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《人工湿地水质净化技术指南》编制思路与体系

2021-10-11 08:53 环境工程技术学报 卢少勇, 万正芬, 康兴生等

人工湿地是水质净化的重要技术之一,对水生态修复和维护生态空间有一定支撑作用。人工湿地出水资源化利用,对于提升河流生态基流保障率、恢复流域水生态系统、促进区域再生水循环利用和推进生态文明建设具有重要意义。《中华人民共和国水污染防治法》明确提出因地制宜建设人工湿地,《重点流域水生态环境保护“十四五”规划编制技术大纲》将湿地恢复(建设)列为考核指标,《关于推进污水资源化利用的指导意见》将人工湿地作为实现污水资源化利用的重要途径。2021年4月30日,生态环境部发布《人工湿地水质净化技术指南》(简称《指南》),这是全国首部人工湿地水质净化技术指南。为深入了解《指南》内容,本刊特邀《指南》编制组专家中国环境科学研究院卢少勇研究员,对《指南》进行专业解读,以期为全国推进《指南》实施提供指导。

湿地是富有生物多样性和生态功能的生态系统,被誉为“地球之肾”和“物种基因库”,在抵御洪水、调节径流、改善气候、控制污染、美化环境和维护区域生态平衡方面有其他生态系统不可替代的作用。“十四五”期间,我国水生态环境管理由水环境质量管理向水生态健康管理转变。人工湿地作为落实污染减排、生态增容重要技术手段之一,对落实《重点流域水生态环境保护“十四五”规划编制技术大纲》和《关于推进污水资源化利用的指导意见》中相关任务具有重要支撑作用。 2021年4月30日,生态环境部印发《人工湿地水质净化技术指南》(简称《指南》)(环办水体函〔2021〕173号),《指南》是落实《重点流域水生态环境保护“十四五”规划编制技术大纲》中“湿地的恢复与建设”重要任务的具体举措,也是实现《关于推进污水资源化利用的指导意见》中“污水资源化利用”的重要途径,对进一步加强水生态环境保护修复,促进区域再生水循环利用,指导各地做好人工湿地水质净化相关工作具有重要意义。 《指南》从解决当前人工湿地重建设、轻维护,设计、施工与验收和运行维护各环节不统一等问题出发,以工程实践和科学研究成果为基础,紧扣影响人工湿地功能、净化效率和长效运行的重要因素,开展全国气候分区,将全国分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区5个区,并分区提出设计参数,细化施工与验收及运行维护的技术要求,为人工湿地设计、施工与验收、运行维护提供全流程指导。

1《指南》制定的背景与意义

在《指南》中,人工湿地被定义为模拟自然湿地的结构和功能,人为地将低污染水投配到由填料(含土壤)与水生植物、动物和微生物构成的独特生态系统中,通过物理、化学和生物等协同作用使水质得以改善的工程。人工湿地是利用河滩地、洼地和绿化用地等,通过优化集(布)水等强化措施改造的近自然系统,以实现水质净化功能提升和生态提质。《指南》从人工湿地设计、施工与验收和运行维护全流程指导人工湿地净化,推进水环境质量持续稳定向好,支撑2035年美丽中国建设目标实现。《指南》制定的必要性和意义如下。(1)落实党中央决策部署,践行习近平生态文明思想 习近平总书记高度重视湿地保护工作,多次作出重要指示批示。党中央把湿地保护和修复纳入生态文明建设的战略部署。党的十八大和十九大分别提出“扩大湿地面积,保护生物多样性,增强生态系统稳定性”以及“强化湿地保护和恢复”。《中华人民共和国水污染防治法》明确规定,县级以上地方人民政府应当根据流域生态环境功能需要,组织开展江河、湖泊、湿地保护与修复,因地制宜地建设人工湿地、水源涵养林、沿河沿湖植被缓冲带和隔离带等生态环境治理与保护工程,整治黑臭水体,提高流域环境资源承载能力。《水污染防治行动计划》也明确提出保护水和湿地生态系统,强化水源涵养林建设与保护,开展湿地保护与修复,加大退耕还林、还草、还湿力度。《指南》的编制是践行习近平生态文明思想,落实深入实施山水林田湖草一体化生态保护和修复,扩大环境容量和生态空间,筑牢生态屏障的重要举措,是推进水生态环境保护修复,促进区域再生水循环利用,实现“美丽河湖”和“人水和谐”的重要举措。(2)落实“十四五”重点流域水生态环境保护污染减排、生态增容的要求 “十四五”期间的水生态环境保护,基于水环境质量改善,更注重水生态保护修复。人工湿地是水生态保护修复的重要措施之一,能发挥生态拦截和深度处理功能,减少进入水体的污染物量,促进区域再生水循环利用。人工湿地可对污水处理厂出水、微污染河水、农田退水等进行净化,是实现“减排、增容”的手段,能促进水生态环境质量改善。(3)实现“实施区域再生水循环利用”的重要途径之一 《指南》为重点排污口下游、河流入湖口、支流入干流处等关键节点人工湿地水质净化工程建设任务提供技术参考和依据。同时,《指南》明确提出,人工湿地出水应达到受纳水体水生态环境保护目标要求或满足再生水回用要求。通过人工湿地强化净化低污染水,提升出水品质,可将湿地出水用于区域内生态补水、工业生产或市政杂用等,提高区域水资源回用水平。另外,人工湿地具有调蓄和净化水资源的功能,能缓解缺水地区供水不足的问题。(4)满足人工湿地科学设计、施工与运行管理的需求 湿地工程要发挥良好的净化效果,设计、施工与验收、运行维护各环节缺一不可且需统一,而现行的生态环境标准对施工与质量验收、竣工环境保护验收及运行维护等环节言之较少。《指南》详细阐述了人工湿地设计、施工与验收和运行维护的技术要求,同时弥补了现行生态环境标准未开展气候分区或对气候分区考虑不足的问题。

