人工濕地凈化低污染水研究概況

王話翔

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335）

1 引言

人工濕地（Constructed Wetland，CW）是由人工建造、運維，通過填料（含土壤）、植物、微生物“模擬”的自然濕地，并在物理、化學(xué)、生物的協(xié)同作用下凈化水體的處理系統(tǒng)［1］。近年來，人工濕地在水污染治理中的作用越來越顯著，被廣泛應(yīng)用在河道治理、污水廠尾水、工業(yè)廢水、農(nóng)村生活污水處理等方面。我國最早的人工濕地技術(shù)規(guī)范為2009 年頒布的RISNTG 006—2009《人工濕地污水處理技術(shù)導(dǎo)則》，隨后在2010 年與2017 年分別頒布了HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》、CJJ/T 54—2017《污水自然處理工程技術(shù)規(guī)程》，同時全國各地也頒布了一些人工濕地處理技術(shù)規(guī)范，涉及城鎮(zhèn)污水、污水廠尾水、湖泊、農(nóng)村污水等水體的處理。

為推進美麗中國建設(shè)，完成“十四五”期間由水環(huán)境質(zhì)量管理到水生態(tài)健康管理的目標(biāo)，實現(xiàn)污水的資源化利用，生態(tài)環(huán)境部于2021 年4 月印發(fā)了《人工濕地水質(zhì)凈化技術(shù)指南》（以下簡稱《指南》），聚焦處理低污染水體的人工濕地凈化技術(shù)的設(shè)計、施工驗收、運維，旨在促進再生水的循環(huán)利用，解決人工濕地設(shè)計、建設(shè)等環(huán)節(jié)統(tǒng)一性較差等問題?！吨改稀酚“l(fā)前，全國各地有許多試點將人工濕地建設(shè)在河流干支交匯處、污水廠尾水排放口下游等地。

2 低污染水的概念與特征

2.1 低污染水的概念

低污染水在《指南》中被定義為污水廠尾水、微污染河水（污染物濃度劣于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水、好于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級限值）、農(nóng)田退水等水體。同時城鎮(zhèn)地表徑流、農(nóng)業(yè)徑流污水（含農(nóng)村分散污水）等性質(zhì)相似的水體也被稱為低污染水［2］。低污染水相較于污染較為嚴(yán)重的水危害性低，但在水體由治理到提升的轉(zhuǎn)變過程中具有重要意義。低污染水處理的興起最早可追溯到20 世紀(jì)20 年代，最初為解決淡水資源的匱乏，以色列形成了具有特色的低污染水處理技術(shù)，如臭氧氧化技術(shù)、生物濾池技術(shù)，日本于20 世紀(jì)60 年代開始著手尾水的深度處理，并開發(fā)出超臨界水氧化、膜生物反應(yīng)器與膜分離等技術(shù)，新型的膜技術(shù)如納濾膜、超濾膜后期也被大量應(yīng)用于低污染水的處理［3］。我國最早是在星云湖、撫仙湖等湖泊水污染治理中形成低污染水的概念，在之后的發(fā)展中才逐步擴展到河流水體的治理中［4］。我國區(qū)域低污染水的水量大，采用膜技術(shù)等運行管理成本較高、過程比較繁瑣，不符合現(xiàn)階段發(fā)展要求，在尋求成本低、便于管理的技術(shù)過程中，生態(tài)凈化技術(shù)逐漸進入人們的視野，并形成以人工濕地為代表的凈化技術(shù)在國內(nèi)推廣應(yīng)用。

2.2 低污染水的特征

2.2.1 水體總量高，來源廣

隨著社會發(fā)展與居民生活質(zhì)量的提高，我國在工業(yè)企業(yè)以及居民生活等方面用水量激增，見圖1。根據(jù)住建部公布的數(shù)據(jù)，進入21 世紀(jì)以后，我國的污水年排放量由2000 年的331.80 億m3增長到2019 年的554.65 億m3，增長了67.17%。為滿足發(fā)展用水與生態(tài)環(huán)境之間的平衡，污水的處理能力也日漸提高，2019 年污水處理量已經(jīng)達到了525.85 億m3，處理率由2000 年的僅34.25%提升到2019 年的96.81%，大幅減少了污水直排進入水環(huán)境中。雖然污水處理率有了較大的提升，但是大量的污水廠處理后的尾水、農(nóng)業(yè)區(qū)域散排污水以及城鎮(zhèn)化進程中雨水地表徑流等，所攜帶的污染負荷較高，受區(qū)域、溫度、降水等影響污染程度隨機性也較大，仍對環(huán)境存在較大的威脅［5］。

