技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)視角下我國污水處理廠尾水人工濕地設(shè)計(jì)分析

馬昱新，陳啟斌，王朝旭，李作臣，李偉強(qiáng)，申志鵬，崔建國*

1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2.中電建市政建設(shè)集團(tuán)北方國際工程有限公司

人工濕地技術(shù)起源于20 世紀(jì)70年代，后來逐漸發(fā)展成為污水生態(tài)處理的重要手段之一。該技術(shù)利用植物、基質(zhì)、微生物的協(xié)同作用，通過吸附、沉淀、過濾、離子交換、植物吸收和微生物降解等多種途徑來去除污水中的有機(jī)物、氮和磷等[1]。人工濕地技術(shù)具有水質(zhì)凈化效果好、投資費(fèi)用和處理成本低、運(yùn)行管理簡(jiǎn)便且環(huán)境景觀效果好等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于污水處理廠尾水的深度凈化領(lǐng)域，既能解決受納水體水質(zhì)污染問題，也能在一定程度上緩解河道生態(tài)基流缺失、水動(dòng)力不足的狀況[2-3]。

近年來，多部污水處理廠尾水人工濕地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)發(fā)布和實(shí)施，在指導(dǎo)和規(guī)范工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)等方面發(fā)揮了積極的作用；一大批尾水人工濕地工程也相繼建成并投入使用，極大地推動(dòng)了污水處理廠尾水人工濕地領(lǐng)域的技術(shù)研究和工程實(shí)踐。但需要指出的是，只有基于高質(zhì)量的規(guī)范化工程設(shè)計(jì)和可持續(xù)的運(yùn)營管理與維護(hù)，才能實(shí)現(xiàn)尾水人工濕地工程優(yōu)良的水質(zhì)凈化效果和長久穩(wěn)定的運(yùn)行，保障人工濕地良好的環(huán)境景觀效應(yīng)，而這些都依賴于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制質(zhì)量及其良好的規(guī)范和指導(dǎo)作用。目前，對(duì)污水處理廠尾水人工濕地相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析鮮見報(bào)道。為此，收集并梳理了國家、?。▍^(qū)、市）及專業(yè)協(xié)會(huì)等不同層面上關(guān)于污水處理廠尾水人工濕地的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范、規(guī)程、導(dǎo)則和指南），針對(duì)不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于污水處理廠尾水人工濕地工程的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行比較分析，探討標(biāo)準(zhǔn)條文的適用性和合理性，并提出工程優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，以期為國內(nèi)污水處理廠尾水人工濕地工程的規(guī)范設(shè)計(jì)和建設(shè)提供建議。

1 國內(nèi)外尾水人工濕地應(yīng)用現(xiàn)狀

人工濕地技術(shù)因其集水質(zhì)凈化、景觀營造于一身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在包括污水處理廠尾水在內(nèi)的低污染水的深度處理領(lǐng)域得到了大量的推廣和應(yīng)用，并成為重要的發(fā)展方向之一[4]。國外較早開始使用人工濕地技術(shù)進(jìn)行尾水深度處理，如1994年荷蘭在特賽爾島建造了處理規(guī)模為6 萬m3/d 的人工濕地，對(duì)污水處理廠的二級(jí)出水進(jìn)行深度處理；2001年，意大利佛羅倫薩采用4 座不同類型的人工濕地進(jìn)行尾水的三級(jí)處理[5]。我國較早將人工濕地用于污水處理廠尾水深度處理的工程為浙江省舟山市的朱家尖污水處理廠人工濕地工程，該工程于2007年9 月建成并完成調(diào)試，系統(tǒng)對(duì)尾水的處理效果良好[6]。截至2019年上半年，我國處理污水處理廠尾水的人工濕地工程案例數(shù)量已達(dá)到94 個(gè)，占人工濕地工程總數(shù)量的12%[7]。筆者通過文獻(xiàn)檢索、網(wǎng)站搜索和媒體報(bào)道等途徑，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)從2019年6 月—2022年10月，我國已建、在建和擬建的尾水人工濕地工程數(shù)量新增61 個(gè)。