2国内外研究进展

2.1

国内外人工湿地水质净化技术发展情况

1903年,在英国约克郡建立第一处用于污水处理的人工湿地系统。20世纪50年代,进入人工湿地的研究阶段。1953年,德国Max Planck研究所的Seidel在研究中发现芦苇能去除污水中大量有机物和无机物,并开发了Max-Planck Institute Process系统。该系统采用传统芦苇砂石床构建淹没垂直潜流人工湿地和水平流系统,但存在堵塞和积水问题。1969年和1974年,分别在荷兰和德国建成第一座表面流和潜流人工湿地。1972年Kichuth提出根区理论,标志着人工湿地作为独特的新型污水处理技术进入水污染控制领域。20世纪80年代以来,人工湿地水质净化技术不断完善,在欧洲、美国、加拿大、日本等地广泛应用,并在全球迅速兴起。北美的湿地中,67%以上是表面流湿地,其中50%是自然湿地,系统水深常为30~40 cm。在欧洲多采用潜流湿地,特别在东欧,系统中种植芦苇、菖蒲与香蒲等,并以砾石为填料保障潜流。21世纪以来,为解决污水排放量大、新污染物去除、水资源短缺等问题,开始考虑在人工湿地中采用一些强化措施,如曝气、潮汐流方式、绿色生物吸附、微生物燃料电池耦合等。

我国在“七五”期间启动人工湿地的研究与实践,以2000年为界可分为2个阶段:1)研究及探索应用阶段(1987—2000年)。1987年,天津市环境保护科学研究所建成全国首例芦苇湿地工程,用于研究对城市污水的处理能力。1990年7月,在深圳市宝安县白泥乡建成占地面积为8 400 m2的处理城镇污水的人工湿地示范工程,,规模为3 100m3/d。1988—1990年,在北京市昌平区建成表面流人工湿地,其被用于开展处理污水的系列研究。1996—2000年,中国科学院水生生物研究所开展了复合垂直流人工湿地的国际合作,为后期该技术在武汉市汉阳—蔡甸区三角湖的成功应用奠定基础。1998年,成都市活水公园净化工艺工程建成,其将污水处理与城市风景园林艺术有机结合,是以水保护为主的生态公园,运行效果良好。本阶段人工湿地以处理河湖水、生活污水的试验研究和应用为主。2)快速发展阶段(2001年至今)。随着国家高技术研究发展计划(“863”计划)、国家水体污染控制与治理科技重大专项等国家层面重大项目的实施,我国人工湿地研究与应用快速发展。2001—2003年,刘超翔、卢少勇与张荣社、李旭东等在滇池流域分别开展处理生活污水、农业径流、暴雨径流等的多类型湿地示范工程研究。2007年复合垂直流人工湿地系统在武汉市汉阳—蔡甸区三角湖成功应用。此外,在我国东平湖、南四湖、洱海、抚仙湖等流域建成了多个人工湿地,用于处理生活污水、河湖水、雨水径流、农业径流、工业废水处理厂尾水净化和水循环利用等。近年来,随着城市化进程加快,为解决人工湿地用地面积大与用地紧张的矛盾,开始了曝气强化、潮汐流人工湿地研究,以提高人工湿地的处理效率。2014年,铝污泥基质湿地在国内应用。2017年,江苏常州建设模块化人工湿地,用以处理农村生活污水,处理水量为60m3/d,其稳定运行了12个月,为人工湿地快速施工和商业化提供了途径。随着微生物燃料电池耦合人工湿地的发展,我国开始了该项新技术研究,并于2017年、2019年在西安举行了2次国际研讨会。随资源节约、海绵城市战略逐渐深入,人工湿地逐渐被应用于处理城镇污水处理厂出水、雨水径流、河湖水等。

