蘇州人工濕地尾水處理技術(shù)應(yīng)用
——以常熟新材料產(chǎn)業(yè)園尾水提標濕地為例

杜建強 杜瀅明 張 翔 張 瑛

（蘇州德華生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215021）

依據(jù)國內(nèi)現(xiàn)行的污水處理廠排放標準處理后的出水是經(jīng)過工程化手段、添加化學藥劑等方法處理后的“工程的水”，其對于地表水環(huán)境仍屬于含有一定營養(yǎng)物負荷的污染源，這樣的尾水排入自然水體不利于地表水環(huán)境質(zhì)量。人工濕地作為一種生態(tài)型水處理技術(shù)，其在生活污水處理、黑臭河道水體治理、污水廠尾水提標等領(lǐng)域已有成功應(yīng)用（杜建強等, 2010a; 2010b; 2012; 2020; Zhang et al.,2015; Du et al., 2017; 黃國動等, 2017; 杜瀅明等, 2019a; 2019b; oirschot et al., 2018）。尾水經(jīng)過人工濕地處理后，除了削減有機物、氮磷負荷外，能夠改善尾水的生態(tài)性，使污水處理廠尾水從“工程的水”轉(zhuǎn)變成“生態(tài)的水”，流入自然水體后可促進形成水體健康的食物鏈系統(tǒng)，為可持續(xù)的生態(tài)健康循環(huán)形成有利條件。

常熟新材料產(chǎn)業(yè)園位于常熟北部的望虞河畔，北依長江。園區(qū)規(guī)劃面積15.02 km2，重點發(fā)展氟材料、生物醫(yī)藥等產(chǎn)業(yè)?；て髽I(yè)的廢水達到接管標準后排入園區(qū)污水廠進行處理，處理后的尾水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A 標準，2020 年園區(qū)污水廠完成了提標改造工程。因污水廠排放口處于望虞河上游，望虞河的兩端連接長江和太湖，故建設(shè)尾水提標濕地，將污水廠尾水主要指標提標至《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅳ類水標準，減少尾水對太湖流域水體的影響。

1 材料與方法

1.1 尾水提標濕地

常熟新材料產(chǎn)業(yè)園尾水提標濕地采用德國人工濕地技術(shù)，設(shè)計處理規(guī)模4 000 m3/d，濕地面積5.9 hm2，2014 年5 月建設(shè)完成，已穩(wěn)定運行9 年。項目針對污水廠尾水大水量低濃度的特點進行了工藝創(chuàng)新，采用“調(diào)節(jié)池—垂直流濕地—生態(tài)塘—表面流濕地—飽和流濕地”的組合工藝路線。

項目工藝流程圖如圖1 所示，主要包括進水布水段、硝化段、脫磷段、沉淀段、反硝化段5 個功能步驟：1）進水布水段是項目地勢的最高點，利用污水廠尾水排放口的原有動力，把尾水提升到調(diào)節(jié)池，通過自動布水系統(tǒng)，把尾水分配到垂直流濕地。2）硝化段由20 個并聯(lián)的垂直流濕地濾床單元（編號A-T）組成，根據(jù)地勢高低的不同分為3 個級別，包括第1 級4 個單元（A-D）、第2 級7 個單元（編號E-K）、第3 級9 個單元（編號L-T）。3）脫磷段為應(yīng)急調(diào)磷裝置，通過添加鋁鹽和鈣鹽應(yīng)急除磷。4）沉淀段設(shè)有的深水區(qū)具有最優(yōu)的磷沉淀效果；從深水區(qū)流出的水在表面流濕地得到復(fù)氧，并通過種植的挺水植物實現(xiàn)懸浮物的進一步沉淀。5）反硝化段由兩個飽和流濕地處理單元組成，各單元采用“豐”字形結(jié)構(gòu)，在有限的面積內(nèi)形成最長的水流路徑，防止短流的發(fā)生。飽和流濕地的進水端設(shè)有碳源添加系統(tǒng)。項目設(shè)計水質(zhì)指標見表1（Geller et al.,2013）。

