世界水日｜用人工湿地来自然净化污水
来源: 妙趣世界
今年3月22日“世界水日”的主题是废水。对于卫生设施匮乏的发展中国家，污水处理是一个难题，《科学美国人》西班牙版介绍了一种几乎不需要消耗能源的净化方法——人工湿地。
撰文 克里斯蒂娜 · 阿维拉（Cristina 'Avila） 维克托 · 马塔莫罗斯（Víctor Matamoros）霍安 · 加西亚（Joan García）
翻译 郝蕴
地球上有足够的淡水，可满足全人类的需求。然而，2015年的数据显示，地球上有10%的人口仍然没有安全的饮用水，约40%的人缺乏基本的卫生设施。据估计，每年有150万儿童因缺乏饮用水和卫生设施而死亡。因此，联合国在2010年宣布，获取清洁饮用水和卫生设施是一项基本人权。
尽管近年来这方面的问题得到了一定改善，但全球约25亿人口仍然缺乏卫生设施。这个问题主要存在于农村及偏远地区，那里70%的家庭缺乏卫生条件，有90%的人在室外排便，这一习惯严重危害了当地居民的公众健康。
然而，目前世界多数地区采用的水处理方法很难应用于农村地区或发展中国家。这种模式首先要建立一个分布广泛的污水收集系统，将污水引至一个大型污水处理厂再进行集中处理，这是一个极为复杂的过程，成本和能耗都很高。事实上，承担污水处理工作的是一些世界上规模最大的企业，它们处理的污水总量也很惊人。欧洲的污水处理厂商管理着总长超过220万千米的污水管道和大约7万座污水处理厂。据估计，美国总发电量的3%要用于污水处理。
的确，在工业化国家的大城市，污水处理厂占地面积小、处理效率高，这种水处理系统的作用是不可替代的。然而，要处理乡村地区少量、分散的污水，该模式就必须做出改变了。有必要开发一种实施与运行成本更低，能适应每个地区的自然环境以及社会、经济条件的技术。这种技术应该易于维护，在源头对污水进行分散处理。
人工湿地是实现这种转变的一个极好手段。这些系统模拟了自然湿地，但它们的设计和运作模式都是以增强净化水的物理和化学过程为目标。人工湿地可以利用当地的材料和劳动力建造。此外，因为它们并不依赖于高科技方法，因此特别适合发展中国家和地区。
人工湿地维护简单，在经济和环境两方面都会带来收益。这些系统的运作几乎是零能耗的（只要有足够的阳光），只产生少量污泥，不需要添加化学试剂。此外，人工湿地还可以为野生动物提供栖息地，有利于提高生物多样性和恢复生态环境。对于水量和水质的巨大波动以及环境温度的变化，这些系统也有良好的适应能力。虽然它是一个相对较新的技术，但与其他应用更广泛的方法（如活性污泥）相比，效率要更高，而且还能清除一些其他方法难以处理的污染物。
利用自然的力量
目前世界上大多数净化污水的技术都包括三个阶段：预处理，分离较大的固体废物；初级处理，把剩下的固体颗粒也沉淀出来；二级生物处理，利用微生物分解并去除溶于水的有机物。传统的处理方法或多或少都会产生污泥，接下来，这些污泥也要经过处理最终才能排放掉。这一过程成本也很高。如果想得到高质量的净化水，还需要再经过三级处理，以减少病原微生物，这样才能得到可用于生活、农业和工业的水。
人工湿地可以作为二级或三级处理的方法。它们适用于净化不同来源的水，例如生活污水、工业和采矿废水，以及径流。这种湿地一般是覆盖着植被的浅水池或水渠（深度小于1米）。湿地内种植的植物通常选用芦苇（Phragmites australis）、香蒲（Typha latifolia）和黄菖蒲（Iris pseudacorus）。
