陳 功

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

化工園區(qū)污水廠尾水難降解物質(zhì)多、水質(zhì)和水量波動大，要進(jìn)一步提升水質(zhì)，采用膜處理、高級氧化等深度處理工藝需要面臨投資和運行成本高的問題。人工濕地因其投資低、運維成本低、生態(tài)環(huán)境效益高的特點，受到越來越多的關(guān)注和研究〔1-2〕。

人工濕地主要是利用基質(zhì)-微生物-植物的物理、化學(xué)和生物協(xié)同作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對廢水的凈化〔1〕。我國人工濕地的型式變化大致歷經(jīng)表面流濕地-潛流濕地-復(fù)合人工濕地三個階段〔2〕。相比潛流濕地和復(fù)合濕地，表面流濕地的污染物負(fù)荷低，相同處理能力下的占地面積更大，因此在利用濕地處理污廢水的工程中，單獨利用表面流濕地的應(yīng)用案例較少，更多采用潛流濕地和復(fù)合濕地〔3-4〕。但也有學(xué)者認(rèn)為，表面流濕地水體面積大，能更大程度地利用紫外光降解有機物，同時具有較好的復(fù)氧能力，加速難降解有機物的轉(zhuǎn)化，加快微生物生長〔5〕。

表面流濕地最接近自然濕地，濕地植被類型與形態(tài)多樣，生物多樣性高，結(jié)合大范圍水面，景觀效果更好。化工區(qū)經(jīng)歷多年發(fā)展，逐漸往生態(tài)化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展，在化工區(qū)設(shè)置表面流濕地，能大大提高園區(qū)生物豐度，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，具有重要意義。

東南沿海某化學(xué)工業(yè)區(qū)對現(xiàn)有人工濕地進(jìn)行改造，通過組合工藝對表面流濕地進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，結(jié)合科學(xué)合理的運維方式，提高濕地對化工污水廠尾水的處理效果，為化工區(qū)污水廠尾水深度處理提供濕地處理經(jīng)驗和借鑒。

1 項目概況

東南沿海某化學(xué)工業(yè)區(qū)以生產(chǎn)石油和精細(xì)化工產(chǎn)品為主，園區(qū)內(nèi)污水處理廠接納排水用戶產(chǎn)生的工業(yè)廢水和生活污水，將污廢水處理至《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 標(biāo)準(zhǔn)后排放，少量尾水進(jìn)入原表面流濕地進(jìn)行深度處理。為了進(jìn)一步提高原表面流濕地的處理能力，提升污水廠尾水水質(zhì)和園區(qū)生態(tài)環(huán)境，設(shè)計采用組合表面流濕地對原表面流濕地進(jìn)行改造。

組合表面流濕地處理對象由污水廠尾水和園區(qū)某河道河水組成，設(shè)計處理規(guī)模25 000 t/d，其中污水廠尾水10 000 t/d，河水15 000 t/d。濕地設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 組合表面流濕地設(shè)計進(jìn)出水指標(biāo)Table 1 Design values of influent and effluent quality

2 項目難點與解決方案

2.1 項目難點

本項目中化工區(qū)污水廠尾水具有以下特點：

（1）水質(zhì)波動較大?；^(qū)各企業(yè)的每日排水量根據(jù)生產(chǎn)情況不同而變化，且各企業(yè)排水水質(zhì)差異較大，因此化工區(qū)污水廠每日接收的進(jìn)水水質(zhì)水量波動范圍大，導(dǎo)致尾水中COD、氨氮（NH3-N）、TN、TP、氯化物等指標(biāo)波動范圍較大，很可能會影響濕地的穩(wěn)定運行。

（2）可生化性差。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，污水廠尾水中BOD5/COD 平均值僅0.18 左右（一般認(rèn)為BOD5/COD＞0.45 時可生化性較好），有機污染物很難通過微生物降解的方式快速高效地降解。

（3）反硝化能力差。污水廠尾水中碳源匱乏，而總氮較高，碳氮比（BOD5/TN）低，平均值僅1.232（理論上碳氮比＞2.86 時反硝化才能進(jìn)行），且尾水溶解氧（DO）4～16 mg/L，厭氧環(huán)境可能只有在水生植物根系處出現(xiàn)，微生物的反硝化作用過程將受到限制。此外，張超等〔6〕研究表明，DO 超過4 mg/L 時，利于硝化卻不利于聚磷菌（PAOs）好氧吸磷，總磷去除率也會有所降低。

