生態(tài)型景觀—人工濕地深度處理城市二級(jí)污水處理廠出水的工程應(yīng)用

郭治東,陳冠宇,趙世勛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

隨著國(guó)家和地方政府對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的逐年提高，某些區(qū)域城市污水處理廠出水已不能完全滿足排放需求，需對(duì)污水處理廠出水進(jìn)行深度處理。山東省某污水處理廠最大日處理污水量20 000 m3/d，出水水質(zhì)可達(dá)到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)地方生態(tài)環(huán)境局要求，需將污水處理廠出水經(jīng)人工濕地處理后達(dá)到或優(yōu)于GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，方可排入受納水體龍拱河，相應(yīng)的人工濕地進(jìn)、出水主要指標(biāo)見表1。

表1 人工濕地進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo) mg/L

根據(jù)規(guī)劃，工程可供用地約6.67 hm2，主體工藝水力負(fù)荷不得小于0.4 m/d，其中潛流濕地5 hm2，出水指標(biāo)區(qū)、道路及配套設(shè)施1.67 hm2。主要工程包括土方調(diào)整、潛流濕地主體工程、出水指示區(qū)、引排水設(shè)施、超越管渠、回流系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、道路系統(tǒng)、管理房、景觀小品等。結(jié)合上述各項(xiàng)指標(biāo)要求，經(jīng)過論證分析，主體工藝最終采用垂直潛流濕地—氧化塘—垂直潛流濕地的多級(jí)串聯(lián)處理工藝[1]，并在設(shè)計(jì)中充分利用濕地特征考慮了景觀設(shè)計(jì)[2]。

1 工藝方案論證

根據(jù)污水處理廠出水水質(zhì)的特點(diǎn)，要使處理后的出水主要指標(biāo)CODCr、NH3—N達(dá)到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)要求，同時(shí)爭(zhēng)取TP和BOD5的去除效果最優(yōu)，必須選擇合理、經(jīng)濟(jì)、可行的水工藝設(shè)計(jì)方案。

(1)表面流人工濕地

表面流人工濕地系統(tǒng)內(nèi)水面為自然水面，水流處于自由表面流動(dòng)狀態(tài)，主要通過濕地內(nèi)浮游植物、浮水植物、沉水植物、挺水植物吸收以及微生物的截留、吸附與分解等，起到凈化水質(zhì)的作用[3]。

(2)垂直潛流人工濕地

垂直潛流人工濕地是潛流式濕地的一種形式，在垂直潛流系統(tǒng)中，污水在生態(tài)濾床上垂直下滲，在縱向流的過程中污水依次經(jīng)過不同的介質(zhì)層，以達(dá)到凈化的目的[4]。

(3)水平潛流人工濕地

水平潛流人工濕地是潛流式濕地的另一種形式，污水在地面以下的填料中流動(dòng)，由進(jìn)水口一端沿水平方向流動(dòng)過程中依次通過砂石、介質(zhì)、植物根系，流向出水口一端，以達(dá)到凈化目的[5]。

對(duì)3種濕地基本特征從處理效果、技術(shù)先進(jìn)性等方面進(jìn)行比較，見表2。

表2 濕地處理系統(tǒng)類型比較

綜合考慮水平和垂直潛流濕地特點(diǎn)、處理效果和占地面積，最終確定選用垂直潛流人工濕地。

針對(duì)來水水質(zhì)可生化性差、濕地出水水質(zhì)要求高、濕地建設(shè)面積有限、存在低溫運(yùn)行期[6]等項(xiàng)目特點(diǎn)，為保證濕地出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，濕地低能耗高效運(yùn)行，與二期工程相銜接，在確定整體采用垂直潛流濕地凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工藝優(yōu)化和組合，增加曝氣及回流系統(tǒng)，綜合考慮各方面因素，最終確定采用垂直潛流濕地—氧化塘—垂直潛流濕地相串聯(lián)的組合工藝。

兩級(jí)潛流濕地串聯(lián)可以優(yōu)化去除效果，最大限度提高對(duì)有機(jī)物和氨氮的去除[7-8]。氧化塘的加入可以節(jié)省水頭損失，增加水體復(fù)氧能力，為濕地曝氣提供空間。

