三級穩定塘+人工濕地組合工藝在城鎮污水處理廠尾水深度處理中的應用

何 凡，許 超，劉 軍，林宇迪，閆晨煜，陳 升，胡 丹，賈洪柏

（1.浙江國千環境技術發展有限公司；2.浙江國阡環境與節能工程研究院，浙江 湖州 313300；3.東北林業大學，哈爾濱 150000）

城鎮污水處理廠尾水作為穩定水源補充河道，是一種常見且有效的緩解河道季節性缺水的措施[1-2]。然而，城鎮污水處理廠尾水執行的排放標準與河道國控/省控監測斷面的考核標準存在較大差異，在枯水季，污水處理廠尾水成為河道的主要水源，但其并不是作為清潔水的補給，而是污染源的輸入，通俗來講就是達標排放的尾水仍屬于劣Ⅴ類水，直接導致受納水體自凈能力減弱、缺氧和富營養化[3-4]，體現為下游國控/省控監測斷面水質超標。在此情況下，出水水質無法滿足新時代水環境質量改善需求，因此城鎮污水處理廠尾水提標任務非常嚴峻。

人工濕地、穩定塘等生態處理工藝具有投資省、能耗低、出水水質穩定等優點[5-7]，為污水處理廠尾水深度處理提供技術支持。浙江省某城鎮污水處理廠采用三級穩定塘+人工濕地組合工藝對尾水進行深度處理。本文系統介紹該項目的技術路線選擇、工藝設計、填料及植物設計、運行效果和經濟技術指標等內容，研究組合工藝的實施效果，以期為類似水體的水質改善工程提供技術參考。

1 工程背景

本項目城鎮污水處理廠位于浙江省某工業園區，建設規模為20 000 m3/d，污水處理廠來水以工業污水為主，占比超過60%，包括印染、生物科技、化工、冶金、新材料制造等企業所排的工業污水。該污水處理廠的主體處理工藝為“預處理+水解酸化池+改良式序列間歇反應器（MSBR）+膜生物反應器（MBR）+V 型濾池”，目前，出水水質滿足《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》（DB 33/2169—2018）的限值要求。

該污水處理廠尾水直排入西苕溪，西苕溪為當地飲用水水源保護地，尾水排放口距離下游西苕溪荊灣國控斷面僅2 km，國控斷面水質應符合《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水要求，尾水排放標準和斷面考核指標要求存在較大差異，因此污水處理廠尾水水質提升對西苕溪水環境改善和國控斷面水質穩定達標具有十分重要的意義。如圖1所示，本項目可用地塊西側緊鄰一所中學，且與附近居民區的直線距離不超過500 m，利用區域內現有自然資源和規劃布局，通過建設以人工濕地為主的生態系統來解決污水處理廠尾水水質提升問題，同時打造安全、生態和低能耗的景觀。原有污水處理廠采用壓力排水方式將尾水排至西苕溪，已有排水管網，新增人工濕地后，污水處理廠處理后水自流排至新建人工濕地，經人工濕地處理后，采用水泵提升至西苕溪，可利用部分原有管網。

圖1 項目選址

2 工藝設計

2.1 設計水量及水質指標

該污水處理廠基本處于滿負荷運行狀態，日處理量維持在18 000～20 000 m3/d，本項目尾水深度處理規模按20 000 m3/d 設計。污水處理廠出水執行《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》（DB 33/2169—2018）的污染物排放限值，實際上，該污水處理廠尾水各項水質指標大多數時間略優于排放限值，為保證后續深度處理單元的安全穩定，進水指標按《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》（DB 33/2169—2018）的排放限值選取，即化學需氧量（CODCr）不大于40 mg/L，氨氮（NH3-N）濃度不大于2 mg/L，總磷（TP）濃度不大于0.3 mg/L。為了進一步提升出水水質，減少對西苕溪水質的污染，保護水源地，該污水處理廠建設尾水人工濕地深度處理單元，使得凈化后的水質達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水要求，即CODCr不大于20 mg/L，NH3-N 濃度不大于1.0 mg/L，TP 濃度不大于0.2 mg/L，出水指標對總氮（TN）無要求。

