臺灣在使用人工濕地控制非點源污染和凈化水質方面的研究

近來天然處理系統由于具有多重價值和功能，越來越多地代替傳統處理系統，用于生活、工業和農業等各種廢水的處理。天然處理系統(如人工濕地)已被認為是一種符合環保要求的控制或處理廢水的生態或綠色科技(green－technology)。天然處理系統特別有益于小社區，或是那些支付不起價格昂貴的傳統二級處理設施的工廠。與目前通常使用的傳統廢水處理設施相比，天然處理系統建設和運營成本較低。天然處理系統中，人工濕地是全球范圍內普遍采用的污水處理系統之一。依據水流設計模式，人工濕地分為水面式人工濕地(FWS)與水流側向穿過底層填料(如沙子、礫石)的潛流式人工濕地(SFS)。FWS一般包括水池或渠道，它們具有用于防滲的水下隔水層(如粘土、不透水襯砌)，土壤或者其他能支持挺水植被的合適介質，以及流經各濕地單元的相當淺的水體。

人工濕地已用來處理城市徑流及市政、工業、農業污水和礦山排出的酸性污水等。高教授等人(2001年)建造了一個試點規模的濕地系統(長40m，寬30m，深1 m)，用于控制非點源污染及進一步處理二級污水處理廠的生活尾水，濕地內種有漂浮植物和挺水植物。調查結果表明，通過濕地系統去除了暴雨徑流中80%以上的氨氮(NH3－N)、81%的化學需氧量(COD)和60%的懸浮固體(SS)。有學者于2009年構建了一個試點規模的SFS(長8.4 m，寬5.4 m，深0.45 m)，用以處理污物處理廠的尾水，該濕地種植了蘆葦和花葉蘆竹，水力負荷(HLR)設計為130mm/d。研究結果顯示，SFS系統能去除40%以上的總磷(TP)、58.1%的總氮(TN)和61%的COD。陳教授等人(2006年)利用改進的FWS，進一步處理經預處理過的養豬污水。研究中他們種植了漂浮植物，并以小顆粒石礫作底層填料。研究結果顯示，養豬污水通過常規的三級污水處理方案再接改進的FWS可以進一步處理常規污水處理系統的排放水，以使養豬污水達到排放標準。哈林頓(Harringgon)等學者(2009年)應用綜合人工濕地處理家畜污水。研究結果表明，長達8 a的研究期間，濕地去除了大約95%的TP和可溶磷以及98%的NH3－N。艾爾－卡蒂伯(EL－Khateeb)等學者(2009年)使用了一個處理訓練系統，該系統由一個升流式厭氧污泥覆蓋層反應器和處理廢水的FWS與 SFS組成。監測結果顯示，濕地出水中COD、BOD、SS、總大腸菌群(TC)、糞便大腸菌群、糞便鏈球菌、銅綠假單胞菌、沙門氏菌、總葡萄球菌及李斯特氏桿菌的濃度顯著減少。

高屏溪流域是臺灣面積最大和利用程度最高的流域。高屏溪長171 km，流域面積超過3625 km2，平均流量239 m3/s。臺灣環境保護局(TEPA)最近的水質分析表明，高屏溪已受到污染。一些主要水質指標(如BOD、SS、NH3－N、TP和大腸埃希氏菌)濃度大大超過了高屏溪的水質標準。由于畜牧業糞便處置不高、工業廢水和生活污水的排放，長期以來，高屏溪的污染物含量(如BOD、NH3－N和TP)一直居高不下，為此，合理利用河水作為飲用水源，在技術和管理方面已面臨一個新的挑戰。

自2000年以來，因為天然處理系統運行簡單，成本效率低，將其(如人工濕地)作為改善或凈化河流水質和處理廢水的替代方案成為了一個很普及的問題。研究中，選擇位于高屏溪流域下游的大樹鎮作為專題研究場地。為了改善大樹鎮當地排水系統和周圍環境生態系統的水質，2001年，TEPA、臺灣水資源局、高雄縣政府聯合倡議提出了修建120hm2的多功能人工濕地計劃。建成的人工濕地靠近高雄縣大樹鎮著名的老高屏溪鐵橋，因此取名為高屏溪鐵橋人工濕地。其進水主要來自當地的排水系統，包括未處理的生活、農業和工業廢水，以及一個造紙廠二級廢水處理廠的尾水。該濕地于2004年開始運行，據說其功能已相當健全，同時擴展了野生生物棲息地。另外，在設計和種植該人工濕地時，除了考慮其廢水處理功能外，還考慮了其旅游觀光功能。其目的主要是評估人工濕地系統在以下幾個方面的效率:①處理造紙廠常規二級污水處理廠的尾水;②處理未經處理的包含生活、農業和工業廢水的下水道污水。

