人工濕地在工業(yè)園區(qū)污水廠尾水處理中的工程應用
針對工業(yè)園區(qū)污水處理廠出水中有機污染物、氮、磷等超標問題，采用“水平潛流+表面流”復合人工濕地工藝，對污水處理廠尾水進行深度凈化。運行結果表明:濕地系統(tǒng)凈化效果良好，運行穩(wěn)定，對SS、COD、BOD5、TN、NO－3－N、NH3－N和TP平均去除率分別為58.3%、35.7%、47.4%、52.8%、65.4%、52.6%和53.6%，出水水質(zhì)指標(除SS外)達到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。該工程具有顯著的生態(tài)效益和社會效益。
人工濕地是20世紀70年代興起的一種污水生態(tài)凈化技術，即經(jīng)過人工設計和工程強化，由基質(zhì)、植物、微生物、動物和水體組成的模擬天然濕地的一種復合體。它具有適用范圍廣、去除效果好、基建和運行費用低、操作簡單、易于管理維護和生態(tài)效益顯著等優(yōu)點。
人工濕地處理技術常用于不同類型污水的生態(tài)凈化處理，如生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水、景觀水體、污染河水及污水處理廠二級出水等，尤其是對工業(yè)園區(qū)內(nèi)污水處理廠尾水的深度凈化，不僅具有進一步地凈化作用，同時也改善了工業(yè)園區(qū)內(nèi)的生態(tài)景觀，實現(xiàn)了污水廠尾水的再生利用和生態(tài)修復的雙重效果。因此，人工濕地是提升我國工業(yè)園區(qū)污水廠尾水水質(zhì)的首選生態(tài)處理工藝之一。
由于北方缺水城市工業(yè)園區(qū)普遍存在的水資源短缺與水環(huán)境質(zhì)量惡化問題，對工業(yè)區(qū)污水處理廠排水進行深度處理和利用勢在必行。
對以污水廠出水為代表的非常規(guī)水源的生態(tài)應用、排水系統(tǒng)調(diào)控、城市湖庫與河道生態(tài)景觀水體建設及景觀水質(zhì)改善、水環(huán)境承載力提升等多方面的實際需求，將水污染物削減、水環(huán)境質(zhì)量改善和水生態(tài)修復作為一個整體系統(tǒng)加以考慮。采用投資省、水循環(huán)利用效率高、生態(tài)效益好的人工濕地處理工藝，開展以污水廠出水為主要生態(tài)用水水源的濱海城市健康水系構建與維護技術體系研究，以期為工業(yè)園區(qū)污水處理廠尾水再生利用和景觀水體構建提供技術支撐和工程示范。
1工程設計
1.1設計處理規(guī)模
建設項目位于華北某干旱缺水城市某工業(yè)園區(qū)，在園區(qū)內(nèi)建設有污水處理廠和再生水廠。為保障污水廠和再生水廠出水水質(zhì)，采用人工濕地系統(tǒng)對其進行深度生態(tài)凈化，其出水最終用于園區(qū)景觀用水，實現(xiàn)水資源的再生利用。該人工濕地進水為工業(yè)園區(qū)污水處理廠出水和再生水廠反滲透濃水尾水，其中，污水處理廠出水水量為11000m3/d，再生水廠尾水水量為6500m3/d。人工濕地的設計處理規(guī)模為17500m3/d。
1.2設計水質(zhì)
濕地系統(tǒng)進水主要是工業(yè)園區(qū)污水處理廠出水和再生水廠尾水的混合污水。根據(jù)相關材料，污水處理廠出水主要污染指標ρ(COD)、ρ(BOD5)、ρ(NH3－N)、ρ(TP)、ρ(SS)和pH分別為60，20，15，1，20mg/L和6～9;再生水廠尾水主要污染指標ρ(COD)、ρ(BOD5)、ρ(NH3－N)、ρ(TP)、ρ(SS)和pH分別為180，60，30，3，60mg/L和6～9。
設計進水水質(zhì)根據(jù)兩部分來水水質(zhì)、水量進行分析計算并結合現(xiàn)場監(jiān)測分析確定，濕地系統(tǒng)出水水質(zhì)參照GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準考慮。人工濕地系統(tǒng)的設計進、出水主要污染指標見表1。
表 1 設計進出水水質(zhì)
1.3工藝流程
本工程污水處理廠出水和再生水廠尾水經(jīng)濕地系統(tǒng)強化處理后主要用于城市景觀用水。因此，選擇方案在考慮濕地處理效能的同時需兼顧區(qū)域景觀規(guī)劃要求，使?jié)竦亟ㄔO與景觀構建、生態(tài)恢復相協(xié)調(diào)。
考慮到滲濾型濕地對土壤滲濾速度和地下水位要求較高，鑒于預選場址土壤滲濾速度極差、地下水位接近地表面，滿足不了滲濾型濕地最低要求。
