人工濕地在中水回用中的應用研究

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摘 要：我國是一個嚴重缺水的國家，中水回用技術則是解決我國水資源供需矛盾的問題。首先簡單介紹了中水的定義、中水回用的處理工藝以及人工濕地的定義與類型。然后重點介

紹了人工濕地在我國中水回用中的應用實例，最后提出了中水回用在我國的問題與解決方法。 關鍵詞：人工濕地；中水回用；應用 0 引言 我國是一個嚴重缺水的國家，人均水資源量僅為2238.6m3，排在世界第109 位，只相當于世界人均占有量的1/4，屬于水資源脆弱國，是世界人均水資源極少的13 個貧水國之一。在全國669 個城市中，有110 個嚴重缺水，日缺水量1600 萬m3，每年因缺水造成工業(yè)產值損失2300 多億元。生活用水的人均使用量為50-300L/d，其中直接飲用或食用以滿足生理需求的消耗量僅占5L/d 左右，其余大部分的水主要用于洗滌、沖廁等衛(wèi)生目的，使用后會攜帶多種污染物。 為了解決我國日益突出的水資源供需矛盾，主要從兩個方面著手解決：一方面需要節(jié)約利用有限的水資源，另一方面則更應積極推進污水的回收利用技術，走水資源利用的可持續(xù)發(fā)展道路。中水回用技術正是符合這一目標的技術，并且它有著投資省、見效快、運營成本低等特點。 1 中水與中水回用 1.1 中水的定義 中水（reclaimed water）主要是指城市污水或生活污水經處理后達到一定的水質標準、可在一定范圍內重復使用的非飲用雜排水，其水質介于上水與下水之間，是水資源有效利用的一種形式。 現(xiàn)實生活中，中水回用具有很強的經濟優(yōu)勢，美國曾經拿城市污水和海水作比較，前者含0.1％污染物，而后者則含有3.5％的溶解鹽 ，還有大量的有機物質 ，因而采用海水淡化 獲取水源的基建費和單位成本都超過污水回用的費用。由于回用水一般是就近采用，所以較新鮮水的長途管道運輸而言，成本較低，同時城市污水經二級處理后回用，相應也就減少了向水域的排放量，帶來了可觀的環(huán)境效益，這些環(huán)境效益和經濟效益是統(tǒng)一的。 實踐表明，水回用在技術上、經濟上都是可行的，已成為一些缺水國家和地區(qū)解決水危機的有效途徑，具有重大的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。美國有357 個城市實現(xiàn)了污水處理后再利用；日本從20 世紀60 年代起一直大力研究和推廣城市回用和中水技術，廣泛供給工廠、企業(yè)和居民小區(qū)“中水道”沖洗廁所及雜用；南非在1986 年建成了世界上第一座城市污水“再生水”廠，用作城市自來水的補充水源。 1.2 中水回用水源 中水的水源較廣，但對建筑中水而言，其水源一般包括盥洗排水、沐浴排水、洗衣排水、 廚房排水和廁所排水等。若考慮到處理費用和處理的難易程度，對其選用的先后順序一般為： 沐浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、廁所排水。在進行建筑中水系統(tǒng)的設計時，應 根據(jù)實際情況，集流一種或多種排水作為中水水源，常見組合有以下幾種情況：①空調系統(tǒng) 排水、盥洗排水和沐浴排水等，其污染程度較輕，稱為優(yōu)質雜排水，在設計時應優(yōu)先選擇其 作為中水水源；②沖廁以外的生活排水組合，其污染程度中等，稱為雜排水；③所有生活排 水的總稱，其污染程度最重，稱為生活污水，由于其處理費用較高，且難處理，所以在設計 時應盡量不采用其作為中水水源。就目前情況來看，我國現(xiàn)有的建筑中水回用系統(tǒng)采用的水 源幾乎都是優(yōu)質雜排水或雜排水。 1.3 中水回用處理方式 目前，我國城市污水深度處理或三級處理已在應用的工藝有混凝、沉淀、過濾等常規(guī)工藝，微絮凝過濾法以及生物接觸氧化后纖維球過濾，生物炭過濾等方法。