人工濕地多單元水質(zhì)凈化工程技術(shù)研究

劉 愷

（甘肅第二建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州）

引言

我公司承建施工的隴西縣首陽鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地水質(zhì)凈化工程，位于隴西縣鞏昌鎮(zhèn)，總占地面積118.5 畝，處理規(guī)模為4 000 m3/d。本工程采用垂直潛流濕地水質(zhì)凈化工藝，作為一種低碳環(huán)保的水處理工藝，堅持“綠水青山就是金山銀山”的新發(fā)展理念，利用溝渠建設將凈化后的尾水輸送至西河。為使水質(zhì)凈化系統(tǒng)內(nèi)部的充氧更充分，有利于好氧微生物的生長和硝化反應的進行，對氮、磷的去除率增高。本研究擬對人工濕地多單元水質(zhì)凈化系統(tǒng)進行研究，促使類似工程達到碳排放量低、凈化效果好的施工效果。

1 人工濕地多單元水質(zhì)凈化系統(tǒng)工藝原理

1.1 潛流濕地工藝原理

在潛流濕地系統(tǒng)中，污水在濕地床體的內(nèi)部流動，一方面可以充分利用生態(tài)填料表面生長的生物膜、豐富的植物根系及表層土和生態(tài)填料截流等作用，以提高其處理效果和處理能力；另一方面由于水流在地表以下流動，具有保溫性能好、處理效果受氣候影響小、衛(wèi)生條件較好的特點。這種工藝還利用了植物的光合作用、吸收作用和根系傳氧作用等，對有機物和氨氮等去除效果好。

在潛流濕地上半部，由于有大氣復氧和植物根系傳氧作用的存在，微生物以好氧形式為主降解水中的污染物：硝化菌在好氧條件下，將污水中的氨態(tài)氮氧化為亞硝酸態(tài)氮或硝酸態(tài)氮，好氧異養(yǎng)型微生物在好氧狀態(tài)下，降解污水中的絕大部分有機物。在潛流濕地下半部，隨著溶解氧含量的降低，生化作用逐漸以缺氧和厭氧為主，在這個過程中能使部分硝態(tài)氮還原為氮氣而得到去除，同時能在一定程度上提高原水的可生化性[1]。

1.2 潛流濕地工藝原理

潛流濕地工藝原理見圖1。

圖1 潛流濕地工藝原理

1.3 施工工藝流程

施工準備、測量→基礎處理→土方工程→管網(wǎng)工程→混凝土工程→兩布一膜施工→濾料層鋪填→水生植物種植→日常保養(yǎng)。

1.4 操作要點

在大面積施工展開前，先進行工藝試驗并進行總結(jié)。根據(jù)相關地勘資料及構(gòu)筑物埋深，以卵石層或處理后的復合底基層為基礎持力層，處理后的地基承載力應滿足設計要求?，F(xiàn)場較低洼地區(qū)應根據(jù)實際情況采取合理降水措施，使地下水降至基礎以下不小于500 mm?；蛹皽喜坶_挖，采用機械大開挖，人工清基及修坡相結(jié)合的辦法，坡比大于等于1:0.75，如果出現(xiàn)開挖土質(zhì)較差的情況，增加噴錨加固措施，基坑底部四周操作面各預留1.5 m 左右，滿足施工人員作業(yè)及排水溝的設置。管溝土方開挖應保持梯形槽溝溝壁的穩(wěn)定及溝底工作面，槽壁自然放坡開挖放坡系數(shù)為1:0.75。管道溝底要求連續(xù)平整，溝底表面不得有碎石，硬塊和其它突出物。管道安裝時，管道里程采用道路里程，注意曲線內(nèi)外兩側(cè)的實際管長與里程樁不一致?；炷凉こ贪磧艋瘑卧謪^(qū)流水施工，每一流水段內(nèi)混凝土連續(xù)澆筑，如必須間歇，間歇時間盡量縮短，并在下層混凝土初凝前將上層混凝土澆筑完畢。兩布一膜施工采用人工合成復合襯里防滲系統(tǒng)，膜下保護層所采用的粘土滲透系數(shù)不應大于1.0×10 ℃cm/s, 垂直深度2.5 cm 內(nèi)粘土層不應含有粒徑大于5 mm 的尖銳物料，湖體、邊坡及壩體內(nèi)坡的土工膜、土工布一次鋪設完成，遇到管道、集水坑與立柱等特殊構(gòu)筑物時，防滲層應做特殊處理，并保證水流通暢。進水配水單元出水集水區(qū)填料為火山巖，中間各級處理單元采用礫石填料，分為上下兩層，上層200 mm 厚濾料層，下層300 mm 厚濾料層，填料裝填前應預先清洗干凈。種植的水生植物均應適合當?shù)睾鋮^(qū)域種植，具有適應性強，耐寒耐旱，對土壤要求不嚴格等特點[2]。

