生态型景观—人工湿地深度处理城市二级污水处理厂出水的工程应用

郭治东,陈冠宇,赵世勋

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

随着国家和地方政府对环境保护要求的逐年提高，某些区域城市污水处理厂出水已不能完全满足排放需求，需对污水处理厂出水进行深度处理。山东省某污水处理厂最大日处理污水量20 000 m3/d，出水水质可达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准要求，根据地方生态环境局要求，需将污水处理厂出水经人工湿地处理后达到或优于GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，方可排入受纳水体龙拱河，相应的人工湿地进、出水主要指标见表1。

表1 人工湿地进、出水水质指标 mg/L

根据规划，工程可供用地约6.67 hm2，主体工艺水力负荷不得小于0.4 m/d，其中潜流湿地5 hm2，出水指标区、道路及配套设施1.67 hm2。主要工程包括土方调整、潜流湿地主体工程、出水指示区、引排水设施、超越管渠、回流系统、曝气系统、道路系统、管理房、景观小品等。结合上述各项指标要求，经过论证分析，主体工艺最终采用垂直潜流湿地—氧化塘—垂直潜流湿地的多级串联处理工艺[1]，并在设计中充分利用湿地特征考虑了景观设计[2]。

1 工艺方案论证

根据污水处理厂出水水质的特点，要使处理后的出水主要指标CODCr、NH3—N达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质要求，同时争取TP和BOD5的去除效果最优，必须选择合理、经济、可行的水工艺设计方案。

(1)表面流人工湿地

表面流人工湿地系统内水面为自然水面，水流处于自由表面流动状态，主要通过湿地内浮游植物、浮水植物、沉水植物、挺水植物吸收以及微生物的截留、吸附与分解等，起到净化水质的作用[3]。

(2)垂直潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地是潜流式湿地的一种形式，在垂直潜流系统中，污水在生态滤床上垂直下渗，在纵向流的过程中污水依次经过不同的介质层，以达到净化的目的[4]。

(3)水平潜流人工湿地

水平潜流人工湿地是潜流式湿地的另一种形式，污水在地面以下的填料中流动，由进水口一端沿水平方向流动过程中依次通过砂石、介质、植物根系，流向出水口一端，以达到净化目的[5]。

对3种湿地基本特征从处理效果、技术先进性等方面进行比较，见表2。

表2 湿地处理系统类型比较

综合考虑水平和垂直潜流湿地特点、处理效果和占地面积，最终确定选用垂直潜流人工湿地。

针对来水水质可生化性差、湿地出水水质要求高、湿地建设面积有限、存在低温运行期[6]等项目特点，为保证湿地出水稳定达标，湿地低能耗高效运行，与二期工程相衔接，在确定整体采用垂直潜流湿地净化技术的基础上，进行工艺优化和组合，增加曝气及回流系统，综合考虑各方面因素，最终确定采用垂直潜流湿地—氧化塘—垂直潜流湿地相串联的组合工艺。

两级潜流湿地串联可以优化去除效果，最大限度提高对有机物和氨氮的去除[7-8]。氧化塘的加入可以节省水头损失，增加水体复氧能力，为湿地曝气提供空间。

2 可达性分析

该工程通过优化人工湿地组合工艺、优化水力参数、增加曝气等措施确保湿地出水水质稳定达到地表水Ⅲ类标准后排入龙拱河，保障河道的水质安全。针对人工湿地出水水质中主要污染物CODCr、NH3—N处理目标可达性进行分析。

2.1 CODCr可达性分析

(1)加深潜流湿地深度

叶建峰等研究表明[9]，当水力负荷为0.3 m/d，进水水质有机负荷为39.9～81.6 mg/L，在以级配粒径粗砂为基质的垂直潜流湿地1.1 m处，污染物去除率为70%；当水力负荷为0.5 m/d，进水水质有机负荷为66.5～136 mg/L，在以级配粒径粗砂为基质的垂直潜流湿地1.1 m处，污染物去除率为35.58%。试验表明，在低浓度污染物进水，且水力负荷较小时污染物去除率高。叶建峰试验进水为上海某污水处理厂出水，与本项目进水水质接近，因此将其作为参照进行分析。