表1 項目設(shè)計水質(zhì)指標Table 1 Design water quality index of the project

圖1 項目工藝流程圖Fig.1 Project process flow chart

1.2 采樣點

本項目共涉及3 類采樣點（圖2），分別為尾水提標濕地總進水（即園區(qū)污水廠尾水）、垂直流濕地出水、尾水提標濕地總出水。

1.3 指標測試方法

本研究持續(xù)測定了尾水提標濕地總進水、總出水中CoDCr、NH3-N、TP、TN 指標，項目運行初期（2015—2016 年）測定了垂直流濕地出水的NH3-N、TN，各項水質(zhì)指標的監(jiān)測方法參照國家環(huán)境保護總局《水和廢水檢測分析方法》，其中CoDCr采用重鉻酸鹽法（HJ828-2017）測量；NH3-N 采用納氏試劑-紫外分光光度法（HJ535-2009）測量，TP 采用鉬酸銨-紫外分光光度法（GB11893-89）測量，TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012）測量。

本項目于2023 年6 月開展了垂直流濕地碳儲量定量監(jiān)測工作，并與長江邊自然區(qū)域蘆葦（Phragmites australis）進行了對比分析。監(jiān)測方法如下：首先對6 m2樣方內(nèi)的植物蘆葦進行收割稱重，并檢測其干濕度。蘆葦干濕度(P)是通過測量烘干前后的蘆葦重量得到的比值。烘干方法為：將新鮮收割的蘆葦置于烘干箱內(nèi)，105℃的條件下烘干48 h。通過碳轉(zhuǎn)化系數(shù)（ρ）得到收割蘆葦?shù)奶純α浚偻ㄟ^蘆葦根莖比（）計算獲得蘆葦總的固碳量，蘆葦固碳量以Co2計量（河北省生態(tài)環(huán)境廳,2022）。蘆葦植株高度使用卷尺進行測量，莖粗使用游標卡尺進行測量。蘆葦濕重和干重通過電子天平進行稱重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 反硝化作用效率計算方法 垂直流濕地硝化作用和反硝化作用分析中，硝化效率K和反硝化效率η，按照下列公式計算：

式中：C1e為垂直流濕地出水NH3-N 濃度（mg/L），C1為垂直流濕地進水NH3-N 濃度（mg/L），C2e為垂直流濕地出水TN 濃度（mg/L），C2為垂直流濕地進水TN 濃度（mg/L），垂直流濕地進水即尾水提標濕地總進水（mg/L）。

1.4.2 固碳量計算方法 對于碳儲量的分析研究，按下列公式進行計算：

式中：B為單位面積蘆葦?shù)厣喜糠质崭詈蟾芍兀╧g），W為單位面積蘆葦?shù)厣喜糠质崭詈鬂裰兀╧g），P為蘆葦干濕度，無量綱。

式中：CG為年單位面積地上收割碳儲量（kgC/m2），ρ為碳轉(zhuǎn)化系數(shù)（無量綱），取0.5(張美琪等,2023)。

式中：Ct為單位面積地上地下碳儲量（kg C/m2），為蘆葦根莖比（地下生物固碳量/地上生物固碳量），無量綱，取2.9（河北省生態(tài)環(huán)境廳等,2022）。

式中：C為單位面積總固碳量（kg Co2/m2），KCo2/C為二氧化碳（Co2）與碳（C）的系數(shù)，為兩者相對分子質(zhì)量之比，無量綱，為3.67。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地凈化效率

2015—2023 年常熟新材料產(chǎn)業(yè)園尾水提標項目運行期間進出水污染物濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（圖3）：尾水經(jīng)過濕地凈化，項目出水的主要指標穩(wěn)定優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅳ類水標準，其中NH3-N 和TP 濃度優(yōu)于地表Ⅲ類水標準（GB3838-2002）。濕地對NH3-N 和TN 的最高年平均去除率分別為91.38% 和87.55%，濕地出水CoDCr、NH3-N、TN、TP 的年平均濃度分別低于25 mg/L、0.7 mg/L、1.5 mg/L、0.04 mg/L。項目年處理水量約100 萬t，2015—2023 年累計削減CoDCr負荷、NH3-N 負荷、TN負荷分別為192.73 t、24.27 t、44.25 t。