（4）含鹽量較高。污水廠尾水中氯化物平均質(zhì)量濃度約1 500 mg/L，短時高峰值可達(dá)約7 200 mg/L，抑制部分水生植物的生長，因此，選取耐鹽且具有較高污染物去除能力的水生植物就至關(guān)重要。

2.2 解決方案

針對化工區(qū)污水廠尾水的上述特點，濕地設(shè)計主要從污染物去除能力和耐鹽植物選擇兩方面著手，同時考慮節(jié)約工程投資，提高生態(tài)效益。

2.2.1 污染物去除能力

從濕地凈化機理來看，人工濕地對COD 的去除主要是通過濕地基質(zhì)和植物根系上的生物膜與微生物的降解作用，以及植物的吸附、吸收等共同作用〔7〕。氮的去除則主要有兩種方式，一是植物的吸收作用；二是硝化-反硝化的微生物去除作用過程〔8〕?？偭椎娜コ绞街饕械啄辔?、微生物轉(zhuǎn)化、植物吸收等。

污水廠尾水的特點影響了微生物對有機質(zhì)、氮和磷的分解與轉(zhuǎn)化，因此，項目設(shè)計中，一是設(shè)置了礫石灘，通過礫石顆粒的掛膜和吸附作用，將污染物吸附停留在礫石表面形成的生物膜中，提高了污染物停留時間，促進(jìn)微生物的降解作用。二是增加濕地植物量，提高植物對污染物的吸附、吸收作用，彌補微生物降解作用的降低。很多研究表明，植物吸收是去除污水中污染物的重要機制。徐德福等〔9〕研究發(fā)現(xiàn)美人蕉、菩提子、鳳眼蓮和蘆葦?shù)纳锪看螅瑢Φ?、磷的吸收能力較高；劉劍彤等〔8〕的研究表明，當(dāng)選用吸收氮、磷能力強又具有高生物質(zhì)產(chǎn)量的植物構(gòu)成土地-植物系統(tǒng)時，植物對氮、磷的吸收作用將成為系統(tǒng)去除污水中氮、磷的主要或重要機制；蔣躍平等〔10〕研究了人工濕地植物對氮磷去除的貢獻(xiàn)，研究表明在處理輕度富營養(yǎng)化水的人工濕地中，植物吸收對氮磷的去除起著主要作用，貢獻(xiàn)率分別為46.8%和51.0%。

2.2.2 耐鹽植物選擇

高含鹽量的廢水對植物具有離子毒害和滲透脅迫等作用，會影響植物根系周圍微生物的活性，從而影響污染物的去除效果〔11〕。王琴等〔11〕研究表明，在進(jìn)水氯離子質(zhì)量濃度為1 000～3 000 mg/L 范圍內(nèi)，蘆葦、睡蓮、狹葉香蒲、寬葉香蒲和水蔥這5 種人工濕地植物可以正常生長，而在植物的生長旺期和末期，氯離子質(zhì)量濃度分別在4 500 mg/L 和2 500 mg/L 以內(nèi)才能發(fā)揮較好的污染物去除效果。

針對化工區(qū)尾水高含鹽量的特點，項目設(shè)計上一是考慮就近引進(jìn)部分河水進(jìn)行鹽度稀釋，二是嚴(yán)格篩選耐鹽且具有較高污染物去除能力的濕地植物。王衛(wèi)紅等〔12〕比較了9 種沉水植物的耐鹽性，從高到低依次為川蔓藻>篦齒眼子菜>狐尾藻>金魚藻>菹草>線葉眼子菜>馬來眼子菜>黑藻>苦草；王琴等〔11〕研究發(fā)現(xiàn)蘆葦、睡蓮和狹葉香蒲在高鹽條件下凈化效果優(yōu)于水蔥和寬葉香蒲。結(jié)合生物量、園區(qū)的適應(yīng)性以及植物形態(tài)，本項目中選擇蘆葦為主要的挺水植物，金魚藻為主要的沉水植物，睡蓮為主要的浮葉植物，另選擇千屈菜、水蔥、眼子菜、菹草、苦草等增加生物多樣性。

