[法國]　P.莫勒 等

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環(huán)境與生態(tài)

適應熱帶氣候的法國垂直流人工濕地設計

[法國]P.莫勒 等

摘要：位于熱帶氣候區(qū)的法國海外省必須同時遵守法國和歐盟的法律法規(guī)。法國垂直流人工濕地系統(tǒng)似乎比較適合這些地區(qū)的技術規(guī)范，不過為了能夠適應熱帶氣候的要求，必須制定新的濕地設計指南(包括濕地規(guī)模、濾床數(shù)量、植物類型和使用的材料等)。2008年開始這一方面的研究，在國家水資源管理局的支持下，建立了大規(guī)模的實驗場地，并對當?shù)丨h(huán)境會給設計和性能產生的影響展開了評估。對馬約特島和法屬圭亞那幾個污水處理垂直流人工濕地進行了監(jiān)測，這些濕地系統(tǒng)的運行年限在1～6 a，主要處理160～480個人的生活污水量。在每個濾床的進口和出口處設置采樣點，旱季和雨季各取28 d的水樣進行混合，將濕地性能與法國本土地區(qū)研究所數(shù)據(jù)庫中的標準進行對比。實驗結果表明，較高的氣溫改善了濕地性能，如化學需氧量、懸浮物和總凱氏氮均達到了國家單級濾床規(guī)定的水質目標；而且只需2個濾床運行就可達到目標，從而可減少污水處理廠的占地面積。事實上，較高的氣溫加快了污泥沉積，也使?jié)竦赜锌赡茏龅介g斷運行。一套雙慮層的濾床系統(tǒng)運行，可以使人均0.8 m2濕地面積上的化學需氧量、懸浮物和總凱氏氮的去除率達到90%以上。對上述情況作了介紹。

關鍵詞：熱帶氣候；人土濕地；設計；法國

1概述

法國海外省，比如瓜德羅普(Guadeloupe)、馬提尼克島(Martinique)、法屬圭亞那(French Guiana)、馬約特(Mayotte)島和留尼汪(Reunion)島均處于熱帶氣候，面臨著嚴重的公共衛(wèi)生問題。與歐洲國家的監(jiān)管框架相比，其污水處理廠發(fā)展相當落后，在環(huán)境、健康、經濟、土地利用和社會等多重壓力下，需要快速發(fā)展先進的衛(wèi)生設施。與法國本土不同，這些地區(qū)衛(wèi)生設施的發(fā)展受到許多其他方面的影響。除自然因素外，人口的快速增長導致城市發(fā)展迅速，從而使技術選擇和基礎衛(wèi)生設施建設變的更加復雜。設計時，很少考慮下水道(硫化氫的形成、腐蝕、雨水匯入等)和污水處理廠(性能、設施老化、維修、污泥管理)與衛(wèi)生技術要求之間相適應的問題，同時，也嚴重缺乏自檢設施。

因此，法國國家水資源管理局和生態(tài)部決定開始一項能夠適應法國熱帶條件的垂直流人工濕地(VFCW)研究計劃。根據(jù)該研究計劃，現(xiàn)正在實施2個工程。對于解決法國小社區(qū)的生活污水而言，VFCW系統(tǒng)是一個是很好的方案，因為它是將簡單的污泥管理與穩(wěn)定的有機負荷及水力負荷系統(tǒng)結合起來，這樣對于熱帶氣候濕地的設計比較有利。

事實上，人工濕地似乎也應該是熱帶氣候地區(qū)更有前景的選擇。盡管如此，在如何設計以更能適應當?shù)貧夂颉數(shù)夭牧?碎石、沙子、植物)以及被當?shù)厣鐓^(qū)所接受方面，仍存在問題。越來越多的熱帶國家已經嘗試利用人工濕地來處理廢水，但是由于尺度上的多樣性(實驗室、試點、實地)、入流(生活污水、工業(yè)污水、污泥)以及系統(tǒng)(表面流、水平流、垂直流和材料類型)的不同，因而難以制定出能夠適應熱帶氣候的不同設計原則。法國污水處理系統(tǒng)(無初級處理)的運行反饋在熱帶地區(qū)日益缺乏，而且，由于運行參數(shù)的差異(例如，2010年，梅里安等學者在加那利群島的試點所進行的試驗過程中，沒有交替使用濾床)，也影響了這些運行反饋的參考價值。

