張靜¹，張旭¹，徐錦華²，李果³，蘭天³
(1.清華大學環境科學與工程系 ,北京100084 ;2.北京市自來水集團有限公司,北京100031;3.北京海淀科技園建設股份有限公司,北京100088)

　　摘 要：隨著人口和經濟的急劇增長，區域的水資源短缺成為大多數城市發展的限制因素。提高水的重復利用率、實現城市污水資源化是解決這一問題的有效途徑。中水回用是提高生活用水重復利用率的主要方式。但是，由于價格因素，中水產業尚未形成市場運行機制，只能靠政策法規強制執行或國家補貼維持運營。人工濕地處理工藝集“中水處理”和“水景綠化”功能于一體，不僅為城市社區帶來環境效益，同時轉化為房地產企業的經濟效益；在保證“污水處理率”的同時，滿足“綠化覆蓋率”的要求。本文通過分析論證得出：人工濕地工藝應用于城市社區是技術可行、經濟適宜的，并有利于中水產業市場化運營。
　　關鍵詞: 人工濕地　 城市景觀用水　 技術可行性　 經濟適宜性 　

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

　　北京是我國北方最大的缺水型城市，飲用水主要來源是地下水和密云水庫。按《21世紀初期首都水資源可持續利用規劃》預測，按正常年份計算，到2010年全市將缺水16.15億m³。即使南水北調工程投入使用，也僅能為北京市解決11億m³。可見，隨著人口和經濟規模空前增長，北京的用水需求已超出了區域水資源的承載能力。因此，提高水的重復利用率，實現城市污水資源化是解決水資源短缺的根本途徑。中水回用是提高生活用水重復利用率的主要形式。但是，由于價格、投資、運行等因素的影響，中水回用還存在一系列的問題。隨著人們對景觀用水的需求及城市水資源短缺之間矛盾加劇，人工濕地因同時具有“景觀價值”與“污水處理功能”，在城市社區中具有廣闊的應用前景。

1人工濕地處理工藝的優勢

1.1目前中水運營存在的問題
　　1996年建設部頒發了《城市中水設施管理暫行辦法》，規定建筑面積超過2萬m²的旅館、飯店、公寓，超過3萬m²的機關、科研、大專院校、大型文化體育設施必須修建中水設施。
　　目前北京市的中水處理有分散和集中兩種形式。由于集中處理的管網敷設投資大、施工影響面廣，管道的鋪設往往滯后于用戶的需求。因此，中水在小區、樓盤內部處理后就地回用仍然是中水回用的主要形式；但是，由于中水定價偏低，小區、樓盤中水設施的投入不能為開發商帶來利潤回報，中水設施規模普遍偏小，不能滿足用戶的需求。
1.2人工濕地處理工藝的優勢
　　根據《濕地公約》中對濕地的定義，城市中的人工湖、連續過水的綠地都屬于人工濕地。與通常的人工湖和綠地不同，人工濕地改善了原有的土壤基質，選擇具有耐污除污能力的水生、濕生植物優化組合，通過控制水的流動，達到預期的處理效果。因此，在城市社區中，人工濕地可視為利用“水景綠地”處理生活污水的一種生態工藝，具有以下優勢。
1.2.1為房地產開發商帶來了利潤增長點
　　自由水面、水生植物和其生長基質是人工濕地處理工藝的主要組成部分。其中，植物和自由水面為社區制造了綠地和人工湖泊，滿足了城市人對綠色、自然的渴望，同時為樓盤增加了賣點。位于南五環外大興區的“順馳領海”是目前北京最大型的水景住宅，為了在少水的北京營造“地中海”風情,建設人工湖水面面積達3.8 萬m²。2004年4月，一期開盤時均價5400元/m²，比同時期、同地段的普通住宅高出80%左右。
1.2.2低成本的生態處理工藝
　　普通的綠地和水景觀不僅占用了大片土地，而且草坪的灌溉、湖泊的補水耗費大量的水資源。2005年5月1日施行的《北京市節約用水管理辦法》明確規定：住宅小區、單位內部的景觀環境用水和其他市政雜用用水，應當使用雨水或者再生水，不得使用自來水。
　　但是，如果將雨水和中水直接補充人工湖等水景觀，很可能引起藻類爆發，造成水景觀惡化。文獻表明^[1]：北京市經過屋面和路面匯集的雨水遠遠超出景觀用水的標準；《城市雜用水水質標準》對中水回用水質的規定為TKN<10mg/L，TP<1.0mg/L，遠遠超出了國際公認的發生富營養化的臨界值（TN=0.2mg/L、TP=0.02mg/L）。因此，雨水和再生水的深度處理是必須的。
　　人工濕地處理工藝集“中水處理”和“水景綠化”于一體，不僅省去灌溉用水、水景補水，還能提供再生水，保證景觀用水的水質、水量，減少了占地、基建、設備、維護等多項投資，實現真正的“生態型社區”。
1.2.3同時滿足社區的“污水處理率”和“綠化覆蓋率”
　　為了將2008年奧運會辦成“綠色奧運”，北京市制定了“北京市奧運專項規劃”之《生態環境保護專項規劃》提出，北京市到2008年，市區污水處理率達到90%以上；到2007年市區城市綠化覆蓋率達到43%以上。因此，提高每個社區的污水處理率和綠化覆蓋率是必需的。社區中，人工濕地面積越大，污水處理量越高，綠化覆蓋面積也越大。人工濕地的建設，同時滿足了“污水處理率”和“綠化覆蓋率”兩項指標的提高。

