人工濕地在國外的應用案例研究

Alex J. Horne Ph. D
（加利弗利亞伯克利大學市政與環境工程系教授）

　　摘要：對于環境工程師、規劃師以及政府而言，最困難的問題是表面的江河湖水大量的中度污染。污染源是多樣的,而且幾乎沒有資金用于清潔私人的農場和小鎮, 即使這樣并不會大幅增加食物和居住的成本。生態工程師提供的低成本處理非點狀的水污染源的方法, 目前大量的用于處理濕地的問題上。關鍵是要使結構最優以及使濕地運轉良好,這樣濕地才可以很美, 才能夠吸引野生動物和具備處理廢水的功能。只有這樣才能在擁擠的城市或者過度開墾的農田中找到空間。

　　技術上的關鍵是控制氧化還原作用或者避免減少濕地的潛能,以及它自身的物理吸附能力。氧化還原作用控制所有的化學反應,并且可以用于催化特殊污染物的轉化(如硝酸鹽轉化成氮氣;有毒的離子銅轉化成無活性的銅,一些殺蟲劑轉化成無活性的碎片)。這種吸附能力受控于泥炭地(例如具有高木質含量的蘆葦泥炭地可以吸附重金屬和殺蟲劑長達百年之久) 。
　　 設計的第二個關鍵詞是時間，如果濕地系統很完善,它就能占據空間，而它提供的用于處理的水力停留時間就更長(1-2星期)， 這不同于二次處理的混凝土單元(2-6小時)。因而污染治理需要更長的反應時間才能完成。一旦濕地被設計用于去除污染,它就能被改進成為野生動植物棲息地(開闊的水域, 動植物食物鏈)最終變成非常宜人和值得觀賞的地方 (彎曲的邊界,廣闊的視野,適宜鳥類居住的棲息地等)。最終的解決方案是對于農業、城市、野生動物和人類都是雙贏的低成本的辦法。

1氧化作為一個主要的提高水質的案例

1.1 Mokelumne流域的Camanche水庫,加利福尼亞(425,000英畝,EBMUD)
　　問題：偶爾大量的鮭魚在孵卵處或河流中死亡(最高一次就有大約155,000條死亡)特別是在干旱期。
1.2 Upper San Leandro水庫( 90,000 英畝 EBMUD)
　　湖的下層滯水帶和沉積物氧化問題即湖水的味道和氣味是由一種藍綠藻產生的,同時藻類也增生了DOC。解決方法是推薦幾種純氧化形式，來減少營養物的內部循環和水的逆富營養化過程。我的角色是幾個工程公司和EBMUD在該問題研究方面的顧問，我同時也監管在伯克利州大學的研究項目。由于大壩附近缺少電站，SDCO模式不能被運用。 bubble plume系統在2002年已安裝好，現在我正在評估第一年的運作情況。
1.3 East Side水庫,南加州( 大約850,00英畝)
　　新水庫的設計以水質為目標。這個南加州城市水源區是過去25年加州建的兩個大水庫之一，水質是最優先考慮的。它就是一個在正常期,干旱期和干旱年使用的大存儲設備。我計算出開始的模式和其他水質的預報來結合6種可能的方面,三種可能的水體，兩種潛在的水源,并把它們按可能的水質分等級。耗費二十億美元的水庫于1999年首次投入使用。
1.4 Mountain 湖, San Francisco Presidio, California(2.4英畝湖+環湖濕地)
1.5 Clear湖，加利福尼亞州（1，250，000 英畝）
　　問題：在加利福尼亞最大同時又是最淺的湖里，存在過度富營養化的問題，而原因尚不清楚。解決辦法：監測水質，包括整個湖及分水嶺的N&P預算，分析1970-73的數據。由于氮和鐵的限制，湖水中的自然富營養化和藻類生長受到限制。推薦新的濃度的銅測試并測試湖灣的含氧量。低劑量銅被證明是不適合的；曝氣(1,000 cfm, 耗費$275,000 1995)可以使得N+P含量降低。阿拉伯－以色列的戰爭增加了燃料成本所以工程沒有按照整個湖的尺度建造。
1.6 Los Vaqueros 水庫下層滯水帶的氧化，Contra Costa County, CA (~ 80,000 af)
　　這個水庫是過去二十五年里建設的僅有的兩個大型水庫之一，于1999年二月首次投入使用。花費了約250，000，000美元。它正在經歷初次的水質變化，而我負責評估預期的氧需求量。我推薦了一個用于整個下層滯水帶的純氧系統。而系統的尺寸，使用的方法，圓形還是錐形，這樣的問題尚處于研究當中。藻類花期惡臭的去除是首要關心的問題。
1.7 Canning-Swan Estuaries, Perth Western Australia;側流氧化的水庫
　　這兩個河口近期出現藻類開花，低含氧量和魚類死亡這樣的情況。在1998四月我訪問此地，復習了數據并推薦側流氧化法解決這一問題。1998年十二月（澳大利亞的夏季）一個測試系統被安裝在一個小尺度的河流里（Swan河），這個系統被證明是成功的，于是一個更大的系統于1999年被安裝。水質明顯改善，但是發現了BOD大幅增長這樣的問題，這個系統的設計也許需要一些改動來面對需氧量的增長。
1.8 Lake ElsinoreCA
　　為這個3000英畝的富營養化淺湖設計由四部分組成的湖水恢復及改善系統（氧化/曝氣，夏天和冬天的濕地，生物控制，魚類數量的調整）。耗資達15，000，000美元的工程開始于2002年春天。向EVWD和JPA提供意見。
1.9 Croton Reservoirs (New York)
　　下層滯水帶曝氣，部分對于Metcalf和Eddy在運行和改善這些水庫的回顧，這些水庫具有各種各樣，包括色度方面的水質問題。
1.10 Upper San Leandro Reservoir, OaklandCalifornia (V ~ 90,000 af)
　　下層滯水帶氧化。同EBMUD合作研究這個湖很多年了。推薦HO來降低內部營養物的富集（氮和磷），全面解決藍綠藻的問題，并降低飲用水中過重的氣味(geosmin ~ 3,000 ppb)。2002年做出post－HO情況的基本調查，主要關注營養物和藍綠藻（MIB的可能來源）的變化情況。
1.11.加利福尼亞州的San Luis水庫
　　同MWH合作研究這個大水庫的在最低3000af的情況下的可能用處，從藻類花期，飲用水開采地點，藻類過濾系統堵塞，其他藻類控制等方面入手。
1.12.Los Vaqueros水庫的擴張
　　從500，000af擴張到100，000af，研究重點在于藻類和飲用水供應的改善。（2003年12月）
1.13.紐約州的Onondaga湖
　　下層滯水帶的氧化。部分教會組織致力于降低水體，包括魚類體內的甲基汞的含量。利用HO方法通過改變氧氣和氧化還原情況停止甲基化。
1.14.下層滯水帶氧化概述
　　我針對這些湖向當地政府和水利部門推薦過一些氧化系統。