對嵌入了VFCW開發(fā)的各種實際規(guī)模的處理廠實施了專門監(jiān)測。本文總結了馬約特島和法屬圭亞那3座水處理廠的監(jiān)測成果，以討論濕地設計參數(shù)是否能適應較高的氣溫條件。為了減少濕地系統(tǒng)占地面積，僅采用1個過濾階段，這是監(jiān)測面臨的主要挑戰(zhàn)之一。較高的氣溫會使污泥的沉積速度變快，為此并行使用了2個濕地濾床；為保持濕地能更好地應對水力負荷，減少濾床數(shù)量比減少每個濾床的面積更合適。其他的關鍵設計參數(shù)包括第一個過濾層的厚度及系統(tǒng)是否再循環(huán)。因此，將濕地的應用負荷、是否循環(huán)以及填料厚度與法國類似系統(tǒng)的相關參數(shù)進行對比，并展開討論。

2材料和方法

表1列出了法國3個VFCW處理廠(處理原始生活污水)的主要設計參數(shù)。該處理廠僅應用了1個過濾階段和1個再循環(huán)回路。

由于幾乎所有的濕地都不適合種植蘆葦，因而對其他類型植物的相關參數(shù)進行了測試。最先測試了香蒲和蘆荻，但是依據(jù)測試結果，它們似乎也不適合于濕地系統(tǒng)(難以維護及其生長不均勻)。因此，這項研究中使用了一些新的物種(見表1)。

表1　主要處理裝置特點

2.1　監(jiān)　測

對馬約特島大莊園的VFCW系統(tǒng)進行了6 a多監(jiān)測，對法屬圭亞那的歐帕勒森林l和歐帕勒森林2的監(jiān)測時間為2 a。監(jiān)測內容包括：對每天24 h必需冷藏保存的混合水樣以及投料系統(tǒng)的水位進行定時觀測。在法屬圭亞那，雨季和旱季均需要采樣；而在馬約特島，由于實行了雨污分流，使雨季和旱季沒有較大區(qū)別，因此不需要分季節(jié)采樣。

在當?shù)貙嶒炇遥捎妹绹残l(wèi)生協(xié)會(APHA)于2012年頒布實施的標準化分析方法，對化學需氧量(COD)、5日生化需氧量(BOD5)、總懸浮物(TSS)、總凱氏氮(TKN)、NH4-N、N-NO3以及總磷(TP)的指標進行了化學分析。由于氣溫高和對當?shù)厝狈ψ銐虻牧私?，致使對熱帶氣候下的水質分析成果存在質量問題，因此，在數(shù)據(jù)驗證過程中，剔除了對馬約特島30%的監(jiān)測成果。對數(shù)據(jù)的有效性進行了分析，依據(jù)：TKN > NH4-N、1 < COD/BOD5< 4；0.5<(COD-CODd)/TSS<1.9，最終共有28個測次的監(jiān)測數(shù)據(jù)用于分析。

2.2　統(tǒng)計分析

通過檢查數(shù)據(jù)分布狀態(tài)和進行差異比較(即采用費歇爾精確檢驗法，亦即F檢驗法)，來完成統(tǒng)計分析工作。當樣本數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，而且方差沒有顯著差異時，即可使用學生殘差檢驗法(亦稱斯圖登檢驗法，S檢驗)。如果數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的不是正態(tài)分布或者方差存在著顯著的差異時，則應使用威爾科克森檢驗法(Wilcoxon)。由于樣本量不夠大，而且其中還包括有一些不確定的因素，因此設P閾值為0.001。

分析了濕地設計參數(shù)和氣候對平均去除率的影響。分析結果表明，隨著污染負荷的增加，COD和TSS的去除效率保持穩(wěn)定。而對于TKN，其去除率通常是隨著TKN負荷的增加而降低，因此，選擇了其他方法。首先，將觀測的年均值與擬合曲線上的對應值進行比較，該曲線由熱帶氣候和法國大陸本土條件下的數(shù)據(jù)擬合而成。然后檢驗2個樣本之間的標準化殘參分布是否存在明顯不同。

3結果和討論

3.1　入口處廢水特征

一般來說，濕地入口處的廢水濃度與法國小型社區(qū)范圍內的相符，但濃度有可能變化比較大，這要取決于濕地所處的位置和地形。在圭亞那的歐帕勒污水處理廠，盡管平原上新建了污水管道，但由于沒有實行雨污分流，因而導致雨季的降水通常會進入到污水管道中。在此背景下，雨季時管道中的污水受到大量雨水的稀釋作用(見表2)，導致濕地的水力負荷超載。圭亞那濕地濾床在雨季的水力負荷大約是旱季水平的250%。