尾水人工濕地處理單元常見的有強(qiáng)化預(yù)處理單元、表面流濕地、潛流濕地和穩(wěn)定塘4 種，除強(qiáng)化預(yù)處理單元外，其余工藝單元可進(jìn)行組合，形成多種工藝流程。在尾水人工濕地工程設(shè)計(jì)時(shí)，在前期充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，依據(jù)尾水處理量、水質(zhì)特征、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地形地貌特點(diǎn)、水質(zhì)提標(biāo)升級(jí)或資源化利用等要求，因地制宜地確定工藝設(shè)計(jì)方案。國內(nèi)各地大量的工程實(shí)踐（表1）表明，人工濕地能夠?qū)⑽菜|(zhì)由GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)B 及以上提升至GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅴ類及以上。其中，2014年建成的浙江省臨安污水處理一廠的高效復(fù)合人工濕地系統(tǒng)對(duì)尾水有著良好的凈化效果，該人工濕地系統(tǒng)對(duì)尾水中的氨氮（NH3-N）、硝態(tài)氮（-N）、總氮（TN）的年平均去除率分別為84.3%、33.1%、39.5%，對(duì)總磷（TP）和COD 的去除率分別為77.8%和46.0%[8]，出水水質(zhì)（COD 為23.80 mg/L、NH3-N 為0.19 mg/L、TN 為9.14 mg/L、TP 為0.44 mg/L）優(yōu)于GB 18918—2002 一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)[9]。在此基礎(chǔ)上，2018年建成的臨安污水處理二廠尾水人工濕地處理系統(tǒng)包含接觸氧化系統(tǒng)、魚草喬（木）生態(tài)平衡系統(tǒng)、高效自凈水生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)濾地系統(tǒng)和景觀生態(tài)塘。該人工濕地出水COD、TP、TN 濃度可降低20%，色、嗅等感官指標(biāo)滿足GB/T 18921—2002《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》中的觀賞性景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N、糞大腸菌群數(shù)等指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于GB 3838—2002 Ⅲ類水質(zhì)要求[10]。

表1 國內(nèi)污水處理廠尾水人工濕地典型工程案例[4,10]Table 1 Basic information of typical domestic project cases of CWs for terminal effluent of WWTPs

2 尾水人工濕地設(shè)計(jì)

2.1 國內(nèi)外尾水人工濕地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

20 世紀(jì)90年代，為使人工濕地的建設(shè)與維護(hù)管理更加規(guī)范，美國各州共同編制了適用于美國的EPA 843-B-00-003《處理型人工濕地指導(dǎo)原則：提供水質(zhì)和野生動(dòng)物棲息地》，主要規(guī)定了人工濕地的場(chǎng)址選擇、設(shè)計(jì)、施工、操作、維護(hù)和監(jiān)測(cè)指導(dǎo)原則等內(nèi)容[11]。在此基礎(chǔ)上，美國國家環(huán)境保護(hù)局（US EPA）開發(fā)了北美濕地水質(zhì)處理數(shù)據(jù)庫，減少重復(fù)勞動(dòng)并改良傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)人工濕地的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)、管理等起到了很好的規(guī)范和指導(dǎo)作用。2006年3 月，德國發(fā)布了第一部人工濕地標(biāo)準(zhǔn)DWA-A 262《城市污水生物凈化用土壤過濾器污水處理廠的尺寸、建設(shè)和運(yùn)行原則》[12]，并于2017年完成了該標(biāo)準(zhǔn)的修訂（DWA-A 262E）[13]，為污水生物處理人工濕地設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維提供了依據(jù)。目前，在人工濕地深度凈化污水處理廠尾水領(lǐng)域，尚未檢索到國外已發(fā)布的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 國內(nèi)已發(fā)布實(shí)施的污水處理廠尾水人工濕地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)情況Table 2 China’s current published technical standards of CWs for terminal effluent of WWTPs

2.2 尾水人工濕地工藝選型

開展人工濕地處理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行工藝選型。濕地具體工藝的選擇應(yīng)該在綜合考慮受納水體的水質(zhì)要求、污水處理廠尾水的水質(zhì)特點(diǎn)或處理難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析、研判，再依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則，針對(duì)性選擇具體的工藝流程。

