高寒干旱區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)污水處理及生態(tài)濕地水回用系統(tǒng)研究

劉興和，魏佳吉，陳 明，王小文

(甘肅華運(yùn)環(huán)境建設(shè)工程股份有限公司，蘭州 730000)

生態(tài)濕地水回用是利用服務(wù)區(qū)經(jīng)過處理的污水形成人工濕地，使其發(fā)揮水源涵養(yǎng)、水資源調(diào)蓄、凈化水質(zhì)、維護(hù)濕地生物多樣性、防止沙漠化和改善區(qū)域氣候等生態(tài)功能。高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理和生態(tài)濕地水回用系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)綠色化水循環(huán)處理的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，因?yàn)楦咚俟贩?wù)區(qū)日常耗水較多，對(duì)這些污水進(jìn)行無(wú)害化循環(huán)處理、構(gòu)建多樣的污水循環(huán)利用系統(tǒng)，有助于水循環(huán)發(fā)展。但高寒干旱區(qū)與其他地區(qū)的環(huán)境差異較大，在利用高速公路服務(wù)區(qū)污水再生處理系統(tǒng)時(shí)面臨著許多新的環(huán)境特征，需要對(duì)項(xiàng)目選址、設(shè)計(jì)和運(yùn)作進(jìn)行深入研究，明確特殊環(huán)境的利用原則，使生態(tài)濕地水回用系統(tǒng)得到高效利用，充分發(fā)揮水生態(tài)再生處理系統(tǒng)的作用，以開拓更加節(jié)能、環(huán)保、循環(huán)再生式的水處理微生態(tài)。

1 環(huán)境特征

1.1 宏觀環(huán)境特征

高寒干旱地區(qū)，高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理和生態(tài)濕地水回用系統(tǒng)具有特殊的宏觀環(huán)境特征[1]，由于處于高海拔地區(qū)，天氣寒冷，長(zhǎng)期干旱，溫度低，污水處理與污水循環(huán)再生及生態(tài)濕地用水的循環(huán)開發(fā)技術(shù)要素多，宏觀環(huán)境波動(dòng)大，水回收利用水平低[2]。

1.2 微觀環(huán)境特征

人工濕地是一種資源化、生態(tài)化的污水處理技術(shù)，是將綠化和污水處理結(jié)合起來(lái)，具備獨(dú)特的綠化環(huán)境的功能[3]，相較于傳統(tǒng)污水處理工藝更具優(yōu)勢(shì)。污水通過人工建造和控制，形成與沼澤地類似的地面，將污水投配到濕地上，使污水在濕地土壤縫隙和表面沿一定方向流動(dòng)，利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理與化學(xué)及生物三重協(xié)同作用對(duì)污水進(jìn)行處理。生態(tài)系統(tǒng)的作用機(jī)理包括吸附、滯留、過濾、沉淀、微生物分解、轉(zhuǎn)化、氧化還原、植物遮蔽、殘留物積累、蒸騰水分和養(yǎng)分吸收及各類動(dòng)物的其他作用等[4]。

不同的高寒干旱區(qū)，降雨程度和蒸發(fā)水平不同，光照時(shí)間也存在差異性[5]，且低溫環(huán)境狀態(tài)和區(qū)域風(fēng)場(chǎng)分布狀態(tài)存在較大差異，這些微觀環(huán)境特征會(huì)極大影響高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理和人工濕地利用開發(fā)，特別是對(duì)項(xiàng)目選址、設(shè)計(jì)、規(guī)劃、施工和后續(xù)運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生各種不同的影響，使高速公路服務(wù)區(qū)的污水循環(huán)再生系統(tǒng)運(yùn)行面臨著諸多問題[6]。

2 建設(shè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)

2.1 項(xiàng)目選址

高寒干旱區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)污水處理及生態(tài)濕地水回用系統(tǒng)建設(shè)，主要包括項(xiàng)目選址、設(shè)計(jì)方案確定、建設(shè)推進(jìn)等環(huán)節(jié)[7]。

項(xiàng)目選址環(huán)節(jié)要充分考慮高寒干旱氣候條件下的地理環(huán)境因素、區(qū)位因素、水源涵養(yǎng)因素、濕地多樣性因素、荒漠化因素、局部氣候性因素等對(duì)高速公路服務(wù)區(qū)污水處理再生系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)的影響[8]。應(yīng)選擇水資源調(diào)蓄豐富、水源涵養(yǎng)水平相對(duì)較高，又能夠防止水體污染、全面促進(jìn)水資源合理開發(fā)利用的地塊。充分考慮選址周圍的土壤狀況、植物狀況、微生物與物理化學(xué)狀況及配套的綠化灌溉區(qū)域狀況。要將服務(wù)區(qū)內(nèi)的污水處理項(xiàng)目放置在避風(fēng)、回水利用條件豐富、生態(tài)蓄水池周邊自然蒸發(fā)量與自然滲透量相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)。只有綜合考慮氣候因素、動(dòng)植物因素、水體環(huán)境因素、水生態(tài)發(fā)展因素、水濕地保護(hù)因素，才能使項(xiàng)目選址得當(dāng)[9]。