相比之下，大莊園案例顯示，其濃度與在歐洲小型社區(qū)所觀測的結果一致。在此需要說明的是，進入該濕地的污水中，有一部分來自外國人居住的小區(qū)，其未必能代表馬約特島當?shù)厣鐓^(qū)的污水。

3.2　總體特征

根據(jù)濕地第1個過濾層的深度和再循環(huán)速率，對污水處理廠的整體特性以及濕地出口處的污染物濃度進行了分析。分析結果表明，由于歐帕勒森林l污水處理廠和歐帕勒森林2的設計相同，因此在對污染物的去除率方面并不存在區(qū)別，只有在旱季和雨季時，濕地入口處的污染物濃度才會有所不同。同時，由于入口和出口處的流量相似，因此在分析計算時，也很容易會對每個樣本集入口處的平均濃度進行重復計算。

表2　濕地入口處廢水污染物平均濃度(標準差)

總體而言，目前濕地的處理水平能使系統(tǒng)很容易地達到法國規(guī)定的最低限值(COD和BOD的去除率為60%，TSS的為50%)。鑒于在法國進行的VFCW第一階段試點試驗結果，以上結論不足為奇。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，由粒徑為2～6mm的填料所形成的深為30cm、廢水不再循環(huán)的濾床的處理效果可能并不理想，因為結果顯示其硝化作用較弱。事實上，碳污染處理(COD、BODs和TSS)結果是令人滿意的，只是再循環(huán)和礫石層的厚度似乎影響到了硝化性能，因為硝化性能對氧化條件和水力停留時間更敏感。然而，這個觀測結果也暗示著影響處理效率的2個因素： ①在雨季期間，入口處的污水濃度被稀釋；②濾床遇到堵塞問題。

濾床堵塞由于下水道使用不當，致使紅土不斷進入下水道而造成的。一些私人住宅區(qū)的居民因故挖土也會造成水土流失，但他們事先并沒有考慮到泥土是否會進入水道，也沒有考慮到是否會對下水道產生影響。因此，大量的紅土被濾床頂層過濾，造成濾床逐步阻塞，而這些問題只能通過去除堵塞層來解決。

3.3　處理特性

為了進一步強調氣候對過濾特性的影響，需要對濾床本身的去除效率進行分析，即對施加的負荷量和去除的污染負荷量進行研究(見圖1)。施加的負荷包括污水處理廠入口處和任何循環(huán)回路上的污染負荷。將結果與2005年莫勒等學者在法國本土觀測的COD和TSS特性，以及在2008年分析的硝化作用的特性進行對比。2008年，莫勒等人研究的濕地濾床第一層厚度超過了60 cm。這樣，根據(jù)過濾床的厚度，確定了用于圭亞那地區(qū)和馬約特島的過濾床的層厚，因為厚度是影響濕地特性的主要參數(shù)。

注：圖中的30 cm表示歐帕勒森林1和2的過濾層厚度；80 cm表示大莊園的過濾層厚度。圖1　運行中的過濾床的去除率

通過分析研究，可以對熱帶氣候條件下濾床的一些特征有所了解。首先，應當關注到在法國本土測試的COD和TSS類似的去除率(P>0.001，見表3)。在第一個過濾床的厚度為80 cm的條件下，COD的去除率呈穩(wěn)定性地逐步增加。TSS特性與第一個過濾層厚度情況下的特征相似。

表3　P值統(tǒng)計結果對比

然而，在法國大陸本土，以3～6 mm礫石作為填料的濾床厚度僅有30 cm，其硝化作用與60～80 cm厚度濾床的硝化作用相似(p>0.001)。在馬約特島，80 cm厚度的濾床比法國大陸本土設計的相似濾床的硝化作用更高，也更加穩(wěn)定(p<0.001),在只有一個過濾階段時，其TKN去除效率可達到90%。這個結果可能與以下2個因素有關：

(1) 全年的氣溫較高且有規(guī)律，可促進自養(yǎng)菌群的活性和繁殖；

(2) 頻繁地交換(只有2條平行布置的濾床)作用可維持休眠期更高的含水量，有助于細菌的生存。

另外，還有一個關鍵因素，就是大量的紅土(歐帕勒森林1)堵塞在濾床的表面，只要較小的堵塞深度就有可能阻礙氧化作用，硝化作用也因此會受到很大的影響。同樣，濕地出口處的TSS含量監(jiān)測值比較高，COD/TSS顆粒比達到0.5。出口處這種異常的固體顆粒(“正?！北嚷蕿?l.2)的存在似乎也在表明，細顆粒的紅土穿過了濾床，從而降低了濾床的性能。

