社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设技术与集成化策略
孙亚军*1 何苗2 孙友峰1 胡洪营2 申欢2
（1 北京汇佳汉青中水科技有限公司，北京 100085；
2 清华大学环境科学与工程系，北京 100084）
2 清华大学环境科学与工程系，北京 100084）
摘要：人们生活品质的不断提高，推动了城市社区水景观的发展。本文对我国社区污水再生利用、雨水蓄用及水景观建设现状和存在的问题进行了分析和探讨，对传统景观水体水质净化与保持技术作了比较，提出社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观综合解决方略，介绍了典型的技术方案，并通过工程案例论证了其技术科学性、工程合理性和经济可行性，为资源节约型、环境友好型社区水系统的构建提供了新的思路。
关键词：污水再生利用，雨水蓄用，社区，水景观
Technique and Integrated Solution for Wastewater Reclamation, Rainwater Harvesting and Utilization, Water Landscape Construction of Community
Yajun Sun1，Miao He2，Youfeng Sun1，Hongying Hu2，Huan Shen2
（1 Beijing Huijia-Hanqing Water Recycle & Reuse Technologies Co., Ltd., Beijing 100085, China
2 ESPC State Key Joint Laboratory, Dept . of Environ. Sci. and Eng., Tsinghua University, Beijing 100084 ,China）
2 ESPC State Key Joint Laboratory, Dept . of Environ. Sci. and Eng., Tsinghua University, Beijing 100084 ,China）
Abstract: The improvement of public life quality brings the development of water landscape of city community. The actual state of wastewater reclamation, rainwater harvesting and utilization, water landscape construction of city community was analyzed and discussed. Traditional techniques for water quality purification and stabilization were compared. The integrated solution and typical technique were proposed, and its scientific, reasonable and feasible features were demonstrated by case studies. A new idea for the construction of source-saving and environment-friendly community water system was provided.
Keywords: wastewater reclamation, rainwater harvesting and utilization, community, water landscape
引言
水是城市发展的基础性自然资源和战略性经济资源，水环境是城市发展所依托的生态基础之一。长期以来，社区水系统仅包括给水和排水两大系统。给水系统负责向社区居民、工作场所供水，满足其生活用水需要；排水系统负责将社区居民生活产生的污水和雨水排出社区[1,2]。随着社会的发展，水资源的短缺压力以及公众生态环境意识的提高、对生活质量提高的需求，极大丰富了社区水系统的构成及其内涵。除了传统的给水和排水系统外，社区水系统还应包括再生利用（含雨水利用）系统和水景观系统。这一内涵的拓展，使得社区“第二水源”的开发和利用、景观水系的建设和维护成为城市基础设施改进和升级的重要组成部分。
1 现状及问题
社区污水再生利用在国内已有不少研究和实践[3]。一些城市已出台了相关的政策法规，如北京市2001年5月29日发布的《关于加强中水设施建设管理的通告》，明确要求新建工程中，建筑面积2万m2以上的宾馆、饭店、公寓等，建筑面积3万m2以上的机关、科研单位、大专院校和大型文化、体育等建筑，建筑面积5万m2以上，或可回收水量大于150m3/d的居住区和集中建筑区等，必须建设中水设施；对于属于前两项范围的，应根据条件逐步配套中水设施。天津市人大2003年9月10日通过《天津市城市排水和再生水利用管理条例》，规定“建筑面积超过2万m2的宾馆、饭店、公寓、综合性服务楼和高层住宅等建筑；规划人口在1万人以上的住宅小区；建筑面积超过3万m2的机关、非企业单位和综合性文化体育设施”，“应当按照再生水利用规划和建设规范、标准，建设再生水利用设施”。2005年7月19日天津市人大通过了该条例修正案并正式发布。此外，济南、昆明等城市也颁布了相应的政策法规。这些政策法规的出台，对社区污水再生利用、雨水蓄用等“第二水源”的开发起到了有力的推动和有效的规范作用。
