適應(yīng)熱帶氣候的法國(guó)垂直流人工濕地設(shè)計(jì)

[法國(guó)]　P.莫勒 等

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環(huán)境與生態(tài)

適應(yīng)熱帶氣候的法國(guó)垂直流人工濕地設(shè)計(jì)

[法國(guó)]P.莫勒 等

摘要：位于熱帶氣候區(qū)的法國(guó)海外省必須同時(shí)遵守法國(guó)和歐盟的法律法規(guī)。法國(guó)垂直流人工濕地系統(tǒng)似乎比較適合這些地區(qū)的技術(shù)規(guī)范，不過(guò)為了能夠適應(yīng)熱帶氣候的要求，必須制定新的濕地設(shè)計(jì)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(kāi)始這一方面的研究，在國(guó)家水資源管理局的支持下，建立了大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，并對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境會(huì)給設(shè)計(jì)和性能產(chǎn)生的影響展開(kāi)了評(píng)估。對(duì)馬約特島和法屬圭亞那幾個(gè)污水處理垂直流人工濕地進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，這些濕地系統(tǒng)的運(yùn)行年限在1～6 a，主要處理160～480個(gè)人的生活污水量。在每個(gè)濾床的進(jìn)口和出口處設(shè)置采樣點(diǎn)，旱季和雨季各取28 d的水樣進(jìn)行混合，將濕地性能與法國(guó)本土地區(qū)研究所數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較高的氣溫改善了濕地性能，如化學(xué)需氧量、懸浮物和總凱氏氮均達(dá)到了國(guó)家單級(jí)濾床規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)；而且只需2個(gè)濾床運(yùn)行就可達(dá)到目標(biāo)，從而可減少污水處理廠的占地面積。事實(shí)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(yùn)行。一套雙慮層的濾床系統(tǒng)運(yùn)行，可以使人均0.8 m2濕地面積上的化學(xué)需氧量、懸浮物和總凱氏氮的去除率達(dá)到90%以上。對(duì)上述情況作了介紹。

關(guān)鍵詞：熱帶氣候；人土濕地；設(shè)計(jì)；法國(guó)

1概述

法國(guó)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(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題。與歐洲國(guó)家的監(jiān)管框架相比，其污水處理廠發(fā)展相當(dāng)落后，在環(huán)境、健康、經(jīng)濟(jì)、土地利用和社會(huì)等多重壓力下，需要快速發(fā)展先進(jìn)的衛(wèi)生設(shè)施。與法國(guó)本土不同，這些地區(qū)衛(wèi)生設(shè)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(zhǎng)導(dǎo)致城市發(fā)展迅速，從而使技術(shù)選擇和基礎(chǔ)衛(wèi)生設(shè)施建設(shè)變的更加復(fù)雜。設(shè)計(jì)時(shí)，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(shè)施老化、維修、污泥管理)與衛(wèi)生技術(shù)要求之間相適應(yīng)的問(wèn)題，同時(shí)，也嚴(yán)重缺乏自檢設(shè)施。

因此，法國(guó)國(guó)家水資源管理局和生態(tài)部決定開(kāi)始一項(xiàng)能夠適應(yīng)法國(guó)熱帶條件的垂直流人工濕地(VFCW)研究計(jì)劃。根據(jù)該研究計(jì)劃，現(xiàn)正在實(shí)施2個(gè)工程。對(duì)于解決法國(guó)小社區(qū)的生活污水而言，VFCW系統(tǒng)是一個(gè)是很好的方案，因?yàn)樗菍⒑?jiǎn)單的污泥管理與穩(wěn)定的有機(jī)負(fù)荷及水力負(fù)荷系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，這樣對(duì)于熱帶氣候濕地的設(shè)計(jì)比較有利。

事實(shí)上，人工濕地似乎也應(yīng)該是熱帶氣候地區(qū)更有前景的選擇。盡管如此，在如何設(shè)計(jì)以更能適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?、?dāng)?shù)夭牧?碎石、沙子、植物)以及被當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)所接受方面，仍存在問(wèn)題。越來(lái)越多的熱帶國(guó)家已經(jīng)嘗試?yán)萌斯竦貋?lái)處理廢水，但是由于尺度上的多樣性(實(shí)驗(yàn)室、試點(diǎn)、實(shí)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(yīng)熱帶氣候的不同設(shè)計(jì)原則。法國(guó)污水處理系統(tǒng)(無(wú)初級(jí)處理)的運(yùn)行反饋在熱帶地區(qū)日益缺乏，而且，由于運(yùn)行參數(shù)的差異(例如，2010年，梅里安等學(xué)者在加那利群島的試點(diǎn)所進(jìn)行的試驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有交替使用濾床)，也影響了這些運(yùn)行反饋的參考價(jià)值。

