人工湿地生态系统在城市污水回用中的可行性探讨

康军利
（西南科技大学环境工程学院 ，四川，绵阳 621002）

　　摘要：文章对我国城市污水回用的方式及存在的问题进行分析，阐述了人工湿地生态系统的机理及在污水回用中具有的高效率、低投资、低运转费、低维持技术、处理量灵活、低能耗、处理效果好等优点，提出了人工湿地生态系统在城市污水回用中是可行的。
　　关键词：人工湿地；污水回用；可行性

Preliminary Study on Wastewater Reuse by Constructed Wetland Ecology System

Kang Junli
（College of Environmental Engineering of SWUST，Sichuan，Mianyang 621002）

　　Abstract：The paper analyses the wastewater reuse pattern and its main problems in China。Elaborates the principle of constructed wetland ecology system and that constructed wetland have the advantage of high efficiency，low investment cost, low energy, low operation cost, flexible flow, easy handing in wastewater reuse。It has prospect to urban wastewater reuse。
　　Keywords：Constructed wetland； wastewater reuse；　 Preliminary

　　我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4。随着经济发展和城市化进程的加快，城市缺水问题日益突出。当前相当一部分城市水资源短缺。据统计，全国669个城市中，400个城市常年供水不足，其中110个城市严重缺水。为了解决水资源短缺的问题，污水回用工作日益受到重视，国内许多城市的污水处理厂建设了回用处理设施。但将人工湿地运用于污水回用方面，国内尚未见报道。

1 湿地的概念及人工湿地生态系统的净化机理

　　湿地是由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质以及水生生物所组成。是一具有较高的生产力和较大活性 ,处于水陆交接相的复杂的生态系统。而人工湿地则是为处理污水人为设计建造的、工程化的湿地系统 ,是通过人工挖掘 ，增加水负荷 ,并移栽植物形成的。
　　运用人工湿地处理污水可追朔到1903年 ,建在英国约克郡 Earby的被认作世界上第一处用于处理污水的人工湿地连续运行直到1992年。而人工湿地生态系统在世界各地逐渐受到重视并被运用 ,还是在70年代德国学者Kichuth提出根区法(The Root-Zone-Method)理论之后开始的。根区法理论强调高等植物在湿地污水处理系统中的作用 ,首先是它们能够为其根围的异养微生物供应氧气 ,从而在还原性基质中创造了一种富氧的微环境 ,微生物在水生植物的根系上生长 ,它们就与较高级的植物建立了共生合作关系 ,增加废水中污染物的降解速度。在远离根区的地方为兼氧和厌氧环境 ,有利于兼氧和厌氧净化作用。另一方面 ,水生植物的根的生长有利于提高床基质层的水力传导性能。
　　人工湿地生态统是由一些适合污染环境条件下生存的以大型水生植物为主的高、低等生物和处于水饱和状态的基质组成的人工复合体——污染生态系统。相对于天然湿地来说 ,其生态系统的群落结构和种群结构要简单要多 ,但其按照管理者愿意进行污水处理的功能却更强,可以说 ,这类人工湿地生态系统的生理功能 ,就在各种湿地生物的共同参与下 ,将进入湿地系统的污染物质——同时也是湿地生物的营养物质 ,经过系统内各环节的“新陈代谢”,进行分解、吸收、转化、利用 ,达到去除目的。

2 目前城市污水的主要回用方式及存在的问题

2.1 城市污水的主要回用方式
　　目前，我国城市污水深度处理或三级处理，已在应用的工艺有：混凝、沉淀、过滤等常规工艺，微絮凝过滤法以及生物接触氧化后纤维球过滤，生物炭过滤等方法。国外深度处理方法很多，主要有混凝澄清过滤法、活性炭吸附过滤法、超滤膜法、半透膜法、微絮凝过滤法、接触氧化过滤法、生物快滤池法、流动床生物氧化硝化法、离子交换、反渗透、臭氧氧化、氯吹脱、折点加氯等工艺。
　　我国传统的污水回用方法归纳有如下几种：
　　(1)经二级处理后，出水直接回用。
　　(2)污水经二级处理后，再经过滤供用水单位回用。
　　(3)污水经二级处理后，再经混凝、沉淀、过滤后回用。
　　(4)污水经二级处理后，经混合、沉淀、过滤、活性炭吸附后回用。
　　(5)污水经二级处理后，改造A／O法，经混凝、沉淀、过滤后回用。
2.2 传统污水回用方式存在的问题和不足
　　我国自20世纪80年代以来所研究和应用的污水处理回用工艺，在一定程度上缓解了局部地区严重缺水的问题，但也有一些不足。
2.2.1 处理设施复杂，运行成本较高
　　我国传统的污水回用方式，除回用于水质要求不高的途径之外，基本上是借鉴了我国给水处理的工艺，也就是在“污水厂＋传统的给水厂”模式，图1是我国环保部门推荐的以污水回用为主的典型流程示意图。

