导言

全球缺水现象正在加剧,其驱动力来自人口增长、农业需求和气候变化。 社区和工业正在转向水的再利用和再循环,作为减少淡水开采和建设有复原力的供水的战略解决办法。实现这些目标的最有效和基于自然的技术包括构建的湿地[——模仿自然湿地净化过程的系统。本条探讨了建筑中的湿地如何将废水转化为宝贵的资源,支持可持续性,并帮助各组织实现雄心勃勃的再利用水的目标。

理解建构湿地

建构的湿地是专门设计和管理的生态系统,利用植物、土壤和微生物群落[处理受污染的水。 与自然湿地不同的是,它们的设计是为了保持一贯性能、控制流量和污染物清除效率。 它们可以处理城市污水、工业废水、农业径流和暴雨水,产生适合非饮用水,在某些情况下,经过额外处理后可饮用再利用的水。

密钥设计类型

自由水面湿地

氟化烃系统有浅水流过一个人工土壤床,它们模仿天然沼泽,通过阳光照射、植物吸收和微生物活动有效地清除悬浮固体、有机物和病原体。 它们能量低,但需要相当的土地面积。

地下流动湿地

在SSF湿地,水通过多孔的介质(草,沙)水平或垂直流淌,并植入新兴植被,土壤和根部为微生物生物膜提供了表面,从而分解污染物. SSF系统提供比FWS设计更好的冷天气性能和少味,使其适合居住和分散应用.

混合和强化系统

现代设计将多个阶段结合起来,例如纵向流动和横向流动,以实现氮和磷更高的去除率,有些设计将 气温带[或循环以提高性能,这些混合湿地越来越多地用于抛光废水,以达到严格的再利用标准。

污染物清除机制

构造的湿地通过一系列协同工作的物理、化学和生物过程去除污染物:

  • 物理过程——沉积、过滤和吸附装置悬浮固体、重金属和颗粒有机物。
  • 化学过程[——降水,离子交换,以及重氧化反应转化或使营养物质和金属停止活动. 磷通常通过吸附到土壤或砾石介质中去除.
  • 生物过程——微生物活性(有氧和无氧)分解有机物,将氨氧化为硝酸(硝化),并将硝酸转化为氮气(稀释). 植物根为生物膜提供氧气和表面积,而一些病原体则因紫外线照射和预化而无法活动.

这些工艺的协同效应使已建成的湿地能够达到高的去除效率,用于生物化学需氧量、总悬浮固体(TSS)、氮、磷和粪便大肠杆菌——通常达到不受限制的灌溉或工业再利用的标准。

在水再利用应用中的作用

建构湿地是许多水再利用计划的基石,因为它们能够生产符合具体质量要求的经处理水,而无需大量化学用途或消耗能源。

农业和景观灌溉

处理过的湿地废水被广泛用于灌溉作物、高尔夫球场、公园和高速公路中位数。 留在水中的氮和磷等营养物可以减少合成肥料的需求。 在淡水稀少的干旱地区,这种应用特别宝贵。

工业加工水

采矿、纸浆和纸张等工业以及食品加工产生废水,可以在已建成的湿地中处理,然后再用于冷却、清洗或粉尘灭尘,淡水来源负荷的减少和业务费用的降低使这一选择具有吸引力。

地下水补给

通过将废水抛至近饮水质量,可进行筑成湿地的土壤水处理或直接注入补充含水层,例如加利福尼亚州奥兰治县水区采用先进的处理方法,包括建设湿地作为其地下水补充系统的一部分,为数百万人提供抗旱供应。

Potable再使用(直接和间接)

虽然仅靠建造的湿地不能产生适合直接饮用水用途的水,但它们在高级净水列车中越来越多地被用作缓冲或预处理步骤[. 自然处理过程增加了抗御力,并清除了药物等新兴污染物. 加利福尼亚大学伯克利分校的研究表明,湿地处理可以分解痕量有机化合物,减轻反渗透和紫外线系统的负担.

