人工湿地在国外的应用案例研究

人工湿地在国外的应用案例研究

Alex J. Horne Ph. D
（加利弗利亚伯克利大学市政与环境工程系教授）

　　摘要：对于环境工程师、规划师以及政府而言，最困难的问题是表面的江河湖水大量的中度污染。污染源是多样的,而且几乎没有资金用于清洁私人的农场和小镇, 即使这样并不会大幅增加食物和居住的成本。生态工程师提供的低成本处理非点状的水污染源的方法, 目前大量的用于处理湿地的问题上。关键是要使结构最优以及使湿地运转良好,这样湿地才可以很美, 才能够吸引野生动物和具备处理废水的功能。只有这样才能在拥挤的城市或者过度开垦的农田中找到空间。

　　技术上的关键是控制氧化还原作用或者避免减少湿地的潜能,以及它自身的物理吸附能力。氧化还原作用控制所有的化学反应,并且可以用于催化特殊污染物的转化(如硝酸盐转化成氮气;有毒的离子铜转化成无活性的铜,一些杀虫剂转化成无活性的碎片)。这种吸附能力受控于泥炭地(例如具有高木质含量的芦苇泥炭地可以吸附重金属和杀虫剂长达百年之久) 。
　　 设计的第二个关键词是时间，如果湿地系统很完善,它就能占据空间，而它提供的用于处理的水力停留时间就更长(1-2星期)， 这不同于二次处理的混凝土单元(2-6小时)。因而污染治理需要更长的反应时间才能完成。一旦湿地被设计用于去除污染,它就能被改进成为野生动植物栖息地(开阔的水域, 动植物食物链)最终变成非常宜人和值得观赏的地方 (弯曲的边界,广阔的视野,适宜鸟类居住的栖息地等)。最终的解决方案是对于农业、城市、野生动物和人类都是双赢的低成本的办法。

1氧化作为一个主要的提高水质的案例

1.1 Mokelumne流域的Camanche水库,加利福尼亚(425,000英亩,EBMUD)
　　问题：偶尔大量的鲑鱼在孵卵处或河流中死亡(最高一次就有大约155,000条死亡)特别是在干旱期。
1.2 Upper San Leandro水库( 90,000 英亩 EBMUD)
　　湖的下层滞水带和沉积物氧化问题即湖水的味道和气味是由一种蓝绿藻产生的,同时藻类也增生了DOC。解决方法是推荐几种纯氧化形式，来减少营养物的内部循环和水的逆富营养化过程。我的角色是几个工程公司和EBMUD在该问题研究方面的顾问，我同时也监管在伯克利州大学的研究项目。由于大坝附近缺少电站，SDCO模式不能被运用。 bubble plume系统在2002年已安装好，现在我正在评估第一年的运作情况。
1.3 East Side水库,南加州( 大约850,00英亩)
　　新水库的设计以水质为目标。这个南加州城市水源区是过去25年加州建的两个大水库之一，水质是最优先考虑的。它就是一个在正常期,干旱期和干旱年使用的大存储设备。我计算出开始的模式和其他水质的预报来结合6种可能的方面,三种可能的水体，两种潜在的水源,并把它们按可能的水质分等级。耗费二十亿美元的水库于1999年首次投入使用。
1.4 Mountain 湖, San Francisco Presidio, California(2.4英亩湖+环湖湿地)
1.5 Clear湖，加利福尼亚州（1，250，000 英亩）
　　问题：在加利福尼亚最大同时又是最浅的湖里，存在过度富营养化的问题，而原因尚不清楚。解决办法：监测水质，包括整个湖及分水岭的N&P预算，分析1970-73的数据。由于氮和铁的限制，湖水中的自然富营养化和藻类生长受到限制。推荐新的浓度的铜测试并测试湖湾的含氧量。低剂量铜被证明是不适合的；曝气(1,000 cfm, 耗费$275,000 1995)可以使得N+P含量降低。阿拉伯－以色列的战争增加了燃料成本所以工程没有按照整个湖的尺度建造。
1.6 Los Vaqueros 水库下层滞水带的氧化，Contra Costa County, CA (~ 80,000 af)
　　这个水库是过去二十五年里建设的仅有的两个大型水库之一，于1999年二月首次投入使用。花费了约250，000，000美元。它正在经历初次的水质变化，而我负责评估预期的氧需求量。我推荐了一个用于整个下层滞水带的纯氧系统。而系统的尺寸，使用的方法，圆形还是锥形，这样的问题尚处于研究当中。藻类花期恶臭的去除是首要关心的问题。
1.7 Canning-Swan Estuaries, Perth Western Australia;侧流氧化的水库
　　这两个河口近期出现藻类开花，低含氧量和鱼类死亡这样的情况。在1998四月我访问此地，复习了数据并推荐侧流氧化法解决这一问题。1998年十二月（澳大利亚的夏季）一个测试系统被安装在一个小尺度的河流里（Swan河），这个系统被证明是成功的，于是一个更大的系统于1999年被安装。水质明显改善，但是发现了BOD大幅增长这样的问题，这个系统的设计也许需要一些改动来面对需氧量的增长。
1.8 Lake ElsinoreCA
　　为这个3000英亩的富营养化浅湖设计由四部分组成的湖水恢复及改善系统（氧化/曝气，夏天和冬天的湿地，生物控制，鱼类数量的调整）。耗资达15，000，000美元的工程开始于2002年春天。向EVWD和JPA提供意见。
1.9 Croton Reservoirs (New York)
　　下层滞水带曝气，部分对于Metcalf和Eddy在运行和改善这些水库的回顾，这些水库具有各种各样，包括色度方面的水质问题。
1.10 Upper San Leandro Reservoir, OaklandCalifornia (V ~ 90,000 af)
　　下层滞水带氧化。同EBMUD合作研究这个湖很多年了。推荐HO来降低内部营养物的富集（氮和磷），全面解决蓝绿藻的问题，并降低饮用水中过重的气味(geosmin ~ 3,000 ppb)。2002年做出post－HO情况的基本调查，主要关注营养物和蓝绿藻（MIB的可能来源）的变化情况。
1.11.加利福尼亚州的San Luis水库
　　同MWH合作研究这个大水库的在最低3000af的情况下的可能用处，从藻类花期，饮用水开采地点，藻类过滤系统堵塞，其他藻类控制等方面入手。
1.12.Los Vaqueros水库的扩张
　　从500，000af扩张到100，000af，研究重点在于藻类和饮用水供应的改善。（2003年12月）
1.13.纽约州的Onondaga湖
　　下层滞水带的氧化。部分教会组织致力于降低水体，包括鱼类体内的甲基汞的含量。利用HO方法通过改变氧气和氧化还原情况停止甲基化。
1.14.下层滞水带氧化概述
　　我针对这些湖向当地政府和水利部门推荐过一些氧化系统。

