北方人工濕地污水處理技術應用研究與示范工程
摘要：針對北方地區氣候特點，開展了人工濕地污水處理技術在北方的單元應用研究與工程示范。在設計上對潛流濕地越冬深度、填料結構、布集水系統和水位調整導淤方式進行優化創新，并采取了預處理與人工濕地組合工藝調節各季節運行效果；通過單元實驗研究了濕地應用的工藝條件(深度、水力負荷、污染負荷)，以及濕地的保溫效果與全年運行效率，介紹了利用該技術建設的示范工程概況，分析了其產生的經濟、社會與環境效益。
關鍵詞：北方人工濕地；潛流；應用研究；示范
1 前言
人工濕地作為一種生態型污水處理技術，目前在國外很多國家得到了普遍關注與應用。這種技術與傳統污水生化處理技術相比，具有建設成本與運行成本低、處理效果好、兼有生態修復功能與營造生態景觀等特點[1，2]。在我國，人工濕地技術逐漸開始受到了人們的重視，并已經在我國南方的一些城市與農村地區得到了應用，但是在我國的北方寒冷地區開展相關研究的卻并不多見。國內的一些研究多為小試、中試水平，實際應用的較少，而且規模小，缺乏工程應用和運行管理經驗，這就限制了人工濕地技術在我國北方地區的應用。
本研究針對人工濕地技術在北方地區的氣候特點，開展了潛流濕地工程應用單元的設計與相關條件實驗研究。同時，通過示范工程的建設和運行，總結人工濕地技術在我國北方地區工程應用的技術與管理經驗，實際考核其建設與運行成本，綜合分析其社會、環境和經濟效益，為我國北方地區人工濕地技術的應用與推廣奠定基礎。
2 濕地單元實驗工藝設計
2．1 潛流濕地單元尺寸設計
潛流式構筑濕地應作為北方地區人工濕地的首選和主要類型。污水處理單元長度通常定為20～50m，過長易造成濕地床中的死區，且使水位難于調節，不利于植物的栽培。也有一些學者建議，潛流濕地處理單元長度應控制在12～30m之間，以防止短路情況的發生[2]。選擇適宜的長寬比有利于減少水流短路，使得濕地水流更趨近于推流，同時也利于導淤和工程應用中的布水分配與收集。濕地處理系統長寬比應控制在3:1以下，工程應用中建議采用1:1，減少濕地單元數量，降低建設成本。
考慮到本單元實驗將與示范工程建設相結合，綜合分析工程應用中的單元建設成本，污水處理對象，水力布設系統和試驗基地土地的地形地勢與可利用性等因素，本研究中的獨立濕地單元長(L：水力路徑)26m，寬(B：布水向)25m，有效面積為L×B=26×25=650m2，長寬比為1.04:1。
2．2 填料結構設計
濕地單元四周采用240磚墻、土工膜整體焊接護圍。底部平整設坡，坡度采用1 ～2 。濕地結構由濕地防滲膜、濕地填料、濕地植物、集配水系統及導膜管構成。濕地床層自下而上各層填料的分布：夯實粘土，防水土工膜，土壤，不同粒徑和功能的礫石級配區(具有布收水、凈水、沉淤到膜功能)、表層種植土。深度不同的濕地床，填料的厚度構成不同。
2．3 布水與集水系統設計
為保證濕地的處理效果，使污水在濕地床層內流程順暢，著重考慮了在濕地整個寬度上均勻布水和集水的問題[3]。穿孔大小及間距取決于進水流量、水質情況、水力停留時間等因素，同時在濕地進水方式上有較為獨特的創新，即采用水平潛流與上升式復合垂直布水方式，其好處主要有以下幾點：①水平潛流能夠保證冬季的正常運行；②上升式垂直流能充分利用植物根系；③水平潛流與上升式復合垂直布水方式能完美地變換濕地內部的水力流態，在植物的不同生長季節進行交替使用，最大空間上利用濕地的效能；④上升式垂直布水方式使得大部分懸浮物以及脫落的生物膜沉積在濕地填料層底部導膜區，便于清淤。
2．4 水位調節、濕地防堵系統設計
濕地能否正常運行，水位控制是非常重要的因素。在本研究中，設置兩種水位調節方式，一種是在出水管上設可轉動彎管，隨彎管的轉動來控制調整濕地單元內水位的高低，另一種是在出水渠內設閘板，按要求控制濕地整體水位。
在運行過程中，濕地內部會形成一些生物膜等沉積物，為了有效防止堵塞淤積，為此專門在濕地底部設計一套導膜沖洗系統，定期開啟，利用快速的水流將這些沉積物從濕地排出。導膜系統可根據濕地單元的尺寸與構造進行設計，可以在濕地坡降最低處設置單排導膜沖洗系統，亦可在濕地底部設網狀導膜沖洗系統。本研究中采用單排塑料管。
2．5 預處理工藝的選擇與設計
預處理與人工濕地結合作為北方人工濕地組合工藝的重要意義不僅在于對濕地入水進行初級處理，保證實地系統的安全穩定運行，更重要的是通過調整預處理的處理深度，保證系統各季節的運行效果[4]。春夏秋季充分利用濕地的凈水功能，冬季強化預處理進行補充。在保證污水處理效果的前提下，可極大地降低運行成本。