3 工藝設(shè)計

3.1 工藝流程

污水廠尾水和河水首先匯入配水曝氣區(qū)，利用曝氣產(chǎn)生的動力進(jìn)行充分混合并充氧；混合水首先進(jìn)入礫石灘處理區(qū)，利用礫石和植物的吸附、攔截和生物膜去除部分污染物；隨后進(jìn)入濕地主處理區(qū)——蘆葦區(qū)1，通過不同水深的變化結(jié)合挺水植物-浮葉植物-沉水植物的組合凈化水質(zhì)，處理后的水再進(jìn)入水生植物區(qū)；水生植物區(qū)設(shè)計成以沉水植物為主的凈化池，進(jìn)行水質(zhì)深度凈化和透明度提升；水生植物池的出水通過中間提升泵房提升后進(jìn)入蘆葦區(qū)2，進(jìn)一步改善出水水質(zhì)后排入園區(qū)內(nèi)水系。濕地從礫石灘開始分為2條流線，并聯(lián)運行，通過礫石灘前端的2 道溢流堰，將來水平均分配到2 條流線。工藝流程見圖1。

圖1 組合濕地工藝流程Fig.1 Flow chart of combined surface flow wetland

3.2 工藝單元設(shè)計

（1）配水曝氣區(qū)。主要功能是對污水廠尾水和河水進(jìn)行充分混合，并提高濕地進(jìn)水中的溶解氧量。配水曝氣區(qū)平面尺寸21.1 m×14.6 m，水深1.35 m，充氧方式采用機械曝氣，功率1.5 kW，間歇運行。

（2）礫石灘。礫石灘主要由碎石和蘆葦組成，碎石能夠增加吸附比表面積，提高對污染物的吸附攔截能力，蘆葦不僅能提高處理能力，還能阻擋主流線，增加礫石灘的水力停留時間，為微生物的大量繁衍提供適宜的生存條件。

礫石灘設(shè)置2 組（S1、S2），并聯(lián)運行。礫石灘單元鋪設(shè)碎石，厚度250 mm，粒徑3～10 cm 為宜，S1 平面尺寸383.6 m×16，水深0.3 m，礫石灘S2 平面尺寸391 m×14.9 m，水深均為0.3 m。蘆葦規(guī)格3～5 芽/叢，4 叢/m2。

（3）蘆葦區(qū)1。蘆葦區(qū)1 分為12 個單元（S3～S14），6 個單元為1 組，2 組并聯(lián)運行。單元池間以閘門連接，通過營造不同的水深0.3～0.9 m，構(gòu)造適合挺水植物（蘆葦）、沉水植物（眼子菜、苦草、菹草）以及浮葉植物（睡蓮）的生存條件。同時在單元池內(nèi)設(shè)置若干導(dǎo)流壩，延長水力路徑，改善流態(tài)，減少死角，提高濕地運行效率和污染物處理效果。

每個蘆葦區(qū)單元分成淺水區(qū)和深水區(qū)兩部分，面積比約4∶1～5∶1。淺水區(qū)設(shè)于前端，水深0.3 m，種植蘆葦，規(guī)格3～5 芽/叢，4 叢/m2；深水區(qū)設(shè)于后端，水深0.9 m，種植單一沉水植物（眼子菜、苦草或菹草）和睡蓮，其中眼子菜規(guī)格3～4 芽/叢、30 叢/m2、苦草6 芽/叢、15 叢/m2、菹草6 株/叢、12 叢/m2、睡蓮2 頭/m2。

（4）水生植物區(qū)。水生植物區(qū)共2 個單元（S15、S16），并聯(lián)運行，面積分別為7 090 m2和5 770 m2，設(shè)計水深1.3 m，同時沿駁岸設(shè)置不同標(biāo)高的浸沒式堤壩，用于提高來自上游單元池植物顆粒的沉積。區(qū)域內(nèi)種植金魚藻，規(guī)格6 株/叢、10 叢/m2，初始種植密度約50%。岸邊間種水蔥、千屈菜、紙莎草等挺水植物。

（5）蘆葦區(qū)2。蘆葦區(qū)2 在原濕地的景觀濕地區(qū)域基礎(chǔ)上，清理淤泥，補種蘆葦和川蔓藻，使該單元在景觀功能之外，承擔(dān)更多的凈化水質(zhì)功能。蘆葦區(qū)2 總面積約1.09×105m2。

4 工程實施效果

4.1 污染物處理效果

分析濕地正式運行約24 個月以來的污染物數(shù)據(jù)，COD、NH3-N、TN、TP 進(jìn)出水濃度的累積概率分布分別見圖2、圖3。

圖2 組合表面流濕地進(jìn)水主要污染物濃度的累積概率Fig.2 Cumulative probability of main pollutants in influent of combined surface flow wetland

圖3 組合表面流濕地出水主要污染物濃度的累積概率Fig.3 Cumulative probability of main pollutants in effluent of combined surface flow wetland

