人工湿地应用于城市社区的可行性研究

张静¹，张旭¹，徐锦华²，李果³，兰天³
(1.清华大学环境科学与工程系 ,北京100084 ;2.北京市自来水集团有限公司,北京100031;3.北京海淀科技园建设股份有限公司,北京100088)

　　摘 要：随着人口和经济的急剧增长，区域的水资源短缺成为大多数城市发展的限制因素。提高水的重复利用率、实现城市污水资源化是解决这一问题的有效途径。中水回用是提高生活用水重复利用率的主要方式。但是，由于价格因素，中水产业尚未形成市场运行机制，只能靠政策法规强制执行或国家补贴维持运营。人工湿地处理工艺集“中水处理”和“水景绿化”功能于一体，不仅为城市社区带来环境效益，同时转化为房地产企业的经济效益；在保证“污水处理率”的同时，满足“绿化覆盖率”的要求。本文通过分析论证得出：人工湿地工艺应用于城市社区是技术可行、经济适宜的，并有利于中水产业市场化运营。
　　关键词: 人工湿地　 城市景观用水　 技术可行性　 经济适宜性 　

Feasibility Study on Constructed Wetland Applied in Urban Community
ZHANG Jing¹　 ZHANG Xu¹　 XU Jin-hua²　 LI Guo³ LAN Tian³
(1.Department of Environmental Science and Engineering ,Tsinghua University, Beijing 100084 China; 2.Bejing Waterworks Group Co.,Ltd , Beijing 100031 China; 3.Beijing Haidian Science Park Development Co.,Ltd., Beijing 100088 China)

Abstract: With development of the population and economy, water-shortage has become one of the factors limiting the developing of city. To solving this problem, improving the water reuse-efficiency and reversing the wastewater into resource would be valid methods in urban area. Then, using reclaimed water is necessary. But, because of the low price, the reclaimed water industry only could be maintained by administrative rules and government investment. The constructed wetland which synthesizing functions of water landscape, planting and waste-water treatment, created environmental benefit which could bring economic benefit to the land agent directly. In additions, the wetland satisfied the two requirements of wastewater treatment ration and planting coverage percent in urban area at the same time. It was indicated that applying constructed wetland in community is technology feasible and economy suitable. Furthermore, it is propitious to accomplish the reclaimed water industry in market principle.
Key words: constructed wetland　 landscape water　 technical feasibility　 economic suitability

　　北京是我国北方最大的缺水型城市，饮用水主要来源是地下水和密云水库。按《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》预测，按正常年份计算，到2010年全市将缺水16.15亿m³。即使南水北调工程投入使用，也仅能为北京市解决11亿m³。可见，随着人口和经济规模空前增长，北京的用水需求已超出了区域水资源的承载能力。因此，提高水的重复利用率，实现城市污水资源化是解决水资源短缺的根本途径。中水回用是提高生活用水重复利用率的主要形式。但是，由于价格、投资、运行等因素的影响，中水回用还存在一系列的问题。随着人们对景观用水的需求及城市水资源短缺之间矛盾加剧，人工湿地因同时具有“景观价值”与“污水处理功能”，在城市社区中具有广阔的应用前景。