2设计与建设的湿地或者正在建设中的湿地

2.1. Prado Nitrate Removal Wetlands, Riverside County, California (500 acres, 60 mgd)
　　Orange Country Water District（OCWD）始建于1995年，完工于1997年秋季。该改造工程是为了使当地全年饮用水品质达到（<10 mg/L nitrate-N和>90 cfs inflow）的标准（改造总投资超过四百五十万美元）。工程现在是当地饮用水处理系统中的一部分。我是OCWD设计组的成员，我的责任是去除硝酸盐以及合作处理植被多样性。工程获得1996年加州工程奖。并在2001年对该工程进行了扩展200英亩的设计，以包围Santa Ana河。
2.2. River Road Nitrate removal wetlands (Prado 2, 320 acres, ~ 60 mgd)
　　湿地工程将完成对Santa Ana河的净化，对整个河流进行处理，并扩大濒危植物Willow flycatcher的生境。我是Stetson Engineers工作组的成员，负责对湿地进行设计。在2003年春季一百五十万美元资金已经到位，工程将于2004年开始施工。
2.3 Educational wetland, San Francisco Exploratorium (~ 60 sq. ft.)
　　始建于1996年，作为学校的教育工具。起着对学生进行湿地教育指导和探索的角色。该系统通过一系列围合的草本植物群落来展示湿地是如何来消除环境污染的。
2.4 San Joaquin Marsh, Irvine, California (47 & 67 acres, 7.5 mgd)
　　于1995～1996年开始设计，完成于1997年夏季。起初的67英亩湿地是用于移除夏季和冬季产生的硝酸盐。我是Irvine Ranch Water District/RJM Design团队的成员，在1997年夏季指导对这块湿地进行改造。我负责的是硝酸盐的去除和部分野生生物的生境。改造总共投资六百五十万美元。夏季的硝酸盐移除目的在于降低Newport湾的富营养化，冬季的硝酸盐移除目的在于降低San Diego Creek 和Newport湾的硝酸盐含量。本项工程获得Orange Country Engineering Award
2.5 CrystalGardens wetlands, Avondale, Arizona (50 acres, 3 mgd)
　　开始于1995年，1999年完工。设计目的是为了使得年饮水质量标准达到（< 10 mg/L nitrate-N with up to 5 cfs inflow），工程总造价达到二千八百万美元。原先的该地区仅仅作为地下水湿地而不是作为地表水湿地，在我的设计中计划将使该湿地既可作为去除硝酸盐的沼泽又能作为景观上的湖泊。湖泊边的湿地水硝酸盐去除设施收取额外的费用。由于沙漠地区地表水的稀有性。我是Integrated Water Technology/Pace Engineering (Newport Beach)设计组的成员，我在该工程中的任务是硝酸盐去除、美学及水质问题。
2.6 Turner Road Vintners Winery, Lodi, California (13 acres, 0.6 mgd)
　　开始设计于1997年，完成于1998年。原来农场湿地上的新设施用于去除一般的污染物并同时作为葡萄酒酿造厂的污水处理设施。我是设计组的成员之一，同SOA，Martinez，California合作，他们设计了污染的初级处理系统。我的贡献是一个湖泊和两个沼泽的设计及概念构建。
2.7 Lea Valley 湿地, 伦敦, 约400英亩