2.2

国内外人工湿地水质净化技术标准发展情况

20世纪90年代,美国编制了适用于美国的人工湿地污水处理工程规范,主要规定了人工湿地管道设计标准、场址选择要求、运行管理及设施维护管理等内容。德国首部人工湿地标准于2006年3月发布,并基于德国和欧洲种植和未种植植物滤池的经验,于2017年发布了人工湿地标准修订版,规定了用于污水生物处理的种植式和非种植式湿地设计、建造和运行依据。该人工湿地标准适用于中欧气候条件,即夏暖冬寒,无永久冻土层。2009—2017年,我国住房和城乡建设部、原环境保护部分别发布了人工湿地污水处理技术相关标准,包括RISN-TG006—2009《人工湿地污水处理技术导则》、CJJ/T 54—2017《污水自然处理工程技术规程》、HJ 2005—2010《人工湿地污水处理工程技术规范》,用于规范和指导我国人工湿地设计与建设。随着人工湿地技术的发展及应用,北京、天津、上海、浙江、江苏、安徽、河北、河南、山东、广东、云南、宁夏、青海13个省(区、市)相继发布了人工湿地相关标准。目前,我国现有人工湿地标准主要针对城镇生活污水、污水处理厂出水、农村生活污水及类似性质的水,而对受氮、磷污染的地表水的关注较少。

3《指南》总体思路与主要内容

3.1

总体思路

《指南》以加强水生态环境保护修复、促进区域再生水循环利用为目标,阐述了人工湿地水质净化设计、施工与验收和运行维护的技术要求。其中,人工湿地水质净化设计用于指导施工与验收和运行维护,施工与验收和运行维护应遵循和满足水质净化设计要求,通过质量验收的人工湿地水质净化工程是出水稳定达标的系统,同时运行维护中总结的技术参数可优化设计和施工与验收。人工湿地设计、施工与验收和运行维护的关系见图1。

人工湿地水质净化设计、施工与验收和运行维护流程间的关系

《指南》主要内容包括总则、人工湿地水质净化设计、施工与验收、运行维护和附录5部分。其中总则部分包括编制目的、适用单位、规范性引用文件、术语和定义、基本原则。《指南》为推荐性技术文件,适用于各相关单位和部门开展人工湿地设计、施工与验收及运行管理。

