人工湿地净化低污染水研究概况

2022-06-09王话翔

环境保护与循环经济 2022年3期

王话翔

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

1 引言

人工湿地（Constructed Wetland，CW）是由人工建造、运维，通过填料（含土壤）、植物、微生物“模拟”的自然湿地，并在物理、化学、生物的协同作用下净化水体的处理系统［1］。近年来，人工湿地在水污染治理中的作用越来越显著，被广泛应用在河道治理、污水厂尾水、工业废水、农村生活污水处理等方面。我国最早的人工湿地技术规范为2009 年颁布的RISNTG 006—2009《人工湿地污水处理技术导则》，随后在2010 年与2017 年分别颁布了HJ 2005—2010《人工湿地污水处理工程技术规范》、CJJ/T 54—2017《污水自然处理工程技术规程》，同时全国各地也颁布了一些人工湿地处理技术规范，涉及城镇污水、污水厂尾水、湖泊、农村污水等水体的处理。

为推进美丽中国建设，完成“十四五”期间由水环境质量管理到水生态健康管理的目标，实现污水的资源化利用，生态环境部于2021 年4 月印发了《人工湿地水质净化技术指南》（以下简称《指南》），聚焦处理低污染水体的人工湿地净化技术的设计、施工验收、运维，旨在促进再生水的循环利用，解决人工湿地设计、建设等环节统一性较差等问题。《指南》印发前，全国各地有许多试点将人工湿地建设在河流干支交汇处、污水厂尾水排放口下游等地。

2 低污染水的概念与特征

2.1 低污染水的概念

低污染水在《指南》中被定义为污水厂尾水、微污染河水（污染物浓度劣于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水、好于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级限值）、农田退水等水体。同时城镇地表径流、农业径流污水（含农村分散污水）等性质相似的水体也被称为低污染水［2］。低污染水相较于污染较为严重的水危害性低，但在水体由治理到提升的转变过程中具有重要意义。低污染水处理的兴起最早可追溯到20 世纪20 年代，最初为解决淡水资源的匮乏，以色列形成了具有特色的低污染水处理技术，如臭氧氧化技术、生物滤池技术，日本于20 世纪60 年代开始着手尾水的深度处理，并开发出超临界水氧化、膜生物反应器与膜分离等技术，新型的膜技术如纳滤膜、超滤膜后期也被大量应用于低污染水的处理［3］。我国最早是在星云湖、抚仙湖等湖泊水污染治理中形成低污染水的概念，在之后的发展中才逐步扩展到河流水体的治理中［4］。我国区域低污染水的水量大，采用膜技术等运行管理成本较高、过程比较繁琐，不符合现阶段发展要求，在寻求成本低、便于管理的技术过程中，生态净化技术逐渐进入人们的视野，并形成以人工湿地为代表的净化技术在国内推广应用。

2.2 低污染水的特征

2.2.1 水体总量高，来源广

随着社会发展与居民生活质量的提高，我国在工业企业以及居民生活等方面用水量激增，见图1。根据住建部公布的数据，进入21 世纪以后，我国的污水年排放量由2000 年的331.80 亿m3增长到2019 年的554.65 亿m3，增长了67.17%。为满足发展用水与生态环境之间的平衡，污水的处理能力也日渐提高，2019 年污水处理量已经达到了525.85 亿m3，处理率由2000 年的仅34.25%提升到2019 年的96.81%，大幅减少了污水直排进入水环境中。虽然污水处理率有了较大的提升，但是大量的污水厂处理后的尾水、农业区域散排污水以及城镇化进程中雨水地表径流等，所携带的污染负荷较高，受区域、温度、降水等影响污染程度随机性也较大，仍对环境存在较大的威胁［5］。