圖1 我國近年來污水年排放量與處理率

2.2.2 碳氮比較低，可生化性較差

目前低污染水中碳氮比較低，一方面主要是由于含氮物質(zhì)的大量使用，另一方面是在污水生物脫氮的過程中大量消耗碳源［5］，經(jīng)過污水廠處理后的尾水含有較多的硝化細菌，反硝化反應(yīng)受到抑制，導(dǎo)致含氮物質(zhì)去除能力低于碳源的去除。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中氮磷物質(zhì)較多，《第二次全國污染源普查公報》數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)業(yè)中總氮的排放量為141.49 萬t，占總排放量的46.5%，其中種植業(yè)流失達到了51%，農(nóng)業(yè)中總磷排放21.2 萬t，占總排放量的67.2%［6］。衡量水體的可生化性好壞一般用BOD5/CODCr（B/C）表示，當(dāng)B/C 值大于0.3 時說明可生化性較好。我國城鎮(zhèn)污水的可生化性呈現(xiàn)南高北低、東高西低的特點，雨季的污水可生化性差于非雨季，初期雨水等徑流污染的濃度較高、可生化性較差，而污水經(jīng)過生化處理后的尾水可生化性也出現(xiàn)明顯降低，B/C 平均值低于0.3［7-8］。

2.2.3 集中性較弱，存在突發(fā)性

與傳統(tǒng)的污水集中處理不同，低污染水存在一定的分散性，徑流污染突發(fā)性較強。河流低污染治理區(qū)別于污水的集中處理，一般情況下，河網(wǎng)水系水質(zhì)會受上游及支流污染、溫度、降水、河道連通性及流動性等因素影響［9］。河流水質(zhì)監(jiān)測不能實時、全面反映實際水體污染情況，汛期降水可能會造成突發(fā)性城市地表徑流及農(nóng)業(yè)徑流污染，表1 為在各地區(qū)監(jiān)測所得到的部分相關(guān)數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)徑流帶來的突發(fā)性污染劣于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，形成較為分散的面源污染。

表1 不同區(qū)域徑流污染物濃度 mg/L

3 人工濕地在低污染水凈化中的應(yīng)用

2021 年印發(fā)的《指南》為了達到因地制宜的目的，將低污染水的人工濕地凈化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按地區(qū)氣候分為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)?！吨改稀穼θ斯竦氐墓に嚦杀尽⒉煌廴救コ芰?、占地面積等方面做出了較為詳細的方案比選，對不同分區(qū)的植物種類做出推薦，并根據(jù)分區(qū)明確了表面流人工濕地（SFCW）、水平潛流人工濕地（HFCW）、垂直流人工濕地（VFCW）的水力停留時間，污染物削減負荷等主要設(shè)計參數(shù)。在《指南》印發(fā)前，我國已在多地進行了低污染水的人工濕地凈化技術(shù)試驗，以下從常見的低污染水類型淺談人工濕地在其中的應(yīng)用。

3.1 人工濕地在污水廠尾水處理中的應(yīng)用

在低污染水中，污水廠尾水排放相對集中，對污水廠尾水的深度凈化可減少入河（湖）污染的壓力，回補地表水［15］，并且可以實現(xiàn)污水的資源化利用。許多污水廠會在尾水入河（湖）前通過濕地工藝凈化水質(zhì)，如湖北宜昌某園區(qū)利用低洼地勢建立礫石床＋表流濕地＋凈化塘的工藝,處理太平溪污水廠的尾水以及附近生活區(qū)雨水，初步監(jiān)測水質(zhì)有明顯提升。浙江近年來大力推廣“一廠一濕地”的污水廠尾水處理模式，聚焦氮、磷污染物的去除。廣西某污水廠利用VFCW＋HFCW＋氧化塘的工藝處理尾水，復(fù)合濕地對COD，TN，TP 的去除率分別達到了58.28%，49.90%，51.86%［16］。王楠等［17］采用HFCW＋SFCW 工藝處理污水廠尾水，COD，TN，TP 的去除率分別達到了35.7%，52.8%，53.6%。北京近郊某多介質(zhì)人工濕地采用不同粒徑與鋪設(shè)厚度的填料層設(shè)計，尾水中COD，TN，TP 的去除率分別達到了47.3%，58.5%，57. 1%，其中COD 與TN 處理后達到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，TP 達到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，同時處理后的水作為景觀用水回用補充到周圍園區(qū)，實現(xiàn)了低污染水的資源化利用［18］。

3.2 人工濕地在河湖治理中的應(yīng)用

河湖的污染來源相對較為復(fù)雜，除所承接的尾水、徑流水體等污染源，還存在一些內(nèi)源污染、上游或支流污染等，異位人工濕地河道修復(fù)技術(shù)因其運行費用低、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點被逐漸應(yīng)用到河道水體的治理中。如安徽六安市蘇大堰河道工程（在建）便采用了人工濕地＋凈化塘的工藝，旨在處理上游為污水廠尾水排口的蘇大堰河道，從而深度凈化水質(zhì)。河南某淮河流域部分河道水體采用了曝氣＋SFCW＋VFCW＋穩(wěn)定塘的工藝異位處理，測得該工藝對COD，NH3－N，TP 的去除率分別達到了39.52%，55.53%，35.79%，年平均水質(zhì)指標(biāo)濃度可達到Ⅳ類水［19］。山西晉城巴公河采用SFCW＋VFCW 工藝處理河道水體，試運行期間COD，NH3－N，TP 去除率達到了60%～70%，大部分指標(biāo)達到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，運用低成本工藝實現(xiàn)了水體的深度凈化［20］。另外，在山東海子河、遼寧條子河等區(qū)域均有人工濕地凈化河道的案例［21］。利用人工濕地解決低污染河道問題是黑臭水體階段性治理后深度凈化水體的有效方式，對可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)保護有著重要意義。

