徐建勝 白雪原 姜海波 何春光*

（1 東北師范大學(xué)國家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130117；2 通化市生態(tài)環(huán)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(tài)處理技術(shù)(張文磊等, 2015)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、處理效果好、易于維護(hù)管理等特點(diǎn)，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)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(nóng)村生活污水，均取得了比較好的運(yùn)行效果(Munoz et al, 2006; Ham et al,2007; Solano et al, 2009)。此外，人工濕地對(duì)某些工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，截至目前，除各縣政府所在地外，還沒有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的城鎮(zhèn)污水處理廠，個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)所建設(shè)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(zhèn)——金川鎮(zhèn)為研究對(duì)象，調(diào)查生活污水的排水現(xiàn)狀、存在的主要問題，對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，并進(jìn)行可行性分析，為寒區(qū)旅游地生活污水處理提供借鑒與參考。

1 研究區(qū)概況

金川鎮(zhèn)位于吉林省輝南縣境內(nèi)，著名的吉林龍灣國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)大部分位于金川鎮(zhèn)境內(nèi)。保護(hù)區(qū)是以火山地貌為基礎(chǔ)形成的濕地生態(tài)系統(tǒng)，生物多樣性豐富，自然環(huán)境優(yōu)美，素以“八灣、二頂、一瀑、一漂”為人們所稱道。2016年10月，金川鎮(zhèn)被住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部確定成為第一批中國特色小鎮(zhèn)。金川鎮(zhèn)依靠豐富的自然資源這一優(yōu)勢(shì)，開發(fā)旅游資源、發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、發(fā)展旅游服務(wù)。

目前，鎮(zhèn)區(qū)已建設(shè)大部分污水收集管網(wǎng)，但尚未完善。雨污水收集措施簡(jiǎn)單，無處理措施，部分超標(biāo)污水自然散排，滲入地下或進(jìn)入河道。隨著鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)用水量和污水排放量逐年增加，導(dǎo)致地表水資源短缺，部分超標(biāo)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(qū)域生態(tài)環(huán)境，影響旅游小鎮(zhèn)的整體形象。此外，還導(dǎo)致龍灣保護(hù)區(qū)濕地水位下降、功能退化，保護(hù)區(qū)濕地資源保護(hù)與金川鎮(zhèn)旅游發(fā)展之間的矛盾加大。

2 總體規(guī)劃原則

金川鎮(zhèn)水環(huán)境改善生態(tài)工程規(guī)劃應(yīng)結(jié)合該地的地形、氣候、人口、經(jīng)濟(jì)、土地資源、進(jìn)出水水質(zhì)、排水現(xiàn)狀等各項(xiàng)因素，并與鎮(zhèn)區(qū)總體規(guī)劃相適應(yīng)，體現(xiàn)鎮(zhèn)區(qū)總體發(fā)展的要求，同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行國家關(guān)于環(huán)境保護(hù)的政策，符合國家有關(guān)法規(guī)、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，具體有以下原則：

(1)污水處理系統(tǒng)工程的建設(shè)應(yīng)以相關(guān)規(guī)劃方案為基礎(chǔ)，合理確定廠址及工程規(guī)模，以保證工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)合適得當(dāng)，滿足污水治理目標(biāo)及水環(huán)境改善目標(biāo)，能夠盡快發(fā)揮工程的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

(2)污水處理廠總體布局要統(tǒng)籌考慮，根據(jù)國情和地區(qū)特點(diǎn)，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(qū)生活污水的要求，節(jié)省占地，盡可能降低工程造價(jià)，保證污水處理廠運(yùn)行安全可靠、節(jié)省能耗。

(3)設(shè)備選擇應(yīng)本著先進(jìn)、可靠、節(jié)能、環(huán)保的原則，積極采用國內(nèi)外先進(jìn)的污水處理新工藝、新技術(shù)、新材料、新設(shè)備，減少占地面積，降低運(yùn)行成本，簡(jiǎn)化維護(hù)管理。

(4)根據(jù)工藝條件建立相應(yīng)的自控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)污水處理廠管理、控制及操作的現(xiàn)代化、科學(xué)化、自動(dòng)化。

(5)體現(xiàn)近期工程與遠(yuǎn)期工程相結(jié)合的原則，充分考慮與遠(yuǎn)期工程的工藝、管線、自控的銜接及現(xiàn)有預(yù)留用地。

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

(7)廠區(qū)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(gòu)筑物布置盡量集中、緊湊，節(jié)約用地。