2 可達(dá)性分析

該工程通過優(yōu)化人工濕地組合工藝、優(yōu)化水力參數(shù)、增加曝氣等措施確保濕地出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)后排入龍拱河，保障河道的水質(zhì)安全。針對(duì)人工濕地出水水質(zhì)中主要污染物CODCr、NH3—N處理目標(biāo)可達(dá)性進(jìn)行分析。

2.1 CODCr可達(dá)性分析

(1)加深潛流濕地深度

葉建峰等研究表明[9]，當(dāng)水力負(fù)荷為0.3 m/d，進(jìn)水水質(zhì)有機(jī)負(fù)荷為39.9～81.6 mg/L，在以級(jí)配粒徑粗砂為基質(zhì)的垂直潛流濕地1.1 m處，污染物去除率為70%；當(dāng)水力負(fù)荷為0.5 m/d，進(jìn)水水質(zhì)有機(jī)負(fù)荷為66.5～136 mg/L，在以級(jí)配粒徑粗砂為基質(zhì)的垂直潛流濕地1.1 m處，污染物去除率為35.58%。試驗(yàn)表明，在低濃度污染物進(jìn)水，且水力負(fù)荷較小時(shí)污染物去除率高。葉建峰試驗(yàn)進(jìn)水為上海某污水處理廠出水，與本項(xiàng)目進(jìn)水水質(zhì)接近，因此將其作為參照進(jìn)行分析。

項(xiàng)目選用垂直潛流濕地填料厚1.8 m，采用級(jí)配礫石，水力停留時(shí)間為1.02 d，水力負(fù)荷為0.4 m/d，進(jìn)水水質(zhì)中有機(jī)負(fù)荷為50 mg/L，與葉建鋒試驗(yàn)中低濃度進(jìn)水水質(zhì)接近。雖增加了濕地深度，加強(qiáng)了厭氧酸化作用，但由于污染物可生化性很差，考慮到出水穩(wěn)定性，將垂直潛流人工濕地有機(jī)物有效去除率取35.58%是可行的。經(jīng)計(jì)算，通過垂直潛流濕地可去除單位體積進(jìn)水中CODCr量為17.79 mg。

(2)氧化塘中增加生物載體

黃建洪等研究表明[10]，氧化塘對(duì)微污染水體進(jìn)水中CODCr去除率為22.1%～35.5%，雖然本項(xiàng)目氧化塘中沒有種植植物，但增加了生物載體，通過氧化塘可去除單位體積進(jìn)水中CODCr量為11.05 mg。

經(jīng)過垂直潛流人工濕地以及氧化塘處理以后，單位體積進(jìn)水中CODCr可去除量為28.84 mg，要達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)還需要去除單位體積進(jìn)水中CODCr量為1.16 mg。因此考慮在氧化塘中增加生物載體，并設(shè)置回流比保障出水水質(zhì)中CODCr達(dá)標(biāo)。

(3)生物載體

在單個(gè)氧化塘中設(shè)置900 m2新型生物載體[11]，整個(gè)工程設(shè)置14個(gè)氧化塘。新型生物載體比表面積約為40萬 m2/m3，在自然環(huán)境下新型生物載體對(duì)有機(jī)物的去除負(fù)荷為2 304 g BOD5/(1 000 m2生物載體·d)。氧化塘中水力停留時(shí)間為1.58 d，則新型生物載體可降解單位體積出水中BOD5為2.29 mg，根據(jù)BOD5與CODCr之間的關(guān)系可知，可降解單位體積出水中的CODCr大于1.16 mg。

(4)增加回流比

在人工濕地運(yùn)行期間，通過增加回流比[12]作為水質(zhì)保障措施，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)?；亓髁孔鳛樗|(zhì)保障手段是通過控制回流量來實(shí)現(xiàn)，回流量最大為1∶1。在夏季水質(zhì)出水穩(wěn)定時(shí)期，減小回流量，在冬季低溫時(shí)期1∶1回流，保證出水水質(zhì)中CODCr達(dá)標(biāo)。

