高寒干旱區高速公路服務區污水處理及生態濕地水回用系統研究

劉興和，魏佳吉，陳 明，王小文

(甘肅華運環境建設工程股份有限公司，蘭州 730000)

生態濕地水回用是利用服務區經過處理的污水形成人工濕地，使其發揮水源涵養、水資源調蓄、凈化水質、維護濕地生物多樣性、防止沙漠化和改善區域氣候等生態功能。高速公路服務區的污水處理和生態濕地水回用系統是實現綠色化水循環處理的關鍵節點，因為高速公路服務區日常耗水較多，對這些污水進行無害化循環處理、構建多樣的污水循環利用系統，有助于水循環發展。但高寒干旱區與其他地區的環境差異較大，在利用高速公路服務區污水再生處理系統時面臨著許多新的環境特征，需要對項目選址、設計和運作進行深入研究，明確特殊環境的利用原則，使生態濕地水回用系統得到高效利用，充分發揮水生態再生處理系統的作用，以開拓更加節能、環保、循環再生式的水處理微生態。

1 環境特征

1.1 宏觀環境特征

高寒干旱地區，高速公路服務區的污水處理和生態濕地水回用系統具有特殊的宏觀環境特征[1]，由于處于高海拔地區，天氣寒冷，長期干旱，溫度低，污水處理與污水循環再生及生態濕地用水的循環開發技術要素多，宏觀環境波動大，水回收利用水平低[2]。

1.2 微觀環境特征

人工濕地是一種資源化、生態化的污水處理技術，是將綠化和污水處理結合起來，具備獨特的綠化環境的功能[3]，相較于傳統污水處理工藝更具優勢。污水通過人工建造和控制，形成與沼澤地類似的地面，將污水投配到濕地上，使污水在濕地土壤縫隙和表面沿一定方向流動，利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理與化學及生物三重協同作用對污水進行處理。生態系統的作用機理包括吸附、滯留、過濾、沉淀、微生物分解、轉化、氧化還原、植物遮蔽、殘留物積累、蒸騰水分和養分吸收及各類動物的其他作用等[4]。

不同的高寒干旱區，降雨程度和蒸發水平不同，光照時間也存在差異性[5]，且低溫環境狀態和區域風場分布狀態存在較大差異，這些微觀環境特征會極大影響高速公路服務區的污水處理和人工濕地利用開發，特別是對項目選址、設計、規劃、施工和后續運行都會產生各種不同的影響，使高速公路服務區的污水循環再生系統運行面臨著諸多問題[6]。

2 建設重點環節

2.1 項目選址

高寒干旱區高速公路服務區污水處理及生態濕地水回用系統建設，主要包括項目選址、設計方案確定、建設推進等環節[7]。

項目選址環節要充分考慮高寒干旱氣候條件下的地理環境因素、區位因素、水源涵養因素、濕地多樣性因素、荒漠化因素、局部氣候性因素等對高速公路服務區污水處理再生系統項目建設的影響[8]。應選擇水資源調蓄豐富、水源涵養水平相對較高，又能夠防止水體污染、全面促進水資源合理開發利用的地塊。充分考慮選址周圍的土壤狀況、植物狀況、微生物與物理化學狀況及配套的綠化灌溉區域狀況。要將服務區內的污水處理項目放置在避風、回水利用條件豐富、生態蓄水池周邊自然蒸發量與自然滲透量相對較小的區域內。只有綜合考慮氣候因素、動植物因素、水體環境因素、水生態發展因素、水濕地保護因素，才能使項目選址得當[9]。

2.2 項目設計

完成項目選址之后，高寒干旱區高速公路服務區污水處理和再生系統建設的重點是完成方案設計。

設計時，要確定生態濕地回水利用系統的影響因素和污水處理設備的放置地點，充分將污水凈化系統和高速公路使用峰值的人流量等狀態考慮進來，污水處理系統的設計應采用回水一體化凈化設備，以有效降低成本，強化抗風險沖擊能力。按照高速公路服務區污水排放峰值的110%～120%來設計污水處理系統，污水處理量應保持在最大污水處理能力，還要對污水循環利用系統進行設計，特別是對綠化澆灌用地、生態水循環過濾用地進行單獨設計，確保生態儲水池能夠有效滿足蓄水容量需求，污水能夠經過綠化帶和植被覆蓋進行沉淀過濾。

項目設計必須因地制宜，將生態濕地系統建設為一個整體，將儲水池、蓄水池、生態綠地、灌溉濕地、水生植物種植、自然滲透、自然蒸發和回水系統等串聯起來，形成一個微生態環境，以推進污水的再生循環利用。