圖3 2015 年1 月—2023 年5 月項目進出水水質(zhì)（橫線表示IV 類水標準）Fig.3 Water quality of influent and effluent from January 2015 to may 2023

2.2 垂直流濕地硝化作用效率

垂直流濕地為項目核心處理工藝段，2015—2016 年開展了不同運行工況、不同溫度的垂直流濕地硝化作用效率研究(表2）。不同運行工況主要是指不同的濾床水位條件，即通過控制出水閥門實現(xiàn)不同的濾床內(nèi)部水位高度，分為滿水、半水、放空3種工況，其中，滿水是指濾床內(nèi)部水位與濾料面齊平，半水是指濾床內(nèi)部水位在濾料深度的一半位置，放空是指濾床內(nèi)部不存水。不同的濾床水位可控制不同的濾床停留時間和飽和狀態(tài)，以調(diào)節(jié)濾床內(nèi)硝化和反硝化作用效率。從表2 可知，垂直流濕地的主要功能為硝化作用（效率為0.820），反硝化作用（效率為0.284）相比明顯較弱；而當濾床滿水運行時，同時具備一定的反硝化作用，反硝化作用效率約為0.5?？梢?，對于硝化效率的重要影響因素是濾床內(nèi)部運行水位的控制，濾床放空運行條件是增加硝化作用效率的有效方法，而控制濾床滿水位，垂直流濕地可以起到一定的總氮去除作用，此時濾床可同時實現(xiàn)硝化和部分反硝化作用。表3 為不同溫度、相同濾床水深條件的硝化效率對比研究，在溫度14℃、20℃、42℃的情況下，溫度對于硝化作用的影響不明顯。

表2 不同溫度、濾床水位的硝化及反硝化作用效率Table 2 Nitrification and denitrification efficiency based on different temperature and water level in wetland

表3 不同溫度的硝化作用效率Table3 Nitrification efficiency based on different temperature

2.3 尾水提標濕地固碳效果

2023 年6 月對垂直流濕地和長江邊自然濕地蘆葦采樣分析表明：垂直流濕地內(nèi)的蘆葦生長平均高度可達4.8 m，比長江邊蘆葦平均高1 m；垂直流濕地內(nèi)蘆葦莖粗可達2 cm，比長江邊自然區(qū)蘆葦平均粗1 cm。垂直流濕地與自然區(qū)濕地碳儲量分析結(jié)果如表4 所示。尾水提標濕地面積5.9 萬m2，單位面積固碳量為24.09 kg Co2，項目每年可產(chǎn)生生態(tài)碳匯固碳量1 419 t Co2，是自然濕地蘆葦生態(tài)碳匯量的2.1倍，對園區(qū)實現(xiàn)碳中和具有非常重要的意義（表4）。

表4 常熟新材料產(chǎn)業(yè)園尾水提標濕地碳匯數(shù)據(jù)Table 4 Carbonretentiondata of WWTP polishing wetland in Changshuadvanced materials industrial park

3 討論

3.1 組合型尾水提標濕地長效運行效果

常熟新材料產(chǎn)業(yè)園尾水提標項目采用的是“調(diào)節(jié)池—垂直流濕地—生態(tài)塘—表面流濕地—飽和流濕地”組合工藝，其中，垂直流濕地多單元間歇運行，尾水的氨氮被好氧生物膜氧化；生態(tài)塘設(shè)深水區(qū)，起到沉淀作用，是除磷的主要場所；表面流濕地（淺水區(qū)）發(fā)生大氣交換，使水體復(fù)氧，而挺水植物攔截懸浮顆粒物并沉淀；飽和流濕地內(nèi)為飽水缺氧狀態(tài)，發(fā)生反硝化反應(yīng)，去除剩余的硝酸鹽，沉淀、過濾碳酸鹽和減少二次產(chǎn)生的有機固體顆粒物。由濕地多年水質(zhì)數(shù)據(jù)和硝化作用效率研究，各工藝段均發(fā)揮了工藝設(shè)計的功能，硝化、除磷、反硝化作用明顯。濕地濾床的生物膜固定在濾料上，相當于固定床生物反應(yīng)器，不同于活性污泥法的流動狀態(tài)，生化反應(yīng)發(fā)生在濾床表面以下，不與空氣直接接觸，濾床本身和植物都會起到保溫作用，因此即便在冬季各類物質(zhì)的去除作用也保持穩(wěn)定。