　

　　由此可以看出，要想达到污水深度处理，传统的处理设施是相当复杂的，势必要增加基建费用和处理成本。据资料报道，深圳滨河水质净化厂建成的污水回用示范工程，采用二级处理后，仅经过滤的工艺，其处理成本就达到0.22元/m³(不包括二级生化处理)。
2.2.2 处理效果受限制
　　我国污水经过二级处理后，其水质与我国地面水源水质还有许多差别，对部分污染物质的去除效果较差。
　　如二级出水进行传统混凝、沉淀处理后，可去除浊度73％～88％，SS60％～70％，色度40％～50％，BOD₅31％～77％，COD25％～40％，总磷29％～90％。研究表明，混凝—过滤法去除可生物降解的有机物比不易生物降解的有机物更多，可使二级出水的浊度由6～14NTU降至0.12NTU，总磷由1.3～2.6mg／L降至小于0.1mg／L，BOD由7～13降至1～2.5mg／L，TOC由10—11降至4.2—4.5mg／L，却不能去除氨氮。
　　活性炭可有效地去除色度、臭味，能除去水中大多数的有机污染物和某些无机物，包括某些有毒的重金属，但活性炭对THMS的去除能力较低，仅达到23％～60％。
　　膜分离中的最新技术——纳米过滤，可直接除去一切病毒，细菌和寄生虫，同时大幅度减低溶解有机物(消毒副产物的前它可去除90％～95％的THM，85％～95％的硬度和大于70％的一价离子(在操作压力为482～689 kPa时)，但对一价阳离子和分子量低于150的有机物的去除率较低，对二价和高价阳离子及分子量大于200的有机物质的选择性吸收，且运行费用在0.08～0.14美元／m^3。
2.2.3 处理量受到限制
　　受传统污水回用工艺运行费用及技术经济限制，我国现有污水回用工程处理量均较小。例如我国最大的污水处理厂——高碑店污水处理厂二期污水处理量为100万m³/d ，而中水回用系统处理规模仅1万m³/d ；天津纪庄子污水处理厂回用工程规模为2000m³/d ；青岛市谌山污水处理厂深度处理后回用规模仅为480m³/d。
　　我国城市污水排放量大约在414亿m³，但污水处理率和二级污水处理率分别为30％和15％，污水回用率比例更低。因此寻找一种经济、高效、节能、环保、适用的污水回用工艺已经刻不容缓。

3 人工湿地应用于污水回用中的优点

　　人工湿地是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面 ,它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中 ,由土壤和填料 (如砾石等 )混合组成填料床 ,废水可以在床体的填料缝隙中流动 ,或在床体的表面流动 ,并在床的表面种植具有处理性能好、成活率高、抗水性能强、成长周期长、美观及具有经济价值的水生植物 (如芦苇、茳芏等 ),形成一个独特的生态环境 ,对污水进行处理。人工湿地在污水回用上具有高效率、低投资、低运转费、低维持技术、处理量灵活、低能耗、处理效果好等优点。
3.１高效率
　　人工湿地的显著特点之一是其对有机物有较强的降解能力。二级处理后的污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用 ,可以很快地被截留而被微生物利用；污水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。有关人工湿地对二级污水处理厂出水试验的研究表明, 以二级污水处理厂出水作为原水的条件下,人工湿地对BOD₅的去除率可达85%—95%,COD去除率可达80%以上,处理出水中BOD₅的浓度在5mg/L左右,SS小于8mg/L。
　　我国大多数的二级污水处理厂出水中N、P的含量较高，湿地对Ｎ、Ｐ有很高去除率,可分别达到80%、90%以上。而传统的污水回用工艺对Ｎ、Ｐ的去除率仅能达到20%—40%。污水中的氮、磷可直接被湿地中的植物吸收,通过对植物的收割而从污水和湿地中去除,另外,氮还可通过湿地中微生物的硝化和反硝化作用去除,磷则通过微生物的积累和填料床的理化作用协同完成去除。随着处理过程的不断进行,湿地床中的微生物相应地繁殖生长,通过对湿地床填料的定期更换最终将有机物及氮、磷从系统中去除。此外，人工湿地对微量元素和病原体也有相当高的去除率。
　　深圳市环境科学研究所于1999年设计并建成的“洪湖人工湿地系统水质净化工程”,经实际运行效果很好(见表1)。

