今年3月22日“世界水日”的主題是廢水。對(duì)于衛(wèi)生設(shè)施匱乏的發(fā)展中國家，污水處理是一個(gè)難題，《科學(xué)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 'Avila） 維克托 · 馬塔莫羅斯（Víctor Matamoros）霍安 · 加西亞（Joan García）

翻譯 郝蘊(yùn)

地球上有足夠的淡水，可滿足全人類的需求。然而，2015年的數(shù)據(jù)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(wèi)生設(shè)施。據(jù)估計(jì)，每年有150萬兒童因缺乏飲用水和衛(wèi)生設(shè)施而死亡。因此，聯(lián)合國在2010年宣布，獲取清潔飲用水和衛(wèi)生設(shè)施是一項(xiàng)基本人權(quán)。

盡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(wèi)生設(shè)施。這個(gè)問題主要存在于農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)，那里70%的家庭缺乏衛(wèi)生條件，有90%的人在室外排便，這一習(xí)慣嚴(yán)重危害了當(dāng)?shù)鼐用竦墓�眾健康�?/p>

然而，目前世界多數(shù)地區(qū)采用的水處理方法很難應(yīng)用于農(nóng)村地區(qū)或發(fā)展中國家。這種模式首先要建立一個(gè)分布廣泛的污水收集系統(tǒng)，將污水引至一個(gè)大型污水處理廠再進(jìn)行集中處理，這是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，成本和能耗都很高。事實(shí)上，承擔(dān)污水處理工作的是一些世界上規(guī)模最大的企業(yè)，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(jù)估計(jì)，美國總發(fā)電量的3%要用于污水處理。

的確，在工業(yè)化國家的大城市，污水處理廠占地面積小、處理效率高，這種水處理系統(tǒng)的作用是不可替代的。然而，要處理鄉(xiāng)村地區(qū)少量、分散的污水，該模式就必須做出改變了。有必要開發(fā)一種實(shí)施與運(yùn)行成本更低，能適應(yīng)每個(gè)地區(qū)的自然環(huán)境以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)條件的技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)該易于維護(hù)，在源頭對(duì)污水進(jìn)行分散處理。

人工濕地是實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的一個(gè)極好手段。這些系統(tǒng)模擬了自然濕地，但它們的設(shè)計(jì)和運(yùn)作模式都是以增強(qiáng)凈化水的物理和化學(xué)過程為目標(biāo)。人工濕地可以利用當(dāng)?shù)氐牟牧虾蛣趧?dòng)力建造。此外，因?yàn)樗鼈儾⒉灰蕾囉诟呖萍挤椒ǎ�因此特別適合發(fā)展中國家和地區(qū)。

人工濕地維護(hù)簡單，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面都會(huì)帶來收益。這些系統(tǒng)的運(yùn)作幾乎是零能耗的（只要有足夠的陽光），只產(chǎn)生少量污泥，不需要添加化學(xué)試劑。此外，人工濕地還可以為野生動(dòng)物提供棲息地，有利于提高生物多樣性和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。對(duì)于水量和水質(zhì)的巨大波動(dòng)以及環(huán)境溫度的變化，這些系統(tǒng)也有良好的適應(yīng)能力。雖然它是一個(gè)相對(duì)較新的技術(shù)，但與其他應(yīng)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(shù)凈化污水的技術(shù)都包括三個(gè)階段：預(yù)處理，分離較大的固體廢物；初級(jí)處理，把剩下的固體顆粒也沉淀出來；二級(jí)生物處理，利用微生物分解并去除溶于水的有機(jī)物。傳統(tǒng)的處理方法或多或少都會(huì)產(chǎn)生污泥，接下來，這些污泥也要經(jīng)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(zhì)量的凈化水，還需要再經(jīng)過三級(jí)處理，以減少病原微生物，這樣才能得到可用于生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)的水。

人工濕地可以作為二級(jí)或三級(jí)處理的方法。它們適用于凈化不同來源的水，例如生活污水、工業(yè)和采礦廢水，以及徑流。這種濕地一般是覆蓋著植被的淺水池或水渠（深度小于1米）。濕地內(nèi)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(huì)與各種因素相互作用，從而實(shí)現(xiàn)凈化，顆粒介質(zhì)（碎石或砂）、微生物、植被，甚至野生動(dòng)物都會(huì)參與其中。物理、化學(xué)反應(yīng)，以及微生物參與的過程可以降解水中的有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)，也可以消除病原微生物。而微生物也會(huì)參與化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、揮發(fā)、沉淀、吸附（附著或吸收）以及光降解。哪種過程所占比重最大，在很大程度上取決于濕地的設(shè)計(jì)。