目前我国社区污水再生利用大多以冲厕和小区杂用为主。2004年8月~2005年3月，笔者对京津地区的48家社区污水再生利用状况作了调研（其中商业楼宇、大专院校、居民小区各16家），其出水用途统计如图1所示。可见在社区污水再生利用中，冲厕和绿化占了相当大的比例。
*作者简介：孙亚军（1977~），男，工学硕士
通讯地址：北京市海淀区上地三街9号嘉华大厦D座807室（100085） E-mail: syj@hanqing.cn
1 现状及问题
社区污水再生利用在国内已有不少研究和实践[3]。一些城市已出台了相关的政策法规，如北京市2001年5月29日发布的《关于加强中水设施建设管理的通告》，明确要求新建工程中，建筑面积2万m2以上的宾馆、饭店、公寓等，建筑面积3万m2以上的机关、科研单位、大专院校和大型文化、体育等建筑，建筑面积5万m2以上，或可回收水量大于150m3/d的居住区和集中建筑区等，必须建设中水设施；对于属于前两项范围的，应根据条件逐步配套中水设施。天津市人大2003年9月10日通过《天津市城市排水和再生水利用管理条例》，规定“建筑面积超过2万m2的宾馆、饭店、公寓、综合性服务楼和高层住宅等建筑；规划人口在1万人以上的住宅小区；建筑面积超过3万m2的机关、非企业单位和综合性文化体育设施”，“应当按照再生水利用规划和建设规范、标准，建设再生水利用设施”。2005年7月19日天津市人大通过了该条例修正案并正式发布。此外，济南、昆明等城市也颁布了相应的政策法规。这些政策法规的出台，对社区污水再生利用、雨水蓄用等“第二水源”的开发起到了有力的推动和有效的规范作用。
目前我国社区污水再生利用大多以冲厕和小区杂用为主。2004年8月~2005年3月，笔者对京津地区的48家社区污水再生利用状况作了调研（其中商业楼宇、大专院校、居民小区各16家），其出水用途统计如图1所示。可见在社区污水再生利用中，冲厕和绿化占了相当大的比例。
图1 社区污水再生利用目标统计
社区雨水利用目前尚处于起步阶段。北京、上海、杭州等大中城市近年来开始监测降雨及其径流的水量和水质变化规律，逐步积累供雨水处理和利用的基础数据。一些大型建筑物已建有完善的雨水收集系统，如上海浦东国际机场航站楼，其屋面各组成部分的水平投影面积达17万余m2，暴雨季节雨水收集量可达500m3/h。遗憾的是，这些雨水未能有效的处理和利用[3]。
近年来随着人们生活质量的提高，社区水景观建设越来越受到重视。一批水景楼盘的热销，带动了房地产开发商的投资热情。但不少社区水景观的补充水源，多为地下水、地表水乃至自来水，一方面造成了水资源的浪费，另一方面增加了水景观的维护成本。
纵观社区污水再生利用、雨水蓄用和水景观建设，目前仍有以下问题需要解决：
（1）设计理念问题。目前社区水景观的设计，一般只注重其观赏效果，缺乏对水体的生态完整性、水流态的多样性、生物栖息地的合理配置等生态要素的统筹考虑，人为破坏了水体的生物系统，降低了水体的自净能力。
（2）水源问题。人工景观水体的来源有：地表水（天然河、湖泊、水库水）、地下水（深层水、浅层水、潜水、渗透水）、雨水（雨水、雪水）、市政自来水、自备水源水、工业循环水（大型电厂冷却水）及城市污水再生利用水。目前景观水体补充水源过于依赖传统的地下水、地表水，对社区污水、雨水等“第二水源”的重视不够。随着水资源危机和水污染的加剧，景观水体以地下水、地表水作为补充水源受到越来越多的限制。如果不考虑社区污水、雨水等“第二水源”的开发利用，社区水景观无疑将成为一个“奢侈品”。
（3）水质保持问题。缺乏成熟的水质保持技术措施，尤其是长效、低廉、生态的水体净化与水质保持技术和雨水污染物控制、雨水利用技术，景观水体易发生水华，丧失其景观效果。不少社区水景观经历了短暂的“辉煌”后，要么干涸闲置，要么脏乱不堪，本该成社区“亮点”，却反而变成了“污点”。
因此，从社区水系统的综合规划角度出发，未来社区水系统的建设，必须注重社区污水、雨水等的开发利用，实现其多目标的再生利用，以新的水源建设社区水景观，并根据生态和景观要求，选择安全可靠、经济可行、效果持续、景观观赏性强的生态技术，达到水质保持的目标，创造健康的景观水系。
2 景观水体水质净化与保持技术
目前常见的景观水体水质净化与保持技术及其特点比较见表1[4~17]。
表1 景观水体水质净化与保持技术比较
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技术分类
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特 点
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物理方法
