臺灣在使用人工濕地控制非點源污染和凈化水質(zhì)方面的研究

近來天然處理系統(tǒng)由于具有多重價值和功能，越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)處理系統(tǒng)，用于生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等各種廢水的處理。天然處理系統(tǒng)(如人工濕地)已被認為是一種符合環(huán)保要求的控制或處理廢水的生態(tài)或綠色科技(green－technology)。天然處理系統(tǒng)特別有益于小社區(qū)，或是那些支付不起價格昂貴的傳統(tǒng)二級處理設施的工廠。與目前通常使用的傳統(tǒng)廢水處理設施相比，天然處理系統(tǒng)建設和運營成本較低。天然處理系統(tǒng)中，人工濕地是全球范圍內(nèi)普遍采用的污水處理系統(tǒng)之一。依據(jù)水流設計模式，人工濕地分為水面式人工濕地(FWS)與水流側(cè)向穿過底層填料(如沙子、礫石)的潛流式人工濕地(SFS)。FWS一般包括水池或渠道，它們具有用于防滲的水下隔水層(如粘土、不透水襯砌)，土壤或者其他能支持挺水植被的合適介質(zhì)，以及流經(jīng)各濕地單元的相當淺的水體。

人工濕地已用來處理城市徑流及市政、工業(yè)、農(nóng)業(yè)污水和礦山排出的酸性污水等。高教授等人(2001年)建造了一個試點規(guī)模的濕地系統(tǒng)(長40m，寬30m，深1 m)，用于控制非點源污染及進一步處理二級污水處理廠的生活尾水，濕地內(nèi)種有漂浮植物和挺水植物。調(diào)查結(jié)果表明，通過濕地系統(tǒng)去除了暴雨徑流中80%以上的氨氮(NH3－N)、81%的化學需氧量(COD)和60%的懸浮固體(SS)。有學者于2009年構(gòu)建了一個試點規(guī)模的SFS(長8.4 m，寬5.4 m，深0.45 m)，用以處理污物處理廠的尾水，該濕地種植了蘆葦和花葉蘆竹，水力負荷(HLR)設計為130mm/d。研究結(jié)果顯示，SFS系統(tǒng)能去除40%以上的總磷(TP)、58.1%的總氮(TN)和61%的COD。陳教授等人(2006年)利用改進的FWS，進一步處理經(jīng)預處理過的養(yǎng)豬污水。研究中他們種植了漂浮植物，并以小顆粒石礫作底層填料。研究結(jié)果顯示，養(yǎng)豬污水通過常規(guī)的三級污水處理方案再接改進的FWS可以進一步處理常規(guī)污水處理系統(tǒng)的排放水，以使養(yǎng)豬污水達到排放標準。哈林頓(Harringgon)等學者(2009年)應用綜合人工濕地處理家畜污水。研究結(jié)果表明，長達8 a的研究期間，濕地去除了大約95%的TP和可溶磷以及98%的NH3－N。艾爾－卡蒂伯(EL－Khateeb)等學者(2009年)使用了一個處理訓練系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個升流式厭氧污泥覆蓋層反應器和處理廢水的FWS與 SFS組成。監(jiān)測結(jié)果顯示，濕地出水中COD、BOD、SS、總大腸菌群(TC)、糞便大腸菌群、糞便鏈球菌、銅綠假單胞菌、沙門氏菌、總葡萄球菌及李斯特氏桿菌的濃度顯著減少。

高屏溪流域是臺灣面積最大和利用程度最高的流域。高屏溪長171 km，流域面積超過3625 km2，平均流量239 m3/s。臺灣環(huán)境保護局(TEPA)最近的水質(zhì)分析表明，高屏溪已受到污染。一些主要水質(zhì)指標(如BOD、SS、NH3－N、TP和大腸埃希氏菌)濃度大大超過了高屏溪的水質(zhì)標準。由于畜牧業(yè)糞便處置不高、工業(yè)廢水和生活污水的排放，長期以來，高屏溪的污染物含量(如BOD、NH3－N和TP)一直居高不下，為此，合理利用河水作為飲用水源，在技術(shù)和管理方面已面臨一個新的挑戰(zhàn)。