針對(duì)尾水處理需去除的主要目標(biāo)污染物類型，《污水處理廠尾水人工濕地深度凈化技術(shù)指南》（T/CSES 30—2021，簡(jiǎn)稱《TCSES 指南》）指出了適宜的人工濕地工藝類型，并指出可以根據(jù)尾水水質(zhì)特征進(jìn)行工藝的集成與組合（圖1）。DB63/T 1350—2015《河湟谷地人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱《青海省規(guī)范》）指出，對(duì)于人工濕地的組合形式的選擇，主要是根據(jù)處理水量來確定。單一式和單聯(lián)式人工濕地的處理量宜小于500 m3/d；當(dāng)水量大于1 000 m3/d 時(shí)，宜采用多級(jí)串聯(lián)或并聯(lián)式人工濕地；水量大于2 000 m3/d 時(shí)，就應(yīng)采用綜合式人工濕地，即由多個(gè)復(fù)合流潛流人工濕地單元以并聯(lián)方式組合構(gòu)成潛流人工濕地單元組，并由多組潛流人工濕地單元組以并聯(lián)方式組成潛流人工濕地系統(tǒng)。在具體的工程實(shí)踐中，復(fù)合流人工濕地的工藝組成主要包括塘（氧化塘）、床（水平或垂直潛流人工濕地）、表（表流人工濕地）等。按照工藝組成及類型分類，尾水人工濕地可以分為強(qiáng)化預(yù)處理組合工藝、塘－床組合工藝、塘－表組合工藝以及（塘）床－表組合工藝4 種常用的工藝處理系統(tǒng)[4]。

圖1 尾水人工濕地目標(biāo)污染物的推薦工藝Fig.1 Recommended process for target pollutants in CWs for terminal effluent of WWTPs

人工濕地污水處理技術(shù)本質(zhì)上屬生物膜法范疇，微生物在去除污染物的過程中發(fā)揮著主體作用。為了進(jìn)一步強(qiáng)化尾水人工濕地的生物脫氮除磷效率，工藝選型時(shí)應(yīng)創(chuàng)造有利于強(qiáng)化微生物脫氮作用的厭氧/缺氧微環(huán)境，因此各種組合或復(fù)合流處理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。但人工濕地組合處理系統(tǒng)的選取和組合形式大多依據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，且其處理效能波動(dòng)也較大，在缺乏長期的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)條件下，如何保證尾水人工濕地組合處理系統(tǒng)的去除效率持久穩(wěn)定也是工藝選型及設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題[18]。

人工濕地水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)模型的研究有利于工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐，但現(xiàn)狀研究構(gòu)建的多為灰箱模型[18]，對(duì)于人工濕地的組成內(nèi)容和工藝過程做了較多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，從而增加了模型工藝和運(yùn)行參數(shù)的不確定性與不規(guī)范性。而在實(shí)際的人工濕地工程中，因水質(zhì)條件復(fù)雜、影響因素眾多，導(dǎo)致模型誤差增大，準(zhǔn)確度下降。因此，如何提高模型預(yù)測(cè)精確度，有利于準(zhǔn)確把握設(shè)計(jì)水質(zhì)和處理規(guī)模，從而指導(dǎo)工藝選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，將是未來重要的研究方向。

需指出的是，相較傳統(tǒng)的污水處理工藝，人工濕地占地面積往往較大，但其具有獨(dú)特的景觀營造所必需的水面和植物兩大元素，在人工濕地系統(tǒng)工藝選型和集成設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上再由景觀設(shè)計(jì)師進(jìn)行專業(yè)打造，可以創(chuàng)造出集水質(zhì)凈化、景觀營造、科普教育、娛樂休閑等功能于一體的“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”。

2.3 尾水人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.1 水力停留時(shí)間與表面負(fù)荷

《人工濕地水質(zhì)凈化技術(shù)指南》（簡(jiǎn)稱《生態(tài)環(huán)境部指南》）根據(jù)各?。▍^(qū)、市）1 月、7 月的平均氣溫，并輔助考慮每年日平均氣溫≤5 ℃與≥25 ℃的天數(shù)，將全國分為嚴(yán)寒地區(qū)（Ⅰ區(qū)）、寒冷地區(qū)（Ⅱ區(qū)）、夏熱冬冷地區(qū)（Ⅲ區(qū)）、夏熱冬暖地區(qū)（Ⅳ區(qū)）、溫和地區(qū)（Ⅴ區(qū)）共5 個(gè)區(qū)。其中，河南省大部（除安陽市、鶴壁市、濮陽市外）處于氣候分區(qū)中的Ⅲ區(qū)，青海河湟谷地區(qū)屬于Ⅱ區(qū)。為了解地方規(guī)范與《生態(tài)環(huán)境部指南》中相應(yīng)氣候分區(qū)（河南省大部、青海河湟地區(qū)）對(duì)尾水人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)取值的異同，分別將DB41/T 1947—2020《污水處理廠尾水人工濕地工程技術(shù)規(guī)范》 （簡(jiǎn)稱《河南省規(guī)范》）與《生態(tài)環(huán)境部指南》的Ⅲ區(qū)、《青海省規(guī)范》與《生態(tài)環(huán)境部指南》中的Ⅱ區(qū)進(jìn)行比較分析（表3、表4）。

