技術標準視角下我國污水處理廠尾水人工濕地設計分析

馬昱新，陳啟斌，王朝旭，李作臣，李偉強，申志鵬，崔建國*

1.太原理工大學環境科學與工程學院

2.中電建市政建設集團北方國際工程有限公司

人工濕地技術起源于20 世紀70年代，后來逐漸發展成為污水生態處理的重要手段之一。該技術利用植物、基質、微生物的協同作用，通過吸附、沉淀、過濾、離子交換、植物吸收和微生物降解等多種途徑來去除污水中的有機物、氮和磷等[1]。人工濕地技術具有水質凈化效果好、投資費用和處理成本低、運行管理簡便且環境景觀效果好等優勢，將其應用于污水處理廠尾水的深度凈化領域，既能解決受納水體水質污染問題，也能在一定程度上緩解河道生態基流缺失、水動力不足的狀況[2-3]。

近年來，多部污水處理廠尾水人工濕地技術標準陸續發布和實施，在指導和規范工程的設計、建設等方面發揮了積極的作用；一大批尾水人工濕地工程也相繼建成并投入使用，極大地推動了污水處理廠尾水人工濕地領域的技術研究和工程實踐。但需要指出的是，只有基于高質量的規范化工程設計和可持續的運營管理與維護，才能實現尾水人工濕地工程優良的水質凈化效果和長久穩定的運行，保障人工濕地良好的環境景觀效應，而這些都依賴于相關技術標準的編制質量及其良好的規范和指導作用。目前，對污水處理廠尾水人工濕地相關技術標準的對比分析鮮見報道。為此，收集并梳理了國家、省（區、市）及專業協會等不同層面上關于污水處理廠尾水人工濕地的技術標準（規范、規程、導則和指南），針對不同技術標準中關于污水處理廠尾水人工濕地工程的總體設計進行比較分析，探討標準條文的適用性和合理性，并提出工程優化設計建議，以期為國內污水處理廠尾水人工濕地工程的規范設計和建設提供建議。

1 國內外尾水人工濕地應用現狀

人工濕地技術因其集水質凈化、景觀營造于一身的獨特優勢，在包括污水處理廠尾水在內的低污染水的深度處理領域得到了大量的推廣和應用，并成為重要的發展方向之一[4]。國外較早開始使用人工濕地技術進行尾水深度處理，如1994年荷蘭在特賽爾島建造了處理規模為6 萬m3/d 的人工濕地，對污水處理廠的二級出水進行深度處理；2001年，意大利佛羅倫薩采用4 座不同類型的人工濕地進行尾水的三級處理[5]。我國較早將人工濕地用于污水處理廠尾水深度處理的工程為浙江省舟山市的朱家尖污水處理廠人工濕地工程，該工程于2007年9 月建成并完成調試，系統對尾水的處理效果良好[6]。截至2019年上半年，我國處理污水處理廠尾水的人工濕地工程案例數量已達到94 個，占人工濕地工程總數量的12%[7]。筆者通過文獻檢索、網站搜索和媒體報道等途徑，統計發現從2019年6 月—2022年10月，我國已建、在建和擬建的尾水人工濕地工程數量新增61 個。

尾水人工濕地處理單元常見的有強化預處理單元、表面流濕地、潛流濕地和穩定塘4 種，除強化預處理單元外，其余工藝單元可進行組合，形成多種工藝流程。在尾水人工濕地工程設計時，在前期充分調研的基礎上，依據尾水處理量、水質特征、當地的氣候條件、地形地貌特點、水質提標升級或資源化利用等要求，因地制宜地確定工藝設計方案。國內各地大量的工程實踐（表1）表明，人工濕地能夠將尾水水質由GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級B 及以上提升至GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅴ類及以上。其中，2014年建成的浙江省臨安污水處理一廠的高效復合人工濕地系統對尾水有著良好的凈化效果，該人工濕地系統對尾水中的氨氮（NH3-N）、硝態氮（-N）、總氮（TN）的年平均去除率分別為84.3%、33.1%、39.5%，對總磷（TP）和COD 的去除率分別為77.8%和46.0%[8]，出水水質（COD 為23.80 mg/L、NH3-N 為0.19 mg/L、TN 為9.14 mg/L、TP 為0.44 mg/L）優于GB 18918—2002 一級A 排放標準[9]。在此基礎上，2018年建成的臨安污水處理二廠尾水人工濕地處理系統包含接觸氧化系統、魚草喬（木）生態平衡系統、高效自凈水生態系統、生態濾地系統和景觀生態塘。該人工濕地出水COD、TP、TN 濃度可降低20%，色、嗅等感官指標滿足GB/T 18921—2002《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》中的觀賞性景觀環境用水水質標準，NH3-N、糞大腸菌群數等指標達到或優于GB 3838—2002 Ⅲ類水質要求[10]。