在人工湿地中，水会与各种因素相互作用，从而实现净化，颗粒介质（碎石或砂）、微生物、植被，甚至野生动物都会参与其中。物理、化学反应，以及微生物参与的过程可以降解水中的有机物和营养物质，也可以消除病原微生物。而微生物也会参与化学物质的转化、挥发、沉淀、吸附（附着或吸收）以及光降解。哪种过程所占比重最大，在很大程度上取决于湿地的设计。
人工湿地通常可以分为两类，一种是表面流湿地，主要处理过程是在一个水体中进行的；另外一种是潜流湿地，净化过程是在陆地上进行的。在第一种系统里，水暴露在大气中，循环流经植物的茎和叶。这类湿地一般是0.3~0.5米深的浅水池，植物扎根在池底。净化主要依赖于生物膜（附着在植物茎叶上的微生物群落）。这种系统一般用来进行三级处理，也就是进一步改善经传统污水处理厂净化后的水的水质。
在潜流湿地中，水在浅层土壤下循环流动，会经过颗粒介质并与植物的根和根茎接触。水处理是在深度为0.3米~0.9米的地层中进行的。在这种情况下，附着在颗粒介质、植物的根和根茎上的生物膜负责去除污染物。与表面流湿地相比，潜流湿地能负载更多的污染物，适用于二级处理。这种系统中污水直接和人接触的风险更小，也不会滋生蚊子之类的昆虫。然而，这种系统无法提供可用的水源，使得它们在环境恢复项目中用处不大。
潜流湿地还可以分为水平流和垂直流两种。前一种的特点是水流方向与地面平行，并不断地流动。而在后一种湿地中，水垂直流动，而且是间歇性的，因此颗粒介质通常不会被淹没。这就需要用抽水系统和遍布湿地表面的管网来输送污水。因为垂直流湿地不是永久处于浸水状态，其含氧量要高于水平流湿地，从而增强了它的污水处理能力。因此，如果是降解一定量的污染物，需要的垂直流湿地的面积更小。这是由于这种湿地可以更好地把氧输送给植物生物膜，有利于清除污染物。
人工湿地的发展历程
第一个人工湿地水处理实验是德国马普所在20世纪50年代进行的。在接下来的十年，这项技术开始向中欧推广。从20世纪80年代开始，德国的设计被引入了丹麦，到1987年，丹麦已建成了近80个水平潜流湿地来处理小城镇污水。
虽然在20世纪80年代末，许多欧洲国家已把人工湿地纳入了他们的污水净化技术，但是直到10年后，人工湿地才成为处理小社区和其他零散污水的首要方法。今天，在世界各地有成千上万的人工湿地，包括英国（有1000多个人工湿地）、奥地利、比利时、波兰、瑞典、捷克共和国、法国或美国这样的国家。从21 世纪开始，地中海沿岸的欧洲国家（西班牙，意大利，希腊，斯洛文尼亚和土耳其）也已经建设了大量的人工湿地。
最初，这些国家建造的潜流湿地主要是水平流类型的。人们曾认为植物可以把氧输送到地下部分，供根及根茎上的生物膜通过有氧反应来分解污染物。然而经验表明，植物在这个过程中的作用非常有限，对于一直被水浸透的水平流湿地，氧从空气到水的输送是严重不足的。
水平流湿地的这些局限性促使人们发展垂直流湿地。这类湿地的设计和运作方式（间歇性的水流和未被水浸润的颗粒介质），使得它们能在更小的空间内处理污染更严重的水。在法国有一种形式略有变化的人工湿地，未经处理的污水会直接排入划分成网格状模块的湿地，每个模块都是间歇进水的。这样在模块闲置期间，沉积的污泥会发生矿化。植物在这种湿地中发挥着至关重要的作用，植物的生长以及它们的茎杆在风力作用下的运动都会破开表层泥土，使得地表下的土壤可以接触空气，促进氧气作用下的矿化过程。
