復(fù)合型人工濕地對鐵路站點污水處理效果的研究

劉建明，張 皓，趙子成

(中鐵二院工程集團有限責任公司環(huán)境工程研究院，成都 610031)

復(fù)合型人工濕地對鐵路站點污水處理效果的研究

劉建明，張 皓，趙子成

(中鐵二院工程集團有限責任公司環(huán)境工程研究院，成都 610031)

為優(yōu)化鐵路站、點污水的處理效果，結(jié)合鐵路污水的特殊性制定復(fù)合型人工濕地處理工藝。該工藝較傳統(tǒng)人工濕地增設(shè)前處理構(gòu)筑物，且由表流型、潛流型濕地和生物氧化塘兩種或多種形式優(yōu)化組合。通過建成武廣客運專線清遠站現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的對比，驗證復(fù)合型人工濕地工藝在鐵路站點污水的處理效果，并詳細分析復(fù)合型人工濕地在車路站點甚至環(huán)境敏感地區(qū)的適用性。

鐵路車站；污水；復(fù)合型人工濕地；前置構(gòu)筑物；污水處理效果

隨著工業(yè)化、市場化、城鎮(zhèn)化進程的加快，必將帶動全社會人員、物資加快流動，使全社會運輸需求總量持續(xù)增長。而鐵路具有的運力大、占地少、能耗低、污染少、全天候、適應(yīng)性強的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，也必將促進鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展。但是隨著鐵路客流量及運輸量的增大，其在運輸工程中產(chǎn)生的生活污、廢水及維護機器時產(chǎn)生的含油污、廢水也隨之增多[1]。眾所周知，水污染已經(jīng)成為全球重大環(huán)境問題之一，為響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，建立以鐵路業(yè)為骨干的資源節(jié)約型、環(huán)境保護型的現(xiàn)代化交通體系成為必然[2]。20世紀70年代以來，人工濕地處理技術(shù)的提出和發(fā)展，為污水處理提供了一種更加生態(tài)環(huán)保的處理方式。人工濕地是一種模擬自然濕地人工建造的地面，人為地將石、砂、土壤等一種或幾種介質(zhì)按一定比例構(gòu)成基質(zhì)，并結(jié)合實際情況選擇植入植物的污水處理生態(tài)系統(tǒng)[3]。

但是，人工濕地污水處理技術(shù)在我國的發(fā)展及應(yīng)用時間還相對較短，還沒有比較成熟的設(shè)計參數(shù)，其工藝設(shè)計也還處于試驗摸索階段。

清遠車站為已建成武廣客運專線重要車站。車站距清遠城中心約7 km，離北江岸約2 km處。北江為重要的環(huán)境保護區(qū)，根據(jù)環(huán)評報告為環(huán)境敏感地段，對環(huán)境要求較高，因此污水處理成為本站重點關(guān)注和研究的問題。該站污水主要為生活污水，晝夜用水量57 m3/d，污水排放量40 m3/d。該站附近污水管網(wǎng)仍未配套完善，為確保污水能達標排放，車站污水處理采用復(fù)合型人工濕地進行處理。本文根據(jù)鐵路站點污水的特點，結(jié)合傳統(tǒng)人工濕地污水處理系統(tǒng)工藝，研究確定了復(fù)合型人工濕地處理工藝，并通過清遠站現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)分析了采用復(fù)合型人工濕地對鐵路站點的污水處理的顯著效果，供廣大環(huán)境保護研究者研究并指正。

1 鐵路站、點污水的特點及污水處理的現(xiàn)狀

由于鐵路生產(chǎn)運輸過程的特殊性，鐵路污水具有以下一些主要特點[4]：污水量小(一般為10～2 000 m3/d)；污水進水量很不均衡；點多線長，污染源分散；因生產(chǎn)廢水一般經(jīng)過專項處理，故污水性質(zhì)以生活污水為主。而根據(jù)路內(nèi)環(huán)保部門的檢測資料[5]，其污染物指標主要為CODcr：80～550 mg/L，BOD5：30～440 mg/L，SS：50～200 mg/L。