自2000年以來，因為天然處理系統(tǒng)運行簡單，成本效率低，將其(如人工濕地)作為改善或凈化河流水質(zhì)和處理廢水的替代方案成為了一個很普及的問題。研究中，選擇位于高屏溪流域下游的大樹鎮(zhèn)作為專題研究場地。為了改善大樹鎮(zhèn)當?shù)嘏潘到y(tǒng)和周圍環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)，2001年，TEPA、臺灣水資源局、高雄縣政府聯(lián)合倡議提出了修建120hm2的多功能人工濕地計劃。建成的人工濕地靠近高雄縣大樹鎮(zhèn)著名的老高屏溪鐵橋，因此取名為高屏溪鐵橋人工濕地。其進水主要來自當?shù)氐呐潘到y(tǒng)，包括未處理的生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水，以及一個造紙廠二級廢水處理廠的尾水。該濕地于2004年開始運行，據(jù)說其功能已相當健全，同時擴展了野生生物棲息地。另外，在設計和種植該人工濕地時，除了考慮其廢水處理功能外，還考慮了其旅游觀光功能。其目的主要是評估人工濕地系統(tǒng)在以下幾個方面的效率:①處理造紙廠常規(guī)二級污水處理廠的尾水;②處理未經(jīng)處理的包含生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水的下水道污水。

1 材料與方法

圖1為高屏溪鐵橋人工濕地示意圖。該濕地有2個不同系統(tǒng)，分別為系統(tǒng)A和系統(tǒng)B。系統(tǒng)A的主要進水是經(jīng)過預處理的造紙廠污水;系統(tǒng)B的主要進水是下水道系統(tǒng)的排水，包括生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)污水。系統(tǒng)A包含6個(A1～A6)水池，系統(tǒng)B包含7個(B1～B7)水池。系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的設計總水面面積分別為171066 m2和136516 m2，平均水深分別為0.4 m和0.5 m。每個濕地系統(tǒng)的第一個水池(A1或B1)用于沉淀SS。A2～A5水池和B2～B6水池用于水處理。兩個系統(tǒng)的最后一個水池(A6和B7)用作生態(tài)保護和野生動物棲息地。濕地水池內(nèi)種植的濕地植物物種超過20種。收集并分析了2007～2009年間每個季度的A1和B1水池進水口的水樣，以及 A1、A2、A3、A6、B1、B3、B4 和 B7水池出水口的水樣，以評估濕地系統(tǒng)改善水質(zhì)的效率。采樣位置見圖2。

在每次采樣時，都對所有水質(zhì)監(jiān)測站的流量進行了觀測。采用NIEA開發(fā)的方法進行流量測量。采樣用抓取方法。水樣在裝入合適的水樣瓶前，放在冰上;在分析前要冷藏樣品。對水樣進行SS、TP、TN、酸堿度(pH)、NH3－N、BOD、電導率(EC)、綠葉素A(Chl－a)、TC和DO濃度的分析。用離子色譜法分析無機營養(yǎng)物和陰離子，用伯金艾爾莫等離子體第2代電感耦合等離子體－氬發(fā)射光譜儀按標準方法進行陽離子分析。采樣現(xiàn)場進行DO、氧化還原電位(Eh)、pH、EC和水溫的監(jiān)測。用1003 pH/Eh多參數(shù)水質(zhì)分析儀測量pH和Eh，用奧利安(840型)DO測量儀測量DO和水溫，用SC－120便攜式電導儀測量EC。水質(zhì)分析按標準進行。

運用以下的一階衰減模型來確定該人工濕地系統(tǒng)的一階衰減速率:

式中Ce為出水平均濃度;C0為進水平均濃度;k為取決于溫度的衰減率常數(shù)，d－1;t為水力停留時間(HRT)，d。

圖1 系統(tǒng)A和系統(tǒng)B分布示意

圖2 系統(tǒng)A和系統(tǒng)B采樣點位置示意

用上述主要水質(zhì)參數(shù)的進出水平均濃度確定濕地處理效率。水力負荷速率(HLR或q，單位m/d)、HRT、污染物負荷率(PLR，單位gm2/d)、去除速率(RR，單位gm2/d)和去除率(RE，單位%)用以下方程確定:

式中Q為平均流量，m3/d;A為濕地面積，m2;V為濕地體積，m3。

為了評估人工濕地除污性能，還進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果用均值±標準偏差來描述。應用統(tǒng)計盒須圖(示意圖)來評估主要污染物濃度測量值的分布。這些盒內(nèi)中間分隔線的上下部分分別封裝進水和出水濃度數(shù)據(jù)的四分位數(shù)。針須(盒子上下擴大)表示最大值和最小值，分別在該盒上下部分四分位數(shù)的1.5倍之內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

2007～2009年間9次監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計分析表明，水池A1的平均進水流量、系統(tǒng)A的HLR及HRT分別為13454 m3/d、0.08 m/d 和5.5 d。水池B1 的平均進水流量、系統(tǒng)B的HLR及HRT分別為5309 m3/d、0.04 m/d和13.3 d。表1 給出了系統(tǒng) A 和系統(tǒng) B 的進出水中污染物 SS、BOD、TN、TP、TC、RE 的濃度。圖3采用統(tǒng)計盒須圖，說明系統(tǒng)A和系統(tǒng)B出水中污染物SS、BOD、TN、TP、TC的濃度分布。結(jié)果表明，5種水質(zhì)指標的RE存在顯著差異。TC進水濃度下降最多，濕地系統(tǒng)對處理SS沒有效果。系統(tǒng)A和系統(tǒng)B中BOD和TC的去除率分別超過48%和96%。這表明，微生物的存在和物理/化學過程可能有助于去除污染物，因為濕地系統(tǒng)為微生物的生長創(chuàng)造了適宜的環(huán)境，總氮去除比較明顯(系統(tǒng)A為52%，系統(tǒng)B為61%)。而TP的去除率不一致，可能是由于沉積物中TP的釋放造成的?？赏ㄟ^植物吸收和沉淀來去除TP，當HRT為13.3 d時，系統(tǒng)B中TP的去除率較高。系統(tǒng)A中HRT為5.5 d，TP去除率較低(40%)，這與其他研究結(jié)果一致。結(jié)果表明，如果進行適當?shù)墓芾砗途S護，人工濕地系統(tǒng)便能去除水體中的營養(yǎng)物;兩個系統(tǒng)的SS濃度，出水較進水均有所增加。SS濃度增加，相應的葉綠素含量較高。這表明，濕地內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度較高，藻類大量生長，富營養(yǎng)化嚴重。

表1 主要水質(zhì)指標的平均進出水濃度

圖3 用統(tǒng)計盒須圖表示的系統(tǒng)A和系統(tǒng)B出水中污染物 SS、BOD、TN、TP、TC 濃度分布

濕地水底DO(＜0.5 mg/L)濃度較低，Eh(＜－50mV)值較小，這表明水池底部發(fā)生了好氧生物降解作用，從而導致DO和Eh值降低。與水池底部相比，水面的DO濃度和Eh值相對較高，這說明水面自然復氧和藻類作用導致濕地的DO濃度和Eh值發(fā)生顯著變化。濕地水池上層發(fā)生好氧生物降解過程，而下層出現(xiàn)低氧情況，這兩種情況表明，在水池內(nèi)同時進行了硝化和去硝化過程。這將導致NH3－N和NO3－N濃度顯著下降。由于進水中觀測到BOD濃度較高，該研究中碳源不是去硝化過程的限制因素。結(jié)果表明，硝化和反硝化過程是氮去除的主要機制。由于水樣中pH值小于7.8，因此氨的揮發(fā)作用可忽略不計。圖4顯示了系統(tǒng)A和系統(tǒng)B中，PLR與RR以及出水中BOD、TN、TP濃度間的變化。結(jié)果表明，BOD的PLR與RR及出水濃度間存在較高的相關性。這表明進水中BOD負荷高，相應去除率也高，同時出水濃度也較高。數(shù)據(jù)分析獲得的線性回歸方程可用于評估該濕地系統(tǒng)對BOD的去除效果。