表1 國內污水處理廠尾水人工濕地典型工程案例[4,10]Table 1 Basic information of typical domestic project cases of CWs for terminal effluent of WWTPs

2 尾水人工濕地設計

2.1 國內外尾水人工濕地技術標準

20 世紀90年代，為使人工濕地的建設與維護管理更加規范，美國各州共同編制了適用于美國的EPA 843-B-00-003《處理型人工濕地指導原則：提供水質和野生動物棲息地》，主要規定了人工濕地的場址選擇、設計、施工、操作、維護和監測指導原則等內容[11]。在此基礎上，美國國家環境保護局（US EPA）開發了北美濕地水質處理數據庫，減少重復勞動并改良傳統設計方法，對人工濕地的設計、建設、運行、維護、管理等起到了很好的規范和指導作用。2006年3 月，德國發布了第一部人工濕地標準DWA-A 262《城市污水生物凈化用土壤過濾器污水處理廠的尺寸、建設和運行原則》[12]，并于2017年完成了該標準的修訂（DWA-A 262E）[13]，為污水生物處理人工濕地設計、建設和運維提供了依據。目前，在人工濕地深度凈化污水處理廠尾水領域，尚未檢索到國外已發布的技術標準。

表2 國內已發布實施的污水處理廠尾水人工濕地技術標準情況Table 2 China’s current published technical standards of CWs for terminal effluent of WWTPs

2.2 尾水人工濕地工藝選型

開展人工濕地處理系統總體設計時，應首先進行工藝選型。濕地具體工藝的選擇應該在綜合考慮受納水體的水質要求、污水處理廠尾水的水質特點或處理難點的基礎上，對各項指標進行分析、研判，再依據技術標準的設計原則，針對性選擇具體的工藝流程。

針對尾水處理需去除的主要目標污染物類型，《污水處理廠尾水人工濕地深度凈化技術指南》（T/CSES 30—2021，簡稱《TCSES 指南》）指出了適宜的人工濕地工藝類型，并指出可以根據尾水水質特征進行工藝的集成與組合（圖1）。DB63/T 1350—2015《河湟谷地人工濕地污水處理技術規范》（簡稱《青海省規范》）指出，對于人工濕地的組合形式的選擇，主要是根據處理水量來確定。單一式和單聯式人工濕地的處理量宜小于500 m3/d；當水量大于1 000 m3/d 時，宜采用多級串聯或并聯式人工濕地；水量大于2 000 m3/d 時，就應采用綜合式人工濕地，即由多個復合流潛流人工濕地單元以并聯方式組合構成潛流人工濕地單元組，并由多組潛流人工濕地單元組以并聯方式組成潛流人工濕地系統。在具體的工程實踐中，復合流人工濕地的工藝組成主要包括塘（氧化塘）、床（水平或垂直潛流人工濕地）、表（表流人工濕地）等。按照工藝組成及類型分類，尾水人工濕地可以分為強化預處理組合工藝、塘－床組合工藝、塘－表組合工藝以及（塘）床－表組合工藝4 種常用的工藝處理系統[4]。

圖1 尾水人工濕地目標污染物的推薦工藝Fig.1 Recommended process for target pollutants in CWs for terminal effluent of WWTPs

人工濕地污水處理技術本質上屬生物膜法范疇，微生物在去除污染物的過程中發揮著主體作用。為了進一步強化尾水人工濕地的生物脫氮除磷效率，工藝選型時應創造有利于強化微生物脫氮作用的厭氧/缺氧微環境，因此各種組合或復合流處理系統應運而生。但人工濕地組合處理系統的選取和組合形式大多依據設計人員的經驗，且其處理效能波動也較大，在缺乏長期的實際監測數據條件下，如何保證尾水人工濕地組合處理系統的去除效率持久穩定也是工藝選型及設計中的一個難題[18]。

人工濕地水動力學和水質模型的研究有利于工程設計和實踐，但現狀研究構建的多為灰箱模型[18]，對于人工濕地的組成內容和工藝過程做了較多的假設和簡化，從而增加了模型工藝和運行參數的不確定性與不規范性。而在實際的人工濕地工程中，因水質條件復雜、影響因素眾多，導致模型誤差增大，準確度下降。因此，如何提高模型預測精確度，有利于準確把握設計水質和處理規模，從而指導工藝選型和優化設計內容，將是未來重要的研究方向。

