三處不同類型人工濕地的運(yùn)行比較分析
在全國范圍內(nèi)選擇了3處人工濕地進(jìn)行比較和綜合評價(jià)，它們分別是山東威海榮成人工濕地、湖北武漢桃花島人工濕地和遼寧沈陽渾南人工濕地。三者分別處在我國的東部、南方和北方，處理對象分別為城市污水、城市地表徑流和小區(qū)生活污水，所選擇的濕地類型、流型、濕地植物和基質(zhì)組成也都存在著差別，但是3處濕地建成后都在成功地運(yùn)行。本研究通過對3處處理濕地的綜合比較，提出不同地區(qū)、不同氣候條件、不同處理對象在應(yīng)用人工濕地時(shí)的設(shè)計(jì)原則，總結(jié)不同類型人工濕地的適用范圍及在運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意的問題，為人工濕地技術(shù)更廣泛、更科學(xué)地推廣應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。
1地理與氣候
榮成市人工濕地位于山東半島最東端，屬于暖溫帶季風(fēng)型濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為12℃左右，年平均日照2600h左右，年平均降雨量800mm左右。
武漢市桃花島人工濕地示范工程位于武漢市城區(qū)的西南部，屬亞熱帶大陸季風(fēng)性（濕潤）氣候，年平均氣溫15.8～17.8℃，年無霜期一般為211～272d，年平均日照時(shí)數(shù)1810～2100h，年降雨量1150～1450mm。
渾南新區(qū)人工濕地位于沈陽市渾南新區(qū)，屬于北溫帶受季風(fēng)影響的半濕潤大陸性氣候，年平均氣溫在8.9℃左右，最低氣溫為-30.6℃，發(fā)生在1月份，年平均日照時(shí)數(shù)為2554h，年平均降水量為727.4mm，7～8月降水量占50%左右。
2工程概況
榮成污水處理廠采用蘆葦濕地處理工藝，處理系統(tǒng)占地面積80hm2，處理規(guī)模為2.0萬m3/d，于1998年10月投入運(yùn)行，承擔(dān)約12萬居民的生活污水及少量工業(yè)廢水。進(jìn)水水質(zhì)情況為:COD，200～350mg/L;BOD5，80～120mg/L;SS，150～200mg/L;TP，2～4mg/L;####NH+4-N，10～30mg/L;pH，7～8。濕地類型采用滲濾型人工濕地，是對原有的天然蘆葦濕地進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)單元化，基質(zhì)沒有更換仍采用原有土壤，該濕地建在市郊，遠(yuǎn)離居民區(qū)，與海相鄰，出水直接排海，有力地緩解了海水水質(zhì)的污染。濕地運(yùn)行至今達(dá)7a時(shí)間，運(yùn)行比較正常，為了保證濕地功能的長效發(fā)揮，2005年在濕地的預(yù)處理部分增加了浮動(dòng)生物床強(qiáng)化一級處理，來保證整個(gè)系統(tǒng)的處理效果。
桃花島示范工程主要用于控制桃花島小區(qū)1.33km2匯水面積的初期暴雨徑流，主要由儲(chǔ)存塘系統(tǒng)、景觀塘系統(tǒng)、水平潛流人工濕地系統(tǒng)、復(fù)合人工濕地系統(tǒng)等工程組成（見圖2）。儲(chǔ)存塘系統(tǒng)總面積20800m2，設(shè)計(jì)蓄水量14500m3;水平潛流人工濕地采用半地上式布置，面積5000m2，平均深度0.7m，采用由礫石、碎石、砂子和種植土組成的組合基質(zhì)，設(shè)計(jì)處理水量為700～1200m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)為:SS，120mg/L;TP，1.6mg/L;TN，20mg/L;CODCr，160mg/L。
景觀塘系統(tǒng)總面積3100m2。復(fù)合人工濕地系統(tǒng)包括一個(gè)垂直流人工濕地、3個(gè)水平潛流人工濕地和兩個(gè)表流人工濕地，垂直流人工濕地面積為300m2，水平潛流人工濕地面積為1500m2，平均深度0.5m，采用由礫石、碎石和砂子組成的組合基質(zhì)，設(shè)計(jì)處理水量為560～900m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)為:SS，120mg/L;TP，1.6mg/L;TN，20mg/L;CODCr，160mg/L。桃花島人工濕地鄰湖而建，離居民區(qū)很近，濕地出水直接排入湖中。濕地自建成運(yùn)行至今已有2a多時(shí)間，運(yùn)行一切正常。
