近來(lái)天然處理系統(tǒng)由于具有多重價(jià)值和功能，越來(lái)越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)處理系統(tǒng)，用于生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等各種廢水的處理。天然處理系統(tǒng)(如人工濕地)已被認(rèn)為是一種符合環(huán)保要求的控制或處理廢水的生態(tài)或綠色科技(green－technology)。天然處理系統(tǒng)特別有益于小社區(qū)，或是那些支付不起價(jià)格昂貴的傳統(tǒng)二級(jí)處理設(shè)施的工廠。與目前通常使用的傳統(tǒng)廢水處理設(shè)施相比，天然處理系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本較低。天然處理系統(tǒng)中，人工濕地是全球范圍內(nèi)普遍采用的污水處理系統(tǒng)之一。依據(jù)水流設(shè)計(jì)模式，人工濕地分為水面式人工濕地(FWS)與水流側(cè)向穿過(guò)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(zhì)，以及流經(jīng)各濕地單元的相當(dāng)淺的水體。

人工濕地已用來(lái)處理城市徑流及市政、工業(yè)、農(nóng)業(yè)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(gè)試點(diǎn)規(guī)模的濕地系統(tǒng)(長(zhǎng)40m，寬30m，深1 m)，用于控制非點(diǎn)源污染及進(jìn)一步處理二級(jí)污水處理廠的生活尾水，濕地內(nèi)種有漂浮植物和挺水植物。調(diào)查結(jié)果表明，通過(guò)濕地系統(tǒng)去除了暴雨徑流中80%以上的氨氮(NH3－N)、81%的化學(xué)需氧量(COD)和60%的懸浮固體(SS)。有學(xué)者于2009年構(gòu)建了一個(gè)試點(diǎn)規(guī)模的SFS(長(zhǎng)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(fù)荷(HLR)設(shè)計(jì)為130mm/d。研究結(jié)果顯示，SFS系統(tǒng)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(jìn)的FWS，進(jìn)一步處理經(jīng)預(yù)處理過(guò)的養(yǎng)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(jié)果顯示，養(yǎng)豬污水通過(guò)常規(guī)的三級(jí)污水處理方案再接改進(jìn)的FWS可以進(jìn)一步處理常規(guī)污水處理系統(tǒng)的排放水，以使養(yǎng)豬污水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。哈林頓(Harringgon)等學(xué)者(2009年)應(yīng)用綜合人工濕地處理家畜污水。研究結(jié)果表明，長(zhǎng)達(dá)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(xué)者(2009年)使用了一個(gè)處理訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)升流式厭氧污泥覆蓋層反應(yīng)器和處理廢水的FWS與 SFS組成。監(jiān)測(cè)結(jié)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(mén)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(tái)灣面積最大和利用程度最高的流域。高屏溪長(zhǎng)171 km，流域面積超過(guò)3625 km2，平均流量239 m3/s。臺(tái)灣環(huán)境保護(hù)局(TEPA)最近的水質(zhì)分析表明，高屏溪已受到污染。一些主要水質(zhì)指標(biāo)(如BOD、SS、NH3－N、TP和大腸埃希氏菌)濃度大大超過(guò)了高屏溪的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于畜牧業(yè)糞便處置不高、工業(yè)廢水和生活污水的排放，長(zhǎng)期以來(lái)，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(shù)和管理方面已面臨一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

自2000年以來(lái)，因?yàn)樘烊惶幚硐到y(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)單，成本效率低，將其(如人工濕地)作為改善或凈化河流水質(zhì)和處理廢水的替代方案成為了一個(gè)很普及的問(wèn)題。研究中，選擇位于高屏溪流域下游的大樹(shù)鎮(zhèn)作為專題研究場(chǎng)地。為了改善大樹(shù)鎮(zhèn)當(dāng)?shù)嘏潘到y(tǒng)和周?chē)h(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)，2001年，TEPA、臺(tái)灣水資源局、高雄縣政府聯(lián)合倡議提出了修建120hm2的多功能人工濕地計(jì)劃。建成的人工濕地靠近高雄縣大樹(shù)鎮(zhèn)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(jìn)水主要來(lái)自當(dāng)?shù)氐呐潘到y(tǒng)，包括未處理的生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水，以及一個(gè)造紙廠二級(jí)廢水處理廠的尾水。該濕地于2004年開(kāi)始運(yùn)行，據(jù)說(shuō)其功能已相當(dāng)健全，同時(shí)擴(kuò)展了野生生物棲息地。另外，在設(shè)計(jì)和種植該人工濕地時(shí)，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(píng)估人工濕地系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面的效率:①處理造紙廠常規(guī)二級(jí)污水處理廠的尾水;②處理未經(jīng)處理的包含生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)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(gè)不同系統(tǒng)，分別為系統(tǒng)A和系統(tǒng)B。系統(tǒng)A的主要進(jìn)水是經(jīng)過(guò)預(yù)處理的造紙廠污水;系統(tǒng)B的主要進(jìn)水是下水道系統(tǒng)的排水，包括生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)污水。系統(tǒng)A包含6個(gè)(A1～A6)水池，系統(tǒng)B包含7個(gè)(B1～B7)水池。系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的設(shè)計(jì)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(gè)濕地系統(tǒng)的第一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的最后一個(gè)水池(A6和B7)用作生態(tài)保護(hù)和野生動(dòng)物棲息地。濕地水池內(nèi)種植的濕地植物物種超過(guò)20種。收集并分析了2007～2009年間每個(gè)季度的A1和B1水池進(jìn)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(píng)估濕地系統(tǒng)改善水質(zhì)的效率。采樣位置見(jiàn)圖2。

