用人工濕地來自然凈化污水

今年3月22日「世界水日」的主題是廢水。對於衛生設施匱乏的發展中國家，污水處理是一個難題，《科學美國人》西班牙版介紹了一種幾乎不需要消耗能源的凈化方法——人工濕地。

撰文 克里斯蒂娜 · 阿維拉（Cristina ávila） 維克托 · 馬塔莫羅斯（Víctor Matamoros）霍安 · 加西亞（Joan García）?

翻譯?郝蘊

地球上有足夠的淡水，可滿足全人類的需求。然而，2015年的數據顯示，地球上有10%的人口仍然沒有安全的飲用水，約40%的人缺乏基本的衛生設施。據估計，每年有150萬兒童因缺乏飲用水和衛生設施而死亡。因此，聯合國在2010年宣布，獲取清潔飲用水和衛生設施是一項基本人權。

儘管近年來這方面的問題得到了一定改善，但全球約25億人口仍然缺乏衛生設施。這個問題主要存在於農村及偏遠地區，那裡70%的家庭缺乏衛生條件，有90%的人在室外排便，這一習慣嚴重危害了當地居民的公眾健康。

然而，目前世界多數地區採用的水處理方法很難應用於農村地區或發展中國家。這種模式首先要建立一個分布廣泛的污水收集系統，將污水引至一個大型污水處理廠再進行集中處理，這是一個極為複雜的過程，成本和能耗都很高。事實上，承擔污水處理工作的是一些世界上規模最大的企業，它們處理的污水總量也很驚人。歐洲的污水處理廠商管理著總長超過220萬千米的污水管道和大約7萬座污水處理廠。據估計，美國總發電量的3%要用於污水處理。

的確，在工業化國家的大城市，污水處理廠佔地面積小、處理效率高，這種水處理系統的作用是不可替代的。然而，要處理鄉村地區少量、分散的污水，該模式就必須做出改變了。有必要開發一種實施與運行成本更低，能適應每個地區的自然環境以及社會、經濟條件的技術。這種技術應該易於維護，在源頭對污水進行分散處理。

人工濕地是實現這種轉變的一個極好手段。這些系統模擬了自然濕地，但它們的設計和運作模式都是以增強凈化水的物理和化學過程為目標。人工濕地可以利用當地的材料和勞動力建造。此外，因為它們並不依賴於高科技方法，因此特別適合發展中國家和地區。

人工濕地維護簡單，在經濟和環境兩方面都會帶來收益。這些系統的運作幾乎是零能耗的（只要有足夠的陽光），只產生少量污泥，不需要添加化學試劑。此外，人工濕地還可以為野生動物提供棲息地，有利於提高生物多樣性和恢復生態環境。對於水量和水質的巨大波動以及環境溫度的變化，這些系統也有良好的適應能力。雖然它是一個相對較新的技術，但與其他應用更廣泛的方法（如活性污泥）相比，效率要更高，而且還能清除一些其他方法難以處理的污染物。

利用自然的力量

目前世界上大多數凈化污水的技術都包括三個階段：預處理，分離較大的固體廢物；初級處理，把剩下的固體顆粒也沉澱出來；二級生物處理，利用微生物分解並去除溶於水的有機物。傳統的處理方法或多或少都會產生污泥，接下來，這些污泥也要經過處理最終才能排放掉。這一過程成本也很高。如果想得到高質量的凈化水，還需要再經過三級處理，以減少病原微生物，這樣才能得到可用於生活、農業和工業的水。

人工濕地可以作為二級或三級處理的方法。它們適用於凈化不同來源的水，例如生活污水、工業和採礦廢水，以及徑流。這種濕地一般是覆蓋著植被的淺水池或水渠（深度小於1米）。濕地內種植的植物通常選用蘆葦（Phragmites australis）、香蒲（Typha latifolia）和黃菖蒲（Iris pseudacorus）。

