适应热带气候的法国垂直流人工湿地设计

[法国]　P.莫勒 等



环境与生态

适应热带气候的法国垂直流人工湿地设计

[法国]P.莫勒 等

摘要：位于热带气候区的法国海外省必须同时遵守法国和欧盟的法律法规。法国垂直流人工湿地系统似乎比较适合这些地区的技术规范，不过为了能够适应热带气候的要求，必须制定新的湿地设计指南(包括湿地规模、滤床数量、植物类型和使用的材料等)。2008年开始这一方面的研究，在国家水资源管理局的支持下，建立了大规模的实验场地，并对当地环境会给设计和性能产生的影响展开了评估。对马约特岛和法属圭亚那几个污水处理垂直流人工湿地进行了监测，这些湿地系统的运行年限在1～6 a，主要处理160～480个人的生活污水量。在每个滤床的进口和出口处设置采样点，旱季和雨季各取28 d的水样进行混合，将湿地性能与法国本土地区研究所数据库中的标准进行对比。实验结果表明，较高的气温改善了湿地性能，如化学需氧量、悬浮物和总凯氏氮均达到了国家单级滤床规定的水质目标；而且只需2个滤床运行就可达到目标，从而可减少污水处理厂的占地面积。事实上，较高的气温加快了污泥沉积，也使湿地有可能做到间断运行。一套双虑层的滤床系统运行，可以使人均0.8 m2湿地面积上的化学需氧量、悬浮物和总凯氏氮的去除率达到90%以上。对上述情况作了介绍。

关键词：热带气候；人土湿地；设计；法国

1概述

法国海外省，比如瓜德罗普(Guadeloupe)、马提尼克岛(Martinique)、法属圭亚那(French Guiana)、马约特(Mayotte)岛和留尼汪(Reunion)岛均处于热带气候，面临着严重的公共卫生问题。与欧洲国家的监管框架相比，其污水处理厂发展相当落后，在环境、健康、经济、土地利用和社会等多重压力下，需要快速发展先进的卫生设施。与法国本土不同，这些地区卫生设施的发展受到许多其他方面的影响。除自然因素外，人口的快速增长导致城市发展迅速，从而使技术选择和基础卫生设施建设变的更加复杂。设计时，很少考虑下水道(硫化氢的形成、腐蚀、雨水汇入等)和污水处理厂(性能、设施老化、维修、污泥管理)与卫生技术要求之间相适应的问题，同时，也严重缺乏自检设施。

因此，法国国家水资源管理局和生态部决定开始一项能够适应法国热带条件的垂直流人工湿地(VFCW)研究计划。根据该研究计划，现正在实施2个工程。对于解决法国小社区的生活污水而言，VFCW系统是一个是很好的方案，因为它是将简单的污泥管理与稳定的有机负荷及水力负荷系统结合起来，这样对于热带气候湿地的设计比较有利。

事实上，人工湿地似乎也应该是热带气候地区更有前景的选择。尽管如此，在如何设计以更能适应当地气候、当地材料(碎石、沙子、植物)以及被当地社区所接受方面，仍存在问题。越来越多的热带国家已经尝试利用人工湿地来处理废水，但是由于尺度上的多样性(实验室、试点、实地)、入流(生活污水、工业污水、污泥)以及系统(表面流、水平流、垂直流和材料类型)的不同，因而难以制定出能够适应热带气候的不同设计原则。法国污水处理系统(无初级处理)的运行反馈在热带地区日益缺乏，而且，由于运行参数的差异(例如，2010年，梅里安等学者在加那利群岛的试点所进行的试验过程中，没有交替使用滤床)，也影响了这些运行反馈的参考价值。

