廣東省某污染河流生物接觸氧化與人工濕地凈化組合工藝的工程設計與優化

齊超元，原效凱，李曉春，宋鵬飛

(廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010)

河道受污水體具有旱季流量小、雨季流量大、水質受水量波動影響較大、主要污染物含量相對較低、可生化性較差等特點[1-2]，導致其處理難度較大、成本較高[3]。目前，國內外針對河道污染問題，主要采取的處理方式包括物理方法、化學方法、生態法。物理方法主要指疏挖底泥、機械除藻、引水沖淤和調水等。疏挖底泥意味著將污染物從河道系統中清除出去，較大程度地削減底泥對上覆水體的污染貢獻率。調水的目的是通過水利設施的調控引入污染河道上游或附近的清潔水源以改善下游污染河道水質，但該方式對于持續性受污染水體效果難以維持，且投資較大。化學方法有混凝沉淀、化學藥劑殺藻、鐵鹽促進磷的沉淀、石灰脫氮等方法，對渾濁度、BOD5、SS、TP去除效果較好，對TN、重金屬等也有一定的去除效果，但該法易造成二次污染。生態法主要包含河道曝氣法、生物膜技術、人工濕地處理技術、水生植物凈化技術。

人工濕地作為一種環境友好的污水生物生態處理技術，具有投資及維護費用低、出水水質好、二次污染輕等優勢[4]，目前已廣泛應用在不同的實際工程案例中，包括污水廠尾水處理、生態處理工藝強化應用[5-6]等。人工濕地主要由填料、植物、微生物三大要素構成，對污染物的去除過程較為復雜[6]。在研究以往案例中發現，人工濕地布水系統均勻性、排水系統通暢性，填料系統級配的合理性、植物系統選擇的多樣性對人工濕地處理效果存在較大的影響[7]。傳統的下行垂直潛流人工濕地布水方式一般采用“豐”字型布水，該方式實際運行過程中出現末端水壓不足，導致人工濕地布水管末端布水不均勻等問題。

本文通過重點優化布水管結構形式來改善布水不均勻導致的人工濕地處理效果不佳問題，通過引入給水系統中“環狀管網”的概念，創造性地將“豐”字型布水方式改為環狀管布水方式，有效地提升了穿孔布水支管各處的水力條件；通過優化濕地內道路布設，有效提升了后續濕地運營維護的便捷性；優化接觸氧化池氣水比、污泥回流比等參數，改善了前處理效率；優化植物的種植種類，提高了濕地植物系統的穩定性。上述不同優化措施及創新優化設計為今后大型人工濕地的工程應用提供一定的參考。

1 項目背景

廣東某地級市國考斷面2018年水質現狀為劣Ⅴ類，2020年水質目標為Ⅳ類。本項目作為保障國考斷面達標的專項行動工程之一，通過對匯入國考斷面、流經城市建成區的受污染河道水體進行截流治理，改善國考斷面上游水質情況，確保國考斷面水質達標。根據當地相關規劃，本項目屬于生態濕地公園的組成部分。項目的建設將致力于將生態濕地公園打造為集“生態保護、休閑娛樂、特色生態農業生產、依據和科普教育”等多功能于一體的生態樂園。

該地級市第一水質凈化廠現狀出水指標執行國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B 排放標準，其尾水直接排入黃竹河是造成河水水質變差的重要原因。隨著當地經濟社會的快速發展，城區中的建成區排入黃竹河的廢/污水量逐年激增，給黃竹河帶來了大量的污染物。另外，黃竹河的支涌收納周邊魚塘與農村生活污水也是造成河水水質變差的主要原因。黃竹河流域內農業、水產養殖業比較發達，也給河道水體帶來面源污染。農業、水產養殖業和畜禽養殖業等產生的污染會隨地表徑流匯入黃竹河，也是造成水體水質變差的重要原因之一。

