台湾在使用人工湿地控制非点源污染和净化水质方面的研究

近来天然处理系统由于具有多重价值和功能，越来越多地代替传统处理系统，用于生活、工业和农业等各种废水的处理。天然处理系统(如人工湿地)已被认为是一种符合环保要求的控制或处理废水的生态或绿色科技(green－technology)。天然处理系统特别有益于小社区，或是那些支付不起价格昂贵的传统二级处理设施的工厂。与目前通常使用的传统废水处理设施相比，天然处理系统建设和运营成本较低。天然处理系统中，人工湿地是全球范围内普遍采用的污水处理系统之一。依据水流设计模式，人工湿地分为水面式人工湿地(FWS)与水流侧向穿过底层填料(如沙子、砾石)的潜流式人工湿地(SFS)。FWS一般包括水池或渠道，它们具有用于防渗的水下隔水层(如粘土、不透水衬砌)，土壤或者其他能支持挺水植被的合适介质，以及流经各湿地单元的相当浅的水体。

人工湿地已用来处理城市径流及市政、工业、农业污水和矿山排出的酸性污水等。高教授等人(2001年)建造了一个试点规模的湿地系统(长40m，宽30m，深1 m)，用于控制非点源污染及进一步处理二级污水处理厂的生活尾水，湿地内种有漂浮植物和挺水植物。调查结果表明，通过湿地系统去除了暴雨径流中80%以上的氨氮(NH3－N)、81%的化学需氧量(COD)和60%的悬浮固体(SS)。有学者于2009年构建了一个试点规模的SFS(长8.4 m，宽5.4 m，深0.45 m)，用以处理污物处理厂的尾水，该湿地种植了芦苇和花叶芦竹，水力负荷(HLR)设计为130mm/d。研究结果显示，SFS系统能去除40%以上的总磷(TP)、58.1%的总氮(TN)和61%的COD。陈教授等人(2006年)利用改进的FWS，进一步处理经预处理过的养猪污水。研究中他们种植了漂浮植物，并以小颗粒石砾作底层填料。研究结果显示，养猪污水通过常规的三级污水处理方案再接改进的FWS可以进一步处理常规污水处理系统的排放水，以使养猪污水达到排放标准。哈林顿(Harringgon)等学者(2009年)应用综合人工湿地处理家畜污水。研究结果表明，长达8 a的研究期间，湿地去除了大约95%的TP和可溶磷以及98%的NH3－N。艾尔－卡蒂伯(EL－Khateeb)等学者(2009年)使用了一个处理训练系统，该系统由一个升流式厌氧污泥覆盖层反应器和处理废水的FWS与 SFS组成。监测结果显示，湿地出水中COD、BOD、SS、总大肠菌群(TC)、粪便大肠菌群、粪便链球菌、铜绿假单胞菌、沙门氏菌、总葡萄球菌及李斯特氏杆菌的浓度显著减少。

高屏溪流域是台湾面积最大和利用程度最高的流域。高屏溪长171 km，流域面积超过3625 km2，平均流量239 m3/s。台湾环境保护局(TEPA)最近的水质分析表明，高屏溪已受到污染。一些主要水质指标(如BOD、SS、NH3－N、TP和大肠埃希氏菌)浓度大大超过了高屏溪的水质标准。由于畜牧业粪便处置不高、工业废水和生活污水的排放，长期以来，高屏溪的污染物含量(如BOD、NH3－N和TP)一直居高不下，为此，合理利用河水作为饮用水源，在技术和管理方面已面临一个新的挑战。

自2000年以来，因为天然处理系统运行简单，成本效率低，将其(如人工湿地)作为改善或净化河流水质和处理废水的替代方案成为了一个很普及的问题。研究中，选择位于高屏溪流域下游的大树镇作为专题研究场地。为了改善大树镇当地排水系统和周围环境生态系统的水质，2001年，TEPA、台湾水资源局、高雄县政府联合倡议提出了修建120hm2的多功能人工湿地计划。建成的人工湿地靠近高雄县大树镇著名的老高屏溪铁桥，因此取名为高屏溪铁桥人工湿地。其进水主要来自当地的排水系统，包括未处理的生活、农业和工业废水，以及一个造纸厂二级废水处理厂的尾水。该湿地于2004年开始运行，据说其功能已相当健全，同时扩展了野生生物栖息地。另外，在设计和种植该人工湿地时，除了考虑其废水处理功能外，还考虑了其旅游观光功能。其目的主要是评估人工湿地系统在以下几个方面的效率:①处理造纸厂常规二级污水处理厂的尾水;②处理未经处理的包含生活、农业和工业废水的下水道污水。

