强化人工湿地用于农业径流营养物去除

《Ecohydrology》：Intensification of Constructed Wetlands for Nutrient Removal From Agricultural Runoff

　　

受基于自然的解决方案的启发，人工湿地（Constructed Wetlands, CWs）日益被认为是有效的废水处理工具，其多样化的结构设计适用于不同情境。在本研究中，研究人员测试了两种类型的系统——一个全尺寸农场湿地（farm wetland）和三个中试规模系统（pilot scale systems）——在去除农业径流中氮（Nitrogen, N）和磷（Phosphorus, P）方面的性能，以及它们在强化条件（intensified conditions）和减少空间需求下维持处理效果的潜力。该农场湿地是意大利一个农业农场运行超过20年的全尺寸表面流人工湿地（surface flow wetland），研究人员对其进行了不同年份的监测。它显示出高水保留率（大多数监测年份>60%，某些年份高达100%）和高营养物保留效率，总氮（Total Nitrogen, TN）保留率通常超过65%，总磷（Total Phosphorus, TP）保留率超过46%。然而，该系统的规模可能成为其更广泛应用的一个障碍。为此，研究人员测试了三个中试系统，即表面流人工湿地（Surface Flow Constructed Wetland, SFCW）和水平潜流人工湿地（Horizontal Sub-surface Flow Constructed Wetland, HFCW）。HFCW采用了两种不同的填充物：一种填充砾石（HFCW-G），另一种在砾石中添加10%体积比（v/v）生物炭（biochar）（HFCW-B）。所有人工湿地均监测了1年，期间研究人员研究了施加的流量和营养物浓度作为影响其性能的变量。结果表明，总体而言，SFCW表现最佳，平均TN去除率高达78%，显著高于HFCW-B和HFCW-G（分别为33%和34%）。在TP去除方面，平均而言，HFCW系统表现出同样高的性能（43%），而SFCW系统为33%。氮去除的季节性波动反映了温度和季节对系统性能的影响，尤其是含有生物炭的系统（HFCW-B）。因此，本研究证实，在强化操作条件下（例如，增加水力负荷率（hydraulic loading rate, HLR）和营养物负荷率（nutrient loading rate, NLR）），可以达到相当或更高的面积营养物去除率（areal nutrient removal rates），表明农场湿地设计可以在保持处理效率的同时考虑减少占地面积。

**论文解读：强化人工湿地用于农业径流营养物去除的研究进展**

**研究背景与问题**
农业径流（agricultural runoff）中富含氮（N）和磷（P）等营养物，主要源于化肥施用，其排放易导致水体富营养化（eutrophication）和生态平衡失调。欧盟通过硝酸盐指令、水框架指令等政策推动农业径流治理。人工湿地（Constructed Wetlands, CWs）作为基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbSs），因其低维护成本、生态兼容性及附加效益（如洪水调节、生物多样性保护）而受到广泛关注。然而，传统农场湿地（farm wetland）存在两大瓶颈：一是占地面积大（通常需占集水区面积的1%–8%才能实现50%氮去除），导致农民因经济收益损失而抗拒采用；二是低温季节微生物活性下降、植物休眠及结冰显著抑制硝化（nitrification）、反硝化（denitrification）和吸附（adsorption）等关键过程，降低处理效率。因此，研究人员亟需探索如何通过设计优化（如引入活性基质、提高水力负荷）来缩小系统占地面积，同时维持甚至提升营养物去除性能，尤其在冬季条件下。

