人工濕地多單元水質(zhì)凈化工程技術(shù)研究

劉 愷

（甘肅第二建設(shè)集團有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州）

引言

我公司承建施工的隴西縣首陽鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地水質(zhì)凈化工程，位于隴西縣鞏昌鎮(zhèn)，總占地面積118.5 畝，處理規(guī)模為4 000 m3/d。本工程采用垂直潛流濕地水質(zhì)凈化工藝，作為一種低碳環(huán)保的水處理工藝，堅持“綠水青山就是金山銀山”的新發(fā)展理念，利用溝渠建設(shè)將凈化后的尾水輸送至西河。為使水質(zhì)凈化系統(tǒng)內(nèi)部的充氧更充分，有利于好氧微生物的生長和硝化反應(yīng)的進行，對氮、磷的去除率增高。本研究擬對人工濕地多單元水質(zhì)凈化系統(tǒng)進行研究，促使類似工程達到碳排放量低、凈化效果好的施工效果。

1 人工濕地多單元水質(zhì)凈化系統(tǒng)工藝原理

1.1 潛流濕地工藝原理

在潛流濕地系統(tǒng)中，污水在濕地床體的內(nèi)部流動，一方面可以充分利用生態(tài)填料表面生長的生物膜、豐富的植物根系及表層土和生態(tài)填料截流等作用，以提高其處理效果和處理能力；另一方面由于水流在地表以下流動，具有保溫性能好、處理效果受氣候影響小、衛(wèi)生條件較好的特點。這種工藝還利用了植物的光合作用、吸收作用和根系傳氧作用等，對有機物和氨氮等去除效果好。

在潛流濕地上半部，由于有大氣復(fù)氧和植物根系傳氧作用的存在，微生物以好氧形式為主降解水中的污染物：硝化菌在好氧條件下，將污水中的氨態(tài)氮氧化為亞硝酸態(tài)氮或硝酸態(tài)氮，好氧異養(yǎng)型微生物在好氧狀態(tài)下，降解污水中的絕大部分有機物。在潛流濕地下半部，隨著溶解氧含量的降低，生化作用逐漸以缺氧和厭氧為主，在這個過程中能使部分硝態(tài)氮還原為氮氣而得到去除，同時能在一定程度上提高原水的可生化性[1]。

1.2 潛流濕地工藝原理

潛流濕地工藝原理見圖1。

圖1 潛流濕地工藝原理

1.3 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備、測量→基礎(chǔ)處理→土方工程→管網(wǎng)工程→混凝土工程→兩布一膜施工→濾料層鋪填→水生植物種植→日常保養(yǎng)。

1.4 操作要點

在大面積施工展開前，先進行工藝試驗并進行總結(jié)。根據(jù)相關(guān)地勘資料及構(gòu)筑物埋深，以卵石層或處理后的復(fù)合底基層為基礎(chǔ)持力層，處理后的地基承載力應(yīng)滿足設(shè)計要求。現(xiàn)場較低洼地區(qū)應(yīng)根據(jù)實際情況采取合理降水措施，使地下水降至基礎(chǔ)以下不小于500 mm。基坑及溝槽開挖，采用機械大開挖，人工清基及修坡相結(jié)合的辦法，坡比大于等于1:0.75，如果出現(xiàn)開挖土質(zhì)較差的情況，增加噴錨加固措施，基坑底部四周操作面各預(yù)留1.5 m 左右，滿足施工人員作業(yè)及排水溝的設(shè)置。管溝土方開挖應(yīng)保持梯形槽溝溝壁的穩(wěn)定及溝底工作面，槽壁自然放坡開挖放坡系數(shù)為1:0.75。管道溝底要求連續(xù)平整，溝底表面不得有碎石，硬塊和其它突出物。管道安裝時，管道里程采用道路里程，注意曲線內(nèi)外兩側(cè)的實際管長與里程樁不一致。混凝土工程按凈化單元分區(qū)流水施工，每一流水段內(nèi)混凝土連續(xù)澆筑，如必須間歇，間歇時間盡量縮短，并在下層混凝土初凝前將上層混凝土澆筑完畢。兩布一膜施工采用人工合成復(fù)合襯里防滲系統(tǒng)，膜下保護層所采用的粘土滲透系數(shù)不應(yīng)大于1.0×10 ℃cm/s, 垂直深度2.5 cm 內(nèi)粘土層不應(yīng)含有粒徑大于5 mm 的尖銳物料，湖體、邊坡及壩體內(nèi)坡的土工膜、土工布一次鋪設(shè)完成，遇到管道、集水坑與立柱等特殊構(gòu)筑物時，防滲層應(yīng)做特殊處理，并保證水流通暢。進水配水單元出水集水區(qū)填料為火山巖，中間各級處理單元采用礫石填料，分為上下兩層，上層200 mm 厚濾料層，下層300 mm 厚濾料層，填料裝填前應(yīng)預(yù)先清洗干凈。種植的水生植物均應(yīng)適合當(dāng)?shù)睾鋮^(qū)域種植，具有適應(yīng)性強，耐寒耐旱，對土壤要求不嚴(yán)格等特點[2]。