2人工濕地處理工藝技術可行性分析

　　在城市社區中，利用人工濕地處理雨水和生活污水的效果，以及水量和占地等因素，均影響其技術可行性。
2.1人工濕地處理生活污水的效果分析
　　人工濕地作為一種低投資、低能耗、低處理成本和具有脫氮除磷功能的廢水生態處理技術已逐漸被世界許多國家所接受，并廣泛應用于處理生活污水、城市污水廠二級出水和農業、養殖業廢水。
　　濕地處理污水的工藝最早出現在70年代的德國。迄今為止，在歐洲和北美都得到了重視和發展。在德國、丹麥、挪威等國家，因為土地資源的緊張，人工濕地以潛流為主；而在北美，三分之二的濕地是表流型人工濕地；人工濕地作為二級或三級廢水處理技術在新西蘭已被廣泛采用；目前新西蘭大約有80個人工濕地系統在使用，其中，65個作為生活污水處理系統。對小區域來說，廢水經過化糞池、氧化塘前處理后，再利用濕地工藝作為一種深度處理方法非常有效^[2]。
　　在我國，對人工濕地的重點研究開始于“七五”期間。1990年，由東南環境科學研究院在深圳白泥坑承建了我國第一個實用型人工濕地污水處理廠，處理周邊的村鎮生活污水和工業廢水。海南省海口市望海獅城生態小區設計中采用了人工濕地處理沼氣池出水，并回用沖廁，運行結果穩定^[3]。
2.1.1人工濕地處理生活污水COD，BOD5，SS等指標可達到《城市雜用水水質標準》
　　生活污水屬于可生化性較好的廢水，有利于人工濕地中的生物作用。表1為我國濕地工程的運行結果。可見，人工濕地的出水水質完全滿足《城市雜用水水質標準》的要求。

表 1 國內正式工程運行效果

工程名稱 處理規模 污水來源 出水濃度(mg/L) m³/d COD_cr BOD₅ SS TN TP 深圳白泥坑濕地 3100 村鎮生活污水、工業廢水 <60 <12 <20 / / 深圳沙田濕地 5000 村鎮生活污水、工業廢水 30 9.1 1.5 9.2 0.3 大港油田濕地 / 生活污水 35.1 7.25 11.8 9.67 0.47 雜用水水質標準 / / <50 <10 <10 TKN <10 <1.0