渾南人工濕地占地10.1萬m2，包括:雨水濕地生態(tài)工程、污水濕地生態(tài)工程（見圖3）、污泥礦化床濕地工程3部分。其中，污水人工濕地占地6000m2，每天處理6000人住宅小區(qū)的生活污水，約1000t/d;雨水濕地占地74000m2，每天處理2km2匯水區(qū)內(nèi)雨水約2000t/d;污泥礦化濕地工程占地21000m2，每年處理濕地污泥2000t/a。污水處理濕地采用垂直流形式，種植濕地植物蘆葦，平均深度1.5m，采用碎石、砂子和種植土組成的組合基質(zhì)，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì):COD，300mg/L;BOD，150mg/L;SS，50mg/L。渾南污水處理濕地位于居民區(qū)附近，出水用于周圍的景觀建設(shè)和作為中水回用。濕地運(yùn)行至今將近3a，基本達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。
3處理效果
對榮成人工濕地污水處理系統(tǒng)COD、BOD5、SS、###NH+4-N、TP監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明榮成人工濕地對污水中污染物具有很好的去除效果，特別是對SS、COD和BOD5等指標(biāo)，但對NH+4-N和TP的去除效果相對較差。SS、COD、BOD5出水濃度分別為（27.8±6.7）、（91.0±13.7）mg/L和（23.8±4.6）mg/L，去除率分別為（71.8±8.4）%、（62.2±10.1）%和（70.4±9.6）%。NH+4-N出水濃度為（11.3±2.6）mg/L，去除率為（40.6±15.3）%。TP的去除效果最差，出水濃度為（2.00±0.28）mg/L，去除率為（29.6±12.8）%。氣溫季節(jié)性變化能夠影響榮成人工濕地污水處理系統(tǒng)對有機(jī)污染物的去除效果。每年的4～6月對COD、BOD5去除效果最佳，1月和12月去除效果最差。不同季節(jié)間人工濕地處理效率的差別主要體現(xiàn)在對#####NH+4-N的去除，每年7～9月去除效果最佳，1～3月去除效果最差。TP的去除受溫度季節(jié)性變化影響相對較小。
桃花島人工濕地示范工程中的塘—潛流人工濕地生態(tài)工程適合城市地表徑流污水的處理，塘系統(tǒng)的沉降作用去除了大量的SS及其攜帶的其它污染物，有效地防止?jié)竦氐亩氯蜏p輕濕地的污染負(fù)荷，濕地系統(tǒng)進(jìn)一步凈化處理保證了良好的出水水質(zhì)。儲(chǔ)存沉降塘—水平潛流人工濕地系統(tǒng)處理效果為:對各污染物的去除率分別為:CODCr，75.4%～79.1%;TP，81.8%～84.3%;TN，64.9%～69.8%;SS，93.8%～94.7%;其中人工濕地對其進(jìn)水中CODCr、TP、TN、SS的去除率分別為60.7%～64.8%、73.4%～75.6%、43.2%～48.4%、60.3%～66.4%，污染負(fù)荷COD約為0.01kg/（m2•d），出水達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的一級標(biāo)準(zhǔn)。景觀塘—復(fù)合潛流人工濕地系統(tǒng)處理效果為:對各污染物的去除率分別為:CODCr，84.0%～85.4%;TP，89.6%～91.8%;TN，92.2%～94.4%;SS，95.8%～97.1%，出水可以達(dá)到地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn);其中復(fù)合潛流人工濕地對其進(jìn)水中CODCr、TP、TN、SS的去除率分別為69.0%～73.1%、82.6%～86.6%、89.0%～90.4%、64.7%～69.2%，對TN具有獨(dú)特的去除效果。在無雨期，湖水被引入該生態(tài)處理系統(tǒng)，既維護(hù)了生態(tài)處理系統(tǒng)的處理功能和生態(tài)功能的長效維持，又改善了湖水水質(zhì)，保證了生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。
