人工湿地深度水质净化工艺探讨

张德兰 吴惠民

摘要：水质净化工艺是水质净化工程建设的关键，本文以稻屯洼湿地为载体，在结合当地自然环境的基础上，通过多种技术比选、优化组合，将生态处理工艺相结合，通过水生植物（包括挺水、浮叶、沉水等植物带）的优化配置和多品种水生动物的投加与布水集水系统相结合，研发成功了人工湿地深度水质净化新工艺，即前处理床—表流湿地I—潜流湿地—表流湿地II的组合，既具有良好水质净化效果，同时取得显著的社会经济效益，以供参考。

关键词：水质净化；稻屯洼；表流湿地；潜流湿地

DOI：10.12433/zgkjtz.20240143

东平湖是山东省第二大淡水湖，是南水北调东线工程最后一级调蓄水湖泊，确保进入东平湖的水质安全达标意义重大。按照南水北调要求，整个调水沿线水质应达到《地表水环境质量标准》中的三类水质标准：COD≤20mg/L、氨氮≤1.0mg/L、总磷≤0.2mg/L、总氮≤1.0mg/L。目前，全县城区生活污水、企业外排废水及工业园区的外排水经县污水处理厂处理后再通过稻屯洼注入东平湖，然而县污水处理厂外排水的标准，化学需氧量≤50mg/L、氨氮≤5.0mg/L、总磷≤0.5mg/L、总氮≤15mg/L，超过地表水环境质量标准的V类水质，严重影响了自然湿地生态系统中生物的生长。所以在污水处理厂尾水与自然湿地之间增加湿地深度强化处理是十分必要的。

稻屯洼现为滩涂，具有大片的洼地，便于生态处理系统的布置，不占用大量耕地，东平湖入湖口和出湖口也有大量未修复的自然湿地，基于东平湖流域的环境和地形特点，本文就如何利用生物/生态技术相结合治理低浓度废水展开了研究。

一、工艺技术研究方案

（一）研究思路

水质净化工艺是水质净化工程建设的重要因素，处理工艺的先进性、适用性不仅会影响处理效率，还会影响整个工程基建投资、占地面积、运行费用、运行可靠程度以及工程运行管理等。因此，水质净化工艺的研究必须结合当地的气候、气象、地理、经济和水量和水质等实际情况。根据东平县的自然地理条件和水质特点，满足地表水III类标准及生态利用部分内各功能对水质水量的要求，选择合理、经济、可行和可靠的污水综合处理方案。根据水质净化工程已确定的水质净化进水水质指标和出水水质要求，处理工艺主要以进一步去除污水处理厂的出水、大汶河污水和雨水中的有机物、悬浮固体、营养性物质氮和磷等污染物质为目的，在结合当地自然环境的基础上，利用现有的湿地资源、并与多种生态处理工艺相结合，成功研发了人工湿地深度水质净化新工艺，即前处理床—表流湿地I—潜流湿地—表流湿地II的组合工艺，既具有良好水质净化效果，又能取得显著的社会效益和经济效益。

（二）主要技术原理及主要性能指标

该工艺水质主要净化机理是：对污染物的沉降、对悬浮物的过滤、吸附、离子交换、对污染物的降解、植物对营养物质的吸收、对病原体的灭活。其功能是对低浓度废水通过砺石之间形成的生物膜吸附、植物根系对等营养物质的吸收以及水生动物直接或间接以水生植物和微生物为食进行深度降解处理。进水水质：化学需氧量≤50mg/L、氨氮≤5.0mg/L、总磷≤0.5 mg/L、总氮≤15mg/L，降解为出水水质COD≤20mg/L、氨氮≤1.0mg/L、总磷≤0.2mg/L、总氮≤1.0mg/L，最大限度上削减污染负荷。

二、关键技术及创新点

该工艺克服了传统单一生物/生态废水处理模式，通过多种技术比选、优化组合，结合东平湖流域的环境和地形特点，研发人工湿地深度强化处理废水新工艺，从根本上解决了东平县的地表水污染问题，确保调水水质的安全性。该工艺从湿地类型的组合到填料、植物的筛选配置以及布水和集水系统的设计，均属国内领先。

潜流湿地是人工湿地深度水质净化新工艺的核心，在稻屯洼原有天然湿地基础上进一步人工构筑水池或沟槽，在底面铺设防渗层，并充填一定深度的砺石、聚酯类组成填料床，在表面种植黄菖蒲、再力花、千屈菜等耐水植物，形成一个含多种基质和生物的独特生态环境。在潜流湿地系统中，污水在湿地床体内部缓慢流动，充分利用基质截留的作用，有效延长污水停留时间，并通过丰富的植物根系及基质层表面生长的生物膜对污水中氮、磷的吸收，提高湿地系统的处理效能，同时由于污水在土壤层以下流动，具有保温性较好、处理效果受外界影响小、不会因气味和感官再次污染环境等优点。