**研究内容与结论**
本研究以意大利Budrio实验农场（12.5 ha）为基地，系统评估了一个运行超过20年的全尺寸表面流人工湿地（面积约0.4 ha，由四个曲流组成）在2018–2023年间的营养物去除表现，并同时构建了三个中试规模系统（2 m2），包括表面流人工湿地（SFCW）、砾石填充水平潜流人工湿地（HFCW-G）以及添加10% v/v生物炭的水平潜流人工湿地（HFCW-B），以探究强化操作条件（如增加水力负荷率和营养物负荷率）下的处理潜力。研究结果表明：全尺寸系统在多数年份表现出高水保留率（>60%，部分年份达100%），总氮（TN）保留率通常超过65%，总磷（TP）保留率超过46%，即使在极端降雨事件中仍能维持较高效率；中试系统中，SFCW在氮去除方面表现最佳（平均TN去除率78%），显著优于HFCW-B（33%）和HFCW-G（34%），而HFCW系统在磷去除方面更具优势（平均TP去除率43% vs. SFCW的33%）；生物炭的添加未带来持续改善，仅在初期显示出一定效果，随后因吸附位点饱和及高温影响而迅速下降；季节性温度变化对氮去除影响显著，如HFCW-B在夏季高温时性能骤降，而SFCW在低温条件下性能亦显著减弱。最终，研究证实通过提高水力负荷和营养物负荷，中试系统的面积去除率（areal removal rate）可与全尺寸系统相当甚至更高，表明农场湿地可缩小占地面积而不牺牲处理效率。该论文发表在《Ecohydrology》。

**主要关键技术方法**
研究地点位于意大利Emilia-Romagna大区Budrio村附近的实验农场（12.5 ha），属亚热带湿润气候（年均温13.7°C，年均降雨771 mm）。全尺寸系统为0.4 ha表面流人工湿地（SFCW），最大水深0.4 m，由四个曲流构成，采用重力出水，监测2018–2023年水文与营养物浓度。中试系统包括三个2 m2单元：SFCW（砾石层30 cm，空隙体积1.38 m3）、HFCW-G（砾石填充至90 cm，空隙体积0.72 m3）和HFCW-B（砾石+10% v/v生物炭，空隙体积0.72 m3，生物炭来源为CharLine公司，干表面积292 m2 g?1，容重218 kg m?3）。所有系统种植芦苇（Phragmites australis）。中试系统使用合成工作液（由HNO?和H?PO?配制的营养液，模拟农业径流但提高浓度），通过滴灌系统（4个滴头，标称流量2 L h?1）供给，设定不同流量（64–320 L d?1）和营养物浓度（TN 12.1–28.7 mg L?1，TP 0.07–0.48 g m?2 d?1）进行五个季节试验。水样采集后使用Hach-Lange试剂盒和DR3900分光光度计分析TN、NO?-N、TP、PO?-P。统计方法采用ANOVA和Tukey HSD检验（p<0.05）。

**研究结果**
**3.1 农场湿地性能与行为**
通过对2018–2023年全尺寸系统的长期监测，研究人员发现其水保留率（water retention rate）在多数年份>60%（2020和2022年达100%），仅在极端降雨事件（如2018年事件，82天持续进水）时降至25%。营养物保留方面，TN保留率除2018年（40%）外均超过65%，TP保留率最低为46%（2018年因高流量导致TP为负去除），但在2023年事件中TP保留率达88%。系统在低负荷条件下（水力负荷率0.8–4.5 cm day?1，TN负荷率0.01–0.48 g m?2 day?1）运行稳定，但负荷率远低于文献报道的典型值，表明其具有进一步强化的潜力。

**3.2 中试系统性能**
**3.2.1 中试系统氮去除**
SFCW在氮去除方面显著优于HFCW系统，整体平均TN和NO?-N去除率分别为44%和44%，而HFCW-B和HFCW-G仅为18%和15%–16%。SFCW的高效性归因于更大的自由水体积增强植物吸收和分子混合，以及更长的水力停留时间（HRT，如早夏7.2天 vs. 3.8天）。温度下降时（如早秋8.2°C），SFCW去除率骤降至8%–18%，与HFCW系统无显著差异，表明低温抑制微生物活动和植物代谢。HFCW-B在启动期（9月–1月，平均10.7°C）表现优于HFCW-G，但进入夏初（25.7°C）后性能急剧下降（TN去除仅11%），可能与生物炭吸附位点饱和及高温导致吸附能力降低有关。

