多級(jí)人工濕地對(duì)沛縣污水處理廠尾水提標(biāo)研究及應(yīng)用

丁 軍 ， 葛彩紅， 范敬蘭

(1.沛縣清源供水有限公司， 江蘇 徐州 221000； 2.沛縣水務(wù)局紅光排灌站， 江蘇 徐州 221000；3.徐州市水利科學(xué)研究所， 江蘇 徐州 221018)

安國濕地位于江蘇省沛縣西北部安國鎮(zhèn)境內(nèi)，是由沛縣安國境內(nèi)的張雙樓煤礦開采造成10 km2以上的土地塌陷區(qū)改造而成的人工濕地。安國濕地的建設(shè)是通過工程措施和生態(tài)措施結(jié)合[1]進(jìn)行的，將煤礦塌陷地改造成人工濕地[2]，該人工濕地又作為沛縣污水處理廠尾水提標(biāo)工程提標(biāo)開發(fā)區(qū)和龍固污水處理廠的尾水。安國濕地公園采取的是“采煤塌陷地復(fù)墾，生態(tài)環(huán)境修復(fù)，濕地景觀開發(fā)，中水治理”于一體的建設(shè)模式[3]。一期工程日處理6萬m3尾水，用于沛縣西部高亢地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水。

工程措施主要通過土地整理、橋涵閘建設(shè)完成項(xiàng)目區(qū)地形的整理，為方便實(shí)施生態(tài)治理措施做好準(zhǔn)備；再通過水生態(tài)治理工程的實(shí)施，如挺水及沉水植物布設(shè)、生態(tài)濾床的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)濕地整體凈化功能[4]，按此思路對(duì)安國煤塌地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，先后啟動(dòng)了安國濕地、土地地復(fù)墾等項(xiàng)目。安國濕地項(xiàng)目于2012年5月經(jīng)省林業(yè)廳批準(zhǔn)為省級(jí)濕地，依托采煤塌陷地，結(jié)合南水北調(diào)尾水導(dǎo)流工程進(jìn)行建設(shè)，規(guī)劃建設(shè)面積10 km2，總投資5億元。其中濕地一期投資1.66億元，建設(shè)面積6 km2，2014年3月動(dòng)工，工期2年，涉及地質(zhì)地貌修復(fù)、土方、水利、水質(zhì)凈化、道路鋪設(shè)、服務(wù)設(shè)施等工程。現(xiàn)濕地系統(tǒng)完好，運(yùn)行正常。

1 工程建設(shè)情況

安國濕地考慮煤礦塌陷區(qū)特有的地理因素，建設(shè)重點(diǎn)采用采煤塌陷坑與生態(tài)島相結(jié)合，串聯(lián)的水塘景觀，將其轉(zhuǎn)化為濕地泡，聯(lián)系安國濕地東、西2塊濕地水系，形成一串明珠串聯(lián)的濕地系統(tǒng)。由路網(wǎng)、濕地泡、濕地水面、濕地植被疊加而成的景觀系統(tǒng)。項(xiàng)目區(qū)濕地范圍內(nèi)生物群落結(jié)構(gòu)單一、多樣性較低，濕地本身的補(bǔ)水量不足，周圍污染的增加使得濕地內(nèi)生境已遭破壞并退化[5-7]。

濕地建設(shè)主要用于處理污水處理廠來水，污水處理廠日處理污水6萬m3/d，處理到一級(jí)A排放到安國濕地。污水來水主要為西北部和東南部進(jìn)入。西北部龍固園區(qū)達(dá)標(biāo)污水可利用重力流自流進(jìn)入濕地；東南部沛縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)處理后的污水通過自動(dòng)泵站一次提升進(jìn)入濕地，安國濕地一期工程工藝流程見圖1。

圖1 安國濕地一期工程工藝流程

1.1 濕地工程建設(shè)及運(yùn)行管理

該工程主要包括表流濕地、園林綠化、基礎(chǔ)設(shè)施、水利設(shè)施、服務(wù)設(shè)施等單元?；A(chǔ)設(shè)施：道路、廣場、棧道、停車場等；園林綠化：喬木、灌木、地被等；表流濕地：土方、布水渠、堰、水生植物等；水利設(shè)施：泵房、引水管、涵洞、閘板、土方、橋梁等；服務(wù)設(shè)施：指示牌、移動(dòng)廁所、垃圾桶、景石 、管理房、服務(wù)中心、路障、減速帶等。