人工湿地技术的最新一个进展是把不同类型的湿地结合起来，集合每一种方法的优势。尽管有若干种可能的结合方式，但目前最常用的一种是垂直流湿地连接水平流湿地。这种技术已在奥地利、爱尔兰和斯洛文尼亚等国家使用。由于欧洲水框架指令的实施，混合系统在欧洲得到了较多的关注，该法案对水质有非常严格的要求。
实践证明，有一种混合型系统非常适合处理人口较少地区的污水。这个系统由一系列的人工湿地组合而成：先是一个垂直潜流湿地，其次是水平潜流湿地，最后是一个自由表面流湿地。这个系统是由本文作者所在的加泰罗尼亚理工大学环境工程与微生物学研究组和塞维利亚水源新技术中心设计、建造和运行。
研究者既在实验室研究了这种系统，也在实际应用中进行了长时间测试，结果都表明此系统去除污染物的效率非常高，即使污水中的有机物含量很高也能高效净化。在第一阶段，垂直流湿地负责除去固体颗粒和多数有机物，并完成氨的硝化过程。然后，在水平流湿地进行厌氧脱氮反应，即将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氮分子，释放到大气中。最后，在表面流湿地进行三级处理，进一步提高水的质量。在这一阶段的主要机制是光降解，可以降低病原微生物数量并通过光氧化作用清除一些顽固化合物。最终得到的水可用于城市、农业、工业、休闲和环保等方面，包括作物灌溉、公园和绿地供水、街道清洁、补给含水层或恢复环境退化地区等。
位于法国沙莱克斯市的垂直潜流湿地，为约2000名居民提供污水净化服务。图片来源：《环球科学》
有效处理新兴污染物
近年来，一些研究指出，人工湿地能清除一些传统水处理技术难以消除的污染物。而这些被称为“新兴污染物”的化合物包括各种各样的物质，如药物、个人护理产品、农药、激素、工业添加剂以及它们的衍生物。由于对生态和公众健康可能存在影响，这些物质引发了社会和科学界的广泛关注。事实上，世界各地已有许多研究在含水层和饮用水中发现了这些化合物的痕迹。
一部分研究已经表明其中一些物质会带来危害。例如，自上世纪90年代以来，印度、巴基斯坦和尼泊尔的秃鹫数量减少了90%，原因是这些国家曾允许使用双氯芬酸这种消炎药来治疗牲畜，而该药物可能会导致秃鹫肾脏衰竭。双酚A，一种制造硬质塑料和环氧树脂时用的单体，由于会在生殖和发育阶段干扰内分泌系统，最近已被加拿大，法国，美国等国家明令禁止使用，尤其是在孕妇儿童产品中。
水环境中新兴污染物的浓度通常较低，有些仅为万亿分之几或十亿分之几（每升几纳克或微克），所以看似对人体没什么危害。然而，目前还没有研究评估长期接触这种浓度的污染物带来的影响。而一些针对污染物急性暴露的研究已经发现，污染物会给水生生态系统带来危害，包括河流生物多样性下降，鱼类和贝类雌性增多或性别比例改变，后者与废水中激素和其他物质导致的内分泌失调有关。
由于传统的污水处理方法并没有考虑这些新兴污染物，污水处理装置并不是为了处理它们而设计的。因此，尽管对环境影响不明，这些物质仍不断地被排放到水体中。现在，有一些可清除新兴污染物的三级水处理方法，其中多数是强氧化过程，例如臭氧氧化和紫外线照射等。然而，尽管这些技术的确能改善新兴污染物的处理效果，但往往是高成本和高耗能的。此外，在某些情况下，处理之后还可能产生比原化合物更加顽固、毒性更强的衍生物。
虽然在这一领域的研究还处于萌芽状态，但现在新兴污染物已经成为了科研热点，特别是针对它们的生态毒理学、降解机制和清除方法的研究。在这种情况下，有大量研究表明，与传统的污水处理系统，甚至其他更先进的技术相比，人工湿地可以更加高效地清除新兴污染物。这些系统有能力大幅减少某些传统方法无能为力的物质，例如双氯芬酸，同时也能减少水中的环境雌激素并降低其他毒性作用。人工湿地之所以净化效率高，有两个原因：一方面，湿地内的物理、化学和微生物过程极为复杂，有极为多样的细菌和种类繁多的降解反应；另一方面，污水会长时间与净化系统接触。
