人工濕地凈化低污染水研究概況

王話翔

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335）

1 引言

人工濕地（Constructed Wetland，CW）是由人工建造、運維，通過填料（含土壤）、植物、微生物“模擬”的自然濕地，并在物理、化學、生物的協同作用下凈化水體的處理系統［1］。近年來，人工濕地在水污染治理中的作用越來越顯著，被廣泛應用在河道治理、污水廠尾水、工業廢水、農村生活污水處理等方面。我國最早的人工濕地技術規范為2009 年頒布的RISNTG 006—2009《人工濕地污水處理技術導則》，隨后在2010 年與2017 年分別頒布了HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術規范》、CJJ/T 54—2017《污水自然處理工程技術規程》，同時全國各地也頒布了一些人工濕地處理技術規范，涉及城鎮污水、污水廠尾水、湖泊、農村污水等水體的處理。

為推進美麗中國建設，完成“十四五”期間由水環境質量管理到水生態健康管理的目標，實現污水的資源化利用，生態環境部于2021 年4 月印發了《人工濕地水質凈化技術指南》（以下簡稱《指南》），聚焦處理低污染水體的人工濕地凈化技術的設計、施工驗收、運維，旨在促進再生水的循環利用，解決人工濕地設計、建設等環節統一性較差等問題。《指南》印發前，全國各地有許多試點將人工濕地建設在河流干支交匯處、污水廠尾水排放口下游等地。

2 低污染水的概念與特征

2.1 低污染水的概念

低污染水在《指南》中被定義為污水廠尾水、微污染河水（污染物濃度劣于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類水、好于GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級限值）、農田退水等水體。同時城鎮地表徑流、農業徑流污水（含農村分散污水）等性質相似的水體也被稱為低污染水［2］。低污染水相較于污染較為嚴重的水危害性低，但在水體由治理到提升的轉變過程中具有重要意義。低污染水處理的興起最早可追溯到20 世紀20 年代，最初為解決淡水資源的匱乏，以色列形成了具有特色的低污染水處理技術，如臭氧氧化技術、生物濾池技術，日本于20 世紀60 年代開始著手尾水的深度處理，并開發出超臨界水氧化、膜生物反應器與膜分離等技術，新型的膜技術如納濾膜、超濾膜后期也被大量應用于低污染水的處理［3］。我國最早是在星云湖、撫仙湖等湖泊水污染治理中形成低污染水的概念，在之后的發展中才逐步擴展到河流水體的治理中［4］。我國區域低污染水的水量大，采用膜技術等運行管理成本較高、過程比較繁瑣，不符合現階段發展要求，在尋求成本低、便于管理的技術過程中，生態凈化技術逐漸進入人們的視野，并形成以人工濕地為代表的凈化技術在國內推廣應用。

2.2 低污染水的特征

2.2.1 水體總量高，來源廣

隨著社會發展與居民生活質量的提高，我國在工業企業以及居民生活等方面用水量激增，見圖1。根據住建部公布的數據，進入21 世紀以后，我國的污水年排放量由2000 年的331.80 億m3增長到2019 年的554.65 億m3，增長了67.17%。為滿足發展用水與生態環境之間的平衡，污水的處理能力也日漸提高，2019 年污水處理量已經達到了525.85 億m3，處理率由2000 年的僅34.25%提升到2019 年的96.81%，大幅減少了污水直排進入水環境中。雖然污水處理率有了較大的提升，但是大量的污水廠處理后的尾水、農業區域散排污水以及城鎮化進程中雨水地表徑流等，所攜帶的污染負荷較高，受區域、溫度、降水等影響污染程度隨機性也較大，仍對環境存在較大的威脅［5］。