目前鐵路的生產(chǎn)污水常采用專項處理，如機務(wù)段、車輛段的含油污水出流采取預(yù)處理，如氣浮出流；酸堿廢水采用中和處理；糞便污水就地設(shè)化糞池處理等。經(jīng)過專項處理后，目前常采用人工濕地進行二級處理，但是由于人工濕地內(nèi)基質(zhì)的類型是有限的，對于這種混合污水的處理效果往往不盡如意。且鐵路沿線的站點通常遠離城鎮(zhèn)，生活污水排放管網(wǎng)又與城市市政排水系統(tǒng)不能相連接，若生活污水經(jīng)預(yù)處理或不經(jīng)處理就排放，則會給站點周圍的環(huán)境和居民健康帶來較大影響。

2 傳統(tǒng)人工濕地概況

人工濕地系以人工建造和監(jiān)督控制的、與沼澤地相類似的地面，通過自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物三者協(xié)同作用以達到對污水的凈化。此種濕地系統(tǒng)[6]是在一定長寬比及底面坡度的洼地中，由土壤和填料混合組成填料床，廢水在床體的填料縫隙或在床體表面流動，并在床體表面種植處理性能好、成活率高、抗水性強、生長周期長、美觀及具有經(jīng)濟價值的水生植物，形成一個獨特的動、植物生態(tài)系統(tǒng)，對污廢水進行處理。

人工濕地[7]按污水水力形式可分為表面流、潛流式和垂直濕地三種類型，水平潛流人工濕地易形成缺氧或厭氧環(huán)境，垂直流人工濕地則以好氧環(huán)境為主，而表面流人工濕地通常被認為能夠強化水面復(fù)氧作用。但是不可避免的會出現(xiàn)各自的弊端，比如：表面流濕地由于污水在填料表面漫流，易滋生蚊蠅，對周圍環(huán)境會產(chǎn)生不良影響，且處理效率較低。潛流型人工濕地為了提高硝化和反硝化作用，將其設(shè)計成有一定底面坡降的、長寬比大于3且長大于20 m的構(gòu)筑物，但是難以實現(xiàn)均勻布水，且占地面積也比較大。

3 復(fù)合型人工濕地

結(jié)合目前鐵路污水處理的現(xiàn)狀，污水的特點以及鐵路用地的狀況，在人工濕地污水處理工藝的基礎(chǔ)上確定了復(fù)合型人工濕地處理工藝。

復(fù)合型人工濕地處理工藝原理為：將不同類型的生態(tài)處理工藝進行優(yōu)化組合，發(fā)揮各種生態(tài)治污技術(shù)優(yōu)勢，利用各類生物和植物之間的競爭影響，發(fā)揮其生化相克作用；利用綠色植物輸導(dǎo)氧氣進入水體和沉積物中發(fā)揮作用，同時發(fā)揮植物根系微型生物類群的各層次不同的凈化功能，形成高效的綠色生態(tài)污水處理系統(tǒng)，達到去除污染物目的。其次，結(jié)合景觀設(shè)計，種植觀賞植物，從而形成可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)。

考慮環(huán)境等客觀因素對于復(fù)合型人工濕地中各因素的影響，針對某地區(qū)的氣候、水質(zhì)、水量特點進行合理設(shè)計，充分發(fā)揮組合單元最佳凈化效果，取長補短，達到處理目的。確定系統(tǒng)工藝如圖1所示。