需指出的是，相較傳統的污水處理工藝，人工濕地占地面積往往較大，但其具有獨特的景觀營造所必需的水面和植物兩大元素，在人工濕地系統工藝選型和集成設計的基礎上再由景觀設計師進行專業打造，可以創造出集水質凈化、景觀營造、科普教育、娛樂休閑等功能于一體的“綠色基礎設施”。

2.3 尾水人工濕地設計參數

2.3.1 水力停留時間與表面負荷

《人工濕地水質凈化技術指南》（簡稱《生態環境部指南》）根據各省（區、市）1 月、7 月的平均氣溫，并輔助考慮每年日平均氣溫≤5 ℃與≥25 ℃的天數，將全國分為嚴寒地區（Ⅰ區）、寒冷地區（Ⅱ區）、夏熱冬冷地區（Ⅲ區）、夏熱冬暖地區（Ⅳ區）、溫和地區（Ⅴ區）共5 個區。其中，河南省大部（除安陽市、鶴壁市、濮陽市外）處于氣候分區中的Ⅲ區，青海河湟谷地區屬于Ⅱ區。為了解地方規范與《生態環境部指南》中相應氣候分區（河南省大部、青海河湟地區）對尾水人工濕地設計參數取值的異同，分別將DB41/T 1947—2020《污水處理廠尾水人工濕地工程技術規范》 （簡稱《河南省規范》）與《生態環境部指南》的Ⅲ區、《青海省規范》與《生態環境部指南》中的Ⅱ區進行比較分析（表3、表4）。

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表3 《河南省規范》與《生態環境部指南》設計參數建議值比較Table 3 Recommended values for design parameters in Henan Specification and Guideline of Ministry of Ecology and Environment

表4 《青海省規范》和《生態環境部指南》的設計參數建議值Table 4 Recommended values for design parameters in Qinghai Specification and Guideline of Ministry of Ecology and Environment

由表3、表4 可知，對于同一地區來說，地方規范與《生態環境部指南》給出的尾水人工濕地工程的各項設計參數的取值存在較大差異。《生態環境部指南》推薦的水力表面負荷的取值范圍較《河南省規范》更為寬泛，并給出了目標污染物（COD、NH3-N、TN、TP）表面負荷的建議取值；《河南省規范》只給出BOD5表面負荷的取值，如表面流、水平潛流和垂直潛流人工濕地的BOD5表面負荷取值分別為≤4、≤30、≤30 g/(m2·d)。從污水處理廠尾水人工濕地工程設計和實際應用來看，采用COD 表面負荷更為簡便。

《青海省規范》中的表面流人工濕地的污染物表面負荷較《生態環境部指南》偏大，且二者的取值下限基本上相差1 個數量級；而其復合流人工濕地的污染物表面負荷是《生態環境部指南》中的水平流、潛流人工濕地的數倍，前者COD 表面負荷為10～60 g/(m2·d)，而后者水平潛流人工濕地是2～12 g/(m2·d)。這是由于復合流人工濕地是由多級潛流人工濕地單元組合而成，污染物去除能力較單獨的水平流或垂直流人工濕地要強，則污染物表面負荷的設計取值可以適當高一些。復合流人工濕地的水力表面負荷可高達0.67 m3/（m2·d），較我國大多數尾水人工濕地提升了30%，同時縮小了濕地占地面積[19]。

由上述技術標準中尾水人工濕地設計參數選取的對比分析可知，雖然《生態環境部指南》首次以地區最低月溫度為重要指標對全國進行氣候分區，并按氣候分區給出了人工濕地主要類型的設計參數推薦值，但參數取值范圍仍較為寬泛。當所屬氣候區對應的不同標準給出的設計參數不一致或范圍太過寬泛時，為了滿足出水水質要求，應按照每一種設計參數的最低負荷進行計算，然后取設計面積最大的設計參數較為安全可靠。當實際工程占地、施工等條件不能滿足所對應的設計參數時，在預算滿足的情況下應考慮采用高負荷的復合式人工濕地，同時減少低負荷表流人工濕地的設計面積。

20 世紀90年代，US EPA 通過建立《北美水質處理濕地數據庫》并發布《市政污水處理型人工濕地工藝設計手冊》，規范了人工濕地工程的設計、施工和運營等工作，但上述濕地數據庫和設計手冊中的參數大多基于國外實際人工濕地工程項目的長期監測結果。對于我國而言，還未建立全國統一的人工濕地基礎數據庫，亦尚未有一套由科研、設計和施工單位共同參與下編制完成的人工濕地設計手冊用來規范和指導尾水人工濕地工程設計。同時，還需加強相關技術研究的針對性，從而使科研成果為尾水人工濕地的工藝設計提供全面、系統、因地制宜的技術參數和設計指標，不斷提高設計水平和質量，推動人工濕地技術在污水處理廠尾水深度處理領域的推廣應用。