人工濕地通�？梢苑譃閮深悾�一種是表面流濕地，主要處理過程是在一個(gè)水體中進(jìn)行的；另外一種是潛流濕地，凈化過程是在陸地上進(jìn)行的。在第一種系統(tǒng)里，水暴露在大氣中，循環(huán)流經(jīng)植物的莖和葉。這類濕地一般是0.3~0.5米深的淺水池，植物扎根在池底。凈化主要依賴于生物膜（附著在植物莖葉上的微生物群落）。這種系統(tǒng)一般用來進(jìn)行三級(jí)處理，也就是進(jìn)一步改善經(jīng)傳統(tǒng)污水處理廠凈化后的水的水質(zhì)。

在潛流濕地中，水在淺層土壤下循環(huán)流動(dòng)，會(huì)經(jīng)過顆粒介質(zhì)并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(jìn)行的。在這種情況下，附著在顆粒介質(zhì)、植物的根和根莖上的生物膜負(fù)責(zé)去除污染物。與表面流濕地相比，潛流濕地能負(fù)載更多的污染物，適用于二級(jí)處理。這種系統(tǒng)中污水直接和人接觸的風(fēng)險(xiǎn)更小，也不會(huì)滋生蚊子之類的昆蟲。然而，這種系統(tǒng)無法提供可用的水源，使得它們?cè)诃h(huán)境恢復(fù)項(xiàng)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(diǎn)是水流方向與地面平行，并不斷地流動(dòng)。而在后一種濕地中，水垂直流動(dòng)，而且是間歇性的，因此顆粒介質(zhì)通常不會(huì)被淹沒。這就需要用抽水系統(tǒng)和遍布濕地表面的管網(wǎng)來輸送污水。因?yàn)榇怪绷鳚竦夭皇怯谰锰幱诮�水狀態(tài)，其含氧量要高于水平流濕地，從而增強(qiáng)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。這是由于這種濕地可以更好地把氧輸送給植物生物膜，有利于清除污染物。

人工濕地的發(fā)展歷程

第一個(gè)人工濕地水處理實(shí)驗(yàn)是德國馬普所在20世紀(jì)50年代進(jìn)行的。在接下來的十年，這項(xiàng)技術(shù)開始向中歐推廣。從20世紀(jì)80年代開始，德國的設(shè)計(jì)被引入了丹麥，到1987年，丹麥已建成了近80個(gè)水平潛流濕地來處理小城鎮(zhèn)污水。

雖然在20世紀(jì)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(shù)，但是直到10年后，人工濕地才成為處理小社區(qū)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(gè)人工濕地）、奧地利、比利時(shí)、波蘭、瑞典、捷克共和國、法國或美國這樣的國家。從21 世紀(jì)開始，地中海沿岸的歐洲國家（西班牙，意大利，希臘，斯洛文尼亞和土耳其）也已經(jīng)建設(shè)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?cè)�認(rèn)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(yīng)來分解污染物。然而經(jīng)驗(yàn)表明，植物在這個(gè)過程中的作用非常有限，對(duì)于一直被水浸透的水平流濕地，氧從空氣到水的輸送是嚴(yán)重不足的。

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

人工濕地技術(shù)的最新一個(gè)進(jìn)展是把不同類型的濕地結(jié)合起來，集合每一種方法的優(yōu)勢(shì)。盡管有若干種可能的結(jié)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(shù)已在奧地利、愛爾蘭和斯洛文尼亞等國家使用。由于歐洲水框架指令的實(shí)施，混合系統(tǒng)在歐洲得到了較多的關(guān)注，該法案對(duì)水質(zhì)有非常嚴(yán)格的要求。