通常出水指標要求較低時，預處理采用常規一級處理即可，比如調節池沉砂池、格柵間、配水井或提升泵房等。當出水指標要求較高時，預處理采用常規一級半處理或一級強化處理，比如水解酸化、高負荷活性污泥法，當出水指標要求更高時，預處理采用二級處理，濕地系統作為深度處理工藝。本研究采用一級強化的浮動生化床作為預處理工藝。
3 濕地單元實驗方法
濕地實驗單元根據設計要求進行建設，濕地植物根據篩選結果選用北方優勢品種蘆葦和已在沈陽地區培養種植多年的茭白為主。植物栽種后，定期觀察測定生長狀況，緩苗達到旺盛生長期后在濕地中進入污水，適應兩周后開始進行測試。
入水為沈陽馬官橋農大地區的生活污水與嚴重污染的滿堂河河水，農大污水經預處理后，水質控制在COD：100～150mg／L；SS：30～50mg／L；NH3一N：15～25IIlg／L；TP：2～4mg／L，河水經初級沉淀、格柵處理后進入濕地，上述水質根據實驗要求調配控制。
濕地單元深度研究選3種不同深度，其它條件實驗均選1.2m，水力負荷選擇5個不同范圍，其它條件實驗均選1:3。冬季對濕地單元一般都采取了濕地收割物與地膜覆蓋的保溫措施。
測試指標主要是COD、NH3—N、SS與TP等。結果分析參考《城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB18918—2002)》(以下簡稱《標準》)。
4 單元試驗結果與分析
4．1 濕地單元深度研究
對于我國北方地區，濕地深度不僅影響著建設成本、濕地水力負荷，還直接關系到冬季的保溫與正常運行問題。選取0.8m、1.2m、1.6m三種深度的濕地單元比較冬季的處理效果，同時測試冬季的凍土層深度。
從三種深度濕地的出水污染物濃度看，COD基本在20～60mg／L范圍內，NH3一N在6～15mg／L內，TP在0.2～1.5mg／L范圍內。由此可見，在冬季采取保溫措施條件下，1.2m與1.6m深度的濕地出水水質主要指標在全年均可滿足《標準》中的一級B標準，0.8m深度的濕地也基本達到該標準，但耐沖擊性較差，當入水濃度較高時，出水水質波動較大。
從各污染物的去除率來看，不同濕地深度的效果差別還是存在的，見表1。
從表1結果可以看出，深度不同對濕地單元的處理效率有一定影響，深度增加，處理效果有不同程度的提高，但超過1.2m后，增加深度對于提高COD等污染物的去除率已經不明顯了。
此外，從表2的冬季凍土深度看，采取保溫措施后，各種深度的濕地單元凍土深度都在0.2m以內；如果不采取保溫措施，則影響程度略有不同，因為凍土層對0.8m深度的濕地單元有效體積的影響最大，該深度在北方應用存在一定風險，而1.2m與1.6m深的濕地單元受影響程度差異不大。
綜上，為了提高濕地處理效率，還要保證冬季處理效果，同時降低建設成本，北方人工濕地深度選擇1.2m是比較合適的。
4．2 濕地單元水力負荷研究
水力負荷按照人水量／濕地面積的比例關系，選擇了1:1、1:2、1:3、1:5、1:10等5個不同范圍不同水力負荷下去除效率見表3。監測時間選擇在6～8月，每周取樣，最后結果取平均值。
從表3看出，在一定的人水濃度下，水力負荷對濕地單元的凈化效果有著顯著的影響作用。隨著水力負荷的降低，濕地單元的處理效果會逐漸得到提高，但當超過1:3以后，濕地的去除效率增加不再明顯了。在該入水濃度下，1:2是濕地單元能承受的最高水力負荷，此時各項污染物指標可以達到《標準》中的二級標準。1:3是濕地單元最適合的水力負荷，此時濕地對污染物去除效率較高，同時與更低的水力負荷相比，其占地面積更小，因而大大降低了建設成本。
4．3 濕地單元污染負荷研究
控制濕地入水COD在：60～100、100～150、200～250、350～400mg／L四個不同濃度范圍內。監測時間選定在9～10月份，每周取樣，最后結果取平均值，結果見表4～表7。
可以看出，濕地試驗單元對不同濃度的污染物均有著較好的去除效率。當入水濃度在70～400mg／L之間變動時，濕地的COD、SS去除率均在60%以上，NH3—N、TP的去除率在55%以上。當入水污染物濃度增加時，濕地的處理效率會有一定幅度的下降當控制入水COD在100～150mg／L之間時，出水各項指標可以達到《標準》中的一級B標準以上。
4．4 濕地單元保溫效果研究
