摘要：分析了城市污水處理廠污水回用技術存在的問題，指出應重新認識人工濕地的作用，改變傳統的將人工濕地作為城市污水處理廠二級處理工藝的觀念，回歸人工濕地深度凈化污水的真正意義。此外，對人工濕地在設計時須考慮的問題進行了介紹和探討。
關鍵詞：人工濕地 污水處理 回用水
一、前言
我國是世界上13個貧水國家之一，人均占有水資源量僅為世界平均水平的四分之一。根據水利部門的預測，到2030 年我國總缺水量為400～500億m3。我國在面臨水資源緊缺的同時，水污染也日益嚴重，我國每年排放的廢水高達400多億m3，其中一半以上是來源于城市。根據資料統計，截至2008年3月底，全國已有1320座城市污水處理廠投入運營，處理能力達9725萬噸/日，在建的城市污水廠達890座，處理能力3639萬m3/日[2]。根據世界各國污水處理的發展，經污水處理廠處理后的出水多數均能再處理后回用。目前國內污水回用率平均不足20%，大部分沒有得到很好的利用。而污水回用在很大程度上將緩解缺水城市的用水危機，符合節能減排的思想，其意義重大。
二、城市污水廠出水常規回用技術及存在的問題
一般而言，對城市污水處理廠的出水進行回用，其用途主要有城市雜用、景觀環境用水、工業用水、農業用水以及地下水回灌等，所以回用的用途不同，其處理后的標準不同，回用技術及出水水質也不同。而回用技術及出水水質決定著回用水中的污染物生態毒理問題及危害程度[4]。
我國研究、引進和應用的污水處理回用工藝，在很大程度上解決了污水深度處理的問題，極大地緩解了局部城市嚴重缺水的局面，這些常規的污水回用技術隨著經濟和科學技術的發展，也在逐步得到改進和提高，它們也將在污水回用中發揮更大的作用。但是將城市污水回用，其價格、安全性是必須著重考慮的問題，這也是常規的污水回用技術必須面臨的問題。
1、設施復雜，運行成本高
我國傳統的污水回用技術基本上是借鑒了我國給水處理的工藝，同時考慮脫氮除磷的需要，多數常規回用技術工藝復雜，不僅增加了管理的難度，而且增加了運行的成本。目前城市污水處理（二級處理）投資大約在900～1400元/m3.d水，在此基礎上的再生處理約400～600元/m3.d [3]。據調查，北京市多數污水處理廠采用MBR處理城市污水處理廠二級出水，如北京某再生水廠深度處理成本接近1.5元/m3。這對大多數城市的污水處理廠來說，采用這種技術處理污水處理廠出水，其價格是難以承受的。
2、運行不穩定，安全性受質疑
采用常規污水回用技術處理后的污水，其水質與我國地面水源水質還有許多差別，對部分污染物質的去除效果較差。在另一方面，人們對污水處理廠的污水進行回用，其安全性受到人們的質疑。根據研究發現，城市污水處理廠出水中可能含有的有害物質主要包括難于降解且溶于水的無機與有機污染物。而國內在對大多數的無機和有機污染物生態毒理特性缺乏有效的長期研究，數據也缺乏可靠性。污水回用的安全性引人關注，尤其是與人體發生直接關系的回用污水，其處理工藝流程的選擇是回用水的可靠性及安全性的關鍵。
此外，采用常規污水回用技術消毒是必不可少的。目前，常用的消毒工藝有氯消毒、紫外線消毒和臭氧消毒。氯消毒運用得最廣泛，工藝也最成熟，但是自從人們發現氯消毒會產生致癌物質之后，對氯的使用則越來越謹慎了。用紫外線消毒比較方便，還可以減少致癌性消毒副產物，但缺乏規模化，且壽命不長。
臭氧除了可以利用其強氧化作用殺滅細菌和病毒外，還可以氧化分解水中的各種雜質，包括明顯地提高污水的可生化降解性，但是當水中含有溴離子時可能生成溴化物，臭氧具有毒性和強氧化性，操作管理要求高。
對安全性要求越高，回用技術的成本就越高，這是多數污水處理廠沒法承受的。眾多的污水回用技術在一定程度上可以確保回用水的安全，但是回用水如果要和人體直接接觸或與人類的食物鏈發生關系，采用人工濕地對城市污水處理廠出水進行自然凈化，無論是運行成本，還是處理效果方面都是符合未來發展趨勢的。
三、人工濕地在污水二級處理中存在的問題
以往，人們過分強調由于運行成本低、管理簡單等優點，將人工濕地代替污水處理廠的常規二級處理。
據十幾年的運行情況和調研發現，隨著經濟的快速發展以及人口的快速增長，采用人工濕地代替常規二級處理的城市污水處理廠運行狀況不容樂觀，出水水質無法滿足要求，運行效果并不理想，一些以濕地工程為主體工藝的污水處理廠處在相當尷尬的境地。某采用人工濕地處理作為二級處理的污水處理廠，處理能力為3萬m3/d，運行情況見表2。