　　此外，大量的中試工程資料表明，人工濕地對生活污水、養殖業廢水^[6]、暴雨徑流^[7]都有較好的處理效果。
2.1.2人工濕地對氮磷的去除率高于常規污水處理工藝
　　廚房和廁所排水中的氮磷含量較高。在運轉成熟穩定的情況下，人工濕地對污水中的氮磷去除能力較高，對P除率從40%左右到90%以上都有報道。而城市二級污水處理廠對Ｎ、Ｐ的去除率僅能達到20%-40%^[8]。
2.1.3人工濕地去除藻類有優勢
　　在居住區的人工水景中，由于流速、水質等原因，經常會出現藻類爆發、景觀水質惡化。藻類的去除對普通的處理工藝是一個難點。研究表明，投加二氧化氯、氯胺均無效；臭氧和氯可用于細胞去除前的預氧化以提高細胞的凝集，但劑量不當有可能引起細胞內毒素的釋放^[9]資料表明，人工濕地最高除藻率可達97.96%(9)低時亦可達72.69%(3月份)^[10]。
2.2水量平衡計算

　　以“人”為基本單位，對常規中水處理工藝和人工濕地處理工藝的水量進行計算。各個環節的水量以“占人均日用水量的百分比”表示。
　　據《建筑給排水設計規范》（GB50015-2003），具備便器、洗臉盆、洗滌盆、洗衣機、淋浴器、集中熱水供應的住宅，人均日用水量180～320L/人.d。在此，以人均日用水量200L。表2宅類建筑物生活用水量及百分率，圖1為人工濕地處理工藝水量平衡圖。

表 2 住宅類建筑物生活用水量及百分率

廁所 廚房 沐浴 盥洗 總計 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

　　由上圖可知，利用人工濕地處理中水，除了滿足沖廁、綠化、道路噴灑用水之外，每天仍有41.2%的人均日用水量剩余，可用于城市生態景觀用水，亦可作為消防備用水。
2.3占地平衡計算
　　《北京地區建設工程規劃設計通則》規定，建設工程綠化用地面積占建設用地面積的比例：“凡符合規劃標準的新建居住區、居住小區( 居住人口7000人以上或建設用地面積10公頃以上)，按照不低于30% 的比例執行”。為確定利用綠化面積構建人工濕地的可能性，進行占地平衡分析。
　　文獻資料表明，濕地的去除負荷在我國南北方的差異較大。以北方內蒙古赤峰中試系統去除負荷為例，BOD₅去除負荷為25.38(夏) ～15.50(冬)g/m^2.d^[11]。 按照冬季負荷進行計算，假設人均日排放BOD₅的污染負荷為20～35g/人.d^[12]，按照每人每天排放的全部污水凈化至中水回用的標準，人均占有濕地面積為1.2～2.1m²/人.d。
　　以組團為例，進行詳細的用地平衡指標計算。表3為組團內人工濕地占綠地面積的比例。

表 3組團內人工濕地占綠地面積比例

居住規模 層 數 總面積¹ /m²/人 綠地率² /% 綠地面積/m²/人 人工濕地面積m²/人 濕地占綠地比例/% 組團 低層 19 30 3.6 2.1 37 多層 14.5 30 2.25 2.1 48 多層、中高層 13.75 30 2.03 2.1 51 中高層 13.25 30 1.87 2.1 53 多層、高層 11.5 30 1.35 2.1 61 高層 8.5 30 0.45 2.1 82

　　注1：數據來自《城市居住區規劃設計規范》GB50180-93中規定的范圍取平均.
　　注2： 數據來自2003年3月的《北京地區建設工程規劃設計通則》(試用稿)