實(shí)踐證明，有一種混合型系統(tǒng)非常適合處理人口較少地區(qū)的污水。這個(gè)系統(tǒng)由一系列的人工濕地組合而成：先是一個(gè)垂直潛流濕地，其次是水平潛流濕地，最后是一個(gè)自由表面流濕地。這個(gè)系統(tǒng)是由本文作者所在的加泰羅尼亞理工大學(xué)環(huán)境工程與微生物學(xué)研究組和塞維利亞水源新技術(shù)中心設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行。

研究者既在實(shí)驗(yàn)室研究了這種系統(tǒng)，也在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行了長時(shí)間測(cè)試，結(jié)果都表明此系統(tǒng)去除污染物的效率非常高，即使污水中的有機(jī)物含量很高也能高效凈化。在第一階段，垂直流濕地負(fù)責(zé)除去固體顆粒和多數(shù)有機(jī)物，并完成氨的硝化過程。然后，在水平流濕地進(jìn)行厭氧脫氮反應(yīng)，即將硝酸鹽和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮分子，釋放到大氣中。最后，在表面流濕地進(jìn)行三級(jí)處理，進(jìn)一步提高水的質(zhì)量。在這一階段的主要機(jī)制是光降解，可以降低病原微生物數(shù)量并通過光氧化作用清除一些頑固化合物。最終得到的水可用于城市、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、休閑和環(huán)保等方面，包括作物灌溉、公園和綠地供水、街道清潔、補(bǔ)給含水層或恢復(fù)環(huán)境退化地區(qū)等。

位于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(wù)。圖片來源：《環(huán)球科學(xué)》

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(tǒng)水處理技術(shù)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(zhì)，如藥物、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、農(nóng)藥、激素、工業(yè)添加劑以及它們的衍生物。由于對(duì)生態(tài)和公眾健康可能存在影響，這些物質(zhì)引發(fā)了社會(huì)和科學(xué)界的廣泛關(guān)注。事實(shí)上，世界各地已有許多研究在含水層和飲用水中發(fā)現(xiàn)了這些化合物的痕跡。

一部分研究已經(jīng)表明其中一些物質(zhì)會(huì)帶來危害。例如，自上世紀(jì)90年代以來，印度、巴基斯坦和尼泊爾的禿鷲數(shù)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(huì)導(dǎo)致禿鷲腎臟衰竭。雙酚A，一種制造硬質(zhì)塑料和環(huán)氧樹脂時(shí)用的單體，由于會(huì)在生殖和發(fā)育階段干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)，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(chǎn)品中。

水環(huán)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(duì)人體沒什么危害。然而，目前還沒有研究評(píng)估長期接觸這種濃度的污染物帶來的影響。而一些針對(duì)污染物急性暴露的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，污染物會(huì)給水生生態(tài)系統(tǒng)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，后者與廢水中激素和其他物質(zhì)導(dǎo)致的內(nèi)分泌失調(diào)有關(guān)。

由于傳統(tǒng)的污水處理方法并沒有考慮這些新興污染物，污水處理裝置并不是為了處理它們而設(shè)計(jì)的。因此，盡管對(duì)環(huán)境影響不明，這些物質(zhì)仍不斷地被排放到水體中。現(xiàn)在，有一些可清除新興污染物的三級(jí)水處理方法，其中多數(shù)是強(qiáng)氧化過程，例如臭氧氧化和紫外線照射等。然而，盡管這些技術(shù)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，處理之后還可能產(chǎn)生比原化合物更加頑固、毒性更強(qiáng)的衍生物。

雖然在這一領(lǐng)域的研究還處于萌芽狀態(tài)，但現(xiàn)在新興污染物已經(jīng)成為了科研熱點(diǎn)，特別是針對(duì)它們的生態(tài)毒理學(xué)、降解機(jī)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(tǒng)的污水處理系統(tǒng)，甚至其他更先進(jìn)的技術(shù)相比，人工濕地可以更加高效地清除新興污染物。這些系統(tǒng)有能力大幅減少某些傳統(tǒng)方法無能為力的物質(zhì)，例如雙氯芬酸，同時(shí)也能減少水中的環(huán)境雌激素并降低其他毒性作用。人工濕地之所以凈化效率高，有兩個(gè)原因：一方面，濕地內(nèi)的物理、化學(xué)和微生物過程極為復(fù)雜，有極為多樣的細(xì)菌和種類繁多的降解反應(yīng)；另一方面，污水會(huì)長時(shí)間與凈化系統(tǒng)接觸。