1人工湿地处理工艺的优势

1.1目前中水运营存在的问题
　　1996年建设部颁发了《城市中水设施管理暂行办法》，规定建筑面积超过2万m²的旅馆、饭店、公寓，超过3万m²的机关、科研、大专院校、大型文化体育设施必须修建中水设施。
　　目前北京市的中水处理有分散和集中两种形式。由于集中处理的管网敷设投资大、施工影响面广，管道的铺设往往滞后于用户的需求。因此，中水在小区、楼盘内部处理后就地回用仍然是中水回用的主要形式；但是，由于中水定价偏低，小区、楼盘中水设施的投入不能为开发商带来利润回报，中水设施规模普遍偏小，不能满足用户的需求。
1.2人工湿地处理工艺的优势
　　根据《湿地公约》中对湿地的定义，城市中的人工湖、连续过水的绿地都属于人工湿地。与通常的人工湖和绿地不同，人工湿地改善了原有的土壤基质，选择具有耐污除污能力的水生、湿生植物优化组合，通过控制水的流动，达到预期的处理效果。因此，在城市社区中，人工湿地可视为利用“水景绿地”处理生活污水的一种生态工艺，具有以下优势。
1.2.1为房地产开发商带来了利润增长点
　　自由水面、水生植物和其生长基质是人工湿地处理工艺的主要组成部分。其中，植物和自由水面为社区制造了绿地和人工湖泊，满足了城市人对绿色、自然的渴望，同时为楼盘增加了卖点。位于南五环外大兴区的“顺驰领海”是目前北京最大型的水景住宅，为了在少水的北京营造“地中海”风情,建设人工湖水面面积达3.8 万m²。2004年4月，一期开盘时均价5400元/m²，比同时期、同地段的普通住宅高出80%左右。
1.2.2低成本的生态处理工艺
　　普通的绿地和水景观不仅占用了大片土地，而且草坪的灌溉、湖泊的补水耗费大量的水资源。2005年5月1日施行的《北京市节约用水管理办法》明确规定：住宅小区、单位内部的景观环境用水和其他市政杂用用水，应当使用雨水或者再生水，不得使用自来水。
　　但是，如果将雨水和中水直接补充人工湖等水景观，很可能引起藻类爆发，造成水景观恶化。文献表明^[1]：北京市经过屋面和路面汇集的雨水远远超出景观用水的标准；《城市杂用水水质标准》对中水回用水质的规定为TKN<10mg/L，TP<1.0mg/L，远远超出了国际公认的发生富营养化的临界值（TN=0.2mg/L、TP=0.02mg/L）。因此，雨水和再生水的深度处理是必须的。
　　人工湿地处理工艺集“中水处理”和“水景绿化”于一体，不仅省去灌溉用水、水景补水，还能提供再生水，保证景观用水的水质、水量，减少了占地、基建、设备、维护等多项投资，实现真正的“生态型社区”。
1.2.3同时满足社区的“污水处理率”和“绿化覆盖率”
　　为了将2008年奥运会办成“绿色奥运”，北京市制定了“北京市奥运专项规划”之《生态环境保护专项规划》提出，北京市到2008年，市区污水处理率达到90%以上；到2007年市区城市绿化覆盖率达到43%以上。因此，提高每个社区的污水处理率和绿化覆盖率是必需的。社区中，人工湿地面积越大，污水处理量越高，绿化覆盖面积也越大。人工湿地的建设，同时满足了“污水处理率”和“绿化覆盖率”两项指标的提高。

2人工湿地处理工艺技术可行性分析

　　在城市社区中，利用人工湿地处理雨水和生活污水的效果，以及水量和占地等因素，均影响其技术可行性。
2.1人工湿地处理生活污水的效果分析
　　人工湿地作为一种低投资、低能耗、低处理成本和具有脱氮除磷功能的废水生态处理技术已逐渐被世界许多国家所接受，并广泛应用于处理生活污水、城市污水厂二级出水和农业、养殖业废水。
　　湿地处理污水的工艺最早出现在70年代的德国。迄今为止，在欧洲和北美都得到了重视和发展。在德国、丹麦、挪威等国家，因为土地资源的紧张，人工湿地以潜流为主；而在北美，三分之二的湿地是表流型人工湿地；人工湿地作为二级或三级废水处理技术在新西兰已被广泛采用；目前新西兰大约有80个人工湿地系统在使用，其中，65个作为生活污水处理系统。对小区域来说，废水经过化粪池、氧化塘前处理后，再利用湿地工艺作为一种深度处理方法非常有效^[2]。
　　在我国，对人工湿地的重点研究开始于“七五”期间。1990年，由东南环境科学研究院在深圳白泥坑承建了我国第一个实用型人工湿地污水处理厂，处理周边的村镇生活污水和工业废水。海南省海口市望海狮城生态小区设计中采用了人工湿地处理沼气池出水，并回用冲厕，运行结果稳定^[3]。
2.1.1人工湿地处理生活污水COD，BOD5，SS等指标可达到《城市杂用水水质标准》
　　生活污水属于可生化性较好的废水，有利于人工湿地中的生物作用。表1为我国湿地工程的运行结果。可见，人工湿地的出水水质完全满足《城市杂用水水质标准》的要求。