表1 洪湖人工湿地系统水质净化效果 项目 DO
/ mg/L COD_cr
/ mg/L BOD₅
/ mg/L TP
/ mg/L NH₃-N
/mg/L 原水 0.47 38.47 38.65 3.082 0.172 系统出水 6.82 6.71 5.47 0.361 0.030 去除率/％ 　 82.6 85.8 86.2 82.6

3.2 低投资、低运行费、低维持技术
　　据国外统计,一般湿地系统在污水处理方面的投资和运行费用仅为传统的二级污水厂的1/10—1/2。对我国已建成或正在建的常规生化二级水处理厂投资进行分析,也表明人工湿地的投资远远低于常规二级水处理设施(见表2)。

表2 人工湿地与其他污水处理工艺经济比较 项目 处理方式 总投资
（万元） 吨水投资
（元/t） 年运行费用
（万元） 吨水处理成本
（元/t） 年耗电
（万度） 吨水耗电
（度/t） 吨水用地
（m²/t） 深圳某水质净化厂 鼓风曝气 3300 660 >100 >0.20 319 0.175 2.0 珠海某水质净化厂 鼓风曝气 1500 883 >100 >0.20 420 0.64 1.0 海南某水质净化厂 氧化沟 574 574 36.5 0.20 102.4 0.28 1.2 白泥坑人工湿地处理系统 人工湿地 4.89 138 2.0 0.02 0 0 2.7

　　在污水回用方面，由于人工湿地工艺无需曝气、投加药剂和回流污泥,也没有剩余污泥产生,因而可大大节省运行费用,通常只消耗少量电能,用于提高进水水位(如果水位无需提升则无此项费用),处理费用一般不会超过0 05元/ｍ³，据国外有关资料研究表明人工湿地污水回用工程处理费用在美国约为2.5～25美元/1000吨。
　　至于维护技术,由于人工湿地基本上不需要机电设备,故维护上只是清理渠道及管理作物,一般农民完全可以承担,只需个别专业人员定期检查。高昂的运行费用常常是我国开展污水回用的限制条件,而人工湿地则避免了这些缺点。
　　实践证明,低投资、低运行费用和低维护技术将使我国广大（特别是西部缺水地区）采用人工湿地进行污水回用成为可能。
3.3 低能耗
　　人工湿地基本上不耗能,这是其它处理方法无法与之相比的(表2)。而且其它水处理工艺的能耗不仅是经济问题,同时也是环境问题,因为耗能过程中产生的CO₂、SO₂等气体,还会污染大气环境。
3.4 处理量灵活
　　人工湿地可根据污水处理厂的规模，可大可小、就地利用；另外，建设施工方便，处理构筑物、处理设备少。
3.5 处理效果好
　　出水水质可以因植物池内填料的不同达到《地面水环境质量标准》(ＧＢ3838-88)Ⅱ类至Ⅴ类标准,处理后的水可用作饮用水水源和景观用水的湖泊、水库或河流中,亦可用作冲厕、洗车、灌溉、绿化及工业回用等。
　 另外，由于植物池内种植的是湿地植物,如果选择合适的植物品种可以美化环境,改善地面景观。

4 结论

4.1 与传统的污水回用工艺相比，人工湿地系统水质净化技术是一种生态工程方法,该技术简便易行,工艺先进,运行可靠,操作简单,运行管理费用低廉,并且不会对环境产生影响，在城市污水回用方面是可行的。
4.2 因植物生长的环境温度不宜低于5℃,因而该技术更适合于我国南方地区的水质净化。
4.3 该处理系统的缺点是占地面积较大。

参考文献

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作者简介：康军利（1978—），男，河北石家庄人，现工作于西南科技大学环境工程学院，主要从事水污染控制方向的教学和科研工作。
通讯地址：四川绵阳西南科技大学环境工程学院，621002　　　 联系电话：0816－6921675，2694873（h）
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