劉文杰 石玉敏

( 遼寧省環(huán)保集團有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽110161)

人工濕地是生活污水處理廠尾水深度凈化中最為典型和突出的生態(tài)處理方法( 廖子清,2017)，具有脫氮除磷率高、建設(shè)運營成本低、運行維護管理方便等特點，并具有污水深度凈化、提升景觀效果、提供野生生物棲息地等多重生態(tài)環(huán)境效益。近年來人工濕地發(fā)展迅速，在遼寧、吉林、山東等地區(qū)建設(shè)了百余項大型人工濕地，用于處理城市綜合生活污水、中水、河湖污染水體和生態(tài)修復(fù)等( 孔向東, 2015)。我國地域遼闊，不同區(qū)域間氣候條件和植被類型差異較大，人工濕地技術(shù)應(yīng)用、工程建設(shè)與運行存在較大差異。北方地區(qū)特別是東北寒冷地區(qū)，以遼寧省為例，冬季極端氣溫可達(dá)-40℃，12 月至次年1 月平均氣溫為-16 ～-25℃，污水處理廠進(jìn)水平均水溫4 ～8℃，人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水平均水溫為4 ～6℃，給人工濕地工程的建設(shè)和穩(wěn)定運行帶來極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本研究依托國家水體污染控制與治理科技重大專項，研發(fā)了北方寒冷地區(qū)高效人工濕地成套技術(shù)及配套設(shè)備并進(jìn)行了工程實踐，取得了良好的運行效果，為人工濕地技術(shù)在北方寒冷地區(qū)的建設(shè)、運行與產(chǎn)業(yè)化推廣提供了重要參考。

1 工程概況

工程位于遼寧省鐵嶺市西豐縣，遼河二級支流寇河西岸，采用 “均勻配水設(shè)備+ 復(fù)合水平流- 垂直流人工濕地組合+ 功能性強化生物產(chǎn)品+ 液位調(diào)節(jié)設(shè)備” 組合技術(shù)，流程如圖1 所示。設(shè)計規(guī)模10 000 m3/d，變化系數(shù)Kh=1.2，設(shè)計水力停留時間4 d，設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)如表1 所示。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì) mg/L Table 1 List of designed inlet and outlet water quality rate mg/L

2 工程建設(shè)內(nèi)容

人工濕地系統(tǒng)主要包括人工濕地均勻配水設(shè)備、水平流+垂直流人工濕地系統(tǒng)、人工濕地液位調(diào)節(jié)設(shè)備。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow

2.1 人工濕地均勻配水設(shè)備

污水處理廠二沉池出水經(jīng)管線輸送至人工濕地前端的均勻布水系統(tǒng)，通過布水系統(tǒng)接入濕地單元。均勻布水系統(tǒng)采用渠堰式均勻布水技術(shù)設(shè)備，由進(jìn)水槽、導(dǎo)流槽和布水槽3 部分構(gòu)件組成，污水依次通過進(jìn)水槽、導(dǎo)流槽和布水槽均質(zhì)勻速流入濕地系統(tǒng)內(nèi)。進(jìn)水槽由進(jìn)水槽體、進(jìn)水口、法蘭和進(jìn)水槽體蓋板組成，進(jìn)水槽通過進(jìn)水管與上級構(gòu)筑物相連，將上級構(gòu)筑物出水引入進(jìn)水槽，進(jìn)水槽標(biāo)高設(shè)計保證上級構(gòu)筑物液面有足夠的水差自由流入進(jìn)水槽。導(dǎo)流槽通過法蘭與布水槽相連接，保證水流穩(wěn)定流動。導(dǎo)流槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及寬、高與進(jìn)水槽相同，長度不同。布水槽由布水槽體、溢流堰板、法蘭和槽體蓋板組成，保證進(jìn)水均質(zhì)均速流入濕地系統(tǒng)。

2.2 水平流+ 垂直流人工濕地系統(tǒng)

將基底土平整碾壓處理后，鋪設(shè)900 g/m2HDPE膜，填料深度1.2 m。填料層自下而上依次為粗砂層10 cm、礫石層85 cm（礫石直徑20 ～30 mm）、豆石層5 cm( 豆石直徑5 ～8 mm)、草炭土2 cm、種植土18 cm。濕地植物選取蘆葦、鳶尾、菖蒲和香蒲，按1:1:1:1 比例種植，種植密度為25 株/m2。

2.3 人工濕地液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)

為保證濕地的處理效率，根據(jù)季節(jié)變化有效控制濕地系統(tǒng)的水位，在濕地系統(tǒng)末端設(shè)置液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以實現(xiàn)對濕地內(nèi)液位高度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。經(jīng)過人工濕地處理的出水由集水管收集至集水井的內(nèi)腔，螺旋調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)濕地水位，調(diào)節(jié)后出水經(jīng)溢流口排入受納水體。濕地內(nèi)的水位受水位調(diào)節(jié)管高度的影響，可通過更換不同長度的調(diào)節(jié)管達(dá)到調(diào)節(jié)濕地水位的目的。