表 1 国内正式工程运行效果

工程名称 处理规模 污水来源 出水浓度(mg/L) m³/d COD_cr BOD₅ SS TN TP 深圳白泥坑湿地 3100 村镇生活污水、工业废水 <60 <12 <20 / / 深圳沙田湿地 5000 村镇生活污水、工业废水 30 9.1 1.5 9.2 0.3 大港油田湿地 / 生活污水 35.1 7.25 11.8 9.67 0.47 杂用水水质标准 / / <50 <10 <10 TKN <10 <1.0

　　此外，大量的中试工程资料表明，人工湿地对生活污水、养殖业废水^[6]、暴雨径流^[7]都有较好的处理效果。
2.1.2人工湿地对氮磷的去除率高于常规污水处理工艺
　　厨房和厕所排水中的氮磷含量较高。在运转成熟稳定的情况下，人工湿地对污水中的氮磷去除能力较高，对P除率从40%左右到90%以上都有报道。而城市二级污水处理厂对Ｎ、Ｐ的去除率仅能达到20%-40%^[8]。
2.1.3人工湿地去除藻类有优势
　　在居住区的人工水景中，由于流速、水质等原因，经常会出现藻类爆发、景观水质恶化。藻类的去除对普通的处理工艺是一个难点。研究表明，投加二氧化氯、氯胺均无效；臭氧和氯可用于细胞去除前的预氧化以提高细胞的凝集，但剂量不当有可能引起细胞内毒素的释放^[9]资料表明，人工湿地最高除藻率可达97.96%(9)低时亦可达72.69%(3月份)^[10]。
2.2水量平衡计算

　　以“人”为基本单位，对常规中水处理工艺和人工湿地处理工艺的水量进行计算。各个环节的水量以“占人均日用水量的百分比”表示。
　　据《建筑给排水设计规范》（GB50015-2003），具备便器、洗脸盆、洗涤盆、洗衣机、淋浴器、集中热水供应的住宅，人均日用水量180～320L/人.d。在此，以人均日用水量200L。表2宅类建筑物生活用水量及百分率，图1为人工湿地处理工艺水量平衡图。

表 2 住宅类建筑物生活用水量及百分率

厕所 厨房 沐浴 盥洗 总计 用水量L/人·d 40～60 30～40 40～60 20～30 130～190 比例% 31～32 23～21 31～32 15 100

　　由上图可知，利用人工湿地处理中水，除了满足冲厕、绿化、道路喷洒用水之外，每天仍有41.2%的人均日用水量剩余，可用于城市生态景观用水，亦可作为消防备用水。
2.3占地平衡计算
　　《北京地区建设工程规划设计通则》规定，建设工程绿化用地面积占建设用地面积的比例：“凡符合规划标准的新建居住区、居住小区( 居住人口7000人以上或建设用地面积10公顷以上)，按照不低于30% 的比例执行”。为确定利用绿化面积构建人工湿地的可能性，进行占地平衡分析。
　　文献资料表明，湿地的去除负荷在我国南北方的差异较大。以北方内蒙古赤峰中试系统去除负荷为例，BOD₅去除负荷为25.38(夏) ～15.50(冬)g/m^2.d^[11]。 按照冬季负荷进行计算，假设人均日排放BOD₅的污染负荷为20～35g/人.d^[12]，按照每人每天排放的全部污水净化至中水回用的标准，人均占有湿地面积为1.2～2.1m²/人.d。
　　以组团为例，进行详细的用地平衡指标计算。表3为组团内人工湿地占绿地面积的比例。

表 3组团内人工湿地占绿地面积比例

居住规模 层 数 总面积¹ /m²/人 绿地率² /% 绿地面积/m²/人 人工湿地面积m²/人 湿地占绿地比例/% 组团 低层 19 30 3.6 2.1 37 多层 14.5 30 2.25 2.1 48 多层、中高层 13.75 30 2.03 2.1 51 中高层 13.25 30 1.87 2.1 53 多层、高层 11.5 30 1.35 2.1 61 高层 8.5 30 0.45 2.1 82

　　注1：数据来自《城市居住区规划设计规范》GB50180-93中规定的范围取平均.
　　注2： 数据来自2003年3月的《北京地区建设工程规划设计通则》(试用稿)