建设湿地对水再利用的益处

将已建成的湿地纳入水再利用战略可带来多种经济、环境和社会好处。

经济利益

  • 与常规机械处理厂相比,资本和业务费用低,不需要昂贵的化学品或高耗能的再生。
  • 减少污泥处理——湿地生产最小的生物固体,降低处置费用。
  • 服务寿命长,有适当的维护,往往20-50年,提供了较高的投资回报.
  • 从回收的水销售和生态系统服务信用额获得机会(例如碳固存、生物多样性抵消)。

环境惠益

  • 为FWS和SSF湿地的鸟类,两栖动物和水生物种创建了生境.
  • 植物生物量和土壤中的碳固存。
  • 低能足迹——重力流量设计不需要抽水,最大限度地减少温室气体排放。
  • 营养回收——收获的湿地植物可用作堆肥或生物能源原料。

社会福利

  • 公众接受[——绿色基础设施与可持续和美学方面的社区价值观保持一致。
  • 教育机会——湿地场地成为水科学和生态的室外教室。
  • 反应[——分散式湿地系统可以在停电期间运行,在紧急情况下提供持续的治疗.

挑战和缓解战略

尽管有诸多优势,但建造的湿地面临实际限制,必须通过周密的设计和操作加以管理。

土地要求

湿地需要相对较大的地区 — — 通常每1,000立方米流量0.5-2公顷。 对于城市或空间紧张的地区, 湿润湿地、垂直流系或循环[可以将足迹减少50-70 % 。 规划人员可以利用现有的绿色空间,如工业设施周围的公园或缓冲区。

气候敏感性

在寒冷气候中,冰层形成和生物活动减少可以降低冬季性能. 解决方案包括地下流设计,绝缘盖,或使用废热加热. 在炎热干旱地区,高蒸发可能浓缩污染物,需要盐度管理和更深的盆地.

维修需要

常规任务包括管理植被(疏导、采集)、从输水区清除积聚的固体以及监测水质。 自动控制和远程传感器可以减少劳动力。 预处理[(沉积槽、屏幕)防止堵塞和延长湿地寿命。

蚊子和臭味问题

FWS湿地的沉积水可以滋生蚊子,生物控制(蚊鱼,硫化巴氏菌)和适当的液压设计(扰流,统一流)可以减轻这种影响,通过保持地表下流或循环的有氧条件,将吸气降到最低。

案例研究:成功实施

加利福尼亚州橙县地下水补充系统

2008年以来,橙县水区经营了先行水再利用设施,使用先进净化列车,包括微滤、逆渗透和紫外线先进氧化。 构造的湿地在注入含水层前作为最后的抛光步骤整合,该系统每天生产1.3亿加仑的优质水,确保250万居民的可持续供应。 更多了解GWRS]。

菲律宾:水稻灌溉分散湿地

在人口稠密的农村地区,国际水管理研究所[与地方政府合作,安装小型的已建湿地,处理家用废水,以便在稻田中再利用,这些系统实现了BOD和病原体的清除率大于90%,降低了化肥成本,提高了作物产量。 IWMI对已建湿地的研究。

墨西哥雀巢工业湿地

雀巢公司在墨西哥的一家食品加工厂建造了地下流湿地,处理蔬菜加工产生的高强度废水,经过处理的水被重新用于冷却塔和地板清洁,将淡水需求削减40%,该项目获得了水管理联盟认证[,并展示了公司水管理。 雀巢水管理实例。

未来方向和一体化

构造湿地正在从独立的处理系统演变成循环水经济的综合组成部分。

  • 与厌氧消化结合,在将废水抛光再利用的同时,从有机物中获取能量.
  • ]Smart监测[]使用IOT传感器,无人机,以及机器学习来优化性能和预测维护需求.
  • Hybrid零放电设计,回收所有水进行再利用,并原地再生处理介质.
  • 政策支持——欧盟等国家通过水框架指令,和美国环保局的水再利用行动计划[正在推广基于自然的再利用解决办法。 环保局水再利用行动计划。

结论

建构的湿地是实现水再利用和循环利用目标的经证明的、多用途和可持续的技术,它们提供了一种低成本、低能的路径,以按照适合灌溉、工业使用、地下水补给、甚至间接的可饮用水再利用的标准处理废水。通过创新设计和智能操作克服挑战,这些生活系统正在成为未来水基础设施不可或缺的组成部分。随着全球水资源短缺的加深,对已建成的湿地的投资不仅对环境负责,而且还在经济上是良好的,既能提供清洁水,又能恢复生态功能,增强社区复原力。