本項目人工濕地所在位置、截流河道黃竹河與該市國考斷面位置關系示意如圖1所示。

圖1 項目平面位置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Project Layout

2 工程設計

2.1 設計處理水量

本項目總設計處理規模為 40 000 m3/d，采用重力流管道將受污染的河水引入處理廠內。

2.2 設計進出水水質

本項目進水水質參考近年來該地環境監測站出具的河水監測報告數據。出水水質參考該地首期人工濕地工程的出水水質，CODCr、BOD5、氨氮和TP指標均執行地表水環境質量標準的Ⅲ類水質標準，如表1所示。

表1 設計進出水質Tab.1 Designed Quality of Influent and Effluent

2.3 工藝設計計算

2.3.1 工藝比選與確定

生化工藝主要有按空間進行分割的連續流活性污泥法及生物膜法、按時間進行分割的間歇性活性污泥法。本項目選擇間歇性活性污泥法中的接觸氧化法，符合本項目進水水質不穩定的需求，且該方法占地面積省、投資省、耐沖擊、適應性較強、無污泥回流、污泥產量少，后期運行維護簡單，節能效果好。

結合本項目進水水質情況，本項目深度處理工藝擬采用自然凈化工藝。目前常見的自然凈化工藝主要分為3類：穩定塘處理技術、土地處理技術、人工濕地處理技術。綜合考慮深度處理工藝建設難易程度、運營維護便捷性、占地面積大小、濕地負荷高低、建設投資水平等多方面因素，本項目深度處理工藝采用人工濕地處理技術。人工濕地技術又分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地3種主要類型。垂直潛流人工濕地具有水力負荷大、污染去除率高、耐水質沖擊性強等特點，因此，本項目選擇垂直潛流人工濕地處理工藝作為深度處理工藝。

2.3.2 工藝計算

根據各污水處理單元處理效率的取值范圍，對各工藝單位處理效果進行合理取值，對出水水質預測如表2所示。

表2 各工藝單元處理效果預測Tab.2 Treatment Effect Prediction of Each Process Unit

1)接觸氧化池

本項目設接觸氧化池1座，分2格。設計處理規模為40 000 m3/d，表面負荷為0.90 m3/(m2·h)，容積負荷為0.5 kg TKN/(m3·d)，填料填充比為0.7，污泥回流比為30%，氣水比為5∶1，曝氣量為55.7 kg O2/h。

2)二沉池

本項目設二沉池2座。單座處理規模為20 000 m3/d, 表面負荷為1.20 m3/(m2·h)，污泥停留時間為4 h。

3)人工濕地

人工濕地處理規模為40 000 m3/d，占地面積為54 218 m2。人工濕地設計參數參照《人工濕地水質凈化技術指南》表7～表9。表面水力負荷計算如式(1)。

(1)

其中：q——表面水力負荷，m3/(m2·d)；

Q——人工濕地設計流量，m3/d；

A——人工濕地表面積，m2；

計算得出表面水力負荷約為0.74 m3/(m2·d)，滿足《人工濕地水質凈化技術指南》中表8設計參數規范值。

污染物負荷削減計算如式(2)。

(2)

其中：NA——污染物削減負荷(以CODCr、氨氮、TP計)，g/(m2·d)；

S0——進水污染物質量濃度，g/m3；

S1——出水污染物質量濃度，g/m3。

計算得出本項目人工濕地CODCr削減負荷為9.92 g/(m2·d)、氨氮削減負荷為1.0 g/(m2·d)、TP削減負荷為0.2 g/(m2·d)。滿足《人工濕地水質凈化技術指南》表8設計參數規范值。

2.3.3 人工濕地布水系統水力分析

本項目采用穿孔布水管DN65的PE管，布水穿孔管總長度約為12 050 m。配水泵后總水頭為7.0 m，開孔孔徑為50 mm，孔間距為0.6 m，對側45°開孔，單根穿孔管長度為6.0 m。垂直潛流人工濕地配水類似于水利工程中的農田灌溉，多孔出流管形式屬于其中的滴灌，各個布水多孔出流管孔位間距及大小保持相同[8]。

