三级稳定塘+人工湿地组合工艺在城镇污水处理厂尾水深度处理中的应用

何 凡，许 超，刘 军，林宇迪，闫晨煜，陈 升，胡 丹，贾洪柏

（1.浙江国千环境技术发展有限公司；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，哈尔滨 150000）

城镇污水处理厂尾水作为稳定水源补充河道，是一种常见且有效的缓解河道季节性缺水的措施[1-2]。然而，城镇污水处理厂尾水执行的排放标准与河道国控/省控监测断面的考核标准存在较大差异，在枯水季，污水处理厂尾水成为河道的主要水源，但其并不是作为清洁水的补给，而是污染源的输入，通俗来讲就是达标排放的尾水仍属于劣Ⅴ类水，直接导致受纳水体自净能力减弱、缺氧和富营养化[3-4]，体现为下游国控/省控监测断面水质超标。在此情况下，出水水质无法满足新时代水环境质量改善需求，因此城镇污水处理厂尾水提标任务非常严峻。

人工湿地、稳定塘等生态处理工艺具有投资省、能耗低、出水水质稳定等优点[5-7]，为污水处理厂尾水深度处理提供技术支持。浙江省某城镇污水处理厂采用三级稳定塘+人工湿地组合工艺对尾水进行深度处理。本文系统介绍该项目的技术路线选择、工艺设计、填料及植物设计、运行效果和经济技术指标等内容，研究组合工艺的实施效果，以期为类似水体的水质改善工程提供技术参考。

1 工程背景

本项目城镇污水处理厂位于浙江省某工业园区，建设规模为20 000 m3/d，污水处理厂来水以工业污水为主，占比超过60%，包括印染、生物科技、化工、冶金、新材料制造等企业所排的工业污水。该污水处理厂的主体处理工艺为“预处理+水解酸化池+改良式序列间歇反应器（MSBR）+膜生物反应器（MBR）+V 型滤池”，目前，出水水质满足《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》（DB 33/2169—2018）的限值要求。

该污水处理厂尾水直排入西苕溪，西苕溪为当地饮用水水源保护地，尾水排放口距离下游西苕溪荆湾国控断面仅2 km，国控断面水质应符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅲ类水要求，尾水排放标准和断面考核指标要求存在较大差异，因此污水处理厂尾水水质提升对西苕溪水环境改善和国控断面水质稳定达标具有十分重要的意义。如图1所示，本项目可用地块西侧紧邻一所中学，且与附近居民区的直线距离不超过500 m，利用区域内现有自然资源和规划布局，通过建设以人工湿地为主的生态系统来解决污水处理厂尾水水质提升问题，同时打造安全、生态和低能耗的景观。原有污水处理厂采用压力排水方式将尾水排至西苕溪，已有排水管网，新增人工湿地后，污水处理厂处理后水自流排至新建人工湿地，经人工湿地处理后，采用水泵提升至西苕溪，可利用部分原有管网。

图1 项目选址

2 工艺设计

2.1 设计水量及水质指标

该污水处理厂基本处于满负荷运行状态，日处理量维持在18 000～20 000 m3/d，本项目尾水深度处理规模按20 000 m3/d 设计。污水处理厂出水执行《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》（DB 33/2169—2018）的污染物排放限值，实际上，该污水处理厂尾水各项水质指标大多数时间略优于排放限值，为保证后续深度处理单元的安全稳定，进水指标按《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》（DB 33/2169—2018）的排放限值选取，即化学需氧量（CODCr）不大于40 mg/L，氨氮（NH3-N）浓度不大于2 mg/L，总磷（TP）浓度不大于0.3 mg/L。为了进一步提升出水水质，减少对西苕溪水质的污染，保护水源地，该污水处理厂建设尾水人工湿地深度处理单元，使得净化后的水质达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅲ类水要求，即CODCr不大于20 mg/L，NH3-N 浓度不大于1.0 mg/L，TP 浓度不大于0.2 mg/L，出水指标对总氮（TN）无要求。

