组合表面流湿地处理化工区污水厂尾水的工艺设计

陈 功

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

化工园区污水厂尾水难降解物质多、水质和水量波动大，要进一步提升水质，采用膜处理、高级氧化等深度处理工艺需要面临投资和运行成本高的问题。人工湿地因其投资低、运维成本低、生态环境效益高的特点，受到越来越多的关注和研究〔1-2〕。

人工湿地主要是利用基质-微生物-植物的物理、化学和生物协同作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的净化〔1〕。我国人工湿地的型式变化大致历经表面流湿地-潜流湿地-复合人工湿地三个阶段〔2〕。相比潜流湿地和复合湿地，表面流湿地的污染物负荷低，相同处理能力下的占地面积更大，因此在利用湿地处理污废水的工程中，单独利用表面流湿地的应用案例较少，更多采用潜流湿地和复合湿地〔3-4〕。但也有学者认为，表面流湿地水体面积大，能更大程度地利用紫外光降解有机物，同时具有较好的复氧能力，加速难降解有机物的转化，加快微生物生长〔5〕。

表面流湿地最接近自然湿地，湿地植被类型与形态多样，生物多样性高，结合大范围水面，景观效果更好。化工区经历多年发展，逐渐往生态化方向转型发展，在化工区设置表面流湿地，能大大提高园区生物丰度，改善生态环境质量，具有重要意义。

东南沿海某化学工业区对现有人工湿地进行改造，通过组合工艺对表面流湿地进行设计优化，结合科学合理的运维方式，提高湿地对化工污水厂尾水的处理效果，为化工区污水厂尾水深度处理提供湿地处理经验和借鉴。

1 项目概况

东南沿海某化学工业区以生产石油和精细化工产品为主，园区内污水处理厂接纳排水用户产生的工业废水和生活污水，将污废水处理至《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准后排放，少量尾水进入原表面流湿地进行深度处理。为了进一步提高原表面流湿地的处理能力，提升污水厂尾水水质和园区生态环境，设计采用组合表面流湿地对原表面流湿地进行改造。

组合表面流湿地处理对象由污水厂尾水和园区某河道河水组成，设计处理规模25 000 t/d，其中污水厂尾水10 000 t/d，河水15 000 t/d。湿地设计进水水质见表1。

表1 组合表面流湿地设计进出水指标Table 1 Design values of influent and effluent quality

2 项目难点与解决方案

2.1 项目难点

本项目中化工区污水厂尾水具有以下特点：

（1）水质波动较大。化工区各企业的每日排水量根据生产情况不同而变化，且各企业排水水质差异较大，因此化工区污水厂每日接收的进水水质水量波动范围大，导致尾水中COD、氨氮（NH3-N）、TN、TP、氯化物等指标波动范围较大，很可能会影响湿地的稳定运行。

（2）可生化性差。根据水质监测数据，污水厂尾水中BOD5/COD 平均值仅0.18 左右（一般认为BOD5/COD＞0.45 时可生化性较好），有机污染物很难通过微生物降解的方式快速高效地降解。

（3）反硝化能力差。污水厂尾水中碳源匮乏，而总氮较高，碳氮比（BOD5/TN）低，平均值仅1.232（理论上碳氮比＞2.86 时反硝化才能进行），且尾水溶解氧（DO）4～16 mg/L，厌氧环境可能只有在水生植物根系处出现，微生物的反硝化作用过程将受到限制。此外，张超等〔6〕研究表明，DO 超过4 mg/L 时，利于硝化却不利于聚磷菌（PAOs）好氧吸磷，总磷去除率也会有所降低。

（4）含盐量较高。污水厂尾水中氯化物平均质量浓度约1 500 mg/L，短时高峰值可达约7 200 mg/L，抑制部分水生植物的生长，因此，选取耐盐且具有较高污染物去除能力的水生植物就至关重要。