根據GB 18918-2002，如果城鎮污水處理廠出水排入GB3838地表水Ⅳ、Ⅴ類功能水域或GB3097海水三、四類功能海域，執行二級標準，而采用人工濕地處理作為二級處理的污水處理廠其出水根本無法滿足排放要求，更不能滿足一級B標準。隨著經濟的發展，尤其是工業廢水比例的增加，進水濃度也在逐年提高，污水廠出水的水質變差，難以滿足越來越嚴格的標準要求。
人工濕地是一種低負荷的處理系統，雖然效果好，但效率低，如果進水濃度高，占地面積會更大，處理效果會變差。據調查，多數采用人工濕地作為二級處理的污水處理廠又開始進行改造并轉向常規的二級處理工藝。
四、對人工濕地再認識
隨著人們環保意識的增強以及人們對地表水水質要求的提高，特別是對回用水水質要求的提高，迫使人們尋找其它經濟可行的技術，作為污水處理廠的補充，對污水處理廠的出水進行深度凈化，保證污水的回用安全。在這樣的形勢下，人工濕地在逐漸得到人們的重新認識。采用自然處理技術對污水處理廠的出水進行自然凈化，可以進一步去除污水中引起富營養化的主要污染物質N、P、重金屬以及致病微生物等，使污水的安全性得到提高。自然處理系統，尤其是人工濕地，可以成為鳥類的棲息地，在有條件的城市可以營造城市景觀和休閑公園，如杭州的西湖長橋溪生態修復公園就是一個成功的典型例子。
人工濕地能處理污水，且價格便宜是毋庸置疑的，一些應用工程均證明了這點。筆者通過研究也發現，運用較好且長期穩定運行的人工濕地其進水濃度多數比較低，國內多數學者的研究也表明，人工濕地在進水濃度較低的情況下對污水處理能達到最好的效果。如深圳市某小區生活污水人工濕地進水濃度BOD5為60～130 mg/L，NH4-N為30～60 mg/L，TP為5～8mg/L [7]；又如多數人工濕地在處理微污染水方面多見成功報道，如洪湖人工濕地系統水質凈化工程，深圳甘坑人工濕地工程等[5]。我國人工濕地用于污水處理廠出水進行三級處理的工程也多有成功應用的實例，如舟山市朱家尖污水處理廠人工濕地系統深度處理工程，該工程已于2007年9月完成調試，目前系統運行穩定，處理效果良好。
在國外，采用人工濕地對污水進行深度處理是西方發達國家環境工作者研究的重點課題。如在意大利人工濕地用于污水三級處理的構造濕地就有16個，并取得較好的去除效果，COD的去除率為88%，氮的去除率在78-84%之間[8]。在荷蘭的特賽爾島，當地政府在1994年就建立了一個大型的人工構造濕地，處理水量約為6萬m3/d，該濕地處理系統用來對來自污水處理廠的出水進行三級處理。
由荷蘭政府支助Utrecht 大學對該濕地系統進行了3年（1995年-1998年）的監測研究。監測結果表明，用濕地對污水廠的出水進行三級處理，不但節約了成本，而且提高了水的再生利用價值，排放的水不但不會造成對周邊環境的影響，而且也成了荷蘭一大生態景點，成為眾多野生動物棲息繁殖的場所。在北美，用構造濕地作為三級處理的系統大約就有300多個。如The River Hebert濕地是加拿大大西洋海岸建立的第一個用來處理二級出水的構造濕地[10]，該濕地既可以處理污水，又成為了野生動物棲息的場所。
從國內外人工濕地的成功運行經驗來看，人工濕地處理系統并不能完全代替城市二級污水處理，其真正的功能在于對污水進行深度處理（即三級處理），對污水進行自然凈化，保證水質的安全。
過去因為國力有限，要發展環保事業，一步到位解決污水問題，采用人工濕地代替常規污水處理工藝，在一定時期發揮了作用，但是從本質上來看，這違背了人工濕地的最終定位。人工濕地真正的功能在于深度處理污水，即處理進水濃度低的污水（包括污水處理廠的二級出水）。尤其是在各種病毒肆虐的今天，在污水回用過程中，人們越來越擔心污水循環使用的安全性，而采用人工濕地系統，等于在污水回用與人之間建立了一道安全的屏障，采用低成本的人工濕地處理技術對城市污水處理廠二級出水進行深度處理后回用是符合我國“節能減排、循環經濟”總體思想的。
五、人工濕地在設計時須考慮的問題
人工濕地在實際運行時，須著重考慮以下幾個問題：
1、公式計算的選擇
人工濕地多數采用潛流式，對人工濕地面積的確定，多數是采用通過水力負荷率和污染面積負荷來確定，根據水力負荷設計濕地面積，計算公式A＝Q/(HL)，式中：A為濕地面積，m2，Q為需要處理的污水量，m3/d，HL為濕地的水力負荷，m/d。
