高效人工湿地技术在污水厂尾水处理中的应用

郑晓坚ZHENG Xiao-jian

（永宁县水务局，永宁 750100）

0 引言

近些年来我国经济高速发展，由于对环保问题缺乏足够的重视，带来了严重的水污染问题，对于水环境生态的破坏，虽然全国各地修建污水处理厂净化各种生活污水和工业废水，经过处理后的排放尾水深度净化程度不够，仍会对水生态环境造成一定的影响[1]，对于我国北方城市而言，如何改善水生态环境是当前必须要面临和克服的难题。人工湿地技术是一种有效的水生态修复技术，通过模拟自然湿地将污水与微生物混合进行物理、化学、生物过程，去除污水中的污染物，达到改善水质的作用[2，3]。在城市化进程快速推进的今天，人工湿地技术越来越受到广泛的关注与认可。

1 工程概况

永宁县永二干沟人工湿地改造扩建工程由永二干沟人工湿地（章子湖）改造工程和永二干沟人工湿地（经纬创业园）扩建工程组成。

永二干沟人工湿地（章子湖）改造工程，是对已建成的人工湿地工程进行改造，湿地总占地面积6.09hm2，其中，潜流湿地占地面积4.09hm2，有效面积3.78hm2，表流湿地占地面积0.4hm2，设计处理规模20000m3/d；永二干沟人工湿地（经纬创业园）扩建工程，湿地总占地面积11hm2，其中，潜流湿地占地面积8.633hm2，有效面积8.11hm2，表流湿地占地面积0.4hm2，设计处理规模40000m3/d。

该工程所处地层结构简单、稳定性高适合建设人工湿地项目，该人工湿地主要是对永宁县第二污水处理厂尾水进行深度处理，经过处理后排入永二干沟，补充河道生态基流，用作下游生态灌溉，大大改善永二干沟河道水生态环境。

永宁县永二干沟人工湿地改造扩建工程组成部分之一永二干沟人工湿地（章子湖）改造工程是对现有人工湿地进行维修改造，主要建设内容：潜流湿地更换积水渠、配水渠管道、阀门阀件，潜流湿地和表流湿地水生植物种植等；永宁县永二干沟人工湿地改造扩建工程组成部分之二永二干沟人工湿地（经纬创业园）扩建工程为新建工程，为了更全面分析人工湿地，现就结合永二干沟人工湿地（经纬创业园）扩建工程潜流湿地建设、表流湿地建设、水生植物选取、生态环境效益、经济效益、社会效益等方面展开论证。

2 工程设计

2.1 设计水质

永二干沟人工湿地（章子湖）改造工程和永二干沟人工湿地（经纬创业园）扩建工程均处理永宁县第二污水处理厂尾水，污水处理厂出水标准为一级A 标准，人工湿地的进水为污水处理厂尾水。工程设计进水水质见表1。

表1 永二干沟人工湿地改造扩建工程设计进水水质表

2.2 设计出水水质

永二干沟人工湿地（章子湖）改造工程和永二干沟人工湿地（经纬创业园）扩建工程设计出水水质达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中IV 类水体水质。工程设计出水水质见表2。

表2 永二干沟人工湿地改造扩建工程设计出水水质表

2.3 处理工艺

工程采用“潜流人工湿地+表流人工湿地”组合处理工艺。

2.4 工艺流程

永宁县永二干沟人工湿地改造扩建工程设计处理规模为处理永宁县第二污水处理厂尾水共计6.0 万m3/d，污水处理工艺采用“潜流湿地+表流湿地”处理工艺方案。

人工湿地污水深度净化处理系统生产建筑物、构筑物包括：复合潜流湿地、表流湿地、管理房、工具房、在线监测房、出水控制井、阀门井等。

人工湿地系统污水处理流程为：永宁县第二污水处理厂尾水→取水井→提升泵站→输水管线→潜流湿地→表流湿地→永二干沟。

本项目人工湿地污水深度净化系统工程具体工艺流程如图1 所示。

图1 工艺流程图

永宁县第二污水厂出水经过截流进入取水井，经过提升泵站提升，通过输水管线输送至潜流湿地，其中永二干沟人工湿地（章子湖）改造工程设计进水量20000m3/d，经过潜流湿地处理后，进入表流湿地进行处理，经表流湿地处理后排入永二干沟；永二干沟人工湿地（经纬创业园）扩建工程设计进水量40000m3/d，经潜流湿地处理后，进入表流湿地进行处理，经表流湿地处理后排入永二干沟。

2.5 潜流人工湿地

永二干沟人工湿地（经纬创业园）扩建工程，分为5 个潜流湿地区域，共113 个单元（潜流湿地剖面结构如图2）。潜流湿地单元外墙和单元隔墙均为200mm 厚的混凝土墙，单元墙体高度1.4m，粗砂、填料及种植土层总厚度1.2m，池体底部做地基平整与夯实处理。

图2 潜流湿地剖面结构图

潜流湿地单元由防渗膜、级配水系统及导膜管、填料层、湿地植物构成。自下而上填料分布为：粘土、防水土工膜、粗砂、D80-D120 砾石、D30-D80 砾石、D10-D30 砾石、D5-D10 砾石、粗砂级配填装、种植土。

潜流人工湿地工程设计使用寿命为20 年。潜流湿地单元内所有配水支管管道均采用U-PVC 给水管管材，耐压等级为P≥0.6MPa，每根19m，垂直下方各45 度角对称开孔，孔径φ10-φ20，间距300-500mm 不等。

进入潜流湿地单元的配水支管管径为DN80，管材为U-PVC 管，支管上分别设DN80 蝶阀，出水管径为DN100PE 管，设置DN100 蝶阀。在集水区底部敷设导膜管，主要用于定期排污，管径为DN200，设置DN200 蝶阀。