2.2 工藝路線的確定

常見的尾水人工濕地一般為穩定塘、表面流人工濕地和水平潛流人工濕地（由一級或多級填料床組成）的兩種或三種組合搭配，即塘-表組合工藝、塘-床組合工藝及塘-床-表組合工藝[6]。其中，穩定塘具有來水穩定的優點，可用作尾水預處理單元，穩定塘和表面流人工濕地屬于低負荷處理單元且更易打造景觀，可用作初級處理單元。水平潛流人工濕地具有水力負荷和污染負荷大的優點，尤其對來水中NH3-N和TP 的去除效果較好，可作為二級深度處理單元。綜合考慮項目用地條件、工程建設投資、處理效果和運維便利性等方面，確定尾水人工濕地工程的工藝路線為“兼性塘+好氧塘+表面流人工濕地+水平潛流人工濕地”，工藝流程如圖2所示。

圖2 三級穩定塘+人工濕地組合工藝流程

污水處理廠尾水經水泵提升輸送至尾水處理區，經配水渠進入穩定塘，塘內部設深水區、淺水區，形成兼氧區和好氧區，并種植沉水植物、挺水植物和浮葉植物，主要通過塘內水生植物攔截、吸收和水生動物及微生物的協同作用，去除水體中的部分懸浮物、有機物和氮磷污染物。穩定塘出水進入表面流人工濕地，主要通過水生植物（吸收、固定、轉化水中的營養物質）和填料（吸附作用）降解水體中的污染物，經過表面流人工濕地凈化后的水體排入水平潛流人工濕地內，經過深度凈化后進入清水回用池，由泵提升至西苕溪。回用池內水體可用于農田澆灌、道路清掃和車輛清洗等。本項目各單元平面布置如圖3所示。

圖3 項目各單元平面布置

2.3 工程設計

2.3.1 設計參數

本項目污水處理廠尾水提升工程采用復合人工濕地形式，兼性塘設計有效面積約為10 355 m2，好氧塘設計有效面積約為14 180 m2，表面流人工濕地設計有效面積約為14 607 m2，水平潛流人工濕地設計有效面積約為13 917 m2。總水力停留時間為32 h，總水力負荷為0.38 m3/（m2·d）。

人工濕地和穩定塘占地面積較大，污染物去除要求高，考慮均勻配水，整體采用配水渠進行并聯區域配水，配水渠寬度為1.2 m。各單元集水區與配水渠相連，實現單元間的串聯運行，避免單元內某個池體維護影響下一級池體的運行。單池內部通過聚乙烯（PE）穿孔管實現均勻配水，通過閘閥進行水位控制，設置導流墻實現復合流流態。穿孔管周圍選用粒徑50～100 mm 的碎石，降低穿孔管堵塞的風險，同時起到緩沖和均勻水量的作用。

2.3.2 生態穩定塘

（1）配水渠。污水處理廠尾水首先進入配水渠進行流量調節，配水渠采用混凝土澆筑，溢流坡采用卵石貼坡護面，防止邊坡因凍脹損壞，坡比為1.0∶1.5。

（2）兼性塘。尾水經配水渠溢流進入兼性塘，兼性塘塘深為1 m，塘底沿水流方向的坡比為0.1%，兼性塘存在3 個區域。一是表層好氧區，好氧菌與藻類共生；二是底層厭氧區，積累在此區域內的固體雜質被厭氧菌充分分解；三是兼性區，即好氧區與厭氧區之間的過渡區，通過兼性菌分解有機物。兼性塘內種植有多種水生植物，其中，蘆葦有205 m2，再力花有104 m2，睡蓮有1 934 m2，荇菜有1 185 m2，風車草有116 m2，紫花鳶尾有122 m2，路易斯安娜鳶尾有160 m2。兼性塘內布置有一湖心島，散播小麥614 m2，種植碧桃48 棵。