圖1 復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)工藝

3.1 前置處理構(gòu)筑物

前置處理構(gòu)筑物主要通過厭氧、好氧段對污水做第一級處理。厭氧段是依靠厭氧菌的代謝功能使有機污染物得到降解。經(jīng)過厭氧段處理的污水有機物含量仍很高，需要進一步通過好氧段的處理。在水中繁殖生育的好氧異養(yǎng)微生物通過其自身的代謝活動對有機物進行氧化分解，它的代謝產(chǎn)物CO2又可充做其他生物光合作用的碳源。在好氧段內(nèi)高效進行著的光合成反應(yīng)和有機物的降解作用大大提高了有機污染物的降解速率，也減少了污水在該段的停留時間。其主要作用是將污水中高分子有機物降解成小分子有機物或無機物，對污水進行初步處理。文章限于篇幅，關(guān)于前置構(gòu)筑物的介紹另文發(fā)表。

3.2 復(fù)合型人工濕地

復(fù)合型人工濕地是由表面流、潛流型濕地與生物氧化塘、景觀塘兩種或多種形式組合而成。其中，表面流型人工濕地(HSF)，具有自由水面，屬于好氧濕地。廢水水平流過基質(zhì)表面，由于接觸面積大，停留時間較長，對懸浮物、有機質(zhì)的去除效果較好。同時，由于藻類和浮葉植物在自由水體表面生長，充分的光合作用產(chǎn)生了更多氧氣，間接從水體中轉(zhuǎn)移CO2，使得水體pH值呈堿性，導(dǎo)致磷酸鹽濃度驟降和氨氣的揮發(fā)，使總氮的去除能穩(wěn)定進行。潛流型人工濕地(HSW)，水體在濕地床的表面下流動，系統(tǒng)能充分利用填料表面生長的生物膜、豐富的植物根系及表層填料截留等作用，延長停留時間，提高處理效果和處理能力。包括上升型、下降型、水平流等形式。生物塘是依靠塘內(nèi)生長的微生物的物理、化學(xué)作用來處理廢水中的有機污染物。

綜合考慮各種處理構(gòu)筑物對污水處理的優(yōu)勢并結(jié)合鐵路車站生活污水的特點，針對人工濕地水力負荷、停留時間等因素，現(xiàn)確定復(fù)合型人工濕地污水處理工藝見圖2。

圖2 復(fù)合型人工濕地污水處理工藝

4 復(fù)合型人工濕地污水處理工藝的污水處理效果

由于鐵路污水來源較為固定，污水水量與水質(zhì)變化幅度較為平穩(wěn)，現(xiàn)對復(fù)合型污水處理工藝與傳統(tǒng)人工濕地污水處理工藝進行定量比較。為滿足課題研究內(nèi)容需要，現(xiàn)以武廣客運專線清遠站處理構(gòu)筑物每日(每單元)處理污水量為40 m3/d為例進行研究。

4.1 復(fù)合型人工濕地物理參數(shù)的確定

針對清遠站40 m3/d污水量，確定了40 m3/d前置處理構(gòu)筑物，以及復(fù)合型人工濕地尺寸及運行參數(shù)。復(fù)合型綠色生態(tài)處理系統(tǒng)由生物氧化塘、下降流人工濕地、上升流人工濕地、表流人工濕地、水平人工濕地、生物景觀塘組成，核心處理區(qū)總計925 m2，其中，生物氧化塘尺寸L(長)×B(寬)×H(高)=25 m×5.0 m×1.4 m，有效面積120 m2；核心人工濕地模塊分四級，分別種植不同的植物；生物景觀塘有效面積為60 m2。

復(fù)合型人工濕地各單元詳見圖3。

清遠車站復(fù)合型人工濕地建成并成功運行4年以來，前置處理構(gòu)筑物(生化池)起到了預(yù)處理的目的，復(fù)合型綠色生態(tài)污水處理系統(tǒng)中生物氧化塘、人工濕地模塊、生物景觀塘的組合適用于該地區(qū)中小站、點的污水凈化處理，建立的復(fù)合型綠色生態(tài)系統(tǒng)車站設(shè)置復(fù)合型綠色生態(tài)污水處理工藝是合理的，出水水質(zhì)能滿足環(huán)評要求達標排放，且適應(yīng)該地區(qū)并進行推廣(圖4)。

圖3 清遠站復(fù)合型人工濕地平面布置(單位：mm)