對(duì)嵌入了VFCW開(kāi)發(fā)的各種實(shí)際規(guī)模的處理廠實(shí)施了專門監(jiān)測(cè)。本文總結(jié)了馬約特島和法屬圭亞那3座水處理廠的監(jiān)測(cè)成果，以討論濕地設(shè)計(jì)參數(shù)是否能適應(yīng)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(gè)過(guò)濾階段，這是監(jiān)測(cè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。較高的氣溫會(huì)使污泥的沉積速度變快，為此并行使用了2個(gè)濕地濾床；為保持濕地能更好地應(yīng)對(duì)水力負(fù)荷，減少濾床數(shù)量比減少每個(gè)濾床的面積更合適。其他的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)包括第一個(gè)過(guò)濾層的厚度及系統(tǒng)是否再循環(huán)。因此，將濕地的應(yīng)用負(fù)荷、是否循環(huán)以及填料厚度與法國(guó)類似系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并展開(kāi)討論。

2材料和方法

表1列出了法國(guó)3個(gè)VFCW處理廠(處理原始生活污水)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。該處理廠僅應(yīng)用了1個(gè)過(guò)濾階段和1個(gè)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(duì)其他類型植物的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。最先測(cè)試了香蒲和蘆荻，但是依據(jù)測(cè)試結(jié)果，它們似乎也不適合于濕地系統(tǒng)(難以維護(hù)及其生長(zhǎng)不均勻)。因此，這項(xiàng)研究中使用了一些新的物種(見(jiàn)表1)。

表1　主要處理裝置特點(diǎn)

2.1　監(jiān)　測(cè)

對(duì)馬約特島大莊園的VFCW系統(tǒng)進(jìn)行了6 a多監(jiān)測(cè)，對(duì)法屬圭亞那的歐帕勒森林l和歐帕勒森林2的監(jiān)測(cè)時(shí)間為2 a。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：對(duì)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(jìn)行定時(shí)觀測(cè)。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(shí)行了雨污分流，使雨季和旱季沒(méi)有較大區(qū)別，因此不需要分季節(jié)采樣。

在當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室，采用美國(guó)公共衛(wèi)生協(xié)會(huì)(APHA)于2012年頒布實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)化分析方法，對(duì)化學(xué)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(biāo)進(jìn)行了化學(xué)分析。由于氣溫高和對(duì)當(dāng)?shù)厝狈ψ銐虻牧私?，致使?duì)熱帶氣候下的水質(zhì)分析成果存在質(zhì)量問(wèn)題，因此，在數(shù)據(jù)驗(yàn)證過(guò)程中，剔除了對(duì)馬約特島30%的監(jiān)測(cè)成果。對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)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(gè)測(cè)次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于分析。

2.2　統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)檢查數(shù)據(jù)分布狀態(tài)和進(jìn)行差異比較(即采用費(fèi)歇爾精確檢驗(yàn)法，亦即F檢驗(yàn)法)，來(lái)完成統(tǒng)計(jì)分析工作。當(dāng)樣本數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，而且方差沒(méi)有顯著差異時(shí)，即可使用學(xué)生殘差檢驗(yàn)法(亦稱斯圖登檢驗(yàn)法，S檢驗(yàn))。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(shí)，則應(yīng)使用威爾科克森檢驗(yàn)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(shè)P閾值為0.001。

分析了濕地設(shè)計(jì)參數(shù)和氣候?qū)ζ骄コ实挠绊?。分析結(jié)果表明，隨著污染負(fù)荷的增加，COD和TSS的去除效率保持穩(wěn)定。而對(duì)于TKN，其去除率通常是隨著TKN負(fù)荷的增加而降低，因此，選擇了其他方法。首先，將觀測(cè)的年均值與擬合曲線上的對(duì)應(yīng)值進(jìn)行比較，該曲線由熱帶氣候和法國(guó)大陸本土條件下的數(shù)據(jù)擬合而成。然后檢驗(yàn)2個(gè)樣本之間的標(biāo)準(zhǔn)化殘參分布是否存在明顯不同。

