北方人工湿地污水处理技术应用研究与示范工程
摘要：针对北方地区气候特点，开展了人工湿地污水处理技术在北方的单元应用研究与工程示范。在设计上对潜流湿地越冬深度、填料结构、布集水系统和水位调整导淤方式进行优化创新，并采取了预处理与人工湿地组合工艺调节各季节运行效果；通过单元实验研究了湿地应用的工艺条件(深度、水力负荷、污染负荷)，以及湿地的保温效果与全年运行效率，介绍了利用该技术建设的示范工程概况，分析了其产生的经济、社会与环境效益。
关键词：北方人工湿地；潜流；应用研究；示范
1 前言
人工湿地作为一种生态型污水处理技术，目前在国外很多国家得到了普遍关注与应用。这种技术与传统污水生化处理技术相比，具有建设成本与运行成本低、处理效果好、兼有生态修复功能与营造生态景观等特点[1，2]。在我国，人工湿地技术逐渐开始受到了人们的重视，并已经在我国南方的一些城市与农村地区得到了应用，但是在我国的北方寒冷地区开展相关研究的却并不多见。国内的一些研究多为小试、中试水平，实际应用的较少，而且规模小，缺乏工程应用和运行管理经验，这就限制了人工湿地技术在我国北方地区的应用。
本研究针对人工湿地技术在北方地区的气候特点，开展了潜流湿地工程应用单元的设计与相关条件实验研究。同时，通过示范工程的建设和运行，总结人工湿地技术在我国北方地区工程应用的技术与管理经验，实际考核其建设与运行成本，综合分析其社会、环境和经济效益，为我国北方地区人工湿地技术的应用与推广奠定基础。
2 湿地单元实验工艺设计
2．1 潜流湿地单元尺寸设计
潜流式构筑湿地应作为北方地区人工湿地的首选和主要类型。污水处理单元长度通常定为20～50m，过长易造成湿地床中的死区，且使水位难于调节，不利于植物的栽培。也有一些学者建议，潜流湿地处理单元长度应控制在12～30m之间，以防止短路情况的发生[2]。选择适宜的长宽比有利于减少水流短路，使得湿地水流更趋近于推流，同时也利于导淤和工程应用中的布水分配与收集。湿地处理系统长宽比应控制在3:1以下，工程应用中建议采用1:1，减少湿地单元数量，降低建设成本。
考虑到本单元实验将与示范工程建设相结合，综合分析工程应用中的单元建设成本，污水处理对象，水力布设系统和试验基地土地的地形地势与可利用性等因素，本研究中的独立湿地单元长(L：水力路径)26m，宽(B：布水向)25m，有效面积为L×B=26×25=650m2，长宽比为1.04:1。
2．2 填料结构设计
湿地单元四周采用240砖墙、土工膜整体焊接护围。底部平整设坡，坡度采用1 ～2 。湿地结构由湿地防渗膜、湿地填料、湿地植物、集配水系统及导膜管构成。湿地床层自下而上各层填料的分布：夯实粘土，防水土工膜，土壤，不同粒径和功能的砾石级配区(具有布收水、净水、沉淤到膜功能)、表层种植土。深度不同的湿地床，填料的厚度构成不同。
2．3 布水与集水系统设计
为保证湿地的处理效果，使污水在湿地床层内流程顺畅，着重考虑了在湿地整个宽度上均匀布水和集水的问题[3]。穿孔大小及间距取决于进水流量、水质情况、水力停留时间等因素，同时在湿地进水方式上有较为独特的创新，即采用水平潜流与上升式复合垂直布水方式，其好处主要有以下几点：①水平潜流能够保证冬季的正常运行；②上升式垂直流能充分利用植物根系；③水平潜流与上升式复合垂直布水方式能完美地变换湿地内部的水力流态，在植物的不同生长季节进行交替使用，最大空间上利用湿地的效能；④上升式垂直布水方式使得大部分悬浮物以及脱落的生物膜沉积在湿地填料层底部导膜区，便于清淤。
2．4 水位调节、湿地防堵系统设计
湿地能否正常运行，水位控制是非常重要的因素。在本研究中，设置两种水位调节方式，一种是在出水管上设可转动弯管，随弯管的转动来控制调整湿地单元内水位的高低，另一种是在出水渠内设闸板，按要求控制湿地整体水位。
在运行过程中，湿地内部会形成一些生物膜等沉积物，为了有效防止堵塞淤积，为此专门在湿地底部设计一套导膜冲洗系统，定期开启，利用快速的水流将这些沉积物从湿地排出。导膜系统可根据湿地单元的尺寸与构造进行设计，可以在湿地坡降最低处设置单排导膜冲洗系统，亦可在湿地底部设网状导膜冲洗系统。本研究中采用单排塑料管。
2．5 预处理工艺的选择与设计
预处理与人工湿地结合作为北方人工湿地组合工艺的重要意义不仅在于对湿地入水进行初级处理，保证实地系统的安全稳定运行，更重要的是通过调整预处理的处理深度，保证系统各季节的运行效果[4]。春夏秋季充分利用湿地的净水功能，冬季强化预处理进行补充。在保证污水处理效果的前提下，可极大地降低运行成本。