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

完成項(xiàng)目選址之后，高寒干旱區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)污水處理和再生系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)是完成方案設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)時(shí)，要確定生態(tài)濕地回水利用系統(tǒng)的影響因素和污水處理設(shè)備的放置地點(diǎn)，充分將污水凈化系統(tǒng)和高速公路使用峰值的人流量等狀態(tài)考慮進(jìn)來(lái)，污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)采用回水一體化凈化設(shè)備，以有效降低成本，強(qiáng)化抗風(fēng)險(xiǎn)沖擊能力。按照高速公路服務(wù)區(qū)污水排放峰值的110%～120%來(lái)設(shè)計(jì)污水處理系統(tǒng)，污水處理量應(yīng)保持在最大污水處理能力，還要對(duì)污水循環(huán)利用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是對(duì)綠化澆灌用地、生態(tài)水循環(huán)過濾用地進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，確保生態(tài)儲(chǔ)水池能夠有效滿足蓄水容量需求，污水能夠經(jīng)過綠化帶和植被覆蓋進(jìn)行沉淀過濾。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)必須因地制宜，將生態(tài)濕地系統(tǒng)建設(shè)為一個(gè)整體，將儲(chǔ)水池、蓄水池、生態(tài)綠地、灌溉濕地、水生植物種植、自然滲透、自然蒸發(fā)和回水系統(tǒng)等串聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)微生態(tài)環(huán)境，以推進(jìn)污水的再生循環(huán)利用。

3 案例研究

以白銀東服務(wù)區(qū)為例，進(jìn)行實(shí)踐分析。白銀又稱銅城，是甘肅省轄地級(jí)市，是大蘭州經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心區(qū)和蘭白經(jīng)濟(jì)圈的副中心。白銀市地處隴西黃土高原西北邊緣及祁連山東延余脈、向騰格里沙漠過渡地帶，地勢(shì)南北高、中部低，海拔最高3 321 m，最低1 275 m，這一地區(qū)屬于中溫帶半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡地帶，年平均氣溫6℃～9℃，年降雨量180～450 mm，年蒸發(fā)量達(dá)1 500～1 600 mm，是平均降水量的4.5倍，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是降雨少、蒸發(fā)量大。

隨著高速公路的快速發(fā)展，白銀東服務(wù)區(qū)大量生活污水的排放造成了一定的水環(huán)境污染。防治水體污染、促進(jìn)水資源的合理開發(fā)利用、維護(hù)生態(tài)平衡，已成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。在深入調(diào)査植物多樣性的基礎(chǔ)上建設(shè)水污染處理系統(tǒng)，篩選出具有凈化生活污水能力的植物種類，按其凈化能力大小排序，種植于人工濕地，考察其凈化水質(zhì)和美化環(huán)境的效果，并選出效果好的植物進(jìn)行示范與推廣，以提高人工濕地凈化水質(zhì)的能力，為白銀東服務(wù)區(qū)污水處與循環(huán)利用提供保障。經(jīng)調(diào)查了解，白銀東服務(wù)區(qū)南區(qū)日常污水排放量約為40 t，主要利用污水處理系統(tǒng)凈化后排放，排放峰值出現(xiàn)在每日中午、晚上用餐高峰時(shí)間及節(jié)假日等人流量高峰階段。用水量組成如下：南區(qū)大便池76個(gè)，小便池72個(gè)，洗漱池10個(gè)，以上日用水量約為30 t，餐飲及加油站日用水量約為5 t。

計(jì)劃新建污水處理系統(tǒng)，釆用MBR一體化設(shè)備，利用膜生物反應(yīng)器進(jìn)行污水處理。膜生物反應(yīng)器的出水水質(zhì)好，運(yùn)行成本低，系統(tǒng)抗沖擊性強(qiáng)，污泥量少，自動(dòng)化程度高，占地面積小，便于集成，既可以作為小型污水回用設(shè)備，又可作為較大型污水處理廠(站)的核心處理單元，由于抗高寒能力強(qiáng)，故使用這種污水處理方式較好。

