何凡 劉軍 丁宏云 林宇迪 郝智健 王達(dá)影 賈洪柏

（1.浙江國(guó)千環(huán)境技術(shù)發(fā)展有限公司，浙江 湖州 313300；2.浙江國(guó)阡環(huán)境與節(jié)能工程研究院，浙江 湖州 313300；3.東北林業(yè)大學(xué)，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(shí)，各省控、國(guó)控?cái)嗝嬷辛英躅愃|(zhì)斷面占比不斷下降［1-2］。城鎮(zhèn)污水處理廠尾水是河道穩(wěn)定的補(bǔ)充水源，其對(duì)省控、國(guó)控?cái)嗝娴挠绊懹葹槊黠@。當(dāng)前多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)排出水質(zhì)依然為劣Ⅴ類，所以執(zhí)行更高的排放標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。浙江省等地相繼提出強(qiáng)制性清潔排放地方標(biāo)準(zhǔn)，以期在排放源頭消滅劣Ⅴ類水［3-4］。

人工濕地、穩(wěn)定塘等生態(tài)處理技術(shù)在針對(duì)尾水處理中有著投資低、效率高、能耗低且出水穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)［5-9］，為城鎮(zhèn)污水處理廠尾水處理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。本項(xiàng)目污水處理廠位于浙江省某工業(yè)園區(qū)中，距國(guó)控?cái)嗝? km，為確保斷面水質(zhì)，對(duì)污水廠尾水提標(biāo)改造非常必要。以該污水處理廠尾水為治理對(duì)象，經(jīng)勘察設(shè)計(jì)，采用復(fù)合型人工濕地，即塘—床—表［3］的組合工藝對(duì)尾水進(jìn)行深度處理，監(jiān)測(cè)分析其進(jìn)出水水質(zhì)，以期本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用效果可為城鎮(zhèn)污水處理廠尾水處理提供參考的治理模式與科學(xué)依據(jù)。

2 工程概況

本項(xiàng)目污水處理廠位于國(guó)控?cái)嗝妗鬈嫦嬘盟幢Ｗo(hù)地）河畔，建設(shè)規(guī)模20 000 m3/d。該污水廠處理主體采用“預(yù)處理+水解酸化池+MSBR+MBR+V 型濾池”處理工藝，出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為浙江省DB 33/2169—2018《城鎮(zhèn)污水處理廠主要污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表1 排放標(biāo)準(zhǔn)限值，即CODCr≤40 mg/L，NH3-N≤2 mg/L，TP≤0.3 mg/L，國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)要求執(zhí)行地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。在該污水廠周邊規(guī)劃出土地建設(shè)復(fù)合型人工濕地，經(jīng)濕地處理后排入西苕溪，提標(biāo)改造后出水指標(biāo)滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，即CODCr≤20 mg/L，NH3-N≤1 mg/L，TP≤0.2 mg/L，對(duì)TN 無要求。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 工藝流程

綜合考慮項(xiàng)目用地條件、工程建設(shè)投資、周期和運(yùn)維等方面因素，本項(xiàng)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(jí)穩(wěn)定塘工藝。以“穩(wěn)定塘+人工濕地”的組合工藝對(duì)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(jīng)水泵提升輸送至尾水處理區(qū)，經(jīng)配水渠進(jìn)入兼性塘及好氧塘，塘內(nèi)部設(shè)深水區(qū)、淺水區(qū)，形成兼氧區(qū)和好氧區(qū)，并種植浮水、挺水和沉水植物，通過生態(tài)穩(wěn)定塘水生植物的攔截、吸收和水生動(dòng)物、微生物的好氧厭氧等協(xié)同作用，將水體中的部分懸浮物、有機(jī)物和氮磷去除。尾水經(jīng)穩(wěn)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(jīng)過化學(xué)、生物過程，可以把土壤和水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收、固定、轉(zhuǎn)化，達(dá)到降解水體中的污染物的目的。經(jīng)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(nèi)，經(jīng)過深度凈化后由泵提升至西苕溪。各穩(wěn)定塘、人工濕地之間以石籠進(jìn)行分隔，石籠是由機(jī)械將金屬線材編織成的多絞狀六角形網(wǎng)制成的網(wǎng)箱，其內(nèi)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(huán)境的有利條件，按建（構(gòu)）筑物使用功能和流程要求，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦?、氣候、地質(zhì)條件，考慮到施工、維護(hù)和管理等因素，合理對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行安排，緊湊布置。本項(xiàng)目生態(tài)凈化系統(tǒng)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(shè)計(jì)有效面積約14 607 m2，水平潛流人工濕地設(shè)計(jì)有效面積約13 917 m2），生態(tài)塘占地面積為26 700 m2（兼性塘設(shè)計(jì)有效面積約10 355 m2，好氧塘設(shè)計(jì)有效面積約14 180 m2）。

