苏州人工湿地尾水处理技术应用——以常熟新材料产业园尾水提标湿地为例

杜建强 杜滢明 张 翔 张 瑛

（苏州德华生态环境科技股份有限公司，江苏 苏州 215021）

依据国内现行的污水处理厂排放标准处理后的出水是经过工程化手段、添加化学药剂等方法处理后的“工程的水”，其对于地表水环境仍属于含有一定营养物负荷的污染源，这样的尾水排入自然水体不利于地表水环境质量。人工湿地作为一种生态型水处理技术，其在生活污水处理、黑臭河道水体治理、污水厂尾水提标等领域已有成功应用（杜建强等, 2010a; 2010b; 2012; 2020; Zhang et al.,2015; Du et al., 2017; 黄国动等, 2017; 杜滢明等, 2019a; 2019b; oirschot et al., 2018）。尾水经过人工湿地处理后，除了削减有机物、氮磷负荷外，能够改善尾水的生态性，使污水处理厂尾水从“工程的水”转变成“生态的水”，流入自然水体后可促进形成水体健康的食物链系统，为可持续的生态健康循环形成有利条件。

常熟新材料产业园位于常熟北部的望虞河畔，北依长江。园区规划面积15.02 km2，重点发展氟材料、生物医药等产业。化工企业的废水达到接管标准后排入园区污水厂进行处理，处理后的尾水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A 标准，2020 年园区污水厂完成了提标改造工程。因污水厂排放口处于望虞河上游，望虞河的两端连接长江和太湖，故建设尾水提标湿地，将污水厂尾水主要指标提标至《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类水标准，减少尾水对太湖流域水体的影响。

1 材料与方法

1.1 尾水提标湿地

常熟新材料产业园尾水提标湿地采用德国人工湿地技术，设计处理规模4 000 m3/d，湿地面积5.9 hm2，2014 年5 月建设完成，已稳定运行9 年。项目针对污水厂尾水大水量低浓度的特点进行了工艺创新，采用“调节池—垂直流湿地—生态塘—表面流湿地—饱和流湿地”的组合工艺路线。

项目工艺流程图如图1 所示，主要包括进水布水段、硝化段、脱磷段、沉淀段、反硝化段5 个功能步骤：1）进水布水段是项目地势的最高点，利用污水厂尾水排放口的原有动力，把尾水提升到调节池，通过自动布水系统，把尾水分配到垂直流湿地。2）硝化段由20 个并联的垂直流湿地滤床单元（编号A-T）组成，根据地势高低的不同分为3 个级别，包括第1 级4 个单元（A-D）、第2 级7 个单元（编号E-K）、第3 级9 个单元（编号L-T）。3）脱磷段为应急调磷装置，通过添加铝盐和钙盐应急除磷。4）沉淀段设有的深水区具有最优的磷沉淀效果；从深水区流出的水在表面流湿地得到复氧，并通过种植的挺水植物实现悬浮物的进一步沉淀。5）反硝化段由两个饱和流湿地处理单元组成，各单元采用“丰”字形结构，在有限的面积内形成最长的水流路径，防止短流的发生。饱和流湿地的进水端设有碳源添加系统。项目设计水质指标见表1（Geller et al.,2013）。

表1 项目设计水质指标Table 1 Design water quality index of the project

图1 项目工艺流程图Fig.1 Project process flow chart

1.2 采样点

本项目共涉及3 类采样点（图2），分别为尾水提标湿地总进水（即园区污水厂尾水）、垂直流湿地出水、尾水提标湿地总出水。

1.3 指标测试方法

本研究持续测定了尾水提标湿地总进水、总出水中CoDCr、NH3-N、TP、TN 指标，项目运行初期（2015—2016 年）测定了垂直流湿地出水的NH3-N、TN，各项水质指标的监测方法参照国家环境保护总局《水和废水检测分析方法》，其中CoDCr采用重铬酸盐法（HJ828-2017）测量；NH3-N 采用纳氏试剂-紫外分光光度法（HJ535-2009）测量，TP 采用钼酸铵-紫外分光光度法（GB11893-89）测量，TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ636-2012）测量。

本项目于2023 年6 月开展了垂直流湿地碳储量定量监测工作，并与长江边自然区域芦苇（Phragmites australis）进行了对比分析。监测方法如下：首先对6 m2样方内的植物芦苇进行收割称重，并检测其干湿度。芦苇干湿度(P)是通过测量烘干前后的芦苇重量得到的比值。烘干方法为：将新鲜收割的芦苇置于烘干箱内，105℃的条件下烘干48 h。通过碳转化系数（ρ）得到收割芦苇的碳储量，再通过芦苇根茎比（）计算获得芦苇总的固碳量，芦苇固碳量以Co2计量（河北省生态环境厅,2022）。芦苇植株高度使用卷尺进行测量，茎粗使用游标卡尺进行测量。芦苇湿重和干重通过电子天平进行称重。

