高寒干旱区高速公路服务区污水处理及生态湿地水回用系统研究

2023-01-07刘兴和魏佳吉王小文

黑龙江科学 2022年24期

刘兴和，魏佳吉，陈明，王小文

(甘肃华运环境建设工程股份有限公司，兰州 730000)

生态湿地水回用是利用服务区经过处理的污水形成人工湿地，使其发挥水源涵养、水资源调蓄、净化水质、维护湿地生物多样性、防止沙漠化和改善区域气候等生态功能。高速公路服务区的污水处理和生态湿地水回用系统是实现绿色化水循环处理的关键节点，因为高速公路服务区日常耗水较多，对这些污水进行无害化循环处理、构建多样的污水循环利用系统，有助于水循环发展。但高寒干旱区与其他地区的环境差异较大，在利用高速公路服务区污水再生处理系统时面临着许多新的环境特征，需要对项目选址、设计和运作进行深入研究，明确特殊环境的利用原则，使生态湿地水回用系统得到高效利用，充分发挥水生态再生处理系统的作用，以开拓更加节能、环保、循环再生式的水处理微生态。

1 环境特征

1.1 宏观环境特征

高寒干旱地区，高速公路服务区的污水处理和生态湿地水回用系统具有特殊的宏观环境特征[1]，由于处于高海拔地区，天气寒冷，长期干旱，温度低，污水处理与污水循环再生及生态湿地用水的循环开发技术要素多，宏观环境波动大，水回收利用水平低[2]。

1.2 微观环境特征

人工湿地是一种资源化、生态化的污水处理技术，是将绿化和污水处理结合起来，具备独特的绿化环境的功能[3]，相较于传统污水处理工艺更具优势。污水通过人工建造和控制，形成与沼泽地类似的地面，将污水投配到湿地上，使污水在湿地土壤缝隙和表面沿一定方向流动，利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理与化学及生物三重协同作用对污水进行处理。生态系统的作用机理包括吸附、滞留、过滤、沉淀、微生物分解、转化、氧化还原、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的其他作用等[4]。

不同的高寒干旱区，降雨程度和蒸发水平不同，光照时间也存在差异性[5]，且低温环境状态和区域风场分布状态存在较大差异，这些微观环境特征会极大影响高速公路服务区的污水处理和人工湿地利用开发，特别是对项目选址、设计、规划、施工和后续运行都会产生各种不同的影响，使高速公路服务区的污水循环再生系统运行面临着诸多问题[6]。

2 建设重点环节

2.1 项目选址

高寒干旱区高速公路服务区污水处理及生态湿地水回用系统建设，主要包括项目选址、设计方案确定、建设推进等环节[7]。

项目选址环节要充分考虑高寒干旱气候条件下的地理环境因素、区位因素、水源涵养因素、湿地多样性因素、荒漠化因素、局部气候性因素等对高速公路服务区污水处理再生系统项目建设的影响[8]。应选择水资源调蓄丰富、水源涵养水平相对较高，又能够防止水体污染、全面促进水资源合理开发利用的地块。充分考虑选址周围的土壤状况、植物状况、微生物与物理化学状况及配套的绿化灌溉区域状况。要将服务区内的污水处理项目放置在避风、回水利用条件丰富、生态蓄水池周边自然蒸发量与自然渗透量相对较小的区域内。只有综合考虑气候因素、动植物因素、水体环境因素、水生态发展因素、水湿地保护因素，才能使项目选址得当[9]。

2.2 项目设计

完成项目选址之后，高寒干旱区高速公路服务区污水处理和再生系统建设的重点是完成方案设计。

设计时，要确定生态湿地回水利用系统的影响因素和污水处理设备的放置地点，充分将污水净化系统和高速公路使用峰值的人流量等状态考虑进来，污水处理系统的设计应采用回水一体化净化设备，以有效降低成本，强化抗风险冲击能力。按照高速公路服务区污水排放峰值的110%～120%来设计污水处理系统，污水处理量应保持在最大污水处理能力，还要对污水循环利用系统进行设计，特别是对绿化浇灌用地、生态水循环过滤用地进行单独设计，确保生态储水池能够有效满足蓄水容量需求，污水能够经过绿化带和植被覆盖进行沉淀过滤。

项目设计必须因地制宜，将生态湿地系统建设为一个整体，将储水池、蓄水池、生态绿地、灌溉湿地、水生植物种植、自然渗透、自然蒸发和回水系统等串联起来，形成一个微生态环境，以推进污水的再生循环利用。

