人工濕地在工業園區污水廠尾水處理中的工程應用
針對工業園區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:濕地系統凈化效果良好，運行穩定，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%，出水水質指標(除SS外)達到GB18918—2002《城鎮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凈化技術，即經過人工設計和工程強化，由基質、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效益顯著等優點。
人工濕地處理技術常用于不同類型污水的生態凈化處理，如生活污水、工業廢水、農業廢水、景觀水體、污染河水及污水處理廠二級出水等，尤其是對工業園區內污水處理廠尾水的深度凈化，不僅具有進一步地凈化作用，同時也改善了工業園區內的生態景觀，實現了污水廠尾水的再生利用和生態修復的雙重效果。因此，人工濕地是提升我國工業園區污水廠尾水水質的首選生態處理工藝之一。
由于北方缺水城市工業園區普遍存在的水資源短缺與水環境質量惡化問題，對工業區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水源的生態應用、排水系統調控、城市湖庫與河道生態景觀水體建設及景觀水質改善、水環境承載力提升等多方面的實際需求，將水污染物削減、水環境質量改善和水生態修復作為一個整體系統加以考慮。采用投資省、水循環利用效率高、生態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，以期為工業園區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設計處理規模
建設項目位于華北某干旱缺水城市某工業園區，在園區內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，采用人工濕地系統對其進行深度生態凈化，其出水最終用于園區景觀用水，實現水資源的再生利用。該人工濕地進水為工業園區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模為17500m3/d。
1.2設計水質
濕地系統進水主要是工業園區污水處理廠出水和再生水廠尾水的混合污水。根據相關材料，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。
設計進水水質根據兩部分來水水質、水量進行分析計算并結合現場監測分析確定，濕地系統出水水質參照GB18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準考慮。人工濕地系統的設計進、出水主要污染指標見表1。
表 1 設計進出水水質
1.3工藝流程
本工程污水處理廠出水和再生水廠尾水經濕地系統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域景觀規劃要求，使濕地建設與景觀構建、生態恢復相協調。
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凈化雙重目的。
濕地系統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，然后結合現場可用總面積來確定表面流人工濕地的面積。
根據國內外研究結果，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。
結合現場地勢情況，參考HJ2005—2010《人工濕地污水處理工程技術規范》，確定水平潛流濕地分兩級布設，整個濕地系統的主要參數見表2。
表2人工濕地的主要設計參數
1.4.2水力負荷核算
根據設計處理規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的基質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，防滲系數小于10－8m/s，濕地側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
原水由調節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大礫石(d60～90mm)配水區(寬1.5m)，再流經主體填料區，最后由系統末端大礫石(d60～90mm)集水區(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
濕地系統設有4座放空井，尺寸為長×寬×高=6000mm×2800mm×2640mm，每個放空井內各置1臺潛水排污泵，規格為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。實際處理規模為4000m3/d，來水僅為污水廠尾水。運行穩定后于2013年10月—2015年9月對進、出水進行連續監測，采樣頻率3次/月。監測方法參照文獻［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:濕地系統對各污染物均具有較好的去除效果。系統進水中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，說明該工業園區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。
但系統出水ρ(BOD5)/ρ(COD)降低到0.1，降低幅度僅為20%，推測系統對難降解有機物也有一定去除效果，表明污水經濕地系統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、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，而硝態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的重要因素，該濕地系統進水中pH(7.3～8.3)接近于8，基本可忽略揮發作用對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，導致濕地系統硝化作用不足，故可通過提高硝化作用來提高系統對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，試驗測試濕地系統中的礫石仍處于未飽和狀態，預期系統對P的吸附和儲存量仍較大。
3工程效益
工程實施后，根據實際運行效果和實際處理規?？芍?，濕地系統對污染物SS、COD、BOD5、TN、NH3－N和TP年消減量依次為26，38，6，11，1，1t/a，顯著降低工業園區內污水處理廠尾水對水體環境的污染，具有顯著的環境效益。
該工程不僅削減了污染物排放，也減少園區建設對臨近海域的生態影響。而且，污水再生和高效循環利用，不僅節約了水資源，同時促進了園區循環經濟模式的建立;濕地系統的構建，可極大改善工業區的生態環境質量，為園區的招商引資工作打下良好的基礎，可獲得較大的經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凈化工業園區污水處理廠尾水，詳細介紹了設計參數確定。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。
2)運行結果表明:復合型人工濕地系統凈化效果良好，運行穩定，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園區污水水質，對SS、COD、BOD5、TN、NH3－N和TP的年消減量依次為26，38，6，11，1，1t/a，具有顯著的生態效益和社會經濟效益。