在人工濕地中，水會與各種因素相互作用，從而實現凈化，顆粒介質（碎石或砂）、微生物、植被，甚至野生動物都會參與其中。物理、化學反應，以及微生物參與的過程可以降解水中的有機物和營養物質，也可以消除病原微生物。而微生物也會參與化學物質的轉化、揮發、沉澱、吸附（附著或吸收）以及光降解。哪種過程所佔比重最大，在很大程度上取決於濕地的設計。

人工濕地通常可以分為兩類，一種是表面流濕地，主要處理過程是在一個水體中進行的；另外一種是潛流濕地，凈化過程是在陸地上進行的。在第一種系統里，水暴露在大氣中，循環流經植物的莖和葉。這類濕地一般是0.3~0.5米深的淺水池，植物紮根在池底。凈化主要依賴於生物膜（附著在植物莖葉上的微生物群落）。這種系統一般用來進行三級處理，也就是進一步改善經傳統污水處理廠凈化後的水的水質。

在潛流濕地中，水在淺層土壤下循環流動，會經過顆粒介質並與植物的根和根莖接觸。水處理是在深度為0.3米~0.9米的地層中進行的。在這種情況下，附著在顆粒介質、植物的根和根莖上的生物膜負責去除污染物。與表面流濕地相比，潛流濕地能負載更多的污染物，適用於二級處理。這種系統中污水直接和人接觸的風險更小，也不會滋生蚊子之類的昆蟲。然而，這種系統無法提供可用的水源，使得它們在環境恢復項目中用處不大。

潛流濕地還可以分為水平流和垂直流兩種。前一種的特點是水流方向與地面平行，並不斷地流動。而在後一種濕地中，水垂直流動，而且是間歇性的，因此顆粒介質通常不會被淹沒。這就需要用抽水系統和遍布濕地表面的管網來輸送污水。因為垂直流濕地不是永久處於浸水狀態，其含氧量要高於水平流濕地，從而增強了它的污水處理能力。因此，如果是降解一定量的污染物，需要的垂直流濕地的面積更小。這是由於這種濕地可以更好地把氧輸送給植物生物膜，有利於清除污染物。

人工濕地的發展歷程

第一個人工濕地水處理實驗是德國馬普所在20世紀50年代進行的。在接下來的十年，這項技術開始向中歐推廣。從20世紀80年代開始，德國的設計被引入了丹麥，到1987年，丹麥已建成了近80個水平潛流濕地來處理小城鎮污水。

雖然在20世紀80年代末，許多歐洲國家已把人工濕地納入了他們的污水凈化技術，但是直到10年後，人工濕地才成為處理小社區和其他零散污水的首要方法。今天，在世界各地有成千上萬的人工濕地，包括英國（有1000多個人工濕地）、奧地利、比利時、波蘭、瑞典、捷克共和國、法國或美國這樣的國家。從21 世紀開始，地中海沿岸的歐洲國家（西班牙，義大利，希臘，斯洛維尼亞和土耳其）也已經建設了大量的人工濕地。

最初，這些國家建造的潛流濕地主要是水平流類型的。人們曾認為植物可以把氧輸送到地下部分，供根及根莖上的生物膜通過有氧反應來分解污染物。然而經驗表明，植物在這個過程中的作用非常有限，對於一直被水浸透的水平流濕地，氧從空氣到水的輸送是嚴重不足的。

水平流濕地的這些局限性促使人們發展垂直流濕地。這類濕地的設計和運作方式（間歇性的水流和未被水浸潤的顆粒介質），使得它們能在更小的空間內處理污染更嚴重的水。在法國有一種形式略有變化的人工濕地，未經處理的污水會直接排入劃分成網格狀模塊的濕地，每個模塊都是間歇進水的。這樣在模塊閑置期間，沉積的污泥會發生礦化。植物在這種濕地中發揮著至關重要的作用，植物的生長以及它們的莖桿在風力作用下的運動都會破開表層泥土，使得地表下的土壤可以接觸空氣，促進氧氣作用下的礦化過程。

人工濕地技術的最新一個進展是把不同類型的濕地結合起來，集合每一種方法的優勢。儘管有若干種可能的結合方式，但目前最常用的一種是垂直流濕地連接水平流濕地。這種技術已在奧地利、愛爾蘭和斯洛維尼亞等國家使用。由於歐洲水框架指令的實施，混合系統在歐洲得到了較多的關注，該法案對水質有非常嚴格的要求。