3 運行效果分析

3.1 低溫對人工濕地系統(tǒng)的影響分析

溫度對人工濕地系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在濕地植物和微生物等方面。濕地系統(tǒng)對污染物的凈化作用主要體現(xiàn)在植物通過光合作用、呼吸作用等吸收污水中的有機物、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，同時通過根系的呼吸作用為濕地系統(tǒng)微生物提供好氧環(huán)境，形成互利共生的污染物凈化體系。低溫環(huán)境下濕地系統(tǒng)中的植物進(jìn)入休眠狀態(tài)、枯萎或者死亡，根系呼吸作用減弱，系統(tǒng)內(nèi)部含氧量降低，同時低溫環(huán)境下微生物活性降低，系統(tǒng)硝化與反硝化反應(yīng)速率降低甚至幾乎停止。硝化細(xì)菌的適應(yīng)溫度是20 ～30℃，溫度低于15℃時反應(yīng)急速下降，5℃時反應(yīng)幾乎停止( 高廷耀等, 2004)。相關(guān)研究表明，濕地中85% 的氮通過反硝化作用實現(xiàn)，反硝化作用是濕地脫氮的最有效途徑(Lin et al, 2002)，當(dāng)溫度過低時，反硝化速度下降，氮的凈化效果下降。

3.2 冬季低溫運行的保溫措施

北方寒冷地區(qū)冬季多采用濕地植物覆蓋、地膜覆蓋和冰雪混合覆蓋等保溫措施。冬季植物覆蓋的方式是將枯萎的蘆葦、菖蒲、香蒲等濕地植物收割后就地覆蓋于濕地表面，是一種經(jīng)濟實用的廢棄物綜合利用的保溫措施，具有一定的保溫效果。但植物腐爛會釋放一定量的有機物、氮、磷等污染物，增加濕地系統(tǒng)有機物及氮磷等污染物濃度，影響濕地系統(tǒng)的凈化效果及出水水質(zhì)。地膜覆蓋主要是通過塑料薄膜覆蓋的方式對濕地系統(tǒng)進(jìn)行保溫，塑料薄膜不易降解，且費用較高，易產(chǎn)生白色污染，塑料薄膜損壞后進(jìn)入濕地系統(tǒng)可能造成濕地系統(tǒng)的內(nèi)部堵塞。冰雪覆蓋的方式主要是通過濕地系統(tǒng)表層的自然結(jié)冰和自然降雪形成覆蓋層，該方式對濕地系統(tǒng)的保溫效果差，濕地系統(tǒng)的熱量損失較大，凈化效果低。

圖2 COD 進(jìn)出水濃度及去除率變化 Fig.2 Variation of in and out water concentration and removal rate of COD

圖3 NH3-N 進(jìn)出水濃度及去除率變化Fig.3 Variation of in and out water concentration and removal rate of NH3-N

圖 4 TN 進(jìn)出水濃度及去除率變化 Fig.4 Variation of in and out water concentration and removal rate of TN

圖 5 TP 進(jìn)出水濃度及去除率變化 Fig.5 Variation of in and out water concentration and removal rate of TP

利用 “功能性生物強化產(chǎn)品+ 液位調(diào)節(jié)設(shè)備+15 cm 冰層、15 cm 空氣” 的組合方式對人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行冬季保溫，保證凈化效果不降低。當(dāng)氣溫達(dá)到或接近冰點溫度時，向濕地系統(tǒng)投加自主研發(fā)的功能性生物強化產(chǎn)品，如按10:0.5:0.5 體積比投加低溫有機物降解菌、低溫脫氮細(xì)菌、低溫除磷細(xì)菌以及按1:1 濃度比投加低溫硝化菌群、低溫反硝化細(xì)菌，確保低溫環(huán)境濕地系統(tǒng)微生物量的恒定。液位調(diào)節(jié)設(shè)備采用防堵均勻集水和水位無極調(diào)節(jié)技術(shù)，濕地系統(tǒng)的出水經(jīng)過集水系統(tǒng)收集至集水設(shè)備。根據(jù)連通器原理，集水設(shè)備內(nèi)液位高度與濕地系統(tǒng)內(nèi)液位高度一致，通過調(diào)節(jié)無極螺旋調(diào)節(jié)器精準(zhǔn)提高濕地系統(tǒng)的液位高度，保證濕地系統(tǒng)液位高度為1.2 m。當(dāng)濕地表面結(jié)冰厚度約15 cm 時，降低濕地液位高度為0.9 m，使?jié)竦乇砻嫘纬?“15 cm 冰層+15 cm 空氣層” 的保護層，減少濕地的熱量損失，同時保證濕地的凈化效果。

3.3 冬季運行效果分析

本研究對西豐人工濕地處理工程進(jìn)行了為期5個月冬季凈化效果的連續(xù)監(jiān)測，出水COD 平均值為35.47 mg/L，去除率為31.58%，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) Ⅰ級A 標(biāo)準(zhǔn)要求( 圖2)。出水氨氮平均值為7.67 mg/L，去除率為59.8%；總氮平均值為18.32 mg/L，去除率為25.02%； 總磷平均值為0.85 mg/L， 去除率為26.19%，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) Ⅰ級B 標(biāo)準(zhǔn)要求( 圖3 ～圖5)。

4 結(jié)論

本研究開發(fā)的 “均勻配水設(shè)備+ 復(fù)合水平流-垂直流人工濕地組合+ 功能性強化生物產(chǎn)品+ 液位調(diào)節(jié)設(shè)備” 寒冷地區(qū)人工濕地成套處理技術(shù)及設(shè)備可在工程實踐中穩(wěn)定運行。冬季低溫環(huán)境下較常規(guī)濕地工藝有機物、氮、磷等污染物去除率提升10%左右，削減COD 529.25 t/a，NH3-N 56.58 t/a，大大改善了支流河的河流水質(zhì)和西豐縣居民的生活環(huán)境，促進(jìn)了社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，為人工濕地技術(shù)在寒冷地區(qū)的工程建設(shè)、運行維護與產(chǎn)業(yè)化推廣提供了重要參考。