東北寒區人工濕地污水處理規劃設計：以吉林省金川鎮為例

徐建勝 白雪原 姜海波 何春光*

（1 東北師范大學國家環境保護濕地生態與植被恢復重點實驗室，吉林 長春 130117；2 通化市生態環境局，吉林 通化134002）

人工濕地是去除污染物效果較好的一種生態處理技術(張文磊等, 2015)，因其結構簡單、投資少、處理效果好、易于維護管理等特點，在國內外得到了廣泛的應用，如在氣溫偏低的加拿大、丹麥、美國、韓國等國家被用于處理農村生活污水，均取得了比較好的運行效果(Munoz et al, 2006; Ham et al,2007; Solano et al, 2009)。此外，人工濕地對某些工業廢水、農業廢水、垃圾滲濾液等也有良好的凈化效能(Coleman et al, 2001)。

吉林省通化市共有78個鄉鎮，截至目前，除各縣政府所在地外，還沒有一個獨立運行的城鎮污水處理廠，個別鄉鎮所建設的用于生活污水處理的人工濕地在冬季也因無保溫措施而基本失去效用。本文以旅游特色小鎮——金川鎮為研究對象，調查生活污水的排水現狀、存在的主要問題，對污水處理系統進行規劃設計，并進行可行性分析，為寒區旅游地生活污水處理提供借鑒與參考。

1 研究區概況

金川鎮位于吉林省輝南縣境內，著名的吉林龍灣國家級自然保護區大部分位于金川鎮境內。保護區是以火山地貌為基礎形成的濕地生態系統，生物多樣性豐富，自然環境優美，素以“八灣、二頂、一瀑、一漂”為人們所稱道。2016年10月，金川鎮被住房和城鄉建設部確定成為第一批中國特色小鎮。金川鎮依靠豐富的自然資源這一優勢，開發旅游資源、發展農業經濟、發展旅游服務。

目前，鎮區已建設大部分污水收集管網，但尚未完善。雨污水收集措施簡單，無處理措施，部分超標污水自然散排，滲入地下或進入河道。隨著鎮區內用水量和污水排放量逐年增加，導致地表水資源短缺，部分超標雨污水直接排放，污染河流、地下水和土壤，威脅飲用水水源安全及區域生態環境，影響旅游小鎮的整體形象。此外，還導致龍灣保護區濕地水位下降、功能退化，保護區濕地資源保護與金川鎮旅游發展之間的矛盾加大。

2 總體規劃原則

金川鎮水環境改善生態工程規劃應結合該地的地形、氣候、人口、經濟、土地資源、進出水水質、排水現狀等各項因素，并與鎮區總體規劃相適應，體現鎮區總體發展的要求，同時嚴格執行國家關于環境保護的政策，符合國家有關法規、規范及標準，具體有以下原則：

(1)污水處理系統工程的建設應以相關規劃方案為基礎，合理確定廠址及工程規模，以保證工程建設標準合適得當，滿足污水治理目標及水環境改善目標，能夠盡快發揮工程的社會效益和環境效益。

(2)污水處理廠總體布局要統籌考慮，根據國情和地區特點，因地制宜采取行之有效的處理方法和工藝流程，使其適用于寒冷地區生活污水的要求，節省占地，盡可能降低工程造價，保證污水處理廠運行安全可靠、節省能耗。

(3)設備選擇應本著先進、可靠、節能、環保的原則，積極采用國內外先進的污水處理新工藝、新技術、新材料、新設備，減少占地面積，降低運行成本，簡化維護管理。

(4)根據工藝條件建立相應的自控管理系統，實現污水處理廠管理、控制及操作的現代化、科學化、自動化。

(5)體現近期工程與遠期工程相結合的原則，充分考慮與遠期工程的工藝、管線、自控的銜接及現有預留用地。

(6)在工藝選擇、節水節能等方面進行多方案比選和分析，妥善處理、處置污水處理過程中產生的柵渣、污泥，避免二次污染。

(7)廠區平面布置力求美觀合理，功能齊全，在便于施工安裝和維修的前提下，構筑物布置盡量集中、緊湊，節約用地。

3 金川鎮污水處理系統規劃設計

金川鎮污水處理系統規劃服務范圍為金川鎮中心區，總面積約30萬m2。區域內主要是居民區，無工業企業。鎮區的東、南、西三面被龍灣保護區包圍，而北面為大面積農田,適合利用人工濕地進行污水處理。污水集中處理模式工藝流程完善、耐沖擊負荷強、出水排放標準嚴格、水質不達標風險小(丁文杰等, 2019)。水質達標后，中水資源化利用，將緩解水資源短缺的矛盾。