美國環(huán)保署調(diào)查發(fā)現(xiàn)濕地在投入運行的5 年內(nèi)出現(xiàn)不同程度的堵塞（USEPA，2000），國內(nèi)一般2 ～3年就出現(xiàn)堵塞、處理效率降低等致命問題，而本尾水濕地項目運行已有9 a，期間沒有出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

3.2 尾水提標濕地與自然濕地的固碳效益對比

本研究垂直流濕地蘆葦?shù)厣喜糠趾剂繛?.68 kg C/m2，遠高于長江邊自然濕地蘆葦?shù)厣喜糠趾剂浚?.78 kg C/m2）。當前對于人工濕地碳匯量研究鮮有報道，研究對象主要為自然濕地。王瀚強等（2014）于2011 年發(fā)現(xiàn)崇明島環(huán)島蘆葦6 月地上部分含碳量為0.50±0.06 kg C/m2，全年平均為0.67±0.19 kg C/m2，與本研究地周邊的長江邊自然濕地蘆葦相當，但其遠遠小于垂直流濕地地上部分含碳量。結(jié)果表明：垂直流濕地蘆葦含碳量較自然濕地具有顯著優(yōu)勢，其原因在于：1）長江水質(zhì)為地表II 類水，水位不穩(wěn)定，長江邊自然濕地相對于尾水濕地，獲得的營養(yǎng)物質(zhì)較少，生長環(huán)境不穩(wěn)定；而尾水為劣Ⅴ類水，含有更多營養(yǎng)鹽，項目每天持續(xù)處理尾水，同時進水的有效控制以及濾床布水集水系統(tǒng)的合理布置，使尾水被均勻地分配到各個垂直流濾床單元，所有植物均能持續(xù)、均勻得到營養(yǎng)；2）垂直流濕地多單元間歇布水運行，休床階段空氣更容易進入濾床內(nèi)的空隙，促進了濕地植物和微生物的呼吸作用；3）濾床內(nèi)部構(gòu)建的固定床生物反應(yīng)系統(tǒng)，濾料及根系微生物豐富（許明等, 2019），微生物膜能夠?qū)㈦y降解有機物轉(zhuǎn)化為小分子得以供植物利用。垂直流濕地固碳能力機理研究以及增匯技術(shù)有待進一步探究。

4 結(jié)論與建議

常熟新材料產(chǎn)業(yè)園尾水提標濕地項目穩(wěn)定運行9 年，共減少尾水排放903 萬t，削減CoD 負荷、NH3-N 負荷、TN 負荷分別為192.73 t、24.27 t、44.25 t，年總計固碳量達1 419 t Co2。項目配套建設(shè)的太陽能電站運行長期穩(wěn)定，年發(fā)電量約7 萬度，保障了項目管理用電。多種工藝段組合的尾水提標濕地技術(shù)從設(shè)計走向應(yīng)用實踐，尾水凈化效益、碳匯效益、節(jié)能效益不斷增長，項目成為了化工園區(qū)水資源利用、長江保護修復(fù)的優(yōu)秀案例，2023 年被評為蘇州市首屆“十佳濕地生態(tài)修復(fù)案例”。實踐證明該技術(shù)的成功應(yīng)用，可為尾水提標濕地的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

尾水人工濕地在各地逐步推廣應(yīng)用，為促進尾水提標濕地技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，不斷提高尾水人工濕地的凈化效益和綜合效益，建議：1）對于本案例繼續(xù)研究其長期運行效果，不斷總結(jié)經(jīng)驗，為相關(guān)指南和標準的完善提供理論依據(jù)；2）增加既去污又增加碳匯的濕地，充分發(fā)揮濕地的綜合效應(yīng)，并加強碳匯監(jiān)測，與其他濕地做出科學對比；3）加強生物多樣性監(jiān)測和評估，積累尾水濕地生物多樣性數(shù)據(jù)。