区收集雨水的水质进行净化和保持的新方法。首先将雨水储存构筑物周围的绿化带改建为潜力式人工湿地，即在绿化带地面以下建设潜流式人工湿地，在地表种植具有较强除污能力和良好景观效果的植物。将蓄水构筑物中的雨水定期泵入人工湿地进行处理，处理后水自流回蓄水构筑物。
这种技术的特点是：将湿地和绿化带合二为一，既能够充分发挥人工湿地处理效果好、运转维护方便、工程基建和运行费用低等的优点，又能够避免湿地占用城市内有限的土地资源。另外这种新型人工湿地可以完全根据周围建筑区环境的特点进行设计和建设，不仅不会改变建筑区的整体布局，还会带来良好的景观效果。
本文主要研究了潜力式人工湿地对城区收集雨水中污染物的去除效果和规律。 2 实验材料和方法
2.1实验系统
本研究为清华大学节能示范楼项目的一部分，实验系统建于示范楼旁边。该系统于2005年4月底建成，5月初开始正式运行。
实验系统由雨水储存水池和潜流式人工湿地组成，平面布置如图1所示。雨水来自实验系统旁边的一座建筑物的屋顶，屋顶铺设水泥砖保护层。屋面雨水经雨水管直接流入储存池。储存池中的雨水由水泵送至湿地进行处理，经过湿地处理后的水自流入储存池。  雨水储存池的面积为32.9m2，长×宽为9.4m×3.5m，有效深度为1.0m。人工湿地的面积为32.9m2，长×宽为9.4m×3.5m，平均深度为0.65m。湿地填料层厚度为0.5m，表层土层厚0.1m。
湿地种植的植物为景观效果较好的水柳、鸢尾和美人蕉，种植比例为：水柳55％、鸢尾40％和美人蕉5%，采取间种的方式种植植物，种植密度为8株/m2。 2.2实验用水
由于北京地区的降雨主要集中在7～9月，为了保证研究能够的进行，在5月和6月里，以自来水为水池的水源，进入雨期后（7月份后）再以雨水作为水池的水源。
由于降雨的时间、雨量、雨水中污染物的浓度等因素具有不确定性，不利于进行系统的研究。为此，本实验采取定期向水池中投加一定量N和P的方式来模拟实际雨水中N和P的浓度。相关资料报道的雨水中TP和TN的浓度范围分别为0.1～0.9mg/L和1～12mg/L [1~4]。因此将配水中TP和TN的浓度分别控制在0.5~1.2mg/L和10～15mg/L之间，在TN中NH4+-N和NO3--N各占50％。
2.3水质监测指标和方法
实验过程中，分析的指标包括TP、TN、NH4+-N、NO3--N、浊度和藻类等。其中TP、TN、NH4+-N和NO3--N等采用标准方法进行测定[5]；浊度采用数显浊度仪测定。藻类计数用计数框测定。 3实验结果与讨论
3.1人工湿地对雨水的净化效果
经过大约50天的启动运行，湿地对各项污染物的去除效果趋于稳定，且植物也长到了30~50cm，形成了一定的景观效果，湿地进入了成熟阶段。表1汇总了进入成熟阶段后人工湿地对雨水水质的净化效果。由表1可知：
（1）对COD的去除
蓄水池水（即进水）中的COD很低，在2.4～16.6mg/L之间，主要是因为实验用雨水直接从房顶收集，未流经路面，因此受到的污染较少；另外收集雨水的房顶铺设材料为水泥和砖，不会向外溶出的有机物。当水力负荷为0.6～1.2m/d时，出水COD为1.9～5.2mg/L之间，去除率为18.4～80％。当水力负荷为1.5m/d时，COD的去除率出现了负值。初步分析，这可能是由于水力负荷过大，水流将湿地中积累的有机物带出造成的。
（2）对TP的去除
当进水TP浓度为0.05～0.72mg/L时，出水TP在0.03～0.42mg/L之间，TP去除率在13～66％之间，大部分情况下去除率集中在20～50％之间，说明湿地对TP的去除效果较差。另外，当水力负荷由0.3m/d增加到1.5m/d时，湿地对TP的去除率并没有出现下降的现象，表明水力负荷对TP的去除效果没有明显的影响。
（3）对N的去除
本实验从NH4+-N、NO3--N和TN三个指标研究了人工湿地对雨水中N的去除效果和规律。由表1可知，湿地对NH4+-N的去除效果较差，进水NH4+-N浓度为0.04~7.36mg/L之间，出水浓度在0.03~6.12mg/L之间，且在大多情况下，出水NH4+-N浓度高于进水的浓度，NH4+-N去除率表现为负值。初步分析造成这一结果的原因为：湿地中截留一些的物质（如蓄水池中滋生的藻类等）腐烂以后会释放出NH4+-N，而释放出NH4+-N的数量大于硝化菌去除和植物吸收数量的总和，因此造成出水NH4+-N浓度大于进水NH4+-N浓度。
