[法國]　P.莫勒 等

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環(huán)境與生態(tài)

適應(yīng)熱帶氣候的法國垂直流人工濕地設(shè)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(shù)規(guī)范，不過為了能夠適應(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(dāng)?shù)丨h(huán)境會給設(shè)計和性能產(chǎn)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(jìn)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(jìn)口和出口處設(shè)置采樣點，旱季和雨季各取28 d的水樣進(jìn)行混合，將濕地性能與法國本土地區(qū)研究所數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比。實驗結(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)到了國家單級濾床規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)；而且只需2個濾床運行就可達(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(xué)需氧量、懸浮物和總凱氏氮的去除率達(dá)到90%以上。對上述情況作了介紹。

關(guān)鍵詞：熱帶氣候；人土濕地；設(shè)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(yán)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(dāng)落后，在環(huán)境、健康、經(jīng)濟、土地利用和社會等多重壓力下，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(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)的問題，同時，也嚴(yán)重缺乏自檢設(shè)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(yīng)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(fù)荷及水力負(fù)荷系統(tǒng)結(jié)合起來，這樣對于熱帶氣候濕地的設(shè)計比較有利。

事實上，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，仍存在問題。越來越多的熱帶國家已經(jīng)嘗試?yán)萌斯竦貋硖幚韽U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(yīng)熱帶氣候的不同設(shè)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(xué)者在加那利群島的試點所進(jìn)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(jié)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(shè)計參數(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(yīng)對水力負(fù)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(guān)鍵設(shè)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(yīng)用負(fù)荷、是否循環(huán)以及填料厚度與法國類似系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)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(shè)計參數(shù)。該處理廠僅應(yīng)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(guān)參數(shù)進(jìn)行了測試。最先測試了香蒲和蘆荻，但是依據(jù)測試結(jié)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(jìn)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(nèi)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(jìn)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(dāng)?shù)貙嶒炇?，采用美國公共衛(wèi)生協(xié)會(APHA)于2012年頒布實施的標(biāo)準(zhǔn)化分析方法，對化學(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。由于氣溫高和對當(dāng)?shù)厝狈ψ銐虻牧私?，致使對熱帶氣候下的水質(zhì)分析成果存在質(zhì)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(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(jìn)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(dāng)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(xué)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(yīng)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(shè)P閾值為0.001。

分析了濕地設(shè)計參數(shù)和氣候?qū)ζ骄コ实挠绊憽７治鼋Y(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，將觀測的年均值與擬合曲線上的對應(yīng)值進(jìn)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(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

一般來說，濕地入口處的廢水濃度與法國小型社區(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，但由于沒有實行雨污分流，因而導(dǎo)致雨季的降水通常會進(jìn)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(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)所觀測的結(jié)果一致。在此需要說明的是，進(jìn)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(dāng)?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(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(jìn)行重復(fù)計算。

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(jìn)行的VFCW第一階段試點試驗結(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，因為結(jié)果顯示其硝化作用較弱。事實上，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(jié)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(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造成水土流失，但他們事先并沒有考慮到泥土是否會進(jìn)入水道，也沒有考慮到是否會對下水道產(chǎn)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(jìn)一步強調(diào)氣候?qū)^濾特性的影響，需要對濾床本身的去除效率進(jìn)行分析，即對施加的負(fù)荷量和去除的污染負(fù)荷量進(jìn)行研究(見圖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(jìn)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(yīng)當(dāng)關(guān)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(jié)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(shè)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(dá)到90%。這個結(jié)果可能與以下2個因素有關(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(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(jīng)驗較少甚至無經(jīng)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(yīng)對措施情況下，有可能導(dǎo)致濾床出現(xiàn)嚴(yán)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(yīng)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(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。事實上，僅需用幾天的時間，硝化作用即可回復(fù)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(fēng)險。此外，在選擇植被種類時，應(yīng)當(dāng)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(jié)果表明，這些植被并不合適，因為它們是成簇地生長，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行問題和法屬圭亞那地區(qū)缺乏成熟植被，導(dǎo)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。考慮到缺乏可行性的辦法來妥善管理這些副產(chǎn)品和處置污泥的有限農(nóng)業(yè)用地，減少污泥產(chǎn)生量就成為一個關(guān)鍵點，因此，應(yīng)當(dāng)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(jié)論

本文對熱帶氣候條件下的3個VFCW進(jìn)行了監(jiān)測和研究，設(shè)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(zhì)也能夠滿足國家規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。分析結(jié)果表明，只有一個處理階段的特定設(shè)計，也能夠達(dá)到很高的硝化效率(90%)。

本文實例設(shè)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(yīng)地污水處理廠的占地面積也減少了。在該設(shè)計中，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)一步地驗證了設(shè)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(shè)計有助于維持雨季的暴雨或清水帶來的額外水力負(fù)荷。

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

(1) 如果濕地只有一個處理階段，有時就有可能會導(dǎo)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?qū)Φ谝粋€處理階段的設(shè)計進(jìn)行完善，以使出口處的TSS濃度滿足規(guī)定要求。

(2) 在有機負(fù)荷沒有達(dá)到限值時，有必要檢測更高的負(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) 需要對濾床上的污泥沉積速率展開進(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：S156.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-0081(2016)01-0018-04