2.3.2 設計面積

尾水人工濕地的工藝選型確定后，一般依據相關技術標準選取適宜的工藝設計參數，采用表面負荷法完成人工濕地有效面積和幾何結構尺寸的設計、計算。人工濕地設計面積的表面負荷法計算公式如下：

式中：A為人工濕地面積，m2；Q為人工濕地設計水量，m3/d；C0為人工濕地進水污染物濃度，mg/L；C1為人工濕地出水污染物濃度，mg/L；N為污染物表面負荷，g/（m2·d）；Nq為水力表面負荷，L/（m2·d）。

《生態環境部指南》規定，人工濕地的表面積可根據COD、NH3-N、TN 和TP 等主要污染物削減負荷和水力表面負荷計算，并取上述計算結果的最大值，同時應滿足水力停留時間要求。《TCSES 指南》則規定，尾水人工濕地設計面積應按TN、TP、COD 和重金屬等進水負荷與去除率確定，應取其設計計算結果中的最大值，同時應滿足水力表面負荷的要求。

尾水人工濕地包括潛流人工濕地、表面流人工濕地和復合流人工濕地等類型。相關研究結果表明，尾水屬于微污染物濃度污水，針對微污染物濃度的水質，潛流人工濕地的設計面積主要取決于水力表面負荷[20]。依據《生態環境部指南》并參考GB 18918—2002 及GB 3838—2002，用污染物表面負荷和水力表面負荷分別進行表面流尾水人工濕地最小設計面積的計算。其情況設定為：進水水質指標為GB 18918—2002 一級B 標準限值，出水水質指標為GB 3838—2002 的Ⅴ類水標準限值，濕地進水流量(Q)設為1 000 m3/d。依據《生態環境部指南》中的5 個氣候分區的設計參數的取值上限，計算得到表面流尾水人工濕地最小設計面積，結果如圖2 所示。處理污水處理廠尾水的表面流人工濕地最小設計面積主要取決于NH3-N 或TN 污染物表面負荷，在Ⅰ區和Ⅱ區最為明顯。因此，表面流人工濕地通過強化脫氮措施來減小濕地占地面積和工程投資十分重要，但Ⅰ區和Ⅱ區使用這2 個參數計算的濕地面積相差較大，這可能與不同地區的尾水水質有關。且隨著不同氣候分區氣溫的降低，濕地面積顯著增大，可見在北方地區，氣溫成為影響濕地設計面積的重要因素，通過采取保溫措施不僅可維持尾水人工濕地的處理效果，也可以縮小工程設計占地面積。

圖2 5 個氣候分區下基于不同參數的表面流尾水人工濕地設計面積Fig.2 Design area of surface flow constructed wetland for terminal effluent of WWTPs in five climate zones based on different parameters

尾水人工濕地在計算和確定設計面積時，應基于濕地工程選址位置的特殊性，結合處理工藝選型，綜合考量工程選址情況、場地地形地貌、總體布置形式等因素，因地制宜地構建組合式、復合型處理系統，必要時進行鑲嵌式或立體式布置，以減小濕地占地面積。

3 尾水人工濕地優化設計建議

3.1 強化脫氮

隨著生態文明建設的持續推進以及水資源、水生態和水環境的統籌利用與保護，我國水生態環境得到了較大程度的改善，但水體中的氮素污染仍是威脅地表水環境安全的重要問題之一[21]。人工濕地對包括污水處理廠尾水在內的低污染水的深度處理效果良好，建設和運行成本較低。然而，污水處理廠尾水具有可生化性差、碳氮比（C/N）低、TN 濃度高（以硝酸鹽為主）等水質特征[1]，限制了人工濕地的反硝化作用，導致人工濕地的脫氮效能較低，威脅到受納水體水安全，不利于尾水的資源化利用[22]。

現有的尾水人工濕地技術標準相關條文中列出了提高和強化尾水人工濕地的脫氮效能的技術方法和措施。《河南省規范》指出，當出水水質考慮TN 指標時，可填充緩釋碳源填料或自養反硝化填料。《TCSES 指南》則指出，當尾水中碳源缺乏和冬季脫氮微生物活性低導致人工濕地脫氮效率下降時，可適當補充濕地植物厭氧發酵液或其他碳源。濕地植物厭氧發酵液C∶N∶P 宜為200～300∶5∶1，添加濕地植物厭氧發酵液后使尾水中C/N 達到3～5∶1 為宜。但上述強化尾水人工濕地脫氮的技術措施對工程實踐的指導性不強，需進一步加強相關技術研究和大力推動科技成果的轉化，建設示范應用工程，完善和修訂技術標準，提高技術標準的指導性。

