表潛結(jié)合式人工濕地處理城市微污染水體

　　人工濕地的污染物去除機(jī)理包括吸附過濾、離子交換與共沉、植物吸收與微生物降解等多重作用，與常規(guī)的污水處理工藝相比，具有處理效果好、氮磷去除能力強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、工程基建和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低以及對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)等顯著特點(diǎn)。

　　通常情況下，按照系統(tǒng)布水方式的不同，可以將人工濕地劃分為表面流型和潛流型，潛流型人工濕地又可劃分為水平潛流型和垂直潛流型：表面流型人工濕地設(shè)計(jì)水位較淺，一般控制在0.3～0.5m，主要依靠濕地內(nèi)部水生植物的攔截以及附著在植物根莖上生物膜的生物降解作用，具有投資少、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但占地面積較大，水力負(fù)荷率較小，去污能力有限。水平潛流型人工濕地通常由一個(gè)或多個(gè)填料床構(gòu)成，內(nèi)設(shè)吸附能力較強(qiáng)的填料，底部敷設(shè)有防滲膜或者其他防滲層用于防止污染地下水，能夠承載相對(duì)較大的水力負(fù)荷，對(duì)BOD5、COD、SS、重金屬等污染物質(zhì)具有較好的去除效果，在水平潛流型人工濕地中，水面在填料以下，污水能夠從池體進(jìn)水端水平流向出水端，可有效避免污水惡臭以及蚊蠅孳生等問題。同時(shí)，能夠適應(yīng)一定程度的溫差變化，但是水平潛流型人工濕地的代謝需氧量主要來自大氣復(fù)氧，容易出現(xiàn)溶解氧含量不足，因而對(duì)氨氮、有機(jī)氮類污染物的去除能力有限。垂直潛流型人工濕地的填料床體處于不飽和狀態(tài)，污水從填料床的縱向進(jìn)入到填料床的底部，與此同時(shí)氧氣可以通過大氣擴(kuò)散以及植物的根莖傳輸作用進(jìn)入到人工濕地系統(tǒng)，垂直潛流型人工濕地系統(tǒng)具有較高的硝化能力，對(duì)氮、磷的去除效果較好，但是垂直潛流型人工濕地對(duì)進(jìn)水懸浮物濃度要求比較嚴(yán)格，對(duì)有機(jī)污染物的去除能力相對(duì)較弱，且落干/淹水周期較長(zhǎng)、夏季蚊蠅孳生現(xiàn)象嚴(yán)重。

　　基于以上原因，自主研發(fā)并已成功申請(qǐng)發(fā)明專利的“表潛結(jié)合式”人工濕地能夠?qū)⒈砻媪餍腿斯竦睾蜐摿餍腿斯竦赜袡C(jī)地融為一體，工程實(shí)施后外觀為表面流型人工濕地，實(shí)際水體處于潛流狀態(tài)，既能充分發(fā)揮表面流型人工濕地的生態(tài)景觀效果，又能實(shí)現(xiàn)潛流型人工濕地的水質(zhì)凈化高效率，具有占地小、凈水能力強(qiáng)、景觀效果好等顯著特點(diǎn)。

　　現(xiàn)以北京某地表微污染水體的生態(tài)處理工程為例，對(duì)“表潛結(jié)合式”人工濕地的凈水原理、設(shè)計(jì)參數(shù)以及污染物去除效果等進(jìn)行探討。

　　1、工程概況

　　本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理對(duì)象為北京某地表微污染水體，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為5×10⁴m3/d，項(xiàng)目建設(shè)于2017年5月，主體處理工藝為“表潛結(jié)合式”人工濕地，項(xiàng)目區(qū)占地20hm2，“表潛結(jié)合式”人工濕地有效占地10.2hm2，設(shè)計(jì)污染物COD、NH3-N削減量分別可達(dá)182.50、9.13t/a，具有良好的環(huán)境效益，出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838―2002)的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，滿足下游景觀公園的用水水質(zhì)需求，具有良好的社會(huì)效益。

　　1.1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)和處理目標(biāo)

　　設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見表1。根據(jù)人工濕地污染物去除負(fù)荷，同時(shí)結(jié)合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理目標(biāo)，“表潛結(jié)合式”人工濕地設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838―2002)的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，即COD≤40mg/L，BOD5≤10mg/L，NH3-N≤2.0mg/L，TP≤0.4mg/L。通過“表潛結(jié)合式”人工濕地的填料吸附、植物吸收以及微生物降解等多重作用，濕地出水最終能達(dá)到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