1 材料与方法

图1为高屏溪铁桥人工湿地示意图。该湿地有2个不同系统，分别为系统A和系统B。系统A的主要进水是经过预处理的造纸厂污水;系统B的主要进水是下水道系统的排水，包括生活、农业和工业污水。系统A包含6个(A1～A6)水池，系统B包含7个(B1～B7)水池。系统A和系统B的设计总水面面积分别为171066 m2和136516 m2，平均水深分别为0.4 m和0.5 m。每个湿地系统的第一个水池(A1或B1)用于沉淀SS。A2～A5水池和B2～B6水池用于水处理。两个系统的最后一个水池(A6和B7)用作生态保护和野生动物栖息地。湿地水池内种植的湿地植物物种超过20种。收集并分析了2007～2009年间每个季度的A1和B1水池进水口的水样，以及 A1、A2、A3、A6、B1、B3、B4 和 B7水池出水口的水样，以评估湿地系统改善水质的效率。采样位置见图2。

在每次采样时，都对所有水质监测站的流量进行了观测。采用NIEA开发的方法进行流量测量。采样用抓取方法。水样在装入合适的水样瓶前，放在冰上;在分析前要冷藏样品。对水样进行SS、TP、TN、酸碱度(pH)、NH3－N、BOD、电导率(EC)、绿叶素A(Chl－a)、TC和DO浓度的分析。用离子色谱法分析无机营养物和阴离子，用伯金艾尔莫等离子体第2代电感耦合等离子体－氩发射光谱仪按标准方法进行阳离子分析。采样现场进行DO、氧化还原电位(Eh)、pH、EC和水温的监测。用1003 pH/Eh多参数水质分析仪测量pH和Eh，用奥利安(840型)DO测量仪测量DO和水温，用SC－120便携式电导仪测量EC。水质分析按标准进行。

运用以下的一阶衰减模型来确定该人工湿地系统的一阶衰减速率:

式中Ce为出水平均浓度;C0为进水平均浓度;k为取决于温度的衰减率常数，d－1;t为水力停留时间(HRT)，d。

图1 系统A和系统B分布示意

图2 系统A和系统B采样点位置示意

用上述主要水质参数的进出水平均浓度确定湿地处理效率。水力负荷速率(HLR或q，单位m/d)、HRT、污染物负荷率(PLR，单位gm2/d)、去除速率(RR，单位gm2/d)和去除率(RE，单位%)用以下方程确定:

式中Q为平均流量，m3/d;A为湿地面积，m2;V为湿地体积，m3。

为了评估人工湿地除污性能，还进行了统计分析。结果用均值±标准偏差来描述。应用统计盒须图(示意图)来评估主要污染物浓度测量值的分布。这些盒内中间分隔线的上下部分分别封装进水和出水浓度数据的四分位数。针须(盒子上下扩大)表示最大值和最小值，分别在该盒上下部分四分位数的1.5倍之内。

2 结果与分析

2007～2009年间9次监测结果统计分析表明，水池A1的平均进水流量、系统A的HLR及HRT分别为13454 m3/d、0.08 m/d 和5.5 d。水池B1 的平均进水流量、系统B的HLR及HRT分别为5309 m3/d、0.04 m/d和13.3 d。表1 给出了系统 A 和系统 B 的进出水中污染物 SS、BOD、TN、TP、TC、RE 的浓度。图3采用统计盒须图，说明系统A和系统B出水中污染物SS、BOD、TN、TP、TC的浓度分布。结果表明，5种水质指标的RE存在显著差异。TC进水浓度下降最多，湿地系统对处理SS没有效果。系统A和系统B中BOD和TC的去除率分别超过48%和96%。这表明，微生物的存在和物理/化学过程可能有助于去除污染物，因为湿地系统为微生物的生长创造了适宜的环境，总氮去除比较明显(系统A为52%，系统B为61%)。而TP的去除率不一致，可能是由于沉积物中TP的释放造成的。可通过植物吸收和沉淀来去除TP，当HRT为13.3 d时，系统B中TP的去除率较高。系统A中HRT为5.5 d，TP去除率较低(40%)，这与其他研究结果一致。结果表明，如果进行适当的管理和维护，人工湿地系统便能去除水体中的营养物;两个系统的SS浓度，出水较进水均有所增加。SS浓度增加，相应的叶绿素含量较高。这表明，湿地内营养盐浓度较高，藻类大量生长，富营养化严重。