3 金川鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

金川鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)規(guī)劃服務(wù)范圍為金川鎮(zhèn)中心區(qū)，總面積約30萬m2。區(qū)域內(nèi)主要是居民區(qū)，無工業(yè)企業(yè)。鎮(zhèn)區(qū)的東、南、西三面被龍灣保護(hù)區(qū)包圍，而北面為大面積農(nóng)田,適合利用人工濕地進(jìn)行污水處理。污水集中處理模式工藝流程完善、耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)、出水排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)小(丁文杰等, 2019)。水質(zhì)達(dá)標(biāo)后，中水資源化利用，將緩解水資源短缺的矛盾。

3.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

綜合考慮金川鎮(zhèn)發(fā)展現(xiàn)狀和居民的生活狀況，在對(duì)周邊城市已建污水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)整理分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果，確定進(jìn)水水質(zhì)。污水出水不外排，中水主要用于農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)綠化、道路澆灑等，水質(zhì)指標(biāo)需達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)、《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084-2005）、《城市污水再生利用-城市雜用水水質(zhì)》(GB18920-2002)等標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

金川鎮(zhèn)為季節(jié)性旅游小鎮(zhèn)，預(yù)計(jì)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(shù)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(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB150013—2006)、《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》(SL310-2004)及金川鎮(zhèn)實(shí)際情況，采用單位人口綜合用水量指標(biāo)法預(yù)測(cè)給水量及污水量，確定當(dāng)?shù)鼐用窠o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(guī)模為240 m3/d(表2)。

表1 進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Water quality forinlet and outlet

表2 污水量預(yù)測(cè)表Table 2 Forecast of sewage volume

3.2 處理工藝流程

基于金川鎮(zhèn)旅游小鎮(zhèn)的定位，根據(jù)《市政工程設(shè)計(jì)技術(shù)管理規(guī)定》并綜合考慮金川鎮(zhèn)的污水量、自然特征、現(xiàn)狀及未來發(fā)展的可持續(xù)性等因素，對(duì)處理工藝進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)(圖1)。

3.3 處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 調(diào)節(jié)池收集生活污水經(jīng)一體化泵站提升進(jìn)入調(diào)節(jié)池進(jìn)行預(yù)處理，均勻水質(zhì)水量，同時(shí)去除水中大的懸浮物和漂浮物、礫石及部分有機(jī)物，減少后面構(gòu)筑物負(fù)荷，保證生物處理的穩(wěn)定性(圖2)。

3.3.2 多介質(zhì)生物濾池多介質(zhì)生物濾池系統(tǒng)安裝微孔曝氣器，配置渦旋風(fēng)機(jī)曝氣(圖3)。設(shè)備內(nèi)置換熱器，系統(tǒng)連接供暖系統(tǒng)，以提高設(shè)備運(yùn)行溫度，為冬季安全運(yùn)行提供保障。由于污泥產(chǎn)量極少，可依據(jù)情況每6—12個(gè)月排泥一次。

3.3.3 復(fù)合流人工濕地多介質(zhì)生物濾池出水先進(jìn)入垂直潛流人工濕地，布水方式為重力流，排水順暢、節(jié)省能源。該濕地為地下結(jié)構(gòu)，濕地四周設(shè)置圍堰、底部采用復(fù)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(shè)置布水管與集水管。出水進(jìn)入集水渠后排入溫室內(nèi)小溪中，溪流濕地水位較淺，具有良好的好氧環(huán)境，有助于硝化作用，可有效去除氨氮。通過微地形調(diào)整，形成水位高程差，實(shí)現(xiàn)重力自流，提高水動(dòng)力，同時(shí)引入景觀設(shè)計(jì)，在溪流中布設(shè)淺灘、深潭、河心洲，配置濕地植物，實(shí)現(xiàn)觀賞功能。此外，利用無土栽培技術(shù)在人工濕地內(nèi)培植蔬菜、花卉等經(jīng)濟(jì)作物(呂錫武, 2018)，吸引游客采摘，可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益及良好的景觀效應(yīng)，生態(tài)效益顯著(圖4)。

3.3.4 多功能日光溫室由于東北地區(qū)冬季寒冷漫長(zhǎng)，不利于濕地植物和微生物的生長(zhǎng)，從而影響對(duì)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(duì)多介質(zhì)生物濾池設(shè)備及控制系統(tǒng)、人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行保溫(圖5)。采用超跨距大型高效節(jié)能溫室，保溫性能極高。進(jìn)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(shí)，啟動(dòng)空氣集熱器，補(bǔ)充熱源，實(shí)現(xiàn)不燃煤供熱就能滿足污水處理系統(tǒng)以及生態(tài)農(nóng)業(yè)等在冬季低溫時(shí)對(duì)運(yùn)行溫度的需求。