對于上述多孔布水管系統而言，本工程將傳統的“豐”字型布水主干管改為環狀布水主干管，加上壓力進水，最大限度地保障各出水點的水恒定。故可以將多孔出流視作沿途均勻泄流，其水力計算分為孔口出流量與沿程水頭損失計算。

1)孔口出流量計算

根據《水力學》[9]知識，孔口出流量計算如式(3)。

(3)

其中：Q1——孔口出流流量，m3/h；

μ——孔口流量系數，取0.60～0.62；

A1——孔口面積，m2；

g——重力加速度，m/s2，取9.81 m/s2；

h——孔口總水頭，m。

經計算，單個孔口出流量約為0.013 8 m3/h，整個人工濕地全部孔出流量約為1 665.84 m3/h，與設計處理量(1 666.67 m3/h)基本吻合。

2)沿程水頭損失計算

沿程水頭損失的計算在于確定多孔布水管徑與長度的最佳組合，并通過管路水頭損失確定所需的高差，其計算[式(4)]參考《給水工程》[10]。

(4)

其中：Hf——沿程水損，m；

f——沿程水損系數，塑料管為0.948×105；

m——流量指數，塑料管為1.77；

Q2——單根布水管流量，m3/h；

d——穿孔管內徑，mm；

b——管徑指數，塑料管為4.77；

L——穿孔管長度，m。

經計算，設計長度下，穿孔管沿程損失約為0.000 18 m。

2.4 處理工藝設計

本項目受污河道水體不同于常規生活污水，其進水BOD5濃度值較低，可生化性較差。單純依靠傳統生化處理工藝難以實現處理目標，若采用膜處理工藝作為深度處理工藝，其運行成本又將大大增加。綜合上述原因，本項目采用“預處理+生物接觸氧化+人工濕地”處理工藝，人工濕地作為生態處理的強化應用已得到較好的認可。采用人工濕地作為深度處理工藝，一方面是為了保障污水處理效果達標，另一方面是能夠降低后期運行成本。

本項目處理工藝流程如圖2所示。污水依次經過粗格柵、細格柵、旋流沉砂池、接觸氧化池、二沉池、垂直潛流人工濕地等，然后達標排入受納水體。

圖2 工藝流程圖Fig.2 Diagram of Process Flow

2.5 主要構筑物及設計參數

本次工程設計主要建構筑物如表3所示。

表3 主要建構筑物Tab.3 Main Buildings

2.6 主要設備及參數

本項目主要設備及參數如表4所示。

表4 主要設備及參數Tab.4 Main Equipments and Parameters

2.7 人工濕地設計

人工濕地占地面積大，約為54 218 m2，通過合理的分區、分單元設計，將整個人工濕地劃分為4個獨立的分區，每個分區劃分為9～10個單元格，共計37個單元格，保證單個人工濕地面積控制在1 500 m2左右。本項目采用下行潛流式人工濕地，人工濕地底部防滲層采用600 g/m2土工織造布、1.5 mm雙光面HDPE膜、400 g/m2土工織造布的結構層。

考慮人工濕地大分區內單元格底部集水管處于連通狀態，無法實現對人工濕地單元格內液位的控制，通過設置人工濕地單元格集水主管閥門實現了人工濕地單元格內液位控制。人工濕地斷面如圖3所示。

圖3 人工濕地斷面圖Fig.3 Diagram of Constructed Wetland Profile

3 工程實施及優化探索

(1)通過強化生化處理提升濕地前處理段的CODCr去除率，有效解決濕地進水水質波動大的問題。

試運行過程中，發現河道受污染水體水質波動較大，CODCr跟氨氮含量會出現遠超設計值的情況，對后續人工濕地處理產生了較大的沖擊，導致出水水質不能保持連續穩定達標。在現有生物接觸氧化池的基礎上，通過新增接觸氧化池污泥回流工序(回流比為30%)、增加曝氣量調節水中溶解氧質量濃度至3.0 mg/L、調整氣水比至5∶1等措施來增強好氧菌種的活性，有效改善了填料掛膜不佳、接觸氧化階段去除率低的問題。上述措施不僅提升了水體CODCr的去除率，保證了人工濕地進水水質的穩定，降低了對人工濕地的沖擊負荷影響，還減少了接觸氧化池的藥劑投加量，降低了運營費用。

