摘要：為提升高速公路服務(wù)區(qū)污水處理效果，采用水平潛流人工濕地作為深度處理工藝，處理出水可滿足回用水標準，實現(xiàn)沖廁、綠化等資源化利用，并具有處理效果穩(wěn)定、建設(shè)投資節(jié)省、操作維護簡單、運行費用低等優(yōu)點。本文基于表面水力負荷確定了人工濕地面積設(shè)計參數(shù)范圍為0.2～1.0 m3/（m2·d），并結(jié)合去除效果及經(jīng)濟性等原則推薦了濕地填料和濕地植物，為公路污水處理回用工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：道路工程；服務(wù)區(qū)污水；人工濕地；深度處理；資源化利用

中圖分類號：U491.8 文獻標識碼：A 文章編號：1673-6478（2023）01-0141-04

Research on the Application of Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland

in the Advanced Sewage Treatment of Expressway Service Area

LIN Dandan CHEN Yao JIA Zhenzhen LIU Xuexin

（1.Anhui Transportation Holding Group Co.，Ltd，Anhui Hefei 230000，China；

2.China Academy of Transportation Science，Beijing 100029，China）

Abstract：In order to improve the effect of sewage treatment in the expressway service area，the horizontal subsurface flow constructed wetland was used as the advanced treatment process. The treated effluent could meet the standards of reuse water，realize the utilization of resources such as toilet flushing and greening，and has the advantages of stable treatment effect，low construction investment，simple operation and maintenance，and low operation cost. Based on the surface hydraulic load，the design parameters of constructed wetland area were determined to be 0.2 ～ 1.0 m3/（m2·d）. Combined with the principles of removal effect and economy，the wetland fillers and wetland plants were recommended to provide reference for the design of highway sewage treatment and reuse engineering.

Key words：road works；sewage in service area；constructed wetland；deep processing；utilization of resources

0 引言

近年來，我國高速公路生態(tài)環(huán)境保護工作受到廣泛關(guān)注，高速公路沿線的各收費站、服務(wù)區(qū)、養(yǎng)護工區(qū)以及管理中心、隧道管理站等的污水處理達標排放問題日益突出，成為高速公路運營過程中亟待解決的問題。因此，污水處理設(shè)施水質(zhì)提標與出水資源化利用提上日程[1]。

高速公路服務(wù)區(qū)污水處理一般采用二級生化處理工藝，主要包括MBR法[2-3]、多介質(zhì)生物濾池法[4]、A/O法[5]、生物接觸氧化[6]等。由于高速公路服務(wù)區(qū)污水水質(zhì)水量波動大[7]，一些生化處理工藝運行復(fù)雜、服務(wù)區(qū)管理人員缺乏必要的專業(yè)知識，出現(xiàn)操作不當?shù)葐栴}，造成污水處理設(shè)施運行不穩(wěn)定，處理效果差的情況時有發(fā)生[8-9]，加之生化工藝的自身局限，多數(shù)污水處理設(shè)施無法達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B標準，超標排放；甚至還有些高速公路服務(wù)區(qū)污水處理系統(tǒng)處于停運狀態(tài)。

人工濕地技術(shù)具有水質(zhì)生化效果好、建設(shè)投資節(jié)省、操作維護簡單、運行費用低等優(yōu)點[10-11]，用作常規(guī)二級生化處理工藝后的深度處理，出水可達到GB 18918—2002一級A標準，不會對排入的河流、湖泊等自然水體造成污染，同時出水滿足《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920—2002）的標準，可作為沖廁、綠化等資源化利用[12，13]，既能在一定程度上緩解水資源短缺的問題，又可以實現(xiàn)資源節(jié)約利用和落實循環(huán)經(jīng)濟的理念，為服務(wù)區(qū)污水處理達標排放或回用提供安全保障。從建設(shè)和運行方面考慮，人工濕地工藝運行簡單，無需額外提供動力，可有效降低運行成本；從運行管理方面考慮，復(fù)雜的操作和經(jīng)常性維護很難適應(yīng)當前乃至今后相當長時間的高速公路污水處理的實際情況，減少人工干預(yù)和降低運行維護費用是滿足當前高速公路服務(wù)區(qū)污水處理的現(xiàn)實需求，相較于其他處理工藝，人工濕地運行無需專人管護，運行費用低，具有景觀效果，建成后具有良好的示范引領(lǐng)效果。