目前，白銀東服務(wù)區(qū)南區(qū)40 t/d為日污水排放最高值，浮動(dòng)系數(shù)取1.2 (物理污泥生產(chǎn)系數(shù)忽略不計(jì))，經(jīng)計(jì)算得出：南區(qū)日排放量40 t/d，物理污泥生產(chǎn)系數(shù)為萬(wàn)分之5.75，忽略不計(jì)，回用率90%，即36 t/d。外排率10%，4 t/d，960 t/植物生長(zhǎng)季，480 t/休眠期。根據(jù)以上測(cè)算數(shù)據(jù)，生長(zhǎng)季內(nèi)(按240 d計(jì))，南區(qū)外排污水總量約為960 m3，可供灌溉綠化面積約為1 000 m2；休眠期內(nèi)(按120 d計(jì))，南區(qū)總排放量約為480 m3，綠化澆灌用地面積及生態(tài)儲(chǔ)水池容積應(yīng)接近以上數(shù)據(jù)。

此項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，初步擬定在南區(qū)圍墻以內(nèi)適當(dāng)位置修建40×25 m生態(tài)儲(chǔ)水池一處，以有效增強(qiáng)生活污水的回水利用效率。與此同時(shí)，計(jì)劃在污水處理站周圍約1 000 m2的原有綠化帶內(nèi)及生態(tài)蓄水池邊沿進(jìn)行植被恢復(fù)和回水利用建設(shè)。

圖1 G6京藏高速白銀東服務(wù)區(qū)污水處理及生態(tài)濕地水回用設(shè)計(jì)圖Fig.1 G6 Beijing-Tibet Expressway Baiyin East Service Area sewage treatment and ecological wetland water reuse design

由于本項(xiàng)目位于高寒干旱區(qū)，且所處的高速公路服務(wù)區(qū)污水處理需求量大，為了進(jìn)一步使整個(gè)污水處理系統(tǒng)高效運(yùn)行，生態(tài)濕地用水得到循環(huán)利用，在濕地回水系統(tǒng)設(shè)計(jì)上使用生態(tài)蓄水池駁岸式蓄水，使服務(wù)區(qū)污水處理和生態(tài)濕地水回用得到自然凈化和自然循環(huán)。

在白銀東服務(wù)區(qū)內(nèi)的生態(tài)濕地回水蓄水池周邊，主要利用土工布、蘆葦卷和梢捆及各類植物等作為沿河材料筑堤元素，以穩(wěn)定蓄水池河岸和周邊水土，防止水土流失。土工布可避免高寒干旱區(qū)水的滲漏和大量蒸發(fā)，而天然蘆葦植物可有效凈化污水，從而形成循環(huán)型生態(tài)自用水的凈化。

與其他技術(shù)相比，白銀東服務(wù)區(qū)內(nèi)的污水處理和生態(tài)濕地水循環(huán)凈化系統(tǒng)大量用到了紅柳、沙棘、新楊柳，還有一些金榆葉等樹木，可作為自然駁岸的支撐點(diǎn)，保持蓄水池河岸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)還起到美化環(huán)境的作用。這些植物能夠適應(yīng)高寒干旱區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，可確保自身生長(zhǎng)與水循環(huán)凈化的協(xié)調(diào)性，可有效支撐蓄水池周邊的生態(tài)環(huán)境綠化，令蓄水池的自然駁岸更加穩(wěn)固。這種自然植物的污水凈化處理和生態(tài)濕地水回用設(shè)計(jì)，相比于混凝土河道設(shè)計(jì)更具有經(jīng)濟(jì)性，能夠減少成本，進(jìn)一步增強(qiáng)長(zhǎng)期生態(tài)回水的凈化處理能力。

G6京藏高速白銀東服務(wù)區(qū)的污水處理和生態(tài)濕地回水設(shè)計(jì)，采用污水處理站、天然生態(tài)蓄水池、綠植養(yǎng)護(hù)凈化三位一體設(shè)計(jì)，對(duì)污水進(jìn)行凈化和回水循環(huán)處理，有效實(shí)現(xiàn)了濕地水循環(huán)的再生利用。

4 結(jié)語(yǔ)

在高寒干旱地區(qū)的高速公路服務(wù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行污水處理和生態(tài)濕地水循環(huán)利用設(shè)計(jì)，要著重考慮宏觀環(huán)境、微觀環(huán)境，堅(jiān)持綠色化、無(wú)污染與長(zhǎng)期自我修復(fù)，充分利用當(dāng)?shù)氐奶厣参锱c氣候條件，結(jié)合污水處理需求，實(shí)現(xiàn)一體化建設(shè)，全方位考慮，只有這樣，才能有效處理污水，實(shí)現(xiàn)生態(tài)回水系統(tǒng)的可持續(xù)再生利用。