人工濕地用于三峽庫區(qū)小城鎮(zhèn)生活污水處理的研究*

王曉雪，李杰，鐘成華＊＊，陳龍，張文東

（1.重慶工商大學環(huán)境與生物工程學院，重慶400067;2.重慶市南岸區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 400060）

1 三峽庫區(qū)小城鎮(zhèn)生活污水處理現(xiàn)狀

三峽蓄水位達175 m后，三峽庫區(qū)將形成600多km長、蓄水量400億km3、水域面積1 000平km2的巨大水庫，水庫回水末端抵達重慶市主城區(qū)。長江水流速度由建庫前的2.66 m/s降至0.38 m/s，江水稀釋自凈能力將大為減弱，水環(huán)境容量降低。同時庫區(qū)水體營養(yǎng)物質負荷過大，特別是氮、磷物質，它們的濃度與國內已發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象水庫的氮、磷濃度相近，甚至偏高，水體可能富營養(yǎng)化［1］。在2003年9月到2004年3月，包括大寧河、朱衣河、神女溪、梅溪河等次級河流都觀測到部分河段藻類活動旺盛的跡象，營養(yǎng)狀態(tài)出現(xiàn)異常［2］。因此為確保庫區(qū)水質，對庫區(qū)進行水環(huán)境治理是當務之急。

隨著三峽庫區(qū)產業(yè)結構調整和污染治理，工業(yè)污染源與城市居民生活污水得到了很好的處理與控制，而小城鎮(zhèn)污水大部分處于無序排放狀態(tài)。據環(huán)保部門調查，沿江城鎮(zhèn)2004年有近5億t生活污水直接排江，含有化學需氧量、氨氮、總磷分別為 99 647、8 281.76、1 442.11 t，影響不容忽視［3］。

在這些中小城鎮(zhèn)修建傳統(tǒng)的二級污水處理廠是不切實際的。原因:（1）庫區(qū)多數小城鎮(zhèn)人口在3 000～5 000人左右，居住分散，且?guī)靺^(qū)多為山地，污水收集困難且昂貴;（2）庫區(qū)是全國八大片貧困區(qū)域之一，居民收入低，即使國家投資修建污水處理廠，地方也承擔不起昂貴的運行費用;（3）由于受處理工藝的限值，傳統(tǒng)污水處理廠氮、磷去除效果差，在庫區(qū)已運行的多數污水廠出水水質中氮、磷都超標［4］。因此，研究一種能夠降低投資成本和運行費用，除氮、磷能力強的污水處理技術十分必要，如人工濕地技術。

2 人工濕地簡介及應用現(xiàn)狀

人工濕地（constructed wetlands）:是為了人類利用和利益，通過模擬自然濕地，人為設計與建造的由飽和基質、挺水與沉水植被、動物和水體組成的復合體［5］。其構造可簡述為:在一定長寬比及底面坡降的淺池內或低洼地上、按一定的坡度填充選定的填料、在填料表層土壤中種植一些處理性能好、成活率高、生長周期長、根系發(fā)達、美觀且具有經濟價值的植物，構成一個濕地生態(tài)系統(tǒng)。人工濕地利用生態(tài)系統(tǒng)中基質-水生植物-微生物的物理、化學和生物的三重協(xié)同作用的綜合效應，包括沉淀、吸附、過濾、分解、固定、離子交換、絡合反應、硝化合反硝化作用、營養(yǎng)元素的攝取、生物代謝活動的轉化和細菌、真菌的異化作用等，來實現(xiàn)污水地高效凈化［4］。

人工濕地污水處理系統(tǒng)在20世紀70年代Kickuth提出“根區(qū)法”理論后開始在世界各地逐漸受到重視并被運用的。據調查統(tǒng)計，在歐洲共有6 000多座處理城市污水的人工濕地，北美有1 000多座處理城市污水和多種工業(yè)污水的濕地系統(tǒng)，南美、亞洲、大洋洲等也已建成大量人工濕地以處理城市及工業(yè)污水。