2 多單元水質(zhì)凈化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 防滲系統(tǒng)

本研究所研究的主要是兩布一膜防滲系統(tǒng)，其中復(fù)合土工膜由長絲土工布或短纖土工布與土工膜、土工膜復(fù)合而成，復(fù)合土工膜具有平面排水的防滲特性。復(fù)合土工膜用土工織物代替顆粒材料作保護層，以避免土工膜防滲層受損，導(dǎo)致墊層粒徑的級配標(biāo)準(zhǔn)下降，且有利于水的排出。復(fù)合土工膜具有較高的摩擦系數(shù)，可以避免覆蓋層移動，和單一的土工膜比較，增添了保護層，復(fù)合土工膜所包含的無紡布有突出的摩擦性能，這種土工膜能夠讓坡比提高，從而讓所占用土地的面積降低。這種土工膜在穿刺、撕裂、頂破、抗拉等方面均有很大力學(xué)強度。并且其能夠承受一定程度的變形，能夠用較短的時間傳輸?shù)讐|層的應(yīng)力，應(yīng)變性能卓越。這種土工膜和土地接觸位置的空隙壓力容易散出。復(fù)合土工膜能夠保持一定的溫度，降低土地凍脹對其所產(chǎn)生的負面作用，進而降低土體形狀變化的程度。復(fù)合土工膜使用埋入的方式施工，抗老化功能顯著，能夠讓項目養(yǎng)護開支大大減少。另外，復(fù)合土工膜鋪設(shè)施工簡便，運輸量少，工程造價低，工期短。

2.2 污水預(yù)處理

為滿足工藝總體要求和進水水質(zhì)等要求，綜合考慮人工濕地類型及人工濕地前端進水量波動大、懸浮物濃度高，固本工程在進水前端設(shè)置了沉淀池，采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),壁厚300 mm，池高3.0 m，半徑5.0 m，有效水深2.5 m，將首陽鎮(zhèn)污水處理廠處理尾水通過尾水輸水管輸入進水沉降池，尾水經(jīng)過均勻沉降沿進水管進入濕地布水渠，使進入主處理單元的水質(zhì)均勻穩(wěn)定，以滿足進水水質(zhì)符合污水處理廠一級A標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 多單元進水分配

經(jīng)過預(yù)處理的污水，為均勻布送至各濕地單元，必須設(shè)置布水渠。該布水渠位于人工濕地西端，通過布水渠將進水均勻布置到潛流濕地單元格內(nèi)，為防止水流出現(xiàn)堵流、短流或死角。將布水渠分為A、B 兩格，分別為A、B 單元進行布水，進水孔為400 mm*400 mm 進水孔，布水孔為φ200，采用DN200UPVC 盲管布水，管長4 m，斜向下45°雙側(cè)間隔布置圓形孔布水，布水管尾端設(shè)置通氣管，通氣管超出地面200 mm，并配套通氣帽,管道穿布水渠墻體采用柔性套管穿墻。

2.4 多單元垂直潛流濕地

本工程采用的多單元垂直潛流濕地工藝，是將A、B 濕地單元根據(jù)地形由中間隔增分為A、B 兩大單元并聯(lián)運行，各單元進一步分為六級串聯(lián)單元(濕地單元1#-6#)，濕地池體不規(guī)則，單元大小150 m2～520 m2不等。各級濕地單元由中間布水渠流入下一單元，中間布水渠設(shè)置在各級單元中間，收集上級單元出水并均布至下級處理單元，中間布水渠設(shè)置400 mm*400 mm 集水孔，集水孔內(nèi)置自行研發(fā)的水質(zhì)濾透裝置（見圖2），收集上級單元處理出水。水渠上部設(shè)置200 mm 高沿整個池長設(shè)計的長條出水口，出水漫過人行踏步形成瀑布水流至下級濕地單元。過程中經(jīng)過布水渠將預(yù)處理的污水布至各級處理單元，通過各部位生態(tài)填料對水體進行逐級凈化，同時在水體不同位置種植沉水植物、浮葉植物和挺水植物以吸收、吸附和轉(zhuǎn)化水和底泥中的有機物、氮、磷等污染物質(zhì)，實現(xiàn)了水質(zhì)凈化的目的。

圖2 自行發(fā)明的水質(zhì)濾透裝置

污水通過濕地單元處理后，排至濕地中水池,最終由出水管道將處理后出水排至西河河道。

2.5 在線監(jiān)測系統(tǒng)