我國傳統(tǒng)的污水回用方法歸納有如下幾種： (1)污水經二級處理后，出水直接回用。 (2)污水經二級處理后，再經過濾，供用水單位回用。 (3)污水經二級處理后，再經混凝、沉淀、過濾后回用。 (4)污水經二級處理后，經混合、沉淀、過濾、活性炭吸附后回用。 (5)污水經二級處理后 ，經改造 A／O 法混凝、沉淀、過濾后回用。 但是傳統(tǒng)污水回用方式存在著處理設施差，運行成本較高，處理效果與處理量受限等缺點。所以需要尋找一種更經濟、節(jié)能的處理方式。 2 人工濕地 2.1 人工濕地的定義 人工濕地（constructed wetland）是一詞最早是由澳大利亞的Mackney 于1904 年提出的，是指人工建造和監(jiān)督控制的、工程化的沼澤地[1]．但真正為污水處理目的而建造的濕地直到20 世紀70 年代才開展起來，“人工濕地” 或類似的術語也在此時才開始相繼問世．1989 年美國著名的濕地研究、設計與管理專家Hammer[3]等人將人工濕地定義為：一個為了人類的利用和利益，通過模擬自然濕地，人為設計與建造的由飽和基質、挺水與沉水植物、動物和水成的復合體（complex）．但是我國的夏漢平[4]認為此定義存在不必要的重復，且尚不完全他認為人工濕地是指通過模擬天然濕地的結構與功能，選擇一定的地理位置與地形，根據(jù)人 們的需要人為設計與建造的濕地． 2.2 人工濕地的分類 根據(jù)植物的存在狀態(tài)，人工濕地主要分為三種類型：浮水植物系統(tǒng)，沉水植物系統(tǒng)， 挺水植物系統(tǒng)[28]。 其中，浮水植物系統(tǒng)有一些潛在的缺點。一方面在此系統(tǒng)中的植物為一種或少數(shù)幾種，易受到短時間內部分或全部植物死亡，造成災害性事件損害；另一方面，因為去除營養(yǎng)物和維持植物最佳生長率而進行的收割，然而這些植物含水量一般高于95%，收割后需要干化，干化后的植物仍需要處理。所以，造成了此系統(tǒng)不能廣泛的應用。而沉水植物系統(tǒng)目前主要處于試驗階段，該系統(tǒng)水生植物完全淹沒于水中，系統(tǒng)中的水的濁度不能太高，否則會影響植物的光合作用。因此，此系統(tǒng)適用于處理二級出水的高級處理。 挺水植物系統(tǒng)主要以挺水植物為主，植物根系發(fā)達，可通過根系向基質送氧，使基質中形成多個好氧、兼性厭氧、厭氧小區(qū)，利于多種微生物繁殖，便于污染物的多途徑降解，目前人工濕地主要指挺水植物系統(tǒng)。按污水在濕地流動的方式不同可分為表面流濕地，潛流濕地和垂直流濕地． ⑴表面流人工濕地(Surface Flow Wetlands 縮寫為SFW)：污水在濕地表面漫流，形成一 層地表水流并從地表流出．它與自然濕地最為接近，絕大部分有機物的去除是由生長在植物 水下的莖、桿上的生物膜來完成．這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡單、運行費用低 等優(yōu)點． 這種濕地不能充分利用填料及豐富的植物根系，夏季容易滋生蚊蠅，產臭味，冬季在寒 冷地區(qū)易發(fā)生表面結冰影響處理效果，衛(wèi)生條件亦不行，故設計中一般不采用． ⑵潛流人工濕地 (Subsurface Flow Wetlands 縮寫為SSFW)：污水經配水系統(tǒng)在濕地的一端均勻進入填料床植物的根區(qū)，在濕地床內部流動，凈化的出水由濕地末端集水管收集后排 出．水在濕地內部流動時，可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及其它各種作用處理污 水．與表面流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的水力負荷大，對BOD、COD、SS、重金 屬等污染指標的去除效果好，而且很少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象．