对嵌入了VFCW开发的各种实际规模的处理厂实施了专门监测。本文总结了马约特岛和法属圭亚那3座水处理厂的监测成果，以讨论湿地设计参数是否能适应较高的气温条件。为了减少湿地系统占地面积，仅采用1个过滤阶段，这是监测面临的主要挑战之一。较高的气温会使污泥的沉积速度变快，为此并行使用了2个湿地滤床；为保持湿地能更好地应对水力负荷，减少滤床数量比减少每个滤床的面积更合适。其他的关键设计参数包括第一个过滤层的厚度及系统是否再循环。因此，将湿地的应用负荷、是否循环以及填料厚度与法国类似系统的相关参数进行对比，并展开讨论。

2材料和方法

表1列出了法国3个VFCW处理厂(处理原始生活污水)的主要设计参数。该处理厂仅应用了1个过滤阶段和1个再循环回路。

由于几乎所有的湿地都不适合种植芦苇，因而对其他类型植物的相关参数进行了测试。最先测试了香蒲和芦荻，但是依据测试结果，它们似乎也不适合于湿地系统(难以维护及其生长不均匀)。因此，这项研究中使用了一些新的物种(见表1)。

表1　主要处理装置特点

2.1　监　测

对马约特岛大庄园的VFCW系统进行了6 a多监测，对法属圭亚那的欧帕勒森林l和欧帕勒森林2的监测时间为2 a。监测内容包括：对每天24 h必需冷藏保存的混合水样以及投料系统的水位进行定时观测。在法属圭亚那，雨季和旱季均需要采样；而在马约特岛，由于实行了雨污分流，使雨季和旱季没有较大区别，因此不需要分季节采样。

在当地实验室，采用美国公共卫生协会(APHA)于2012年颁布实施的标准化分析方法，对化学需氧量(COD)、5日生化需氧量(BOD5)、总悬浮物(TSS)、总凯氏氮(TKN)、NH4-N、N-NO3以及总磷(TP)的指标进行了化学分析。由于气温高和对当地缺乏足够的了解，致使对热带气候下的水质分析成果存在质量问题，因此，在数据验证过程中，剔除了对马约特岛30%的监测成果。对数据的有效性进行了分析，依据：TKN > NH4-N、1 < COD/BOD5< 4；0.5<(COD-CODd)/TSS<1.9，最终共有28个测次的监测数据用于分析。

2.2　统计分析

通过检查数据分布状态和进行差异比较(即采用费歇尔精确检验法，亦即F检验法)，来完成统计分析工作。当样本数据呈正态分布，而且方差没有显著差异时，即可使用学生残差检验法(亦称斯图登检验法，S检验)。如果数据呈现的不是正态分布或者方差存在着显著的差异时，则应使用威尔科克森检验法(Wilcoxon)。由于样本量不够大，而且其中还包括有一些不确定的因素，因此设P阈值为0.001。

分析了湿地设计参数和气候对平均去除率的影响。分析结果表明，随着污染负荷的增加，COD和TSS的去除效率保持稳定。而对于TKN，其去除率通常是随着TKN负荷的增加而降低，因此，选择了其他方法。首先，将观测的年均值与拟合曲线上的对应值进行比较，该曲线由热带气候和法国大陆本土条件下的数据拟合而成。然后检验2个样本之间的标准化残参分布是否存在明显不同。

3结果和讨论

3.1　入口处废水特征

一般来说，湿地入口处的废水浓度与法国小型社区范围内的相符，但浓度有可能变化比较大，这要取决于湿地所处的位置和地形。在圭亚那的欧帕勒污水处理厂，尽管平原上新建了污水管道，但由于没有实行雨污分流，因而导致雨季的降水通常会进入到污水管道中。在此背景下，雨季时管道中的污水受到大量雨水的稀释作用(见表2)，导致湿地的水力负荷超载。圭亚那湿地滤床在雨季的水力负荷大约是旱季水平的250%。

相比之下，大庄园案例显示，其浓度与在欧洲小型社区所观测的结果一致。在此需要说明的是，进入该湿地的污水中，有一部分来自外国人居住的小区，其未必能代表马约特岛当地社区的污水。