在我國，早在“七五”期間就進行了人工濕地的研究工作。近年來我國人工濕地處理污水的技術取得了迅速的發(fā)展，自我國第一個人工濕地污水處理工程——深圳白泥坑人工濕地建成以來，陸續(xù)建成了一大批污水處理人工濕地，如深圳龍崗沙田人工濕地、洪湖人工濕地、上海松江五厙科技農業(yè)示范區(qū)人工濕地、觀瀾湖高爾夫球會有限公司職工宿舍生活污水人工濕地、云南撫仙湖人工濕地、武漢二郎廟污水處理廠人工濕地、江蘇鹽城市的無水資源化海涂生態(tài)示范工程、沈陽滿堂河生態(tài)污水處理示范廠、山東東營濕地生態(tài)污水處理廠等。現(xiàn)在人工濕地不但用于生活污水的處理，還用于處理酸性礦山排水、農業(yè)廢水、城市暴雨、城鄉(xiāng)景觀水、石油產業(yè)廢水和富營養(yǎng)化水體多種類型的廢水。

應用實踐表明，人工濕地處理污水的效果是理想的，其基建投資和運行成本都比較低廉，分別是傳統(tǒng)二級處理的1/5-1/2和1/10-1/5，而且還可以產生一定的經濟效益。譬如深圳洪湖公園用凈化過的水澆花草，一年中可節(jié)省上百萬元［6］，北京市北郊昌平衛(wèi)星城的人工濕地系統(tǒng)運行費為1.18萬元/a，污水處理成本為0.065 元/m3，收獲蘆葦的產值為 0.93 萬元/a，具有低耗高效的優(yōu)點［7］。

3 人工濕地在三峽庫區(qū)應用的可行性分析

三峽庫區(qū)地處東經106°-111°50'，北緯29°16'-31°25'，東起湖北省宜昌，西迄重慶江津市，幅員面積5.79 km2。屬濕潤亞熱帶季風氣候，具有冬暖春早，夏熱伏旱，秋魚連綿，濕度大和云霧多、風力小等特征，年平均氣溫17～19℃，無霜期300～340 d，年平均降雨量1 140-1 200 mm，地區(qū)分布相對均勻。因此，三峽庫區(qū)具有發(fā)展人工濕地技術的優(yōu)越的氣候條件。

在重慶永川，建立了服務人口約2 000人，日處理生活污水200 t，采用污水預處理與人工濕地處理相結合的城鎮(zhèn)生活污水處理工藝。工程運行兩年期間，其對CODCr、BOD5、SS、NH3-N和TP的去除率分別為89.5%、92.5%、92.7%、83.7%和72.2%，出水優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A類標準［8］。同時通過比較，該工程用地略高于傳統(tǒng)污水處理廠，而單位污水投資略低于傳統(tǒng)污水處理廠，單位污水處理費用、單位污水耗電明顯低于傳統(tǒng)污水處理廠（表1）。因此，在三峽地區(qū)用人工濕地處理生活污水，經濟上與技術上都是可行的。

表1 重慶永川人工濕地系統(tǒng)與其它污水處理廠的經濟比較［7］

當然，人工濕地也有一些難以解決的問題，尤其是占地面積大過大（是一般二級污水處理廠占地的1～3倍）是其致命的缺陷。而受水庫淹沒影響和移民的二次占地，三峽庫區(qū)人均耕地面積從0.073 hm2下降到0.06～0.067 hm2，建造人工濕地似乎將會進一步加劇人地矛盾。但是，三峽庫區(qū)山地丘陵面積占97.3%，其中大于30度的坡地面積占一半以上，山高坡陡，加之由風化的花崗巖、紫色巖發(fā)育的土壤在庫區(qū)所占比重大，土壤抗侵蝕性差，保水保土力弱，造成庫區(qū)水土流失嚴重。根究三峽庫區(qū)地勢特點，近幾年，有人開始［9，10］提出一種針對山地和丘陵地帶城市污水的處理工藝——人工山地濕地污水處理系統(tǒng)（圖1）。系統(tǒng)采用厭氧消化池-三級波式流人工濕地-生物塘組合工藝處理養(yǎng)殖廢水和生活污水，出水可以達到再生水回用于農業(yè)用水農田灌溉標準或污水綜合排放國家二級標準。