2.2 解决方案

针对化工区污水厂尾水的上述特点，湿地设计主要从污染物去除能力和耐盐植物选择两方面着手，同时考虑节约工程投资，提高生态效益。

2.2.1 污染物去除能力

从湿地净化机理来看，人工湿地对COD 的去除主要是通过湿地基质和植物根系上的生物膜与微生物的降解作用，以及植物的吸附、吸收等共同作用〔7〕。氮的去除则主要有两种方式，一是植物的吸收作用；二是硝化-反硝化的微生物去除作用过程〔8〕。总磷的去除方式主要有底泥吸附、微生物转化、植物吸收等。

污水厂尾水的特点影响了微生物对有机质、氮和磷的分解与转化，因此，项目设计中，一是设置了砾石滩，通过砾石颗粒的挂膜和吸附作用，将污染物吸附停留在砾石表面形成的生物膜中，提高了污染物停留时间，促进微生物的降解作用。二是增加湿地植物量，提高植物对污染物的吸附、吸收作用，弥补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机制。徐德福等〔9〕研究发现美人蕉、菩提子、凤眼莲和芦苇的生物量大，对氮、磷的吸收能力较高；刘剑彤等〔8〕的研究表明，当选用吸收氮、磷能力强又具有高生物质产量的植物构成土地-植物系统时，植物对氮、磷的吸收作用将成为系统去除污水中氮、磷的主要或重要机制；蒋跃平等〔10〕研究了人工湿地植物对氮磷去除的贡献，研究表明在处理轻度富营养化水的人工湿地中，植物吸收对氮磷的去除起着主要作用，贡献率分别为46.8%和51.0%。

2.2.2 耐盐植物选择

高含盐量的废水对植物具有离子毒害和渗透胁迫等作用，会影响植物根系周围微生物的活性，从而影响污染物的去除效果〔11〕。王琴等〔11〕研究表明，在进水氯离子质量浓度为1 000～3 000 mg/L 范围内，芦苇、睡莲、狭叶香蒲、宽叶香蒲和水葱这5 种人工湿地植物可以正常生长，而在植物的生长旺期和末期，氯离子质量浓度分别在4 500 mg/L 和2 500 mg/L 以内才能发挥较好的污染物去除效果。

针对化工区尾水高含盐量的特点，项目设计上一是考虑就近引进部分河水进行盐度稀释，二是严格筛选耐盐且具有较高污染物去除能力的湿地植物。王卫红等〔12〕比较了9 种沉水植物的耐盐性，从高到低依次为川蔓藻>篦齿眼子菜>狐尾藻>金鱼藻>菹草>线叶眼子菜>马来眼子菜>黑藻>苦草；王琴等〔11〕研究发现芦苇、睡莲和狭叶香蒲在高盐条件下净化效果优于水葱和宽叶香蒲。结合生物量、园区的适应性以及植物形态，本项目中选择芦苇为主要的挺水植物，金鱼藻为主要的沉水植物，睡莲为主要的浮叶植物，另选择千屈菜、水葱、眼子菜、菹草、苦草等增加生物多样性。

3 工艺设计

3.1 工艺流程

污水厂尾水和河水首先汇入配水曝气区，利用曝气产生的动力进行充分混合并充氧；混合水首先进入砾石滩处理区，利用砾石和植物的吸附、拦截和生物膜去除部分污染物；随后进入湿地主处理区——芦苇区1，通过不同水深的变化结合挺水植物-浮叶植物-沉水植物的组合净化水质，处理后的水再进入水生植物区；水生植物区设计成以沉水植物为主的净化池，进行水质深度净化和透明度提升；水生植物池的出水通过中间提升泵房提升后进入芦苇区2，进一步改善出水水质后排入园区内水系。湿地从砾石滩开始分为2条流线，并联运行，通过砾石滩前端的2 道溢流堰，将来水平均分配到2 条流线。工艺流程见图1。

图1 组合湿地工艺流程Fig.1 Flow chart of combined surface flow wetland

3.2 工艺单元设计

（1）配水曝气区。主要功能是对污水厂尾水和河水进行充分混合，并提高湿地进水中的溶解氧量。配水曝气区平面尺寸21.1 m×14.6 m，水深1.35 m，充氧方式采用机械曝气，功率1.5 kW，间歇运行。