2.2 工艺路线的确定

常见的尾水人工湿地一般为稳定塘、表面流人工湿地和水平潜流人工湿地（由一级或多级填料床组成）的两种或三种组合搭配，即塘-表组合工艺、塘-床组合工艺及塘-床-表组合工艺[6]。其中，稳定塘具有来水稳定的优点，可用作尾水预处理单元，稳定塘和表面流人工湿地属于低负荷处理单元且更易打造景观，可用作初级处理单元。水平潜流人工湿地具有水力负荷和污染负荷大的优点，尤其对来水中NH3-N和TP 的去除效果较好，可作为二级深度处理单元。综合考虑项目用地条件、工程建设投资、处理效果和运维便利性等方面，确定尾水人工湿地工程的工艺路线为“兼性塘+好氧塘+表面流人工湿地+水平潜流人工湿地”，工艺流程如图2所示。

图2 三级稳定塘+人工湿地组合工艺流程

污水处理厂尾水经水泵提升输送至尾水处理区，经配水渠进入稳定塘，塘内部设深水区、浅水区，形成兼氧区和好氧区，并种植沉水植物、挺水植物和浮叶植物，主要通过塘内水生植物拦截、吸收和水生动物及微生物的协同作用，去除水体中的部分悬浮物、有机物和氮磷污染物。稳定塘出水进入表面流人工湿地，主要通过水生植物（吸收、固定、转化水中的营养物质）和填料（吸附作用）降解水体中的污染物，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，经过深度净化后进入清水回用池，由泵提升至西苕溪。回用池内水体可用于农田浇灌、道路清扫和车辆清洗等。本项目各单元平面布置如图3所示。

图3 项目各单元平面布置

2.3 工程设计

2.3.1 设计参数

本项目污水处理厂尾水提升工程采用复合人工湿地形式，兼性塘设计有效面积约为10 355 m2，好氧塘设计有效面积约为14 180 m2，表面流人工湿地设计有效面积约为14 607 m2，水平潜流人工湿地设计有效面积约为13 917 m2。总水力停留时间为32 h，总水力负荷为0.38 m3/（m2·d）。

人工湿地和稳定塘占地面积较大，污染物去除要求高，考虑均匀配水，整体采用配水渠进行并联区域配水，配水渠宽度为1.2 m。各单元集水区与配水渠相连，实现单元间的串联运行，避免单元内某个池体维护影响下一级池体的运行。单池内部通过聚乙烯（PE）穿孔管实现均匀配水，通过闸阀进行水位控制，设置导流墙实现复合流流态。穿孔管周围选用粒径50～100 mm 的碎石，降低穿孔管堵塞的风险，同时起到缓冲和均匀水量的作用。

2.3.2 生态稳定塘

（1）配水渠。污水处理厂尾水首先进入配水渠进行流量调节，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1.0∶1.5。

（2）兼性塘。尾水经配水渠溢流进入兼性塘，兼性塘塘深为1 m，塘底沿水流方向的坡比为0.1%，兼性塘存在3 个区域。一是表层好氧区，好氧菌与藻类共生；二是底层厌氧区，积累在此区域内的固体杂质被厌氧菌充分分解；三是兼性区，即好氧区与厌氧区之间的过渡区，通过兼性菌分解有机物。兼性塘内种植有多种水生植物，其中，芦苇有205 m2，再力花有104 m2，睡莲有1 934 m2，荇菜有1 185 m2，风车草有116 m2，紫花鸢尾有122 m2，路易斯安娜鸢尾有160 m2。兼性塘内布置有一湖心岛，散播小麦614 m2，种植碧桃48 棵。

