復合型人工濕地在城鎮污水處理廠尾水提標中的設計與應用

何凡 劉軍 丁宏云 林宇迪 郝智健 王達影 賈洪柏

（1.浙江國千環境技術發展有限公司，浙江 湖州 313300；2.浙江國阡環境與節能工程研究院，浙江 湖州 313300；3.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 引言

近年來，隨著“五水共治”和“水十條”的貫徹落實，各省控、國控斷面中劣Ⅴ類水質斷面占比不斷下降［1-2］。城鎮污水處理廠尾水是河道穩定的補充水源，其對省控、國控斷面的影響尤為明顯。當前多數城鎮污水處理廠執行的一級A 標準排出水質依然為劣Ⅴ類，所以執行更高的排放標準勢在必行。浙江省等地相繼提出強制性清潔排放地方標準，以期在排放源頭消滅劣Ⅴ類水［3-4］。

人工濕地、穩定塘等生態處理技術在針對尾水處理中有著投資低、效率高、能耗低且出水穩定等優點［5-9］，為城鎮污水處理廠尾水處理提供了強有力的技術支持。本項目污水處理廠位于浙江省某工業園區中，距國控斷面2 km，為確保斷面水質，對污水廠尾水提標改造非常必要。以該污水處理廠尾水為治理對象，經勘察設計，采用復合型人工濕地，即塘—床—表［3］的組合工藝對尾水進行深度處理，監測分析其進出水水質，以期本項目的設計方案及應用效果可為城鎮污水處理廠尾水處理提供參考的治理模式與科學依據。

2 工程概況

本項目污水處理廠位于國控斷面——西苕溪（飲用水水源保護地）河畔，建設規模20 000 m3/d。該污水廠處理主體采用“預處理+水解酸化池+MSBR+MBR+V 型濾池”處理工藝，出水水質標準為浙江省DB 33/2169—2018《城鎮污水處理廠主要污染物排放標準》表1 排放標準限值，即CODCr≤40 mg/L，NH3-N≤2 mg/L，TP≤0.3 mg/L，國控斷面水質要求執行地表水Ⅲ類水標準。在該污水廠周邊規劃出土地建設復合型人工濕地，經濕地處理后排入西苕溪，提標改造后出水指標滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準，即CODCr≤20 mg/L，NH3-N≤1 mg/L，TP≤0.2 mg/L，對TN 無要求。

3 工程設計

3.1 工藝流程

綜合考慮項目用地條件、工程建設投資、周期和運維等方面因素，本項目污水處理廠尾水處理以“表面流人工濕地+水平潛流人工濕地”組合為主處理工藝，輔以“兼性塘+好氧塘”的三級穩定塘工藝。以“穩定塘+人工濕地”的組合工藝對污水處理廠尾水凈化后排至西苕溪。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

首先污水廠出水經水泵提升輸送至尾水處理區，經配水渠進入兼性塘及好氧塘，塘內部設深水區、淺水區，形成兼氧區和好氧區，并種植浮水、挺水和沉水植物，通過生態穩定塘水生植物的攔截、吸收和水生動物、微生物的好氧厭氧等協同作用，將水體中的部分懸浮物、有機物和氮磷去除。尾水經穩定塘處理后流入表面流人工濕地，在水生植物和微生物的作用下以及經過化學、生物過程，可以把土壤和水中的營養物質吸收、固定、轉化，達到降解水體中的污染物的目的。經過表面流人工濕地凈化后的水體排入水平潛流人工濕地內，經過深度凈化后由泵提升至西苕溪。各穩定塘、人工濕地之間以石籠進行分隔，石籠是由機械將金屬線材編織成的多絞狀六角形網制成的網箱，其內裝填石塊，石籠頂部寬度均為1.5 m，以供人員通行。

本次人工濕地工程充分利用自然環境的有利條件，按建（構）筑物使用功能和流程要求，結合當地的地形、氣候、地質條件，考慮到施工、維護和管理等因素，合理對場地進行安排，緊湊布置。本項目生態凈化系統總占地面積為56 959 m2，其中，人工濕地占地面積為30 259 m2（表面流人工濕地設計有效面積約14 607 m2，水平潛流人工濕地設計有效面積約13 917 m2），生態塘占地面積為26 700 m2（兼性塘設計有效面積約10 355 m2，好氧塘設計有效面積約14 180 m2）。

3.2 主要工程設計

3.2.1 配水渠

本次工程整體采用配水渠進行并聯區域配水，配水渠寬度為1.2 m。單池內部通過UPVC 穿孔管實現均勻配水，通過水位調節管進行水位控制。穿孔管周圍選用粒徑為50～100 mm 的碎石，防止穿孔管發生堵塞現象，同時起到緩沖和均勻水量的作用。配水渠采用混凝土澆筑，溢流坡采用卵石貼坡護面，防止邊坡因凍脹損壞，坡比為1∶1.5。