渾南新區(qū)人工濕地對污染物具有很好的去除效果，特別是對CODCr、NH+4-N、TP和BOD5的去除率都超過了90%;SS的去除率雖然不高，但是由于進(jìn)水SS的濃度很低，出水中SS的濃度不超過20mg/L;濕地對TN的去除效率比較低。CODCr、NH+4-N、TP和BOD5的出水濃度分別為（19.5±10.2）、（1.30±0.88）、（0.25±0.16）mg/L和（2.66±0.84）mg/L，去除率分別為（90.05±3.50）%、（94.80±4.81）%、（92.25±5.36）%和（94.68±1.83）%;而TN的出水濃度和去除率分別為（38.15±2.27）mg/L和（26.66±3.99）%。濕地進(jìn)出水一年四季的溫度變化不大，出水溫度低于進(jìn)水溫度1～2℃，冬季進(jìn)水溫度維持在10℃左右;廢水經(jīng)過濕地的處理后，出水中的溶解氧得到了一定程度的提高，這主要是由于垂直流人工濕地本身所具有的良好的氧傳輸能力。濕地出水中各種污染物濃度表明濕地具有較好的除污能力，出水中升高的DO也證實(shí)了廢水在濕地中流動(dòng)的過程中得到了較為徹底的凈化，存在的主要問題是出水中的TN濃度大大超過出水的要求，這主要是由于垂直流濕地較強(qiáng)的氧傳輸能力能夠使氨氮得到根本的硝化，但是由于碳源和微環(huán)境的影響反硝化反應(yīng)的效率比較低，使得硝酸鹽不能實(shí)現(xiàn)有效的轉(zhuǎn)化，氮污染問題在該濕地中沒有得到有效的解決，富營養(yǎng)化的潛在危害仍然存在。濕地的處理效果受季節(jié)變化的影響比較小，這主要是由于該系統(tǒng)的布水裝置為上下兩套，下層布水裝置在冬季開始啟用，有效地保證了進(jìn)水溫度不會(huì)過低，另外在冬季為了保溫，該系統(tǒng)上層鋪設(shè)20cm厚的草炭土。
4效益分析
榮成人工濕地的處理成本為0.16元/m3。另外，濕地蘆葦在冬季進(jìn)行收獲，主要用于當(dāng)?shù)卦旒垙S的原料，也具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。濕地出水排往入海前的小海，目前小海水質(zhì)情況不斷得到改善，主要用于適于在海水淡水交匯處生存的水產(chǎn)品的養(yǎng)殖，環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益都比較顯著。
桃花島人工濕地的運(yùn)行成本為0.184元/m3。匯處理系統(tǒng)均采用生態(tài)工程的方法，建成后兼作公共娛樂區(qū)、生態(tài)公園，增加了景觀的視覺美感和觀賞價(jià)值，同時(shí)給游人和當(dāng)?shù)氐木用裉峁┝肆己玫男蓓瑘鏊纳屏顺鞘腥宋木坝^，提升了人們的生活質(zhì)量，增加了植被覆蓋率，保持了生物多樣性，減少了水土流失，改善了生態(tài)環(huán)境。
渾南新區(qū)人工濕地的運(yùn)行成本為0.715元/m3。另外濕地出水可以作為中水回用，也可以作為景觀用水;景觀和社會(huì)環(huán)境效益明顯，在城市中建設(shè)可以調(diào)節(jié)城市小氣候、降低城市熱島效應(yīng)和改善城市環(huán)境質(zhì)量和自然生態(tài)景觀。
5討論
從地理氣候的角度看，山東半島的暖溫帶季風(fēng)氣候和武漢的亞熱帶季風(fēng)氣候更適宜采用人工濕地技術(shù)，因?yàn)樵谠摎夂驐l件下，植物的生長期更長，冬季持續(xù)時(shí)間不長，而且寒冷程度不高;而北溫帶的遼寧植物的生長期僅在7個(gè)月左右，冬季時(shí)間比較長而且氣溫很低，極端低溫可以達(dá)到零下30℃以下，人工濕地在北溫帶甚至冬季更長的地區(qū)采用，濕地的冬季運(yùn)行必須在設(shè)計(jì)時(shí)被充分考慮，這將關(guān)系到濕地的處理效果和功能的長效發(fā)揮。
不更換基質(zhì)的滲濾型濕地應(yīng)該建設(shè)在遠(yuǎn)離居民區(qū)的市郊，這樣可以使?jié)竦乇旧淼奈孟壓蜌馕秵栴}遠(yuǎn)離城市，滲濾型濕地的占地面積較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于潛流濕地，所以只能在原有的天然沼澤濕地進(jìn)行改造而成，或?qū)⑧徍｀彽乇硭w的土地、利用價(jià)值不高的河漫灘等進(jìn)行改造而成。潛流人工濕地可以在居民區(qū)附近建設(shè)，潛流濕地基本避免了氣味和蚊蠅的問題，而且可以改善周圍的生態(tài)，美化環(huán)境，提高人與自然的親和力。人工濕地通常可以鄰水而建，在達(dá)到設(shè)計(jì)的控污目標(biāo)的同時(shí)可以攔截地表徑流，防止徑流直接進(jìn)入水體導(dǎo)致地表水體的水質(zhì)惡化。人工濕地可以處理各種污水，只是對于不同類型濕地和不同污水，其處理負(fù)荷存在著差異，如滲濾型濕地的水力負(fù)荷較低，垂直流濕地的SS負(fù)荷較低等。