2 多單元水質(zhì)凈化系統(tǒng)關鍵技術(shù)

2.1 防滲系統(tǒng)

本研究所研究的主要是兩布一膜防滲系統(tǒng)，其中復合土工膜由長絲土工布或短纖土工布與土工膜、土工膜復合而成，復合土工膜具有平面排水的防滲特性。復合土工膜用土工織物代替顆粒材料作保護層，以避免土工膜防滲層受損，導致墊層粒徑的級配標準下降，且有利于水的排出。復合土工膜具有較高的摩擦系數(shù)，可以避免覆蓋層移動，和單一的土工膜比較，增添了保護層，復合土工膜所包含的無紡布有突出的摩擦性能，這種土工膜能夠讓坡比提高，從而讓所占用土地的面積降低。這種土工膜在穿刺、撕裂、頂破、抗拉等方面均有很大力學強度。并且其能夠承受一定程度的變形，能夠用較短的時間傳輸?shù)讐|層的應力，應變性能卓越。這種土工膜和土地接觸位置的空隙壓力容易散出。復合土工膜能夠保持一定的溫度，降低土地凍脹對其所產(chǎn)生的負面作用，進而降低土體形狀變化的程度。復合土工膜使用埋入的方式施工，抗老化功能顯著，能夠讓項目養(yǎng)護開支大大減少。另外，復合土工膜鋪設施工簡便，運輸量少，工程造價低，工期短。

2.2 污水預處理

為滿足工藝總體要求和進水水質(zhì)等要求，綜合考慮人工濕地類型及人工濕地前端進水量波動大、懸浮物濃度高，固本工程在進水前端設置了沉淀池，采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),壁厚300 mm，池高3.0 m，半徑5.0 m，有效水深2.5 m，將首陽鎮(zhèn)污水處理廠處理尾水通過尾水輸水管輸入進水沉降池，尾水經(jīng)過均勻沉降沿進水管進入濕地布水渠，使進入主處理單元的水質(zhì)均勻穩(wěn)定，以滿足進水水質(zhì)符合污水處理廠一級A標準。

2.3 多單元進水分配

經(jīng)過預處理的污水，為均勻布送至各濕地單元，必須設置布水渠。該布水渠位于人工濕地西端，通過布水渠將進水均勻布置到潛流濕地單元格內(nèi)，為防止水流出現(xiàn)堵流、短流或死角。將布水渠分為A、B 兩格，分別為A、B 單元進行布水，進水孔為400 mm*400 mm 進水孔，布水孔為φ200，采用DN200UPVC 盲管布水，管長4 m，斜向下45°雙側(cè)間隔布置圓形孔布水，布水管尾端設置通氣管，通氣管超出地面200 mm，并配套通氣帽,管道穿布水渠墻體采用柔性套管穿墻。

2.4 多單元垂直潛流濕地

本工程采用的多單元垂直潛流濕地工藝，是將A、B 濕地單元根據(jù)地形由中間隔增分為A、B 兩大單元并聯(lián)運行，各單元進一步分為六級串聯(lián)單元(濕地單元1#-6#)，濕地池體不規(guī)則，單元大小150 m2～520 m2不等。各級濕地單元由中間布水渠流入下一單元，中間布水渠設置在各級單元中間，收集上級單元出水并均布至下級處理單元，中間布水渠設置400 mm*400 mm 集水孔，集水孔內(nèi)置自行研發(fā)的水質(zhì)濾透裝置（見圖2），收集上級單元處理出水。水渠上部設置200 mm 高沿整個池長設計的長條出水口，出水漫過人行踏步形成瀑布水流至下級濕地單元。過程中經(jīng)過布水渠將預處理的污水布至各級處理單元，通過各部位生態(tài)填料對水體進行逐級凈化，同時在水體不同位置種植沉水植物、浮葉植物和挺水植物以吸收、吸附和轉(zhuǎn)化水和底泥中的有機物、氮、磷等污染物質(zhì)，實現(xiàn)了水質(zhì)凈化的目的。

圖2 自行發(fā)明的水質(zhì)濾透裝置

污水通過濕地單元處理后，排至濕地中水池,最終由出水管道將處理后出水排至西河河道。

2.5 在線監(jiān)測系統(tǒng)

本工程自動化系統(tǒng)主要為在線監(jiān)測儀表，可以實現(xiàn)水質(zhì)指標的實時檢測，并根據(jù)監(jiān)測到的工藝參數(shù)對控制方式進行調(diào)整。通過對參數(shù)進行定期監(jiān)測，分析濕地處理不同水量的影響，在濕地進出水口計量流量的變化并結(jié)合當?shù)氐臍庀筚Y料合理調(diào)節(jié)濕地進水量，提升濕地實際處理能力。并對監(jiān)測系統(tǒng)應用進行總結(jié)歸納，增加公司日后面對同類項目的施工能力[3]。為了及時準確地掌握濕地出水水質(zhì)及其變化過程，提高管理水平，儀表選型遵循以下原則：

