东北寒区人工湿地污水处理规划设计：以吉林省金川镇为例

徐建胜 白雪原 姜海波 何春光*

（1 东北师范大学国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林 长春 130117；2 通化市生态环境局，吉林 通化134002）

人工湿地是去除污染物效果较好的一种生态处理技术(张文磊等, 2015)，因其结构简单、投资少、处理效果好、易于维护管理等特点，在国内外得到了广泛的应用，如在气温偏低的加拿大、丹麦、美国、韩国等国家被用于处理农村生活污水，均取得了比较好的运行效果(Munoz et al, 2006; Ham et al,2007; Solano et al, 2009)。此外，人工湿地对某些工业废水、农业废水、垃圾渗滤液等也有良好的净化效能(Coleman et al, 2001)。

吉林省通化市共有78个乡镇，截至目前，除各县政府所在地外，还没有一个独立运行的城镇污水处理厂，个别乡镇所建设的用于生活污水处理的人工湿地在冬季也因无保温措施而基本失去效用。本文以旅游特色小镇——金川镇为研究对象，调查生活污水的排水现状、存在的主要问题，对污水处理系统进行规划设计，并进行可行性分析，为寒区旅游地生活污水处理提供借鉴与参考。

1 研究区概况

金川镇位于吉林省辉南县境内，著名的吉林龙湾国家级自然保护区大部分位于金川镇境内。保护区是以火山地貌为基础形成的湿地生态系统，生物多样性丰富，自然环境优美，素以“八湾、二顶、一瀑、一漂”为人们所称道。2016年10月，金川镇被住房和城乡建设部确定成为第一批中国特色小镇。金川镇依靠丰富的自然资源这一优势，开发旅游资源、发展农业经济、发展旅游服务。

目前，镇区已建设大部分污水收集管网，但尚未完善。雨污水收集措施简单，无处理措施，部分超标污水自然散排，渗入地下或进入河道。随着镇区内用水量和污水排放量逐年增加，导致地表水资源短缺，部分超标雨污水直接排放，污染河流、地下水和土壤，威胁饮用水水源安全及区域生态环境，影响旅游小镇的整体形象。此外，还导致龙湾保护区湿地水位下降、功能退化，保护区湿地资源保护与金川镇旅游发展之间的矛盾加大。

2 总体规划原则

金川镇水环境改善生态工程规划应结合该地的地形、气候、人口、经济、土地资源、进出水水质、排水现状等各项因素，并与镇区总体规划相适应，体现镇区总体发展的要求，同时严格执行国家关于环境保护的政策，符合国家有关法规、规范及标准，具体有以下原则：

(1)污水处理系统工程的建设应以相关规划方案为基础，合理确定厂址及工程规模，以保证工程建设标准合适得当，满足污水治理目标及水环境改善目标，能够尽快发挥工程的社会效益和环境效益。

(2)污水处理厂总体布局要统筹考虑，根据国情和地区特点，因地制宜采取行之有效的处理方法和工艺流程，使其适用于寒冷地区生活污水的要求，节省占地，尽可能降低工程造价，保证污水处理厂运行安全可靠、节省能耗。

(3)设备选择应本着先进、可靠、节能、环保的原则，积极采用国内外先进的污水处理新工艺、新技术、新材料、新设备，减少占地面积，降低运行成本，简化维护管理。

(4)根据工艺条件建立相应的自控管理系统，实现污水处理厂管理、控制及操作的现代化、科学化、自动化。

(5)体现近期工程与远期工程相结合的原则，充分考虑与远期工程的工艺、管线、自控的衔接及现有预留用地。

(6)在工艺选择、节水节能等方面进行多方案比选和分析，妥善处理、处置污水处理过程中产生的栅渣、污泥，避免二次污染。

(7)厂区平面布置力求美观合理，功能齐全，在便于施工安装和维修的前提下，构筑物布置尽量集中、紧凑，节约用地。

3 金川镇污水处理系统规划设计

金川镇污水处理系统规划服务范围为金川镇中心区，总面积约30万m2。区域内主要是居民区，无工业企业。镇区的东、南、西三面被龙湾保护区包围，而北面为大面积农田,适合利用人工湿地进行污水处理。污水集中处理模式工艺流程完善、耐冲击负荷强、出水排放标准严格、水质不达标风险小(丁文杰等, 2019)。水质达标后，中水资源化利用，将缓解水资源短缺的矛盾。

