人工湿地在中水回用中的应用研究

摘 要：我国是一个严重缺水的国家，中水回用技术则是解决我国水资源供需矛盾的问题。首先简单介绍了中水的定义、中水回用的处理工艺以及人工湿地的定义与类型。然后重点介 绍了人工湿地在我国中水回用中的应用实例，最后提出了中水回用在我国的问题与解决方法。 关键词：人工湿地；中水回用；应用 0 引言 我国是一个严重缺水的国家，人均水资源量仅为2238.6m3，排在世界第109 位，只相当于世界人均占有量的1/4，属于水资源脆弱国，是世界人均水资源极少的13 个贫水国之一。在全国669 个城市中，有110 个严重缺水，日缺水量1600 万m3，每年因缺水造成工业产值损失2300 多亿元。生活用水的人均使用量为50-300L/d，其中直接饮用或食用以满足生理需求的消耗量仅占5L/d 左右，其余大部分的水主要用于洗涤、冲厕等卫生目的，使用后会携带多种污染物。 为了解决我国日益突出的水资源供需矛盾，主要从两个方面着手解决：一方面需要节约利用有限的水资源，另一方面则更应积极推进污水的回收利用技术，走水资源利用的可持续发展道路。中水回用技术正是符合这一目标的技术，并且它有着投资省、见效快、运营成本低等特点。 1 中水与中水回用 1.1 中水的定义 中水（reclaimed water）主要是指城市污水或生活污水经处理后达到一定的水质标准、可在一定范围内重复使用的非饮用杂排水，其水质介于上水与下水之间，是水资源有效利用的一种形式。 现实生活中，中水回用具有很强的经济优势，美国曾经拿城市污水和海水作比较，前者含0.1％污染物，而后者则含有3.5％的溶解盐 ，还有大量的有机物质 ，因而采用海水淡化 获取水源的基建费和单位成本都超过污水回用的费用。由于回用水一般是就近采用，所以较新鲜水的长途管道运输而言，成本较低，同时城市污水经二级处理后回用，相应也就减少了向水域的排放量，带来了可观的环境效益，这些环境效益和经济效益是统一的。 实践表明，水回用在技术上、经济上都是可行的，已成为一些缺水国家和地区解决水危机的有效途径，具有重大的经济效益、社会效益和环境效益。美国有357 个城市实现了污水处理后再利用；日本从20 世纪60 年代起一直大力研究和推广城市回用和中水技术，广泛供给工厂、企业和居民小区“中水道”冲洗厕所及杂用；南非在1986 年建成了世界上第一座城市污水“再生水”厂，用作城市自来水的补充水源。 1.2 中水回用水源 中水的水源较广，但对建筑中水而言，其水源一般包括盥洗排水、沐浴排水、洗衣排水、 厨房排水和厕所排水等。若考虑到处理费用和处理的难易程度，对其选用的先后顺序一般为： 沐浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、厕所排水。在进行建筑中水系统的设计时，应 根据实际情况，集流一种或多种排水作为中水水源，常见组合有以下几种情况：①空调系统 排水、盥洗排水和沐浴排水等，其污染程度较轻，称为优质杂排水，在设计时应优先选择其 作为中水水源；②冲厕以外的生活排水组合，其污染程度中等，称为杂排水；③所有生活排 水的总称，其污染程度最重，称为生活污水，由于其处理费用较高，且难处理，所以在设计 时应尽量不采用其作为中水水源。就目前情况来看，我国现有的建筑中水回用系统采用的水 源几乎都是优质杂排水或杂排水。 1.3 中水回用处理方式 目前，我国城市污水深度处理或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。我国传统的污水回用方法归纳有如下几种： (1)污水经二级处理后，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 ，经改造 A／O 法混凝、沉淀、过滤后回用。 但是传统污水回用方式存在着处理设施差，运行成本较高，处理效果与处理量受限等缺点。所以需要寻找一种更经济、节能的处理方式。 2 人工湿地 2.1 人工湿地的定义 人工湿地（constructed wetland）是一词最早是由澳大利亚的Mackney 于1904 年提出的，是指人工建造和监督控制的、工程化的沼泽地[1]．但真正为污水处理目的而建造的湿地直到20 世纪70 年代才开展起来，“人工湿地” 或类似的术语也在此时才开始相继问世．1989 年美国著名的湿地研究、设计与管理专家Hammer[3]等人将人工湿地定义为：一个为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植物、动物和水成的复合体（complex）．