1 工藝流程設(shè)計

高速公路污水處理采用人工濕地工藝對生化池處理出水進行深度處理，具體工藝流程設(shè)計如圖1所示，服務(wù)區(qū)、管理處、收費站及養(yǎng)護工區(qū)的生活污水與餐飲廢水，經(jīng)污水收集系統(tǒng)收集后輸送至調(diào)節(jié)池，由于生活污水含有較多的漂浮物（如手紙、塑料袋、菜葉、菜根等），在調(diào)節(jié)池前設(shè)置格柵井，起到攔截作用，防止?jié)撍嵘枚氯麚p壞，為系統(tǒng)的長期正常運行提供保證。污水在調(diào)節(jié)池內(nèi)均質(zhì)均量后，發(fā)生物理沉降，進行固液分離，以去除廢水中大部分的懸浮物，并保證后續(xù)生物處理的穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)池內(nèi)安裝潛水提升泵，提升調(diào)節(jié)池上清液進入生化處理池，以去除大部分有機物、氨氮。生化處理出水進入人工濕地，進行深度脫氮除磷，達到GB 18918—2002一級A標準或中水回用標準后，排入集水池，經(jīng)消毒后排放或作為沖廁、綠化用水等資源化利用。

2 設(shè)計進出水水質(zhì)

高速公路污水水質(zhì)與城市生活污水類似[1，14]，污水處理系統(tǒng)進水水質(zhì)的設(shè)計可以參考生活污水水質(zhì)指標，同時參考已建項目污水處理設(shè)施的運行數(shù)據(jù)；二級生化處理出水可以按照達到GB18918—2002的一級B標準進行設(shè)計，人工濕地出水按照GB18918—2002的一級A標準進行設(shè)計，同時滿足GB18920—2002中的沖廁、綠化、道路澆灑的水質(zhì)標準。具體進出水水質(zhì)指標如表1所示。

3 人工濕地設(shè)計

3.1 人工濕地類型的選擇

人工濕地按照填料和水的位置關(guān)系，分為表面流人工濕地和潛流人工濕地。與自由表面流人工濕地相比，潛流人工濕地水力負荷和污染去除負荷大，對BOD、COD、SS、重金屬等污染指標去除效果好，且很少有惡臭和滋生蚊蠅現(xiàn)象。潛流人工濕地按照水流方向，分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。水平潛流人工濕地指水面在填料表面以下，水從進水端水平流向出水端的人工濕地，污水經(jīng)與填料及植物根系充分接觸，通過表面生物膜吸附和截留作用，有效去除污水中有機物和重金屬，且污水在基質(zhì)內(nèi)部流動，保溫效果較好，受氣候影響小，在污水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[15]。相較于水平潛流人工濕地，垂直潛流人工濕地具有水力負荷高、占地面積小及氮磷去除效果較好的優(yōu)點，但其基建費用高、操控不便，仍未得到廣泛的應(yīng)用[16]。此外，垂直潛流人工濕地在運行中布水管與集水管容易堵塞[17]，嚴重的甚至導(dǎo)致無法運行，對基質(zhì)的孔隙大小與級配要求相對較高，更容易造成堵塞，對運行條件和管理維護的要求較高。而水平潛流人工濕地對懸浮物處理效果好，堵塞的風(fēng)險相對較小，構(gòu)造相對簡單，管理維護簡單，更適合應(yīng)用于高速公路服務(wù)區(qū)污水處理。

3.2 人工濕地面積的確定

人工濕地因其自身凈化機制的特殊性，與其他傳統(tǒng)的污水處理工藝相比，需要較大的占地面積。而高速公路服務(wù)區(qū)污水處理建設(shè)鼓勵節(jié)約集約用地，因此，人工濕地占地面積的確定尤為重要。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部《人工濕地水質(zhì)凈化技術(shù)指南》（環(huán)辦水體函〔2021〕173號）、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《人工濕地污水處理技術(shù)導(dǎo)則》（RISN-TG006—2009）和原環(huán)境保護部《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ2005—2010）等相關(guān)標準，人工濕地的面積可根據(jù)表面水力負荷計算。計算公式如下：