因此，不宜選擇滲濾型濕地工藝。而北方城市冬季冰凍頻繁，表面流人工濕地的水流暴露于大氣，水流在表層，過多的利用表面流人工濕地容易造成冰凍，使內(nèi)部與大氣隔絕影響氧氣的溶解，不利于冬季濕地的運行;而潛流人工濕地位于地面下層，冬季時可保持水層溫度，水體對流、蒸發(fā)的熱損失較少。
故本工程選擇處理效果有保障、投資省、運行費用低、易操作的“潛流+表面流”復合型濕地，達到水體景觀與水質(zhì)凈化雙重目的。
濕地系統(tǒng)的設計平面圖和斷面圖分別如圖1和圖2所示。
圖 1 復合人工濕地平面布置
圖 2 復合人工濕地斷面示意
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1.4人工濕地面積確定
1.4.1按污染物負荷計算
由污染物面積負荷確定濕地面積，計算公式如式(1)所示。
式中:A為人工濕地面積，m2;Q為設計處理規(guī)模，m3/d;Ci為進水中污染物濃度，g/m3;Ce為出水濃度，g/m3;N為污染物面積負荷，g/(m2˙d)。
工程主要以水平潛流濕地為主，表面流人工濕地為輔，因此，首先根據(jù)水平潛流濕地的污染物負荷來確定水平潛流濕地面積，然后結合現(xiàn)場可用總面積來確定表面流人工濕地的面積。
根據(jù)國內(nèi)外研究結果，以進水中COD、BOD5、NH3－N和TP4項指標確定水平潛流濕地的N分別為5～53.9，1.5～12，0.01～5，0.123～1.27g/(m2˙d)。結合表1，計算得到不同污染物所需的水平潛流濕地面積依次為46723，43750，42000，46666m2;為保障最不利條件下濕地的凈化效能，應選擇最大面積，比較以上結果，確定水平潛流人工濕地面積為46800m2，考慮實際場地可用面積約56300m2，確定表面流濕地面積為9500m2。
結合現(xiàn)場地勢情況，參考HJ2005—2010《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》，確定水平潛流濕地分兩級布設，整個濕地系統(tǒng)的主要參數(shù)見表2。
表2人工濕地的主要設計參數(shù)
1.4.2水力負荷核算
根據(jù)設計處理規(guī)模和污染物面積負荷確定的濕地面積來核算濕地水力負荷(Lr)如式(2)所示。
Lr=Q/A=17500/56300=0.31m/d(2)
參照國內(nèi)外研究結果，人工濕地的水力負荷取值為0.1～1.2m/d，由此可見，上述計算結果值符合要求。綜上，確定人工濕地總面積為56300m2。
1.5濕地結構設計
考慮到濕地的處理效能和景觀效果，濕地系統(tǒng)選擇多種水生植物，其中，水平潛流濕地選用的植物主要為蘆葦、香蒲、水蔥、菖蒲、千屈菜和鳶尾;表面流人工濕地選用生長旺盛的挺水植物蘆葦和香蒲。人工濕地根據(jù)地勢階梯布設，其中一級潛流濕地、二級潛流濕地及表面流人濕地之間的高差依次為0.4，1.3m。
一級潛流和二級潛流濕地功能區(qū)的基質(zhì)自下而上布設依次為0.6m高的粒徑60～90mm大礫石、0.4m高的粒徑20～40mm小礫石和0.2m高的粒徑10～20mm碎石屑;而表面流濕地基質(zhì)分2層鋪設，表層為種植土，鋪設厚度為0.15m，下層鋪設0.2m厚河沙，總厚度為0.35m，排水端與人工湖相接，采用澆筑的石積護岸，增強了與景觀湖的自然銜接性。
濕地底層防滲處理采用0.25mm厚HDPE土工膜防滲，防滲系數(shù)小于10－8m/s，濕地側(cè)壁采用鋼筋混凝土澆筑，濕地底坡度為0.5%。
1.6其他構造物設計
1.6.1集配水系統(tǒng)
原水由調(diào)節(jié)池流入到人工濕地前端混凝土澆筑的配水渠，然后通過UPVC穿孔管進入濕地系統(tǒng)大礫石(d60～90mm)配水區(qū)(寬1.5m)，再流經(jīng)主體填料區(qū)，最后由系統(tǒng)末端大礫石(d60～90mm)集水區(qū)(寬1.5m)排到表面流人工濕地，最后表面流人工濕地出水直接排入景觀湖。
1.6.2放空井
濕地系統(tǒng)設有4座放空井，尺寸為長×寬×高=6000mm×2800mm×2640mm，每個放空井內(nèi)各置1臺潛水排污泵，規(guī)格為90m3/h，揚程為13m，功率為5.5kW。
2運行效果與分析
工程于2013年6月建成并投入試運行。實際處理規(guī)模為4000m3/d，來水僅為污水廠尾水。運行穩(wěn)定后于2013年10月—2015年9月對進、出水進行連續(xù)監(jiān)測，采樣頻率3次/月。監(jiān)測方法參照文獻［13］。運行期間人工濕地各污染物進、出水濃度及平均去除率如表3所示。
