低成本-高效能的生态化污水处理系统

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根据联合国环境规划署，Heaithy Environment HealthyPeople（内罗毕，2016年）发布的数据，世界上超过80%的污水未经处理就排放到环境中，尤其是在发展中国家的非城市中心区域由污水导致环境污染威胁着人类的生存环境，然而被运用在城市地区的传统污水处理设备和昂贵的维护成本显然无法在这些区域进行普及。

基于此背景，研究中心与华南理工大学联合组成课题研究小组，针对不同于传统的工程项目基于经验视角开展设计，研究采用“通过设计做研究” 的方式选择飞来峡水利试验基地15000m2 受污染的中心塘区及周边环境为实验对象：它不仅是一个位于偏远山区的场地，市政基础设施落后、技术经费有限，具有典型的落后地区的特质；更糟糕的是，实验区内来自实验区、办公区与生活区的污水长期采用简单的二级化粪池处理后直接排入园区内湖中，园区内湖水质逐年恶化，改造前水质已呈劣五类；同时又因为资金紧张改造受到制约，长此以往，已导致基地及周边的生态环境和生物多样性严重破坏。

那么，景观策略（landscape approach）是否能够取代成本高昂的传统工程手段，以“低维护成本，高运转效率”的生态化污水处理手段，来解决经济有限的落后地区所面临的污水处理问题呢？该项目将它拆解为以下2个子问题进行了探讨：

（1）    景观策略中所包含的处理污水的低影响开发设施手段有哪些，这些低影响开发设施手段能否同时作用于雨水带来的地表水污染，以及生活污水的处理？

（2）    如何在低成本的制约下，有效的组合不同类型的低影响开发设施（包括类型、各类的占比）使得其发挥最优的净化效果，达到“低成本，高效能”的目的？

研究方法

基于上述的研究问题，景观设计师领导了该计划的研究部分，并与污水处理专家、植物学专家以及水利工程专家建立合作，就各类专项研究问题提出咨询。研究的方法包括以下几点：

（1）    文献综述：对于与污水处理技术、不同湿地植物、不同填料对污水的净化能力相关的重要书籍和刊物进行分析，初步筛选出合适的低影响开发设施，以及具有高效净污能力的实验植物、填料清单。

（2）    田野调查：对筛选出的植物和填料进行实验测试，以更好地测试出哪些基质拥有最佳的成效。

（3）    市场调研：基于当地的材料工厂和苗圃等实地调研结合线上大数据进行统计分析，确定具有高性价比的材料。

（4）    情景模拟分析：

第一阶段：基于筛选出的四个低影响开发设施包括潜流湿地、表流湿地、湿塘、生态浮床，在SWMM平台中建模，采用控制变量法，模拟分析每个低影响开发设施对污染物处理效率，叠加分析每个设施的建设与维护成本，所能作用的规模，以及使用寿命。

第二阶段：根据正交试验法则，将四个低影响开发设施作为组合因子，通过改变不同因子的面积大小作为第二层级的组合因子，基于第二层级的因子进行排列组合，模拟出9种组合方式，在SWMM平台中分别模拟径流控制率，TSS和TP的去除率，并叠加建造及维护成本的计算，最终确定低成本高效能的最优组合方式。

研究结果

（1）采用潜流湿地、表流湿地、湿塘、生态浮床4种低影响开发设施的组合，可以达到同时满足处理雨水带来的地表径流污水与生活污水处理的要求，从而取代传统的工程手段。

（2）在潜流湿地、表流湿地、湿塘、生态浮床4种低影响开发设施分别占比4.76%，15.87%，71.43%以及7.94%的时候，对于该基地而言，污水处理策略具有最优的效能。

设计策略

为了最大化地发挥低影响开发设施在场地中的作用，研究团队在现有研究结果的基础上，针对基地所具有的特质，提出了2个创新性的设计策略：

1．针对场地高差大的问题，将潜流湿地的设计结合场地高程进行改造，将潜流湿地改造为台地形式，一方面消化基地内8米的高差，另一方面最大限度地扩大水体面积，使得湿地的去污效能与景观展示功能都发挥到最优。

2.创新性地改变填料在潜流湿地中传统的横向布局方式，采用竖向布局，增加潜流湿地与污水的接触面积，提升净化效率。

追踪监测

本项目于2018年建成，至今已经运行三年，经过追踪监测，采用哈希多参数水质在线监测仪，对水质从BOD5、NH3-N、TP、pH、DO 等指标进行监测，根据监测数据表明，基地内水质逐渐恢复地表水Ⅲ类水质标准，并逐渐形成多样性和稳定化的水生态系统。

研究意义

研究项目以250/㎡的建造成本，解决了该场地的污水处理问题，相比传统的工程手段节省了近40%。同时将原本生态恶劣的污水塘及其周围环境，改变成集休憩、观赏、生态功能为一体的办公休闲绿地，实现了以“低成本-高效能”的景观策略解决偏远地区污水处理的问题。鉴于此，该项目已作为水生态技术示范区被推广，获得了社会各界的参观与关注，具有科普、教育的作用，帮助提升公众的生态意识。更重要的是，本项研究从分析方法到技术手段，都具有极高的可复制性，能够为世界各地遭受生活污水困扰的地区贡献具有普适性的解决路径，从而提升经济落后的偏远地区的生存环境。

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