實踐證明，有一種混合型系統非常適合處理人口較少地區的污水。這個系統由一系列的人工濕地組合而成：先是一個垂直潛流濕地，其次是水平潛流濕地，最後是一個自由表面流濕地。這個系統是由本文作者所在的加泰羅尼亞理工大學環境工程與微生物學研究組和塞維利亞水源新技術中心設計、建造和運行。

研究者既在實驗室研究了這種系統，也在實際應用中進行了長時間測試，結果都表明此系統去除污染物的效率非常高，即使污水中的有機物含量很高也能高效凈化。在第一階段，垂直流濕地負責除去固體顆粒和多數有機物，並完成氨的硝化過程。然後，在水平流濕地進行厭氧脫氮反應，即將硝酸鹽和亞硝酸鹽轉化為氮分子，釋放到大氣中。最後，在表面流濕地進行三級處理，進一步提高水的質量。在這一階段的主要機制是光降解，可以降低病原微生物數量並通過光氧化作用清除一些頑固化合物。最終得到的水可用於城市、農業、工業、休閑和環保等方面，包括作物灌溉、公園和綠地供水、街道清潔、補給含水層或恢復環境退化地區等。

位於法國沙萊克斯市的垂直潛流濕地，為約2000名居民提供污水凈化服務。圖片來源：《環球科學》

有效處理新興污染物

近年來，一些研究指出，人工濕地能清除一些傳統水處理技術難以消除的污染物。而這些被稱為「新興污染物」的化合物包括各種各樣的物質，如藥物、個人護理產品、農藥、激素、工業添加劑以及它們的衍生物。由於對生態和公眾健康可能存在影響，這些物質引發了社會和科學界的廣泛關注。事實上，世界各地已有許多研究在含水層和飲用水中發現了這些化合物的痕迹。

一部分研究已經表明其中一些物質會帶來危害。例如，自上世紀90年代以來，印度、巴基斯坦和尼泊爾的禿鷲數量減少了90%，原因是這些國家曾允許使用雙氯芬酸這種消炎藥來治療牲畜，而該藥物可能會導致禿鷲腎臟衰竭。雙酚A，一種製造硬質塑料和環氧樹脂時用的單體，由於會在生殖和發育階段干擾內分泌系統，最近已被加拿大，法國，美國等國家明令禁止使用，尤其是在孕婦兒童產品中。

水環境中新興污染物的濃度通常較低，有些僅為萬億分之幾或十億分之幾（每升幾納克或微克），所以看似對人體沒什麼危害。然而，目前還沒有研究評估長期接觸這種濃度的污染物帶來的影響。而一些針對污染物急性暴露的研究已經發現，污染物會給水生生態系統帶來危害，包括河流生物多樣性下降，魚類和貝類雌性增多或性別比例改變，後者與廢水中激素和其他物質導致的內分泌失調有關。

由於傳統的污水處理方法並沒有考慮這些新興污染物，污水處理裝置並不是為了處理它們而設計的。因此，儘管對環境影響不明，這些物質仍不斷地被排放到水體中。現在，有一些可清除新興污染物的三級水處理方法，其中多數是強氧化過程，例如臭氧氧化和紫外線照射等。然而，儘管這些技術的確能改善新興污染物的處理效果，但往往是高成本和高耗能的。此外，在某些情況下，處理之後還可能產生比原化合物更加頑固、毒性更強的衍生物。

雖然在這一領域的研究還處於萌芽狀態，但現在新興污染物已經成為了科研熱點，特別是針對它們的生態毒理學、降解機制和清除方法的研究。在這種情況下，有大量研究表明，與傳統的污水處理系統，甚至其他更先進的技術相比，人工濕地可以更加高效地清除新興污染物。這些系統有能力大幅減少某些傳統方法無能為力的物質，例如雙氯芬酸，同時也能減少水中的環境雌激素並降低其他毒性作用。人工濕地之所以凈化效率高，有兩個原因：一方面，濕地內的物理、化學和微生物過程極為複雜，有極為多樣的細菌和種類繁多的降解反應；另一方面，污水會長時間與凈化系統接觸。