圖1 人工山地濕地污水處理工藝流程

工藝的特點有:（1）各級單元塘之間具有較強的互助和互補性，使得其具有更高的氮、磷的去除率;（2）我國的《水土保持法》第14條規(guī)定:“禁止在25°以上陡坡地開墾種植農作物”，因此利用山地建造濕地不用占用耕地面積;（3）所建的鋼筋混凝土構筑物和濕地植物可以起到固坡和景觀的作用;（4）采用跌水曝氣的曝氣方式，無能耗，不需投加化學藥劑，處理成本低廉;（5）操作維護簡單，抗沖擊能力強，不產生污泥，無二次污染問題;（6）能夠提供一部分經濟植物和魚蝦等產品。

在三峽地區(qū)用人工濕地處理生活污水，不但經濟和技術上可行，更可以化弊為利，把人工濕地占地面積大的缺點轉化為固坡防沙的優(yōu)點。另外，人工濕地規(guī)?？纱罂尚。に囲`活多變。其污水處理范圍，大到一個城鎮(zhèn)，小到一條街道甚至單戶家庭。因此在居民居住集中的區(qū)域，可以修建大型的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，而在居民分散的村落，可以以戶為單位修建分散式人工濕地污水處理池。

要實現(xiàn)庫區(qū)人工濕地的大規(guī)模的應用，還需要社會各界的共同努力。如國土部門應該對人工濕地的建造予以規(guī)劃、管理與審批;財政部門應該對建造人工濕地的個人或企業(yè)給與一定的財政上的鼓勵;一些企業(yè)，如鋼鐵企業(yè)、電力企業(yè)應該免費或廉價的提供鋼渣、粉煤灰等濕地基質以降低人工濕地建造成本;環(huán)保部門應該給與一定的技術上的指導，研發(fā)一些適用的工藝及具有經濟價值的濕地植物，如瓜果蔬菜、草本植物與林木等，使人工濕地不但是污水處理系統(tǒng)，更是人們創(chuàng)收的“聚寶盆”。

4 結論

人工濕地技術處理生活污水具有基建投資少、運行成本低、管理維護簡單、去除營養(yǎng)物質效果好、實現(xiàn)污水資源化等優(yōu)點。而其應用于三峽庫區(qū)小城鎮(zhèn)生活污水處理還具不占用耕地、固坡防沙減少水土流失等獨特的生態(tài)作用。因此，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)在三峽庫區(qū)具有廣闊的發(fā)展前景。根據居住人口和生活污水量的不同修建不同規(guī)模的人工濕地。在居民居住集中的小城鎮(zhèn)，可以修建大型的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，而在居民分散的村落，可以修建分散式人工濕地污水處理池。我國是一個多山的國家，人工山地濕地不但在三峽庫區(qū)具有良好的運用價值，而且在全國山地丘陵地區(qū)都有參考價值。同時它還給予啟示，人工濕地技術的應用應該因地制宜，化弊為利。

［1］張晟，呂平毓.三峽庫區(qū)成庫初期營養(yǎng)鹽及浮游植物分布特性［J］.重慶環(huán)境科學，2005，27（1-2）:13-16

［2］李永健.庫區(qū)富營養(yǎng)化研究報告.重慶市環(huán)境科學研究院

［3］成水平.人工濕地廢水處理系統(tǒng)的生物學基礎研究進展［J］.湖泊科學，1996，8（3）:268-272

［4］長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)污染源（工業(yè)和生活污染）監(jiān)測重點站2004年度報告.重慶市環(huán)境監(jiān)測中心

［5］HAMMER D A.ConstrUctedwetlandsforwastewatertreatineni［J］.MunieiPal Industrialand Aghcultoral:LewisPublishersIne，1989（5）:20

［6］崔鳳山.關于運用人工濕地處理城市污水的思考［J］.環(huán)境導報，2003（3）:40

［7］楊敦，周琪.人工濕地脫氮技術的機理及應用［J］.中國給水排水，2003，19（1）:23-24

［8］黎莉莉，張晟.人工濕地在處理小城鎮(zhèn)生活污水中的應用［J］.2005，27（1-2）:54-56

［9］吳俊明，鐘成華.淺談復合式山地濕地污水處理系統(tǒng)在三峽庫區(qū)的應用［J］.安全與環(huán)境工程，2006（3）:76-78

［10］李杰，鐘成華，鄧春光.厭氧池+人工濕地+生物唐系統(tǒng)處理奶牛養(yǎng)殖場廢水［J］.中國給水排水，2008，24（9）:83-85