表流湿地是该工艺的重要组成部分，现有的大量天然沼泽湿地具有效率高、投资低、低运转费用、低维持技术和基本不耗电的优点。潜流湿地填料的选择对于潜流湿地污水处理系统的运行效能也至关重要，填料的物理和化学性质都可能影响污水处理效果。在综合考虑各种填料的特点、造价及就近取材等因素的基础上，选用砺石、聚酯类作为工艺的填料。填料使潜流湿地内空隙变大，有效地使湿地床体比表面积变大，使微生物有更大的附着面积，极大地增加填料内部微生物活性，提高系统对污染物的去除能力。

对于人工湿地处理系统而言，选择合适的水生植物显得尤为重要。根据对东平湖流域的现场考察和调研结果，基于因地制宜、本土和强净化能力、生物多样性、经济效益和景观协调的原则，选择鱼藻、苦草等作为人工湿地的沉水植物主要物种，选择菱角、莲藕等作为人工湿地的浮叶植物的主要物种，选择千屈菜、再力花、美人蕉 、水葱、黄昌蒲等作为挺水植物的主要物种。

选择植物还主要具有以下优点：生命力强、抗冰冻、抗炎热、能抗病虫害、对污染物耐受能力强、植物的年生长期长、是冬季半枯萎或常绿植物、具有一定的经济价值、文化及景观效益和综合利用价值。

湿地的进出水控制措施极大地增加了湿地的处理效果和运行的可靠性。第一，把集水装置布水的均匀性作为设计关键，前处理床进水采用五个单元并联，每个单元前都设有阀门井及流量计。进水端采用配水管穿孔，使进水在前处理床上均匀分布。第二，出水装置对水位进行控制，减少水流短路现象，出水端采用三角集水堰，确保集水的连续性。

水质处理效果，历时一年对进水水质和出水水质进行采样分析，结果如表2所示：

从表中数据看出，COD降解率达到50%以上，氮、磷的去除率达80%以上。

三、经济、社会、环境效益分析

新工艺已成功应用于稻屯洼水质净化工程，取得了显著的环境效益、社会效益和经济效益。

该工艺的成功应用使进水水质COD≤60mg/L、NH3－N≤5mg/L降解为出水水质COD≤20mg/L、NH3－N≤1mg/L，为确保东平湖调水水质的安全稳定发挥了重要作用。

新工艺应用后，年削减COD720t、氨氮72t，增加了环境容量，发挥了巨大的减排效益，也避免了汛期可能出现的突发性污染事故，大大降低了面源性污染对东平湖的影响。

应用该工艺后，可以改善稻屯洼的生态环境，调节流域的小气候，重现“稻蒲荷香”古景，成为县城西区新的亮点，为居民提供一个观光、旅游和休闲度假的场所，环境效益显著。同时，生态工程建成后，种植苇、蒲、藕水生植物，获得一定的经济效益。

四、结语

采用人工湿地深度水质净化新工艺处理污水，基建投资少，运行费用低，治理效果好，不仅能有效治污，还能使处理后的污水得到综合利用，是典型的小流域末端控制性污水综合“治、用、保”新工艺，使污水处理从以处理为主要目的“处理型”向以处理与利用相结合，或以利用为主要目的的“利用型”转移，实现了自然资源开发利用与生态环境保护和改善的相协调，该水质净化新工艺为小流域污水综合治理探索出良性循环和可持续发展的出路。

参考文献：

[1]孙连鹏，冯晨，刘阳，等.强化生态浮床对珠江水中氮污染物去除研究[J].中山大学学报（自然科学版），2009，48（01）：93-97.

[2]刘华波，杨海真.稳定塘污水处理技术的应用现状与发展[J].天津城市建设学院学报，2003，09（01）：19-22.

[3]陈开宁，邹晶，陈晓峰，等.五里湖富营养水体生态重建试验[J].现代城市研究，2005（05）：47-52.

[4]卢少勇，金相灿，余刚.人工湿地的氮去除机理[J].生态学报，2006，26（08）：2670-2677.

[5]江红梅.城市河流综合治理与生态建设理论及方法探索[D].西安：西北农林科技大学，2006.

[6]钟建红，黄廷，林解岳，等.城市河湖水质改善与保障技术研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2006，38（06）：771-776.

[7]林静，凌云，徐亚同.表面流人工湿地中磷的季节性迁移转化规律[J].湖北农业科学，2011，50（16）：3307-3309.

[8]陈晓强，刘若鹏，申亮.生态塘应用于污水深度处理的技术现状及前景展望[J].环境科学，2010，23（Z2）：107-110.

[9]胥丁文，陈玲娜，马前.生态浮床技术的应用及研究新进展[J].中国给水排水，2010，26（14）：11-15.