3.1 设计进出水水质

综合考虑金川镇发展现状和居民的生活状况，在对周边城市已建污水厂运行数据整理分析的基础上，结合实测结果，确定进水水质。污水出水不外排，中水主要用于农田灌溉、城镇绿化、道路浇洒等，水质指标需达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准、《农田灌溉水质标准》（GB5084-2005）、《城市污水再生利用-城市杂用水水质》(GB18920-2002)等标准(表1)。

金川镇为季节性旅游小镇，预计至2025年，5-9月旅游旺季居住人口约2 000人，接待非住宿游客约3 000人，住宿人数约300人；10月至翌年4月旅游淡季居住人口约1 500人，接待非住宿游客约200人。根据《室外给水设计规范》(GB150013—2006)、《村镇供水工程技术规范》(SL310-2004)及金川镇实际情况，采用单位人口综合用水量指标法预测给水量及污水量，确定当地居民给水量为80 L/(人·d)、非住宿游客30 L/(人·d)、住宿游客120 L/(人·d)，污水收集率80%；5—9月平均日用水量286 m3/d，10月至翌年4月平均日用水量126 m3/d，污水处理规模为240 m3/d(表2)。

表1 进出水水质指标Table 1 Water quality forinlet and outlet

表2 污水量预测表Table 2 Forecast of sewage volume

3.2 处理工艺流程

基于金川镇旅游小镇的定位，根据《市政工程设计技术管理规定》并综合考虑金川镇的污水量、自然特征、现状及未来发展的可持续性等因素，对处理工艺进行规划设计(图1)。

3.3 处理系统设计

3.3.1 调节池收集生活污水经一体化泵站提升进入调节池进行预处理，均匀水质水量，同时去除水中大的悬浮物和漂浮物、砾石及部分有机物，减少后面构筑物负荷，保证生物处理的稳定性(图2)。

3.3.2 多介质生物滤池多介质生物滤池系统安装微孔曝气器，配置涡旋风机曝气(图3)。设备内置换热器，系统连接供暖系统，以提高设备运行温度，为冬季安全运行提供保障。由于污泥产量极少，可依据情况每6—12个月排泥一次。

3.3.3 复合流人工湿地多介质生物滤池出水先进入垂直潜流人工湿地，布水方式为重力流，排水顺畅、节省能源。该湿地为地下结构，湿地四周设置围堰、底部采用复合膜防渗，中间填充滤料，湿地上面种植兼顾景观的湿地植物(李洁等, 2013)，湿地上部、底部分别设置布水管与集水管。出水进入集水渠后排入温室内小溪中，溪流湿地水位较浅，具有良好的好氧环境，有助于硝化作用，可有效去除氨氮。通过微地形调整，形成水位高程差，实现重力自流，提高水动力，同时引入景观设计，在溪流中布设浅滩、深潭、河心洲，配置湿地植物，实现观赏功能。此外，利用无土栽培技术在人工湿地内培植蔬菜、花卉等经济作物(吕锡武, 2018)，吸引游客采摘，可产生经济效益及良好的景观效应，生态效益显著(图4)。

3.3.4 多功能日光温室由于东北地区冬季寒冷漫长，不利于湿地植物和微生物的生长，从而影响对污染物的去除效果(张自杰等, 1984)。为保证污水处理效果，利用日光温室对多介质生物滤池设备及控制系统、人工湿地系统进行保温(图5)。采用超跨距大型高效节能温室，保温性能极高。进入冬季，白天可以控制温度20～28℃，夜间12～18℃，湿度控制在70%以下，极端天气温度不够时，启动空气集热器，补充热源，实现不燃煤供热就能满足污水处理系统以及生态农业等在冬季低温时对运行温度的需求。

