复合型人工湿地在城镇污水处理厂尾水提标中的设计与应用

2023-11-06何凡刘军丁宏云林宇迪郝智健王达影贾洪柏

环境保护与循环经济 2023年9期

何凡刘军丁宏云林宇迪郝智健王达影贾洪柏

（1.浙江国千环境技术发展有限公司，浙江湖州 313300；2.浙江国阡环境与节能工程研究院，浙江湖州 313300；3.东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150000）

1 引言

近年来，随着“五水共治”和“水十条”的贯彻落实，各省控、国控断面中劣Ⅴ类水质断面占比不断下降［1-2］。城镇污水处理厂尾水是河道稳定的补充水源，其对省控、国控断面的影响尤为明显。当前多数城镇污水处理厂执行的一级A 标准排出水质依然为劣Ⅴ类，所以执行更高的排放标准势在必行。浙江省等地相继提出强制性清洁排放地方标准，以期在排放源头消灭劣Ⅴ类水［3-4］。

人工湿地、稳定塘等生态处理技术在针对尾水处理中有着投资低、效率高、能耗低且出水稳定等优点［5-9］，为城镇污水处理厂尾水处理提供了强有力的技术支持。本项目污水处理厂位于浙江省某工业园区中，距国控断面2 km，为确保断面水质，对污水厂尾水提标改造非常必要。以该污水处理厂尾水为治理对象，经勘察设计，采用复合型人工湿地，即塘—床—表［3］的组合工艺对尾水进行深度处理，监测分析其进出水水质，以期本项目的设计方案及应用效果可为城镇污水处理厂尾水处理提供参考的治理模式与科学依据。

2 工程概况

本项目污水处理厂位于国控断面——西苕溪（饮用水水源保护地）河畔，建设规模20 000 m3/d。该污水厂处理主体采用“预处理+水解酸化池+MSBR+MBR+V 型滤池”处理工艺，出水水质标准为浙江省DB 33/2169—2018《城镇污水处理厂主要污染物排放标准》表1 排放标准限值，即CODCr≤40 mg/L，NH3-N≤2 mg/L，TP≤0.3 mg/L，国控断面水质要求执行地表水Ⅲ类水标准。在该污水厂周边规划出土地建设复合型人工湿地，经湿地处理后排入西苕溪，提标改造后出水指标满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准，即CODCr≤20 mg/L，NH3-N≤1 mg/L，TP≤0.2 mg/L，对TN 无要求。

3 工程设计

3.1 工艺流程

综合考虑项目用地条件、工程建设投资、周期和运维等方面因素，本项目污水处理厂尾水处理以“表面流人工湿地+水平潜流人工湿地”组合为主处理工艺，辅以“兼性塘+好氧塘”的三级稳定塘工艺。以“稳定塘+人工湿地”的组合工艺对污水处理厂尾水净化后排至西苕溪。工艺流程见图1。

图1 工艺流程

首先污水厂出水经水泵提升输送至尾水处理区，经配水渠进入兼性塘及好氧塘，塘内部设深水区、浅水区，形成兼氧区和好氧区，并种植浮水、挺水和沉水植物，通过生态稳定塘水生植物的拦截、吸收和水生动物、微生物的好氧厌氧等协同作用，将水体中的部分悬浮物、有机物和氮磷去除。尾水经稳定塘处理后流入表面流人工湿地，在水生植物和微生物的作用下以及经过化学、生物过程，可以把土壤和水中的营养物质吸收、固定、转化，达到降解水体中的污染物的目的。经过表面流人工湿地净化后的水体排入水平潜流人工湿地内，经过深度净化后由泵提升至西苕溪。各稳定塘、人工湿地之间以石笼进行分隔，石笼是由机械将金属线材编织成的多绞状六角形网制成的网箱，其内装填石块，石笼顶部宽度均为1.5 m，以供人员通行。

本次人工湿地工程充分利用自然环境的有利条件，按建（构）筑物使用功能和流程要求，结合当地的地形、气候、地质条件，考虑到施工、维护和管理等因素，合理对场地进行安排，紧凑布置。本项目生态净化系统总占地面积为56 959 m2，其中，人工湿地占地面积为30 259 m2（表面流人工湿地设计有效面积约14 607 m2，水平潜流人工湿地设计有效面积约13 917 m2），生态塘占地面积为26 700 m2（兼性塘设计有效面积约10 355 m2，好氧塘设计有效面积约14 180 m2）。