微信公眾號(hào)作為新媒體，具有傳播迅速，閱讀范圍廣泛；便捷易讀，有效利用碎片時(shí)間傳播信息；用戶互動(dòng)靈活，傳播效果可持續(xù)；內(nèi)容豐富，傳播目標(biāo)精準(zhǔn)等特點(diǎn)。近年來，眾多科技期刊也抓住機(jī)遇，積極尋求新媒體融合路徑，微信公眾號(hào)成了科技期刊新媒體融合路徑中的重要一環(huán)。對(duì)科技期刊運(yùn)營微信公眾號(hào)的目的和期望達(dá)成的效果進(jìn)行梳理，結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況分析科技期刊微信公眾號(hào)運(yùn)營中存在的問題，尋求促進(jìn)科技期刊微信公眾號(hào)運(yùn)營更好的發(fā)展方向。

表3 《河南省規(guī)范》與《生態(tài)環(huán)境部指南》設(shè)計(jì)參數(shù)建議值比較Table 3 Recommended values for design parameters in Henan Specification and Guideline of Ministry of Ecology and Environment

表4 《青海省規(guī)范》和《生態(tài)環(huán)境部指南》的設(shè)計(jì)參數(shù)建議值Table 4 Recommended values for design parameters in Qinghai Specification and Guideline of Ministry of Ecology and Environment

由表3、表4 可知，對(duì)于同一地區(qū)來說，地方規(guī)范與《生態(tài)環(huán)境部指南》給出的尾水人工濕地工程的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值存在較大差異?！渡鷳B(tài)環(huán)境部指南》推薦的水力表面負(fù)荷的取值范圍較《河南省規(guī)范》更為寬泛，并給出了目標(biāo)污染物（COD、NH3-N、TN、TP）表面負(fù)荷的建議取值；《河南省規(guī)范》只給出BOD5表面負(fù)荷的取值，如表面流、水平潛流和垂直潛流人工濕地的BOD5表面負(fù)荷取值分別為≤4、≤30、≤30 g/(m2·d)。從污水處理廠尾水人工濕地工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用來看，采用COD 表面負(fù)荷更為簡(jiǎn)便。

《青海省規(guī)范》中的表面流人工濕地的污染物表面負(fù)荷較《生態(tài)環(huán)境部指南》偏大，且二者的取值下限基本上相差1 個(gè)數(shù)量級(jí)；而其復(fù)合流人工濕地的污染物表面負(fù)荷是《生態(tài)環(huán)境部指南》中的水平流、潛流人工濕地的數(shù)倍，前者COD 表面負(fù)荷為10～60 g/(m2·d)，而后者水平潛流人工濕地是2～12 g/(m2·d)。這是由于復(fù)合流人工濕地是由多級(jí)潛流人工濕地單元組合而成，污染物去除能力較單獨(dú)的水平流或垂直流人工濕地要強(qiáng)，則污染物表面負(fù)荷的設(shè)計(jì)取值可以適當(dāng)高一些。復(fù)合流人工濕地的水力表面負(fù)荷可高達(dá)0.67 m3/（m2·d），較我國大多數(shù)尾水人工濕地提升了30%，同時(shí)縮小了濕地占地面積[19]。