A＝Q/q

式中，A為濕地面積，m²；Q為進水流量，m³/d；q為表面水力負荷，m³/（m²·d）。

根據(jù)各省市1月、7月平均氣溫，并輔助考慮年日平均氣溫≤5℃與≥25℃的天數(shù)，相關(guān)標準和規(guī)范將全國分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)等五個區(qū)。水平潛流人工濕地表面水力負荷設(shè)計參數(shù)可以基于氣候分區(qū)進行取值，取值范圍為0.2～1.0 m³/（m²·d）。此外，人工濕地表面水力負荷設(shè)計參數(shù)也可以通過試驗或按相似條件下人工濕地的運行經(jīng)驗確定。如白雪原[17]關(guān)于水平潛流人工濕地處理城鎮(zhèn)污水廠尾水的試驗研究表明，當處理目標為地表V類水標準時，水力負荷宜選擇0.5～0.6 m³/（m²·d）；盧建等[18]采用生物法（水解酸化/生物接觸氧化）-人工濕地組合工藝處理小城鎮(zhèn)片區(qū)混合污水的研究結(jié)果表明，在0.30～0.59 m³/（m²·d）水力負荷率下，垂直流-表面流-水平潛流人工濕地組合系統(tǒng)對COD，BOD5和TSS具有良好的去除效果，出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）的IV類水標準。胡杰等[19]于2018年巢湖流域某鎮(zhèn)污水處理1 500 m³/d尾水深度處理工程中，采用水平潛流和表面流的組合人工濕地，在表面水力負荷0.47 m³/（m²·d）條件下運行，出水COD達到地表III類水標準，NH₄⁺-N、TN、TP達到地表IV類水標準?？梢?，水力負荷是人工濕地主要的設(shè)計參數(shù)，直接影響人工濕地對污染物的凈化效率。水力負荷過大，水力停留時間將會縮短，污染物可能未被及時吸收、吸附、降解即隨出水排出系統(tǒng)外，最終導(dǎo)致系統(tǒng)凈化效率下降[20]；水力負荷過小，水力停留時間長，雖然有助于有機污染物的去除[21]，但長期受到缺氧或厭氧環(huán)境的抑制，會影響系統(tǒng)脫氮[22]。過小的水力負荷需要較大的占地面積，還會增加工程投資和運行成本。因此，在進行人工濕地設(shè)計時，需要按照水質(zhì)凈化目標選擇適宜的占地面積及表面水力負荷參數(shù)。此外人工濕地的面積可以通過水力停留時間計算，采用COD、NH₃-N、TN、TP等污染物削減負荷（NA）進行校核[23]。

3.3 濕地填料選擇

人工濕地應(yīng)選擇具有一定機械強度、比表面積較大、穩(wěn)定性良好并具有合適孔隙率的填料，且在保證處理效果的前提下，宜根據(jù)當?shù)刭Y源狀況選取，以節(jié)省工程造價。常見的填料有碎石、火山巖、礫石、卵石、沸石、石灰石、礦渣、陶粒、陶粒濾料等[24-25]，也可采用經(jīng)過加工和篩選的碎磚瓦[26]或?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境安全的合成材料?；|(zhì)種類、粒徑和級配方式的不同對污染物的處理效果差異很大[27]，且不同基質(zhì)為植物和微生物提供的生存環(huán)境不同，從而會影響水處理效果。

3.4 濕地植物選擇與配置

濕地植物宜選用耐污能力強、根系發(fā)達、去污效果好、具有抗凍及抗病蟲害能力、有一定經(jīng)濟價值、易管理的本土植物。一般應(yīng)選用當?shù)鼗虮镜貐^(qū)天然濕地中存在的植物，所選植物不對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境構(gòu)成隱患或威脅，具有生態(tài)安全性。不同區(qū)域、不同生長環(huán)境下適宜的植物種類也有所差異。水平潛流人工濕地應(yīng)選擇挺水濕地植物，北方地區(qū)常選用蘆葦、香蒲、黃菖蒲、千屈菜、水蔥等[28]，南方地區(qū)常選用美人蕉、風(fēng)車草、再力花、香根草、花葉蘆荻等[29-30]。在確保濕地達到水質(zhì)凈化效果的同時，還需要考慮濕地植物的配置，可選用一種或多種植物作為優(yōu)勢種搭配栽種，增加植物的多樣性并營造良好的景觀效果[31]。

4 結(jié)語

（1）針對高速公路服務(wù)區(qū)的污水特征，采用人工濕地深度處理工藝，出水水質(zhì)可以達到并優(yōu)于GB/T 18921—2002標準，出水可用于高速公路綠化、沖廁等資源化利用。

（2）水平潛流人工濕地去除污染物的效果持續(xù)穩(wěn)定、建設(shè)投資相對節(jié)省、運行維護成本較低、管理維護簡單，對水質(zhì)和水量波動變化的適應(yīng)能力較強、生態(tài)景觀效果好，適合在高速公路污水處理項目中推廣應(yīng)用。

（3）人工濕地面積可采用表面水力負荷的計算方法確定，表面水力負荷宜根據(jù)水質(zhì)凈化目標與可用占地面積的大小在0.2～1.0 m3/（m2·d）范圍內(nèi)選取。人工濕地填料宜根據(jù)當?shù)刭Y源狀況選取，并確定適宜的基質(zhì)種類、粒徑和級配方式。水平潛流人工濕地植物應(yīng)根據(jù)生態(tài)安全性、區(qū)域環(huán)境適應(yīng)性等選擇挺水濕地植物，同時考慮植物配置，營造良好景觀效果。

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