图1 我国近年来污水年排放量与处理率

2.2.2 碳氮比较低，可生化性较差

目前低污染水中碳氮比较低，一方面主要是由于含氮物质的大量使用，另一方面是在污水生物脱氮的过程中大量消耗碳源［5］，经过污水厂处理后的尾水含有较多的硝化细菌，反硝化反应受到抑制，导致含氮物质去除能力低于碳源的去除。农业生产生活中氮磷物质较多，《第二次全国污染源普查公报》数据显示，农业中总氮的排放量为141.49 万t，占总排放量的46.5%，其中种植业流失达到了51%，农业中总磷排放21.2 万t，占总排放量的67.2%［6］。衡量水体的可生化性好坏一般用BOD5/CODCr（B/C）表示，当B/C 值大于0.3 时说明可生化性较好。我国城镇污水的可生化性呈现南高北低、东高西低的特点，雨季的污水可生化性差于非雨季，初期雨水等径流污染的浓度较高、可生化性较差，而污水经过生化处理后的尾水可生化性也出现明显降低，B/C 平均值低于0.3［7-8］。

2.2.3 集中性较弱，存在突发性

与传统的污水集中处理不同，低污染水存在一定的分散性，径流污染突发性较强。河流低污染治理区别于污水的集中处理，一般情况下，河网水系水质会受上游及支流污染、温度、降水、河道连通性及流动性等因素影响［9］。河流水质监测不能实时、全面反映实际水体污染情况，汛期降水可能会造成突发性城市地表径流及农业径流污染，表1 为在各地区监测所得到的部分相关数据，可发现径流带来的突发性污染劣于Ⅴ类水标准，形成较为分散的面源污染。

表1 不同区域径流污染物浓度 mg/L

3 人工湿地在低污染水净化中的应用

2021 年印发的《指南》为了达到因地制宜的目的，将低污染水的人工湿地净化技术标准按地区气候分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区。《指南》对人工湿地的工艺成本、不同污染去除能力、占地面积等方面做出了较为详细的方案比选，对不同分区的植物种类做出推荐，并根据分区明确了表面流人工湿地（SFCW）、水平潜流人工湿地（HFCW）、垂直流人工湿地（VFCW）的水力停留时间，污染物削减负荷等主要设计参数。在《指南》印发前，我国已在多地进行了低污染水的人工湿地净化技术试验，以下从常见的低污染水类型浅谈人工湿地在其中的应用。

3.1 人工湿地在污水厂尾水处理中的应用

在低污染水中，污水厂尾水排放相对集中，对污水厂尾水的深度净化可减少入河（湖）污染的压力，回补地表水［15］，并且可以实现污水的资源化利用。许多污水厂会在尾水入河（湖）前通过湿地工艺净化水质，如湖北宜昌某园区利用低洼地势建立砾石床＋表流湿地＋净化塘的工艺,处理太平溪污水厂的尾水以及附近生活区雨水，初步监测水质有明显提升。浙江近年来大力推广“一厂一湿地”的污水厂尾水处理模式，聚焦氮、磷污染物的去除。广西某污水厂利用VFCW＋HFCW＋氧化塘的工艺处理尾水，复合湿地对COD，TN，TP 的去除率分别达到了58.28%，49.90%，51.86%［16］。王楠等［17］采用HFCW＋SFCW 工艺处理污水厂尾水，COD，TN，TP 的去除率分别达到了35.7%，52.8%，53.6%。北京近郊某多介质人工湿地采用不同粒径与铺设厚度的填料层设计，尾水中COD，TN，TP 的去除率分别达到了47.3%，58.5%，57. 1%，其中COD 与TN 处理后达到Ⅰ类水标准，TP 达到Ⅲ类水标准，同时处理后的水作为景观用水回用补充到周围园区，实现了低污染水的资源化利用［18］。