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清淤换水
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定期清淤换水可在一定程度上改善水质状况，但大量换水会造成优质水源的严重浪费，在经济上是不可行的，且对水体生态系统造成严重破坏，无法解决根本问题
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人工增氧
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可增强水体自净能力，并可与景观手法中的喷泉、跌水等结合起来，但只能在一定时段内（曝气期间）改善水体的环境条件，延缓水体富营养化的发生，不能从根本上去除导致藻类过度繁殖的氮、磷等植物性营养物，而且仅适合在较深的水体使用，且能耗高
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化学方法
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化学除藻
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可作为严重富营养化景观水体的应急除藻措施，通常与混凝剂配合使用。操作简单，可在短时间内取得明显的除藻效果，但不能将氮磷等营养物质清除出水体，不能从根本解决问题，且除藻剂的生物富集和生物放大作用对水生生态系统可能造成负面影响，长期使用低浓度的除藻剂还将使藻类产生抗药性
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絮凝沉淀
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向水体中投加铝盐、铁盐、钙盐等药剂，使之与水体中溶解态磷形成不溶性固体转移到底泥中。对控制内源磷负荷特别是底泥的磷释放有一定效果，但受磷的存在形态、温度、底泥的微生物活动、溶解氧、pH、泥水界面的扰动状况等影响
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强化生物技术
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生物制剂
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投加高效菌种（如PSB光合细菌），促进有机物的降解，仅对有机污染物有一定的去除效果，不具备脱氮除磷特性；高效微生物的选育周期较长，且净化持续时间短，易受低温影响
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渗流生物膜净化床
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以卵石等做填料，强化生物对水体中有机污染物的去除作用，加之填料的物理吸附、沉降、过滤等作用达到水质净化目的。适用于有机负荷较低的水体，否则容易导致生物膜脱落而使填料堵塞。人工曝气可大大改善其净化效果，但会增加处理成本和净化床复杂程度
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生态技术
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人工湿地
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污染净化过程涉及物理、化学、生物等多方面的综合作用，净化效果与湿地水流形态、水力负荷、种植植物类型和数量、温度、pH、填料类型、运行方式等因素影响。可获得持续的净化效果，投资省，运行成本很低，湿地植物具有一定的景观观赏性
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植物净化
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在水体水面构造生物浮床（或浮岛），利用植物的生长从水体中吸收利用污染物（主要是氮磷等营养元素）。适用于封闭水域或缓慢流动水体，有美化湖面的作用，但去除效率低，且植物根、叶的腐烂使得营养物质重新进入水体
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稳定塘
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利用细菌和藻类等微生物的共同作用处理污染水的自然生物处理技术，净化效果受温度、光照、水的混合、营养物质、有毒物质、蒸发量和降雨量、进水性质等的影响。投资省，管理简单，运行费用低，且可与景观水体的构建结合起来，但占地大
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土地过滤