　　1.2 工藝流程

　　工藝流程見圖1。

　　依賴新建的液位可調(diào)式景觀水壩形成壅水，在“表潛結(jié)合式”人工濕地建設(shè)區(qū)上下游形成液位差：新建水壩上游來水依靠重力流，通過“八”字取水口進(jìn)入到“表潛結(jié)合式”人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，在濕地系統(tǒng)的填料吸附、植物吸收以及微生物降解等多重作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)微污染水體中各類污染物質(zhì)的有效削減，出水達(dá)到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)設(shè)計(jì)要求后，經(jīng)由末端的景觀跌水堰進(jìn)行富氧曝氣，隨后再次退回到下游河道內(nèi)，對(duì)河道內(nèi)現(xiàn)有污染物進(jìn)行進(jìn)一步的稀釋凈化，最終出水補(bǔ)充下游的景觀公園用水。

　　2、工程設(shè)計(jì)

　　2.1 工藝選擇

　　本次設(shè)計(jì)優(yōu)先采用自主研發(fā)并成功申請(qǐng)發(fā)明專利的“表潛結(jié)合式”人工濕地，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)表面流型人工濕地和潛流型人工濕地的空間立體結(jié)合(上層為表面流型人工濕地部分和下層為潛流型人工濕地部分)，在同一投影面內(nèi)既能體現(xiàn)表面流型人工濕地的景觀效果，又能實(shí)現(xiàn)潛流型人工濕地的凈水能力，有效降低了人工濕地對(duì)土地占用面積的限制需求，具有占地面積小、凈水能力強(qiáng)、景觀效果好等顯著特點(diǎn)。

　　2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

　　參照并對(duì)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ2005―2010)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理規(guī)模為5×10⁴m3/d，“表潛結(jié)合式”人工濕地有效占地10.2hm2，下層潛流型人工濕地部分填料床有效高度為1.2m，上層表面流型人工濕地部分設(shè)計(jì)水深控制在0.3～1.2m，平均水深為0.5m。人工濕地主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

　　2.3 填料設(shè)計(jì)

　　2.3.1 填料選擇

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑垃圾的資源化利用，優(yōu)先采用再生填料(主要成分為碎磚陶粒濾料)，該類填料應(yīng)用于人工濕地水質(zhì)凈化領(lǐng)域應(yīng)滿足如下主要技術(shù)參數(shù)要求：

　?、俨缓梢娔嗤?、粉屑或有機(jī)雜質(zhì)。

　　②碎磚陶粒濾料不應(yīng)使濾后水產(chǎn)生有毒、有害成分。

　　③碎磚陶粒濾料的粒徑為8～16mm。

　　④碎磚陶粒濾料不均勻系數(shù)≤1.6。

　　⑤粒徑<8mm、粒徑>16mm的量均不應(yīng)大于5%。

　?、藜庸げ牧蠎?yīng)以廢磚為主，來源穩(wěn)定，材料成分比例穩(wěn)定。

　?、卟煌萎a(chǎn)品堆積密度差距<10%。

　　2.3.2 填料床設(shè)計(jì)

　　“表潛結(jié)合式”人工濕地下層潛流型人工濕地部分填料床有效設(shè)計(jì)高度為1.2m，采用級(jí)配填料進(jìn)行填充，由下往上依次為夯實(shí)粘土(200mm厚)、HDPE防水土工膜(450g/m2)、d50～80mm碎磚陶粒濾料(600mm厚)、d20～50mm碎磚陶粒濾料(300mm)、d10～20mm碎磚陶粒濾料(300mm厚)。

　　2.4 植物設(shè)計(jì)

　　“表潛結(jié)合式”人工濕地的水生植物全部在上層表面流型人工濕地部分種植，該部分設(shè)計(jì)水深控制在0.3～1.2m之間，平均水深為0.5m。

　　濕地植物選擇污染水體適應(yīng)能力強(qiáng)、污染物去除效果好、生態(tài)景觀塑造功能顯著的土著類水生植物，淺水區(qū)(0.3～0.5m)主要種植蘆葦、香蒲、千屈菜，種植密度均為16株/m2。中水區(qū)(0.5～0.8m)主要種植荷花、睡蓮，種植密度均為4株/m2。深水區(qū)(0.8～1.2m)主要種植菹草、狐尾藻、眼子菜，種植密度均為30株/m2。同時(shí)對(duì)“表潛結(jié)合式”人工濕地周邊的植物緩沖帶進(jìn)行了優(yōu)化配置，與“表潛結(jié)合式”人工濕地一起構(gòu)建了一個(gè)生物多樣性豐富、水質(zhì)凈化效果穩(wěn)定的生態(tài)景觀型人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。

　　3、運(yùn)行結(jié)果與討論

　　3.1 人工濕地對(duì)COD去除效果

　　“表潛結(jié)合式”人工濕地對(duì)水體中COD的去除機(jī)理以濕地植物根區(qū)生物膜的吸附降解作用為主，此外還兼有自然沉淀、物理過濾、填料吸附等多重作用。對(duì)2018年5月―8月的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行定量分析，得出“表潛結(jié)合式”人工濕地對(duì)微污染地表水體中COD的實(shí)際去除效果如圖2所示。