（2）砾石滩。砾石滩主要由碎石和芦苇组成，碎石能够增加吸附比表面积，提高对污染物的吸附拦截能力，芦苇不仅能提高处理能力，还能阻挡主流线，增加砾石滩的水力停留时间，为微生物的大量繁衍提供适宜的生存条件。

砾石滩设置2 组（S1、S2），并联运行。砾石滩单元铺设碎石，厚度250 mm，粒径3～10 cm 为宜，S1 平面尺寸383.6 m×16，水深0.3 m，砾石滩S2 平面尺寸391 m×14.9 m，水深均为0.3 m。芦苇规格3～5 芽/丛，4 丛/m2。

（3）芦苇区1。芦苇区1 分为12 个单元（S3～S14），6 个单元为1 组，2 组并联运行。单元池间以闸门连接，通过营造不同的水深0.3～0.9 m，构造适合挺水植物（芦苇）、沉水植物（眼子菜、苦草、菹草）以及浮叶植物（睡莲）的生存条件。同时在单元池内设置若干导流坝，延长水力路径，改善流态，减少死角，提高湿地运行效率和污染物处理效果。

每个芦苇区单元分成浅水区和深水区两部分，面积比约4∶1～5∶1。浅水区设于前端，水深0.3 m，种植芦苇，规格3～5 芽/丛，4 丛/m2；深水区设于后端，水深0.9 m，种植单一沉水植物（眼子菜、苦草或菹草）和睡莲，其中眼子菜规格3～4 芽/丛、30 丛/m2、苦草6 芽/丛、15 丛/m2、菹草6 株/丛、12 丛/m2、睡莲2 头/m2。

（4）水生植物区。水生植物区共2 个单元（S15、S16），并联运行，面积分别为7 090 m2和5 770 m2，设计水深1.3 m，同时沿驳岸设置不同标高的浸没式堤坝，用于提高来自上游单元池植物颗粒的沉积。区域内种植金鱼藻，规格6 株/丛、10 丛/m2，初始种植密度约50%。岸边间种水葱、千屈菜、纸莎草等挺水植物。

（5）芦苇区2。芦苇区2 在原湿地的景观湿地区域基础上，清理淤泥，补种芦苇和川蔓藻，使该单元在景观功能之外，承担更多的净化水质功能。芦苇区2 总面积约1.09×105m2。

4 工程实施效果

4.1 污染物处理效果

分析湿地正式运行约24 个月以来的污染物数据，COD、NH3-N、TN、TP 进出水浓度的累积概率分布分别见图2、图3。

图2 组合表面流湿地进水主要污染物浓度的累积概率Fig.2 Cumulative probability of main pollutants in influent of combined surface flow wetland

图3 组合表面流湿地出水主要污染物浓度的累积概率Fig.3 Cumulative probability of main pollutants in effluent of combined surface flow wetland

由图2 可知，湿地进水的COD、TN、TP 低于设计进水水质要求的概率，分别为81%、62%、100%，说明进水中COD 和TN 超出设计值的概率较大，波动较大；进水中TP 能稳定在设计值以下，保证率高；进水中NH3-N 低于1.0 mg/L 的概率为100%，即优于地表Ⅲ类水标准。

由图3 可知，湿地出水的COD、TN、TP 达到设计出水水质目标的概率分别为67%、90%、100%，说明COD 的去除效果波动较大，TN、TP 的去除效果较稳定。出水中NH3-N 低于0.5 mg/L 的概率为99%，即优于地表Ⅱ类水标准，可见在进水中NH3-N 较低的情况下，湿地对NH3-N 仍然有稳定的去除能力。

湿地进出水水质的汇总结果分别见表2、图4。

表2 组合表面流湿地水质处理效果Table 2 Water quality treatment effect of combined surface flow wetland

由表2、图4 可知，组合表面流湿地进水中污染物浓度波动较大，出水中污染物平均浓度达到设计目标，波动相对进水小，但也不稳定。从去除率上看，湿地对COD 和NH3-N 的去除率不高，且波动较大，其中COD 的平均去除率12.62%，最高可达51.11%，NH3-N 的平均去除率20.70%，最高可达75.38%；TN 和TP 的去除率较高且相对稳定，其中TN 的平均去除率49.53%，最高可达73.47%，TP 的平均去除率44.52%，最高可达72.32%。可见，进水负荷的变化会影响组合表面流湿地对污染物的去除稳定性，特别是影响COD 和NH3-N 的去除率。