由表1可知，当进水NO3--N在0.65～32.7mg/L之间变化时，出水NO3--N为0.08～15.8mg/L，去除率为16.5～97.5％，表明湿地对NO3--N的去除效果波动较大。对照水力负荷可以发现，当水力负荷为0.3～0.9m/d时，NO3--N去除率维持在51.7～97.5％之间；当水力负荷由0.9m/d增加到1.5m/d时，NO3--N的去除率却从51.7～97.5％逐渐下降到16.5～44.2％，这表明湿地对NO3--N的去除效果与水力负荷有较大的关系。 表1 不同水力负荷条件下人工湿地对雨水的净化效果 水力负荷(m/d) | 0.3 | 0.6 | 0.9 | 1.2 | 1.5 | COD | 进水(mg/L) | / | 9.6-16.6 | 2.4~11.8 | 5.9~7.4 | 7.8~13 | 出水(mg/L) | / | 2.2~5.2 | 1.94~4.36 | 2.2~3.3 | 10.4~20.3 | 去除率(%) | / | 68.4~80 | 18.4~70 | 43.8~70 | -20~ -60 | TP | 进水(mg/L) | 0.24~0.43 | 0.15~0.72 | 0.05~0.25 | 0.24~0.54 | 0.05~0.12 | 出水(mg/L) | 0.17~0.24 | 0.13~0.42 | 0.03~0.13 | 0.12~0.31 | 0.03~0.09 | 去除率(%) | 29.1~44.2 | 13.3~42 | 29.4~59.5 | 13~66 | 25~40 | NH4+-N | 进水(mg/L) | 0.21~0.34 | 0.72~7.36 | 0.09~7.23 | 0.09~2.14 | 0.04~3.2 | 出水(mg/L) | 1.88~1.54 | 1.26~5.09 | 0.49~6.12 | 0.15~1.85 | 0.03~2.41 | 去除率(%) | -498.2~-357 | -341.2~41.7 | -410-20.5 | -66.6～14.8 | 5.9～42.9 | NO3--N | 进水(mg/L) | 0.65~3.26 | 1.42~19.35 | 1.8~32.7 | 0.77~12.7 | 0.89~17.76 | 出水(mg/L) | 0.08~0.29 | 0.28~3.10 | 0.24~15.8 | 0.11~8.15 | 0.7~13.6 | 去除率(%) | 65~97.5 | 73.6~96 | 51.7~88.1 | 62.4~75.7 | 16.5~44.2 | TN | 进水(mg/L) | 2.69~3.49 | 2.25~27.11 | 2.58~40.7 | 0.88~15.09 | 1.12~21.19 | 出水(mg/L) | 1.42~1.63 | 1.67~7.99 | 1.66~23.4 | 0.28~10.28 | 0.90~16.31 | 去除率(%) | 44.8~53.2 | 25.5~70.5 | 35.7~54 | 22~67.9 | 16~38.5 | 浊度 | 进水(NTU) | 24.4~33.1 | 10.1~15.5 | 10.2~12.8 | 6.3~13.7 | 4.2~10.1 | 出水(NTU) | 1.1~2.1 | 0.57~1.83 | 1.09~1.92 | 1.02~2.71 | 0.62~1.07 | 去除率(%) | 91.4~96.7 | 87.5~95.7 | 84.6~91.4 | 80.2~85.4 | 85.3~91.2 |
 湿地对TN的去除效果和规律与NO3--N的相似。当进水TN浓度在0.16～40.7mg/L之间变化，湿地出水TN在0.26～23.4mg/L之间，TN的去除率为16～70.5％。当水力负荷为0.3～1.2m/d时，TN去除率在25.5～70.5％之间，大部分情况下去除率集中在30~55％之间；当水力负荷由1.2m/d增加到1.5m/d时，NO3--N的去除率却从25.5～70.5%下降到16～38.5%。
（4）对浊度的去除