但是我国的夏汉平[4]认为此定义存在不必要的重复，且尚不完全他认为人工湿地是指通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地形，根据人 们的需要人为设计与建造的湿地． 2.2 人工湿地的分类 根据植物的存在状态，人工湿地主要分为三种类型：浮水植物系统，沉水植物系统， 挺水植物系统[28]。 其中，浮水植物系统有一些潜在的缺点。一方面在此系统中的植物为一种或少数几种，易受到短时间内部分或全部植物死亡，造成灾害性事件损害；另一方面，因为去除营养物和维持植物最佳生长率而进行的收割，然而这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处理。所以，造成了此系统不能广泛的应用。而沉水植物系统目前主要处于试验阶段，该系统水生植物完全淹没于水中，系统中的水的浊度不能太高，否则会影响植物的光合作用。因此，此系统适用于处理二级出水的高级处理。 挺水植物系统主要以挺水植物为主，植物根系发达，可通过根系向基质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖，便于污染物的多途径降解，目前人工湿地主要指挺水植物系统。按污水在湿地流动的方式不同可分为表面流湿地，潜流湿地和垂直流湿地． ⑴表面流人工湿地(Surface Flow Wetlands 缩写为SFW)：污水在湿地表面漫流，形成一 层地表水流并从地表流出．它与自然湿地最为接近，绝大部分有机物的去除是由生长在植物 水下的茎、杆上的生物膜来完成．这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低 等优点． 这种湿地不能充分利用填料及丰富的植物根系，夏季容易滋生蚊蝇，产臭味，冬季在寒 冷地区易发生表面结冰影响处理效果，卫生条件亦不行，故设计中一般不采用． ⑵潜流人工湿地 (Subsurface Flow Wetlands 缩写为SSFW)：污水经配水系统在湿地的一端均匀进入填料床植物的根区，在湿地床内部流动，净化的出水由湿地末端集水管收集后排 出．水在湿地内部流动时，可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及各种作用处理污 水．与表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大，对BOD、COD、SS、重金 属等污染指标的去除效果好，而且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象．目前，水平潜流人工湿地已 被美国、日本 、澳大利亚、德国、瑞典、英国、荷兰和挪威等国广泛使用．这种类型人工 湿地的缺点是控制相对复杂，脱 P、除N 的效果不如垂直流人工湿地． ⑶垂直流人工湿地 (Vertical Flow Wetlands 缩写VFW)污水流动综合了SFW和SSFW的特点，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，垂直流人工湿地的硝化能力高于上述两种人工湿地，可用于处理氨氮较高的污水．其缺点是对有机物的处理能力不如潜流人工湿地系统，落干或淹水时间较长，控制相对较复杂，夏季有孳生蚊蝇的象．同样地，其在目前应用的领域里也较少． 3 人工湿地在中水回用中的实例及分析 3.1 人工湿地单一使用 人工湿地可以作为单一的处理工艺，作为中水回用的主要处理工艺，处理污水并将污水 回用。 高校校园用水具有水量大、用水集中且排水水质优于居民用户等特点，并且随着高校的 发展，高效区域呈现出区域集中化，且许多高校比邻而建。因此，从排水收集、回用处 理和中水等环节上高校校园适合建立中水回用系统，具有现实的意义和迫切性并行的。 以四川大学望江校区为例，学生宿舍用水量约占校园总用水量的37%，其中盥洗用水约为22.2%，将盥洗废水作为中水原水，根据水量平衡，已满足中水的需求量。根据校园的区域面积、景观建设，采用人工湿地处理系统作为中水处理工艺，使废水达到回用标准（图1）。 小区中水处理系统是目前中国应用较广泛的中水处理方案。一方面，以小区为处理单位、 小区及邻近地区的优质杂排水为中水水源，经集中处理，使水质达到可回用标准，返回小区 使用。其优点是比较方便、灵活，可根据自身条件实施建设方案 。另一方面，一般的屋 面雨水指标大多都超过了生活杂用水水质标准，必须进行处理才能利用。通过人工湿地处理 屋面雨水，用于小区绿化方面等用水。 高效垂直流人工湿地技术在深圳市梅苑小区生活污水处理中的应用。