　　设计去除泰晤士河的硝酸盐，2001年夏与英国雷丁大学合作。
2.8 Arroyo Grande 葡萄地, San Luis Obispo，约1-5英亩
　　这片湿地是可持续设计实验的一部分，而且将成为优良的湿地，作为试验地的入口。
2.9 Las Gallinas Valley Sanitary 地区，200-600英亩
　　于1999进行最初的设计。设计的侧重点是去除重金属，尤其是稳定的金属硫化物：汞、铜、镉、铬、铅和锌。同EA工程、科学和技术部门还有NUTE工程一起合作。目标是将一个滴滤系统中硝化渠里面的污染物去除。另外进一步设计了两个湿地：其中一个用于处理未经处理过的污水，并且附加了一个水池这样它可以季节性为迁徙鸟类提供栖息地。另外一块湿地计划用于在暴雨出现的情况下去除小溪中因此而出现的汞污染，以弥补植物不能吸收的那一部分。计划通过研究来确定是否会产生由甲基汞带来的毒性。
2.10 Bois D’Orange 湿地, 圣露西亚, 加勒比海，约25 acres
　　开始设计于1994年，尚未建设。改善一块现有的湿地，去除一般的污染物，成为从首都（~ 100,000人口) 异型流动来的废水的清洁系统。计划去除维系暗礁生长的营养物，并且清洁观光海滩附近的水域。我参与了SOA的设计队伍，加利弗利亚设计了完整的池塘系统用以处理最初的污染。我的贡献是一个大沼泽地的概念与设计。这个工程对于最终在圣露西亚维持淡水湿地，并将其纳入水处理系统作为清洁湿地给出了希望。
2.11甜水高TDS湿地，南加州，3到5英亩
　　开始设计于1995年，这块湿地试图通过反渗透性的植物来接纳高硝酸盐和高TDS水。设计特别关注了蚊子的控制，包括一个干燥周期。通过调节来控制自然河口与下游湿地的富营养化过程。设计队伍的一部分由波义耳工程领导。我的职责是硝酸盐的去除与昆虫的控制。
2.12 Los Banos除硒湿地，中央谷，加利弗里亚，约500英亩
　　开始设计于1997年，计划这个系统可以去除来自Grasslands的农业废水中的高浓度硝酸盐和硒，而不对野生动物产生毒性。
2.13 City of PetulumaCA (~ 65 acres, 6 mgd)
　　这个项目关于城市的标准市政排污系统，它需要更加绿色的方法。湿地将会接在氧化塘之后。Corollo Engineer公司在2000获得了这份合同。我的角色是确保湿地能够满足地表水排污标准(首要的是低氨)和确定没有藻类生长来确保能够产生满足Title22标准的水。
2.14 Ellen Brook Wetlands, Perth，珀斯，Western Australia (约10 英亩)
　　设计用来去除来自农业和野生动物栖息地的富营养化物质。项目将会保护佩思市河口下游地区，避免出现富营养化，鱼死亡和恶臭。我的角色是设计人员之一,提出初始方案设计,提出尺寸和可靠的成功标准，1999年10月。
2.15 Los Cappitancellos 春季期池塘湿地(约5英亩)
　　春季期池塘+永久性湿地和缓解由于Santa Clara 县让河流水量固定化和控制洪水的排放而失去的动植物生活环境的滨水区. 我的角色是整个项目的概念设计.1999年9月为EA Engineering, Lafayette.公司。
2.16 San Diego Creek TMDL湿地
　　达到50个为暴雨产生的湿地用于控制夏季河水泛滥，以及处理在考虑中的San Diego Creek 污水排放。这个项目在Irvine Ranch Water District 实施，Irvine Company公司和包括整个County of Orange的整体改造方法比起单项工程方法可能更有效。这种方法目前用在美国的TMDLs, 超过1.5美元初步设计。同时在2003年4月环境计量影响报告已经出来给大众评论。