当进水浊度为4.2～33.1NTU时，出水浊度为0.57～2.71NTU，去除率为80.2～96.7％，这表明景观型湿地对浊度有很好的去除效果。另外，当水力负荷由0.3m/d增加到1.5m/d时，湿地对浊度的去除率基本上保持着同样的水平，这表明水力负荷对浊度的去除效果没有明显的影响。 3.2负荷关系
本研究比较了潜流式人工湿地TN和TP的面积负荷与各自出水浓度之间的关系，结果如图2所示。
由图2可知，湿地出水中TP和TN的浓度随相应面积负荷的增加而升高，通过回归分析发现它们之间分别存在如下线性关系：TP=2.03NTP-0.02，R2＝0.66；TN=0.5NTN+0.91，R2＝0.93。式中：NTP和NTN分别表示湿地承受的TP和TN的面积负荷，单位均为g/m2·d；TP和TN的单位为mg/L。TN和NTN之间的线性相关性好于TP和NTP之间的线性相关性。面积负荷与出水浓度之间的这种相关关系为人工湿地的设计提供了依据。例如：要使湿地出水中TP和TN的浓度分别小于0.2mg/L和1.5mg/L，则选取的相应湿地面积负荷就应该小于0.11gTP/m2·d和1.2gTN/m2·d。再跟据每天进入人工水体中TP和TN的数量以及所选取的面积负荷即可计算出需要多少面积的湿地。
3.3污染物在湿地沿程中的变化规律
本研究比较了TP、TN和浊度在湿地沿程中的变化情况，结果如图3所示。其中在考察TN的沿程变化规律时，湿地的水力负荷为0.6m/d；考察TP和浊度的沿程变化规律时，湿地的水力负荷为0.3m/d。
由图3可知，当TP、TN和浊度的进水浓度分别为0.57mg/L、11.3mg/L和33.5NTU时，出水分别为0.31mg/L、4.9mg/L和1.1NTU，去除率分别为45.6％、56.6％和96.7％。在湿地床的前二分之一段里，污染物的去除效果较为明显，TN、TP和浊度的去除量分别占整个系统去除量的85.3％、96.8％和96.6％。而在后二分之一段里，随着距离的增加污染物浓度仅略有降低。这一结果说明景观型湿地对TP、TN和浊度的去除主要是在前二分之一段的湿地床中完成的。
3.4蓄水池内水质的改善效果
为了考察人工湿地是否能长期将蓄水池内的水质保持在一个较好的水平，本部分研究安排了如下的对比试验：  试验一：停止湿地运行，在蓄水池内蓄集雨水并控制水位约为0.5m。蓄水池内雨水的水质情况如下：TP＝0.25mg/L、TN＝5.3mg/L、氨氮＝1.6mg/L、COD＝10.9 mg/L、浊度＝10.1NTU，水温大约在28～33℃。经过大约5天时间，蓄水池内爆发了严重的水华，水体呈墨绿色，较为混浊，且有轻微的腥味散出。水中藻类的数量为32.2×107个/L，浊度为 26.2NTU，透视深度不足0.2m。
试验二：将水力负荷控制在1.5m/d，采用景观型湿地对蓄水池中已经恶化的水进行处理。经过3天的处理，蓄水池中的藻类的数量减小到1.75×107个/L，浊度下降到7.4NTU，没有腥味散出，水体清澈见底。经过7天的处理后，TP＝0.08 mg/L、TN＝1.23mg/L，COD＝11.8 mg/L、浊度＝4.2 NTU。其中TP达到了地表水二类水体的水质要求，TN达到地表是三类水体的要求[6]。 实验结果表明，景观型湿地可以有效改善雨水蓄水池中的水质，并能够将雨水蓄集池中水的水质保持在较好的水平，可以满足多种雨水利用的需要。 4 结论
（1）当水力负荷在0.3～1.2m/d之间时，人工湿地对TP、TN和浊度的去除效果分别维持在20～50％、30～55％和80～95％之间；当水力负荷大于1.2m/d时，TN的去除效果明显下降，但TP和浊度的去除效果基本不变。
（2）人工湿地出水中TP和TN的浓度随相应面积负荷的增加而升高，它们之间存在线性关系。
（3）人工湿地对TP、TN和浊度的去除主要是在前二分之一段的湿地床中完成的。
（4）人工湿地可以有效改善雨水蓄水池中的水质，使其满足多种雨水利用的需要。 参考文献
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[6] 国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局.地表水环境质量标准GB 3838—2002. | 