目前，水平潛流人工濕地已 被美國、日本 、澳大利亞、德國、瑞典、英國、荷蘭和挪威等國廣泛使用．這種類型人工 濕地的缺點是控制相對復雜，脫 P、除N 的效果不如垂直流人工濕地． ⑶垂直流人工濕地 (Vertical Flow Wetlands 縮寫VFW)污水流動綜合了SFW和SSFW的特點，水流在填料床中呈由上而下的垂直流，出水由底部的集水管收集后排出，垂直流人工濕地的硝化能力高于上述兩種人工濕地，可用于處理氨氮較高的污水．其缺點是對有機物的處理能力不如潛流人工濕地系統(tǒng)，落干或淹水時間較長，控制相對較復雜，夏季有孳生蚊蠅的象．同樣地，其在目前應用的領域里也較少． 3 人工濕地在中水回用中的實例及分析 3.1 人工濕地單一使用 人工濕地可以作為單一的處理工藝，作為中水回用的主要處理工藝，處理污水并將污水 回用。 高校校園用水具有水量大、用水集中且排水水質優(yōu)于居民用戶等特點，并且隨著高校的 發(fā)展，高效區(qū)域呈現(xiàn)出區(qū)域集中化，且許多高校比鄰而建。因此，從排水收集、回用處 理和中水等環(huán)節(jié)上高校校園適合建立中水回用系統(tǒng)，具有現(xiàn)實的意義和迫切性并行的。 以四川大學望江校區(qū)為例，學生宿舍用水量約占校園總用水量的37%，其中盥洗用水約為22.2%，將盥洗廢水作為中水原水，根據(jù)水量平衡，已滿足中水的需求量。根據(jù)校園的區(qū)域面積、景觀建設，采用人工濕地處理系統(tǒng)作為中水處理工藝，使廢水達到回用標準（圖1）。   小區(qū)中水處理系統(tǒng)是目前中國應用較廣泛的中水處理方案。一方面，以小區(qū)為處理單位、 小區(qū)及鄰近地區(qū)的優(yōu)質雜排水為中水水源，經集中處理，使水質達到可回用標準，返回小區(qū) 使用。其優(yōu)點是比較方便、靈活，可根據(jù)自身條件實施建設方案 。另一方面，一般的屋 面雨水指標大多都超過了生活雜用水水質標準，必須進行處理才能利用。通過人工濕地處理 屋面雨水，用于小區(qū)綠化方面等用水。 高效垂直流人工濕地技術在深圳市梅苑小區(qū)生活污水處理中的應用。整個污水處理系統(tǒng) 景觀效果良好，與小區(qū)內其它環(huán)境相協(xié)調；出水水質良好，達到《城市污水再生利用城市雜 用水水質》（GB/T18920-2020）中綠化用水水質標準，可作為小區(qū)的綠化用水，節(jié)約了自來 水使用量；運行費用較低，其運行費用為0.35 元/m2 左右，而自來水綠化費用為2.7 元/m2， 創(chuàng)造了良好的經濟效益；并且人工濕地可小規(guī)模就近處理生活污水，節(jié)省了污水運輸費用， 減輕了污水處理廠的壓力。不僅如此，濕地植物選擇了具有良好景觀效果的挺水植物，多種 植物雜種，形成花圃氛圍。 但是小區(qū)建立污水回用有一定的限制條件，小區(qū)建設必須要求統(tǒng)一規(guī)劃，建筑物集中建設，管道單獨鋪設等方面。由于小區(qū)居住較集中，局部人口數(shù)量相對較密集，還要考慮景觀問題以及在處理污水的同時不會產生惡臭氣味的氣體，影響人們的正常生活。 3.2 人工濕地組合使用 不僅將人工濕地單獨地使用作為中水回用的處理工藝，也可以作為中水回用組合處理工 藝中的一部分。駐南京某部營區(qū)污水的綜合整治，為保證處理效果，同時結合地形條件， 設計了“接觸氧化+生物滴濾池+潛流人工濕地+氧化塘”的組合處理工藝，處理此營區(qū)低濃度 生活污水?？疾炝舜私M合工藝在冬季及人工濕地未種植植物的條件下，對低濃度污水有良好 的凈化效果，出水水質滿足《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質》（GB/T18921—2002） 和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A 標準要求。 