3.2 主要工程设计

3.2.1 配水渠

本次工程整体采用配水渠进行并联区域配水，配水渠宽度为1.2 m。单池内部通过UPVC 穿孔管实现均匀配水，通过水位调节管进行水位控制。穿孔管周围选用粒径为50～100 mm 的碎石，防止穿孔管发生堵塞现象，同时起到缓冲和均匀水量的作用。配水渠采用混凝土浇筑，溢流坡采用卵石贴坡护面，防止边坡因冻胀损坏，坡比为1∶1.5。

3.2.2 兼性塘＋好氧塘

来水经配水渠进行流量调节，再溢流至兼性塘。兼性塘有效面积约10 355 m2，塘深为1 m，塘底沿水流方向坡比为0.1%，兼性塘中存在着3 个区域：表层好氧区，此区域内好氧菌与藻类共生，具有好氧塘的特点；底层厌氧区，此区域内主要依靠厌氧菌的作用对固体杂质进行分解；中部即为兼性区，此区域内存在着可起两种作用的兼性菌，通过兼性菌分解有机物达到净化水质的目的。兼性塘水力停留时间为12.4 h。

来水流经兼性塘后，通过石笼进入好氧塘中，好氧塘内分为A 塘和B 塘两个区域，通过石笼分隔，好氧塘A 塘深为0.7 m，塘底沿水流方向坡比为0.1%，水力停留时间5.2 h。好氧塘B 塘深为0.6 m，塘底沿水流方向坡比为0.1%，水力停留时间4.2 h。好氧塘依靠光合作用供氧，故采用较浅的池体水深，使沉水植物能有效地进行光合作用，使塘内自身溶解氧保持在较高水平，达到菌藻互利共生的条件，为好氧菌分解有机物提供优越的生态环境。好氧塘内溶解氧含量一般高于1 mg/L，阳光能透射到塘底。同时在好氧塘中种植有多种水生植物。

3.2.3 表面流人工湿地

表面流人工湿地结构包括配水区、处理区、集水区。配水区的主要目的为均匀配水，要求在人工湿地横向和垂直高度上尽可能配水均匀，以充分利用人工湿地。处理区为人工湿地的主体部分，水质净化作用主要在该区域完成，该区域通过植物的拦截、过滤、吸收作用以及附着在植物表面的微生物生化作用，对污染物进行处理。集水区的主要目的为均匀出水，在人工湿地横向和垂直高度上尽可能集水均匀。表面流人工湿地受地形影响分为A，B 两个区域，总面积为14 643 m2，水深为0.3～0.5 m，容积为5 857 m3，表面流人工湿地水力坡度取0.1%，水力停留时间为8.8 h。

3.2.4 水平潜流人工湿地

水平潜流人工湿地结构包括配水渠、进水区、处理区、出水区、集水渠，总有效面积13 917 m2，水力停留时间3.8 h。进水区为一进水池，其进水方向宽度为2 m，进水池内堆满卵石，直径为60～100 mm；功能区内堆满填料，分为两层，分别是覆盖层和填料层，覆盖层厚度为0.2 m，用以提供植物生长必需的营养物质，同时起到保护植物根系与稳固植物的作用。填料层厚度为0.7 m，填料粒径由上至下逐渐增大，上层填料粒径为5 mm，厚度为200 mm；中层填料粒径为8～16 mm，厚度为300 mm；下层填料粒径为16～32 mm，厚度为150 mm；最下层填料粒径为30～50 mm 砾石，厚度为50 mm，底部素土夯实。在进水区与出水区处填料粒径增大，填料层与植物吸附作用相结合，用以吸收水中污染物质。水平潜流人工湿地水力坡度为0.5%，保证水流能顺利通过。进水管进水处位于填料层，使水流水平方向平稳流经水平潜流人工湿地，经调节竖管流入出水池内，可调节竖管管口朝上，用以控制前端水流在填料层的水位，使填料区被水流浸没，最后进出水管流入下一阶段。出水池内堆满卵石，直径为60～100 mm。

