碳中和愿景下海绵城市建设的人工湿地技术应用
文章信息
第一作者：蔡雅梅
通讯作者：赵亚乾教授
通讯单位：西安理工大学
https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2023.103828
文章亮点
人工湿地产生的温室气体较其它海绵城市设施通常更少，对降低碳排放具有实质性积极影响。
• 表面流人工湿地（SFCW）系统可用于前端控制径流，复合湿地系统可用于中端以平衡水量和改善水质，而潜流人工湿地（SSFCW）系统可用于尾端进一步去除雨水污染物。
• 具有优化植物选择、操作模式和曝气技术的传统人工湿地以及与生物化学相结合的新型人工湿地技术都具有减少温室气体排放的巨大潜力。
研究进展
海绵城市建设目前已成为我国国家战略之一，人工湿地（CWs）不仅可以净化水质，还可以储存和调节“海绵城市”中的雨水。在碳中和的愿景下，如何在多重限制下合理、智慧地利用人工湿地技术，成为当前海绵城市建设亟待解决的问题。因此，本文概述了 CWs 技术在碳中和愿景下海绵城市建设中的作用并提出了合理的使用建议。通过比较海绵城市技术措施“六字方针”与CWs的基本特征以及CWs与海绵城市设施的碳减排效果，提出CWs组合在海绵城市建设中的不同作用，即利用SFCW 前端系统控制径流，中端SFCW和SSFCW多级组合平衡水量并改善水质，末端HSSFCWs和VSSFCWs混合系统进一步净化污染物。为实现“双碳”目标，提出并探讨了未来海绵城市建设模式中CW的一些策略和潜在技术措施。研究结果将对海绵城市建设中人工湿地方式，以及在此过程中实现绿色低碳转型、助力实现 “双碳”目标具有重要的现实意义。
图文摘要
海绵城市与传统城市建设模式的对比如图1所示，不同于传统城市建设模式以“快速排除”和“末端集中”控制为主要规划建设理念，“海绵城市”以“慢排缓释”和“源头分散”控制为主要规划建设理念，侧重的生态保护基础设施建设，营造“海绵体”，减少城市内涝危机。
图1 海绵城市与传统城市建设模式对比
在海绵城市建设中，人工湿地作为一种低影响开发设施，不仅可以调控雨水径流、净化水质，还可以通过生物、化学作用深度净化径流污染，水质可达近地表水水质标准，在海绵城市建设中具有不可替代的作用。人工湿地的基本特征与海绵城市技术始终坚持的“渗、滞、蓄、净、用、排”原则高度吻合，人工湿地以填料过滤、植被含蓄及自身结构所具有的容积蓄水功能，在海绵城市建设中发挥着重要的作用，二者关系如图2所示。
图2 CWs与海绵城市建设“六字方针”的关系
CWs作为一种依靠自然的污水净化技术，在温室气体减排技术方面与其它海绵城市设施（诸如绿色屋顶、生物滞留池、雨水花园、湿塘等）有所区别。通过比较两种设施的温室气体排放效果，整体而言，人工湿地的温室气体排放量较小，碳减排效益可观。而海绵城市设施种类众多，碳减排效益差别较大。人工湿地可根据具体需求灵活调整结构、植物、填料等基本参数，实现碳减排效益最大化。
按照海绵城市建设的思路，不同组合的CWs在海绵城市项目的前端、中端和后端发挥着不同的作用，如图3所示。前端可采用SFCW系统控制径流，中端可采用混合湿地系统（SFCW与SSFCW的多级组合）平衡水量、改善水质，而SSFCW 系统（HSSFCWs 和 VSSFCWs 的混合系统或HSSFCWs 和 VSSFCWs）可以在尾端使用以进一步去除雨水污染物。
图3 CWs在海绵城市建设前端、中端、末端的应用
碳中和对CWs在海绵城市建设过程中的应用具有重要的推动作用，同时，CWs技术措施与实现“双碳”目标紧密联系。在碳达峰、碳中和背景下，海绵城市建设中的CWs利用技术利用其自身特点及技术优势，在全面提高绿色低碳建筑水平、构建低碳城市过程中起着关键作用。首先，CWs技术在增加城市自然碳汇、提高系统碳封存能力方面具有明显的优势地位。其次，合理调节CWs系统运行工况，结合生物化学等新技术有利于增加碳吸收。CWs技术措施碳减排的影响因素如图4所示。
图4 CWs技术措施碳减排影响因素
在碳中和愿景下，人工湿地技术应用的理想状态应是水质净化效果最佳的同时温室气体排放量最低，需要结合海绵城市建设的条件对人工湿地进行合理配置，从而实现环境质量的提升，也能从根本上提升海绵城市的经济价值以及效益。首先，合理控制进水负荷，促进硝化、反硝化过程及微生物活性，降低进水负荷驱动的碳、氮向温室气体的转化速率；其次，优化填料配置、植被组合及进水方式，从结构上避免人工湿地堵塞，提高湿地复氧能力，减少温室气体生成；再次，可以结合生物化学等新技术，提高人工湿地碳汇能力；最后，对于人工湿地的运行管理，可通过植物收割、湿地停床轮换等措施提高人工湿地的运行效率，保证人工湿地能够长效稳定运行。
作者简介
第一作者：蔡雅梅，西安理工大学赵亚乾教授课题组2021级博士生，研究方向为人工湿地污水生态处理。通过国家留学基金委“建设高水平大学公派研究生项目”资助目前在西班牙马德里胡安卡洛斯国王大学进行为期两年的博士联合培养。已在Science of the Total Environment, Journal of Water Process Engineering等发表论文7篇。