通過以上4項(xiàng)措施，可以保障出水中CODCr濃度達(dá)標(biāo)。

2.2 NH3—N可達(dá)性分析

(1)垂直潛流濕地去除作用

白曉龍等研究表明[13]，填充高25 cm、粒徑1～2 cm礫石，處理NH3—N含量為14.3～33.7 mg/L的廢水，水力停留時(shí)間1 d，隨著礫石上生物掛膜量增加，NH3—N去除率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后去除率為35%。

類比可知，項(xiàng)目采用165 cm厚的礫石填料層，上層附15 cm厚的火山巖填料層。水力停留時(shí)間1.02 d，在夏季垂直潛流人工濕地對(duì)氨氮的去除率達(dá)到80%是可行的。

(2)增加火山巖填料層

盧少勇等學(xué)者對(duì)29種濕地填料進(jìn)行氨氮吸附解析研究[14]，火山巖、瓷砂陶粒、生物炭、沸石五種吸附材料對(duì)氨氮吸附能力較高，其中火山巖對(duì)氨氮吸附性最強(qiáng)，且解析率低。項(xiàng)目采用火山巖取代部分礫石，用火山巖置換15 cm厚填料，增強(qiáng)填料對(duì)氨氮的去除。該措施為出水中氨氮達(dá)標(biāo)提供了保障。

(3)增加曝氣

曝氣設(shè)備不但可以加強(qiáng)生物載體對(duì)污染物的去除，也可以增加水質(zhì)中溶解氧量。在冬季潛流人工濕地運(yùn)行不穩(wěn)定，人工濕地硝化作用嚴(yán)重削弱，必須通過曝氣手段增加水體溶氧量[15-16]。1 mg NH3—N完全硝化耗氧量為17.78 mg，單位體積進(jìn)水中NH3—N濃度達(dá)標(biāo)排放需要消耗124.45 mg溶解氧。通過曝氣增加的溶解氧須大于124.45 mg。

氧化塘中設(shè)置懸掛式曝氣鏈[17-18]，懸掛式曝氣鏈單位體積理論通氣量為1.6～3.0 m3/(h·個(gè))，取最小值1.6 m3/(h·個(gè))。20 ℃下飽和空氣密度為1.20 kg/m3，復(fù)氧的利用效率為5%～10%，在單個(gè)氧化塘中設(shè)置150個(gè)懸掛式曝氣鏈，因此單個(gè)氧化塘中通過曝氣可為單位體積進(jìn)水增加127.41 mg溶解氧，溶解氧量大于氨氮硝化需氧量，因此在冬季可以通過曝氣將氨氮完全硝化，使出水水質(zhì)中氨氮達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

通過以上3項(xiàng)措施，保障出水中NH3—N濃度達(dá)標(biāo)。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 濕地平面布置

項(xiàng)目紅線范圍內(nèi)面積為6.67 hm2，其中人工濕地面積5 hm2。其整體布置結(jié)合周邊地形、已有建(構(gòu))筑物及景觀。工程內(nèi)容包括：濕地配水、集水系統(tǒng)、超越管線、垂直潛流人工濕地、氧化塘、生態(tài)塘、曝氣系統(tǒng)、管理用房、道路、木棧道及其他配套設(shè)施等內(nèi)容。

工程建設(shè)規(guī)模如下。

人工濕地：有效濕地面積50 400 m2，共42個(gè)處理單元，其中含有28個(gè)潛流濕地單元(長(zhǎng)×寬：45 m×30 m，面積37 800 m2)，14個(gè)氧化塘單元(長(zhǎng)×寬：30 m×30 m，面積12 600 m2)；

管理道路2條，長(zhǎng)度分別是248 m和210 m，面積1 240 m2和1 050 m2；

木棧道4條，總長(zhǎng)度895 m，面積1 342.5 m2；

管理房：建筑面積345 m2；

綠化面積：882 m2；

標(biāo)識(shí)設(shè)施：標(biāo)識(shí)牌20塊；

亭：直徑5 m的木制亭子2座；

土方工程：項(xiàng)目開挖土方量為169 754.5 m3，主要為濕地床體開挖。土方填筑總量為3 132.75 m3，主要用于道路、管理區(qū)、生態(tài)塘、周圍景觀(島)的填筑等。土方外運(yùn)量為166 621.75 m3，主要用于二期工程和周邊區(qū)域土方填筑。