(2)通過優化布水方式有效解決部分濕地區域干旱或內澇問題。

在人工濕地處理污水的過程中，改善布水的方式可以提高濕地的處理效率，不理想的布水方式使濕地的效率降低，容易發生短流、堵塞和溝流[11]。傳統的“豐”字型布水方式在已有的工程實例中，出現各穿孔布水支管出水孔水頭不一的現象，導致人工濕地單元內布水不均勻，局部水量超過設計負荷或無法達到設計負荷，不能完全充分利用人工濕地的處理能力。本工程采用壓力布水，因此，參考供水方式里的環狀管網概念，各單元格內布水主干管設計為環狀，在各個濕地單元格采用環狀管上設計布水穿孔管，沿人工濕地的坡向由常規縱向重力式布水改變為橫向等標高壓力式布水，有效解決了部分濕地區域干旱或內澇的問題。通過布水管干管成環設計的創新優化設計，一方面，有效改善了各穿孔布水支管接駁處的水力條件，能夠保障各穿孔布水支管的有效水頭，保障布水的均勻性；另一方面，布水干管的成環設計，在不改變進水方向的前提下，將各穿孔布水支管由縱向改為橫向，解決因人工濕地設計坡度導致的穿孔布水支管各出水孔水頭不一的問題，最大限度保證各出水孔出水的均勻連續性，保證整個人工濕地受水均勻，達到設計的水力負荷。布水方式調整前后對比如圖4所示。

圖4 布水方式調整前后對比示意圖Fig.4 Comparison Diagram before and after Adjustment of Water Distribution Mode

試運行過程發現出水端經常出現“內澇”現象，后期通過設置人工濕地單元格集水主管閥門實現了人工濕地各單元格內液位控制，通過末端集水渠內可轉動排水彎頭來實現人工濕地大分區內的液位控制，有效解決了人工濕地出水側的“內澇”問題。出水方式調整前后對比如圖5所示。

圖5 出水方式調整前后對比示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Comparison before and after Adjustment of Effluent Mode

(3)優化調配適地植物，解決植物生長不均問題。

水生植物是構成人工濕地系統不可缺少的一部分，水生植物系統主要包括浮游植物系統、挺水植物系統、沉水植物系統[12]，人工濕地水生植物系統對氮、磷的去除也起著很大的作用[13]。本工程主要選取了挺水植物象草、美人蕉、焦芋、再力花、千屈菜、花葉蘆竹。

試運行過程當中發現千屈菜、花葉蘆竹長勢較差，且污水流經種植上述植物的單元格后出水水質明顯劣于種植象草、美人蕉等植物的單元格。因此，通過將千屈菜、花葉蘆竹替換為象草以改善其處理效果差、長勢不佳的問題。植物優化配置后對比如圖6所示。

圖6 植物優化配置前后對比Fig.6 Comparison before and after Optimized Plant Configuration

(4)優化填料級配降低濕地堵塞風險。

潛流式人工濕地填料層基質一般有礫石、沸石、粉煤灰[14]，濕地基質是微生物生存的關鍵載體，同時濕地基質可以通過吸附作用去除氨氮[15]。本項目結合工程所在地取材便捷性，同時兼顧填料基質粒徑對于濕地堵塞及去除率的影響，原設計采用5～32 mm粒徑的礫石進行分層級配填充來作為人工濕地填料基層，實際施工過程中因礫石采購問題，采用同等規格陶粒替換級配層中的填料層。填料級配優化前后對比如圖7所示。

圖7 填料級配優化前后對比示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Comparison before and after Packing Gradation Optimization