通常出水指标要求较低时，预处理采用常规一级处理即可，比如调节池沉砂池、格栅间、配水井或提升泵房等。当出水指标要求较高时，预处理采用常规一级半处理或一级强化处理，比如水解酸化、高负荷活性污泥法，当出水指标要求更高时，预处理采用二级处理，湿地系统作为深度处理工艺。本研究采用一级强化的浮动生化床作为预处理工艺。
3 湿地单元实验方法
湿地实验单元根据设计要求进行建设，湿地植物根据筛选结果选用北方优势品种芦苇和已在沈阳地区培养种植多年的茭白为主。植物栽种后，定期观察测定生长状况，缓苗达到旺盛生长期后在湿地中进入污水，适应两周后开始进行测试。
入水为沈阳马官桥农大地区的生活污水与严重污染的满堂河河水，农大污水经预处理后，水质控制在COD：100～150mg／L；SS：30～50mg／L；NH3一N：15～25IIlg／L；TP：2～4mg／L，河水经初级沉淀、格栅处理后进入湿地，上述水质根据实验要求调配控制。
湿地单元深度研究选3种不同深度，其它条件实验均选1.2m，水力负荷选择5个不同范围，其它条件实验均选1:3。冬季对湿地单元一般都采取了湿地收割物与地膜覆盖的保温措施。
测试指标主要是COD、NH3—N、SS与TP等。结果分析参考《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)》(以下简称《标准》)。
4 单元试验结果与分析
4．1 湿地单元深度研究
对于我国北方地区，湿地深度不仅影响着建设成本、湿地水力负荷，还直接关系到冬季的保温与正常运行问题。选取0.8m、1.2m、1.6m三种深度的湿地单元比较冬季的处理效果，同时测试冬季的冻土层深度。
从三种深度湿地的出水污染物浓度看，COD基本在20～60mg／L范围内，NH3一N在6～15mg／L内，TP在0.2～1.5mg／L范围内。由此可见，在冬季采取保温措施条件下，1.2m与1.6m深度的湿地出水水质主要指标在全年均可满足《标准》中的一级B标准，0.8m深度的湿地也基本达到该标准，但耐冲击性较差，当入水浓度较高时，出水水质波动较大。
从各污染物的去除率来看，不同湿地深度的效果差别还是存在的，见表1。
从表1结果可以看出，深度不同对湿地单元的处理效率有一定影响，深度增加，处理效果有不同程度的提高，但超过1.2m后，增加深度对于提高COD等污染物的去除率已经不明显了。
此外，从表2的冬季冻土深度看，采取保温措施后，各种深度的湿地单元冻土深度都在0.2m以内；如果不采取保温措施，则影响程度略有不同，因为冻土层对0.8m深度的湿地单元有效体积的影响最大，该深度在北方应用存在一定风险，而1.2m与1.6m深的湿地单元受影响程度差异不大。
综上，为了提高湿地处理效率，还要保证冬季处理效果，同时降低建设成本，北方人工湿地深度选择1.2m是比较合适的。
4．2 湿地单元水力负荷研究
水力负荷按照人水量／湿地面积的比例关系，选择了1:1、1:2、1:3、1:5、1:10等5个不同范围不同水力负荷下去除效率见表3。监测时间选择在6～8月，每周取样，最后结果取平均值。
从表3看出，在一定的人水浓度下，水力负荷对湿地单元的净化效果有着显著的影响作用。随着水力负荷的降低，湿地单元的处理效果会逐渐得到提高，但当超过1:3以后，湿地的去除效率增加不再明显了。在该入水浓度下，1:2是湿地单元能承受的最高水力负荷，此时各项污染物指标可以达到《标准》中的二级标准。1:3是湿地单元最适合的水力负荷，此时湿地对污染物去除效率较高，同时与更低的水力负荷相比，其占地面积更小，因而大大降低了建设成本。
4．3 湿地单元污染负荷研究
控制湿地入水COD在：60～100、100～150、200～250、350～400mg／L四个不同浓度范围内。监测时间选定在9～10月份，每周取样，最后结果取平均值，结果见表4～表7。
可以看出，湿地试验单元对不同浓度的污染物均有着较好的去除效率。当入水浓度在70～400mg／L之间变动时，湿地的COD、SS去除率均在60%以上，NH3—N、TP的去除率在55%以上。当入水污染物浓度增加时，湿地的处理效率会有一定幅度的下降当控制入水COD在100～150mg／L之间时，出水各项指标可以达到《标准》中的一级B标准以上。
4．4 湿地单元保温效果研究