在每次采樣時(shí)，都對(duì)所有水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的流量進(jìn)行了觀測(cè)。采用NIEA開(kāi)發(fā)的方法進(jìn)行流量測(cè)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(duì)水樣進(jìn)行SS、TP、TN、酸堿度(pH)、NH3－N、BOD、電導(dǎo)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(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)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(fā)射光譜儀按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行陽(yáng)離子分析。采樣現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行DO、氧化還原電位(Eh)、pH、EC和水溫的監(jiān)測(cè)。用1003 pH/Eh多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)量pH和Eh，用奧利安(840型)DO測(cè)量?jī)x測(cè)量DO和水溫，用SC－120便攜式電導(dǎo)儀測(cè)量EC。水質(zhì)分析按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

運(yùn)用以下的一階衰減模型來(lái)確定該人工濕地系統(tǒng)的一階衰減速率:

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

圖1 系統(tǒng)A和系統(tǒng)B分布示意

圖2 系統(tǒng)A和系統(tǒng)B采樣點(diǎn)位置示意

用上述主要水質(zhì)參數(shù)的進(jìn)出水平均濃度確定濕地處理效率。水力負(fù)荷速率(HLR或q，單位m/d)、HRT、污染物負(fù)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(píng)估人工濕地除污性能，還進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果用均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)描述。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)盒須圖(示意圖)來(lái)評(píng)估主要污染物濃度測(cè)量值的分布。這些盒內(nèi)中間分隔線的上下部分分別封裝進(jìn)水和出水濃度數(shù)據(jù)的四分位數(shù)。針須(盒子上下擴(kuò)大)表示最大值和最小值，分別在該盒上下部分四分位數(shù)的1.5倍之內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

2007～2009年間9次監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表明，水池A1的平均進(jìn)水流量、系統(tǒng)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(jìn)水流量、系統(tǒng)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(tǒng) A 和系統(tǒng) B 的進(jìn)出水中污染物 SS、BOD、TN、TP、TC、RE 的濃度。圖3采用統(tǒng)計(jì)盒須圖，說(shuō)明系統(tǒng)A和系統(tǒng)B出水中污染物SS、BOD、TN、TP、TC的濃度分布。結(jié)果表明，5種水質(zhì)指標(biāo)的RE存在顯著差異。TC進(jìn)水濃度下降最多，濕地系統(tǒng)對(duì)處理SS沒(méi)有效果。系統(tǒng)A和系統(tǒng)B中BOD和TC的去除率分別超過(guò)48%和96%。這表明，微生物的存在和物理/化學(xué)過(guò)程可能有助于去除污染物，因?yàn)闈竦叵到y(tǒng)為微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了適宜的環(huán)境，總氮去除比較明顯(系統(tǒng)A為52%，系統(tǒng)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?？赏ㄟ^(guò)植物吸收和沉淀來(lái)去除TP，當(dāng)HRT為13.3 d時(shí)，系統(tǒng)B中TP的去除率較高。系統(tǒng)A中HRT為5.5 d，TP去除率較低(40%)，這與其他研究結(jié)果一致。結(jié)果表明，如果進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾砗途S護(hù)，人工濕地系統(tǒng)便能去除水體中的營(yíng)養(yǎng)物;兩個(gè)系統(tǒng)的SS濃度，出水較進(jìn)水均有所增加。SS濃度增加，相應(yīng)的葉綠素含量較高。這表明，濕地內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高，藻類(lèi)大量生長(zhǎng)，富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。