　　由圖2可知，在連續(xù)4個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行中，盡管濕地進(jìn)水COD濃度存在一定程度的波動(dòng)，尤其是在5月的兩次檢測(cè)中，由于河道上游農(nóng)田灌溉等原因造成濕地進(jìn)水COD濃度超過了設(shè)計(jì)進(jìn)水限值，但是經(jīng)過濕地的填料吸附、植物吸收，尤其是根區(qū)微生物的代謝降解作用，始終能將濕地出水COD濃度控制在30mg/L及以下，濕地出水COD濃度能夠滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838―2002)規(guī)定的Ⅳ類水限值要求。在實(shí)際檢測(cè)中，濕地進(jìn)水COD濃度在7月達(dá)到了最低值，隨后在8月又出現(xiàn)了上升，這主要是7月降雨量達(dá)到了最大，對(duì)濕地上游河道內(nèi)COD具有一定程度的稀釋作用，8月降雨量減少，濕地上游河道內(nèi)COD又出現(xiàn)了上升趨勢(shì)，但是整個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)，濕地生態(tài)系統(tǒng)始終處于一個(gè)逐漸自我完善的過程，尤其是在7月、8月濕地系統(tǒng)的生物多樣性及系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到最高，對(duì)上游來水的水質(zhì)、水量波動(dòng)適應(yīng)能力最強(qiáng)，濕地系統(tǒng)對(duì)上游來水中的COD去除率基本維持在20%～40%，符合濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)COD的去除規(guī)律。

　　3.2 人工濕地對(duì)NH3-N去除效果

　　“表潛結(jié)合式”人工濕地對(duì)水體中NH3-N的去除機(jī)理主要是濕地植物根系生物膜的硝化、反硝化作用，將NH3-N轉(zhuǎn)化為N2或N2O進(jìn)而從濕地系統(tǒng)逸出。2018年5月―8月連續(xù)4個(gè)月的進(jìn)出水NH3-N濃度分析結(jié)果如圖3所示。

　　由于存在灌溉退水等原因，濕地系統(tǒng)在5月的進(jìn)水NH3-N濃度最大，甚至超出了濕地進(jìn)水的設(shè)計(jì)限值，隨后在6月出現(xiàn)降低，在7月達(dá)到最低值，8月份降雨減少，濕地進(jìn)水NH3-N濃度又出現(xiàn)回升，但整個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)，濕地系統(tǒng)都能夠通過自身的調(diào)節(jié)功能將NH3-N的去除能力控制在29%～33%的范圍內(nèi)，濕地出水NH3-N始終保持在1.5mg/L以下，能夠滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838―2002)Ⅳ類水的限值要求。在實(shí)際檢測(cè)中，濕地對(duì)NH3-N的去除效果與COD表現(xiàn)出了基本類似的規(guī)律，在7月、8月濕地系統(tǒng)的生物多樣性及系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到最大，濕地植物生長(zhǎng)、根區(qū)微生物的代謝過程對(duì)氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的需求量最大，濕地出水NH3-N甚至降低了1.2mg/L左右，表現(xiàn)出了顯著的氮、磷去除效果。

　　4、結(jié)論

　?、倮靡何豢烧{(diào)式景觀水壩上下游的水頭差，依靠重力進(jìn)入“表潛結(jié)合式”人工濕地，在水質(zhì)達(dá)到甚至優(yōu)于地表Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)設(shè)計(jì)要求后，再依靠重力退回到河道下游，整個(gè)水質(zhì)凈化過程無動(dòng)力消耗，實(shí)現(xiàn)了污水處理的“零成本”運(yùn)行。

　?、诓捎谩氨頋摻Y(jié)合式”人工濕地，在同一投影面內(nèi)既能體現(xiàn)表面流型人工濕地的景觀效果，又能實(shí)現(xiàn)潛流型人工濕地的凈水能力，有效降低了人工濕地對(duì)土地占用面積的限制需求。

　　③優(yōu)先采用了再生填料，主要成分為碎磚陶粒濾料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑垃圾的資源化利用。

　?、鼙M管進(jìn)水COD、NH3-N濃度在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了波動(dòng)，甚至部分時(shí)段超出了設(shè)計(jì)進(jìn)水濃度限值，但是濕地系統(tǒng)都能夠通過自身的調(diào)節(jié)機(jī)制將出水COD、NH3-N濃度分別控制在30、1.5mg/L及以下，濕地出水能夠滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838―2002)Ⅳ類水限值要求。(來源：北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)