（3）好氧塘。來水流經兼性塘處理后，通過石籠進入好氧塘。好氧塘完全依靠光合作用供氧，池體較淺，塘內溶解氧含量高于1 mg/L，陽光能透射到塘底。它分為好氧塘A 和好氧塘B 兩個區域，好氧塘A 塘深為0.7 m，塘底沿水流方向的坡比為0.1%，好氧塘B 塘深為0.6 m，塘底沿水流方向的坡比為0.1%。其內種植有多種水生植物，其中，狐尾藻有971 m2，伊樂藻有694 m2，黑藻有570 m2，睡蓮有433 m2，千屈菜有24 m2，花葉蘆竹有51 m2，路易斯安娜鳶尾有208 m2，風車草有96 m2，紫花鳶尾有156 m2，荷花有1 060 m2，苦草有1 269 m2，再力花有71 m2。

（4）石籠。石籠是由機械編織的多絞狀六角形網制成的金屬線材網箱，其內裝填石塊。兼性塘后端石籠高度為1.5 m，高于兼性塘水位線0.5 m，石籠坡度比為1.0∶0.5。好氧塘A 與好氧塘B 之間的石籠高度為1.4 m，高于好氧塘A 水位線0.7 m，石籠坡度比為1.0∶0.5。好氧塘B 與表面流人工濕地之間的石籠高度為1.4 m，高于好氧塘B 水位線0.8 m，石籠坡度比為1.0∶0.5。石籠共計3 道，頂部寬度均為1.5 m，以供人員通行。生態穩定塘設計如圖4所示。

圖4 生態穩定塘設計

2.3.3 表面流人工濕地設計

本項目表面流人工濕地主要包括進水區、處理區和出水區。受地形地貌影響，表面流人工濕地呈不規則形狀，分為北部區域A 和南部區域B，總面積為14 643 m2，水深為0.3～0.5 m，容積為5 857 m3，水力停留時間為8.8 h。

（1）進水區。進水區的主要目的為均勻配水，要求在人工濕地橫向和垂直高度上盡可能配水均勻，以充分利用人工濕地。表面流人工濕地進水區通過石籠對水流的阻擋作用進行來水均配，石籠高度為1.4 m，高于表面流人工濕地水位線0.8 m，石籠坡度比為1.0∶0.5。

（2）處理區。處理區為人工濕地的主體部分，水質凈化作用主要在此區域完成，該區域通過植物的攔截過濾吸收作用以及附著在植物表面的微生物生化作用對污染物進行處理。處理區通過軟石床分隔區域，高度為0.8 m，頂部寬度為0.5 m，坡比為1.0∶0.3，表面流人工濕地處理區水流路徑較長，底部沿流水方向的坡比設置為0.1%，引導水流流動。表面流人工濕地處理區內栽種蘆葦、香蒲、水蔥等挺水植物。

（3）出水區。出水區的主要目的為均勻出水，要求在人工濕地橫向和垂直高度上盡可能集水均勻。同時，考慮到水平潛流人工濕地前端集水的需求，表面流人工濕地出水區較前者集水區底高0.6 m。

（4）軟石床。共設置2 道軟石床，高度為0.8 m，頂部寬度為0.5 m，坡比為1.0∶0.3。其中，1 道軟石床設置于南北兩塊表面流人工濕地A、B 的連接處，另1 道軟石床設置于表面流人工濕地與水平潛流人工濕地的連接處，起到過濾水流和均勻傳遞水流至下一環節的作用。

2.3.4 水平潛流人工濕地設計

本項目水平潛流人工濕地結構如圖5所示。水平潛流人工濕地在結構組成上比表面流人工濕地更為復雜。在縱向上，進水區、處理區和出水區的功能與表面流人工濕地基本一致。水平潛流人工濕地過水方式為平流穿過填料層，處理區主要依靠填料的吸附作用以及吸附在填料表面的微生物的生化作用凈化水質，因此處理能力得到極大的強化。

圖5 水平潛流人工濕地結構

（1）進水區。水平潛流人工濕地進水區為一進水池，其進水方向寬度為2 m，進水池內堆滿卵石，直徑為60～100 mm。進水管進水處位于填料層，使水流沿水平方向平穩流經水平潛流人工濕地，經調節豎管流入出水池內，可調節豎管管口朝上，用以控制前端水流在填料層的水位。