2.5.1 水生植物 水生植物是人工湿地的重要组成部分。湿地水生植物主要包括挺水植物、沉水植物和浮水植物。不同植物种群配置对人工湿地净化能力的影响不同，不同的植物类型对不同的污染物质具有一定的针对性。一般人工湿地不只是配置单一的某一种植物，而是配置比较多的植物，不同植物的搭配及在床体的位置对污染物的去除能力存在差异。

湿地水生植物的选择原则如下：①能适应当地生长的植物或天然湿地原存的优势品种。②根据处理对象即污水特性选择适宜植物，如多年生的芦苇、菖蒲、香蒲、鸢尾等，去除BOD5、N、P 效率较高。这些植物根系发达，是微生物栖息生长的良好介质，在根区能形成巨大的生物量，具有强大的净化能力。③多种植物混植或串联种植，能够发挥各自优点，提高系统的总体污水净化能力。④采用综合利用价值高的植物，提高经济效益。

本项目根据银川市实际情况，选择芦苇、香蒲、菖蒲3种植物作为潜流人工湿地的优势建群种，同时考虑其他宁夏回族自治区特有水生植物的搭配。本项目潜流人工湿地设计建植水生植物的种植密度、面积和数量，见表3。

表3 潜流湿地植物种类和面积统计表

种植密度可根据实际情况在16 株/m2-25 株/m2之间做适当调整，株距为2cm-2.5cm。本项目考虑到永宁县海拔和气候等因素，为保证建植植物的成活率和施工过程中的折损情况，种植密度按照25 株/m2设计。水生植物每年冬季进行收割。

2.5.2 填料选择原则 ①填料基质的选择原则。应根据基质的机械强度、比表面积、稳定性、孔隙度等选择，并且满足以下条件：1）具有一定的机械强度；2）具有一定的生物、化学及热力学稳定性；3）应对微生物无害，无抑制生物生存作用；4）从维修角度讲，应具备可再生性；5）对磷和重金属离子含量较高的污水，宜采用卵石、花岗岩等填料；6）由于填料用量较大，尽量“因地制宜，就地取材”。②常规选用。1）河卵石为最佳填料，质地坚硬，抗机械撞击性能强，表面光滑，生物膜宜着床，也宜排除死亡生物膜，不易堵塞。2）石英石、长石也可，机械强度及耐腐蚀条件较好，对污水中弱酸、弱碱、氯离子均有耐腐蚀能力，有条件的可以球磨，使其表面光滑一些。3）人造铸石、陶粒等也可用做填料，但造价较高。当地河卵石产量较大，可就地取材，因此填料选用河卵石和砾石。

2.6 表流人工湿地

2.6.1 单元功能 潜流湿地处理后的污水进一步通过表流湿地植物根系吸收去除污染物，稳定潜流湿地出水水质的作用，同时形成水面景观，增加生物多样性，经表流湿地处理后的水体，排入永二干沟。

2.6.2 设计内容 该区域种植水生植物需要增加生物多样性及观赏性，选择品种主要为浅水区种植芦苇、菖蒲、香蒲等挺水植物。植物种植的种类和数量见表4。水生植物在每年冬季进行收割。

表4 表流湿地植物种植种类及数量

3 应用效益分析

3.1 生态环境效益

本项目年深度净化污水2190 万吨，将通过生态净化处理有效降低永二干沟污染物总量，改善水环境；各种污染物均能得以进一步有效削减，实现年削减COD 达438吨、BOD5达87.6 吨、NH3-N 达76.68 吨，TP 达4.38 吨。处理后出水水质达到《地表水环境质量标准》Ⅳ类标准。由于出水水质稳定优质，可以作为区域生态廊道和湿地公园的补充水源，以及市政道路绿化等景观用水，实现了真正意义上的污水资源化。因此，该工程的环境效益明显。

3.2 经济效益

本项目的实施，重点针对永宁县污水处理和水环境治理，将进一步改善城市生态环境，为发展绿色GDP 和提高城市发展活力提供有力支持，更有利于投资环境的改善，增加招商引资的吸引力。为全面提高城市居民节约用水意识，水资源综合利用意识提供了榜样，以及在促进国民经济持续稳定发展等诸多方面产生难以计量效益。

3.3 社会效益

提高公共健康水平、促进社会稳定。本项目的效益主要是在于本项目的实施使项目周围区域水环境质量从根本上得以改善，从而显著改善区域人居环境、现有的卫生条件，提高居民的健康水平和生活质量，从而促进社会稳定发展。本项目的实施，可以有效推动人工湿地技术在高原寒冷缺氧条件下对城镇生活污水、工业有机污水生态净化处理的推广应用，并对高原寒冷地区流域、河道、雨水处理与净化、污染水体的生物修复与生态恢复、生物多样性营建与恢复、生态景观建设等起到良好的示范作用。同时，为当地人民提供良好的生活、娱乐、工作、学习及休闲环境。

主要技术经济指标见表5。

表5 主要技术经济指标表

4 结束语

本文围绕永宁县永二干沟人工湿地改造扩建工程展开研究，本项目采用北方型的“潜流人工湿地+表流人工湿地”生态型污水处理工艺作为工程建设优选工艺方案，技术成熟可靠。前部潜流人工湿地以净化污水中污染物为主，后部表面流人工湿地以阻拦絮状污泥提高湿地公园观赏性为主。经过本工程实践表现，采用高效人工湿地技术可以有效降低污水处理厂排放尾水的污染物浓度，大大提高污染物削减量，并能创造较大的生态环境效益、经济效益和社会效益。