　　由上圖可知，居住規模和建筑層數的不同，人工濕地占綠地比例也不同。其中，“組團～高層”最高，達82%；“組團-低層”最低，為37%。由此可見，現有的綠地面積完全滿足濕地工藝要求，不需要額外增加綠地面積。
2.4人工濕地運行中存在問題及解決辦法
　　雖然人工濕地處理工藝的出水水質能夠滿足城市中水回用的要求，但仍然存在一些問題，如有機質積累引起的填料堵塞、占地面大、受季節影響嚴重、對細菌及病原體的去除等。但通過采取相應的措施，這些問題是可以解決的。
2.4.1有機質積累
　　有些濕地在運行期間出現有機質積累，填料空隙堵塞、從而處理能力下降。其根本原因是有機質去除負荷過高。因此，控制人工濕地的去除負荷是根本措施。Platzer^[13]等建議,中部歐洲氣候地區防止堵塞的最大負荷量不超過25gCOD/m².d。
　　在社區中，可將人工濕地分成兩級：一級濕地作為宅前濕地，處理優質雜排水，COD負荷較低，可避免有機物積累；二級濕地作為公共濕地，距建筑物較遠，處理廚房、廁所排出的生活污水。盡管此類污水的污染物負荷較高，但采用化糞池或沼氣池作為預處理工藝，可以避免有機物的積累。
2.4.2占地面積大
　　較可知，人工濕地的占地指標是中水設備的12倍(見表5)，這在“寸土寸金”的大城市中是致命的缺陷。但是，如果將人工濕地景觀化，這一缺陷將不復存在。經過占地平衡計算，處理人均日排放的全部污水，人均濕地面積僅占人均綠地面積的25%～82%。
2.4.3季節的影響
　　濕地中植物及微生物的生長呈現季節性變化。尤其在北方，冬季人工濕地能否滿足要求是人們普遍關注的問題。
　　T.Mahlum^[14](1995)等研究表明，在挪威（陸地國土處于北緯58º至71º之間,大部分在北極圈內，冬季日最低氣溫經常在-10℃以下），有厭氧池作為預處理的人工濕地系統,冬季的運行效果與其它季節沒有明顯不同；在瑞士，利用垂直-水平流濕地組合系統處理住宅區污水，在幾年的運行中，冬季的去除性能也較理想^[15]。國內，大港油田生活污水人工濕地在寒冷季節濕地對CODcr、BOD₅、SS處理效果變化不顯著；對凱氏氮和磷的去除率反而提高^[16]。
　　由此可見，冬季低溫對人工濕地的處理效果影響并非人們想象的那樣嚴重。如果能在冬季加強保溫措施，將有利于保證出水水質。在社區中,可以考慮在一級濕地上建造溫室，或者將一級濕地建于冬季居民室內活動的公共場所內，濕地內的水生植物同時起到綠化和供氧的作用。此外，還可以利用社區的空調新風系統中從室內交換出來的熱空氣為污水加溫和曝氣。
2.4.4健康的擔心
　　廁所排水中含有多種細菌和病原體，中水回用是否會造成疾病的傳播是民眾普遍擔憂的問題。
　　將化糞池或沼氣池作為人工濕地預處理工藝，經過厭氧處理，可殺死病原體。以“海口市望海獅城生態小區”為例，其糞便污水在沼氣凈化池滯留時間為8～10ｄ，蛔蟲卵死亡率100%，達到《城市污水處理廠污水泥排放標準》（CJ 3025-93）的二級標準^[17]。歐洲滲濾濕地對生活污水具有長期的去除能力，出水細菌去除率為99%^[18]；T.Mahlum^[19]的帶化糞池預處理的人工濕地系統，出水糞便大腸桿菌的去除率為99.9%。
　　因此，在實際運行中，可以采用人工濕地和投加消毒劑聯合處理。與常規工藝相比，可大大減少消毒劑的用量。