表1 主要水質(zhì)指標(biāo)的平均進(jìn)出水濃度

圖3 用統(tǒng)計(jì)盒須圖表示的系統(tǒng)A和系統(tǒng)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(fā)生了好氧生物降解作用，從而導(dǎo)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(duì)較高，這說(shuō)明水面自然復(fù)氧和藻類(lèi)作用導(dǎo)致濕地的DO濃度和Eh值發(fā)生顯著變化。濕地水池上層發(fā)生好氧生物降解過(guò)程，而下層出現(xiàn)低氧情況，這兩種情況表明，在水池內(nèi)同時(shí)進(jìn)行了硝化和去硝化過(guò)程。這將導(dǎo)致NH3－N和NO3－N濃度顯著下降。由于進(jìn)水中觀測(cè)到BOD濃度較高，該研究中碳源不是去硝化過(guò)程的限制因素。結(jié)果表明，硝化和反硝化過(guò)程是氮去除的主要機(jī)制。由于水樣中pH值小于7.8，因此氨的揮發(fā)作用可忽略不計(jì)。圖4顯示了系統(tǒng)A和系統(tǒng)B中，PLR與RR以及出水中BOD、TN、TP濃度間的變化。結(jié)果表明，BOD的PLR與RR及出水濃度間存在較高的相關(guān)性。這表明進(jìn)水中BOD負(fù)荷高，相應(yīng)去除率也高，同時(shí)出水濃度也較高。數(shù)據(jù)分析獲得的線性回歸方程可用于評(píng)估該濕地系統(tǒng)對(duì)BOD的去除效果。

圖4 系統(tǒng)A和系統(tǒng)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(wú)顯著相關(guān)性。TP的觀測(cè)結(jié)果也與TN類(lèi)似。這可能是由于植物吸收和吸附過(guò)程的作用，該作用是濕地系統(tǒng)除去營(yíng)養(yǎng)物的主要機(jī)制。如沒(méi)有及時(shí)收割植物和清除沉積物，被去除的營(yíng)養(yǎng)物將返回到濕地系統(tǒng)，這將導(dǎo)致成熟濕地營(yíng)養(yǎng)物濃度增加。

在這項(xiàng)研究中，根據(jù)系統(tǒng)A和系統(tǒng)B中主要水質(zhì)指標(biāo)的衰減結(jié)果，應(yīng)用一階衰減模型確定衰減率常數(shù)(k)。分析結(jié)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(xiàn)中所報(bào)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(xué)者(2004年)的研究成果低，這可能是由于進(jìn)水中BOD濃度較低。若BOD進(jìn)水濃度較低，衰減率相對(duì)便會(huì)較低。如濕地系統(tǒng)兼有野生動(dòng)物棲息地和觀光旅游活動(dòng)功能，則也會(huì)導(dǎo)致BOD濃度增加。此外，臺(tái)灣南部位于亞熱帶地區(qū)，調(diào)查期間的平均氣溫約28.5℃，遠(yuǎn)高于北美和歐洲國(guó)家的平均溫度。由于溫度高有利于生物降解，在這一研究區(qū)域，人工濕地更適合處理廢水。因此，在夏季監(jiān)測(cè)到較高濃度的BOD和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除率。

對(duì)該濕地系統(tǒng)的出水再用于灌溉或清洗的潛力進(jìn)行了評(píng)估。由地方政府和TEPA制定的回收水再用于灌溉的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如下:COD＜30mg/L，BOD＜30mg/L，EC ＜2.5 mmho/cm，SS＜30mg/L，TC ＜200CFU/100mL。分析結(jié)果表明，該濕地系統(tǒng)的出水不能滿足污水再利用的部分標(biāo)準(zhǔn)。因此，為了改善出水水質(zhì)，滿足再利用標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)降低濕地進(jìn)水污染物濃度、適當(dāng)?shù)臐竦鼐S護(hù)措施及后控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢圆扇∫韵麓胧﹣?lái)提高污染物去除率:①經(jīng)常進(jìn)行植物收割，以維持植被對(duì)營(yíng)養(yǎng)和有機(jī)物的高效代謝吸收;②在廢水進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)之前，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。

3 結(jié)語(yǔ)

高屏溪鐵橋人工濕地符合廢水凈化要求，同時(shí)又為民眾和野生動(dòng)物創(chuàng)建了良好的環(huán)境。研究結(jié)果顯示，該濕地污染物總?cè)コ剩琓C為96%，BOD為48%，營(yíng)養(yǎng)物(如TN和TP)超過(guò)40%。BOD、TN和TP的一階衰減率計(jì)算值大于0.08/d。調(diào)查結(jié)果表明，藻類(lèi)生長(zhǎng)導(dǎo)致SS濃度增加?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果還表明，濕地漂浮植物的生長(zhǎng)是一種控制藻類(lèi)生長(zhǎng)和水體富營(yíng)養(yǎng)化的有效的環(huán)保方法。由于該濕地進(jìn)水一部分來(lái)自排水溝，排水溝的水包含生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水，應(yīng)對(duì)這些廢水進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以便降低進(jìn)水中有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物濃度。另外還需要應(yīng)用適當(dāng)?shù)暮筇幚硌b置，以改善出水水質(zhì)，使其達(dá)到廢水再利用標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果表明，人工濕地方案具有開(kāi)發(fā)潛力，可開(kāi)發(fā)成為實(shí)際應(yīng)用中符合環(huán)保要求的改善河道水質(zhì)和廢水處理的替代方案。