比較采取保溫措施與未采取保溫措施對濕地運行的影響，主要指標是濕地冬季凍土深度。同時，對采取保溫措施時濕地的進出水水溫進行監測。選擇北方每年冬季氣溫較低的12月、1月和2月三個月進行觀測，每日觀測一次，每天上午九點進行測量。凍土深度采用自制的一套測溫裝置進行監測，結果見圖1、2。
經分析可以看出：
(1)采取保溫措施的濕地比無保溫的濕地凍土層深度大約減少400mm 左右，凍土層保持在200mm以內，而未采取保溫措施的濕地地塊全年最深凍層達到600mm。
(2)采取保溫措施后，濕地內水溫降低幅度較小，在2℃左右，基本不受氣溫的影響。
(3)濕地試驗單元采取保溫措施后，經過冬季運行的檢驗，結果證明運行正常，效果良好，各項設施完好。濕地填料層絕大部分沒有結凍。因此，濕地收割物與地膜覆蓋是北方地區一種簡易和行之有效的構筑濕地保溫方法。
4．5 濕地單元污染物去除效果分析
為了研究濕地單元在全年中對污染物的去除效果，對濕地單元進行連續一年的水質監測，每周測試一次。另外，冬季適當提高預處理的作用，以此來降低濕地單元的進水污染物負荷。
經過對濕地單元連續一年的水質監測，我們認為該濕地運行效果良好，能夠滿足在北方寒冷地區運行的要求，水質處理完全達到了設計要求(《標準》中的一級B標準)。潛流濕地單元在每年的6月到10月對污染物的處理效果最好，這也是一年中濕地植物生長最旺盛的時候。濕地單元對COD的去除率最高達到71.3%，對SS的去除率最高達到76.6%，對NH3—N 的去除率最高達到63.5%，對TP的去除率最高達到68.9%。在冬季，潛流濕地處理效果略有下降，但各項污染物指標下降率未超過15%，出水水質良好。
濕地單元全年污水處理效果變化見圖3。
5 工程應用
5．1 示范工程概況
示范工程位于沈陽市東陵區滿堂河的下游馬官橋附近，其主要污染源包括沈陽農業大學(簡稱農大)校區污水，以及馬官橋斷面上游近18km河道沿途居民分散排放的生活污水與部分企業排放的工業廢水。人工濕地生態示范工程分為兩部分：
(1)對農大排污口城市污水，采用浮動生化床一級強化預處理與潛流構筑濕地工藝組合，處理量1萬t／d。出水部分進入表流景觀濕地系統。通過對預處理系統與北方潛流濕地系統污染負荷的調控，實現最佳工藝組合。
(2)對滿堂河的部分污水采用格柵／沉砂預處理與潛流濕地工藝組合進行凈化處理，處理量約為1萬t／d。根據河流水質變化情況調整負荷分配，凈化河道水質。
該工程建設投資1343萬元，日處理污水量2萬t／d。工程于2003年5月動工，9月底完工，10月通水調試。
5．2 運行效果
本示范工程自2003年1O月開始調試運行，年底進入滿負荷運行，經過2003、2004、2005連續三年的持續越冬運行(最低氣溫達到-30度左右)，證明了該技術的先進性與可靠性。出水主要指標達到《標準》中一級B標準，甚至優于設計要求，示范工程水質處理效果見表8。
5．3 效益分析
示范工程自2003年底進入正常運行以來，產生了良好的經濟、社會與環境效益：
(1)出水指標在同等投資條件下，優于常規污水生化處理，可作為中水回用于景觀綠化與熱電廠用水；
(2)投資與運行成本比常規二級污水處理廠降低30%以上，特別是在運行費用方面優勢明顯，單位水處理成本僅為0.20～0.35元。
(3)生態效果顯著，在高效處理污水的同時，改善了局部小氣候與生態環境，促進了生物多樣性恢復與保護，運行3年來動植物種類逐年增加，吸引了大量鳥類棲息。營造了優美的濕地生態景觀；
(4)該工程的建設與運行為濕地技術在我國北方地區的應用推廣起到了積極的示范作用，提供了大量寶貴的實驗數據與運行管理經驗，吸引了眾多專家學者前來參觀學習。并已成為沈陽市環境保護與濕地生態科普教育的基地。
參考文獻
1．National Risk Management Research Laboratory office of Research and Development， Manual constructed wetlan ds treatment of municipal wastewaters．
2．李善征等．人工濕地工程實例簡介[J]．北京水利，2004，(1)．
3．何成達等．波式潛流人工濕地處理生活污水的試驗研究[J]．農業環境科學學報，2004，23，(4)．
4．陳德強等．不同濕地組合工藝凈化污水效果研究[J]．中國給排水，2003，19(9)．
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