基于微生物硝化反硝化脫氮作用被認為是人工濕地去除污水處理廠尾水中氮素的主要機制[23]，研究人員在功能型填料篩選、構建強化型人工濕地和調控濕地碳水平等方面開展了大量的研究[24]。已有研究表明，通過將來水的C/N 調控至合適值或引入鐵、硫源改變微生物群落結構，強化人工濕地微生物反硝化過程，是提高尾水人工濕地脫氮效率的關鍵[25]。

從尾水人工濕地碳水平調控策略的可行性、經濟性并結合實際工程應用的可達性綜合分析，濕地結構優化（折板式人工濕地）、工藝改進（分段進水、出水回流）、耦合工藝（自養脫氮工藝與人工濕地的耦合）為優化尾水人工濕地工程設計和強化其脫氮效能的較好策略與途徑（表5）。

表5 尾水人工濕地碳水平調控策略[23,25]Table 5 Regulation strategy of carbon level in CWs for terminal effluent of WWTPs

3.2 水量平衡校核

由于人類活動的影響，全球氣候變暖趨勢明顯，導致極端天氣出現的頻率大增，近些年國內各地降水的量級和頻次超出以往[26]。同時，尾水人工濕地往往建設在城鎮污水處理廠排水口的下游，地勢較低，易受到洪水的威脅。因此，進行人工濕地工程設計時首要任務是掌握當地的水文條件，開展濕地的總水量平衡計算，即在降水時間較長的情況下，計算整個匯水范圍內流入人工濕地的水量，并將其納入設計流量內。

人工濕地的水文條件是維持濕地結構功能、物種組成以及開發成功濕地項目的重要因素。現有尾水人工濕地技術標準中涉及到水文要素影響的內容較少。由于降水量時空分布嚴重不均，導致我國不同地區間降水量的差異較大。在確定尾水人工濕地工程規模和選擇處理工藝時，現有技術標準對于降水量等水文要素的影響沒有給予足夠的考慮，僅依據進、出水水質與水量進行相關設計計算。同時，設計時也應考慮地下水滲透水量、管路系統漏損等因素。根據US EPA 發布的《市政污水人工濕地處理設計手冊》并結合國內工程實踐，提出尾水人工濕地水量校核公式：

式中：S為濕地真實水量，m3；Q為濕地設計進水量，m3；R為濕地降水量（徑流水量與濕地表面降水量），m3；I為地下水滲入水量，m3；L為濕地系統漏損與滲出水量，m3；ET 為濕地表面蒸發與植物蒸騰水量，m3。

雨季來臨時，人工濕地表面的水量以及上游來水量突增，會使濕地去除污染物的效果受到較大影響，同時還會對基質上的生物膜造成沖刷，使雨季過后污染物的去除效果受到不利影響。另外，在我國北方干旱少雨地區，較少的降水可能給一些以循環補水為水源的人工濕地工程長期的穩定運行帶來困難，還可能影響到人工濕地植物的正常生長。因此，可考慮將市政水源接入尾水人工濕地以備用，干旱期可以及時地給植物進行澆灌。

4 結語

隨著國內各地污水處理廠提標改造和水生態環境保護工作力度的不斷加大，污水處理廠尾水人工濕地的工程化應用越來越廣泛。不同層面已出臺的污水處理廠尾水人工濕地技術標準的發布實施，有助于指導和規范我國尾水人工濕地技術的實際應用，但在某些方面仍存在一定的不足。例如，對不同地域污水處理廠尾水的水質特征關注較少，預處理單元和人工濕地組合單元的設計缺乏針對性；在多級人工濕地單元之間的銜接方式和處理構筑物景觀造型的打造等方面的設計內容缺失。隨著尾水人工濕地技術在我國的快速發展，已有大量工程實踐可供參考，早期發布的技術標準可以根據實際工程建設及運維數據和區域水生態環境保護的新要求進行調整優化。建議構建基于基質和水生植物選擇、工程運營監測等方面的基礎數據庫，加強技術標準在尾水人工濕地全生命周期中的指導作用。采用建筑信息模型（BIM）、人工智能（AI）、大數據、機器學習、數字孿生、智慧工廠等新理念和新技術，提高包括尾水人工濕地在內的處理型濕地工程全生命周期設計、施工、運營等工作質量，促進人工濕地綠色生態技術蓬勃發展。