平面布置如圖1所示。

圖1 人工濕地平面布置(單位：m)

3.2 濕地高程布置

以污水處理廠出水口高程為相對(duì)高程0點(diǎn)。項(xiàng)目采用潛流濕地—氧化塘—潛流濕地相串聯(lián)的組合工藝。設(shè)計(jì)第一組潛流人工濕地進(jìn)水水頭相對(duì)高程為0 m，出水水頭相對(duì)高程為-0.9 m。設(shè)計(jì)氧化塘進(jìn)水水頭相對(duì)高程為-0.9 m，出水水頭相對(duì)高程為-1.1 m，設(shè)計(jì)第二組潛流人工濕地進(jìn)水水頭相對(duì)高程為-1.1 m，出水水頭相對(duì)高程為-2.0 m。集、配水渠水頭損失考慮為0.2 m。濕地床深為1.8 m，氧化塘深為2.5 m。

3.3 配水、集水系統(tǒng)

配水渠采用鋼混結(jié)構(gòu)，表面采用水泥砂漿抹面，配水管采用UPVC穿孔管。集水采用兩種方式：濕地東側(cè)采用集水渠，濕地南側(cè)和西側(cè)采用生態(tài)塘，集水管采用UPVC穿孔管。

3.4 填料選擇

考慮工程預(yù)算以及濕地采用垂直流形式要注意防堵塞[19-21]，填料主要采用級(jí)配礫石(厚165 cm)，粒徑0～80 mm，隨深度逐層加厚，中間層混合火山巖(厚15 cm)，總填料厚度180 cm，適當(dāng)增加填料深度以加強(qiáng)處理效果。同時(shí)項(xiàng)目所在地冬天溫度較低，最大凍土層厚度約0.5 m，適當(dāng)增加填料厚度可以防止冬天濕地床被完全凍結(jié)，同時(shí)在冬天形成冰層保溫，保證冰層下部的正常處理效果。

3.5 植物選擇

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究院曾對(duì)濕地植物進(jìn)行研究[22]，結(jié)果表明：蘆葦、香蒲、菖蒲、茭白和鳶尾5種植物，平均氮、磷累計(jì)量分別為20.60 mg/g和3.08 mg/g。不同植物對(duì)不同污染物的凈化效果有差異，黃鳶尾對(duì)TN的凈化效果最好，蘆葦對(duì)TP的凈化效果最好，香蒲、菖蒲、茭白對(duì)水質(zhì)的凈化效果也不錯(cuò)，而且適合北方種植。

沈陽環(huán)科院對(duì)北方人工濕地植物選擇做過研究，受試植物為香蒲、茭白、蘆葦、菖蒲、東方蓼、藨草、水燭、澤瀉、慈姑、大薸、水葫蘆。挺水植物對(duì)CODCr的平均去除率為80%，其中茭白、香蒲的降解率為85%～90%，略高于其他挺水植物，而浮水植物對(duì)CODCr的平均去除率為60%；挺水植物對(duì)NH3—N的平均去除率為75%，其中茭白的降解率為80%～83%，浮水植物對(duì)NH3—N的平均去除率68%；挺水植物對(duì)TP的平均去除率為70%，其中蘆葦?shù)慕到饴蕿?8%～80%，而浮水植物對(duì)TP的平均去除率為65%。

綜上所述，潛流人工濕地內(nèi)選擇蘆葦、香蒲、菖蒲等挺水植物，考慮景觀效應(yīng)，選擇了少量黃鶯尾、千屈菜、美人蕉等[23]。這些植物為人工濕地系統(tǒng)主要的植物選配品種，根系發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)量大，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并存，對(duì)氮、磷和鉀的吸收都比較豐富。

3.6 超越管渠和回流管線

對(duì)于超過2萬m3/d的來水，從超越管渠流入濕地西側(cè)生態(tài)塘。為了提高出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)保障水平，濕地設(shè)回流系統(tǒng)。在生態(tài)塘設(shè)回流泵，將濕地出水回流至配水渠及氧化塘進(jìn)行處理?；亓鞴芫€設(shè)置于從南側(cè)生態(tài)塘中間部分到配水渠初始端口之間。