1 材料與方法

圖1為高屏溪鐵橋人工濕地示意圖。該濕地有2個不同系統，分別為系統A和系統B。系統A的主要進水是經過預處理的造紙廠污水;系統B的主要進水是下水道系統的排水，包括生活、農業和工業污水。系統A包含6個(A1～A6)水池，系統B包含7個(B1～B7)水池。系統A和系統B的設計總水面面積分別為171066 m2和136516 m2，平均水深分別為0.4 m和0.5 m。每個濕地系統的第一個水池(A1或B1)用于沉淀SS。A2～A5水池和B2～B6水池用于水處理。兩個系統的最后一個水池(A6和B7)用作生態保護和野生動物棲息地。濕地水池內種植的濕地植物物種超過20種。收集并分析了2007～2009年間每個季度的A1和B1水池進水口的水樣，以及 A1、A2、A3、A6、B1、B3、B4 和 B7水池出水口的水樣，以評估濕地系統改善水質的效率。采樣位置見圖2。

在每次采樣時，都對所有水質監測站的流量進行了觀測。采用NIEA開發的方法進行流量測量。采樣用抓取方法。水樣在裝入合適的水樣瓶前，放在冰上;在分析前要冷藏樣品。對水樣進行SS、TP、TN、酸堿度(pH)、NH3－N、BOD、電導率(EC)、綠葉素A(Chl－a)、TC和DO濃度的分析。用離子色譜法分析無機營養物和陰離子，用伯金艾爾莫等離子體第2代電感耦合等離子體－氬發射光譜儀按標準方法進行陽離子分析。采樣現場進行DO、氧化還原電位(Eh)、pH、EC和水溫的監測。用1003 pH/Eh多參數水質分析儀測量pH和Eh，用奧利安(840型)DO測量儀測量DO和水溫，用SC－120便攜式電導儀測量EC。水質分析按標準進行。

運用以下的一階衰減模型來確定該人工濕地系統的一階衰減速率:

式中Ce為出水平均濃度;C0為進水平均濃度;k為取決于溫度的衰減率常數，d－1;t為水力停留時間(HRT)，d。

圖1 系統A和系統B分布示意

圖2 系統A和系統B采樣點位置示意

用上述主要水質參數的進出水平均濃度確定濕地處理效率。水力負荷速率(HLR或q，單位m/d)、HRT、污染物負荷率(PLR，單位gm2/d)、去除速率(RR，單位gm2/d)和去除率(RE，單位%)用以下方程確定:

式中Q為平均流量，m3/d;A為濕地面積，m2;V為濕地體積，m3。

為了評估人工濕地除污性能，還進行了統計分析。結果用均值±標準偏差來描述。應用統計盒須圖(示意圖)來評估主要污染物濃度測量值的分布。這些盒內中間分隔線的上下部分分別封裝進水和出水濃度數據的四分位數。針須(盒子上下擴大)表示最大值和最小值，分別在該盒上下部分四分位數的1.5倍之內。

2 結果與分析

2007～2009年間9次監測結果統計分析表明，水池A1的平均進水流量、系統A的HLR及HRT分別為13454 m3/d、0.08 m/d 和5.5 d。水池B1 的平均進水流量、系統B的HLR及HRT分別為5309 m3/d、0.04 m/d和13.3 d。表1 給出了系統 A 和系統 B 的進出水中污染物 SS、BOD、TN、TP、TC、RE 的濃度。圖3采用統計盒須圖，說明系統A和系統B出水中污染物SS、BOD、TN、TP、TC的濃度分布。結果表明，5種水質指標的RE存在顯著差異。TC進水濃度下降最多，濕地系統對處理SS沒有效果。系統A和系統B中BOD和TC的去除率分別超過48%和96%。這表明，微生物的存在和物理/化學過程可能有助于去除污染物，因為濕地系統為微生物的生長創造了適宜的環境，總氮去除比較明顯(系統A為52%，系統B為61%)。而TP的去除率不一致，可能是由于沉積物中TP的釋放造成的。可通過植物吸收和沉淀來去除TP，當HRT為13.3 d時，系統B中TP的去除率較高。系統A中HRT為5.5 d，TP去除率較低(40%)，這與其他研究結果一致。結果表明，如果進行適當的管理和維護，人工濕地系統便能去除水體中的營養物;兩個系統的SS濃度，出水較進水均有所增加。SS濃度增加，相應的葉綠素含量較高。這表明，濕地內營養鹽濃度較高，藻類大量生長，富營養化嚴重。