濕地的初期運(yùn)行一般都比較良好，系統(tǒng)功能要達(dá)到長效維持，在運(yùn)行過程中需要根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整;滲濾濕地的功能維護(hù)需要強(qiáng)化一級處理來做保證。人工濕地的類型雖然存在著差異，但濕地采用預(yù)處理是必須的，污水在進(jìn)入濕地前需要經(jīng)過格柵、沉淀甚至過濾等預(yù)處理，強(qiáng)化一級處理單元的增加可以改變濕地的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)濕地的高水力負(fù)荷低污染負(fù)荷的運(yùn)行方式，有助于濕地的除污功能和生態(tài)功能的發(fā)揮。
水平潛流人工濕地、滲濾濕地可以有效地去除COD、SS和TP，但對TN的去除效果比較差，這是由于氮去除反應(yīng)中的硝化反應(yīng)受氧限制效率很低造成的。垂直流濕地SS的污染負(fù)荷較低，可以有效地去除COD和TP，也可以實(shí)現(xiàn)充分的硝化，但TN的去除率仍很低，反硝化由于碳源的缺乏難以進(jìn)行導(dǎo)致此結(jié)果。水平潛流和垂直流組合的復(fù)合流濕地既可以有效去除COD、SS、TP等，也能夠高效去除TN，因?yàn)樗顾綕摿骱痛怪绷鲀?yōu)勢互補(bǔ)，使硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)不在同一環(huán)境下進(jìn)行，復(fù)合流人工濕地是一種值得研究和推廣的濕地形式。
渾南濕地的單噸污水的運(yùn)行成本遠(yuǎn)高于其它兩處濕地，說明垂直流人工濕地在造價(jià)方面要更高一些，這主要跟垂直流濕地的布水和收水系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且深度通常比水平潛流濕地深等原因有關(guān)。人工濕地的運(yùn)行費(fèi)用如果可以維持在0.2元/t以下，則僅為傳統(tǒng)污水處理工藝期望運(yùn)行費(fèi)用的1/5，環(huán)境效益和社會(huì)效益都比較顯著。
6小結(jié)
濕地處理工藝作為一種自然生物處理方法，利用閑置鹽堿地，具有投資少、運(yùn)行管理簡單、費(fèi)用低、處理后出水水質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn);從長遠(yuǎn)考慮，具有改進(jìn)生態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物質(zhì)能量的循環(huán)，保護(hù)濕地系統(tǒng)，防止近海區(qū)域赤潮的發(fā)生的優(yōu)點(diǎn)。另外，污水直接資源化可利用凈水溝進(jìn)行淡水養(yǎng)殖，水生植物種植，能獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。
通過比較不難發(fā)現(xiàn)全國各地都在利用人工濕地污水處理技術(shù)，不同類型的人工濕地都在被推廣和應(yīng)用，處理對象也多種多樣。對于人工濕地技術(shù)采用的是否合理，該技術(shù)是否具有普適性和空間移植性，在不同地區(qū)是否應(yīng)該采用不同的類型等許多問題，研究者和應(yīng)用者都存在著認(rèn)識(shí)上的分歧或者說觀點(diǎn)不統(tǒng)一。
傳統(tǒng)的滲濾濕地、水平潛流人工濕地和垂直流濕地都存在自身的優(yōu)缺點(diǎn)，而且也都有一定的應(yīng)用范圍。但是，如今在不斷的研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)人工濕地的應(yīng)用范圍在被不斷的拓寬，特別是在中國，人工濕地成為一種可以跟傳統(tǒng)污水處理技術(shù)相媲美的一種污水處理技術(shù)，近幾年在全國范圍內(nèi)得到大力的推廣和應(yīng)用，不但處理對象在不斷增多，而且處理負(fù)荷也在不切實(shí)際地增加;研究報(bào)道鋪天蓋地，但可供參考的有價(jià)值的文獻(xiàn)少之又少，以致于到目前為止在國內(nèi)沒有一個(gè)可供參考的普遍性的人工濕地設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)然這種窘境在世界范圍內(nèi)也同樣存在。這些問題值得我們?nèi)ド疃人伎肌?br />
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