圖4 清遠站復(fù)合型人工濕地實景

4.2 復(fù)合型人工濕地處理效果影響指標的測試

主要檢測項目為：pH值，色度，濁度，SS，CODcr，BOD5，NH4+-N，TP，TN，石油類，糞大腸桿菌群。

采樣位置為：前置處理構(gòu)筑物進出水；復(fù)合型人工濕地進出水以及傳統(tǒng)人工濕地進出水，其中前置處理構(gòu)筑物進水與傳統(tǒng)人工濕地進水污水來源相同，且同時采樣。

檢測方法和數(shù)據(jù)處理來源如表1所示。

表1 檢測項目、主要檢測儀器設(shè)備及檢測方法

為了使結(jié)論更加可靠，各進出口水質(zhì)數(shù)據(jù)現(xiàn)場大量取樣，經(jīng)過試驗測試后取平均值。檢測數(shù)據(jù)采用如下公式

(1)

A1——每次第1組檢測值，mg/L;

A2——每次第2組檢測值，mg/L;

A3——每次第3組檢測值，mg/L。

4.3 人工濕地處理運行效果研究

(1)前置處理工藝前后的水質(zhì)變化分析(圖5)

注：圖中BOD為BOD5圖5 預(yù)處理工藝前后的水質(zhì)變化

通過試驗測量，污水中CODcr及BOD5的含量較大，經(jīng)過前置處理構(gòu)筑物后CODcr、BOD5的去除率分別為69.85%、54.40%，而鐵路污廢水的pH、色度、石油類、LAS、糞大腸菌群數(shù)量較少，對于該試驗研究意義不大，故此處不做研究。由進水曲線可知，前置處理構(gòu)筑物進水曲線坡度較大，表明污水中污染物的種類復(fù)雜且含量相差比較大，其中CODcr的含量最大為71.15 mg/L；由出水曲線可見：曲線變幅明顯減小，可知經(jīng)過處理后出水中的污染物含量差距及數(shù)量均明顯減少；將進水與污水曲線對比知：前置處理構(gòu)筑物對于CODcr和BOD5的處理效果較為顯著，即經(jīng)過前置處理構(gòu)筑物后，在好氧及厭氧生物的處理下，污水中的有機物被大量分解或去除。

(2)復(fù)合型人工濕地工藝前后的水質(zhì)變化情況分析(圖6)

注：圖中BOD為BOD5圖6 復(fù)合型人工濕地工藝前后的水質(zhì)變化

該部分進出水的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)顯示，CODcr及BOD5的去除效果最為明顯，分別為89.71%和95.47%，其余各項污染物的去除率均在60%以上。圖6中進水曲線表明各污染物含量差別明顯，經(jīng)前置處理構(gòu)筑物處理后進入復(fù)合型人工濕地的污水中，SS，CODcr，BOD5的含量相對較高分別為58.9 mg/L，71.15 mg/L，67.94 mg/L，但經(jīng)過復(fù)合型人工濕地后，出水中污染物含量均有明顯減少，均低至15 mg/L以下。該試驗結(jié)果表明：經(jīng)過復(fù)合型人工濕地的多種形式組合的處理工藝后的污水中各項指標均降低，尤其對SS，CODcr，BOD5的效果較為突出，其原因在于人工濕地中植物根系的截污作用以及其內(nèi)微生物及原生動物的氧化與還原作用。綜上可知此工藝對于鐵路站點混合污水具有十分優(yōu)良的處理效果。

(3)傳統(tǒng)人工濕地與復(fù)合型人工濕地污水處理情況對比分析(圖7、圖8)