本工程自動化系統(tǒng)主要為在線監(jiān)測儀表，可以實現(xiàn)水質(zhì)指標(biāo)的實時檢測，并根據(jù)監(jiān)測到的工藝參數(shù)對控制方式進行調(diào)整。通過對參數(shù)進行定期監(jiān)測，分析濕地處理不同水量的影響，在濕地進出水口計量流量的變化并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料合理調(diào)節(jié)濕地進水量，提升濕地實際處理能力。并對監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用進行總結(jié)歸納，增加公司日后面對同類項目的施工能力[3]。為了及時準(zhǔn)確地掌握濕地出水水質(zhì)及其變化過程，提高管理水平，儀表選型遵循以下原則：

（1）能準(zhǔn)確、全面的反映工程濕地出水水質(zhì)參數(shù)和水量情況。

（2）儀表選用運行可靠、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，對國內(nèi)尚不成熟的產(chǎn)品或缺少的產(chǎn)品，應(yīng)考慮引進國外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

（3）儀表的選擇要進行詳細的技術(shù)經(jīng)濟比較，充分考慮備品備件的價格和儀表維護費用的差異。

通過綜合對比分析本工程在線監(jiān)測系統(tǒng)主要選用下列儀表：

（1）氨氮測量

氨氮測量采用侵入式傳感器，配置相應(yīng)的安裝附件及變送器。測量分辨率：≤0.2%滿量程，變送器輸出為Profibus-DP，變送器防護等級IP65，傳感器的防護等級IP68。

（2）COD 測量

COD 測量采用侵入式傳感器，配置相應(yīng)的安裝附件及變送器。測量分辨率：1%，變送器輸出為Profibus-DP，變送器防護等級IP65，傳感器的防護等級IP68。

（3）總磷測量

總磷測量采用侵入式傳感器，配置相應(yīng)的安裝附件及變送器。測量分辨率：≤0.2%滿量程，變送器輸出為Profibus-DP，變送器防護等級IP65，傳感器的防護等級IP68。

（4）總氮測量

總氮測量采用侵入式傳感器，配置相應(yīng)的安裝附件及變送器。測量分辨率：≤0.2%滿量程，變送器輸出為Profibus-DP，變送器防護等級IP65，傳感器的防護等級IP68。

所有儀表的檢測信號及設(shè)備的狀態(tài)信號均實時納入主管部門監(jiān)測平臺，其中大部分參數(shù)均在就地顯示。

2.6 質(zhì)量控制

進、出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表1；人工濕地系統(tǒng)定期監(jiān)測內(nèi)容見表2；人工濕地運行維護監(jiān)測指標(biāo)、方式、點位及頻率參照見表3。

表1 進、出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

表2 人工濕地系統(tǒng)定期監(jiān)測內(nèi)容

表3 人工濕地運行維護監(jiān)測指標(biāo)、方式、點位及頻率參照

3 傳統(tǒng)污水處理工藝

傳統(tǒng)污水處理的方法主要為物理分離技術(shù)和化學(xué)方法[4]。

3.1 污水處理物理技術(shù)

適用于那些在性質(zhì)方面或者體積方面很難進行后續(xù)處理的污染物質(zhì)。具有凈化設(shè)備多、能耗高、碳排放量大的特點，常見的有篩網(wǎng)、篩濾，重力分離及過濾法（沉淀、氣浮、過濾），膜分離（超濾、微濾和反滲透）以及吸附分離（活性炭吸附、沸石和萃取分離）等。

3.2 污水處理化學(xué)技術(shù)

這一技術(shù)的采用是針對污水當(dāng)中的化學(xué)成分來合理科學(xué)有限度的添加一些化學(xué)藥物產(chǎn)品（例如像臭氧等），使其和污水中的有害物質(zhì)發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，消釋其污水里的各種有毒有害成分，從而達到和實現(xiàn)凈化污水的理想效果。具有處理效率高，適用面廣，但生產(chǎn)的有毒有害物處理難的特點，常見的有化學(xué)氧化（臭氧化、光化學(xué)氧化、聲化學(xué)氧化和高錳酸鉀等）、中和法（酸堿污水互相中和）和沉淀法、混凝法。

4 “雙碳背景”下的多單元垂直潛流濕地

本項目所選用的多單元垂直潛流濕地是一種生物處理技術(shù)，將通過微生物對污水中的有機物進行生化反應(yīng)，清除污水中的有機有害物質(zhì)，從而實現(xiàn)對水質(zhì)的凈化，過程中減少了有機碳源的消耗，同時對氨、氮、磷、硫等去除率較高，具有凈化效率高、能源消耗低、維修成本低等特點。隨著本項目的建成，隴西縣污水尾水利用率、渭河流域（隴西段）水質(zhì)明顯提高，實現(xiàn)水資源與水生態(tài)的良性循環(huán)。一方面，可以提高當(dāng)?shù)鼐用窈陀慰偷纳鷳B(tài)環(huán)境保護意識和科學(xué)文化水平，提高公眾促進區(qū)域生態(tài)文化教育；另一方面，可以為中國典型西北方氣候條件下的水環(huán)境綜合治理提供可靠的實踐經(jīng)驗，為當(dāng)?shù)丨h(huán)境的生態(tài)修復(fù)和水污染的治理提供了示范作用。