3.2 主要工程設(shè)計(jì)

3.2.1 配水渠

本次工程整體采用配水渠進(jìn)行并聯(lián)區(qū)域配水，配水渠寬度為1.2 m。單池內(nèi)部通過UPVC 穿孔管實(shí)現(xiàn)均勻配水，通過水位調(diào)節(jié)管進(jìn)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(fā)生堵塞現(xiàn)象，同時(shí)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(hù)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(jīng)配水渠進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，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(gè)區(qū)域：表層好氧區(qū)，此區(qū)域內(nèi)好氧菌與藻類共生，具有好氧塘的特點(diǎn)；底層厭氧區(qū)，此區(qū)域內(nèi)主要依靠厭氧菌的作用對(duì)固體雜質(zhì)進(jìn)行分解；中部即為兼性區(qū)，此區(qū)域內(nèi)存在著可起兩種作用的兼性菌，通過兼性菌分解有機(jī)物達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。兼性塘水力停留時(shí)間為12.4 h。

來水流經(jīng)兼性塘后，通過石籠進(jìn)入好氧塘中，好氧塘內(nèi)分為A 塘和B 塘兩個(gè)區(qū)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(shí)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(shí)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(jìn)行光合作用，使塘內(nèi)自身溶解氧保持在較高水平，達(dá)到菌藻互利共生的條件，為好氧菌分解有機(jī)物提供優(yōu)越的生態(tài)環(huán)境。好氧塘內(nèi)溶解氧含量一般高于1 mg/L，陽(yáng)光能透射到塘底。同時(shí)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(jié)構(gòu)包括配水區(qū)、處理區(qū)、集水區(qū)。配水區(qū)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(qū)為人工濕地的主體部分，水質(zhì)凈化作用主要在該區(qū)域完成，該區(qū)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(duì)污染物進(jìn)行處理。集水區(qū)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(gè)區(qū)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(shí)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(jié)構(gòu)包括配水渠、進(jìn)水區(qū)、處理區(qū)、出水區(qū)、集水渠，總有效面積13 917 m2，水力停留時(shí)間3.8 h。進(jìn)水區(qū)為一進(jìn)水池，其進(jìn)水方向?qū)挾葹? m，進(jìn)水池內(nèi)堆滿卵石，直徑為60～100 mm；功能區(qū)內(nèi)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(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)起到保護(hù)植物根系與穩(wěn)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(shí)。在進(jìn)水區(qū)與出水區(qū)處填料粒徑增大，填料層與植物吸附作用相結(jié)合，用以吸收水中污染物質(zhì)。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(jìn)水管進(jìn)水處位于填料層，使水流水平方向平穩(wěn)流經(jīng)水平潛流人工濕地，經(jīng)調(diào)節(jié)豎管流入出水池內(nèi)，可調(diào)節(jié)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(qū)被水流浸沒，最后進(jìn)出水管流入下一階段。出水池內(nèi)堆滿卵石，直徑為60～100 mm。

3.2.5 植物配置

本項(xiàng)目濕地植物選擇了富集能力強(qiáng)的功能性植物、景觀性植物和經(jīng)濟(jì)植物，從植物的高度、色彩、季節(jié)性等方面考慮進(jìn)行合理配置，增加植物的多樣性、經(jīng)濟(jì)性和景觀性。挺水植物優(yōu)先選擇黃花鳶尾、再力花、香蒲、千屈菜、蘆葦?shù)任锓N，浮水植物優(yōu)先選擇荷花、荇菜等物種，沉水植物優(yōu)先選擇黑藻、狐尾藻、苦草、菹草等物種。穩(wěn)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(nèi)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(fā)達(dá)，對(duì)于污染物的吸收效率更高。根據(jù)整個(gè)濕地的現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境，以及各類建（構(gòu)）筑物使用功能和流程要求，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦?、氣候、地質(zhì)條件，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)種植植物，既要充分發(fā)揮植物吸收與吸附的作用，也要保證整個(gè)濕地的景觀美化。