整个污水处理系统 景观效果良好，与小区内环境相协调；出水水质良好，达到《城市污水再生利用城市杂 用水水质》（GB/T18920-2020）中绿化用水水质标准，可作为小区的绿化用水，节约了自来 水使用量；运行费用较低，其运行费用为0.35 元/m2 左右，而自来水绿化费用为2.7 元/m2， 创造了良好的经济效益；并且人工湿地可小规模就近处理生活污水，节省了污水运输费用， 减轻了污水处理厂的压力。不仅如此，湿地植物选择了具有良好景观效果的挺水植物，多种 植物，形成花圃氛围。 但是小区建立污水回用有一定的限制条件，小区建设必须要求统一规划，建筑物集中建设，管道单独铺设等方面。由于小区居住较集中，局部人口数量相对较密集，还要考虑景观问题以及在处理污水的同时不会产生恶臭气味的气体，影响人们的正常生活。 3.2 人工湿地组合使用 不仅将人工湿地单独地使用作为中水回用的处理工艺，也可以作为中水回用组合处理工 艺中的一部分。驻南京某部营区污水的综合整治，为保证处理效果，同时结合地形条件， 设计了“接触氧化+生物滴滤池+潜流人工湿地+氧化塘”的组合处理工艺，处理此营区低浓度 生活污水。考察了此组合工艺在冬季及人工湿地未种植植物的条件下，对低浓度污水有良好 的净化效果，出水水质满足《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T18921—2002） 和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A 标准要求。 叶亚玲等研究了DAF+人工湿地组合处理中小城镇生活污水，研究结果表明，出水水质达到《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级A 标准。并且人工湿地种植沼泽植物，可增大绿化面积，美化环境，为人们提供了贴近自然、享受自然的休闲场所。并且污水可进一步净化，满足回用要求，进行灌溉绿地或作物，获得污水处理与资源化的最佳效益。 有些农村地区为了节省成本，利用当地地形落差的特点，可以优先采用不需能耗的人工湿地处理技术。重庆大学罗固源等将蚯蚓引入污水土地处理系统，构建了新型生态污水处理技术，研究结果表明：蚯蚓的活动提高了土地处理系统的供氧速率有利于好氧微生物对污水的快速净化，蚯蚓和微生物协同“作战”可以提高原有污水土地处理系统的运行效率，蚯蚓的挖掘作用及蚓粪的堆积可以实现土壤的快速改良。据此，可在人工湿地的土层养殖蚯蚓，将会大大改善人工湿地的处理效果。另外，根据当地地形落差采用合建式污水处理系统，池体采用砖混结构 ，可减小占地面积，节约成本。 3.3 人工湿地作为深度处理使用 对于大城市来讲，由于污水处理厂规模都较大。可将污水厂的二级处理污水根据回用水水质要 求进一步处理，然后再通过输配水管网进行回用。这种方式技术设备要求高，建设规模较大，便于统一管理运行，能够适应城市发展的需求，有一定的规模效益，是污水资源回用的发展趋势。 人工湿地污水处理系统可将作为废水二级处理后的深度处理，保证污水回用的质量。 广州市流溪河沿岸某地区是一个集会议、旅游、度假为一体的多功能风景区。该地区内流溪河水系发达，水量充沛。流溪河为广州市主要饮用水源，年流量在12-30 亿m3 之间，且水质较好，沿河受到较好的保护。根据该地区的特点，设计时考虑经过污水处理厂常规二级处理后，经过湿地系统自然净化，最终收集到人工蓄水湖回收利用，实现污水零排放。 由于此污水经过曝气生物滤池处理后的污水污染物含量已经很低，再经过人工湿地处理系统 的进一步深度净化，出水可以达到地表水环境标准（工艺流程图见图2） 4 结论 目前，中水回用技术虽然得到了一定的重视，并应用在一些城市和地区的区域范围内，但是奇还存在着一些问题有待于解决。例如，我国城市污水处理效率低，直接影响了我国中水回用地全面启动。除此以外，我国自来水水价过低，造成了水资源严重的浪费，也使中水回用缺乏市场竞争力。对于中水回用宣传力度的不足，也是影响我国中水回用大力发展的主要原因之一。 针对上述在中水中所存在的问题，提出解决了一些解决方案。 ⑴我国城市污水处理效率低，尤其是在中小城镇，其中经济问题是重要的制约因素之一， 然而选择适合的中水回用处理工艺尤为重要。例如，人工湿地对于地域面积较大，所处理的 污水浓度不高较适用，不仅如此，人工湿地污水处理技术还有一定的经济效益与环境效益， 可以美化城市，扩大绿地面积，并且有的湿地植物具有一定的观赏作用。 ⑵加大对中水回用的宣传力度，使人们更多地了解我国水资源目前的现状，认识到我国 水资源短缺的紧迫性，意识到中水回用的重要性。 ⑶制定合理的水费制度。将使中水的水费低于自来水的水费，并且收取一定的污染排放 费用，制定合理的奖罚制度，并在完善的监管制度下，进行监督。