由上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中尾水人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)選取的對(duì)比分析可知，雖然《生態(tài)環(huán)境部指南》首次以地區(qū)最低月溫度為重要指標(biāo)對(duì)全國進(jìn)行氣候分區(qū)，并按氣候分區(qū)給出了人工濕地主要類型的設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值，但參數(shù)取值范圍仍較為寬泛。當(dāng)所屬氣候區(qū)對(duì)應(yīng)的不同標(biāo)準(zhǔn)給出的設(shè)計(jì)參數(shù)不一致或范圍太過寬泛時(shí)，為了滿足出水水質(zhì)要求，應(yīng)按照每一種設(shè)計(jì)參數(shù)的最低負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，然后取設(shè)計(jì)面積最大的設(shè)計(jì)參數(shù)較為安全可靠。當(dāng)實(shí)際工程占地、施工等條件不能滿足所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，在預(yù)算滿足的情況下應(yīng)考慮采用高負(fù)荷的復(fù)合式人工濕地，同時(shí)減少低負(fù)荷表流人工濕地的設(shè)計(jì)面積。

20 世紀(jì)90年代，US EPA 通過建立《北美水質(zhì)處理濕地?cái)?shù)據(jù)庫》并發(fā)布《市政污水處理型人工濕地工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》，規(guī)范了人工濕地工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營等工作，但上述濕地?cái)?shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)手冊(cè)中的參數(shù)大多基于國外實(shí)際人工濕地工程項(xiàng)目的長期監(jiān)測(cè)結(jié)果。對(duì)于我國而言，還未建立全國統(tǒng)一的人工濕地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，亦尚未有一套由科研、設(shè)計(jì)和施工單位共同參與下編制完成的人工濕地設(shè)計(jì)手冊(cè)用來規(guī)范和指導(dǎo)尾水人工濕地工程設(shè)計(jì)。同時(shí)，還需加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研究的針對(duì)性，從而使科研成果為尾水人工濕地的工藝設(shè)計(jì)提供全面、系統(tǒng)、因地制宜的技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，不斷提高設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，推動(dòng)人工濕地技術(shù)在污水處理廠尾水深度處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

2.3.2 設(shè)計(jì)面積

尾水人工濕地的工藝選型確定后，一般依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選取適宜的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，采用表面負(fù)荷法完成人工濕地有效面積和幾何結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)、計(jì)算。人工濕地設(shè)計(jì)面積的表面負(fù)荷法計(jì)算公式如下：

式中：A為人工濕地面積，m2；Q為人工濕地設(shè)計(jì)水量，m3/d；C0為人工濕地進(jìn)水污染物濃度，mg/L；C1為人工濕地出水污染物濃度，mg/L；N為污染物表面負(fù)荷，g/（m2·d）；Nq為水力表面負(fù)荷，L/（m2·d）。

《生態(tài)環(huán)境部指南》規(guī)定，人工濕地的表面積可根據(jù)COD、NH3-N、TN 和TP 等主要污染物削減負(fù)荷和水力表面負(fù)荷計(jì)算，并取上述計(jì)算結(jié)果的最大值，同時(shí)應(yīng)滿足水力停留時(shí)間要求?！禩CSES 指南》則規(guī)定，尾水人工濕地設(shè)計(jì)面積應(yīng)按TN、TP、COD 和重金屬等進(jìn)水負(fù)荷與去除率確定，應(yīng)取其設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果中的最大值，同時(shí)應(yīng)滿足水力表面負(fù)荷的要求。

尾水人工濕地包括潛流人工濕地、表面流人工濕地和復(fù)合流人工濕地等類型。相關(guān)研究結(jié)果表明，尾水屬于微污染物濃度污水，針對(duì)微污染物濃度的水質(zhì)，潛流人工濕地的設(shè)計(jì)面積主要取決于水力表面負(fù)荷[20]。依據(jù)《生態(tài)環(huán)境部指南》并參考GB 18918—2002 及GB 3838—2002，用污染物表面負(fù)荷和水力表面負(fù)荷分別進(jìn)行表面流尾水人工濕地最小設(shè)計(jì)面積的計(jì)算。其情況設(shè)定為：進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)為GB 18918—2002 一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)限值，出水水質(zhì)指標(biāo)為GB 3838—2002 的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，濕地進(jìn)水流量(Q)設(shè)為1 000 m3/d。依據(jù)《生態(tài)環(huán)境部指南》中的5 個(gè)氣候分區(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)的取值上限，計(jì)算得到表面流尾水人工濕地最小設(shè)計(jì)面積，結(jié)果如圖2 所示。處理污水處理廠尾水的表面流人工濕地最小設(shè)計(jì)面積主要取決于NH3-N 或TN 污染物表面負(fù)荷，在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)最為明顯。因此，表面流人工濕地通過強(qiáng)化脫氮措施來減小濕地占地面積和工程投資十分重要，但Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)使用這2 個(gè)參數(shù)計(jì)算的濕地面積相差較大，這可能與不同地區(qū)的尾水水質(zhì)有關(guān)。且隨著不同氣候分區(qū)氣溫的降低，濕地面積顯著增大，可見在北方地區(qū)，氣溫成為影響濕地設(shè)計(jì)面積的重要因素，通過采取保溫措施不僅可維持尾水人工濕地的處理效果，也可以縮小工程設(shè)計(jì)占地面積。