圖1 我國近年來污水年排放量與處理率

2.2.2 碳氮比較低，可生化性較差

目前低污染水中碳氮比較低，一方面主要是由于含氮物質的大量使用，另一方面是在污水生物脫氮的過程中大量消耗碳源［5］，經過污水廠處理后的尾水含有較多的硝化細菌，反硝化反應受到抑制，導致含氮物質去除能力低于碳源的去除。農業生產生活中氮磷物質較多，《第二次全國污染源普查公報》數據顯示，農業中總氮的排放量為141.49 萬t，占總排放量的46.5%，其中種植業流失達到了51%，農業中總磷排放21.2 萬t，占總排放量的67.2%［6］。衡量水體的可生化性好壞一般用BOD5/CODCr（B/C）表示，當B/C 值大于0.3 時說明可生化性較好。我國城鎮污水的可生化性呈現南高北低、東高西低的特點，雨季的污水可生化性差于非雨季，初期雨水等徑流污染的濃度較高、可生化性較差，而污水經過生化處理后的尾水可生化性也出現明顯降低，B/C 平均值低于0.3［7-8］。

2.2.3 集中性較弱，存在突發性

與傳統的污水集中處理不同，低污染水存在一定的分散性，徑流污染突發性較強。河流低污染治理區別于污水的集中處理，一般情況下，河網水系水質會受上游及支流污染、溫度、降水、河道連通性及流動性等因素影響［9］。河流水質監測不能實時、全面反映實際水體污染情況，汛期降水可能會造成突發性城市地表徑流及農業徑流污染，表1 為在各地區監測所得到的部分相關數據，可發現徑流帶來的突發性污染劣于Ⅴ類水標準，形成較為分散的面源污染。

表1 不同區域徑流污染物濃度 mg/L

3 人工濕地在低污染水凈化中的應用

2021 年印發的《指南》為了達到因地制宜的目的，將低污染水的人工濕地凈化技術標準按地區氣候分為嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區、溫和地區?！吨改稀穼θ斯竦氐墓に嚦杀?、不同污染去除能力、占地面積等方面做出了較為詳細的方案比選，對不同分區的植物種類做出推薦，并根據分區明確了表面流人工濕地（SFCW）、水平潛流人工濕地（HFCW）、垂直流人工濕地（VFCW）的水力停留時間，污染物削減負荷等主要設計參數。在《指南》印發前，我國已在多地進行了低污染水的人工濕地凈化技術試驗，以下從常見的低污染水類型淺談人工濕地在其中的應用。

3.1 人工濕地在污水廠尾水處理中的應用

在低污染水中，污水廠尾水排放相對集中，對污水廠尾水的深度凈化可減少入河（湖）污染的壓力，回補地表水［15］，并且可以實現污水的資源化利用。許多污水廠會在尾水入河（湖）前通過濕地工藝凈化水質，如湖北宜昌某園區利用低洼地勢建立礫石床＋表流濕地＋凈化塘的工藝,處理太平溪污水廠的尾水以及附近生活區雨水，初步監測水質有明顯提升。浙江近年來大力推廣“一廠一濕地”的污水廠尾水處理模式，聚焦氮、磷污染物的去除。廣西某污水廠利用VFCW＋HFCW＋氧化塘的工藝處理尾水，復合濕地對COD，TN，TP 的去除率分別達到了58.28%，49.90%，51.86%［16］。王楠等［17］采用HFCW＋SFCW 工藝處理污水廠尾水，COD，TN，TP 的去除率分別達到了35.7%，52.8%，53.6%。北京近郊某多介質人工濕地采用不同粒徑與鋪設厚度的填料層設計，尾水中COD，TN，TP 的去除率分別達到了47.3%，58.5%，57. 1%，其中COD 與TN 處理后達到Ⅰ類水標準，TP 達到Ⅲ類水標準，同時處理后的水作為景觀用水回用補充到周圍園區，實現了低污染水的資源化利用［18］。