2設計與建設的濕地或者正在建設中的濕地

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。該改造工程是為了使當地全年飲用水品質達到（<10 mg/L nitrate-N和>90 cfs inflow）的標準（改造總投資超過四百五十萬美元）。工程現在是當地飲用水處理系統中的一部分。我是OCWD設計組的成員，我的責任是去除硝酸鹽以及合作處理植被多樣性。工程獲得1996年加州工程獎。并在2001年對該工程進行了擴展200英畝的設計，以包圍Santa Ana河。
2.2. River Road Nitrate removal wetlands (Prado 2, 320 acres, ~ 60 mgd)
　　濕地工程將完成對Santa Ana河的凈化，對整個河流進行處理，并擴大瀕危植物Willow flycatcher的生境。我是Stetson Engineers工作組的成員，負責對濕地進行設計。在2003年春季一百五十萬美元資金已經到位，工程將于2004年開始施工。
2.3 Educational wetland, San Francisco Exploratorium (~ 60 sq. ft.)
　　始建于1996年，作為學校的教育工具。起著對學生進行濕地教育指導和探索的角色。該系統通過一系列圍合的草本植物群落來展示濕地是如何來消除環境污染的。
2.4 San Joaquin Marsh, Irvine, California (47 & 67 acres, 7.5 mgd)
　　于1995～1996年開始設計，完成于1997年夏季。起初的67英畝濕地是用于移除夏季和冬季產生的硝酸鹽。我是Irvine Ranch Water District/RJM Design團隊的成員，在1997年夏季指導對這塊濕地進行改造。我負責的是硝酸鹽的去除和部分野生生物的生境。改造總共投資六百五十萬美元。夏季的硝酸鹽移除目的在于降低Newport灣的富營養化，冬季的硝酸鹽移除目的在于降低San Diego Creek 和Newport灣的硝酸鹽含量。本項工程獲得Orange Country Engineering Award
2.5 CrystalGardens wetlands, Avondale, Arizona (50 acres, 3 mgd)
　　開始于1995年，1999年完工。設計目的是為了使得年飲水質量標準達到（< 10 mg/L nitrate-N with up to 5 cfs inflow），工程總造價達到二千八百萬美元。原先的該地區僅僅作為地下水濕地而不是作為地表水濕地，在我的設計中計劃將使該濕地既可作為去除硝酸鹽的沼澤又能作為景觀上的湖泊。湖泊邊的濕地水硝酸鹽去除設施收取額外的費用。由于沙漠地區地表水的稀有性。我是Integrated Water Technology/Pace Engineering (Newport Beach)設計組的成員，我在該工程中的任務是硝酸鹽去除、美學及水質問題。
2.6 Turner Road Vintners Winery, Lodi, California (13 acres, 0.6 mgd)
　　開始設計于1997年，完成于1998年。原來農場濕地上的新設施用于去除一般的污染物并同時作為葡萄酒釀造廠的污水處理設施。我是設計組的成員之一，同SOA，Martinez，California合作，他們設計了污染的初級處理系統。我的貢獻是一個湖泊和兩個沼澤的設計及概念構建。
2.7 Lea Valley 濕地, 倫敦, 約400英畝
　　設計去除泰晤士河的硝酸鹽，2001年夏與英國雷丁大學合作。