**3.2.2 中试系统磷去除**
HFCW系统在磷去除方面表现更佳，HFCW-B和HFCW-G平均TP去除率均为43%，显著高于SFCW的33%。磷酸盐（PO?-P）去除率类似（44% vs. 41% vs. 33%）。HFCW系统的高效性源于基质对磷的吸附和沉淀作用，以及厌氧-缺氧环境的促进。启动期HFCW-B的TP去除达78%，高于HFCW-G（68%），但夏季后逐渐下降，支持生物炭饱和假说。早秋低温（8.2°C）时，HFCW-B仍维持20%–22%的TP去除，而SFCW仅9%，表明生物炭可在低温下缓冲磷去除性能下降。

**3.3 生物炭对营养物去除的贡献**
通过对比HFCW-B和HFCW-G，研究人员发现生物炭对TN去除的贡献有限：启动期HFCW-B多去除22.4 g TN，但后期优势消失，早夏时甚至低于HFCW-G，表明氮去除主要依赖微生物过程。对TP去除，生物炭未带来持续改善，仅在启动期略有提升，随后因吸附位点饱和而归于平庸，早秋短暂回升后再次下降。整体而言，生物炭在10% v/v添加量下仅作为短期反应性组分，长期效果不足。

**3.4 农场湿地强化假说的验证**
对比全尺寸系统与中试系统的面积去除率，全尺寸系统TN面积保留率长期为0.01–0.43 g m?2 d?1，事件峰值0.76 g m?2 d?1；TP面积保留率<0.01 g m?2 d?1，事件峰值0.03 g m?2 d?1。而中试SFCW的TN面积去除率达0.38–0.97 g m?2 d?1，TP达0.04–0.11 g m?2 d?1，均高于或覆盖全尺寸系统范围。HFCW系统的TP面积去除率（0.03–0.13 g m?2 d?1）同样高于全尺寸系统。这证实了在更高负荷条件下，缩小占地面积可维持甚至提高面积去除率。但需注意，强化策略可能牺牲水保留能力（全尺寸系统的高水保留率对洪水调节重要），且中试系统运行时间短、水力复杂性低，其长期稳定性需进一步验证。

**总结与讨论**
讨论部分指出，本研究验证了人工湿地作为基于自然解决方案的有效性，全尺寸系统可长期稳定处理农业径流，但占地面积是推广障碍。通过中试系统的强化试验，表明提高水力负荷和营养物负荷可在较小面积上实现相当或更高的面积去除率，但需权衡水保留缓冲功能。生物炭作为活性基质仅在初期有效，其长期效益有限，更适合作为后处理单元。系统设计应考虑模块化配置和季节性温度影响，在低温时需采取保温或增强微生物活性措施。

**研究结论**
本研究表明，人工湿地作为基于自然的解决方案，在农业径流处理中具有全尺寸和中试规模下的有效性。长期监测显示，农场湿地在水和营养物保留方面性能稳定，适合管理面源污染和削减径流体积。中试实验提供了系统优化和强化潜力的新见解：在增加水力负荷和营养物负荷条件下，可获得相当或更高的面积去除率，表明通过适当设计策略可缩小农场湿地占地面积。然而，系统性能受季节变化（尤其是温度）强烈影响，氮去除过程更敏感。不同配置的比较显示，SFCW系统对氮去除更有效，而HFCW系统在磷去除方面表现更佳。生物炭的添加未随时间带来持续改善，仅在初期有积极效果，在测试条件下长期贡献有限。总体而言，人工湿地的强化是可行的，但需在增加负荷率与系统弹性之间谨慎平衡。水力优化和模块化配置等设计策略可支持强化条件下的性能，而活性介质的使用应评估其长期有效性。这些发现有助于开发更高效、可扩展的基于自然的农业水管理解决方案。