项目选用垂直潜流湿地填料厚1.8 m，采用级配砾石，水力停留时间为1.02 d，水力负荷为0.4 m/d，进水水质中有机负荷为50 mg/L，与叶建锋试验中低浓度进水水质接近。虽增加了湿地深度，加强了厌氧酸化作用，但由于污染物可生化性很差，考虑到出水稳定性，将垂直潜流人工湿地有机物有效去除率取35.58%是可行的。经计算，通过垂直潜流湿地可去除单位体积进水中CODCr量为17.79 mg。

(2)氧化塘中增加生物载体

黄建洪等研究表明[10]，氧化塘对微污染水体进水中CODCr去除率为22.1%～35.5%，虽然本项目氧化塘中没有种植植物，但增加了生物载体，通过氧化塘可去除单位体积进水中CODCr量为11.05 mg。

经过垂直潜流人工湿地以及氧化塘处理以后，单位体积进水中CODCr可去除量为28.84 mg，要达到水质标准还需要去除单位体积进水中CODCr量为1.16 mg。因此考虑在氧化塘中增加生物载体，并设置回流比保障出水水质中CODCr达标。

(3)生物载体

在单个氧化塘中设置900 m2新型生物载体[11]，整个工程设置14个氧化塘。新型生物载体比表面积约为40万 m2/m3，在自然环境下新型生物载体对有机物的去除负荷为2 304 g BOD5/(1 000 m2生物载体·d)。氧化塘中水力停留时间为1.58 d，则新型生物载体可降解单位体积出水中BOD5为2.29 mg，根据BOD5与CODCr之间的关系可知，可降解单位体积出水中的CODCr大于1.16 mg。

(4)增加回流比

在人工湿地运行期间，通过增加回流比[12]作为水质保障措施，确保出水水质达标。回流量作为水质保障手段是通过控制回流量来实现，回流量最大为1∶1。在夏季水质出水稳定时期，减小回流量，在冬季低温时期1∶1回流，保证出水水质中CODCr达标。

通过以上4项措施，可以保障出水中CODCr浓度达标。

2.2 NH3—N可达性分析

(1)垂直潜流湿地去除作用

白晓龙等研究表明[13]，填充高25 cm、粒径1～2 cm砾石，处理NH3—N含量为14.3～33.7 mg/L的废水，水力停留时间1 d，随着砾石上生物挂膜量增加，NH3—N去除率趋于稳定，稳定后去除率为35%。

类比可知，项目采用165 cm厚的砾石填料层，上层附15 cm厚的火山岩填料层。水力停留时间1.02 d，在夏季垂直潜流人工湿地对氨氮的去除率达到80%是可行的。

(2)增加火山岩填料层

卢少勇等学者对29种湿地填料进行氨氮吸附解析研究[14]，火山岩、瓷砂陶粒、生物炭、沸石五种吸附材料对氨氮吸附能力较高，其中火山岩对氨氮吸附性最强，且解析率低。项目采用火山岩取代部分砾石，用火山岩置换15 cm厚填料，增强填料对氨氮的去除。该措施为出水中氨氮达标提供了保障。

(3)增加曝气

曝气设备不但可以加强生物载体对污染物的去除，也可以增加水质中溶解氧量。在冬季潜流人工湿地运行不稳定，人工湿地硝化作用严重削弱，必须通过曝气手段增加水体溶氧量[15-16]。1 mg NH3—N完全硝化耗氧量为17.78 mg，单位体积进水中NH3—N浓度达标排放需要消耗124.45 mg溶解氧。通过曝气增加的溶解氧须大于124.45 mg。