　　由上图可知，居住规模和建筑层数的不同，人工湿地占绿地比例也不同。其中，“组团～高层”最高，达82%；“组团-低层”最低，为37%。由此可见，现有的绿地面积完全满足湿地工艺要求，不需要额外增加绿地面积。
2.4人工湿地运行中存在问题及解决办法
　　虽然人工湿地处理工艺的出水水质能够满足城市中水回用的要求，但仍然存在一些问题，如有机质积累引起的填料堵塞、占地面大、受季节影响严重、对细菌及病原体的去除等。但通过采取相应的措施，这些问题是可以解决的。
2.4.1有机质积累
　　有些湿地在运行期间出现有机质积累，填料空隙堵塞、从而处理能力下降。其根本原因是有机质去除负荷过高。因此，控制人工湿地的去除负荷是根本措施。Platzer^[13]等建议,中部欧洲气候地区防止堵塞的最大负荷量不超过25gCOD/m².d。
　　在社区中，可将人工湿地分成两级：一级湿地作为宅前湿地，处理优质杂排水，COD负荷较低，可避免有机物积累；二级湿地作为公共湿地，距建筑物较远，处理厨房、厕所排出的生活污水。尽管此类污水的污染物负荷较高，但采用化粪池或沼气池作为预处理工艺，可以避免有机物的积累。
2.4.2占地面积大
　　较可知，人工湿地的占地指标是中水设备的12倍(见表5)，这在“寸土寸金”的大城市中是致命的缺陷。但是，如果将人工湿地景观化，这一缺陷将不复存在。经过占地平衡计算，处理人均日排放的全部污水，人均湿地面积仅占人均绿地面积的25%～82%。
2.4.3季节的影响
　　湿地中植物及微生物的生长呈现季节性变化。尤其在北方，冬季人工湿地能否满足要求是人们普遍关注的问题。
　　T.Mahlum^[14](1995)等研究表明，在挪威（陆地国土处于北纬58º至71º之间,大部分在北极圈内，冬季日最低气温经常在-10℃以下），有厌氧池作为预处理的人工湿地系统,冬季的运行效果与其它季节没有明显不同；在瑞士，利用垂直-水平流湿地组合系统处理住宅区污水，在几年的运行中，冬季的去除性能也较理想^[15]。国内，大港油田生活污水人工湿地在寒冷季节湿地对CODcr、BOD₅、SS处理效果变化不显著；对凯氏氮和磷的去除率反而提高^[16]。
　　由此可见，冬季低温对人工湿地的处理效果影响并非人们想象的那样严重。如果能在冬季加强保温措施，将有利于保证出水水质。在社区中,可以考虑在一级湿地上建造温室，或者将一级湿地建于冬季居民室内活动的公共场所内，湿地内的水生植物同时起到绿化和供氧的作用。此外，还可以利用社区的空调新风系统中从室内交换出来的热空气为污水加温和曝气。
2.4.4健康的担心
　　厕所排水中含有多种细菌和病原体，中水回用是否会造成疾病的传播是民众普遍担忧的问题。
　　将化粪池或沼气池作为人工湿地预处理工艺，经过厌氧处理，可杀死病原体。以“海口市望海狮城生态小区”为例，其粪便污水在沼气净化池滞留时间为8～10ｄ，蛔虫卵死亡率100%，达到《城市污水处理厂污水泥排放标准》（CJ 3025-93）的二级标准^[17]。欧洲渗滤湿地对生活污水具有长期的去除能力，出水细菌去除率为99%^[18]；T.Mahlum^[19]的带化粪池预处理的人工湿地系统，出水粪便大肠杆菌的去除率为99.9%。
　　因此，在实际运行中，可以采用人工湿地和投加消毒剂联合处理。与常规工艺相比，可大大减少消毒剂的用量。