安國濕地運(yùn)行管理主體為沛縣安國鎮(zhèn)政府，下設(shè)沛縣安國湖濕地公園管理委員會(huì)，總體負(fù)責(zé)與2個(gè)污水處理廠協(xié)調(diào)、污水進(jìn)水調(diào)度、濕地的維護(hù)、水質(zhì)在線監(jiān)測、出水的調(diào)度、人員管理等。

安國人工濕地于2015年建成，運(yùn)行及監(jiān)測管理時(shí)間自2016年3月開始。運(yùn)行期間按各功能斑塊逐月取樣，其中春季為2014年3—5月，夏季為2014年6—8月，秋季為2014年9—11月，冬季為2014年12月至2015年2月。采樣點(diǎn)設(shè)置：1—進(jìn)水口，2—沉淀池出水，3—出水口。

1.2 濕地生態(tài)工程建設(shè)

安國濕地污水進(jìn)水口分為東南、西北2個(gè)，工程總占地面積約235萬m2，其中西區(qū)80萬m2，東區(qū)155萬m2。東南部接納的是沛縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的生活污水，來水量為4萬m3/d，西北部接納的是龍固園區(qū)污水處理廠的生活污水，來水量為2萬m3/d?？偲矫娌贾迷斠妶D2。

圖2 安國濕地各功能區(qū)布設(shè)

安國濕地系統(tǒng)東西長4 500 m，南北寬1 350 m，長寬比為3.3∶1，水力坡度為0.35%，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 安國濕地主要技術(shù)參數(shù)

2 凈化過程與結(jié)果

安國濕地東部區(qū)資料：沛縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠來水利用污水泵站翻水進(jìn)入輸水管道，30 000 m3/d的尾水通過300 m長的管道進(jìn)入沉淀區(qū)，然后通過溢流堰跌水進(jìn)入長度300 m的一級(jí)表流濕地，10 000 m3/d的尾水通過910 m長的水平潛流濕地，再進(jìn)入一級(jí)表流濕地；由一級(jí)表流區(qū)通過布水堰進(jìn)入長950 m的二級(jí)表流區(qū)；由二級(jí)表流區(qū)進(jìn)入生物滯留塘，由生物滯留塘進(jìn)入植物緩沖溝，然后排入河道。入口沉淀區(qū)面積：50 000 m2，一級(jí)表流濕地面積55萬m2，二級(jí)表流濕地面積29萬m2，濕地水系面積66萬m2；入口沉淀區(qū)水力停留時(shí)間1.3 d，一級(jí)表流濕地水力停留時(shí)間2.1 d，二級(jí)表流濕地水力停留時(shí)間1.1 d，滯留塘至緩沖溝(簡稱濕地水系)水力停留時(shí)間3.5 d。

安國濕地西北部資料：龍固園區(qū)污水處理廠來水自流進(jìn)入210 m的入口沉淀池，通過溢流堰跌水進(jìn)入長度750 m的一級(jí)表流濕地，再通過布水堰進(jìn)入長600 m的二級(jí)表流區(qū)；由二級(jí)表流區(qū)進(jìn)入生物滯留塘，由生物滯留塘進(jìn)入植物緩沖溝。入口沉淀區(qū)面積：20 000 m2，一級(jí)表流濕地面積16萬m2，二級(jí)表流濕地面積17萬m2，濕地水系面積45萬m2；入口沉淀區(qū)水力停留時(shí)間2 d，一級(jí)表流濕地水力停留時(shí)間8 d，二級(jí)表流濕地水力停留時(shí)間8.5 d，濕地水系水力停留時(shí)間22.5 d。

2.1 進(jìn)水口水質(zhì)

進(jìn)入濕地的來水口有2處，一處為沛縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠；另一處為龍固園區(qū)污水處理廠的來水。兩進(jìn)水口進(jìn)水水質(zhì)要求達(dá)到污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)國家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)入濕地。

從表3可以看出，龍固園區(qū)污水處理廠和沛縣開發(fā)區(qū)污水處理廠進(jìn)入濕地的水質(zhì)達(dá)到了污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)國家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，允許將處理廠的中水進(jìn)入濕地入水口。經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠日進(jìn)入濕地水量為4萬m3/d；龍固開發(fā)區(qū)污水處理廠日進(jìn)入濕地水量為2萬m3/d。