表1 主要水質指標的平均進出水濃度

圖3 用統計盒須圖表示的系統A和系統B出水中污染物 SS、BOD、TN、TP、TC 濃度分布

濕地水底DO(＜0.5 mg/L)濃度較低，Eh(＜－50mV)值較小，這表明水池底部發生了好氧生物降解作用，從而導致DO和Eh值降低。與水池底部相比，水面的DO濃度和Eh值相對較高，這說明水面自然復氧和藻類作用導致濕地的DO濃度和Eh值發生顯著變化。濕地水池上層發生好氧生物降解過程，而下層出現低氧情況，這兩種情況表明，在水池內同時進行了硝化和去硝化過程。這將導致NH3－N和NO3－N濃度顯著下降。由于進水中觀測到BOD濃度較高，該研究中碳源不是去硝化過程的限制因素。結果表明，硝化和反硝化過程是氮去除的主要機制。由于水樣中pH值小于7.8，因此氨的揮發作用可忽略不計。圖4顯示了系統A和系統B中，PLR與RR以及出水中BOD、TN、TP濃度間的變化。結果表明，BOD的PLR與RR及出水濃度間存在較高的相關性。這表明進水中BOD負荷高，相應去除率也高，同時出水濃度也較高。數據分析獲得的線性回歸方程可用于評估該濕地系統對BOD的去除效果。

圖4 系統A和系統B中PLR與RR以及出水中BOD、TN、TP濃度間的變化

圖4還表明，總氮TN的PLR與RR及出水濃度間無顯著相關性。TP的觀測結果也與TN類似。這可能是由于植物吸收和吸附過程的作用，該作用是濕地系統除去營養物的主要機制。如沒有及時收割植物和清除沉積物，被去除的營養物將返回到濕地系統，這將導致成熟濕地營養物濃度增加。

在這項研究中，根據系統A和系統B中主要水質指標的衰減結果，應用一階衰減模型確定衰減率常數(k)。分析結果表明，TN的 k值(0.15/d和0.09/d)和 TP 的 k 值(0.10/d和0.09/d)與文獻中所報道的比較接近，而 BOD的 k值(0.21/d和0.08/d)比卡拉薩納西斯(Karathanasis)等學者(2004年)的研究成果低，這可能是由于進水中BOD濃度較低。若BOD進水濃度較低，衰減率相對便會較低。如濕地系統兼有野生動物棲息地和觀光旅游活動功能，則也會導致BOD濃度增加。此外，臺灣南部位于亞熱帶地區，調查期間的平均氣溫約28.5℃，遠高于北美和歐洲國家的平均溫度。由于溫度高有利于生物降解，在這一研究區域，人工濕地更適合處理廢水。因此，在夏季監測到較高濃度的BOD和營養物質去除率。

對該濕地系統的出水再用于灌溉或清洗的潛力進行了評估。由地方政府和TEPA制定的回收水再用于灌溉的水質標準如下:COD＜30mg/L，BOD＜30mg/L，EC ＜2.5 mmho/cm，SS＜30mg/L，TC ＜200CFU/100mL。分析結果表明，該濕地系統的出水不能滿足污水再利用的部分標準。因此，為了改善出水水質，滿足再利用標準，可通過降低濕地進水污染物濃度、適當的濕地維護措施及后控制系統來實現。可以采取以下措施來提高污染物去除率:①經常進行植物收割，以維持植被對營養和有機物的高效代謝吸收;②在廢水進入人工濕地系統之前，對營養物進行適當的預處理。

3 結語

高屏溪鐵橋人工濕地符合廢水凈化要求，同時又為民眾和野生動物創建了良好的環境。研究結果顯示，該濕地污染物總去除率，TC為96%，BOD為48%，營養物(如TN和TP)超過40%。BOD、TN和TP的一階衰減率計算值大于0.08/d。調查結果表明，藻類生長導致SS濃度增加。現場試驗結果還表明，濕地漂浮植物的生長是一種控制藻類生長和水體富營養化的有效的環保方法。由于該濕地進水一部分來自排水溝，排水溝的水包含生活、農業和工業廢水，應對這些廢水進行適當的預處理，以便降低進水中有機物和營養物濃度。另外還需要應用適當的后處理裝置，以改善出水水質，使其達到廢水再利用標準。研究結果表明，人工濕地方案具有開發潛力，可開發成為實際應用中符合環保要求的改善河道水質和廢水處理的替代方案。