3.1 設計進出水水質

綜合考慮金川鎮發展現狀和居民的生活狀況，在對周邊城市已建污水廠運行數據整理分析的基礎上，結合實測結果，確定進水水質。污水出水不外排，中水主要用于農田灌溉、城鎮綠化、道路澆灑等，水質指標需達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級A標準、《農田灌溉水質標準》（GB5084-2005）、《城市污水再生利用-城市雜用水水質》(GB18920-2002)等標準(表1)。

金川鎮為季節性旅游小鎮，預計至2025年，5-9月旅游旺季居住人口約2 000人，接待非住宿游客約3 000人，住宿人數約300人；10月至翌年4月旅游淡季居住人口約1 500人，接待非住宿游客約200人。根據《室外給水設計規范》(GB150013—2006)、《村鎮供水工程技術規范》(SL310-2004)及金川鎮實際情況，采用單位人口綜合用水量指標法預測給水量及污水量，確定當地居民給水量為80 L/(人·d)、非住宿游客30 L/(人·d)、住宿游客120 L/(人·d)，污水收集率80%；5—9月平均日用水量286 m3/d，10月至翌年4月平均日用水量126 m3/d，污水處理規模為240 m3/d(表2)。

表1 進出水水質指標Table 1 Water quality forinlet and outlet

表2 污水量預測表Table 2 Forecast of sewage volume

3.2 處理工藝流程

基于金川鎮旅游小鎮的定位，根據《市政工程設計技術管理規定》并綜合考慮金川鎮的污水量、自然特征、現狀及未來發展的可持續性等因素，對處理工藝進行規劃設計(圖1)。

3.3 處理系統設計

3.3.1 調節池收集生活污水經一體化泵站提升進入調節池進行預處理，均勻水質水量，同時去除水中大的懸浮物和漂浮物、礫石及部分有機物，減少后面構筑物負荷，保證生物處理的穩定性(圖2)。

3.3.2 多介質生物濾池多介質生物濾池系統安裝微孔曝氣器，配置渦旋風機曝氣(圖3)。設備內置換熱器，系統連接供暖系統，以提高設備運行溫度，為冬季安全運行提供保障。由于污泥產量極少，可依據情況每6—12個月排泥一次。

3.3.3 復合流人工濕地多介質生物濾池出水先進入垂直潛流人工濕地，布水方式為重力流，排水順暢、節省能源。該濕地為地下結構，濕地四周設置圍堰、底部采用復合膜防滲，中間填充濾料，濕地上面種植兼顧景觀的濕地植物(李潔等, 2013)，濕地上部、底部分別設置布水管與集水管。出水進入集水渠后排入溫室內小溪中，溪流濕地水位較淺，具有良好的好氧環境，有助于硝化作用，可有效去除氨氮。通過微地形調整，形成水位高程差，實現重力自流，提高水動力，同時引入景觀設計，在溪流中布設淺灘、深潭、河心洲，配置濕地植物，實現觀賞功能。此外，利用無土栽培技術在人工濕地內培植蔬菜、花卉等經濟作物(呂錫武, 2018)，吸引游客采摘，可產生經濟效益及良好的景觀效應，生態效益顯著(圖4)。

3.3.4 多功能日光溫室由于東北地區冬季寒冷漫長，不利于濕地植物和微生物的生長，從而影響對污染物的去除效果(張自杰等, 1984)。為保證污水處理效果，利用日光溫室對多介質生物濾池設備及控制系統、人工濕地系統進行保溫(圖5)。采用超跨距大型高效節能溫室，保溫性能極高。進入冬季，白天可以控制溫度20～28℃，夜間12～18℃，濕度控制在70%以下，極端天氣溫度不夠時，啟動空氣集熱器，補充熱源，實現不燃煤供熱就能滿足污水處理系統以及生態農業等在冬季低溫時對運行溫度的需求。