圖4 系統(tǒng)A和系統(tǒng)B中PLR與RR以及出水中BOD、TN、TP濃度間的變化

圖4還表明，總氮TN的PLR與RR及出水濃度間無顯著相關性。TP的觀測結(jié)果也與TN類似。這可能是由于植物吸收和吸附過程的作用，該作用是濕地系統(tǒng)除去營養(yǎng)物的主要機制。如沒有及時收割植物和清除沉積物，被去除的營養(yǎng)物將返回到濕地系統(tǒng)，這將導致成熟濕地營養(yǎng)物濃度增加。

在這項研究中，根據(jù)系統(tǒng)A和系統(tǒng)B中主要水質(zhì)指標的衰減結(jié)果，應用一階衰減模型確定衰減率常數(shù)(k)。分析結(jié)果表明，TN的 k值(0.15/d和0.09/d)和 TP 的 k 值(0.10/d和0.09/d)與文獻中所報道的比較接近，而 BOD的 k值(0.21/d和0.08/d)比卡拉薩納西斯(Karathanasis)等學者(2004年)的研究成果低，這可能是由于進水中BOD濃度較低。若BOD進水濃度較低，衰減率相對便會較低。如濕地系統(tǒng)兼有野生動物棲息地和觀光旅游活動功能，則也會導致BOD濃度增加。此外，臺灣南部位于亞熱帶地區(qū)，調(diào)查期間的平均氣溫約28.5℃，遠高于北美和歐洲國家的平均溫度。由于溫度高有利于生物降解，在這一研究區(qū)域，人工濕地更適合處理廢水。因此，在夏季監(jiān)測到較高濃度的BOD和營養(yǎng)物質(zhì)去除率。

對該濕地系統(tǒng)的出水再用于灌溉或清洗的潛力進行了評估。由地方政府和TEPA制定的回收水再用于灌溉的水質(zhì)標準如下:COD＜30mg/L，BOD＜30mg/L，EC ＜2.5 mmho/cm，SS＜30mg/L，TC ＜200CFU/100mL。分析結(jié)果表明，該濕地系統(tǒng)的出水不能滿足污水再利用的部分標準。因此，為了改善出水水質(zhì)，滿足再利用標準，可通過降低濕地進水污染物濃度、適當?shù)臐竦鼐S護措施及后控制系統(tǒng)來實現(xiàn)?？梢圆扇∫韵麓胧﹣硖岣呶廴疚锶コ?①經(jīng)常進行植物收割，以維持植被對營養(yǎng)和有機物的高效代謝吸收;②在廢水進入人工濕地系統(tǒng)之前，對營養(yǎng)物進行適當?shù)念A處理。

3 結(jié)語

高屏溪鐵橋人工濕地符合廢水凈化要求，同時又為民眾和野生動物創(chuàng)建了良好的環(huán)境。研究結(jié)果顯示，該濕地污染物總?cè)コ剩琓C為96%，BOD為48%，營養(yǎng)物(如TN和TP)超過40%。BOD、TN和TP的一階衰減率計算值大于0.08/d。調(diào)查結(jié)果表明，藻類生長導致SS濃度增加。現(xiàn)場試驗結(jié)果還表明，濕地漂浮植物的生長是一種控制藻類生長和水體富營養(yǎng)化的有效的環(huán)保方法。由于該濕地進水一部分來自排水溝，排水溝的水包含生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水，應對這些廢水進行適當?shù)念A處理，以便降低進水中有機物和營養(yǎng)物濃度。另外還需要應用適當?shù)暮筇幚硌b置，以改善出水水質(zhì)，使其達到廢水再利用標準。研究結(jié)果表明，人工濕地方案具有開發(fā)潛力，可開發(fā)成為實際應用中符合環(huán)保要求的改善河道水質(zhì)和廢水處理的替代方案。