張家口市某城鎮(zhèn)污水處理廠尾水資源化利用方案設(shè)計

張 嫚

（河北慕田峪環(huán)保建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

我國是嚴(yán)重缺水國家，多年平均缺水量達(dá)到536 億m3，且污水再生水利用水平較低，為解決社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源問題之間的矛盾，區(qū)域再生水循環(huán)利用成為緩解水資源短缺、改善水環(huán)境質(zhì)量及恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)健康的有效措施[1]，具體是統(tǒng)籌水資源開發(fā)、水環(huán)境保護(hù)和水生態(tài)修復(fù)，充分結(jié)合污水處理廠、人工濕地等具有水質(zhì)凈化能力的設(shè)施，形成提升水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的再生水利用系統(tǒng)[2]。目前，我國污水資源化利用尚處于起步階段，發(fā)展不充分，利用水平不高，與建設(shè)美麗中國的需要還存在不小差距。在城鎮(zhèn)污水處理廠排污口下游，系統(tǒng)開展污水資源化利用，以缺水地區(qū)和水環(huán)境敏感區(qū)域為重點，以城鎮(zhèn)生活污水資源化利用為突破口，尋求污水資源化利用新途徑。

1 工程概況

張家口與北京山同脈、水同源、氣相通，屬同一自然生態(tài)系統(tǒng)，在保障首都水資源和生態(tài)環(huán)境安全方面居于特殊的生態(tài)區(qū)位，承擔(dān)著為首都保水源、阻風(fēng)沙、輸清風(fēng)的重要責(zé)任[3]。全面加快推進(jìn)首都兩區(qū)建設(shè)，完善城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施短板，進(jìn)一步提升城鎮(zhèn)生活污水資源化利用能力，有利于促進(jìn)城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展。對外排再生水，在排污口下游實施人工濕地等生態(tài)凈化設(shè)施建設(shè)，用于區(qū)域內(nèi)生態(tài)補水[4]。張家口某城鎮(zhèn)污水處理廠排水去向為某河流，設(shè)計排放規(guī)模為20 000 m3/d，污水處理廠尾水采用人工濕地水質(zhì)凈化工藝，水質(zhì)由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 標(biāo)準(zhǔn)提升至地表水Ⅳ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，項目占地10 萬m2。

2 工程設(shè)計

2.1 設(shè)計水質(zhì)

2.1.1 人工濕地設(shè)計水量

綜合考慮污水處理廠近、遠(yuǎn)期規(guī)劃以及城市和產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的尾水處理量需求，最后確定人工濕地處理規(guī)模為20 000 m3/d。

2.1.2 人工濕地進(jìn)水水質(zhì)

人工濕地水質(zhì)凈化工程主要處理城鎮(zhèn)污水處理廠達(dá)標(biāo)出水，污水廠出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 標(biāo)準(zhǔn)，確定人工濕地進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如下：COD ≤50 mg/L、BOD ≤10 mg/L、ρ（總 氮）≤50 mg/L、ρ（氨 氮）≤5（8）mg/L、ρ（總磷）≤50 mg/L。

2.1.3 人工濕地出水水質(zhì)目標(biāo)

依據(jù)下游斷面考核目標(biāo)以及該河段的水環(huán)境功能的水質(zhì)要求，確定出水水質(zhì)執(zhí)行地表水Ⅳ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，COD≤30 mg/L、BOD≤6 mg/L、ρ（氨氮）≤1.5 mg/L、ρ（總磷）≤0.3 mg/L。

2.2 工藝流程

人工濕地按照其水力形態(tài)和處理方式的不同可以分為表流人工濕地、潛流人工濕地。其中，潛流人工濕地包括水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地。綜合考慮人工濕地進(jìn)出水水質(zhì)情況、選址、投資等，最終確定采用“進(jìn)水保證（運行管理及監(jiān)測）—表流+潛流組合人工濕地處理工藝—長效保持（運行管理及維護(hù)）”技術(shù)路線[5]。

2.2.1 表面流人工濕地

表面流人工濕地對污水進(jìn)行自然富氧，進(jìn)而強化對污染物的去除。表面流人工濕地能夠比潛流濕地更容易實現(xiàn)內(nèi)部碳源的補充，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)和凈化水質(zhì)的雙重功能。