注：圖中BOD為BOD5圖7 無前置處理構(gòu)筑物工藝時人工濕地污水處理先后水質(zhì)變化

注：圖中BOD為BOD5圖8 復(fù)合型人工濕地與傳統(tǒng)人工濕地對有機物去除率的比較

圖7是指傳統(tǒng)人工濕地雖然對于鐵路站點的污水也有良好的處理效果，根據(jù)出水水質(zhì)測量數(shù)據(jù)可知，SS，BOD5，的含量均在20 mg/L左右，而CODcr含量高達71.48 mg/L。由于鐵路污水來源及混合污水中污染物的復(fù)雜性，其出水中各有機物含量仍千差萬別，究其原因則為傳統(tǒng)人工濕地處理工藝的單一性。結(jié)合上述數(shù)據(jù)及圖形，對于有機物去除效率的對比如圖8所示，由圖可知，去除效果復(fù)合型人工濕地處理工藝效果遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)人工濕地，且去除效率穩(wěn)定提高。

采用的對比試驗為傳統(tǒng)人工濕地污水處理工藝的進出水水質(zhì)試驗，通過控制進水水質(zhì)，研究出水水質(zhì)狀況，從而得出試驗結(jié)果。對于基本控制項目最高允許排放濃度[8]，對比圖8中出水水質(zhì)可知，經(jīng)過復(fù)合型人工濕地處理后，出水水質(zhì)已經(jīng)達到一級B標準，其中CODcr、BOD5、NH4+-N、TN含量已經(jīng)滿足一級A標準。而傳統(tǒng)人工濕地出水在該試驗條件下僅達到二級標準。筆者根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計了前置處理構(gòu)筑物對于整個復(fù)合型人工濕地污水處理系統(tǒng)污染物去除率的影響，分別為：SS 25%，CODcr 72%，BOD556%，NH4+-N 30%，TP 29%，TN 11%。試驗證明，在復(fù)合型人工濕地上加入前置處理加強構(gòu)筑物這一工藝流程，提升了污水處理效果，加速了有機物的沉降與氧化分解，促進了有機物在復(fù)合型人工濕地中沉降，利于人工濕地中的植物以及動物的過濾、氧化與分解，從而大大提高了出水水質(zhì)，且降低了污水在該部分的水力停留時間。復(fù)合型人工濕地，是多種處理工藝的優(yōu)化組合，該工藝不僅大大提升了污水處理效果，且增強了對有機污染物的處理能力，對于像鐵路站點這種混合型污水具有更加優(yōu)越的處理效果。這一工藝不僅降低了污水對于自然環(huán)境的污染，而且在處理過程中減少了蚊蠅、臭味等對于周圍居民的影響，同時可以減少人工濕地的占地面積，弱化了因為人工濕地的修建，而對周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的潛在危害。

5 復(fù)合型人工濕地工藝在水體敏感區(qū)的應(yīng)用

復(fù)合型人工濕地處理工藝主要由前置處理構(gòu)筑物及復(fù)合型人工濕地組成，其中復(fù)合型人工濕地是由表流型、潛流型濕地和生物塘兩種或多種形式組合而成，當?shù)谝患壧幚聿捎蒙镅趸習r，仍然可以適用。其原因如下。

(1)經(jīng)前置處理構(gòu)筑物處理后的出水中含有被降解的小分子有機物、懸浮物以及脫落的生物膜等均可在生物氧化塘中沉降，可能堵塞后續(xù)潛流或表流濕地。(2)生物氧化塘對進水水質(zhì)、水量具有一定的耐沖擊負荷，增加了有效停留時間，又能使?jié)摿鳚竦剡M行均勻布水[9]。生物氧化塘對車站不均勻進水的情況進行了良好的調(diào)節(jié)作用，對由于降雨引起的處理系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生流量、水質(zhì)的變化也同樣適用。同時可避免對依附在濕地填料表層的微生物膜造成沖擊，使脫落的微生物膜殘留在系統(tǒng)填料縫隙，日益累積，堵塞濕地。(3)生物氧化塘從池體表面至下分別為好氧、兼氧、厭氧層，在好氧層，水體表面的浮游生物、塘內(nèi)存在著的細菌、原生動物以及藻類的光合作用和風力攪動均能為好氧微生物提供溶解氧以對有機物進行降解。兼氧層的溶解氧含量較低，且時有時無。其中存在著異養(yǎng)型兼性細菌，它們既能利用水中的少量溶解氧對有機物進行氧化分解，同時，在無分子氧的條件下，還能以NO3-、CO32-作為電子受體進行無氧代謝。厭氧層依靠厭氧菌的代謝功能，使有機物得到降解。。