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通过土壤－植物系统，利用物理过程中的过滤、吸附，化学反应与化学沉淀以及微生物的代谢作用下的有机物分解等净化水体。
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与其他技术相比，生态技术具有明显的优越性，具体表现在：①着眼于水体自净能力的强化，能持续发挥作用；②遵循水体生态系统的自然规律，副作用小，对环境友好；③所需投入能源、物质少，人为管理控制少，更为经济；④易融入水景观整体设计和建设，外在表现形式自然亲切，更富人性化。
3 社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设综合解决方案
社区景观水体一般具有以下特点：①与公众接触几率大，必须保证卫生学安全和毒理学安全；②景观美学要求高；③相对封闭，流动性差。社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设技术的选择，应遵循安全性、长效性、经济性、实用性、系统性和集成性紧密结合的总体原则，根据社区构成、水质状况、环境要求等特点，制定技术上科学、工程上合理、经济上可行的综合解决方案。据此，提出了图2所示的社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设综合解决方略。
图2 社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设综合解决方略
社区污水和雨水通过收集、净化系统，一方面满足社区绿化、冲厕、道路浇洒等杂用水的需要，另一方面经人工湿地等生态技术单元后达到景观回用的要求，从而很好地解决了社区水景观的水源问题；水景观在设计时，将水体水质保持生态技术作为必须环节考虑进来，在构建景观元素的同时保护景观水体的生态完整性，使水体通过自然生态的技术不断得到净化，保持良好的水质状况。与传统的社区水景观建设相比，该方略的特色表现在以下几个方面：
（1）优化社区水系统结构，将社区污水、雨水就地处理利用，既可实现社区污水、雨水的零排放，有可为社区水景观提供稳定而廉价的补充水源；
（2）水景观设计以尊重自然、崇尚自然为基本出发点，兼顾景观美学要求和水质净化要求，理念更新、更科学、更系统。水岸、水面、水中、水底多层次、立体化的生态景观，更富观赏性和亲和力；
（3）突出经济可行性。污水、雨水的再生利用可节省数目可观的水资源，避免了维护中高昂的补水费用；技术投资和运行成本低廉，不会造成物业公司和业主的经济负担，而且污水零排放的实现，有望获得污水处理费或其他税费的减免。
清华大学环境科学与工程系、北京汇佳汉青中水科技有限公司根据多年研究成果和工程实践，提出了社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设典型技术方案（见图3）。社区排水按照不同水质状况，可通过膜-生物反应器工艺、循环式活性污泥法、序批式动态膜-生物反应器、曝气生物滤池等工艺，对有机物、氮、磷等进行集中削减，出水进行消毒（有研究认为膜-生物反应器工艺出水可不消毒[18]），再经强化人工湿地后进入景观水体；同时，景观水体水循环通过人工湿地，达到水质净化和水质保持的目的。社区雨水经雨水收集系统后，先进行预处理，然后进入景观水体，由人工湿地进行处理。景观水体可视具体情况增设喷泉、跌水景观元素等，进一步进行复氧。
图3 社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设典型技术方案
4 案例研究
清华大学环境科学与工程系和北京汇佳汉青中水科技有限公司近年在社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设方面进行了较为深入的研究，并已成功应用于工程实践。下面为几个典型工程案例的介绍。
4.1 清华大学超低能耗楼雨水利用示范工程
该工程为清华大学超低能耗楼项目示范研究内容之一，以屋顶收集的雨水为水源，通过人工湿地加以循环净化，形成楼宇小型水景观。工程于2005年4月底建成，5月初开始正式运行，其中雨水储存池的面积为32.9m2，人工湿地的面积为32.9m2。湿地种植的植物为景观效果较好的水柳、鸢尾和美人蕉。
运行结果表明，人工湿地对COD、TP、TN和浊度的去除率分别可达到70%、50%、55%和95%。夏季雨期时水池内水体水质良好，没有发生水华现象。可见人工湿地可以有效改善雨水蓄水池中的水质，使其满足多种雨水利用的需要。
4.2 云南大渔村生活污水再生利用工程
云南大渔村距滇池约2000m。全村共约500户，现有人口1820人。示范工程设计处理污水量77m3/d，设计进水水质：CODCr200mg/L，氨氮23mg/L，总氮30mg/L，总磷5mg/L。根据工程现场地形特点，采用表面流湿地和潜流湿地相结合的工艺方案。该工程将生态和景观设计纳入到湿地系统，按照红、黄绿三种颜色协调搭配，植物高低错落有致的设计原则，对湿地周边进行了绿化，成为居民生态休闲区。工程对污染物的去除效果见表2。
表2 大渔村生活污水再生利用工程对污染物的去除效果
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指标