2.2.1.1 設(shè)計參數(shù)

設(shè)計水量：20 000 m3/d；表面水力負(fù)荷q0 為1.33m3（/m·2d）；表面COD 負(fù)荷為16g（/m·2d）；表面NH3-N負(fù)荷為0.80 g（/m·2d）；表面TP 負(fù)荷為0.19 g（/m2·d）；平均水深1.0 m；水力停留時間0.75 d；表流人工濕地占地總面積約1.5 萬m2。

2.2.1.2 結(jié)構(gòu)形式

表面流人工濕地池體采用素土結(jié)構(gòu)，池體底部素土夯實鋪設(shè)防滲土工膜，表面流人工濕地的底部和側(cè)面的滲透系數(shù)應(yīng)不大于10 m/s～8 m/s。表流人工濕地池邊坡采用斜坡的形式。表面流人工濕地的基質(zhì)層以易得、廉價為主、就近取材，例如種植土和沙子。表面流人工濕地基質(zhì)高度為0.3 m，由兩層組成，表層為種植土層，厚0.1 m，粒徑分布為2 mm～4 mm；下層為沙層，鋪設(shè)厚度0.2 m，粒徑分布為2 mm～6 mm；總厚度為0.3 m。為了保證表面流人工濕地的集配水功能，在表面流人工濕地前端應(yīng)設(shè)置配水區(qū)，在其后端應(yīng)設(shè)置集水區(qū)，并鋪設(shè)較大粒徑的碎石以優(yōu)化水力分布。在出水端設(shè)溢流堰，以方便調(diào)節(jié)人工濕地運行水位，優(yōu)化系統(tǒng)運行。

2.2.1.3 植物配置

在表面流人工濕地中應(yīng)用較多浮葉植物、沉水植物和挺水植物。例如，蘆葦、香蒲、藨草、水葫蘆和蓮花等。根據(jù)表面流濕地水深的變化，選擇與之相適應(yīng)的不同生活型的植物群落，即岸邊種植濕生-挺水植物，在表面流濕地大面積較深水區(qū)則種植沉水植物和浮葉植物，形成大面積的開闊水域，這種半自然的生態(tài)水景以凈化水質(zhì)和構(gòu)建生物多樣性為主要目的。

2.2.2 垂直潛流人工濕地

垂直潛流人工濕地通過其基質(zhì)填料進(jìn)一步強化對磷的去除，還能夠通過潛流濕地相對缺氧的環(huán)境條件，促進(jìn)表流人工濕地出水中的硝氮進(jìn)一步發(fā)生反硝化過程，達(dá)到深度凈化污水廠出水的目的。

2.2.2.1 設(shè)計參數(shù)

設(shè)計水量：2.0 萬m3/d；表面水力負(fù)荷q0 為0.24m3（/m·2d）；表面COD 負(fù)荷為3.29g（/m·2d）；表面NH3-N為負(fù)荷0.13 g（/m2·d）；表面TP 負(fù)荷為0.03 g（/m2·d）；平均水深1.20 m；水力停留時間5.10 d；人工濕地占地總面積約8.5 萬m2。

2.2.2.2 結(jié)構(gòu)形式

潛流人工濕地單元結(jié)構(gòu)形式采用防滲層、自然邊坡和C25 鋼筋混凝土水渠；池體底部素土夯實鋪設(shè)防滲土工膜后做混凝土面層。潛流人工濕地底部和側(cè)面的滲透系數(shù)應(yīng)不大于10 m/s～8 m/s。

根據(jù)工程進(jìn)水水質(zhì)特征和當(dāng)?shù)厍闆r，該工程中潛流人工濕地的基質(zhì)填料可選擇礫石、爐渣和沸石等。

潛流人工濕地的基質(zhì)高度取0.6 m，而為了防止?jié)摿魅斯竦貎?nèi)部堵塞等情況的發(fā)生，潛流人工濕地床的基質(zhì)鋪設(shè)一般采用從上到下逐漸增加粒徑的方式。該工程基質(zhì)填料鋪設(shè)級配如下：上層0.2 m的填料粒徑分布為25 mm～35 mm；中間0.2 m 的填料粒徑為35 mm～55 mm；下層0.2 m 的填料粒徑分布為55 mm～80 mm。