在Ⅲ類敏感水域應(yīng)用時，濕地植物[10]選擇在復(fù)合型人工濕地中也是相當重要的。植物是濕地中必不可少的一部分，它通過自身的生長協(xié)助濕地內(nèi)的物理、化學(xué)、生物等作用去除濕地中的營養(yǎng)物質(zhì)。植物還可以延長污水在濕地內(nèi)的停留時間，攔截懸浮顆粒，為微生物的生長提供可附著的表面，同時還有輸送氧氣到根區(qū)，提高水在填料中的傳導(dǎo)等作用[11]。根據(jù)氣候和植物生長環(huán)境特點[12]，結(jié)合進水水質(zhì)中污染物的性質(zhì)，選擇耐污能力較強的濕地植物，如梭魚草、再力花等；選擇根系發(fā)達的濕地植物，如香蒲和燈心草的根系可達0.3 m，蘆葦?shù)母颠_0.6 m，燕草和寬葉香蒲則達到0.76 m；選擇脫N、除P較強的濕地植物，如風車草等，對濕地植物篩選應(yīng)優(yōu)化配置組合，爭取最大的凈化效率。

綜上可知，該工藝適用于南方地區(qū)的生活污水處理排至水體功能區(qū)劃為Ⅲ類及以下水體的鐵路車站、點。在北江等水體敏感區(qū)域應(yīng)用復(fù)合型人工濕地的處理后，并經(jīng)過前置處理構(gòu)筑物，出水水質(zhì)已經(jīng)得到了明顯的改善，自然排放后不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。且在鐵路沿線附近缺乏市政管網(wǎng)的區(qū)域，建設(shè)復(fù)合型人工濕地不僅可以解決鐵路站、點的污水處理，還可以適當?shù)奶幚碇車用癞a(chǎn)生的生活污廢水，為建設(shè)環(huán)境友好型社會做出貢獻。

6 結(jié)論

通過武廣客運專線清遠車站復(fù)合型人工濕地建成以及成功應(yīng)用，可以得到如下結(jié)論。

(1)根據(jù)鐵路站點污水的特點，以及傳統(tǒng)人工濕地的局限，確定了復(fù)合型人工濕地處理工藝，它在傳統(tǒng)人工濕地增設(shè)前處理構(gòu)筑物，且由表流型、潛流型濕地和生物氧化塘兩種或多種形式優(yōu)化組合。

(3)復(fù)合型人工濕地將是一項非常有效、生態(tài)、環(huán)保的污水處理技術(shù)，應(yīng)在我國得到更加廣泛的應(yīng)用和推廣，設(shè)置在環(huán)境比較敏感的地區(qū)也能得到利用。

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Research on the Effect of Railway Site Sewage Treatment with Composite Artificial Wetland

LIU Jian-ming， ZHANG Hao， ZHAO Zi-cheng

(China Railway Eryan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China)

Treatment process with composite artificial wetland is formulated so as to optimize the sewage treatment of railway site sewage. Compared with traditional artificial treatment， this process requires additional pre-treatment structures in combination of surface flow， subsurface flow wetlands and biological oxidation pond of two or more forms of portfolio optimization. Treatment effect is verified through the comparison of the test data collected from Qingyuan station on the dedicated Wu～Guang passenger line and the applicability of the composite artificial wetland in stations and environmentally sensitive areas is analyzed.

Railway station; Sewage; Composite artificial wetland; Pre-treatment structures; Effect of sewage treatment

2015-02-28；

2015-04-11

鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題(2008Z003-B)

劉建明(1980—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)給排水專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。

1004-2954(2015)11-0122-05

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10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.029