发展中国家面对的问题
虽然几乎所有发达国家都已经实现了卫生设施的全面覆盖，但发展中国家的情况却截然不同。如今，全球大约有25亿人口没有基本的卫生条件，这些人大多数生活在以下三个地区：撒哈拉以南非洲、南亚和东亚。然而，在这些地区的发展目标中，废水处理往往是最后才被考虑到。
发达国家更关注的是微量污染物（重金属、药物、个人护理产品等等），而发展中国家的重点则是减少病原体数量，从而减少疾病的传播。考虑到净化系统的可持续性，经济性和可操作性，人工湿地是实现这一目标的合适选择。因为人工湿地的大多数建造材料可在当地获取，还可以培训当地居民运行和维护湿地。这些系统还可以得到一些额外的收益，如获得生物质燃料、保护生物多样性，以及为渔业、农业及公共休闲设施提供用水。
尽管人工湿地潜力巨大，但在发展中国家的应用速度远远落后于发达国家，这主要是由于当地很多人缺乏相关的知识和经验。其次，援助计划倾向于选择那些能给投资者带来回报的技术。最后，虽然发达国家的顾问通常知道最适合他们自己国家的技术，但往往不会根据现实情况和贫穷国家的本土文化做出变通，所以他们时常在热带地区推荐北方的技术。
不过，在过去十年中，人工湿地在许多低收入和中等收入国家得到了普及。今天我们可以在很多国家找到应用的例子，如非洲的摩洛哥、埃及、肯尼亚、坦桑尼亚、乌干达，亚洲的印度、泰国、中国、巴基斯坦、尼泊尔、菲律宾、越南，美洲的哥伦比亚、墨西哥、拉丁美洲、巴西、智利、尼加拉瓜、萨尔瓦多、哥斯达黎加、秘鲁、乌拉圭、阿根廷，以及东欧的斯洛伐克、保加利亚、波斯尼亚、匈牙利、塞尔维亚等。这些湿地规模各异，有的供单个家庭使用，有的则可以处理几千人的生活污水。其用途也相当广泛，不但可以处理城市污水和径流，还可以处理矿井废水、垃圾填埋场渗滤液、医院和农业废水，以及各个行业的废水（纺织、制革、牛奶、糖、巧克力等行业的）。
一般来说，建造在发展中国家的人工湿地在净化水和去除污染物方面效果显著。这是由于它们大多分布在热带和亚热带地区，在温暖的气候下，生物活性更强，所以净化效果变得格外出色。另一方面，失败的例子大多要归咎于当地民众缺乏知识。
经验表明，如果想保证这些系统良好地运行，那么当地社区和地方政府有必要全方面地参与项目从设计到管理的方方面面。人工湿地的操作和维护不需要高科技，但社区的成员需要接受足够的指导，并得到专家适当和及时的援助。该技术的成功也依赖于当地可取得的材料和植物资源，这需要考虑到所在地的特点和每个项目的具体要求。我们的确需要更多的卫生基础设施，但并不存在一个适用于所有地方的解决方案。
发展中国家对这种技术的接受程度也取决于人们能否从中获利。在这个意义上，利用湿地种植观赏花卉和牧草，或与蓄水系统结合，用于养殖和打造休闲观光的景区都可以产生经济效益。与此同时，这些活动产生的废水可以经湿地净化重新利用，实现营养物质的闭合循环。
在任何情况下，教育和信息传播都是推动一个地区建设人工湿地和其他自然系统的关键。近年来，人工湿地的发展得到了鼓励，因为欧盟增加了适用发展中国家的低成本技术项目的资金，例如在非洲的几个国家建设湿地的水生物技术（WaterBiotech）项目，还有最近与印度合作的5个城市污水处理项目。