3.2 人工濕地在河湖治理中的應用

河湖的污染來源相對較為復雜，除所承接的尾水、徑流水體等污染源，還存在一些內源污染、上游或支流污染等，異位人工濕地河道修復技術因其運行費用低、出水水質穩定等優點被逐漸應用到河道水體的治理中。如安徽六安市蘇大堰河道工程（在建）便采用了人工濕地＋凈化塘的工藝，旨在處理上游為污水廠尾水排口的蘇大堰河道，從而深度凈化水質。河南某淮河流域部分河道水體采用了曝氣＋SFCW＋VFCW＋穩定塘的工藝異位處理，測得該工藝對COD，NH3－N，TP 的去除率分別達到了39.52%，55.53%，35.79%，年平均水質指標濃度可達到Ⅳ類水［19］。山西晉城巴公河采用SFCW＋VFCW 工藝處理河道水體，試運行期間COD，NH3－N，TP 去除率達到了60%～70%，大部分指標達到地表水Ⅳ類標準，運用低成本工藝實現了水體的深度凈化［20］。另外，在山東海子河、遼寧條子河等區域均有人工濕地凈化河道的案例［21］。利用人工濕地解決低污染河道問題是黑臭水體階段性治理后深度凈化水體的有效方式，對可持續發展與生態保護有著重要意義。

3.3 人工濕地在徑流污染控制中的應用

徑流污染一般分為城鎮地表徑流污染以及農業徑流污染，而農業徑流污染又包含種植業、畜禽養殖業、農村生活等污染，主要是農業生產生活中流失的農藥、化肥以及無組織污染源在降水或灌溉過程中的徑流污染［22］。國外在分散污水的人工濕地技術凈化上比較成熟，21 世紀初美國、法國、英國等國便形成了成熟的人工濕地技術與管理模式，用于處理農村生產生活污水［23-24］，同時英國的可持續排水系統也將人工濕地作為住宅、公路等區域徑流雨水的深度凈化，澳大利亞則以人工濕地代替傳統的雨水調蓄池凈化合流排水系統的溢流污染［25］。我國也有較多的利用人工濕地處理徑流低污染水的案例，楊敦等［26］利用潛流濕地處理暴雨徑流，COD，TN，TP 去除率分別達到了87.13%，97.33%，77.29%；董怡華等［27］通過構建植物塘－人工濕地復合系統，成功去除 農 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］在海綿城市建設中設計了多種雨水人工濕地，對比發現蘆葦＋沸石濕地對COD，TN 去除率分別達到86.54%，89.46%。

4 總結與展望

低污染水因其水量大、碳氮比低、可生化性差、突發性強等特點，在水污染治理中逐漸被重視，各地相繼探索出不同類型的人工濕地深度凈化技術，并被應用在污水廠尾水、河湖水體、徑流污染等低污染水的治理中。在今后的水體治理中，低污染水的治理是提升水質的重要因素，要在現有的基礎上不斷總結經驗，優化人工濕地處理低污染水的相關技術。

4.1 明確治理目標

建造人工濕地處理低污染水，要因地制宜、確定水體類型、堅持生態優先。目前人工濕地存在較多用于處理污水的情況，而較高濃度的污水容易使人工濕地系統不能按照設計目標運行，產生異味，在開放水面區域還可能會暴發藻類?！吨改稀分忻鞔_提出針對低污染水的人工濕地凈化技術，提高人工濕地的運行效率，主要目的為改善水質，而不作為污水直接的處理設施。在低污染水體的治理中要明確水體的“性質”，不能污水、低污染水混為一談，嚴格把控人工濕地進水水質，根據不同地區進行劃分，結合現場地形與水質等因素合理選擇濕地組合以及設計參數。

4.2 科學建設與管理

嚴格執行驗收標準，健全運行維護機制并落實。在以往的部分人工濕地案例中出現過濕地植物死亡、水質異常、運行堵塞等現象，多數是由于建設不科學、驗收不嚴格或管理維護不當，而人工濕地是人工模擬的濕地，生態系統相對較為脆弱，要制定具體、高效、可操作性強的管理制度，《指南》中針對運維管理提出了較為系統的管理方式，對人工濕地的后期管理具有重要意義。

4.3 建立數據系統

未來在水治理方面將更加重視生態治理，人工濕地凈化低污染水技術也一定會進一步凸顯其作用。在今后的人工濕地設計、運行或者管理上要著重于人工濕地的數據庫建設、系統性管理等方面，將“分散”的人工濕地統一起來，不僅便于今后的管理，也有助于為新建濕地總結經驗，完善工藝流程。