比较采取保温措施与未采取保温措施对湿地运行的影响，主要指标是湿地冬季冻土深度。同时，对采取保温措施时湿地的进出水水温进行监测。选择北方每年冬季气温较低的12月、1月和2月三个月进行观测，每日观测一次，每天上午九点进行测量。冻土深度采用自制的一套测温装置进行监测，结果见图1、2。
经分析可以看出：
(1)采取保温措施的湿地比无保温的湿地冻土层深度大约减少400mm 左右，冻土层保持在200mm以内，而未采取保温措施的湿地地块全年最深冻层达到600mm。
(2)采取保温措施后，湿地内水温降低幅度较小，在2℃左右，基本不受气温的影响。
(3)湿地试验单元采取保温措施后，经过冬季运行的检验，结果证明运行正常，效果良好，各项设施完好。湿地填料层绝大部分没有结冻。因此，湿地收割物与地膜覆盖是北方地区一种简易和行之有效的构筑湿地保温方法。
4．5 湿地单元污染物去除效果分析
为了研究湿地单元在全年中对污染物的去除效果，对湿地单元进行连续一年的水质监测，每周测试一次。另外，冬季适当提高预处理的作用，以此来降低湿地单元的进水污染物负荷。
经过对湿地单元连续一年的水质监测，我们认为该湿地运行效果良好，能够满足在北方寒冷地区运行的要求，水质处理完全达到了设计要求(《标准》中的一级B标准)。潜流湿地单元在每年的6月到10月对污染物的处理效果最好，这也是一年中湿地植物生长最旺盛的时候。湿地单元对COD的去除率最高达到71.3%，对SS的去除率最高达到76.6%，对NH3—N 的去除率最高达到63.5%，对TP的去除率最高达到68.9%。在冬季，潜流湿地处理效果略有下降，但各项污染物指标下降率未超过15%，出水水质良好。
湿地单元全年污水处理效果变化见图3。
5 工程应用
5．1 示范工程概况
示范工程位于沈阳市东陵区满堂河的下游马官桥附近，其主要污染源包括沈阳农业大学(简称农大)校区污水，以及马官桥断面上游近18km河道沿途居民分散排放的生活污水与部分企业排放的工业废水。人工湿地生态示范工程分为两部分：
(1)对农大排污口城市污水，采用浮动生化床一级强化预处理与潜流构筑湿地工艺组合，处理量1万t／d。出水部分进入表流景观湿地系统。通过对预处理系统与北方潜流湿地系统污染负荷的调控，实现最佳工艺组合。
(2)对满堂河的部分污水采用格栅／沉砂预处理与潜流湿地工艺组合进行净化处理，处理量约为1万t／d。根据河流水质变化情况调整负荷分配，净化河道水质。
该工程建设投资1343万元，日处理污水量2万t／d。工程于2003年5月动工，9月底完工，10月通水调试。
5．2 运行效果
本示范工程自2003年1O月开始调试运行，年底进入满负荷运行，经过2003、2004、2005连续三年的持续越冬运行(最低气温达到-30度左右)，证明了该技术的先进性与可靠性。出水主要指标达到《标准》中一级B标准，甚至优于设计要求，示范工程水质处理效果见表8。
5．3 效益分析
示范工程自2003年底进入正常运行以来，产生了良好的经济、社会与环境效益：
(1)出水指标在同等投资条件下，优于常规污水生化处理，可作为中水回用于景观绿化与热电厂用水；
(2)投资与运行成本比常规二级污水处理厂降低30%以上，特别是在运行费用方面优势明显，单位水处理成本仅为0.20～0.35元。
(3)生态效果显著，在高效处理污水的同时，改善了局部小气候与生态环境，促进了生物多样性恢复与保护，运行3年来动植物种类逐年增加，吸引了大量鸟类栖息。营造了优美的湿地生态景观；
(4)该工程的建设与运行为湿地技术在我国北方地区的应用推广起到了积极的示范作用，提供了大量宝贵的实验数据与运行管理经验，吸引了众多专家学者前来参观学习。并已成为沈阳市环境保护与湿地生态科普教育的基地。
参考文献
1．National Risk Management Research Laboratory office of Research and Development， Manual constructed wetlan ds treatment of municipal wastewaters．
2．李善征等．人工湿地工程实例简介[J]．北京水利，2004，(1)．
3．何成达等．波式潜流人工湿地处理生活污水的试验研究[J]．农业环境科学学报，2004，23，(4)．
4．陈德强等．不同湿地组合工艺净化污水效果研究[J]．中国给排水，2003，19(9)．
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