3.2.2 兼性塘＋好氧塘

來水經配水渠進行流量調節，再溢流至兼性塘。兼性塘有效面積約10 355 m2，塘深為1 m，塘底沿水流方向坡比為0.1%，兼性塘中存在著3 個區域：表層好氧區，此區域內好氧菌與藻類共生，具有好氧塘的特點；底層厭氧區，此區域內主要依靠厭氧菌的作用對固體雜質進行分解；中部即為兼性區，此區域內存在著可起兩種作用的兼性菌，通過兼性菌分解有機物達到凈化水質的目的。兼性塘水力停留時間為12.4 h。

來水流經兼性塘后，通過石籠進入好氧塘中，好氧塘內分為A 塘和B 塘兩個區域，通過石籠分隔，好氧塘A 塘深為0.7 m，塘底沿水流方向坡比為0.1%，水力停留時間5.2 h。好氧塘B 塘深為0.6 m，塘底沿水流方向坡比為0.1%，水力停留時間4.2 h。好氧塘依靠光合作用供氧，故采用較淺的池體水深，使沉水植物能有效地進行光合作用，使塘內自身溶解氧保持在較高水平，達到菌藻互利共生的條件，為好氧菌分解有機物提供優越的生態環境。好氧塘內溶解氧含量一般高于1 mg/L，陽光能透射到塘底。同時在好氧塘中種植有多種水生植物。

3.2.3 表面流人工濕地

表面流人工濕地結構包括配水區、處理區、集水區。配水區的主要目的為均勻配水，要求在人工濕地橫向和垂直高度上盡可能配水均勻，以充分利用人工濕地。處理區為人工濕地的主體部分，水質凈化作用主要在該區域完成，該區域通過植物的攔截、過濾、吸收作用以及附著在植物表面的微生物生化作用，對污染物進行處理。集水區的主要目的為均勻出水，在人工濕地橫向和垂直高度上盡可能集水均勻。表面流人工濕地受地形影響分為A，B 兩個區域，總面積為14 643 m2，水深為0.3～0.5 m，容積為5 857 m3，表面流人工濕地水力坡度取0.1%，水力停留時間為8.8 h。

3.2.4 水平潛流人工濕地

水平潛流人工濕地結構包括配水渠、進水區、處理區、出水區、集水渠，總有效面積13 917 m2，水力停留時間3.8 h。進水區為一進水池，其進水方向寬度為2 m，進水池內堆滿卵石，直徑為60～100 mm；功能區內堆滿填料，分為兩層，分別是覆蓋層和填料層，覆蓋層厚度為0.2 m，用以提供植物生長必需的營養物質，同時起到保護植物根系與穩固植物的作用。填料層厚度為0.7 m，填料粒徑由上至下逐漸增大，上層填料粒徑為5 mm，厚度為200 mm；中層填料粒徑為8～16 mm，厚度為300 mm；下層填料粒徑為16～32 mm，厚度為150 mm；最下層填料粒徑為30～50 mm 礫石，厚度為50 mm，底部素土夯實。在進水區與出水區處填料粒徑增大，填料層與植物吸附作用相結合，用以吸收水中污染物質。水平潛流人工濕地水力坡度為0.5%，保證水流能順利通過。進水管進水處位于填料層，使水流水平方向平穩流經水平潛流人工濕地，經調節豎管流入出水池內，可調節豎管管口朝上，用以控制前端水流在填料層的水位，使填料區被水流浸沒，最后進出水管流入下一階段。出水池內堆滿卵石，直徑為60～100 mm。

3.2.5 植物配置

本項目濕地植物選擇了富集能力強的功能性植物、景觀性植物和經濟植物，從植物的高度、色彩、季節性等方面考慮進行合理配置，增加植物的多樣性、經濟性和景觀性。挺水植物優先選擇黃花鳶尾、再力花、香蒲、千屈菜、蘆葦等物種，浮水植物優先選擇荷花、荇菜等物種，沉水植物優先選擇黑藻、狐尾藻、苦草、菹草等物種。穩定塘中兼性塘以挺水、浮水植物為主，輔以沉水植物；好氧塘則以沉水植物為主，其在光合作用下可以提高塘內溶解氧，然后輔以挺水、浮水植物；表流人工濕地以及水平潛流人工濕地則是以挺水植物為主，挺水植物根系更加發達，對于污染物的吸收效率更高。根據整個濕地的現場自然環境，以及各類建（構）筑物使用功能和流程要求，結合當地的地形、氣候、地質條件，在每個區域內種植植物，既要充分發揮植物吸收與吸附的作用，也要保證整個濕地的景觀美化。