图1 金川镇生活污水处理工艺流程图Fig. 1 Flow chart of domestic sewage treatment in Jinchuan town

图2 调节池结构示意图Fig. 2 Regulating tank structure diagram

图3 多介质生物滤池结构示意图Fig.3 Multi-media biofilter structure diagram

图4 复合流人工湿地结构示意图Fig.4 Compound flow constructed wetland structure diagram

图5 日光温室平面图Fig.5 Solar greenhouse plan

3.3.5 中水调蓄池人工湿地出水排入室外中水调蓄池全部进行资源化利用，出水不外排。按照表流湿地的方式设计中水调蓄湿地。春夏季污水产生量大，出水进入表流湿地进行再次净化。湿地内合理配置水生植物，构建生态护岸，达到中水调蓄、水质深度净化、缓冲水量兼具观赏等功能。中水可用于农田灌溉、农业用水、道路洒水、绿化用水等。冬季将表流湿地内水生植物收割，湿地作为储水池使用。中水可用于智慧农业、龙堡森林度假村滑雪场人工造雪、造冰及贮存于调蓄池内实现中水“冬储夏用”(图6)。

3.4 维护管理

维护管理是决定污水处理系统最终成效的关键。设置专人维护管理，定期对污水处理设施和设备进行维护保养和检修。此外，人工湿地的定期维护管理对于保持人工湿地的运行效果至关重要，包括水生植物的种植、收割（黄锦楼等, 2013）、去除杂草和挖掘沉积物等，以保证污水处理系统运转的有效性及持续性。

4 可行性分析

单级人工湿地处理生活污水存在污水负荷小等诸多问题，组合工艺或多级人工湿地可明显提高处理效果，如A/O+人工湿地、脉冲多层生物滤池+人工湿地、表流湿地+潜流湿地等(孙红杰等, 2013)。研究表明，潜流人工湿地在寒冷低温条件下对微污染地表水具有较好的净化效果(刘学燕等, 2004)。本研究规划设计了“预处理+多介质生物滤池+复合流人工湿地”污水处理系统，将污水处理与生态农业、生态旅游相结合，系统耦合多功能日光温室，有效解决人工湿地在东北寒区冬季气温低对人工湿地运行造成不利影响的问题；充分实现中水的资源化利用，提高经济效益，同时缓解龙湾保护区湿地资源保护与金川镇旅游发展之间的矛盾，持续发挥保护区湿地的生态服务功能。因此，该处理技术具有一定的可行性。

污水处理厂作为一项具有公益性质的市政基础设施，项目建设资金由政府承担，根据国家建设部关于《征收排水设施有偿使用费的暂行规定》的有关规定，可以收取适当的排污费。此外，作为金川镇的生态旅游项目，所产生的收益用于污水处理厂的运行维护，维持正常运转。

5 结论

图6 污水处理系统平面图Fig.6 Sewage treatment system plan

本研究通过调查目前金川镇生活污水的排水现状及存在的主要问题，对污水处理系统进行规划设计，并进行可行性分析。预计污水处理规模为240 m3/d，设计“预处理+多介质生物滤池+复合流人工湿地”污水处理系统，系统耦合现代化多功能日光温室，将污水处理与生态农业、生态旅游相结合，有效解决冬季气温低对人工湿地运行所造成的不利影响；设计出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准，出水不外排，充分实现中水的资源化利用；形成一个四季全时、长期稳定、可持续性强的具有水环境治理、农业生产、生态科普教育等多重功能的生态协同网络；改善金川镇生态环境的同时，缓解龙湾保护区湿地资源保护与金川镇旅游发展之间的矛盾。设计污水处理工艺及污水处理系统的建设维护均具有一定的可行性，污水处理厂建成后，可维持正常运转。金川旅游特色小镇污水处理系统的生态环境效益、社会经济效益显著，从而实现社会经济的可持续发展。