圖1 金川鎮生活污水處理工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of domestic sewage treatment in Jinchuan town

圖2 調節池結構示意圖Fig. 2 Regulating tank structure diagram

圖3 多介質生物濾池結構示意圖Fig.3 Multi-media biofilter structure diagram

圖4 復合流人工濕地結構示意圖Fig.4 Compound flow constructed wetland structure diagram

圖5 日光溫室平面圖Fig.5 Solar greenhouse plan

3.3.5 中水調蓄池人工濕地出水排入室外中水調蓄池全部進行資源化利用，出水不外排。按照表流濕地的方式設計中水調蓄濕地。春夏季污水產生量大，出水進入表流濕地進行再次凈化。濕地內合理配置水生植物，構建生態護岸，達到中水調蓄、水質深度凈化、緩沖水量兼具觀賞等功能。中水可用于農田灌溉、農業用水、道路灑水、綠化用水等。冬季將表流濕地內水生植物收割，濕地作為儲水池使用。中水可用于智慧農業、龍堡森林度假村滑雪場人工造雪、造冰及貯存于調蓄池內實現中水“冬儲夏用”(圖6)。

3.4 維護管理

維護管理是決定污水處理系統最終成效的關鍵。設置專人維護管理，定期對污水處理設施和設備進行維護保養和檢修。此外，人工濕地的定期維護管理對于保持人工濕地的運行效果至關重要，包括水生植物的種植、收割（黃錦樓等, 2013）、去除雜草和挖掘沉積物等，以保證污水處理系統運轉的有效性及持續性。

4 可行性分析

單級人工濕地處理生活污水存在污水負荷小等諸多問題，組合工藝或多級人工濕地可明顯提高處理效果，如A/O+人工濕地、脈沖多層生物濾池+人工濕地、表流濕地+潛流濕地等(孫紅杰等, 2013)。研究表明，潛流人工濕地在寒冷低溫條件下對微污染地表水具有較好的凈化效果(劉學燕等, 2004)。本研究規劃設計了“預處理+多介質生物濾池+復合流人工濕地”污水處理系統，將污水處理與生態農業、生態旅游相結合，系統耦合多功能日光溫室，有效解決人工濕地在東北寒區冬季氣溫低對人工濕地運行造成不利影響的問題；充分實現中水的資源化利用，提高經濟效益，同時緩解龍灣保護區濕地資源保護與金川鎮旅游發展之間的矛盾，持續發揮保護區濕地的生態服務功能。因此，該處理技術具有一定的可行性。

污水處理廠作為一項具有公益性質的市政基礎設施，項目建設資金由政府承擔，根據國家建設部關于《征收排水設施有償使用費的暫行規定》的有關規定，可以收取適當的排污費。此外，作為金川鎮的生態旅游項目，所產生的收益用于污水處理廠的運行維護，維持正常運轉。

5 結論

圖6 污水處理系統平面圖Fig.6 Sewage treatment system plan

本研究通過調查目前金川鎮生活污水的排水現狀及存在的主要問題，對污水處理系統進行規劃設計，并進行可行性分析。預計污水處理規模為240 m3/d，設計“預處理+多介質生物濾池+復合流人工濕地”污水處理系統，系統耦合現代化多功能日光溫室，將污水處理與生態農業、生態旅游相結合，有效解決冬季氣溫低對人工濕地運行所造成的不利影響；設計出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準，出水不外排，充分實現中水的資源化利用；形成一個四季全時、長期穩定、可持續性強的具有水環境治理、農業生產、生態科普教育等多重功能的生態協同網絡；改善金川鎮生態環境的同時，緩解龍灣保護區濕地資源保護與金川鎮旅游發展之間的矛盾。設計污水處理工藝及污水處理系統的建設維護均具有一定的可行性，污水處理廠建成后，可維持正常運轉。金川旅游特色小鎮污水處理系統的生態環境效益、社會經濟效益顯著，從而實現社會經濟的可持續發展。