（3）好氧塘。来水流经兼性塘处理后，通过石笼进入好氧塘。好氧塘完全依靠光合作用供氧，池体较浅，塘内溶解氧含量高于1 mg/L，阳光能透射到塘底。它分为好氧塘A 和好氧塘B 两个区域，好氧塘A 塘深为0.7 m，塘底沿水流方向的坡比为0.1%，好氧塘B 塘深为0.6 m，塘底沿水流方向的坡比为0.1%。其内种植有多种水生植物，其中，狐尾藻有971 m2，伊乐藻有694 m2，黑藻有570 m2，睡莲有433 m2，千屈菜有24 m2，花叶芦竹有51 m2，路易斯安娜鸢尾有208 m2，风车草有96 m2，紫花鸢尾有156 m2，荷花有1 060 m2，苦草有1 269 m2，再力花有71 m2。

（4）石笼。石笼是由机械编织的多绞状六角形网制成的金属线材网箱，其内装填石块。兼性塘后端石笼高度为1.5 m，高于兼性塘水位线0.5 m，石笼坡度比为1.0∶0.5。好氧塘A 与好氧塘B 之间的石笼高度为1.4 m，高于好氧塘A 水位线0.7 m，石笼坡度比为1.0∶0.5。好氧塘B 与表面流人工湿地之间的石笼高度为1.4 m，高于好氧塘B 水位线0.8 m，石笼坡度比为1.0∶0.5。石笼共计3 道，顶部宽度均为1.5 m，以供人员通行。生态稳定塘设计如图4所示。

图4 生态稳定塘设计

2.3.3 表面流人工湿地设计

本项目表面流人工湿地主要包括进水区、处理区和出水区。受地形地貌影响，表面流人工湿地呈不规则形状，分为北部区域A 和南部区域B，总面积为14 643 m2，水深为0.3～0.5 m，容积为5 857 m3，水力停留时间为8.8 h。

（1）进水区。进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。表面流人工湿地进水区通过石笼对水流的阻挡作用进行来水均配，石笼高度为1.4 m，高于表面流人工湿地水位线0.8 m，石笼坡度比为1.0∶0.5。

（2）处理区。处理区为人工湿地的主体部分，水质净化作用主要在此区域完成，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。处理区通过软石床分隔区域，高度为0.8 m，顶部宽度为0.5 m，坡比为1.0∶0.3，表面流人工湿地处理区水流路径较长，底部沿流水方向的坡比设置为0.1%，引导水流流动。表面流人工湿地处理区内栽种芦苇、香蒲、水葱等挺水植物。

（3）出水区。出水区的主要目的为均匀出水，要求在人工湿地横向和垂直高度上尽可能集水均匀。同时，考虑到水平潜流人工湿地前端集水的需求，表面流人工湿地出水区较前者集水区底高0.6 m。

（4）软石床。共设置2 道软石床，高度为0.8 m，顶部宽度为0.5 m，坡比为1.0∶0.3。其中，1 道软石床设置于南北两块表面流人工湿地A、B 的连接处，另1 道软石床设置于表面流人工湿地与水平潜流人工湿地的连接处，起到过滤水流和均匀传递水流至下一环节的作用。

2.3.4 水平潜流人工湿地设计

本项目水平潜流人工湿地结构如图5所示。水平潜流人工湿地在结构组成上比表面流人工湿地更为复杂。在纵向上，进水区、处理区和出水区的功能与表面流人工湿地基本一致。水平潜流人工湿地过水方式为平流穿过填料层，处理区主要依靠填料的吸附作用以及吸附在填料表面的微生物的生化作用净化水质，因此处理能力得到极大的强化。

图5 水平潜流人工湿地结构

（1）进水区。水平潜流人工湿地进水区为一进水池，其进水方向宽度为2 m，进水池内堆满卵石，直径为60～100 mm。进水管进水处位于填料层，使水流沿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。