2.8 Arroyo Grande 葡萄地, San Luis Obispo，約1-5英畝
　　這片濕地是可持續設計實驗的一部分，而且將成為優良的濕地，作為試驗地的入口。
2.9 Las Gallinas Valley Sanitary 地區，200-600英畝
　　于1999進行最初的設計。設計的側重點是去除重金屬，尤其是穩定的金屬硫化物：汞、銅、鎘、鉻、鉛和鋅。同EA工程、科學和技術部門還有NUTE工程一起合作。目標是將一個滴濾系統中硝化渠里面的污染物去除。另外進一步設計了兩個濕地：其中一個用于處理未經處理過的污水，并且附加了一個水池這樣它可以季節性為遷徙鳥類提供棲息地。另外一塊濕地計劃用于在暴雨出現的情況下去除小溪中因此而出現的汞污染，以彌補植物不能吸收的那一部分。計劃通過研究來確定是否會產生由甲基汞帶來的毒性。
2.10 Bois D’Orange 濕地, 圣露西亞, 加勒比海，約25 acres
　　開始設計于1994年，尚未建設。改善一塊現有的濕地，去除一般的污染物，成為從首都（~ 100,000人口) 異型流動來的廢水的清潔系統。計劃去除維系暗礁生長的營養物，并且清潔觀光海灘附近的水域。我參與了SOA的設計隊伍，加利弗利亞設計了完整的池塘系統用以處理最初的污染。我的貢獻是一個大沼澤地的概念與設計。這個工程對于最終在圣露西亞維持淡水濕地，并將其納入水處理系統作為清潔濕地給出了希望。
2.11甜水高TDS濕地，南加州，3到5英畝
　　開始設計于1995年，這塊濕地試圖通過反滲透性的植物來接納高硝酸鹽和高TDS水。設計特別關注了蚊子的控制，包括一個干燥周期。通過調節來控制自然河口與下游濕地的富營養化過程。設計隊伍的一部分由波義耳工程領導。我的職責是硝酸鹽的去除與昆蟲的控制。
2.12 Los Banos除硒濕地，中央谷，加利弗里亞，約500英畝
　　開始設計于1997年，計劃這個系統可以去除來自Grasslands的農業廢水中的高濃度硝酸鹽和硒，而不對野生動物產生毒性。
2.13 City of PetulumaCA (~ 65 acres, 6 mgd)
　　這個項目關于城市的標準市政排污系統，它需要更加綠色的方法。濕地將會接在氧化塘之后。Corollo Engineer公司在2000獲得了這份合同。我的角色是確保濕地能夠滿足地表水排污標準(首要的是低氨)和確定沒有藻類生長來確保能夠產生滿足Title22標準的水。
2.14 Ellen Brook Wetlands, Perth，珀斯，Western Australia (約10 英畝)
　　設計用來去除來自農業和野生動物棲息地的富營養化物質。項目將會保護佩思市河口下游地區，避免出現富營養化，魚死亡和惡臭。我的角色是設計人員之一,提出初始方案設計,提出尺寸和可靠的成功標準，1999年10月。
2.15 Los Cappitancellos 春季期池塘濕地(約5英畝)
　　春季期池塘+永久性濕地和緩解由于Santa Clara 縣讓河流水量固定化和控制洪水的排放而失去的動植物生活環境的濱水區. 我的角色是整個項目的概念設計.1999年9月為EA Engineering, Lafayette.公司。
2.16 San Diego Creek TMDL濕地
　　達到50個為暴雨產生的濕地用于控制夏季河水泛濫，以及處理在考慮中的San Diego Creek 污水排放。這個項目在Irvine Ranch Water District 實施，Irvine Company公司和包括整個County of Orange的整體改造方法比起單項工程方法可能更有效。這種方法目前用在美國的TMDLs, 超過1.5美元初步設計。同時在2003年4月環境計量影響報告已經出來給大眾評論。