發展中國家面對的問題

雖然幾乎所有發達國家都已經實現了衛生設施的全面覆蓋，但發展中國家的情況卻截然不同。如今，全球大約有25億人口沒有基本的衛生條件，這些人大多數生活在以下三個地區：撒哈拉以南非洲、南亞和東亞。然而，在這些地區的發展目標中，廢水處理往往是最後才被考慮到。

發達國家更關注的是微量污染物（重金屬、藥物、個人護理產品等等），而發展中國家的重點則是減少病原體數量，從而減少疾病的傳播。考慮到凈化系統的可持續性，經濟性和可操作性，人工濕地是實現這一目標的合適選擇。因為人工濕地的大多數建造材料可在當地獲取，還可以培訓當地居民運行和維護濕地。這些系統還可以得到一些額外的收益，如獲得生物質燃料、保護生物多樣性，以及為漁業、農業及公共休閑設施提供用水。

儘管人工濕地潛力巨大，但在發展中國家的應用速度遠遠落後於發達國家，這主要是由於當地很多人缺乏相關的知識和經驗。其次，援助計劃傾向於選擇那些能給投資者帶來回報的技術。最後，雖然發達國家的顧問通常知道最適合他們自己國家的技術，但往往不會根據現實情況和貧窮國家的本土文化做出變通，所以他們時常在熱帶地區推薦北方的技術。

不過，在過去十年中，人工濕地在許多低收入和中等收入國家得到了普及。今天我們可以在很多國家找到應用的例子，如非洲的摩洛哥、埃及、肯亞、坦尚尼亞、烏干達，亞洲的印度、泰國、中國、巴基斯坦、尼泊爾、菲律賓、越南，美洲的哥倫比亞、墨西哥、拉丁美洲、巴西、智利、尼加拉瓜、薩爾瓦多、哥斯大黎加、秘魯、烏拉圭、阿根廷，以及東歐的斯洛伐克、保加利亞、波斯尼亞、匈牙利、塞爾維亞等。這些濕地規模各異，有的供單個家庭使用，有的則可以處理幾千人的生活污水。其用途也相當廣泛，不但可以處理城市污水和徑流，還可以處理礦井廢水、垃圾填埋場滲濾液、醫院和農業廢水，以及各個行業的廢水（紡織、製革、牛奶、糖、巧克力等行業的）。

一般來說，建造在發展中國家的人工濕地在凈化水和去除污染物方面效果顯著。這是由於它們大多分布在熱帶和亞熱帶地區，在溫暖的氣候下，生物活性更強，所以凈化效果變得格外出色。另一方面，失敗的例子大多要歸咎於當地民眾缺乏知識。

經驗表明，如果想保證這些系統良好地運行，那麼當地社區和地方政府有必要全方面地參與項目從設計到管理的方方面面。人工濕地的操作和維護不需要高科技，但社區的成員需要接受足夠的指導，並得到專家適當和及時的援助。該技術的成功也依賴於當地可取得的材料和植物資源，這需要考慮到所在地的特點和每個項目的具體要求。我們的確需要更多的衛生基礎設施，但並不存在一個適用於所有地方的解決方案。

發展中國家對這種技術的接受程度也取決於人們能否從中獲利。在這個意義上，利用濕地種植觀賞花卉和牧草，或與蓄水系統結合，用於養殖和打造休閑觀光的景區都可以產生經濟效益。與此同時，這些活動產生的廢水可以經濕地凈化重新利用，實現營養物質的閉合循環。

在任何情況下，教育和信息傳播都是推動一個地區建設人工濕地和其他自然系統的關鍵。近年來，人工濕地的發展得到了鼓勵，因為歐盟增加了適用發展中國家的低成本技術項目的資金，例如在非洲的幾個國家建設濕地的水生物技術（WaterBiotech）項目，還有最近與印度合作的5個城市污水處理項目。

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