3.7 曝氣系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)放置風(fēng)機(jī)3用1備，便于不同風(fēng)量調(diào)節(jié)，單臺(tái)1.66 m3/min，風(fēng)壓0.343 kPa，功率2.2 kW。曝氣管采用焊接鋼管。氧化塘內(nèi)放置曝氣鏈，增加水體溶解氧量，有利于好氧微生物發(fā)揮降解作用。曝氣鏈排間距3 m，曝氣鏈底部距池底1 m，每個(gè)氧化塘曝氣鏈5條，共70條，每條長(zhǎng)30 m。

4 景觀設(shè)計(jì)及功能定位

4.1 景觀設(shè)計(jì)

景觀設(shè)計(jì)理念：天圓地方，善水先行。棧道、休憩亭是圓的，代表“天圓”；濕地床是方的，代表“地方”。

景觀設(shè)計(jì)以中國(guó)樸素辯證思想為理論依據(jù)，用“方”“圓”美學(xué)形態(tài)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)元素，展開整體規(guī)劃設(shè)計(jì)。天圓地方，道在中央，方中有圓，圓中有方，上揆之天，下驗(yàn)之地，中審之人，天地人合而為一。

景觀設(shè)計(jì)主體為“水調(diào)歌頭，流觴曲水”，配水渠西側(cè)濕地取名“水調(diào)歌頭”，配水渠東側(cè)濕地取名“流觴曲水”。

為便于濕地管理，濕地上建圓弧形木質(zhì)管理道路，寬度為1.5 m，共895 m。取名“如水棧道”，棧道與配水渠交匯位置建造1座直徑5 m的亭子，取名“碧波亭”。棧道與濕地西南角交匯處設(shè)置1座直徑5 m的亭子，取名“荷花亭”。

生態(tài)塘外側(cè)各設(shè)置1座生態(tài)島，西側(cè)島嶼400 m2，南側(cè)島嶼450 m2，以草地為主，同時(shí)種植其他裝飾性花卉及常年綠色的灌木。生態(tài)塘內(nèi)種植大片荷花、睡蓮等，起名“水天一色”。

4.2 功能定位

功能定位：水質(zhì)凈化、宣傳展示和科普教育。

景觀功能以水質(zhì)凈化功能為主，削減污水處理廠出水污染負(fù)荷，經(jīng)過人工濕地處理后主要水質(zhì)指標(biāo)CODCr、NH3—N達(dá)到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III類。同時(shí)建設(shè)完善的科普教育、宣傳展示等設(shè)施，使其成為集水質(zhì)凈化、科普教育及水生態(tài)文明建設(shè)宣傳展示示范等多功能于一體的人工濕地系統(tǒng)。

5 結(jié)語

人工濕地用于城市污水處理廠出水的深度處理，創(chuàng)造性地在兩級(jí)人工濕地之間增加了氧化塘，采用垂直潛流濕地—氧化塘—垂直潛流濕地相串聯(lián)的組合工藝，既強(qiáng)化了處理效果，又增加了景觀效應(yīng)。同時(shí)針對(duì)該工程存在濕地建設(shè)面積有限、存在低溫運(yùn)行期等特點(diǎn)，通過增加潛流濕地深度、氧化塘設(shè)置曝氣、必要時(shí)采取回流、利用火山巖填料等一系列措施，確保出水主要水質(zhì)指標(biāo)CODCr、NH3—N達(dá)到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水體要求，CODCr去除率達(dá)62.26%，NH3—N去除率達(dá)87.5%。利用人工濕地及氧化塘的特點(diǎn)賦予景觀設(shè)計(jì)，構(gòu)建了水質(zhì)凈化、環(huán)境美化的水生態(tài)文明示范工程，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙豐收。

鐵路車站也可借鑒此類設(shè)計(jì)，將車站景觀與車站污水處理深度結(jié)合，在處理車站污水的同時(shí)提升車站的景觀效應(yīng)。