3人工湿地处理工艺景观化的可行性分析

3.1人工湿地景观化的可行性分析
　　水生、湿生植物是人工湿地的重要组成部分。国内相关研究中提到的植物有：芦苇、早熟禾、黑麦草、杭州石荸荠、鸭儿芹、凤眼莲、水芹、水葱、薏苡、石菖蒲、香蒲、菖蒲、水烛、风车草、象草、香根草、美人蕉、茭白、芭茅、水竹、草芦、穿心莲子草、细绿萍、浮萍、睡莲、菹草、金鱼藻、马来眼子菜等。这些植物中，很多都能作为观赏性植物应用于居住区景观设计中。其中，早熟禾和黑麦草是被广泛种植的草皮物种。因此，人工湿地景观化是完全可行的。
3.2后续处理环节景观化的可行性分析
　　在常规的中水设备处理工艺“调节池—生物接触氧化池—沉淀池—滤池—中水池”中，每一个处理环节都可以在景观中找到对应元素。经过恰当的设计，池塘、湖泊可以取代沉淀池、调节池；喷泉、跌水可以代替曝气装置为水复氧；潜流湿地将“生物接触氧化”和“滤池”的作用合二为一；溪流在柔化小区硬质铺装的景观效果的同时还起到输水的作用。图2为人工湿地景观效果图。

4人工湿地处理工艺经济性分析

　　“经济效益”的产生是人工湿地能否推广的源动力。下面以“组团～高层”社区为例，将“人工湿地处理工艺”与“常规中水处理工艺”进行经济性比较，其中：
　　(1)居住区占地指标采用《城市居住区规划设计规范GB50180-93》；
　　(2)绿地率按照北京市规划委员会2003年3月的《北京地区建设工程规划设计通则》(试用稿)中规定，以30%计；
　　(3)日供水量参照《建筑给排水设计规范》（GB50015-2003），以200L/人.d计；日排生活污水全部处理，达到《生活杂用水水质标准》；
　　以“人”为基本单位，各种经济指标折成“元/人.d”进行比较，分别见表4和表5。

表 4方案折算指标（以组团—多层为例）

人工湿地

m²/人.d 中水供应量m³/人.d 绿地面积

m²/人 绿地用水量L/人.d 道路面积

m²/人 人均占有量 1.2-2.1 0.18-0.32¹ 2.1-3.0 3.15-12.0 0.84-1.2 计算采用值 2.1 0.2 2.5 7.58 1.02

　　注1：?数据来自《建筑给排水规范》GB50015-2003

　　由表可见，尽管人工湿地的基建投资高于常规中水处理及绿地建设，但它的运行成本明显低于后两者之和。

表 5两种方案人均资源占有量比较

人均成本 人工湿地 中水设备 居住区绿地 占地面积　　 m²/人 2.1 0.17 2.5 基建设备投资 元/人 1155 331.8 250 运行维护费用 耗电费 元/人.d 0 0.065 0 人工费 元/人.d 0.147 0.076 0.54 耗水费 元/人.d 0 0 0.0076

4.1盈亏平衡分析
　　根据（基建设备投资+运行维护费用）人工湿地=(基建设备投资+运行维护费用）常规中水工艺+小区绿化，可计算出：经过3.6年的运行后，人工湿地的总投资开始低于常规处理工艺和绿化工程投资之和；如果将人工湿地的运行维护费用提高，等同于草坪，则投资相当的年份为11.1。
4.2敏感性分析
　　中水水价和电价的变化都将对盈亏平衡点的时间产生影响。假设2种因素各自独立上涨10%，在其它因素不变的情况下，盈亏平衡点的时间变化情况如表6所示。

表6人工湿地处理工艺敏感性分析

影响因素 基 价 变化幅度 盈亏平衡点(年) 变化幅度 中水价格 1.0元/m³ +10% 11.07 -0.4% 电 价 0.44元/度 +10% 10.56 -5.0%

　　可见，电价对盈亏平衡点的年限影响大于中水价格的影响，并且随着电价和中水价格的上调，人工湿地处理社区中水的优势会越来越显著。

5结论

　　将人工湿地作为中水处理工艺应用于城市社区，是技术可行的，也是经济适宜的。采用此工艺，将有利于北京市“污水处理率”、“绿化覆盖率”以及“建设节水型城市”三项目标的实施。此外，如果将奥林匹克森林公园和比赛场馆周边大型绿地设计为人工湿地，将“龙形水系”循环处理，不但可节约大量的绿地灌溉用水，而且以最低成本保证景观用水的水质。人工湿地处理工艺的推广，是缺水型城市中建造水景观、保证景观水水质、水量的良好途径。

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