3.2

人工湿地水质净化设计

3.2.1 气候分区 在诸多限制因子中,温度对人工湿地净化效果的影响不可忽视。冬季因温度低使微生物活性减弱、植物地上部分死亡,从而影响人工湿地水质净化效果。当温度低于5 ℃时,反硝化速率极低,比常温时约下降94%。为规范人工湿地建设,开展了全国范围内气候分区,并分区提出设计参数。同时,提出原则上不宜建设人工湿地的区域,如确有需要的,并应充分考虑低温气候,设置必要的保温措施。《指南》在运行维护中提出了低温运行期的强化措施。 《指南》中气候分区是基于2000—2016年全国556个气象站的气温日均数据(来源于中国气象局),包括各气象站1月和7月的多年平均气温,作为气候分区的主要指标。然后统计各气象站每年日均气温在某个阈值范围的天数,确定将每年日均气温≤5 ℃与≥25 ℃的天数作为辅助指标。参考GB 50352—2005《民用建筑设计通则》和GB 50178—93《建筑气候区划标准》中气候分区,将全国分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区5个区。最后根据各气候分区的气候指标阈值,确定各地市的气候分区。3.2.2 进出水水质、水量设计 根据准确定位的基本原则,人工湿地水质净化只承担达标排放的污水处理厂出水等低污染水的水质改善任务,不应作为直接处理生产生活污水的治污设施。人工湿地进出水水质应结合水生态环境目标要求,并满足当地污染物排放标准,当有再生水回用要求时,出水水质应满足GB/T 18920—2020《城市污水再生利用 城市杂用水水质》、GB/T 18921—2019《城市污水再生利用 景观环境用水水质》、GB 3838—2002《地表水环境质量标准》、GB/T 19923—2005《城市污水再生利用 工业用水水质》、GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》等相关要求。在实际工程中,参照有效标准执行。对于进水为污水处理厂出水时,做了进水水量方面的规定。3.2.3 场址确定与工艺选型 为便于人工湿地引排水、节约能源和投资,优选坑塘、洼地和荒地等便于利用的土地。《指南》中比较了表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地的优缺点,并基于因地制宜原则,为人工湿地建设时场址确定和工艺选择提供参考,具体为:1)在污水处理厂等重点排污单位出水口下游,宜选择潜流人工湿地或潜流、表面流结合型人工湿地,用地紧张时选择潜流人工湿地;2)在河流支流入干流处、河流入湖(库)口、重点湖(库)滨带、河道两侧的河滩地等,宜选择表面流人工湿地,但用地紧张或河湖水质较差且水生态环境目标要求较高时可考虑建设潜流人工湿地;3)在大中型灌区农田退水口下游,可以表面流人工湿地为主建设人工湿地群;4)在蓄滞洪区、采煤塌陷地及闲置洼地,,可因地制宜建设旁路或原位表面流人工湿地;5)在城镇绿化带,可考虑建设潜流人工湿地,在城镇边角地等地形受限处,可建设与地形相适应的表面流人工湿地。3.2.4 工艺设计要求 人工湿地主要包括引排水系统、预处理系统、主处理系统、强化处理系统、二次污染防治设施、管理用房等部分。总体布置应遵循工艺合理、布设紧凑、排水通畅、管理方便、景观协调、交通便利等基本要求,建设与城市景观相结合的人工湿地生态设施。《指南》以实际工程案例、研究成果等为基础,提出不同分区、不同类型人工湿地的设计参数,便于分区指导人工湿地建设。人工湿地常按照CODCr、NH3-N、TN、TP等主要污染物削减负荷和水力负荷进行工艺设计。当各指标计算的湿地面积有差异时,取其计算结果最大值;其次,水力停留时间是控制人工湿地运行效果的重要指标,也需校核;此外,在人工湿地设计中,要重点做好集(布)水系统设计、防渗设计、填料与土壤配置及植物配植等工作,保障人工湿地能运行10年以上。

3.3

施工与验收

《指南》中阐述了不同类型人工湿地的主要施工工序,施工、验收的基本规定。人工湿地施工和验收应符合《建设工程质量管理条例》《建设项目环境保护竣工验收管理办法》等对人工湿地水质净化工程的建设施工和环境保护验收做出的规定,还应符合国家现行有关法律、法规、标准的规定。

表面流人工湿地、潜流人工湿地应按照施工工序进行施工,前者的施工工序为地基与基础工程—引排水工程、湿地构筑物—植物种植—辅助工程及配套设施;后者为地基与基础工程—引排水工程、湿地构筑物—防渗层—填料充填—植物种植—辅助工程及配套设施。针对不同施工工序,《指南》介绍了施工要点及应参照的标准。例如,在地基与基础工程部分介绍了施工降排水、基坑开挖与回填的施工要点;在引排水工程部分介绍了泵与管渠的施工要点;在主体构筑物部分介绍了混凝土结构构筑物、砌体结构构筑物、塘体结构构筑物、土建与设备连接部位、附属结构的施工要点;在防渗层部分介绍了防渗膜与三合土的施工要点;在填料施工部分介绍了保护层与主体填料的施工要点,提出需重点考虑湿地床内填充的均匀性,不破坏防渗层与配水、集水系统;在植物种植部分介绍了水生植物与非水生植物种植的施工要点,其中前者重点考虑了起苗、运输、种植过程中成活率的保证,涉及根系土壤、水分、水深、污染负荷、与填料的位置关系等;在辅助工程及配套设施部分介绍了喷灌系统、生产路、电气设备附属工程、自动控制及监控系统工程、水量计量设施、水质监测系统的施工要点。