3.2　总体特征

根据湿地第1个过滤层的深度和再循环速率，对污水处理厂的整体特性以及湿地出口处的污染物浓度进行了分析。分析结果表明，由于欧帕勒森林l污水处理厂和欧帕勒森林2的设计相同，因此在对污染物的去除率方面并不存在区别，只有在旱季和雨季时，湿地入口处的污染物浓度才会有所不同。同时，由于入口和出口处的流量相似，因此在分析计算时，也很容易会对每个样本集入口处的平均浓度进行重复计算。

表2　湿地入口处废水污染物平均浓度(标准差)

总体而言，目前湿地的处理水平能使系统很容易地达到法国规定的最低限值(COD和BOD的去除率为60%，TSS的为50%)。鉴于在法国进行的VFCW第一阶段试点试验结果，以上结论不足为奇。

进一步研究发现，由粒径为2～6mm的填料所形成的深为30cm、废水不再循环的滤床的处理效果可能并不理想，因为结果显示其硝化作用较弱。事实上，碳污染处理(COD、BODs和TSS)结果是令人满意的，只是再循环和砾石层的厚度似乎影响到了硝化性能，因为硝化性能对氧化条件和水力停留时间更敏感。然而，这个观测结果也暗示着影响处理效率的2个因素： ①在雨季期间，入口处的污水浓度被稀释；②滤床遇到堵塞问题。

滤床堵塞由于下水道使用不当，致使红土不断进入下水道而造成的。一些私人住宅区的居民因故挖土也会造成水土流失，但他们事先并没有考虑到泥土是否会进入水道，也没有考虑到是否会对下水道产生影响。因此，大量的红土被滤床顶层过滤，造成滤床逐步阻塞，而这些问题只能通过去除堵塞层来解决。

3.3　处理特性

为了进一步强调气候对过滤特性的影响，需要对滤床本身的去除效率进行分析，即对施加的负荷量和去除的污染负荷量进行研究(见图1)。施加的负荷包括污水处理厂入口处和任何循环回路上的污染负荷。将结果与2005年莫勒等学者在法国本土观测的COD和TSS特性，以及在2008年分析的硝化作用的特性进行对比。2008年，莫勒等人研究的湿地滤床第一层厚度超过了60 cm。这样，根据过滤床的厚度，确定了用于圭亚那地区和马约特岛的过滤床的层厚，因为厚度是影响湿地特性的主要参数。

注：图中的30 cm表示欧帕勒森林1和2的过滤层厚度；80 cm表示大庄园的过滤层厚度。图1　运行中的过滤床的去除率

通过分析研究，可以对热带气候条件下滤床的一些特征有所了解。首先，应当关注到在法国本土测试的COD和TSS类似的去除率(P>0.001，见表3)。在第一个过滤床的厚度为80 cm的条件下，COD的去除率呈稳定性地逐步增加。TSS特性与第一个过滤层厚度情况下的特征相似。

表3　P值统计结果对比

然而，在法国大陆本土，以3～6 mm砾石作为填料的滤床厚度仅有30 cm，其硝化作用与60～80 cm厚度滤床的硝化作用相似(p>0.001)。在马约特岛，80 cm厚度的滤床比法国大陆本土设计的相似滤床的硝化作用更高，也更加稳定(p<0.001),在只有一个过滤阶段时，其TKN去除效率可达到90%。这个结果可能与以下2个因素有关：

(1) 全年的气温较高且有规律，可促进自养菌群的活性和繁殖；

(2) 频繁地交换(只有2条平行布置的滤床)作用可维持休眠期更高的含水量，有助于细菌的生存。

另外，还有一个关键因素，就是大量的红土(欧帕勒森林1)堵塞在滤床的表面，只要较小的堵塞深度就有可能阻碍氧化作用，硝化作用也因此会受到很大的影响。同样，湿地出口处的TSS含量监测值比较高，COD/TSS颗粒比达到0.5。出口处这种异常的固体颗粒(“正常”比率为 l.2)的存在似乎也在表明，细颗粒的红土穿过了滤床，从而降低了滤床的性能。