3.2 人工湿地在河湖治理中的应用

河湖的污染来源相对较为复杂，除所承接的尾水、径流水体等污染源，还存在一些内源污染、上游或支流污染等，异位人工湿地河道修复技术因其运行费用低、出水水质稳定等优点被逐渐应用到河道水体的治理中。如安徽六安市苏大堰河道工程（在建）便采用了人工湿地＋净化塘的工艺，旨在处理上游为污水厂尾水排口的苏大堰河道，从而深度净化水质。河南某淮河流域部分河道水体采用了曝气＋SFCW＋VFCW＋稳定塘的工艺异位处理，测得该工艺对COD，NH3－N，TP 的去除率分别达到了39.52%，55.53%，35.79%，年平均水质指标浓度可达到Ⅳ类水［19］。山西晋城巴公河采用SFCW＋VFCW 工艺处理河道水体，试运行期间COD，NH3－N，TP 去除率达到了60%～70%，大部分指标达到地表水Ⅳ类标准，运用低成本工艺实现了水体的深度净化［20］。另外，在山东海子河、辽宁条子河等区域均有人工湿地净化河道的案例［21］。利用人工湿地解决低污染河道问题是黑臭水体阶段性治理后深度净化水体的有效方式，对可持续发展与生态保护有着重要意义。

3.3 人工湿地在径流污染控制中的应用

径流污染一般分为城镇地表径流污染以及农业径流污染，而农业径流污染又包含种植业、畜禽养殖业、农村生活等污染，主要是农业生产生活中流失的农药、化肥以及无组织污染源在降水或灌溉过程中的径流污染［22］。国外在分散污水的人工湿地技术净化上比较成熟，21 世纪初美国、法国、英国等国便形成了成熟的人工湿地技术与管理模式，用于处理农村生产生活污水［23-24］，同时英国的可持续排水系统也将人工湿地作为住宅、公路等区域径流雨水的深度净化，澳大利亚则以人工湿地代替传统的雨水调蓄池净化合流排水系统的溢流污染［25］。我国也有较多的利用人工湿地处理径流低污染水的案例，杨敦等［26］利用潜流湿地处理暴雨径流，COD，TN，TP 去除率分别达到了87.13%，97.33%，77.29%；董怡华等［27］通过构建植物塘－人工湿地复合系统，成功去除农田退水中96.05%～98.06%的COD、98.07%～98.88%的NH3－N、95.14%～96.68%的TP；Zheng 等［28］在海绵城市建设中设计了多种雨水人工湿地，对比发现芦苇＋沸石湿地对COD，TN 去除率分别达到86.54%，89.46%。

4 总结与展望

低污染水因其水量大、碳氮比低、可生化性差、突发性强等特点，在水污染治理中逐渐被重视，各地相继探索出不同类型的人工湿地深度净化技术，并被应用在污水厂尾水、河湖水体、径流污染等低污染水的治理中。在今后的水体治理中，低污染水的治理是提升水质的重要因素，要在现有的基础上不断总结经验，优化人工湿地处理低污染水的相关技术。

4.1 明确治理目标

建造人工湿地处理低污染水，要因地制宜、确定水体类型、坚持生态优先。目前人工湿地存在较多用于处理污水的情况，而较高浓度的污水容易使人工湿地系统不能按照设计目标运行，产生异味，在开放水面区域还可能会暴发藻类。《指南》中明确提出针对低污染水的人工湿地净化技术，提高人工湿地的运行效率，主要目的为改善水质，而不作为污水直接的处理设施。在低污染水体的治理中要明确水体的“性质”，不能污水、低污染水混为一谈，严格把控人工湿地进水水质，根据不同地区进行划分，结合现场地形与水质等因素合理选择湿地组合以及设计参数。

4.2 科学建设与管理

严格执行验收标准，健全运行维护机制并落实。在以往的部分人工湿地案例中出现过湿地植物死亡、水质异常、运行堵塞等现象，多数是由于建设不科学、验收不严格或管理维护不当，而人工湿地是人工模拟的湿地，生态系统相对较为脆弱，要制定具体、高效、可操作性强的管理制度，《指南》中针对运维管理提出了较为系统的管理方式，对人工湿地的后期管理具有重要意义。