發(fā)展中國家面對(duì)的問題

雖然幾乎所有發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)生設(shè)施的全面覆蓋，但發(fā)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(wèi)生條件，這些人大多數(shù)生活在以下三個(gè)地區(qū)：撒哈拉以南非洲、南亞和東亞。然而，在這些地區(qū)的發(fā)展目標(biāo)中，廢水處理往往是最后才被考慮到。

發(fā)達(dá)國家更關(guān)注的是微量污染物（重金屬、藥物、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品等等），而發(fā)展中國家的重點(diǎn)則是減少病原體數(shù)量，從而減少疾病的傳播�？紤]到凈化系統(tǒng)的可持續(xù)性，經(jīng)濟(jì)性和可操作性，人工濕地是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的合適選擇。因?yàn)槿斯�濕地的大多�?shù)建造材料可在當(dāng)?shù)孬@取，還可以培訓(xùn)當(dāng)?shù)鼐用襁\(yùn)行和維護(hù)濕地。這些系統(tǒng)還可以得到一些額外的收益，如獲得生物質(zhì)燃料、保護(hù)生物多樣性，以及為漁業(yè)、農(nóng)業(yè)及公共休閑設(shè)施提供用水。

盡管人工濕地潛力巨大，但在發(fā)展中國家的應(yīng)用速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，這主要是由于當(dāng)?shù)睾芏嗳巳狈ο嚓P(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。其次，援助計(jì)劃傾向于選擇那些能給投資者帶來回報(bào)的技術(shù)。最后，雖然發(fā)達(dá)國家的顧問通常知道最適合他們自己國家的技術(shù)，但往往不會(huì)根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況和貧窮國家的本土文化做出變通，所以他們時(shí)常在熱帶地區(qū)推薦北方的技術(shù)。

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(yīng)用的例子，如非洲的摩洛哥、埃及、肯尼亞、坦桑尼亞、烏干達(dá)，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、哥斯達(dá)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(guī)模各異，有的供單個(gè)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(dāng)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(chǎng)滲濾液、醫(yī)院和農(nóng)業(yè)廢水，以及各個(gè)行業(yè)的廢水（紡織、制革、牛奶、糖、巧克力等行業(yè)的）。

一般來說，建造在發(fā)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。這是由于它們大多分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，在溫暖的氣候下，生物活性更強(qiáng)，所以凈化效果變得格外出色。另一方面，失敗的例子大多要?dú)w咎于當(dāng)?shù)孛癖娙狈χ�識(shí)。

經(jīng)驗(yàn)表明，如果想保證這些系統(tǒng)良好地運(yùn)行，那么當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和地方政府有必要全方面地參與項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到管理的方方面面。人工濕地的操作和維護(hù)不需要高科技，但社區(qū)的成員需要接受足夠的指導(dǎo)，并得到專家適當(dāng)和及時(shí)的援助。該技術(shù)的成功也依賴于當(dāng)?shù)乜扇〉玫牟牧虾椭参镔Y源，這需要考慮到所在地的特點(diǎn)和每個(gè)項(xiàng)目的具體要求。我們的確需要更多的衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施，但并不存在一個(gè)適用于所有地方的解決方案。

發(fā)展中國家對(duì)這種技術(shù)的接受程度也取決于人們能否從中獲利。在這個(gè)意義上，利用濕地種植觀賞花卉和牧草，或與蓄水系統(tǒng)結(jié)合，用于養(yǎng)殖和打造休閑觀光的景區(qū)都可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，這些活動(dòng)產(chǎn)生的廢水可以經(jīng)濕地凈化重新利用，實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的閉合循環(huán)。

在任何情況下，教育和信息傳播都是推動(dòng)一個(gè)地區(qū)建設(shè)人工濕地和其他自然系統(tǒng)的關(guān)鍵。近年來，人工濕地的發(fā)展得到了鼓勵(lì)，因?yàn)闅W盟增加了適用發(fā)展中國家的低成本技術(shù)項(xiàng)目的資金，例如在非洲的幾個(gè)國家建設(shè)濕地的水生物技術(shù)（WaterBiotech）項(xiàng)目，還有最近與印度合作的5個(gè)城市污水處理項(xiàng)目。