3.4　维护和运行

小型污水处理厂，在直接运行经验较少甚至无经验的情况，仍能正常运行。因此，人工湿地的维护将会面临很多问题，特别是在突发事件或缺乏应对措施情况下，有可能导致滤床出现严重的问题。

首先，业主必须做的基本工作是确保植物生长滤床循环的正确。为了应对马约特岛出现的社会矛盾，污水处理厂停运了1 a左右的时间，这意味着湿地植被没有运行也没有得到有效地控制。由于长期缺少植被轮作，因而在湿地运行过程中，滤床发生了堵塞现象。后来在将沉积物移除以后，滤床才重新启动运行。尽管中间出现了问题，然而在热带气候条件下，滤床的能力恢复很快，硝化作用也得以完成，湿地展现出了惊人的恢复力。事实上，仅需用几天的时间，硝化作用即可回复到正常水平。

3.5　植　被

在每一个热带地区，湿地使用何种植被并不是事先确定的。热带气候条件下的植被主要起到机械性的作用，同时也必须满足其他方面的一些要求。比如，植被不能滞留雨水，因为滞留在其叶子上的雨水有可能招致蚊子幼虫并因此而发生风险。此外，在选择植被种类时，应当考虑到植被能便于操作(收获、植株竞争)。马约特岛(种植的香蒲)和法属圭亚那(种植的芦荻)第一批植被检测结果表明，这些植被并不合适，因为它们是成簇地生长，所以导致收获比较困难。

3.6　污泥沉积

湿地内的污泥沉积和污泥管理是热带气候条件下的关键因素。由于马约特岛湿地的运行问题和法属圭亚那地区缺乏成熟植被，导致无法绘制污泥沉积率图，但是其污泥沉积率似乎明显要低于法国大陆本土。因为湿地只有2个并行布置的滤床在运行，由于条件所限，不能使用3个并行布置的滤床。考虑到缺乏可行性的办法来妥善管理这些副产品和处置污泥的有限农业用地，减少污泥产生量就成为一个关键点，因此，应当促使地方政府在地理条件和人口数量许可的情况下实施CW。

4结论

本文对热带气候条件下的3个VFCW进行了监测和研究，设计了2个不同填料深度(30～80 cm)的人工湿地。湿地运行了1～6 a。与法国大陆本土的湿地相比，温暖的气候条件改善了湿地的性能，尤其是其硝化作用；这样，即使是只有一个过滤阶段的人工湿地，其出水水质也能够满足国家规定的质量标准。分析结果表明，只有一个处理阶段的特定设计，也能够达到很高的硝化效率(90%)。

本文实例设计中，仅有2个滤床平行布置运行，滤床的数量减少了，相应地污水处理厂的占地面积也减少了。在该设计中，滤床内的污泥累积量比较少，而其硝化率却比较高，这就更进一步地验证了设计选型的有效性和前景。在法属圭亚那欧帕勒污水处理厂可以看到，这一设计有助于维持雨季的暴雨或清水带来的额外水力负荷。

未来，还需要对设计选型与热带气候条件相关方面的问题提出相应的解决方案或实施优化。

(1) 如果湿地只有一个处理阶段，有时就有可能会导致出口处的TSS浓度超过25 mg/L，这也就意味着需要通过增加一个阶段或对第一个处理阶段的设计进行完善，以使出口处的TSS浓度满足规定要求。

(2) 在有机负荷没有达到限值时，有必要检测更高的负荷，以了解进一步减少污水处理厂占地面积的可行性。

(3) 需要对滤床上的污泥沉积速率展开进一步研究分析。

(邱训平赵秋云编译)

收稿日期：2015-11-23

中图法分类号：S156.8

文献标志码：A

文章编号：1006-0081(2016)01-0018-04