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COD
|
TN
|
NH3-N
|
TP
|
|
进水平均浓度（mg/L）
|
351.7
|
26.3
|
21.9
|
5.40
|
|
出水平均浓度（mg/L）
|
47.5
|
3.2
|
1.5
|
0.52
|
|
平均去除率（%）
|
86.5
|
87.9
|
93.4
|
90.3
|
|
去除率大于90%的比例*（%）
|
35.0
|
60.9
|
65.3
|
59.0
|
|
去除率大于80%的比例（%）
|
70.0
|
76.1
|
73.5
|
76.9
|
|
去除率小于60%的比例（%）
|
15.0
|
13.0
|
12.2
|
5.1
|
*有效取样数量46个。
4.3 某培训中心污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设工程
该工程位于北京郊区，包括三个子工程：所有办公楼排放的污水处理及再生利用工程（含楼内节水设施改造工程）、雨水收集处理工程、人工湿地工程及人工湖景观工程。
污水处理及再生利用工程采用MBR工艺，对已有的中水工程进行改造，处理规模为120m3/d。雨水利用工程包括两部分：一部分经预处理（如初期雨水弃流）后进入人工湖，作为人工湖补充水源之一；另一部分通过下凹式绿地、渗透沟、透水路面/广场等，下渗补充地下水。人工湿地工程处理能力为1000m3/d，可保持培训中心人工湖水质，及时削减再生水和雨水带入湖内水体的各种污染物。
该工程将污水再生利用、雨水利用、社区水景观建设融为一体，实现了工程经济效益、环境效益和社会效益的“共赢”。
4.4 北京清河上游河岸生态过滤系统
北京清河发源于香山碧云寺，现源头泉水已断流，补充水源主要为污水处理厂出水和雨水。因水源限制，为保证清河各段河道保持水面，河道管理部门将沿河各闸长时间关闭，成为一条滞留型城市景观河道。河道上游党校桥附近有中央党校、圆明园花园小区等，形成一个较大的社区。为控制夏季河道水华，改善社区河道景观，在上游党校桥西侧南岸兴建了生态过滤系统工程。
工程设计处理规模600m3/d，占地面积800m2。系统采用清华大学自主研发的高效复合功能填料，并选择栽植了菖蒲、鸢尾、美人蕉、芦苇等植物，形成复合过滤带。工程于2005年3月开始设计，7月动工，8月开始通水运行。调试完成后的处理效果如表3所示。
表3 清河河岸生态过滤系统净化效果
|
进水
|
出水
|
去除率/%
|
景观环境用水水质标准*
|
|
|
CODCr/mg/L
|
141.5
|
37.5
|
73.5
|
－
|
|
NH3-N/mg/L
|
3.55
|
0.58
|
83.7
|
5
|
|
TN/mg/L
|
45.2
|
2.36
|
94.8
|
15
|
|
TP/mg/L
|
1.18
|
0.11
|
90.7
|
1.0
|
|
SS/mg/L
|
60
|
5
|
91.7
|
20
|
|
浊度/NTU
|
134
|
14
|
89.6
|
－
|
*取《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2002）中“观赏性景观环境用水河道类”水体水质标准限值。
5 结论
人们生活品质的不断提高，推动了城市社区水景观的发展。社区水景观的建设，应当优先考虑使用社区再生水、雨水作为补充水源。通过社区污水再生利用、雨水蓄用与水景观建设综合解决方案，可将社区的污水再生利用、雨水蓄用、水景观进行有机的组合，既解决了社区污水再生利用、雨水利用问题，减少了外排污水和雨水量，节约了水资源，又可经济地营造社区水景观，提高社区居民生活质量，提升社区建筑品质。这一集成化技术方案的推广，有望为我国社区水系统规划和建设提供一个经济可行、技术可靠的设计思路，为建设节约型社会服务。
参考文献
[1] 陈吉宁．城市水系统的综合管理：机遇与挑战．[见]首届城市水环境建设和水环境治理国际研讨会论文集．2005年5月，262-26
[2] 贾海峰，张晓健．城市生态居住区水环境系统规划及其实践．北京水利，2003（4）：15~17
[3] 王琳，王宝贞．分散式污水处理与回用．北京：化学工业出版社环境科学与工程出版中心，2003年5月
[4] 胡洪营，何苗等．污染河流水质净化与生态修复技术及其集成化策略．给水排水，2005，31（4）：1-9
[5] 林岩清．渗流式生物床处理污染河水的研究：[硕士学位论文]．北京：清华大学环境科学与工程系，2005
[6] 李睿华．受损河流河岸带生态修复中试研究：[博士后研究报告]．北京：清华大学环境科学与工程系，2005
[7] 朱铭捷．河道滞留塘系统净化污染河水的研究：[硕士学位论文]．北京：清华大学环境科学与工程系，2005
[8] 刘超翔．提高人工湿地处理生活污水效能的研究：[博士学位论文]．北京：清华大学环境科学与工程系，2003
[9] 种云霄，胡洪营，钱易．大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展．环境污染治理技术与设备，2003，4（2）：36~40