圖1 金川鎮(zhèn)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(diào)節(jié)池結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Regulating tank structure diagram

圖3 多介質(zhì)生物濾池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Multi-media biofilter structure diagram

圖4 復(fù)合流人工濕地結(jié)構(gòu)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(diào)蓄池人工濕地出水排入室外中水調(diào)蓄池全部進(jìn)行資源化利用，出水不外排。按照表流濕地的方式設(shè)計(jì)中水調(diào)蓄濕地。春夏季污水產(chǎn)生量大，出水進(jìn)入表流濕地進(jìn)行再次凈化。濕地內(nèi)合理配置水生植物，構(gòu)建生態(tài)護(hù)岸，達(dá)到中水調(diào)蓄、水質(zhì)深度凈化、緩沖水量兼具觀賞等功能。中水可用于農(nóng)田灌溉、農(nóng)業(yè)用水、道路灑水、綠化用水等。冬季將表流濕地內(nèi)水生植物收割，濕地作為儲(chǔ)水池使用。中水可用于智慧農(nóng)業(yè)、龍堡森林度假村滑雪場(chǎng)人工造雪、造冰及貯存于調(diào)蓄池內(nèi)實(shí)現(xiàn)中水“冬儲(chǔ)夏用”(圖6)。

3.4 維護(hù)管理

維護(hù)管理是決定污水處理系統(tǒng)最終成效的關(guān)鍵。設(shè)置專人維護(hù)管理，定期對(duì)污水處理設(shè)施和設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和檢修。此外，人工濕地的定期維護(hù)管理對(duì)于保持人工濕地的運(yùn)行效果至關(guān)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(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的有效性及持續(xù)性。

4 可行性分析

單級(jí)人工濕地處理生活污水存在污水負(fù)荷小等諸多問題，組合工藝或多級(jí)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(duì)微污染地表水具有較好的凈化效果(劉學(xué)燕等, 2004)。本研究規(guī)劃設(shè)計(jì)了“預(yù)處理+多介質(zhì)生物濾池+復(fù)合流人工濕地”污水處理系統(tǒng)，將污水處理與生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)旅游相結(jié)合，系統(tǒng)耦合多功能日光溫室，有效解決人工濕地在東北寒區(qū)冬季氣溫低對(duì)人工濕地運(yùn)行造成不利影響的問題；充分實(shí)現(xiàn)中水的資源化利用，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)緩解龍灣保護(hù)區(qū)濕地資源保護(hù)與金川鎮(zhèn)旅游發(fā)展之間的矛盾，持續(xù)發(fā)揮保護(hù)區(qū)濕地的生態(tài)服務(wù)功能。因此，該處理技術(shù)具有一定的可行性。

污水處理廠作為一項(xiàng)具有公益性質(zhì)的市政基礎(chǔ)設(shè)施，項(xiàng)目建設(shè)資金由政府承擔(dān)，根據(jù)國家建設(shè)部關(guān)于《征收排水設(shè)施有償使用費(fèi)的暫行規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定，可以收取適當(dāng)?shù)呐盼圪M(fèi)。此外，作為金川鎮(zhèn)的生態(tài)旅游項(xiàng)目，所產(chǎn)生的收益用于污水處理廠的運(yùn)行維護(hù)，維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

圖6 污水處理系統(tǒng)平面圖Fig.6 Sewage treatment system plan

本研究通過調(diào)查目前金川鎮(zhèn)生活污水的排水現(xiàn)狀及存在的主要問題，對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，并進(jìn)行可行性分析。預(yù)計(jì)污水處理規(guī)模為240 m3/d，設(shè)計(jì)“預(yù)處理+多介質(zhì)生物濾池+復(fù)合流人工濕地”污水處理系統(tǒng)，系統(tǒng)耦合現(xiàn)代化多功能日光溫室，將污水處理與生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)旅游相結(jié)合，有效解決冬季氣溫低對(duì)人工濕地運(yùn)行所造成的不利影響；設(shè)計(jì)出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水不外排，充分實(shí)現(xiàn)中水的資源化利用；形成一個(gè)四季全時(shí)、長(zhǎng)期穩(wěn)定、可持續(xù)性強(qiáng)的具有水環(huán)境治理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)科普教育等多重功能的生態(tài)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)；改善金川鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，緩解龍灣保護(hù)區(qū)濕地資源保護(hù)與金川鎮(zhèn)旅游發(fā)展之間的矛盾。設(shè)計(jì)污水處理工藝及污水處理系統(tǒng)的建設(shè)維護(hù)均具有一定的可行性，污水處理廠建成后，可維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。金川旅游特色小鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效益、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，從而實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。