1.4 数据处理

1.4.1 反硝化作用效率计算方法 垂直流湿地硝化作用和反硝化作用分析中，硝化效率K和反硝化效率η，按照下列公式计算：

式中：C1e为垂直流湿地出水NH3-N 浓度（mg/L），C1为垂直流湿地进水NH3-N 浓度（mg/L），C2e为垂直流湿地出水TN 浓度（mg/L），C2为垂直流湿地进水TN 浓度（mg/L），垂直流湿地进水即尾水提标湿地总进水（mg/L）。

1.4.2 固碳量计算方法 对于碳储量的分析研究，按下列公式进行计算：

式中：B为单位面积芦苇地上部分收割后干重（kg），W为单位面积芦苇地上部分收割后湿重（kg），P为芦苇干湿度，无量纲。

式中：CG为年单位面积地上收割碳储量（kgC/m2），ρ为碳转化系数（无量纲），取0.5(张美琪等,2023)。

式中：Ct为单位面积地上地下碳储量（kg C/m2），为芦苇根茎比（地下生物固碳量/地上生物固碳量），无量纲，取2.9（河北省生态环境厅等,2022）。

式中：C为单位面积总固碳量（kg Co2/m2），KCo2/C为二氧化碳（Co2）与碳（C）的系数，为两者相对分子质量之比，无量纲，为3.67。

2 结果与分析

2.1 湿地净化效率

2015—2023 年常熟新材料产业园尾水提标项目运行期间进出水污染物浓度的监测数据显示（图3）：尾水经过湿地净化，项目出水的主要指标稳定优于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类水标准，其中NH3-N 和TP 浓度优于地表Ⅲ类水标准（GB3838-2002）。湿地对NH3-N 和TN 的最高年平均去除率分别为91.38% 和87.55%，湿地出水CoDCr、NH3-N、TN、TP 的年平均浓度分别低于25 mg/L、0.7 mg/L、1.5 mg/L、0.04 mg/L。项目年处理水量约100 万t，2015—2023 年累计削减CoDCr负荷、NH3-N 负荷、TN负荷分别为192.73 t、24.27 t、44.25 t。

图3 2015 年1 月—2023 年5 月项目进出水水质（横线表示IV 类水标准）Fig.3 Water quality of influent and effluent from January 2015 to may 2023

2.2 垂直流湿地硝化作用效率

垂直流湿地为项目核心处理工艺段，2015—2016 年开展了不同运行工况、不同温度的垂直流湿地硝化作用效率研究(表2）。不同运行工况主要是指不同的滤床水位条件，即通过控制出水阀门实现不同的滤床内部水位高度，分为满水、半水、放空3种工况，其中，满水是指滤床内部水位与滤料面齐平，半水是指滤床内部水位在滤料深度的一半位置，放空是指滤床内部不存水。不同的滤床水位可控制不同的滤床停留时间和饱和状态，以调节滤床内硝化和反硝化作用效率。从表2 可知，垂直流湿地的主要功能为硝化作用（效率为0.820），反硝化作用（效率为0.284）相比明显较弱；而当滤床满水运行时，同时具备一定的反硝化作用，反硝化作用效率约为0.5。可见，对于硝化效率的重要影响因素是滤床内部运行水位的控制，滤床放空运行条件是增加硝化作用效率的有效方法，而控制滤床满水位，垂直流湿地可以起到一定的总氮去除作用，此时滤床可同时实现硝化和部分反硝化作用。表3 为不同温度、相同滤床水深条件的硝化效率对比研究，在温度14℃、20℃、42℃的情况下，温度对于硝化作用的影响不明显。

表2 不同温度、滤床水位的硝化及反硝化作用效率Table 2 Nitrification and denitrification efficiency based on different temperature and water level in wetland

表3 不同温度的硝化作用效率Table3 Nitrification efficiency based on different temperature

2.3 尾水提标湿地固碳效果

2023 年6 月对垂直流湿地和长江边自然湿地芦苇采样分析表明：垂直流湿地内的芦苇生长平均高度可达4.8 m，比长江边芦苇平均高1 m；垂直流湿地内芦苇茎粗可达2 cm，比长江边自然区芦苇平均粗1 cm。垂直流湿地与自然区湿地碳储量分析结果如表4 所示。尾水提标湿地面积5.9 万m2，单位面积固碳量为24.09 kg Co2，项目每年可产生生态碳汇固碳量1 419 t Co2，是自然湿地芦苇生态碳汇量的2.1倍，对园区实现碳中和具有非常重要的意义（表4）。