由圖2 可知，濕地進(jìn)水的COD、TN、TP 低于設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)要求的概率，分別為81%、62%、100%，說明進(jìn)水中COD 和TN 超出設(shè)計值的概率較大，波動較大；進(jìn)水中TP 能穩(wěn)定在設(shè)計值以下，保證率高；進(jìn)水中NH3-N 低于1.0 mg/L 的概率為100%，即優(yōu)于地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

由圖3 可知，濕地出水的COD、TN、TP 達(dá)到設(shè)計出水水質(zhì)目標(biāo)的概率分別為67%、90%、100%，說明COD 的去除效果波動較大，TN、TP 的去除效果較穩(wěn)定。出水中NH3-N 低于0.5 mg/L 的概率為99%，即優(yōu)于地表Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，可見在進(jìn)水中NH3-N 較低的情況下，濕地對NH3-N 仍然有穩(wěn)定的去除能力。

濕地進(jìn)出水水質(zhì)的匯總結(jié)果分別見表2、圖4。

表2 組合表面流濕地水質(zhì)處理效果Table 2 Water quality treatment effect of combined surface flow wetland

由表2、圖4 可知，組合表面流濕地進(jìn)水中污染物濃度波動較大，出水中污染物平均濃度達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，波動相對進(jìn)水小，但也不穩(wěn)定。從去除率上看，濕地對COD 和NH3-N 的去除率不高，且波動較大，其中COD 的平均去除率12.62%，最高可達(dá)51.11%，NH3-N 的平均去除率20.70%，最高可達(dá)75.38%；TN 和TP 的去除率較高且相對穩(wěn)定，其中TN 的平均去除率49.53%，最高可達(dá)73.47%，TP 的平均去除率44.52%，最高可達(dá)72.32%。可見，進(jìn)水負(fù)荷的變化會影響組合表面流濕地對污染物的去除穩(wěn)定性，特別是影響COD 和NH3-N 的去除率。

圖4 組合表面流濕地對主要污染物的去除效果Fig.4 Major pollutants removal of combined surface flow wetland

4.2 污染物沿程處理效果

組合表面流濕地各單元的污染物去除效果見表3。

由表3 可知，COD 主要在礫石灘去除，可能是因為礫石灘中的礫石能夠掛膜，增加對難生物降解COD 的吸附攔截能力；NH3-N、TN、TP 主要在蘆葦區(qū)2去除，蘆葦區(qū)2 的生物量最大，對氮、磷的吸收能力較強。

表3 組合表面流濕地污染物沿程處理效果Table 3 Treatment effect of pollutants in each unit of combined surface flow wetland

4.3 氯化物濃度的影響

氯化物濃度對濕地植物正常生長影響較大，是濕地常態(tài)監(jiān)測指標(biāo)之一。濕地進(jìn)水中氯化物質(zhì)量濃度的累積概率分布見圖5。

由圖5 可知，濕地進(jìn)水氯化物質(zhì)量濃度低于設(shè)計值600 mg/L 的概率為21%，波動較大，最大值約3 200 mg/L，發(fā)生在運行第592 d，各污染物去除率并沒有明顯下降，濕地植物也沒有出現(xiàn)明顯的枯萎或死亡，表明進(jìn)水氯化物質(zhì)量濃度在3 200 mg/L 時，組合表面流濕地仍然能夠正常運行，這與王琴等〔11〕的研究結(jié)論相符。

圖5 組合表面流濕地進(jìn)水氯化物質(zhì)量濃度的累積概率Fig.5 Cumulative probability of chloride concentration in influent of combined surface flow wetland

4.4 生態(tài)效應(yīng)

根據(jù)園區(qū)的綠化普查和生態(tài)調(diào)查評估，組合表面流濕地建成運行一年后昆蟲種類超過60 種，以搖蚊科昆蟲為主，且有較多的劃蝽科、負(fù)子蝽科水生昆蟲。搖蚊幼蟲是魚類的主要餌料，能直接利用水體中的有機物，凈化水質(zhì)。此外，濕地正式運行初期，人工濕地鳥類種數(shù)約20 種，種類最多的科依次為鷺科（15.91%）、秧雞科（11.36%）和扇尾鶯科（6.82%）；到建成運行一年后，鳥類種數(shù)已接近35 種，以鷺科（11.7%）和鶇科（5.3%）為主，成為園區(qū)鳥類種數(shù)最多的區(qū)域，生物多樣性提高顯著。