3.2.5 植物配置

本项目湿地植物选择了富集能力强的功能性植物、景观性植物和经济植物，从植物的高度、色彩、季节性等方面考虑进行合理配置，增加植物的多样性、经济性和景观性。挺水植物优先选择黄花鸢尾、再力花、香蒲、千屈菜、芦苇等物种，浮水植物优先选择荷花、荇菜等物种，沉水植物优先选择黑藻、狐尾藻、苦草、菹草等物种。稳定塘中兼性塘以挺水、浮水植物为主，辅以沉水植物；好氧塘则以沉水植物为主，其在光合作用下可以提高塘内溶解氧，然后辅以挺水、浮水植物；表流人工湿地以及水平潜流人工湿地则是以挺水植物为主，挺水植物根系更加发达，对于污染物的吸收效率更高。根据整个湿地的现场自然环境，以及各类建（构）筑物使用功能和流程要求，结合当地的地形、气候、地质条件，在每个区域内种植植物，既要充分发挥植物吸收与吸附的作用，也要保证整个湿地的景观美化。

4 运行效果及经济分析

人工湿地是人工建造和管理控制的、工程化的湿地，其利用土壤、植物、人工介质，以及微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水进行净化。相较于天然湿地，人工湿地对污染物去除有着更好的效果。其作用机理包括沉降、过滤、沉淀、吸附、分解、微生物代谢、植物代谢及植物吸收等。本工程于2022年2 月建成并投入运行，自2022 年3 月至2023 年2 月对湿地进出水口进行取样监测，主要监测指标为CODCr，NH3-N，TP，分析组合湿地对尾水的处理效果。

4.1 CODCr 去除效果

由图2 可知，经湿地及稳定塘系统处理后出水水质达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准，总体去除率达到48.6%～61.3%，平均去除率达到54%。全年CODCr平均浓度为38.7 mg/L，出水平均浓度为17.8 mg/L。从图2 可看出，在夏季去除率较高，冬季较低。主要有两方面原因，一是季节性雨水影响，二是气候影响植物生长。夏季雨水普遍比冬季多，气候也更加适合植物的生长，有研究表明，当温度在20 ℃左右时，湿地生态系统对有机质的处理效果最好；此外，进入冬季后部分湿地植物的枯萎会产生有机物释放进入水体中，也是冬季出水水质CODCr相较于夏季较高的原因之一。

图2 CODCr 进出水浓度及去除效果

4.2 NH3-N 去除效果

由图3 可知，本工程组合工艺对NH3-N 的总体去除率达到57.2%，出水平均浓度为0.81 mg/L，达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准。从趋势上可看出，进入夏季后，NH3-N 的去除率稳步上升，在9 月份达到最高。溶解氧是制约硝化反应的重要因素之一，进入夏季，植物生长茂盛，通过光合作用产生的氧气充足，硝化反应相应得到提升。进入秋冬季节，阳光减少，部分植物进入衰弱期，有些浮水植物与沉水植物甚至死亡，水力负荷增大，是去除率下降的主要原因。

图3 NH3-N 进出水浓度及去除效果

4.3 TP 去除效果

由图4 可知，TP 去除率稳定在32.6%～39.2%之间，相对于CODCr浓度，TP 的去除率浮动不大，变化较为平稳。整体来看，平均进水浓度为0.274 mg/L，平均出水浓度为0.177 mg/L，达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准。TP 去除率曲线与CODCr，NH3-N 相似，夏季去除效果好，冬季去除效果较弱。本工程中表面流人工湿地水位较浅，在冬季有结冰的可能，对人工湿地的正常运转也会造成一定的影响。此外，植物的新陈代谢也造成一部分磷释放进入水体。

图4 TP 进出水浓度及去除效果

4.4 主要技术经济指标

本工程占地总面积为72 500 m2，尾水处理能力为20 000 m3/d。湿地处理系统工程总投资为2 999.43 万元，折合投资成本为1 500 元/m3，项目运行成本为72.97 万元/a，平均单位处理水量总成本为0.10 元/m3。湿地出水可回用于绿化、内河水源补给，本项目所在地区水价为2.75 元/m3，则每天可节约水费5.5 万元，扣除每日运行成本，则间接产生经济效益5.3 万元。