3人工濕地處理工藝景觀化的可行性分析

3.1人工濕地景觀化的可行性分析
　　水生、濕生植物是人工濕地的重要組成部分。國內相關研究中提到的植物有：蘆葦、早熟禾、黑麥草、杭州石荸薺、鴨兒芹、鳳眼蓮、水芹、水蔥、薏苡、石菖蒲、香蒲、菖蒲、水燭、風車草、象草、香根草、美人蕉、茭白、芭茅、水竹、草蘆、穿心蓮子草、細綠萍、浮萍、睡蓮、菹草、金魚藻、馬來眼子菜等。這些植物中，很多都能作為觀賞性植物應用于居住區景觀設計中。其中，早熟禾和黑麥草是被廣泛種植的草皮物種。因此，人工濕地景觀化是完全可行的。
3.2后續處理環節景觀化的可行性分析
　　在常規的中水設備處理工藝“調節池—生物接觸氧化池—沉淀池—濾池—中水池”中，每一個處理環節都可以在景觀中找到對應元素。經過恰當的設計，池塘、湖泊可以取代沉淀池、調節池；噴泉、跌水可以代替曝氣裝置為水復氧；潛流濕地將“生物接觸氧化”和“濾池”的作用合二為一；溪流在柔化小區硬質鋪裝的景觀效果的同時還起到輸水的作用。圖2為人工濕地景觀效果圖。

4人工濕地處理工藝經濟性分析

　　“經濟效益”的產生是人工濕地能否推廣的源動力。下面以“組團～高層”社區為例，將“人工濕地處理工藝”與“常規中水處理工藝”進行經濟性比較，其中：
　　(1)居住區占地指標采用《城市居住區規劃設計規范GB50180-93》；
　　(2)綠地率按照北京市規劃委員會2003年3月的《北京地區建設工程規劃設計通則》(試用稿)中規定，以30%計；
　　(3)日供水量參照《建筑給排水設計規范》（GB50015-2003），以200L/人.d計；日排生活污水全部處理，達到《生活雜用水水質標準》；
　　以“人”為基本單位，各種經濟指標折成“元/人.d”進行比較，分別見表4和表5。

表 4方案折算指標（以組團—多層為例）

人工濕地

m²/人.d 中水供應量m³/人.d 綠地面積

m²/人 綠地用水量L/人.d 道路面積

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 計算采用值 2.1 0.2 2.5 7.58 1.02

　　注1：?數據來自《建筑給排水規范》GB50015-2003

　　由表可見，盡管人工濕地的基建投資高于常規中水處理及綠地建設，但它的運行成本明顯低于后兩者之和。

表 5兩種方案人均資源占有量比較

人均成本 人工濕地 中水設備 居住區綠地 占地面積　　 m²/人 2.1 0.17 2.5 基建設備投資 元/人 1155 331.8 250 運行維護費用 耗電費 元/人.d 0 0.065 0 人工費 元/人.d 0.147 0.076 0.54 耗水費 元/人.d 0 0 0.0076

4.1盈虧平衡分析
　　根據（基建設備投資+運行維護費用）人工濕地=(基建設備投資+運行維護費用）常規中水工藝+小區綠化，可計算出：經過3.6年的運行后，人工濕地的總投資開始低于常規處理工藝和綠化工程投資之和；如果將人工濕地的運行維護費用提高，等同于草坪，則投資相當的年份為11.1。
4.2敏感性分析
　　中水水價和電價的變化都將對盈虧平衡點的時間產生影響。假設2種因素各自獨立上漲10%，在其它因素不變的情況下，盈虧平衡點的時間變化情況如表6所示。

表6人工濕地處理工藝敏感性分析

影響因素 基 價 變化幅度 盈虧平衡點(年) 變化幅度 中水價格 1.0元/m³ +10% 11.07 -0.4% 電 價 0.44元/度 +10% 10.56 -5.0%

　　可見，電價對盈虧平衡點的年限影響大于中水價格的影響，并且隨著電價和中水價格的上調，人工濕地處理社區中水的優勢會越來越顯著。

5結論

　　將人工濕地作為中水處理工藝應用于城市社區，是技術可行的，也是經濟適宜的。采用此工藝，將有利于北京市“污水處理率”、“綠化覆蓋率”以及“建設節水型城市”三項目標的實施。此外，如果將奧林匹克森林公園和比賽場館周邊大型綠地設計為人工濕地，將“龍形水系”循環處理，不但可節約大量的綠地灌溉用水，而且以最低成本保證景觀用水的水質。人工濕地處理工藝的推廣，是缺水型城市中建造水景觀、保證景觀水水質、水量的良好途徑。

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