表1 主要水质指标的平均进出水浓度

图3 用统计盒须图表示的系统A和系统B出水中污染物 SS、BOD、TN、TP、TC 浓度分布

湿地水底DO(＜0.5 mg/L)浓度较低，Eh(＜－50mV)值较小，这表明水池底部发生了好氧生物降解作用，从而导致DO和Eh值降低。与水池底部相比，水面的DO浓度和Eh值相对较高，这说明水面自然复氧和藻类作用导致湿地的DO浓度和Eh值发生显著变化。湿地水池上层发生好氧生物降解过程，而下层出现低氧情况，这两种情况表明，在水池内同时进行了硝化和去硝化过程。这将导致NH3－N和NO3－N浓度显著下降。由于进水中观测到BOD浓度较高，该研究中碳源不是去硝化过程的限制因素。结果表明，硝化和反硝化过程是氮去除的主要机制。由于水样中pH值小于7.8，因此氨的挥发作用可忽略不计。图4显示了系统A和系统B中，PLR与RR以及出水中BOD、TN、TP浓度间的变化。结果表明，BOD的PLR与RR及出水浓度间存在较高的相关性。这表明进水中BOD负荷高，相应去除率也高，同时出水浓度也较高。数据分析获得的线性回归方程可用于评估该湿地系统对BOD的去除效果。

图4 系统A和系统B中PLR与RR以及出水中BOD、TN、TP浓度间的变化

图4还表明，总氮TN的PLR与RR及出水浓度间无显著相关性。TP的观测结果也与TN类似。这可能是由于植物吸收和吸附过程的作用，该作用是湿地系统除去营养物的主要机制。如没有及时收割植物和清除沉积物，被去除的营养物将返回到湿地系统，这将导致成熟湿地营养物浓度增加。

在这项研究中，根据系统A和系统B中主要水质指标的衰减结果，应用一阶衰减模型确定衰减率常数(k)。分析结果表明，TN的 k值(0.15/d和0.09/d)和 TP 的 k 值(0.10/d和0.09/d)与文献中所报道的比较接近，而 BOD的 k值(0.21/d和0.08/d)比卡拉萨纳西斯(Karathanasis)等学者(2004年)的研究成果低，这可能是由于进水中BOD浓度较低。若BOD进水浓度较低，衰减率相对便会较低。如湿地系统兼有野生动物栖息地和观光旅游活动功能，则也会导致BOD浓度增加。此外，台湾南部位于亚热带地区，调查期间的平均气温约28.5℃，远高于北美和欧洲国家的平均温度。由于温度高有利于生物降解，在这一研究区域，人工湿地更适合处理废水。因此，在夏季监测到较高浓度的BOD和营养物质去除率。

对该湿地系统的出水再用于灌溉或清洗的潜力进行了评估。由地方政府和TEPA制定的回收水再用于灌溉的水质标准如下:COD＜30mg/L，BOD＜30mg/L，EC ＜2.5 mmho/cm，SS＜30mg/L，TC ＜200CFU/100mL。分析结果表明，该湿地系统的出水不能满足污水再利用的部分标准。因此，为了改善出水水质，满足再利用标准，可通过降低湿地进水污染物浓度、适当的湿地维护措施及后控制系统来实现。可以采取以下措施来提高污染物去除率:①经常进行植物收割，以维持植被对营养和有机物的高效代谢吸收;②在废水进入人工湿地系统之前，对营养物进行适当的预处理。

3 结语

高屏溪铁桥人工湿地符合废水净化要求，同时又为民众和野生动物创建了良好的环境。研究结果显示，该湿地污染物总去除率，TC为96%，BOD为48%，营养物(如TN和TP)超过40%。BOD、TN和TP的一阶衰减率计算值大于0.08/d。调查结果表明，藻类生长导致SS浓度增加。现场试验结果还表明，湿地漂浮植物的生长是一种控制藻类生长和水体富营养化的有效的环保方法。由于该湿地进水一部分来自排水沟，排水沟的水包含生活、农业和工业废水，应对这些废水进行适当的预处理，以便降低进水中有机物和营养物浓度。另外还需要应用适当的后处理装置，以改善出水水质，使其达到废水再利用标准。研究结果表明，人工湿地方案具有开发潜力，可开发成为实际应用中符合环保要求的改善河道水质和废水处理的替代方案。