圖2 5 個(gè)氣候分區(qū)下基于不同參數(shù)的表面流尾水人工濕地設(shè)計(jì)面積Fig.2 Design area of surface flow constructed wetland for terminal effluent of WWTPs in five climate zones based on different parameters

尾水人工濕地在計(jì)算和確定設(shè)計(jì)面積時(shí)，應(yīng)基于濕地工程選址位置的特殊性，結(jié)合處理工藝選型，綜合考量工程選址情況、場(chǎng)地地形地貌、總體布置形式等因素，因地制宜地構(gòu)建組合式、復(fù)合型處理系統(tǒng)，必要時(shí)進(jìn)行鑲嵌式或立體式布置，以減小濕地占地面積。

3 尾水人工濕地優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

3.1 強(qiáng)化脫氮

隨著生態(tài)文明建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)以及水資源、水生態(tài)和水環(huán)境的統(tǒng)籌利用與保護(hù)，我國水生態(tài)環(huán)境得到了較大程度的改善，但水體中的氮素污染仍是威脅地表水環(huán)境安全的重要問題之一[21]。人工濕地對(duì)包括污水處理廠尾水在內(nèi)的低污染水的深度處理效果良好，建設(shè)和運(yùn)行成本較低。然而，污水處理廠尾水具有可生化性差、碳氮比（C/N）低、TN 濃度高（以硝酸鹽為主）等水質(zhì)特征[1]，限制了人工濕地的反硝化作用，導(dǎo)致人工濕地的脫氮效能較低，威脅到受納水體水安全，不利于尾水的資源化利用[22]。

現(xiàn)有的尾水人工濕地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)條文中列出了提高和強(qiáng)化尾水人工濕地的脫氮效能的技術(shù)方法和措施。《河南省規(guī)范》指出，當(dāng)出水水質(zhì)考慮TN 指標(biāo)時(shí)，可填充緩釋碳源填料或自養(yǎng)反硝化填料?！禩CSES 指南》則指出，當(dāng)尾水中碳源缺乏和冬季脫氮微生物活性低導(dǎo)致人工濕地脫氮效率下降時(shí)，可適當(dāng)補(bǔ)充濕地植物厭氧發(fā)酵液或其他碳源。濕地植物厭氧發(fā)酵液C∶N∶P 宜為200～300∶5∶1，添加濕地植物厭氧發(fā)酵液后使尾水中C/N 達(dá)到3～5∶1 為宜。但上述強(qiáng)化尾水人工濕地脫氮的技術(shù)措施對(duì)工程實(shí)踐的指導(dǎo)性不強(qiáng)，需進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研究和大力推動(dòng)科技成果的轉(zhuǎn)化，建設(shè)示范應(yīng)用工程，完善和修訂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)性。

基于微生物硝化反硝化脫氮作用被認(rèn)為是人工濕地去除污水處理廠尾水中氮素的主要機(jī)制[23]，研究人員在功能型填料篩選、構(gòu)建強(qiáng)化型人工濕地和調(diào)控濕地碳水平等方面開展了大量的研究[24]。已有研究表明，通過將來水的C/N 調(diào)控至合適值或引入鐵、硫源改變微生物群落結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化人工濕地微生物反硝化過程，是提高尾水人工濕地脫氮效率的關(guān)鍵[25]。

從尾水人工濕地碳水平調(diào)控策略的可行性、經(jīng)濟(jì)性并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用的可達(dá)性綜合分析，濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化（折板式人工濕地）、工藝改進(jìn)（分段進(jìn)水、出水回流）、耦合工藝（自養(yǎng)脫氮工藝與人工濕地的耦合）為優(yōu)化尾水人工濕地工程設(shè)計(jì)和強(qiáng)化其脫氮效能的較好策略與途徑（表5）。