（2）功能区。功能区内满堆填料，分为两层，分别为覆盖层和填料层，覆盖层厚度为0.2 m，填料层厚度为0.7 m，顶层填料粒径为5 mm，厚度为200 mm，上层填料粒径为8～16 mm，厚度为300 mm，中层填料粒径为16～32 mm，厚度为150 mm，下层填料粒径为30～50 mm，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。水平潜流人工湿地水力坡度为0.5%，保证水流能顺利通过。本项目选用芦苇、水菖蒲、香蒲和水葱进行栽种，此类植物根系发达，对污染物有着极好的吸附效果。

（3）出水区。水平潜流人工湿地出水区为一出水池，其进水方向宽度为2 m，进水池内堆满卵石，直径为60～100 mm。其可调节竖管进水，位于填料层底部，用以引导、收集经水平潜流人工湿地净化后的水，后经调节竖管流入出水池内。可调节竖管管口朝上，可自由调节管口高度。

3 运行效果

本工程于2022年2月顺利竣工验收并投入使用。运行期间（3月至次年2月），对进水口、稳定塘出水口、表面流人工湿地出水口、水平潜流人工湿地出水口进行连续水质监测，采样频率为4 次/月。各采样点水质检测数据如表1所示。本项目“三级稳定塘+表面流人工湿地+水平潜流人工湿地”组合工艺对各污染物均具有较好的去除效果，对CODCr的总去除率为53.91%，对NH3-N 的总去除率为57.15%，对TP 的总去除率为35.13%。出水主要指标均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅲ类水要求。由表1 可见，各处理单元对污染物的去除存在一些差异，人工湿地的去除效果好于稳定塘，尤其在水平潜流人工湿地中表现得更为明显，水平潜流人工湿地可以通过植物根系的吸附作用、填料吸附作用以及吸附于填料的微生物作用，使污染物得到去除。研究表明[8]，基质填料可以通过吸附作用去除水体中的磷、氨氮，其中，火山岩、瓷砂陶粒、沸石对氨氮的去除效果最好。

表1 各处理单元出水指标及对污染物的平均去除率

湿地系统主要通过植物、微生物作用达到净化水质的目的，故受环境温度影响的可能性较大。夏季与冬季的进出水检测数据如表2所示。夏季各个指标的去除率都大于冬季，研究表明，环境温度为20 ℃左右时，湿地系统对CODCr的处理效果最好[9]。结合数据和工程现场情况，经分析，主要原因有两点。一是冬季气温较低，因生长周期缘故，冬季部分植物枯死后，茎秆腐败并释放部分有机物，冬季微生物活性普遍较低，故净化效果没有夏季好。二是夏季梅雨季节来临，污水浓度本身会有所下降，进入湿地系统的尾水水质污染程度较低，故夏季处理效果较为明显。

表2 夏冬两季湿地进出水指标及对污染物的平均去除率

4 经济效益与环境效益

本尾水人工湿地工程总投资约为2 999.43 万元，项目运行成本约为72.97 万元/年，单位水量处理成本为0.10 元/m3。尾水人工湿地建成后具有明显的生态环境效益，每年CODCr削减量为146 t，氨氮削减量为7.3 t，TP 削减量为0.73 t，有效改善入河水质，促进水生态环境良性循环，有效保障下游国控断面全时段的稳定达标。

5 结论

经提标改造，本项目通过三级稳定塘+人工湿地组合工艺对城镇污水处理厂尾水进行处理，使出水水质得到进一步提升，保护饮用水水源地，为下游国控断面全年稳定达标提供有力保障。本项目进水水质执行《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》（DB 33/2196—2018）的污染物排放限值，经复合人工湿地系统净化后，出水水质可达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅲ类水要求，CODCr、NH3-N、TP 的平均去除率分别达到53.91%、57.15%、35.13%。复合人工湿地系统受气温和雨季影响，夏季净化效果比冬季更加明显。本工程单位投资成本约为1 500 元/m3，单位运行成本为0.10 元/m3，造价比传统工艺低，且出水可回用于农田浇灌、道路清扫和车辆清洗等，实现水资源可持续利用。