為了保證潛流人工濕地的集配水功能及其內(nèi)部水力特性，在潛流人工濕地兩端應(yīng)設(shè)置配水區(qū)和集水區(qū)，并鋪設(shè)較大粒徑的碎石以優(yōu)化水力分布，在出水端底部設(shè)DN150 的PVC 集水管，并在潛流人工濕地尾部設(shè)可調(diào)式排水管，以方便調(diào)節(jié)人工濕地運行水位，優(yōu)化系統(tǒng)運行。

2.2.2.3 植物配置

根據(jù)垂直潛流人工濕地占地面積大、分塊較多的特點，并最大減少洪水對其影響，選擇以草本植物為主的濕地植物，主要為蘆葦、菖蒲、水蔥、鳶尾等，按單種植物種植在數(shù)塊濕地上，并交錯種植形成多種色彩的前低后高的植物景觀。

2.3 配套設(shè)施建設(shè)

2.3.1 管理用房

建設(shè)配套管理用房1 處（面積100 m2），方便后期人工濕地運行管理，對人工濕地進(jìn)行必要的水質(zhì)監(jiān)控和維護(hù)管理。

2.3.2 水質(zhì)檢測和水量監(jiān)測設(shè)備

為跟蹤監(jiān)測人工濕地對污水廠尾水水質(zhì)凈化效果及河道的治理效果，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境績效可量化、可監(jiān)測、可考核，在表流濕地進(jìn)水處以及潛流濕地末端出水處各建設(shè)水質(zhì)、水量在線監(jiān)測站一座，旨在對水質(zhì)、水量進(jìn)行科學(xué)合理的監(jiān)測，及時掌握pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等水質(zhì)現(xiàn)狀，了解人工濕地對河流水質(zhì)的凈化效果、河流自凈的能力及污染物排放情況。

3 處理效果預(yù)測

在污水處理廠尾水人工濕地水質(zhì)凈化工程中，采取復(fù)合式人工濕地（表流濕地+垂直潛流濕地）作為該工程中保障系統(tǒng)出水水質(zhì)的核心處理工藝，其運行的穩(wěn)定性和效果是保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)的主要措施。結(jié)合實際并參照《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ 2005—2010）、人工濕地水質(zhì)凈化工程技術(shù)規(guī)范（DB13/T 5184—2020）要求，本項目處理效果預(yù)測詳見表1。

表1 人工濕地處理效果預(yù)測

相對于單一類型的人工濕地，復(fù)合式人工濕地能夠通過系統(tǒng)中不同類型的人工濕地彌補相互間的不足和強化系統(tǒng)的處理效果。依據(jù)規(guī)范，該工程所選的水力負(fù)荷和表面COD 負(fù)荷均在常用范圍內(nèi)，為了進(jìn)一步驗證復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)的出水水質(zhì)和對污染物的去除率，采用國際上應(yīng)用較為廣泛的P-K-C*模型進(jìn)行計算模擬分析。

3.1 復(fù)合式人工濕地凈化系統(tǒng)出水COD 預(yù)測

1）出水水質(zhì)預(yù)測：Q=20 000 m3/d，C0=50 mg/L，K20=0.123 m/d，q=0.981，Tave=9.1 ℃。所 以，KT=0.123（0.981）（9.1-20）=0.15；Ce=24.2mg/L。

2）出水去除率預(yù)測：人工濕地進(jìn)水COD 值為50 mg/L，出水COD 值為24.2 mg/L，COD 去除率為51.6%，滿足工程中COD 出水水質(zhì)的設(shè)計要求。

3.2 復(fù)合式人工濕地凈化系統(tǒng)出水NH3-N 預(yù)測

通過在復(fù)合式人工濕地構(gòu)建好氧段，進(jìn)行強化硝化處理，因此具有較好的氨氮去除效果。

1）出水NH3-N 質(zhì)量濃度預(yù)測：Q=20 000 m3/d，C0=5.0 mg/L，K20=0.308 m/d，q=1.01，Tave=9.1℃。所以，KT=0.308（1.01）（9.1-20）=0.276；Ce=1.26 mg/L。

2）出水NH3-N 去除率預(yù)測：人工濕地進(jìn)水中NH3-N質(zhì)量濃度為5.0 mg/L，出水中NH3-N 質(zhì)量濃度為1.26 mg/L，去除率為74.8%，滿足工程中NH3-N 出水水質(zhì)的設(shè)計要求。