[10] http://www.usda.gov/stream_restoration．Stream corridor restoration:principle, process and pratice．2001
[11] B. Greenop, K. Lovatt, M. Robb．The use of artificial oxygenation to reduce nutrient availability in Canning River, Western Australia．Wat. Sci. Tech.，2001，43（9）：133~144
[12] S. Fujii, C. Niwa, M. Mouri, et al．Pilot-plant experiments for improvement of polluted canal/klong water by rock-bed filtration．Wat. Sci. Tech.，1997，35（8）：83~90
[13] Robert H. Kadlec．Overview: surface flow constructed wetlands．Wat. Sci. Tech.，1995，32（3）：1~12
[14] Jos T. A. Verhoeven, Authur F. M. Meuleman．Wetlands for wastewater treatment: Opportunities and limitations．Ecological Engineering，1999，12：5~12
[15] Kao J. T., Titus J. E., Zhu W. X.．Differential nitrogen and phosphorus retention by five wetland plant species．Wetlands，2003，23（4）：979~987
[16] B. S. O. de Ceballos, H. Oliveira, C. M. B. S. Meira, et al．River water quality improvement by natural and constructed wetland systems in the tropical semi-arid region of Northeastern Brazil．Wat. Sci. Tech.，2001，44（11~12）：599~605
[17] J. M. Helfield, M. L. Diamond．Use of Constructed Wetlands for Urban Stream Restoration: A Critical Analysis．Environmental Management，1997，21（3）：329~341
[18] 姚宏等．分置式膜生物反应器应用于城市污水回用中试研究．北京交通大学学报，2005，29（1）：64~68
[19] H. Brix．Functions of macrophytes in constructed wetlands. Wat. Sci. Tech.，1994，29（4）：71~78
[20] C. R. Steinmann, S. Weinhart, A. Melzer．A combined system of lagoon and constructed wetland for an effective wastewater treatment．Wat. Res.，2003，37：2035~2042
[21] Karen J. Comings, Derek B. Booth, Richard R. Horner．Storm water pollutant removal by two wet ponds in Bellevue, Washington．J. Env. Eng.，2000，126（4）：324~330
[22] Oven G., Bandi M., Howell J. A., Churchouse S. J.．Economic assessment of membrane processes for water and waste water treatment．J. Memb. Sci.，1995，102：77~91
[23] Xia Huang．Overview on MBR’s Research and Application in China．In: International Symposium on Membrane Technologies for Water and Wastewater Treatment．Beijing(P. R. China): Tsinghua University，2005．41~50
[24] Fakt, IRCSA/Europe．10th Internatonal Conference on Rainwater Catchment Systems．Mannheim （Germany）：Margraf Varlag，2001