表4 常熟新材料产业园尾水提标湿地碳汇数据Table 4 Carbonretentiondata of WWTP polishing wetland in Changshuadvanced materials industrial park

3 讨论

3.1 组合型尾水提标湿地长效运行效果

常熟新材料产业园尾水提标项目采用的是“调节池—垂直流湿地—生态塘—表面流湿地—饱和流湿地”组合工艺，其中，垂直流湿地多单元间歇运行，尾水的氨氮被好氧生物膜氧化；生态塘设深水区，起到沉淀作用，是除磷的主要场所；表面流湿地（浅水区）发生大气交换，使水体复氧，而挺水植物拦截悬浮颗粒物并沉淀；饱和流湿地内为饱水缺氧状态，发生反硝化反应，去除剩余的硝酸盐，沉淀、过滤碳酸盐和减少二次产生的有机固体颗粒物。由湿地多年水质数据和硝化作用效率研究，各工艺段均发挥了工艺设计的功能，硝化、除磷、反硝化作用明显。湿地滤床的生物膜固定在滤料上，相当于固定床生物反应器，不同于活性污泥法的流动状态，生化反应发生在滤床表面以下，不与空气直接接触，滤床本身和植物都会起到保温作用，因此即便在冬季各类物质的去除作用也保持稳定。

美国环保署调查发现湿地在投入运行的5 年内出现不同程度的堵塞（USEPA，2000），国内一般2 ～3年就出现堵塞、处理效率降低等致命问题，而本尾水湿地项目运行已有9 a，期间没有出现堵塞现象。

3.2 尾水提标湿地与自然湿地的固碳效益对比

本研究垂直流湿地芦苇地上部分含碳量为1.68 kg C/m2，远高于长江边自然湿地芦苇地上部分含碳量（0.78 kg C/m2）。当前对于人工湿地碳汇量研究鲜有报道，研究对象主要为自然湿地。王瀚强等（2014）于2011 年发现崇明岛环岛芦苇6 月地上部分含碳量为0.50±0.06 kg C/m2，全年平均为0.67±0.19 kg C/m2，与本研究地周边的长江边自然湿地芦苇相当，但其远远小于垂直流湿地地上部分含碳量。结果表明：垂直流湿地芦苇含碳量较自然湿地具有显著优势，其原因在于：1）长江水质为地表II 类水，水位不稳定，长江边自然湿地相对于尾水湿地，获得的营养物质较少，生长环境不稳定；而尾水为劣Ⅴ类水，含有更多营养盐，项目每天持续处理尾水，同时进水的有效控制以及滤床布水集水系统的合理布置，使尾水被均匀地分配到各个垂直流滤床单元，所有植物均能持续、均匀得到营养；2）垂直流湿地多单元间歇布水运行，休床阶段空气更容易进入滤床内的空隙，促进了湿地植物和微生物的呼吸作用；3）滤床内部构建的固定床生物反应系统，滤料及根系微生物丰富（许明等, 2019），微生物膜能够将难降解有机物转化为小分子得以供植物利用。垂直流湿地固碳能力机理研究以及增汇技术有待进一步探究。

4 结论与建议

常熟新材料产业园尾水提标湿地项目稳定运行9 年，共减少尾水排放903 万t，削减CoD 负荷、NH3-N 负荷、TN 负荷分别为192.73 t、24.27 t、44.25 t，年总计固碳量达1 419 t Co2。项目配套建设的太阳能电站运行长期稳定，年发电量约7 万度，保障了项目管理用电。多种工艺段组合的尾水提标湿地技术从设计走向应用实践，尾水净化效益、碳汇效益、节能效益不断增长，项目成为了化工园区水资源利用、长江保护修复的优秀案例，2023 年被评为苏州市首届“十佳湿地生态修复案例”。实践证明该技术的成功应用，可为尾水提标湿地的推广应用提供技术支撑。

尾水人工湿地在各地逐步推广应用，为促进尾水提标湿地技术的发展及应用，不断提高尾水人工湿地的净化效益和综合效益，建议：1）对于本案例继续研究其长期运行效果，不断总结经验，为相关指南和标准的完善提供理论依据；2）增加既去污又增加碳汇的湿地，充分发挥湿地的综合效应，并加强碳汇监测，与其他湿地做出科学对比；3）加强生物多样性监测和评估，积累尾水湿地生物多样性数据。