經(jīng)過上述校核可知，污水處理廠尾水人工濕地工程對各種指標(biāo)性污染物的凈化效果均達(dá)到了較好的水平，滿足工程建設(shè)目標(biāo)。

4 運營管理

4.1 運行控制

人工濕地的運行要保證各處理單元的連續(xù)運行，確保出水水質(zhì)。首先要保證各處理單元的布水均勻性和水位控制，要根據(jù)污水廠出水水質(zhì)水量的變化調(diào)節(jié)各處理單元的進(jìn)水水量和運行水位，保證各處理單元的凈化功能。此外，運行中還應(yīng)注意水生植物的生長狀況、各構(gòu)筑物的滲漏和耐壓情況，確保人工濕地的正常運行。

冬季因為溫度低而微生物活性降低，為提高濕地效果需要延長水力停留時間。冬天濕地中的大型植物可用作覆蓋層來保護(hù)根圍結(jié)構(gòu)免于冰凍。從濕地類型來考慮，潛流濕地的保溫效果優(yōu)于表面流濕地。

對進(jìn)出水裝置要進(jìn)行周期性的檢查并對流量進(jìn)行校正。同時要定期去除容易堵塞進(jìn)出水管道的殘渣?？梢圆捎酶邏核畼尰驒C械方法對浸沒在水中或埋在填料中的進(jìn)出水管道進(jìn)行定期的沖洗。

入流污水中的懸浮固體會在潛流型人工濕地系統(tǒng)的進(jìn)水段慢慢積累，減少了濕地系統(tǒng)中填料間的空隙，從而減少了系統(tǒng)的水力停留時間，使水力傳導(dǎo)性下降，嚴(yán)重時會使水面升高而導(dǎo)致漫流。對于調(diào)節(jié)裝置設(shè)計合理的濕地系統(tǒng)，可將水位降低幾英寸，這相當(dāng)于增大了濕地系統(tǒng)的坡度，使水的流速加快，從而克服堵塞增加的水流阻力。

當(dāng)濕地系統(tǒng)的漫流情況非常糟糕時，需要將系統(tǒng)前端1/3 部分的植物挖走，并挖出填料，更換上新的填料并重新種植植物。而對于潛流型人工濕地來說，植物生長時，保持濕地的水位極其重要。

同時，要經(jīng)常對護(hù)堤進(jìn)行檢查，防止水面以下護(hù)堤的外部斜坡面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，過多的或顏色異常暗綠的植被生長都是出現(xiàn)滲漏的癥狀。要對濕地四周的環(huán)境每天進(jìn)行清掃及保持濕地周邊的環(huán)境衛(wèi)生良好。

4.2 植物維護(hù)

人工濕地植物栽種后應(yīng)采取措施確保栽種植物的成活率。濕地植物栽種最好在春季，植物容易成活，冬季做好防凍措施，夏季則做好遮陽防曬。植物栽種初期為了使植物的根扎得比較深，需要通過控制濕地的水位，促使植物根莖向下生長。對不耐寒的植物在冬季來臨之前要做好防凍措施或及時收割掉，降低負(fù)荷。每年秋季應(yīng)對人工濕地系統(tǒng)中的植物進(jìn)行收割。控制雜草，讓優(yōu)選的高效植株的生長占優(yōu)，有助于改善整體外觀保持雜草有助于提高生物多樣性，維系生態(tài)系統(tǒng)的平衡。雜草可采用床表面淹水減少雜草和人工拔除來控制。需及時清除植物的枯枝落葉，以防止腐爛等污染。

4.3 植物維護(hù)

植物維護(hù)必須一年四季不間斷地進(jìn)行。其主要內(nèi)容有澆水與排水、施肥、中耕除草、整形與修剪、防寒、病蟲害防治等。此外，還要定期檢查植物生長狀況，及時補種和修枝剪葉。