4 運行效果及經濟分析

人工濕地是人工建造和管理控制的、工程化的濕地，其利用土壤、植物、人工介質，以及微生物的物理、化學、生物三重協同作用，對污水進行凈化。相較于天然濕地，人工濕地對污染物去除有著更好的效果。其作用機理包括沉降、過濾、沉淀、吸附、分解、微生物代謝、植物代謝及植物吸收等。本工程于2022年2 月建成并投入運行，自2022 年3 月至2023 年2 月對濕地進出水口進行取樣監測，主要監測指標為CODCr，NH3-N，TP，分析組合濕地對尾水的處理效果。

4.1 CODCr 去除效果

由圖2 可知，經濕地及穩定塘系統處理后出水水質達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準，總體去除率達到48.6%～61.3%，平均去除率達到54%。全年CODCr平均濃度為38.7 mg/L，出水平均濃度為17.8 mg/L。從圖2 可看出，在夏季去除率較高，冬季較低。主要有兩方面原因，一是季節性雨水影響，二是氣候影響植物生長。夏季雨水普遍比冬季多，氣候也更加適合植物的生長，有研究表明，當溫度在20 ℃左右時，濕地生態系統對有機質的處理效果最好；此外，進入冬季后部分濕地植物的枯萎會產生有機物釋放進入水體中，也是冬季出水水質CODCr相較于夏季較高的原因之一。

圖2 CODCr 進出水濃度及去除效果

4.2 NH3-N 去除效果

由圖3 可知，本工程組合工藝對NH3-N 的總體去除率達到57.2%，出水平均濃度為0.81 mg/L，達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準。從趨勢上可看出，進入夏季后，NH3-N 的去除率穩步上升，在9 月份達到最高。溶解氧是制約硝化反應的重要因素之一，進入夏季，植物生長茂盛，通過光合作用產生的氧氣充足，硝化反應相應得到提升。進入秋冬季節，陽光減少，部分植物進入衰弱期，有些浮水植物與沉水植物甚至死亡，水力負荷增大，是去除率下降的主要原因。

圖3 NH3-N 進出水濃度及去除效果

4.3 TP 去除效果

由圖4 可知，TP 去除率穩定在32.6%～39.2%之間，相對于CODCr濃度，TP 的去除率浮動不大，變化較為平穩。整體來看，平均進水濃度為0.274 mg/L，平均出水濃度為0.177 mg/L，達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準。TP 去除率曲線與CODCr，NH3-N 相似，夏季去除效果好，冬季去除效果較弱。本工程中表面流人工濕地水位較淺，在冬季有結冰的可能，對人工濕地的正常運轉也會造成一定的影響。此外，植物的新陳代謝也造成一部分磷釋放進入水體。

圖4 TP 進出水濃度及去除效果

4.4 主要技術經濟指標

本工程占地總面積為72 500 m2，尾水處理能力為20 000 m3/d。濕地處理系統工程總投資為2 999.43 萬元，折合投資成本為1 500 元/m3，項目運行成本為72.97 萬元/a，平均單位處理水量總成本為0.10 元/m3。濕地出水可回用于綠化、內河水源補給，本項目所在地區水價為2.75 元/m3，則每天可節約水費5.5 萬元，扣除每日運行成本，則間接產生經濟效益5.3 萬元。

5 結論

本項目是浙江省某城鎮污水處理廠尾水提標改造工程，靠近飲用水水源保護區及國控斷面，尾水的品質與水量直接影響到受納水體以及國控斷面的水質，通過分析本工程的復合型人工濕地系統對尾水的處理情況，得出如下結論：

（1）復合型人工濕地能有效提升與凈化污水處理廠尾水的水質，CODCr，NH3-N，TP 的年平均去除率分別達到54%，57.2%，35.2%，出水穩定達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準，同時滿足國控斷面水質要求。

（2）濕地生態系統的去除效率呈季節性變動，各污染物處理效率在冬季相比夏季要弱，故在冬季應加強監測，確保出水水質滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準，一旦出現突發情況，應立即采取措施，如增加一些保溫及增氧措施等，確保濕地系統的正常運行。

（3）在表面流人工濕地與水平潛流濕地中，根據植物的生長周期，在秋冬季節及時對濕地水體表面的腐敗植物進行清理，并定期對填料介質進行沖刷疏通，避免出現堵塞、植物腐爛等問題，保障人工濕地的運轉。

實踐證明，多級穩定塘+人工濕地組合而成的復合型人工濕地工藝對污水廠尾水有著良好且穩定的凈化效果，同時在景觀設計的加持下，具有較高的美觀效果與實用價值。