人工湿地水质净化工程由多项单体工程构成,工程验收时应先进行单体工程验收,按照土建工程、设备安装工程、植物栽种工程等顺序进行,并基于此进行竣工验收及环境保护达标验收。《指南》依据各地的工程实践经验,将人工湿地构筑物单位(子单位)工程、分部(子分部)工程、分项工程(验收批)的原则划分列入附录A,以供工程设计时参考。其次,考虑人工湿地植物和微生物生长的特殊性,《指南》针对性提出了人工湿地竣工环境保护验收的条件,即当人工湿地主体工程及附属设施竣工,出水稳定达标运行3个月以上(位于严寒、寒冷地区的人工湿地宜跨冬季)且处理水量达到设计水量的75%以上时,可进行竣工环境保护验收,验收期限最长不超过12个月。

3.4

运行维护

人工湿地与天然湿地相比生态系统更脆弱,更需做好运行维护。《指南》按建管并重的原则,提出应建立精简、高效、职能分工明确的规章制度和组织结构,根据工作内容和岗位任职要求,配备适宜的符合岗位任职标准的运行、管理和维护人员,特殊工种应根据国家相关部门要求取得资格证书后才能上岗作业。其次,明确了生产调试、日常运行养护、安全生产、应急管理、监测与记录的技术要求,针对人工湿地植物初期维护、预处理系统、主体系统、低温环境运行、强化处理措施提出了检查、维护和运行参数。并根据工程经验,提出常见问题及建议措施清单,为人工湿地运行维护提供重要参考。此外,《指南》附录C、D给出了监测记录和运行维护的记录表,便于查询与管理,还给出了湿地运行维护五大类主要问题及对应的建议措施清单。

4《指南》实施的建议

《指南》的实施应注重与生态环境保护、工程建设、劳动安全、卫生、消防等有关法律、法规、政策和标准相协调,加强与当地水污染物排放标准、水生态环境保护目标、“十四五”规划及相关规划的衔接。注重与当地气候、资源环境相协调,选择合适的设计参数与工艺类型,形成适合实际的水质净化与生态修复模式。 人工湿地是生态公益性项目,湿地的运行费用虽然低于同规模的污水处理厂,但仍需要管理人员及经费。为克服人工湿地重建轻管之顽疾,以延长人工湿地寿命,主管单位应建立健全运行维护机制,保障人工湿地工程维修、日常养护、植物收割处置等费用,同时,引入专业机构开展运行维护,实行按效付费。有条件的地方可探索生态种植、生态旅游、净化后水资源有偿转让、湿地植物收割后资源化等方式,建立多元资金保障机制。

5结语

《指南》是按照国家现有相关技术政策、标准、规范的要求,以长江、黄河、白洋淀、南四湖、马踏湖、茅洲河、洋湖等流域典型人工湿地工程案例和已有标准为基础编制形成的,其实施应遵循准确定位、生态优先、因地制宜和绩效明确的基本原则。《指南》首次以最低月温度为核心指标对全国进行气候分区,并按气候分区给出了主要湿地类型的设计参数推荐值。鉴于湿地通常位置比较偏远、湿地运行涉及安全生产、环境科学与工程、生物学、材料学、水力学等多专业方面的知识,而且现场管理人员的专业知识通常不够综合,针对湿地常见的五大类问题提出了相应的对策,以切实指导全国人工湿地的运行,便于及时发现与解决问题,提高运行效率及资金应用成效,助力湿地出水水质改善及受纳水体的污染负荷降低;对于低温环境运行,提出采用保温、降低水力负荷、增加预处理等措施提高低温期运行效果;通过科学设计、规范化施工与验收、专业化运行管理,实现人工湿地长效运行,充分发挥人工湿地调节径流、控制污染、美化环境和维护区域生态平衡等功能,促进河湖水生态系统功能提升,提高区域再生水循环利用水平。作为首部全国性针对低污染水的人工湿地水质净化技术指南,《指南》的发布将为我国“十四五”水生态保护修复和区域再生水循环利用提供重要的指导和技术支撑。

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人工湿地照片


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