氧化塘中设置悬挂式曝气链[17-18]，悬挂式曝气链单位体积理论通气量为1.6～3.0 m3/(h·个)，取最小值1.6 m3/(h·个)。20 ℃下饱和空气密度为1.20 kg/m3，复氧的利用效率为5%～10%，在单个氧化塘中设置150个悬挂式曝气链，因此单个氧化塘中通过曝气可为单位体积进水增加127.41 mg溶解氧，溶解氧量大于氨氮硝化需氧量，因此在冬季可以通过曝气将氨氮完全硝化，使出水水质中氨氮达到排放标准。

通过以上3项措施，保障出水中NH3—N浓度达标。

3 工程设计

3.1 湿地平面布置

项目红线范围内面积为6.67 hm2，其中人工湿地面积5 hm2。其整体布置结合周边地形、已有建(构)筑物及景观。工程内容包括：湿地配水、集水系统、超越管线、垂直潜流人工湿地、氧化塘、生态塘、曝气系统、管理用房、道路、木栈道及其他配套设施等内容。

工程建设规模如下。

人工湿地：有效湿地面积50 400 m2，共42个处理单元，其中含有28个潜流湿地单元(长×宽：45 m×30 m，面积37 800 m2)，14个氧化塘单元(长×宽：30 m×30 m，面积12 600 m2)；

管理道路2条，长度分别是248 m和210 m，面积1 240 m2和1 050 m2；

木栈道4条，总长度895 m，面积1 342.5 m2；

管理房：建筑面积345 m2；

绿化面积：882 m2；

标识设施：标识牌20块；

亭：直径5 m的木制亭子2座；

土方工程：项目开挖土方量为169 754.5 m3，主要为湿地床体开挖。土方填筑总量为3 132.75 m3，主要用于道路、管理区、生态塘、周围景观(岛)的填筑等。土方外运量为166 621.75 m3，主要用于二期工程和周边区域土方填筑。

平面布置如图1所示。

图1 人工湿地平面布置(单位：m)

3.2 湿地高程布置

以污水处理厂出水口高程为相对高程0点。项目采用潜流湿地—氧化塘—潜流湿地相串联的组合工艺。设计第一组潜流人工湿地进水水头相对高程为0 m，出水水头相对高程为-0.9 m。设计氧化塘进水水头相对高程为-0.9 m，出水水头相对高程为-1.1 m，设计第二组潜流人工湿地进水水头相对高程为-1.1 m，出水水头相对高程为-2.0 m。集、配水渠水头损失考虑为0.2 m。湿地床深为1.8 m，氧化塘深为2.5 m。

3.3 配水、集水系统

配水渠采用钢混结构，表面采用水泥砂浆抹面，配水管采用UPVC穿孔管。集水采用两种方式：湿地东侧采用集水渠，湿地南侧和西侧采用生态塘，集水管采用UPVC穿孔管。

3.4 填料选择

考虑工程预算以及湿地采用垂直流形式要注意防堵塞[19-21]，填料主要采用级配砾石(厚165 cm)，粒径0～80 mm，随深度逐层加厚，中间层混合火山岩(厚15 cm)，总填料厚度180 cm，适当增加填料深度以加强处理效果。同时项目所在地冬天温度较低，最大冻土层厚度约0.5 m，适当增加填料厚度可以防止冬天湿地床被完全冻结，同时在冬天形成冰层保温，保证冰层下部的正常处理效果。

3.5 植物选择

中国林业科学研究院湿地研究院曾对湿地植物进行研究[22]，结果表明：芦苇、香蒲、菖蒲、茭白和鸢尾5种植物，平均氮、磷累计量分别为20.60 mg/g和3.08 mg/g。不同植物对不同污染物的净化效果有差异，黄鸢尾对TN的净化效果最好，芦苇对TP的净化效果最好，香蒲、菖蒲、茭白对水质的净化效果也不错，而且适合北方种植。