表5 尾水人工濕地碳水平調(diào)控策略[23,25]Table 5 Regulation strategy of carbon level in CWs for terminal effluent of WWTPs

3.2 水量平衡校核

由于人類活動(dòng)的影響，全球氣候變暖趨勢(shì)明顯，導(dǎo)致極端天氣出現(xiàn)的頻率大增，近些年國內(nèi)各地降水的量級(jí)和頻次超出以往[26]。同時(shí)，尾水人工濕地往往建設(shè)在城鎮(zhèn)污水處理廠排水口的下游，地勢(shì)較低，易受到洪水的威脅。因此，進(jìn)行人工濕地工程設(shè)計(jì)時(shí)首要任務(wù)是掌握當(dāng)?shù)氐乃臈l件，開展?jié)竦氐目偹科胶庥?jì)算，即在降水時(shí)間較長的情況下，計(jì)算整個(gè)匯水范圍內(nèi)流入人工濕地的水量，并將其納入設(shè)計(jì)流量內(nèi)。

人工濕地的水文條件是維持濕地結(jié)構(gòu)功能、物種組成以及開發(fā)成功濕地項(xiàng)目的重要因素?，F(xiàn)有尾水人工濕地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中涉及到水文要素影響的內(nèi)容較少。由于降水量時(shí)空分布嚴(yán)重不均，導(dǎo)致我國不同地區(qū)間降水量的差異較大。在確定尾水人工濕地工程規(guī)模和選擇處理工藝時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于降水量等水文要素的影響沒有給予足夠的考慮，僅依據(jù)進(jìn)、出水水質(zhì)與水量進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮地下水滲透水量、管路系統(tǒng)漏損等因素。根據(jù)US EPA 發(fā)布的《市政污水人工濕地處理設(shè)計(jì)手冊(cè)》并結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)踐，提出尾水人工濕地水量校核公式：

式中：S為濕地真實(shí)水量，m3；Q為濕地設(shè)計(jì)進(jìn)水量，m3；R為濕地降水量（徑流水量與濕地表面降水量），m3；I為地下水滲入水量，m3；L為濕地系統(tǒng)漏損與滲出水量，m3；ET 為濕地表面蒸發(fā)與植物蒸騰水量，m3。

雨季來臨時(shí)，人工濕地表面的水量以及上游來水量突增，會(huì)使?jié)竦厝コ廴疚锏男Ч艿捷^大影響，同時(shí)還會(huì)對(duì)基質(zhì)上的生物膜造成沖刷，使雨季過后污染物的去除效果受到不利影響。另外，在我國北方干旱少雨地區(qū)，較少的降水可能給一些以循環(huán)補(bǔ)水為水源的人工濕地工程長期的穩(wěn)定運(yùn)行帶來困難，還可能影響到人工濕地植物的正常生長。因此，可考慮將市政水源接入尾水人工濕地以備用，干旱期可以及時(shí)地給植物進(jìn)行澆灌。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)各地污水處理廠提標(biāo)改造和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作力度的不斷加大，污水處理廠尾水人工濕地的工程化應(yīng)用越來越廣泛。不同層面已出臺(tái)的污水處理廠尾水人工濕地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施，有助于指導(dǎo)和規(guī)范我國尾水人工濕地技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，但在某些方面仍存在一定的不足。例如，對(duì)不同地域污水處理廠尾水的水質(zhì)特征關(guān)注較少，預(yù)處理單元和人工濕地組合單元的設(shè)計(jì)缺乏針對(duì)性；在多級(jí)人工濕地單元之間的銜接方式和處理構(gòu)筑物景觀造型的打造等方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容缺失。隨著尾水人工濕地技術(shù)在我國的快速發(fā)展，已有大量工程實(shí)踐可供參考，早期發(fā)布的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)實(shí)際工程建設(shè)及運(yùn)維數(shù)據(jù)和區(qū)域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的新要求進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。建議構(gòu)建基于基質(zhì)和水生植物選擇、工程運(yùn)營監(jiān)測(cè)等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在尾水人工濕地全生命周期中的指導(dǎo)作用。采用建筑信息模型（BIM）、人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生、智慧工廠等新理念和新技術(shù)，提高包括尾水人工濕地在內(nèi)的處理型濕地工程全生命周期設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等工作質(zhì)量，促進(jìn)人工濕地綠色生態(tài)技術(shù)蓬勃發(fā)展。