5 運行管理和經(jīng)濟分析

5.1 運行管理

濕地的運行管理主要介紹水質(zhì)監(jiān)測和植物控制與管理。

水質(zhì)監(jiān)測是監(jiān)控濕地運行效果，及時發(fā)現(xiàn)運行問題的必要措施，該項目設(shè)定了10 處監(jiān)測采樣地點，共15 項水質(zhì)檢測指標(biāo)，其中溫度、pH、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧5 項參數(shù)為在線監(jiān)測，其他指標(biāo)根據(jù)水質(zhì)情況建立1 周1 次～2 周1 次的常態(tài)監(jiān)測機制，由園區(qū)檢測單位進(jìn)行人工采樣和實驗室檢驗。為了控制氯化物濃度，保護濕地植物，實際運行中應(yīng)持續(xù)監(jiān)測氯化物濃度，以便及時調(diào)整進(jìn)水中河水和污水廠尾水的配比。

生物控制與管理主要是針對濕地植物的維護。沉水植物包括修剪和補種，常規(guī)修剪保留植株的一半高度或收割至水面下0.5 m 深度，再用撈網(wǎng)打撈掉落植物殘體；當(dāng)植物覆蓋度超過80%，用水草夾“斑點式”絞住植株，然后連根拔起一部分植株。沉水植物出現(xiàn)大面積長勢不良、瀕死或死亡時，應(yīng)進(jìn)行補種，補種時間安排在春季（3～5 月）和秋季（9～11 月）。挺水植物以收割為主，該項目主要是蘆葦收割。第一個生長季以平穩(wěn)越冬為主，不進(jìn)行植物整體割除。從第二年11 月份開始，逐漸對開始落葉的挺水植物進(jìn)行收割打撈，將莖桿以上部分割除，保留5～10 cm 割茬及少量落葉，植物殘體收割外運。

5.2 經(jīng)濟分析

該項目設(shè)計規(guī)模25 000 m3/d，建安費投資約2 000萬元，運維項目包括濕地水質(zhì)監(jiān)測、設(shè)備維護保養(yǎng)、人工費、基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護管理、植物養(yǎng)護、底泥清淤及處置等，年運行費用約210萬元，即單位處理成本約0.23元/m3。

6 結(jié)論

（1）針對化工區(qū)污水廠尾水水質(zhì)波動較大、可生化性和反硝化性差、含鹽量高的特點，該項目設(shè)計上設(shè)置礫石灘增加污染物吸附能力，引入園區(qū)河水稀釋高含鹽量的尾水，選擇耐鹽且濕地生物量大的水生植物促進(jìn)污染物吸收，形成由配水曝氣區(qū)、礫石灘、蘆葦區(qū)1、水生植物區(qū)、蘆葦區(qū)2 組成的組合表面流濕地，并結(jié)合常態(tài)化的運行管理機制，保障濕地運行效果。

（2）濕地設(shè)計處理規(guī)模25 000 t/d，其中污水廠尾水10 000 t/d，河水15 000 t/d。建安費投資約2 000 萬元，單位處理成本約0.23 元/m3。

（3）近24 個月的運行結(jié)果顯示，濕地出水中COD、NH3-N、TN、TP 分別為（28.9±5.82）、（0.195±0.093）、（2.83±1.00）、（0.145±0.055）mg/L，去除率分別為（12.62±12.74）%、（20.70±21.11）%、（49.53±13.05）%、（44.52±14.55）%，均達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，其中COD 和NH3-N 的去除率不高，受到進(jìn)水負(fù)荷變化的影響去除率波動較大，TN和TP 的去除率較高且相對穩(wěn)定；COD 主要在礫石灘去除，NH3-N、TN、TP 主要在蘆葦區(qū)2 去除；氯化物質(zhì)量濃度3 200 mg/L 時，濕地仍能正常運行，建議在實際運行中持續(xù)監(jiān)測氯化物濃度，以便及時調(diào)整進(jìn)水中河水和污水廠尾水的配比，控制進(jìn)水氯化物濃度，保護濕地植物。

（4）組合表面流濕地形成了水中有機質(zhì)-水中昆蟲（搖蚊等）-魚類-鳥類（鷺科、秧雞科、扇尾鶯科、鶇科等）的完整食物鏈，豐富了化工區(qū)的生物多樣性，與周邊的農(nóng)田、林帶、灘涂等形成園區(qū)特有的生態(tài)空間格局，展現(xiàn)了化工區(qū)綠色與發(fā)展和諧共榮的生態(tài)文明建設(shè)創(chuàng)新模式。