3 案例研究

以白银东服务区为例，进行实践分析。白银又称铜城，是甘肃省辖地级市，是大兰州经济区的核心区和兰白经济圈的副中心。白银市地处陇西黄土高原西北边缘及祁连山东延余脉、向腾格里沙漠过渡地带，地势南北高、中部低，海拔最高3 321 m，最低1 275 m，这一地区属于中温带半干旱区向干旱区的过渡地带，年平均气温6℃～9℃，年降雨量180～450 mm，年蒸发量达1 500～1 600 mm，是平均降水量的4.5倍，主要气候特点是降雨少、蒸发量大。

随着高速公路的快速发展，白银东服务区大量生活污水的排放造成了一定的水环境污染。防治水体污染、促进水资源的合理开发利用、维护生态平衡，已成为一项紧迫的任务。在深入调査植物多样性的基础上建设水污染处理系统，筛选出具有净化生活污水能力的植物种类，按其净化能力大小排序，种植于人工湿地，考察其净化水质和美化环境的效果，并选出效果好的植物进行示范与推广，以提高人工湿地净化水质的能力，为白银东服务区污水处与循环利用提供保障。经调查了解，白银东服务区南区日常污水排放量约为40 t，主要利用污水处理系统净化后排放，排放峰值出现在每日中午、晚上用餐高峰时间及节假日等人流量高峰阶段。用水量组成如下：南区大便池76个，小便池72个，洗漱池10个，以上日用水量约为30 t，餐饮及加油站日用水量约为5 t。

计划新建污水处理系统，釆用MBR一体化设备，利用膜生物反应器进行污水处理。膜生物反应器的出水水质好，运行成本低，系统抗冲击性强，污泥量少，自动化程度高，占地面积小，便于集成，既可以作为小型污水回用设备，又可作为较大型污水处理厂(站)的核心处理单元，由于抗高寒能力强，故使用这种污水处理方式较好。

目前，白银东服务区南区40 t/d为日污水排放最高值，浮动系数取1.2 (物理污泥生产系数忽略不计)，经计算得出：南区日排放量40 t/d，物理污泥生产系数为万分之5.75，忽略不计，回用率90%，即36 t/d。外排率10%，4 t/d，960 t/植物生长季，480 t/休眠期。根据以上测算数据，生长季内(按240 d计)，南区外排污水总量约为960 m3，可供灌溉绿化面积约为1 000 m2；休眠期内(按120 d计)，南区总排放量约为480 m3，绿化浇灌用地面积及生态储水池容积应接近以上数据。

此项目设计时，初步拟定在南区围墙以内适当位置修建40×25 m生态储水池一处，以有效增强生活污水的回水利用效率。与此同时，计划在污水处理站周围约1 000 m2的原有绿化带内及生态蓄水池边沿进行植被恢复和回水利用建设。

图1 G6京藏高速白银东服务区污水处理及生态湿地水回用设计图Fig.1 G6 Beijing-Tibet Expressway Baiyin East Service Area sewage treatment and ecological wetland water reuse design

由于本项目位于高寒干旱区，且所处的高速公路服务区污水处理需求量大，为了进一步使整个污水处理系统高效运行，生态湿地用水得到循环利用，在湿地回水系统设计上使用生态蓄水池驳岸式蓄水，使服务区污水处理和生态湿地水回用得到自然净化和自然循环。

在白银东服务区内的生态湿地回水蓄水池周边，主要利用土工布、芦苇卷和梢捆及各类植物等作为沿河材料筑堤元素，以稳定蓄水池河岸和周边水土，防止水土流失。土工布可避免高寒干旱区水的渗漏和大量蒸发，而天然芦苇植物可有效净化污水，从而形成循环型生态自用水的净化。

与其他技术相比，白银东服务区内的污水处理和生态湿地水循环净化系统大量用到了红柳、沙棘、新杨柳，还有一些金榆叶等树木，可作为自然驳岸的支撑点，保持蓄水池河岸的结构稳定，同时还起到美化环境的作用。这些植物能够适应高寒干旱区的环境特点，可确保自身生长与水循环净化的协调性，可有效支撑蓄水池周边的生态环境绿化，令蓄水池的自然驳岸更加稳固。这种自然植物的污水净化处理和生态湿地水回用设计，相比于混凝土河道设计更具有经济性，能够减少成本，进一步增强长期生态回水的净化处理能力。

G6京藏高速白银东服务区的污水处理和生态湿地回水设计，采用污水处理站、天然生态蓄水池、绿植养护净化三位一体设计，对污水进行净化和回水循环处理，有效实现了湿地水循环的再生利用。