3 案例研究

以白銀東服務區為例，進行實踐分析。白銀又稱銅城，是甘肅省轄地級市，是大蘭州經濟區的核心區和蘭白經濟圈的副中心。白銀市地處隴西黃土高原西北邊緣及祁連山東延余脈、向騰格里沙漠過渡地帶，地勢南北高、中部低，海拔最高3 321 m，最低1 275 m，這一地區屬于中溫帶半干旱區向干旱區的過渡地帶，年平均氣溫6℃～9℃，年降雨量180～450 mm，年蒸發量達1 500～1 600 mm，是平均降水量的4.5倍，主要氣候特點是降雨少、蒸發量大。

隨著高速公路的快速發展，白銀東服務區大量生活污水的排放造成了一定的水環境污染。防治水體污染、促進水資源的合理開發利用、維護生態平衡，已成為一項緊迫的任務。在深入調査植物多樣性的基礎上建設水污染處理系統，篩選出具有凈化生活污水能力的植物種類，按其凈化能力大小排序，種植于人工濕地，考察其凈化水質和美化環境的效果，并選出效果好的植物進行示范與推廣，以提高人工濕地凈化水質的能力，為白銀東服務區污水處與循環利用提供保障。經調查了解，白銀東服務區南區日常污水排放量約為40 t，主要利用污水處理系統凈化后排放，排放峰值出現在每日中午、晚上用餐高峰時間及節假日等人流量高峰階段。用水量組成如下：南區大便池76個，小便池72個，洗漱池10個，以上日用水量約為30 t，餐飲及加油站日用水量約為5 t。

計劃新建污水處理系統，釆用MBR一體化設備，利用膜生物反應器進行污水處理。膜生物反應器的出水水質好，運行成本低，系統抗沖擊性強，污泥量少，自動化程度高，占地面積小，便于集成，既可以作為小型污水回用設備，又可作為較大型污水處理廠(站)的核心處理單元，由于抗高寒能力強，故使用這種污水處理方式較好。

目前，白銀東服務區南區40 t/d為日污水排放最高值，浮動系數取1.2 (物理污泥生產系數忽略不計)，經計算得出：南區日排放量40 t/d，物理污泥生產系數為萬分之5.75，忽略不計，回用率90%，即36 t/d。外排率10%，4 t/d，960 t/植物生長季，480 t/休眠期。根據以上測算數據，生長季內(按240 d計)，南區外排污水總量約為960 m3，可供灌溉綠化面積約為1 000 m2；休眠期內(按120 d計)，南區總排放量約為480 m3，綠化澆灌用地面積及生態儲水池容積應接近以上數據。

此項目設計時，初步擬定在南區圍墻以內適當位置修建40×25 m生態儲水池一處，以有效增強生活污水的回水利用效率。與此同時，計劃在污水處理站周圍約1 000 m2的原有綠化帶內及生態蓄水池邊沿進行植被恢復和回水利用建設。

圖1 G6京藏高速白銀東服務區污水處理及生態濕地水回用設計圖Fig.1 G6 Beijing-Tibet Expressway Baiyin East Service Area sewage treatment and ecological wetland water reuse design

由于本項目位于高寒干旱區，且所處的高速公路服務區污水處理需求量大，為了進一步使整個污水處理系統高效運行，生態濕地用水得到循環利用，在濕地回水系統設計上使用生態蓄水池駁岸式蓄水，使服務區污水處理和生態濕地水回用得到自然凈化和自然循環。

在白銀東服務區內的生態濕地回水蓄水池周邊，主要利用土工布、蘆葦卷和梢捆及各類植物等作為沿河材料筑堤元素，以穩定蓄水池河岸和周邊水土，防止水土流失。土工布可避免高寒干旱區水的滲漏和大量蒸發，而天然蘆葦植物可有效凈化污水，從而形成循環型生態自用水的凈化。

與其他技術相比，白銀東服務區內的污水處理和生態濕地水循環凈化系統大量用到了紅柳、沙棘、新楊柳，還有一些金榆葉等樹木，可作為自然駁岸的支撐點，保持蓄水池河岸的結構穩定，同時還起到美化環境的作用。這些植物能夠適應高寒干旱區的環境特點，可確保自身生長與水循環凈化的協調性，可有效支撐蓄水池周邊的生態環境綠化，令蓄水池的自然駁岸更加穩固。這種自然植物的污水凈化處理和生態濕地水回用設計，相比于混凝土河道設計更具有經濟性，能夠減少成本，進一步增強長期生態回水的凈化處理能力。

G6京藏高速白銀東服務區的污水處理和生態濕地回水設計，采用污水處理站、天然生態蓄水池、綠植養護凈化三位一體設計，對污水進行凈化和回水循環處理，有效實現了濕地水循環的再生利用。

4 結語

在高寒干旱地區的高速公路服務區內進行污水處理和生態濕地水循環利用設計，要著重考慮宏觀環境、微觀環境，堅持綠色化、無污染與長期自我修復，充分利用當地的特色植物與氣候條件，結合污水處理需求，實現一體化建設，全方位考慮，只有這樣，才能有效處理污水，實現生態回水系統的可持續再生利用。