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由表3可知:濕地系統(tǒng)對各污染物均具有較好的去除效果。系統(tǒng)進水中ρ(SS)、ρ(COD)、ρ(BOD5)、ρ(TN)、ρ(NO－3－N)、ρ(NH3－N)和ρ(TP)的平均濃度分別為29.5，71.1，8.3，14.1，10.6，1.04，1.07mg/L，相應的平均去除率依次為58.3%、35.7%、47.4%、52.8%、65.4%、52.6%和53.6%，出水中除SS(12.3mg/L)外，其他各指標均達到GB18918—2002一級A標準，滿足景觀用水水質(zhì)要求。
表 3 運行期間人工濕地各污染物進出水濃度及平均去除率
運行結果表明:濕地系統(tǒng)對COD去除率相對較低，不僅顯著低于人工濕地處理高污染河水COD的去除率(74.5%)，也遠低于王玉雙等研究的水平潛流人工濕地對污水廠尾水中COD的去除效果(60%左右)，這與本研究中系統(tǒng)進水中ρ(BOD5)/ρ(COD)僅為0.12有關，有研究表明ρ(BOD5)/ρ(COD)＜0.3，即代表污水中易降解成分偏低，說明該工業(yè)園區(qū)污水廠尾水中易降解的有機物所占比例很小，從而使人工濕地有機物去除率偏低。
但系統(tǒng)出水ρ(BOD5)/ρ(COD)降低到0.1，降低幅度僅為20%，推測系統(tǒng)對難降解有機物也有一定去除效果，表明污水經(jīng)濕地系統(tǒng)后可生化性顯著降低。有研究表明，人工濕地脫氮機理復雜，常見機理包括NH3揮發(fā)、氨化作用、硝化反硝化作用、植物和微生物吸收及厭氧氨氧化等作用。
表3表明:系統(tǒng)對尾水中N污染物凈化效果顯著，而進水中ρ(NO－3－N)占ρ(TN)達75%，NO－3－N為污水中N的主要形態(tài)，而硝態(tài)氮主要是通過反硝化細菌去除的，NH3－N去除率低于NO－3－N，由此推測系統(tǒng)的反硝化效果較好。
另外，一般認為pH是影響濕地中氨氮揮發(fā)的重要因素，該濕地系統(tǒng)進水中pH(7.3～8.3)接近于8，基本可忽略揮發(fā)作用對NH3－N的去除，很可能是通過硝化作用和植物吸收去除的，但進水中NH3－N負荷較低，導致濕地系統(tǒng)硝化作用不足，故可通過提高硝化作用來提高系統(tǒng)對NH3－N的去除。
相比其他指標，該工程對TP去除率較好(53.6%)，主要是由于該濕地系統(tǒng)中填料主要由礫石組成，而有研究表明礫石中富含Ca、Al和Fe，對P有較強的吸附性，試驗測試濕地系統(tǒng)中的礫石仍處于未飽和狀態(tài)，預期系統(tǒng)對P的吸附和儲存量仍較大。
3工程效益
工程實施后，根據(jù)實際運行效果和實際處理規(guī)模可知，濕地系統(tǒng)對污染物SS、COD、BOD5、TN、NH3－N和TP年消減量依次為26，38，6，11，1，1t/a，顯著降低工業(yè)園區(qū)內(nèi)污水處理廠尾水對水體環(huán)境的污染，具有顯著的環(huán)境效益。
該工程不僅削減了污染物排放，也減少園區(qū)建設對臨近海域的生態(tài)影響。而且，污水再生和高效循環(huán)利用，不僅節(jié)約了水資源，同時促進了園區(qū)循環(huán)經(jīng)濟模式的建立;濕地系統(tǒng)的構建，可極大改善工業(yè)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，為園區(qū)的招商引資工作打下良好的基礎，可獲得較大的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益。
4結論
1)本工程采用“水平潛流+表面流”復合型人工濕地系統(tǒng)凈化工業(yè)園區(qū)污水處理廠尾水，詳細介紹了設計參數(shù)確定。在實際運行中，該工藝凈化效果顯著，出水(除SS外)中COD、BOD5、TN、NO－3－N、NH3－N和TP濃度均達到GB18918—2002一級A標準，滿足景觀用水水質(zhì)。
2)運行結果表明:復合型人工濕地系統(tǒng)凈化效果良好，運行穩(wěn)定，對SS、COD、BOD5、TN、NO－3－N、NH3－N和TP平均去除率分別為58.3%、35.7%、47.4%、52.8%、65.4%、52.6%和53.6%。
3)該工程有效提升了工業(yè)園區(qū)污水水質(zhì)，對SS、COD、BOD5、TN、NH3－N和TP的年消減量依次為26，38，6，11，1，1t/a，具有顯著的生態(tài)效益和社會經(jīng)濟效益。