(5)加強維護和植物收割清運,保障出水水質穩定。

人工濕地試運行期間，部分短生長周期的植物出現了殘枝落葉。原設計濕地內的道路系統只有大分區大路，部分小單元格未設置物流通道，導致植物收割清運困難，部分殘枝落葉落在濕地填料上，腐敗分解導致單元格內水中污染物指標增加，進而影響出水水質不穩定。

為便于植物收割和清運，后續通過優化道路，將整個人工濕地采用大路和小路結合的方式，大分區分格間設置大路，小單元格之間設置小路，方便管理和運輸。同時加強人工濕地運營期間植物的維護工作，根據象草、美人蕉、焦芋、再力花的生長周期特點，加強對其收割、及時清理落葉等措施，保障人工濕地處于穩定的運行狀態。人工濕地道路系統如圖8所示。

圖8 道路系統示意圖Fig.8 Diagram of Roads System

4 微改造優化后技術經濟分析

4.1 運行效果分析

本工程于2020年10月建成，2020年11月投入試運行，2021年6月正式投入使用。分析所用水質數據來源于2021年7月—12月實際總進水、人工濕地進水、出水水質數據。出水考核指標氨氮、CODCr、TP穩定達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質標準，其運行效果如圖9所示。本工程總體對CODCr、氨氮、TP的平均去除率分別為85.19%、91.37%、86.56%。

圖9 人工濕地運行效果Fig.9 Operation Effect of Constructed Wetlands

4.2 運行成本分析

本項目污水處理廠運營、維護費用主要包括工資福利、外購材料及動力費、污水收集管網運營維護費、其他臨時工程及管理費，如表5所示。

表5 污水處理廠及配套管網運營成本Tab.5 Operation Costs of the WWTP and Supporting Pipe Networks

經微改造優化后，本項目年均經營成本為904.93萬元/a，單位經營成本約為0.62元/m3。相較于傳統水處理工藝運營成本(1.14～1.30元/m3)[16]具有明顯的優勢。

4.3 效益分析

采用人工濕地工藝處理受污河水，具有效果良好、運行穩定的特點，本工程的實施有效地降低受污河水主要指標污染物濃度，對改善區域水環境質量、提升景觀環境、保障國考斷面水質達標(目標Ⅳ類)具有顯著的環境效益。預計CODCr、氨氮、TP削減量分別為1 080.93、122.94、35.29 t/a。

5 結論

(1)采用“預處理+生物接觸氧化+人工濕地”的工藝能夠有效解決受污河道水體水質超標的問題，該工藝能夠保障出水CODCr、氨氮、TP穩定達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質標準，改善流域水體環境質量。

(2)人工濕地占地面積約為54 218 m2，設計處理規模為40 000 m3/d，表面水力負荷為0.74 m3/(m2·d)，填料層厚度為1.0 m，其孔隙率約為0.50，水力停留時間約為0.7 d。

(3)通過二沉池的污泥回流至接觸氧化池，調整接觸氧化池曝氣量、氣水比等有效地改善了填料因進水濃度的波動而造成的掛膜不穩定問題導致的進水水質波動對人工濕地的沖擊。

(4)采取人工濕地布水系統環狀布水干管布水方式，一定程度上降低了傳統“豐”字型布水方式存在末端水力不利情況。

(5)結合當地取材的便捷性，采用不同粒徑的陶粒進行填料級配，有效改善了人工濕地填料層堵塞等問題。

(6)對人工濕地大分區塊、小單元格進行通道與小通道的結合設置，解決了濕地運營維護的便捷性。對小單元局部改造增設閥門，有效解決了濕地出水端“內澇”現象。

(7)實施人工濕地植物定期收割、加強植物管理維護實現人工濕地穩定出水。

人工濕地具有效果良好、運行穩定、低能耗、景觀優美的特點，有效地改善了流域水質，對改善城鄉景觀環境、保障國考斷面水質達標具有良好的工程效應。通過不同水生植物的單元塊化種植，實現濕地景觀的改善，將其打造為人工濕地生態公園，具有良好社會效益、環境效益。