3結(jié)果和討論

3.1　入口處廢水特征

一般來(lái)說(shuō)，濕地入口處的廢水濃度與法國(guó)小型社區(qū)范圍內(nèi)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(méi)有實(shí)行雨污分流，因而導(dǎo)致雨季的降水通常會(huì)進(jìn)入到污水管道中。在此背景下，雨季時(shí)管道中的污水受到大量雨水的稀釋作用(見(jiàn)表2)，導(dǎo)致濕地的水力負(fù)荷超載。圭亞那濕地濾床在雨季的水力負(fù)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(cè)的結(jié)果一致。在此需要說(shuō)明的是，進(jìn)入該濕地的污水中，有一部分來(lái)自外國(guó)人居住的小區(qū)，其未必能代表馬約特島當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的污水。

3.2　總體特征

根據(jù)濕地第1個(gè)過(guò)濾層的深度和再循環(huán)速率，對(duì)污水處理廠的整體特性以及濕地出口處的污染物濃度進(jìn)行了分析。分析結(jié)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(shè)計(jì)相同，因此在對(duì)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(shí)，濕地入口處的污染物濃度才會(huì)有所不同。同時(shí)，由于入口和出口處的流量相似，因此在分析計(jì)算時(shí)，也很容易會(huì)對(duì)每個(gè)樣本集入口處的平均濃度進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。

表2　濕地入口處廢水污染物平均濃度(標(biāo)準(zhǔn)差)

總體而言，目前濕地的處理水平能使系統(tǒng)很容易地達(dá)到法國(guó)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(guó)進(jìn)行的VFCW第一階段試點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，以上結(jié)論不足為奇。

進(jìn)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?yàn)榻Y(jié)果顯示其硝化作用較弱。事實(shí)上，碳污染處理(COD、BODs和TSS)結(jié)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?yàn)橄趸阅軐?duì)氧化條件和水力停留時(shí)間更敏感。然而，這個(gè)觀測(cè)結(jié)果也暗示著影響處理效率的2個(gè)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(wèn)題。

濾床堵塞由于下水道使用不當(dāng)，致使紅土不斷進(jìn)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(huì)造成水土流失，但他們事先并沒(méi)有考慮到泥土是否會(huì)進(jìn)入水道，也沒(méi)有考慮到是否會(huì)對(duì)下水道產(chǎn)生影響。因此，大量的紅土被濾床頂層過(guò)濾，造成濾床逐步阻塞，而這些問(wèn)題只能通過(guò)去除堵塞層來(lái)解決。

3.3　處理特性

為了進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)氣候?qū)^(guò)濾特性的影響，需要對(duì)濾床本身的去除效率進(jìn)行分析，即對(duì)施加的負(fù)荷量和去除的污染負(fù)荷量進(jìn)行研究(見(jiàn)圖1)。施加的負(fù)荷包括污水處理廠入口處和任何循環(huán)回路上的污染負(fù)荷。將結(jié)果與2005年莫勒等學(xué)者在法國(guó)本土觀測(cè)的COD和TSS特性，以及在2008年分析的硝化作用的特性進(jìn)行對(duì)比。2008年，莫勒等人研究的濕地濾床第一層厚度超過(guò)了60 cm。這樣，根據(jù)過(guò)濾床的厚度，確定了用于圭亞那地區(qū)和馬約特島的過(guò)濾床的層厚，因?yàn)楹穸仁怯绊憹竦靥匦缘闹饕獏?shù)。

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

通過(guò)分析研究，可以對(duì)熱帶氣候條件下濾床的一些特征有所了解。首先，應(yīng)當(dāng)關(guān)注到在法國(guó)本土測(cè)試的COD和TSS類似的去除率(P>0.001，見(jiàn)表3)。在第一個(gè)過(guò)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(gè)過(guò)濾層厚度情況下的特征相似。

表3　P值統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比

然而，在法國(guó)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(guó)大陸本土設(shè)計(jì)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(gè)過(guò)濾階段時(shí)，其TKN去除效率可達(dá)到90%。這個(gè)結(jié)果可能與以下2個(gè)因素有關(guān)：