為校核人工濕地面積，根據污染物的面積負荷確定濕地面積，計算公式可以采用A＝Q（Co-Ce）/N，式中：A為濕地面積，m2，Q為需要處理的污水量，m3/d，HL為濕地的水力負荷，m/d，Co為濕地進水中污染物濃度，g/m3，N為污染物面積負荷，g/（m2.d）。
對于每一種污染物質來說，要降到要求的水平，所需要的濕地面積不同。最終確定的面積應該是滿足出水水質要求的最大面積。因此分別計算去除COD、BOD、TN、TP、SS等污染物質所需要的面積，選取其中最大的用地面積對設計濕地面積進行校正。一般而言深度處理將污水進行回用，TN、TP是限制性指標。
2、人工濕地冬季越冬問題
人工濕地越冬是保證人工濕地正常運行的關鍵，尤其是在北方，冬季氣溫低，會影響處理效果。在冬季運行時，首先應該加強管理，植物盡量選擇挺水植物。在11月～3月期間，宜在初凍時加大水深。多數情況下，由于污水溫度較高，濕地并不結冰或只有濕地后部結冰。所以應該根據實際情況，控制水深，以保證濕地在冬季的運行。此外，為了便于人工濕地在冬季運行時能支撐冰面，并有利于春季發芽生長，在收割時應保留植物茬20～40cm。
為保證人工濕地能長年運行，在設計計算時，冬季運行的溫度也是設計須考慮的限制性參數。要保證該系統能常年運行，濕地系統對COD的去除率須達60%以上。據實際運行經驗，人工濕地在夏季一平方米濕地每天能去除6～9kg的COD，而冬季運行時，一平方米濕地每天能去除16～24.5g的COD。
在設計時應充分考慮到冬季運行的效果，將計算所得的人工濕地所需面積與初步確定的人工濕地面積進行校核，根據實際情況進行調整。有時，為保證濕地在冬季能有更好的去污效果，可考慮采用表面流和潛流相結合的運行方式，以解決保證人工濕地在冬季的正常運行。
3、人工濕地對地下水的影響及防滲處理
在對人工濕地是否需作防滲處理時，首先應該對場地進行調查和評價，充分考慮當地的水文地質條件，正確地選擇適合的田地和工藝方式以保證對污水的凈化，同時避免對地下水的污染。國外研究資料也表明，只要選擇適當場地，正確的工程參數選取和設計，并具有良好的運行管理措施，濕地對地下水的影響程度將是很小的。
一般而言，人工濕地的場地選擇在滲透性較低的土層上，且以表面流或潛流的方式處理污水。為切實防止人工濕地系統因滲漏造成對地下水的污染，應該采取適當的防滲措施，最基本的方式就是素土夯實。從環境安全的角度考慮，可以在施工時盡量保持原土層，在原土層上采取防滲措施，防滲材料可以根據當地的實際情況選取，如用粘土、膨潤土、瀝青、油氈等防滲材料作為防滲層。
人工濕地處理工程防滲層的厚度取決于所選的防滲材料，如選擇瀝青，防滲層厚度為2~5cm；選擇膨潤土，防滲層厚度5~10cm；選擇粘土，防滲層厚度10~20cm。此外，為隨時監測人工濕地污水處理工程對地下水的影響，須布設監測井，通常在濕地系統地下水流向的上游和下游設置兩個地下水監測井，以監測處理系統對地下水的影響情況。
只要設計合理并采取相應的防滲措施，就完全可以使人工濕地系統構成相對獨立的水力系統，使其凈化水無論在垂直方向還是水平方向均不和相鄰地下水發生明顯的水力聯系。此外，進入地下的水是經凈化后的污水，其對地下水的影響也僅發生在非常有限的范圍。在一般的情況下靠地下水的稀釋也足以消除其影響。所以，人工濕地對地下水的污染在采取相應措施是可以避免的。
六、結束語
對人工濕地的應用需要重新再認識，由積極推廣將其作為低成本的城市污水處理廠二級替代工藝，轉變為處理城市污水處理廠二級出水和微污染水的自然凈化工藝，實現濕地處理污水的真正意義。
將人工濕地處理城市污水處理廠二級出水，在很大程度可以減少運行成本和可能產生的生態風險，降低污水回用可能造成的生態毒害危害。
由于沒有統一的設計公式和模型，在人工濕地設計時應選擇合理的計算公式，對設計參數進行校核，尤其是在設計時，保證冬季正常運行也是其重點考慮的因素。
合理選擇建設場地，選取正確的工程參數，根據需要采取相應的防滲措施，制定良好的運行管理方案，可降低濕地對地下水的影響。
由于人工濕地具有低投資、低運轉費、低能耗等優點，在對水質安全要求越來越嚴格的今天，人工濕地在污水與人類之間建立一道自然的屏障，在一定程度上可以確保回用水的可靠性和安全性，其應用前景廣闊。來源：水工業市場雜志 作者: 余 杰 田寧寧 錢靖華 李燕林 高成杰