2.2 各功能板塊的處理效果

水平潛流濕地系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)處理廠，接納大約1萬m3/d的污水，其他的3萬m3/d污水直接進(jìn)入沉淀池，水平潛流濕地尺寸為25 m×22 m×1.2 m，水力負(fù)荷為12 m3/(m2·d)，理論水力停留時(shí)間為10h．水平潛流濕地種植蘆葦、菖蒲，見圖3。

圖3 水平潛流濕地布置(單位：cm)

沉淀池的作用是去除懸浮于污水中可以沉淀的懸浮物顆粒，2個(gè)污水處理廠的污水直接進(jìn)入沉淀池，在安國濕地中布設(shè)兩個(gè)沉淀池，一個(gè)是沛縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)入水口沉淀池，另一個(gè)是龍固園區(qū)入水口沉淀池。主要降低水體懸浮物顆粒。

從沉淀池進(jìn)入一級(jí)表流濕地、二級(jí)表流濕地、生物滯留塘，然后進(jìn)入河道，為沛縣西部高亢地區(qū)提供農(nóng)業(yè)用水。其中東西兩區(qū)一級(jí)表流濕地面積71萬m2，平均水深0.5 m；二級(jí)表流濕地46萬m2，平均水深0.5 m；生物滯留塘111萬m2，平均水深1.0 m。

表2 入水口水質(zhì)監(jiān)測平均值

3 安國濕地治理效果

通過安國濕地在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測到各控制點(diǎn)水質(zhì)變化情況，按照《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范(SL 219—98)》湖泊(水庫)采樣垂線和采樣點(diǎn)布設(shè)的要求進(jìn)行采樣垂線與采樣點(diǎn)布設(shè)，共設(shè)置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(圖4)，依次命名為1#、2#、3#、4#。1#、2#為2個(gè)污水處理廠的水進(jìn)濕地口，3#為測定一級(jí)表流濕地指標(biāo)變化情況，4#監(jiān)測點(diǎn)位濕地總出水口。各樣點(diǎn)監(jiān)測指標(biāo)包括： CODMn、NH3-N、TP、pH、SS、BOD5。

圖4 安國濕地水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

從2016年、2017年安國濕地出水口水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)看(表4)，參評(píng)的各項(xiàng)指標(biāo)均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，符合農(nóng)業(yè)用水要求，可將濕地出水用于西部高亢地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉。

表4 安國濕地出水口水質(zhì)監(jiān)測匯總

在進(jìn)水水量為6萬m3/d的條件下，多級(jí)人工濕地表現(xiàn)出了較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力和較高的去除效果，出水穩(wěn)定。安國的多級(jí)人工濕地對(duì)SS、NH3-N、TP、CODcr和BOD5等污染物的去除率分別為86.6%、82.9%、71.4%、60.9%和61.2%，平均出水濃度均優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，滿足農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)要求。

多級(jí)人工濕地各凈化單元對(duì)污染物的去除效果差異顯著，COD的去除主要在沉淀池，削減的凈化率為55.1%；NH3-N和TP的去除主要發(fā)生在潛流濕地單元，其削減的凈化率分刷為76%、65%。

4 結(jié)論和建議

(1)通過工程措施，完成了安國煤礦塌陷地土地整理。該工程主要包括表流濕地系統(tǒng)、園林綠化、基礎(chǔ)設(shè)施、水利設(shè)施、服務(wù)設(shè)施等建設(shè)單元，將煤礦塌陷地改造成人工濕地公園，摸索出一條煤礦塌陷地治理的新思路。

(2)依托人工濕地技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理廠中水的凈化。應(yīng)用生態(tài)濕地治理技術(shù)，將污水處理廠每天排放的6萬m3污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)國家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的污水，凈化為地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)Ⅳ類水，并對(duì)凈化后的水資源進(jìn)行利用，為沛縣西部高亢地區(qū)的農(nóng)業(yè)提供用水，摸索出了一條污水資源化利用的新模式。

(3)強(qiáng)化濕地管理。復(fù)合微生物的補(bǔ)充、陸生植物和水生植物的種植、補(bǔ)植、管理和收割要有嚴(yán)格的操作規(guī)程，植物從水體中吸收的富營養(yǎng)物質(zhì)要合理轉(zhuǎn)移出去，及時(shí)收割枯枝，打撈漂浮的植物的殘?bào)w，這樣才能保證水生植物的凈水效果。目前安國濕地公園管理部門在濕地維護(hù)方面工作做的還不夠，重建輕管。