4 運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)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(zhì)，以及微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對(duì)污水進(jìn)行凈化。相較于天然濕地，人工濕地對(duì)污染物去除有著更好的效果。其作用機(jī)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(yùn)行，自2022 年3 月至2023 年2 月對(duì)濕地進(jìn)出水口進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為CODCr，NH3-N，TP，分析組合濕地對(duì)尾水的處理效果。

4.1 CODCr 去除效果

由圖2 可知，經(jīng)濕地及穩(wěn)定塘系統(tǒng)處理后出水水質(zhì)達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，總體去除率達(dá)到48.6%～61.3%，平均去除率達(dá)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(jié)性雨水影響，二是氣候影響植物生長(zhǎng)。夏季雨水普遍比冬季多，氣候也更加適合植物的生長(zhǎng)，有研究表明，當(dāng)溫度在20 ℃左右時(shí)，濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)有機(jī)質(zhì)的處理效果最好；此外，進(jìn)入冬季后部分濕地植物的枯萎會(huì)產(chǎn)生有機(jī)物釋放進(jìn)入水體中，也是冬季出水水質(zhì)CODCr相較于夏季較高的原因之一。

圖2 CODCr 進(jìn)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(duì)NH3-N 的總體去除率達(dá)到57.2%，出水平均濃度為0.81 mg/L，達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。從趨勢(shì)上可看出，進(jìn)入夏季后，NH3-N 的去除率穩(wěn)步上升，在9 月份達(dá)到最高。溶解氧是制約硝化反應(yīng)的重要因素之一，進(jìn)入夏季，植物生長(zhǎng)茂盛，通過光合作用產(chǎn)生的氧氣充足，硝化反應(yīng)相應(yīng)得到提升。進(jìn)入秋冬季節(jié)，陽(yáng)光減少，部分植物進(jìn)入衰弱期，有些浮水植物與沉水植物甚至死亡，水力負(fù)荷增大，是去除率下降的主要原因。

圖3 NH3-N 進(jìn)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(wěn)定在32.6%～39.2%之間，相對(duì)于CODCr濃度，TP 的去除率浮動(dòng)不大，變化較為平穩(wěn)。整體來看，平均進(jìn)水濃度為0.274 mg/L，平均出水濃度為0.177 mg/L，達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。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(jié)冰的可能，對(duì)人工濕地的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)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(jìn)入水體。

圖4 TP 進(jìn)出水濃度及去除效果

4.4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

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(tǒng)工程總投資為2 999.43 萬元，折合投資成本為1 500 元/m3，項(xiàng)目運(yùn)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(nèi)河水源補(bǔ)給，本項(xiàng)目所在地區(qū)水價(jià)為2.75 元/m3，則每天可節(jié)約水費(fèi)5.5 萬元，扣除每日運(yùn)行成本，則間接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益5.3 萬元。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目是浙江省某城鎮(zhèn)污水處理廠尾水提標(biāo)改造工程，靠近飲用水水源保護(hù)區(qū)及國(guó)控?cái)嗝妫菜钠焚|(zhì)與水量直接影響到受納水體以及國(guó)控?cái)嗝娴乃|(zhì)，通過分析本工程的復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)對(duì)尾水的處理情況，得出如下結(jié)論：

（1）復(fù)合型人工濕地能有效提升與凈化污水處理廠尾水的水質(zhì)，CODCr，NH3-N，TP 的年平均去除率分別達(dá)到54%，57.2%，35.2%，出水穩(wěn)定達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)要求。

（2）濕地生態(tài)系統(tǒng)的去除效率呈季節(jié)性變動(dòng)，各污染物處理效率在冬季相比夏季要弱，故在冬季應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，確保出水水質(zhì)滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，應(yīng)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(tǒng)的正常運(yùn)行。

（3）在表面流人工濕地與水平潛流濕地中，根據(jù)植物的生長(zhǎng)周期，在秋冬季節(jié)及時(shí)對(duì)濕地水體表面的腐敗植物進(jìn)行清理，并定期對(duì)填料介質(zhì)進(jìn)行沖刷疏通，避免出現(xiàn)堵塞、植物腐爛等問題，保障人工濕地的運(yùn)轉(zhuǎn)。

實(shí)踐證明，多級(jí)穩(wěn)定塘+人工濕地組合而成的復(fù)合型人工濕地工藝對(duì)污水廠尾水有著良好且穩(wěn)定的凈化效果，同時(shí)在景觀設(shè)計(jì)的加持下，具有較高的美觀效果與實(shí)用價(jià)值。