寒冷地區人工濕地成套技術的工程實踐

劉文杰 石玉敏

( 遼寧省環保集團有限責任公司，遼寧 沈陽110161)

人工濕地是生活污水處理廠尾水深度凈化中最為典型和突出的生態處理方法( 廖子清,2017)，具有脫氮除磷率高、建設運營成本低、運行維護管理方便等特點，并具有污水深度凈化、提升景觀效果、提供野生生物棲息地等多重生態環境效益。近年來人工濕地發展迅速，在遼寧、吉林、山東等地區建設了百余項大型人工濕地，用于處理城市綜合生活污水、中水、河湖污染水體和生態修復等( 孔向東, 2015)。我國地域遼闊，不同區域間氣候條件和植被類型差異較大，人工濕地技術應用、工程建設與運行存在較大差異。北方地區特別是東北寒冷地區，以遼寧省為例，冬季極端氣溫可達-40℃，12 月至次年1 月平均氣溫為-16 ～-25℃，污水處理廠進水平均水溫4 ～8℃，人工濕地系統進水平均水溫為4 ～6℃，給人工濕地工程的建設和穩定運行帶來極為嚴峻的挑戰。本研究依托國家水體污染控制與治理科技重大專項，研發了北方寒冷地區高效人工濕地成套技術及配套設備并進行了工程實踐，取得了良好的運行效果，為人工濕地技術在北方寒冷地區的建設、運行與產業化推廣提供了重要參考。

1 工程概況

工程位于遼寧省鐵嶺市西豐縣，遼河二級支流寇河西岸，采用 “均勻配水設備+ 復合水平流- 垂直流人工濕地組合+ 功能性強化生物產品+ 液位調節設備” 組合技術，流程如圖1 所示。設計規模10 000 m3/d，變化系數Kh=1.2，設計水力停留時間4 d，設計進、出水水質如表1 所示。

表1 設計進出水水質 mg/L Table 1 List of designed inlet and outlet water quality rate mg/L

2 工程建設內容

人工濕地系統主要包括人工濕地均勻配水設備、水平流+垂直流人工濕地系統、人工濕地液位調節設備。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow

2.1 人工濕地均勻配水設備

污水處理廠二沉池出水經管線輸送至人工濕地前端的均勻布水系統，通過布水系統接入濕地單元。均勻布水系統采用渠堰式均勻布水技術設備，由進水槽、導流槽和布水槽3 部分構件組成，污水依次通過進水槽、導流槽和布水槽均質勻速流入濕地系統內。進水槽由進水槽體、進水口、法蘭和進水槽體蓋板組成，進水槽通過進水管與上級構筑物相連，將上級構筑物出水引入進水槽，進水槽標高設計保證上級構筑物液面有足夠的水差自由流入進水槽。導流槽通過法蘭與布水槽相連接，保證水流穩定流動。導流槽內部結構及寬、高與進水槽相同，長度不同。布水槽由布水槽體、溢流堰板、法蘭和槽體蓋板組成，保證進水均質均速流入濕地系統。

2.2 水平流+ 垂直流人工濕地系統

將基底土平整碾壓處理后，鋪設900 g/m2HDPE膜，填料深度1.2 m。填料層自下而上依次為粗砂層10 cm、礫石層85 cm（礫石直徑20 ～30 mm）、豆石層5 cm( 豆石直徑5 ～8 mm)、草炭土2 cm、種植土18 cm。濕地植物選取蘆葦、鳶尾、菖蒲和香蒲，按1:1:1:1 比例種植，種植密度為25 株/m2。

2.3 人工濕地液位調節系統

為保證濕地的處理效率，根據季節變化有效控制濕地系統的水位，在濕地系統末端設置液位調節系統，以實現對濕地內液位高度的精準調節。經過人工濕地處理的出水由集水管收集至集水井的內腔，螺旋調節器可調節濕地水位，調節后出水經溢流口排入受納水體。濕地內的水位受水位調節管高度的影響，可通過更換不同長度的調節管達到調節濕地水位的目的。