葉亞玲等研究了DAF+人工濕地組合處理中小城鎮(zhèn)生活污水，研究結果表明，出水水質達到《城市污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級A 標準。并且人工濕地種植沼澤植物，可增大綠化面積，美化環(huán)境，為人們提供了貼近自然、享受自然的休閑場所。并且污水可進一步凈化，滿足回用要求，進行灌溉綠地或作物，獲得污水處理與資源化的最佳效益。 有些農村地區(qū)為了節(jié)省成本，利用當?shù)氐匦温洳畹奶攸c，可以優(yōu)先采用不需能耗的人工濕地處理技術。重慶大學羅固源等將蚯蚓引入污水土地處理系統(tǒng)，構建了新型生態(tài)污水處理技術，研究結果表明：蚯蚓的活動提高了土地處理系統(tǒng)的供氧速率有利于好氧微生物對污水的快速凈化，蚯蚓和微生物協(xié)同“作戰(zhàn)”可以提高原有污水土地處理系統(tǒng)的運行效率，蚯蚓的挖掘作用及蚓糞的堆積可以實現(xiàn)土壤的快速改良。據(jù)此，可在人工濕地的土層養(yǎng)殖蚯蚓，將會大大改善人工濕地的處理效果。另外，根據(jù)當?shù)氐匦温洳畈捎煤辖ㄊ轿鬯幚硐到y(tǒng)，池體采用磚混結構 ，可減小占地面積，節(jié)約成本。 3.3 人工濕地作為深度處理使用 對于大城市來講，由于污水處理廠規(guī)模都較大?？蓪⑽鬯畯S的二級處理污水根據(jù)回用水水質要 求進一步處理，然后再通過輸配水管網進行回用。這種方式技術設備要求高，建設規(guī)模較大，便于統(tǒng)一管理運行，能夠適應城市發(fā)展的需求，有一定的規(guī)模效益，是污水資源回用的發(fā)展趨勢。 人工濕地污水處理系統(tǒng)可將作為廢水二級處理后的深度處理，保證污水回用的質量。 廣州市流溪河沿岸某地區(qū)是一個集會議、旅游、度假為一體的多功能風景區(qū)。該地區(qū)內流溪河水系發(fā)達，水量充沛。流溪河為廣州市主要飲用水源，年流量在12-30 億m3 之間，且水質較好，沿河受到較好的保護。根據(jù)該地區(qū)的特點，設計時考慮經過污水處理廠常規(guī)二級處理后，經過濕地系統(tǒng)自然凈化，最終收集到人工蓄水湖回收利用，實現(xiàn)污水零排放。 由于此污水經過曝氣生物濾池處理后的污水污染物含量已經很低，再經過人工濕地處理系統(tǒng) 的進一步深度凈化，出水可以達到地表水環(huán)境標準（工藝流程圖見圖2）   4 結論 目前，中水回用技術雖然得到了一定的重視，并應用在一些城市和地區(qū)的區(qū)域范圍內，但是奇還存在著一些問題有待于解決。例如，我國城市污水處理效率低，直接影響了我國中水回用地全面啟動。除此以外，我國自來水水價過低，造成了水資源嚴重的浪費，也使中水回用缺乏市場競爭力。對于中水回用宣傳力度的不足，也是影響我國中水回用大力發(fā)展的主要原因之一。 針對上述在中水中所存在的問題，提出解決了一些解決方案。 ⑴我國城市污水處理效率低，尤其是在中小城鎮(zhèn)，其中經濟問題是重要的制約因素之一， 然而選擇適合的中水回用處理工藝尤為重要。例如，人工濕地對于地域面積較大，所處理的 污水濃度不高較適用，不僅如此，人工濕地污水處理技術還有一定的經濟效益與環(huán)境效益， 可以美化城市，擴大綠地面積，并且有的濕地植物具有一定的觀賞作用。 ⑵加大對中水回用的宣傳力度，使人們更多地了解我國水資源目前的現(xiàn)狀，認識到我國 水資源短缺的緊迫性，意識到中水回用的重要性。 ⑶制定合理的水費制度。將使中水的水費低于自來水的水費，并且收取一定的污染排放 費用，制定合理的獎罰制度，并在完善的監(jiān)管制度下，進行監(jiān)督。