（1）能準確、全面的反映工程濕地出水水質(zhì)參數(shù)和水量情況。

（2）儀表選用運行可靠、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，對國內(nèi)尚不成熟的產(chǎn)品或缺少的產(chǎn)品，應考慮引進國外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

（3）儀表的選擇要進行詳細的技術(shù)經(jīng)濟比較，充分考慮備品備件的價格和儀表維護費用的差異。

通過綜合對比分析本工程在線監(jiān)測系統(tǒng)主要選用下列儀表：

（1）氨氮測量

氨氮測量采用侵入式傳感器，配置相應的安裝附件及變送器。測量分辨率：≤0.2%滿量程，變送器輸出為Profibus-DP，變送器防護等級IP65，傳感器的防護等級IP68。

（2）COD 測量

COD 測量采用侵入式傳感器，配置相應的安裝附件及變送器。測量分辨率：1%，變送器輸出為Profibus-DP，變送器防護等級IP65，傳感器的防護等級IP68。

（3）總磷測量

總磷測量采用侵入式傳感器，配置相應的安裝附件及變送器。測量分辨率：≤0.2%滿量程，變送器輸出為Profibus-DP，變送器防護等級IP65，傳感器的防護等級IP68。

（4）總氮測量

總氮測量采用侵入式傳感器，配置相應的安裝附件及變送器。測量分辨率：≤0.2%滿量程，變送器輸出為Profibus-DP，變送器防護等級IP65，傳感器的防護等級IP68。

所有儀表的檢測信號及設備的狀態(tài)信號均實時納入主管部門監(jiān)測平臺，其中大部分參數(shù)均在就地顯示。

2.6 質(zhì)量控制

進、出水水質(zhì)標準見表1；人工濕地系統(tǒng)定期監(jiān)測內(nèi)容見表2；人工濕地運行維護監(jiān)測指標、方式、點位及頻率參照見表3。

表1 進、出水水質(zhì)標準

表2 人工濕地系統(tǒng)定期監(jiān)測內(nèi)容

表3 人工濕地運行維護監(jiān)測指標、方式、點位及頻率參照

3 傳統(tǒng)污水處理工藝

傳統(tǒng)污水處理的方法主要為物理分離技術(shù)和化學方法[4]。

3.1 污水處理物理技術(shù)

適用于那些在性質(zhì)方面或者體積方面很難進行后續(xù)處理的污染物質(zhì)。具有凈化設備多、能耗高、碳排放量大的特點，常見的有篩網(wǎng)、篩濾，重力分離及過濾法（沉淀、氣浮、過濾），膜分離（超濾、微濾和反滲透）以及吸附分離（活性炭吸附、沸石和萃取分離）等。

3.2 污水處理化學技術(shù)

這一技術(shù)的采用是針對污水當中的化學成分來合理科學有限度的添加一些化學藥物產(chǎn)品（例如像臭氧等），使其和污水中的有害物質(zhì)發(fā)生一定的化學反應，消釋其污水里的各種有毒有害成分，從而達到和實現(xiàn)凈化污水的理想效果。具有處理效率高，適用面廣，但生產(chǎn)的有毒有害物處理難的特點，常見的有化學氧化（臭氧化、光化學氧化、聲化學氧化和高錳酸鉀等）、中和法（酸堿污水互相中和）和沉淀法、混凝法。

4 “雙碳背景”下的多單元垂直潛流濕地

本項目所選用的多單元垂直潛流濕地是一種生物處理技術(shù)，將通過微生物對污水中的有機物進行生化反應，清除污水中的有機有害物質(zhì)，從而實現(xiàn)對水質(zhì)的凈化，過程中減少了有機碳源的消耗，同時對氨、氮、磷、硫等去除率較高，具有凈化效率高、能源消耗低、維修成本低等特點。隨著本項目的建成，隴西縣污水尾水利用率、渭河流域（隴西段）水質(zhì)明顯提高，實現(xiàn)水資源與水生態(tài)的良性循環(huán)。一方面，可以提高當?shù)鼐用窈陀慰偷纳鷳B(tài)環(huán)境保護意識和科學文化水平，提高公眾促進區(qū)域生態(tài)文化教育；另一方面，可以為中國典型西北方氣候條件下的水環(huán)境綜合治理提供可靠的實踐經(jīng)驗，為當?shù)丨h(huán)境的生態(tài)修復和水污染的治理提供了示范作用。