3 運行效果分析

3.1 低溫對人工濕地系統的影響分析

溫度對人工濕地系統的影響主要體現在濕地植物和微生物等方面。濕地系統對污染物的凈化作用主要體現在植物通過光合作用、呼吸作用等吸收污水中的有機物、氮、磷等營養物質，同時通過根系的呼吸作用為濕地系統微生物提供好氧環境，形成互利共生的污染物凈化體系。低溫環境下濕地系統中的植物進入休眠狀態、枯萎或者死亡，根系呼吸作用減弱，系統內部含氧量降低，同時低溫環境下微生物活性降低，系統硝化與反硝化反應速率降低甚至幾乎停止。硝化細菌的適應溫度是20 ～30℃，溫度低于15℃時反應急速下降，5℃時反應幾乎停止( 高廷耀等, 2004)。相關研究表明，濕地中85% 的氮通過反硝化作用實現，反硝化作用是濕地脫氮的最有效途徑(Lin et al, 2002)，當溫度過低時，反硝化速度下降，氮的凈化效果下降。

3.2 冬季低溫運行的保溫措施

北方寒冷地區冬季多采用濕地植物覆蓋、地膜覆蓋和冰雪混合覆蓋等保溫措施。冬季植物覆蓋的方式是將枯萎的蘆葦、菖蒲、香蒲等濕地植物收割后就地覆蓋于濕地表面，是一種經濟實用的廢棄物綜合利用的保溫措施，具有一定的保溫效果。但植物腐爛會釋放一定量的有機物、氮、磷等污染物，增加濕地系統有機物及氮磷等污染物濃度，影響濕地系統的凈化效果及出水水質。地膜覆蓋主要是通過塑料薄膜覆蓋的方式對濕地系統進行保溫，塑料薄膜不易降解，且費用較高，易產生白色污染，塑料薄膜損壞后進入濕地系統可能造成濕地系統的內部堵塞。冰雪覆蓋的方式主要是通過濕地系統表層的自然結冰和自然降雪形成覆蓋層，該方式對濕地系統的保溫效果差，濕地系統的熱量損失較大，凈化效果低。

圖2 COD 進出水濃度及去除率變化 Fig.2 Variation of in and out water concentration and removal rate of COD

圖3 NH3-N 進出水濃度及去除率變化Fig.3 Variation of in and out water concentration and removal rate of NH3-N

圖 4 TN 進出水濃度及去除率變化 Fig.4 Variation of in and out water concentration and removal rate of TN

圖 5 TP 進出水濃度及去除率變化 Fig.5 Variation of in and out water concentration and removal rate of TP

利用 “功能性生物強化產品+ 液位調節設備+15 cm 冰層、15 cm 空氣” 的組合方式對人工濕地系統進行冬季保溫，保證凈化效果不降低。當氣溫達到或接近冰點溫度時，向濕地系統投加自主研發的功能性生物強化產品，如按10:0.5:0.5 體積比投加低溫有機物降解菌、低溫脫氮細菌、低溫除磷細菌以及按1:1 濃度比投加低溫硝化菌群、低溫反硝化細菌，確保低溫環境濕地系統微生物量的恒定。液位調節設備采用防堵均勻集水和水位無極調節技術，濕地系統的出水經過集水系統收集至集水設備。根據連通器原理，集水設備內液位高度與濕地系統內液位高度一致，通過調節無極螺旋調節器精準提高濕地系統的液位高度，保證濕地系統液位高度為1.2 m。當濕地表面結冰厚度約15 cm 時，降低濕地液位高度為0.9 m，使濕地表面形成 “15 cm 冰層+15 cm 空氣層” 的保護層，減少濕地的熱量損失，同時保證濕地的凈化效果。

3.3 冬季運行效果分析

本研究對西豐人工濕地處理工程進行了為期5個月冬季凈化效果的連續監測，出水COD 平均值為35.47 mg/L，去除率為31.58%，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002) Ⅰ級A 標準要求( 圖2)。出水氨氮平均值為7.67 mg/L，去除率為59.8%；總氮平均值為18.32 mg/L，去除率為25.02%； 總磷平均值為0.85 mg/L， 去除率為26.19%，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002) Ⅰ級B 標準要求( 圖3 ～圖5)。

4 結論

本研究開發的 “均勻配水設備+ 復合水平流-垂直流人工濕地組合+ 功能性強化生物產品+ 液位調節設備” 寒冷地區人工濕地成套處理技術及設備可在工程實踐中穩定運行。冬季低溫環境下較常規濕地工藝有機物、氮、磷等污染物去除率提升10%左右，削減COD 529.25 t/a，NH3-N 56.58 t/a，大大改善了支流河的河流水質和西豐縣居民的生活環境，促進了社會經濟的持續發展，為人工濕地技術在寒冷地區的工程建設、運行維護與產業化推廣提供了重要參考。