4.4 氣味控制

表流人工濕地如果進(jìn)水負(fù)荷過高，會形成厭氧的水域，發(fā)生厭氧反應(yīng)，從而釋放出難聞的氣體，主要是由于進(jìn)水的有機負(fù)荷過高或氨氮負(fù)荷過高造成的。濕地單元可有效抑制氣味的產(chǎn)生。需確保布水均勻和良好的水力條件。另外，植物能夠?qū)⒀鯕鈧鬏數(shù)綕竦叵到y(tǒng)中，因此在布局上可以考慮將開闊的水域分散種植較多植物，從而創(chuàng)造充氧環(huán)境。

4.5 蚊蠅控制

主要措施有：

1）保持人工濕地系統(tǒng)中水體流動，可以通過水泵提取或在水面安置機械曝氣設(shè)備來強化邊緣水域的水體流動，同時會增加水中的溶解氧含量，有利于提高出水水質(zhì)。

2）系統(tǒng)中設(shè)置灑水裝置，通過向水面灑水來阻礙蚊蠅向水中產(chǎn)卵。

3）向系統(tǒng)中投放食蚊魚和蜻蜓的幼蟲來控制蚊子也是一種非常有效的方法。

4）同時結(jié)合其他的自然控制方法，如造蝙蝠穴和構(gòu)筑燕巢引來燕子和蝙蝠來控制蚊蟲也非常有效。

4.6 野生生物控制

人工濕地處理系統(tǒng)運行后，易吸引一些鳥類、哺乳動物、爬行動物和昆蟲等，形成濕地系統(tǒng)特有的食物鏈，豐富了濕地系統(tǒng)的生物多樣性。麝鼠等嚙齒類動物會嚴(yán)重?fù)p壞濕地系統(tǒng)中的植物，它們以香蒲和蘆葦?shù)戎参镒鳛槭澄?，并在護(hù)堤和濕地中打洞?？梢酝ㄟ^將堤面坡度設(shè)置成5∶1 或更小、臨時提升運行水位和捕鼠夾來阻止這些動物。

4.7 冬季運行與管理

冬季運行時，可采取以下三種保溫防凍措施[4]：

1）植物體覆蓋。植物收割后，在保證消防安全的前提下可采用將收割的植物就地覆蓋的方式對濕地表面進(jìn)行保溫。

2）冰層覆蓋。將潛流人工濕地水位提升50 mm～100 mm，待濕地表層結(jié)冰后，降低運行水位至常水位，利用表面冰層對濕地起保溫作用。如果采用冰蓋保溫，植物收割時建議保留100 mm～150 mm 直立殘莖，以支持冰層。

3）地膜覆蓋。預(yù)留表面覆蓋空間和設(shè)施，低溫季節(jié)時可采取在人工濕地表面覆蓋塑料薄膜、安裝塑料大棚等保溫措施。

5 效益分析

5.1 生態(tài)效益

人工濕地的穩(wěn)健運行可形成良性的生態(tài)系統(tǒng)，為諸多生物提供良好的生長環(huán)境，有益于復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)各項功能的正常發(fā)揮，對于增加生物多樣性、提高生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性、維持自然平衡具有重要作用[5]。通過本項目的實施，新增人工濕地10 萬m2，削減入河化學(xué)需氧量146t/a，氨氮25.55t/a，總氮36.5t/a，總磷0.73 t/a；污水處理廠尾水水質(zhì)提升，提供生態(tài)補水量730 萬m3/a，實現(xiàn)污水資源化利用。

5.2 社會效益

有助于項目區(qū)生態(tài)文明建設(shè)，明顯改善沿岸居民居住生態(tài)環(huán)境，改善當(dāng)?shù)赝顿Y環(huán)境，有利于首都“兩區(qū)”建設(shè)和保障北京飲用水源地安全，具有良好的社會效益。

6 結(jié)語

本文以人工濕地水質(zhì)凈化工程處理城鎮(zhèn)污水處理尾水，以張家口某縣為例，研究了工藝效果及效益分析，項目對于區(qū)域再生水循環(huán)利用作為參考，項目實施后，將顯著改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量，具有明顯的社會效益、環(huán)境效益和生態(tài)效益，同時為當(dāng)?shù)厮h(huán)境的改善提供新的思路，指明了新的方向，為區(qū)域水環(huán)境的治理邁出了重要的一步。本項目技術(shù)方案本著實事求是、因地制宜的原則，建設(shè)規(guī)模適度，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)選取合適，建設(shè)區(qū)無不良地質(zhì)水文條件，交通便利，工程實施技術(shù)可行。