沈阳环科院对北方人工湿地植物选择做过研究，受试植物为香蒲、茭白、芦苇、菖蒲、东方蓼、藨草、水烛、泽泻、慈姑、大薸、水葫芦。挺水植物对CODCr的平均去除率为80%，其中茭白、香蒲的降解率为85%～90%，略高于其他挺水植物，而浮水植物对CODCr的平均去除率为60%；挺水植物对NH3—N的平均去除率为75%，其中茭白的降解率为80%～83%，浮水植物对NH3—N的平均去除率68%；挺水植物对TP的平均去除率为70%，其中芦苇的降解率为78%～80%，而浮水植物对TP的平均去除率为65%。

综上所述，潜流人工湿地内选择芦苇、香蒲、菖蒲等挺水植物，考虑景观效应，选择了少量黄莺尾、千屈菜、美人蕉等[23]。这些植物为人工湿地系统主要的植物选配品种，根系发达，生长量大，营养生长与生殖生长并存，对氮、磷和钾的吸收都比较丰富。

3.6 超越管渠和回流管线

对于超过2万m3/d的来水，从超越管渠流入湿地西侧生态塘。为了提高出水水质达标保障水平，湿地设回流系统。在生态塘设回流泵，将湿地出水回流至配水渠及氧化塘进行处理。回流管线设置于从南侧生态塘中间部分到配水渠初始端口之间。

3.7 曝气系统

风机房内放置风机3用1备，便于不同风量调节，单台1.66 m3/min，风压0.343 kPa，功率2.2 kW。曝气管采用焊接钢管。氧化塘内放置曝气链，增加水体溶解氧量，有利于好氧微生物发挥降解作用。曝气链排间距3 m，曝气链底部距池底1 m，每个氧化塘曝气链5条，共70条，每条长30 m。

4 景观设计及功能定位

4.1 景观设计

景观设计理念：天圆地方，善水先行。栈道、休憩亭是圆的，代表“天圆”；湿地床是方的，代表“地方”。

景观设计以中国朴素辩证思想为理论依据，用“方”“圆”美学形态为基础设计元素，展开整体规划设计。天圆地方，道在中央，方中有圆，圆中有方，上揆之天，下验之地，中审之人，天地人合而为一。

景观设计主体为“水调歌头，流觞曲水”，配水渠西侧湿地取名“水调歌头”，配水渠东侧湿地取名“流觞曲水”。

为便于湿地管理，湿地上建圆弧形木质管理道路，宽度为1.5 m，共895 m。取名“如水栈道”，栈道与配水渠交汇位置建造1座直径5 m的亭子，取名“碧波亭”。栈道与湿地西南角交汇处设置1座直径5 m的亭子，取名“荷花亭”。

生态塘外侧各设置1座生态岛，西侧岛屿400 m2，南侧岛屿450 m2，以草地为主，同时种植其他装饰性花卉及常年绿色的灌木。生态塘内种植大片荷花、睡莲等，起名“水天一色”。

4.2 功能定位

功能定位：水质净化、宣传展示和科普教育。

景观功能以水质净化功能为主，削减污水处理厂出水污染负荷，经过人工湿地处理后主要水质指标CODCr、NH3—N达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》III类。同时建设完善的科普教育、宣传展示等设施，使其成为集水质净化、科普教育及水生态文明建设宣传展示示范等多功能于一体的人工湿地系统。

5 结语

人工湿地用于城市污水处理厂出水的深度处理，创造性地在两级人工湿地之间增加了氧化塘，采用垂直潜流湿地—氧化塘—垂直潜流湿地相串联的组合工艺，既强化了处理效果，又增加了景观效应。同时针对该工程存在湿地建设面积有限、存在低温运行期等特点，通过增加潜流湿地深度、氧化塘设置曝气、必要时采取回流、利用火山岩填料等一系列措施，确保出水主要水质指标CODCr、NH3—N达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水体要求，CODCr去除率达62.26%，NH3—N去除率达87.5%。利用人工湿地及氧化塘的特点赋予景观设计，构建了水质净化、环境美化的水生态文明示范工程，实现了经济效益与环境效益的双丰收。

铁路车站也可借鉴此类设计，将车站景观与车站污水处理深度结合，在处理车站污水的同时提升车站的景观效应。