3.4　維護和運行

小型污水處理廠，在直接運行經驗較少甚至無經驗的情況，仍能正常運行。因此，人工濕地的維護將會面臨很多問題，特別是在突發(fā)事件或缺乏應對措施情況下，有可能導致濾床出現(xiàn)嚴重的問題。

首先，業(yè)主必須做的基本工作是確保植物生長濾床循環(huán)的正確。為了應對馬約特島出現(xiàn)的社會矛盾，污水處理廠停運了1 a左右的時間，這意味著濕地植被沒有運行也沒有得到有效地控制。由于長期缺少植被輪作，因而在濕地運行過程中，濾床發(fā)生了堵塞現(xiàn)象。后來在將沉積物移除以后，濾床才重新啟動運行。盡管中間出現(xiàn)了問題，然而在熱帶氣候條件下，濾床的能力恢復很快，硝化作用也得以完成，濕地展現(xiàn)出了驚人的恢復力。事實上，僅需用幾天的時間，硝化作用即可回復到正常水平。

3.5　植　被

在每一個熱帶地區(qū)，濕地使用何種植被并不是事先確定的。熱帶氣候條件下的植被主要起到機械性的作用，同時也必須滿足其他方面的一些要求。比如，植被不能滯留雨水，因為滯留在其葉子上的雨水有可能招致蚊子幼蟲并因此而發(fā)生風險。此外，在選擇植被種類時，應當考慮到植被能便于操作(收獲、植株競爭)。馬約特島(種植的香蒲)和法屬圭亞那(種植的蘆荻)第一批植被檢測結果表明，這些植被并不合適，因為它們是成簇地生長，所以導致收獲比較困難。

3.6　污泥沉積

濕地內的污泥沉積和污泥管理是熱帶氣候條件下的關鍵因素。由于馬約特島濕地的運行問題和法屬圭亞那地區(qū)缺乏成熟植被，導致無法繪制污泥沉積率圖，但是其污泥沉積率似乎明顯要低于法國大陸本土。因為濕地只有2個并行布置的濾床在運行，由于條件所限，不能使用3個并行布置的濾床?？紤]到缺乏可行性的辦法來妥善管理這些副產品和處置污泥的有限農業(yè)用地，減少污泥產生量就成為一個關鍵點，因此，應當促使地方政府在地理條件和人口數(shù)量許可的情況下實施CW。

4結論

本文對熱帶氣候條件下的3個VFCW進行了監(jiān)測和研究，設計了2個不同填料深度(30～80 cm)的人工濕地。濕地運行了1～6 a。與法國大陸本土的濕地相比，溫暖的氣候條件改善了濕地的性能，尤其是其硝化作用；這樣，即使是只有一個過濾階段的人工濕地，其出水水質也能夠滿足國家規(guī)定的質量標準。分析結果表明，只有一個處理階段的特定設計，也能夠達到很高的硝化效率(90%)。

本文實例設計中，僅有2個濾床平行布置運行，濾床的數(shù)量減少了，相應地污水處理廠的占地面積也減少了。在該設計中，濾床內的污泥累積量比較少，而其硝化率卻比較高，這就更進一步地驗證了設計選型的有效性和前景。在法屬圭亞那歐帕勒污水處理廠可以看到，這一設計有助于維持雨季的暴雨或清水帶來的額外水力負荷。

未來，還需要對設計選型與熱帶氣候條件相關方面的問題提出相應的解決方案或實施優(yōu)化。

(1) 如果濕地只有一個處理階段，有時就有可能會導致出口處的TSS濃度超過25 mg/L，這也就意味著需要通過增加一個階段或對第一個處理階段的設計進行完善，以使出口處的TSS濃度滿足規(guī)定要求。

(2) 在有機負荷沒有達到限值時，有必要檢測更高的負荷，以了解進一步減少污水處理廠占地面積的可行性。

(3) 需要對濾床上的污泥沉積速率展開進一步研究分析。

(邱訓平趙秋云編譯)

收稿日期：2015-11-23

中圖法分類號：S156.8

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081(2016)01-0018-04