3.3 人工濕地在徑流污染控制中的應(yīng)用

徑流污染一般分為城鎮(zhèn)地表徑流污染以及農(nóng)業(yè)徑流污染，而農(nóng)業(yè)徑流污染又包含種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活等污染，主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中流失的農(nóng)藥、化肥以及無組織污染源在降水或灌溉過程中的徑流污染［22］。國外在分散污水的人工濕地技術(shù)凈化上比較成熟，21 世紀(jì)初美國、法國、英國等國便形成了成熟的人工濕地技術(shù)與管理模式，用于處理農(nóng)村生產(chǎn)生活污水［23-24］，同時英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)也將人工濕地作為住宅、公路等區(qū)域徑流雨水的深度凈化，澳大利亞則以人工濕地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨水調(diào)蓄池凈化合流排水系統(tǒng)的溢流污染［25］。我國也有較多的利用人工濕地處理徑流低污染水的案例，楊敦等［26］利用潛流濕地處理暴雨徑流，COD，TN，TP 去除率分別達到了87.13%，97.33%，77.29%；董怡華等［27］通過構(gòu)建植物塘－人工濕地復(fù)合系統(tǒng)，成功去除 農(nóng) 田 退 水 中96.05%～98.06%的COD、98.07%～98.88%的NH3－N、95.14%～96.68%的TP；Zheng 等［28］在海綿城市建設(shè)中設(shè)計了多種雨水人工濕地，對比發(fā)現(xiàn)蘆葦＋沸石濕地對COD，TN 去除率分別達到86.54%，89.46%。

4 總結(jié)與展望

低污染水因其水量大、碳氮比低、可生化性差、突發(fā)性強等特點，在水污染治理中逐漸被重視，各地相繼探索出不同類型的人工濕地深度凈化技術(shù)，并被應(yīng)用在污水廠尾水、河湖水體、徑流污染等低污染水的治理中。在今后的水體治理中，低污染水的治理是提升水質(zhì)的重要因素，要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化人工濕地處理低污染水的相關(guān)技術(shù)。

4.1 明確治理目標(biāo)

建造人工濕地處理低污染水，要因地制宜、確定水體類型、堅持生態(tài)優(yōu)先。目前人工濕地存在較多用于處理污水的情況，而較高濃度的污水容易使人工濕地系統(tǒng)不能按照設(shè)計目標(biāo)運行，產(chǎn)生異味，在開放水面區(qū)域還可能會暴發(fā)藻類?！吨改稀分忻鞔_提出針對低污染水的人工濕地凈化技術(shù)，提高人工濕地的運行效率，主要目的為改善水質(zhì)，而不作為污水直接的處理設(shè)施。在低污染水體的治理中要明確水體的“性質(zhì)”，不能污水、低污染水混為一談，嚴(yán)格把控人工濕地進水水質(zhì)，根據(jù)不同地區(qū)進行劃分，結(jié)合現(xiàn)場地形與水質(zhì)等因素合理選擇濕地組合以及設(shè)計參數(shù)。

4.2 科學(xué)建設(shè)與管理

嚴(yán)格執(zhí)行驗收標(biāo)準(zhǔn)，健全運行維護機制并落實。在以往的部分人工濕地案例中出現(xiàn)過濕地植物死亡、水質(zhì)異常、運行堵塞等現(xiàn)象，多數(shù)是由于建設(shè)不科學(xué)、驗收不嚴(yán)格或管理維護不當(dāng)，而人工濕地是人工模擬的濕地，生態(tài)系統(tǒng)相對較為脆弱，要制定具體、高效、可操作性強的管理制度，《指南》中針對運維管理提出了較為系統(tǒng)的管理方式，對人工濕地的后期管理具有重要意義。

4.3 建立數(shù)據(jù)系統(tǒng)

未來在水治理方面將更加重視生態(tài)治理，人工濕地凈化低污染水技術(shù)也一定會進一步凸顯其作用。在今后的人工濕地設(shè)計、運行或者管理上要著重于人工濕地的數(shù)據(jù)庫建設(shè)、系統(tǒng)性管理等方面，將“分散”的人工濕地統(tǒng)一起來，不僅便于今后的管理，也有助于為新建濕地總結(jié)經(jīng)驗，完善工藝流程。