(1) 全年的氣溫較高且有規(guī)律，可促進(jìn)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(xì)菌的生存。

另外，還有一個(gè)關(guān)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(huì)受到很大的影響。同樣，濕地出口處的TSS含量監(jiān)測(cè)值比較高，COD/TSS顆粒比達(dá)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(xì)顆粒的紅土穿過(guò)了濾床，從而降低了濾床的性能。

3.4　維護(hù)和運(yùn)行

小型污水處理廠，在直接運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少甚至無(wú)經(jīng)驗(yàn)的情況，仍能正常運(yùn)行。因此，人工濕地的維護(hù)將會(huì)面臨很多問(wèn)題，特別是在突發(fā)事件或缺乏應(yīng)對(duì)措施情況下，有可能導(dǎo)致濾床出現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題。

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

3.5　植　被

在每一個(gè)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(jī)械性的作用，同時(shí)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?yàn)闇粼谄淙~子上的雨水有可能招致蚊子幼蟲(chóng)并因此而發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。此外，在選擇植被種類時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到植被能便于操作(收獲、植株競(jìng)爭(zhēng))。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(cè)結(jié)果表明，這些植被并不合適，因?yàn)樗鼈兪浅纱氐厣L(zhǎng)，所以導(dǎo)致收獲比較困難。

3.6　污泥沉積

濕地內(nèi)的污泥沉積和污泥管理是熱帶氣候條件下的關(guān)鍵因素。由于馬約特島濕地的運(yùn)行問(wèn)題和法屬圭亞那地區(qū)缺乏成熟植被，導(dǎo)致無(wú)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(guó)大陸本土。因?yàn)闈竦刂挥?個(gè)并行布置的濾床在運(yùn)行，由于條件所限，不能使用3個(gè)并行布置的濾床?？紤]到缺乏可行性的辦法來(lái)妥善管理這些副產(chǎn)品和處置污泥的有限農(nóng)業(yè)用地，減少污泥產(chǎn)生量就成為一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，因此，應(yīng)當(dāng)促使地方政府在地理?xiàng)l件和人口數(shù)量許可的情況下實(shí)施CW。

4結(jié)論

本文對(duì)熱帶氣候條件下的3個(gè)VFCW進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和研究，設(shè)計(jì)了2個(gè)不同填料深度(30～80 cm)的人工濕地。濕地運(yùn)行了1～6 a。與法國(guó)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(gè)過(guò)濾階段的人工濕地，其出水水質(zhì)也能夠滿足國(guó)家規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。分析結(jié)果表明，只有一個(gè)處理階段的特定設(shè)計(jì)，也能夠達(dá)到很高的硝化效率(90%)。

本文實(shí)例設(shè)計(jì)中，僅有2個(gè)濾床平行布置運(yùn)行，濾床的數(shù)量減少了，相應(yīng)地污水處理廠的占地面積也減少了。在該設(shè)計(jì)中，濾床內(nèi)的污泥累積量比較少，而其硝化率卻比較高，這就更進(jìn)一步地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)有助于維持雨季的暴雨或清水帶來(lái)的額外水力負(fù)荷。

未來(lái)，還需要對(duì)設(shè)計(jì)選型與熱帶氣候條件相關(guān)方面的問(wèn)題提出相應(yīng)的解決方案或?qū)嵤﹥?yōu)化。

(1) 如果濕地只有一個(gè)處理階段，有時(shí)就有可能會(huì)導(dǎo)致出口處的TSS濃度超過(guò)25 mg/L，這也就意味著需要通過(guò)增加一個(gè)階段或?qū)Φ谝粋€(gè)處理階段的設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，以使出口處的TSS濃度滿足規(guī)定要求。

(2) 在有機(jī)負(fù)荷沒(méi)有達(dá)到限值時(shí)，有必要檢測(cè)更高的負(fù)荷，以了解進(jìn)一步減少污水處理廠占地面積的可行性。

(3) 需要對(duì)濾床上的污泥沉積速率展開(kāi)進(jìn)一步研究分析。

(邱訓(xùn)平趙秋云編譯)

收稿日期：2015-11-23

中圖法分類號(hào)：S156.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081(2016)01-0018-04