（2）功能區。功能區內滿堆填料，分為兩層，分別為覆蓋層和填料層，覆蓋層厚度為0.2 m，填料層厚度為0.7 m，頂層填料粒徑為5 mm，厚度為200 mm，上層填料粒徑為8～16 mm，厚度為300 mm，中層填料粒徑為16～32 mm，厚度為150 mm，下層填料粒徑為30～50 mm，厚度為50 mm，底部素土夯實，在進水區與出水區處填料粒徑增大，填料層與植物吸附作用相結合，用以吸收水中污染物。水平潛流人工濕地水力坡度為0.5%，保證水流能順利通過。本項目選用蘆葦、水菖蒲、香蒲和水蔥進行栽種，此類植物根系發達，對污染物有著極好的吸附效果。

（3）出水區。水平潛流人工濕地出水區為一出水池，其進水方向寬度為2 m，進水池內堆滿卵石，直徑為60～100 mm。其可調節豎管進水，位于填料層底部，用以引導、收集經水平潛流人工濕地凈化后的水，后經調節豎管流入出水池內。可調節豎管管口朝上，可自由調節管口高度。

3 運行效果

本工程于2022年2月順利竣工驗收并投入使用。運行期間（3月至次年2月），對進水口、穩定塘出水口、表面流人工濕地出水口、水平潛流人工濕地出水口進行連續水質監測，采樣頻率為4 次/月。各采樣點水質檢測數據如表1所示。本項目“三級穩定塘+表面流人工濕地+水平潛流人工濕地”組合工藝對各污染物均具有較好的去除效果，對CODCr的總去除率為53.91%，對NH3-N 的總去除率為57.15%，對TP 的總去除率為35.13%。出水主要指標均達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水要求。由表1 可見，各處理單元對污染物的去除存在一些差異，人工濕地的去除效果好于穩定塘，尤其在水平潛流人工濕地中表現得更為明顯，水平潛流人工濕地可以通過植物根系的吸附作用、填料吸附作用以及吸附于填料的微生物作用，使污染物得到去除。研究表明[8]，基質填料可以通過吸附作用去除水體中的磷、氨氮，其中，火山巖、瓷砂陶粒、沸石對氨氮的去除效果最好。

表1 各處理單元出水指標及對污染物的平均去除率

濕地系統主要通過植物、微生物作用達到凈化水質的目的，故受環境溫度影響的可能性較大。夏季與冬季的進出水檢測數據如表2所示。夏季各個指標的去除率都大于冬季，研究表明，環境溫度為20 ℃左右時，濕地系統對CODCr的處理效果最好[9]。結合數據和工程現場情況，經分析，主要原因有兩點。一是冬季氣溫較低，因生長周期緣故，冬季部分植物枯死后，莖稈腐敗并釋放部分有機物，冬季微生物活性普遍較低，故凈化效果沒有夏季好。二是夏季梅雨季節來臨，污水濃度本身會有所下降，進入濕地系統的尾水水質污染程度較低，故夏季處理效果較為明顯。

表2 夏冬兩季濕地進出水指標及對污染物的平均去除率

4 經濟效益與環境效益

本尾水人工濕地工程總投資約為2 999.43 萬元，項目運行成本約為72.97 萬元/年，單位水量處理成本為0.10 元/m3。尾水人工濕地建成后具有明顯的生態環境效益，每年CODCr削減量為146 t，氨氮削減量為7.3 t，TP 削減量為0.73 t，有效改善入河水質，促進水生態環境良性循環，有效保障下游國控斷面全時段的穩定達標。

5 結論

經提標改造，本項目通過三級穩定塘+人工濕地組合工藝對城鎮污水處理廠尾水進行處理，使出水水質得到進一步提升，保護飲用水水源地，為下游國控斷面全年穩定達標提供有力保障。本項目進水水質執行《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》（DB 33/2196—2018）的污染物排放限值，經復合人工濕地系統凈化后，出水水質可達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水要求，CODCr、NH3-N、TP 的平均去除率分別達到53.91%、57.15%、35.13%。復合人工濕地系統受氣溫和雨季影響，夏季凈化效果比冬季更加明顯。本工程單位投資成本約為1 500 元/m3，單位運行成本為0.10 元/m3，造價比傳統工藝低，且出水可回用于農田澆灌、道路清掃和車輛清洗等，實現水資源可持續利用。