图4 组合表面流湿地对主要污染物的去除效果Fig.4 Major pollutants removal of combined surface flow wetland

4.2 污染物沿程处理效果

组合表面流湿地各单元的污染物去除效果见表3。

由表3 可知，COD 主要在砾石滩去除，可能是因为砾石滩中的砾石能够挂膜，增加对难生物降解COD 的吸附拦截能力；NH3-N、TN、TP 主要在芦苇区2去除，芦苇区2 的生物量最大，对氮、磷的吸收能力较强。

表3 组合表面流湿地污染物沿程处理效果Table 3 Treatment effect of pollutants in each unit of combined surface flow wetland

4.3 氯化物浓度的影响

氯化物浓度对湿地植物正常生长影响较大，是湿地常态监测指标之一。湿地进水中氯化物质量浓度的累积概率分布见图5。

由图5 可知，湿地进水氯化物质量浓度低于设计值600 mg/L 的概率为21%，波动较大，最大值约3 200 mg/L，发生在运行第592 d，各污染物去除率并没有明显下降，湿地植物也没有出现明显的枯萎或死亡，表明进水氯化物质量浓度在3 200 mg/L 时，组合表面流湿地仍然能够正常运行，这与王琴等〔11〕的研究结论相符。

图5 组合表面流湿地进水氯化物质量浓度的累积概率Fig.5 Cumulative probability of chloride concentration in influent of combined surface flow wetland

4.4 生态效应

根据园区的绿化普查和生态调查评估，组合表面流湿地建成运行一年后昆虫种类超过60 种，以摇蚊科昆虫为主，且有较多的划蝽科、负子蝽科水生昆虫。摇蚊幼虫是鱼类的主要饵料，能直接利用水体中的有机物，净化水质。此外，湿地正式运行初期，人工湿地鸟类种数约20 种，种类最多的科依次为鹭科（15.91%）、秧鸡科（11.36%）和扇尾莺科（6.82%）；到建成运行一年后，鸟类种数已接近35 种，以鹭科（11.7%）和鸫科（5.3%）为主，成为园区鸟类种数最多的区域，生物多样性提高显著。

5 运行管理和经济分析

5.1 运行管理

湿地的运行管理主要介绍水质监测和植物控制与管理。

水质监测是监控湿地运行效果，及时发现运行问题的必要措施，该项目设定了10 处监测采样地点，共15 项水质检测指标，其中温度、pH、浊度、电导率、溶解氧5 项参数为在线监测，其他指标根据水质情况建立1 周1 次～2 周1 次的常态监测机制，由园区检测单位进行人工采样和实验室检验。为了控制氯化物浓度，保护湿地植物，实际运行中应持续监测氯化物浓度，以便及时调整进水中河水和污水厂尾水的配比。

生物控制与管理主要是针对湿地植物的维护。沉水植物包括修剪和补种，常规修剪保留植株的一半高度或收割至水面下0.5 m 深度，再用捞网打捞掉落植物残体；当植物覆盖度超过80%，用水草夹“斑点式”绞住植株，然后连根拔起一部分植株。沉水植物出现大面积长势不良、濒死或死亡时，应进行补种，补种时间安排在春季（3～5 月）和秋季（9～11 月）。挺水植物以收割为主，该项目主要是芦苇收割。第一个生长季以平稳越冬为主，不进行植物整体割除。从第二年11 月份开始，逐渐对开始落叶的挺水植物进行收割打捞，将茎杆以上部分割除，保留5～10 cm 割茬及少量落叶，植物残体收割外运。

5.2 经济分析

该项目设计规模25 000 m3/d，建安费投资约2 000万元，运维项目包括湿地水质监测、设备维护保养、人工费、基础设施养护管理、植物养护、底泥清淤及处置等，年运行费用约210万元，即单位处理成本约0.23元/m3。

6 结论

（1）针对化工区污水厂尾水水质波动较大、可生化性和反硝化性差、含盐量高的特点，该项目设计上设置砾石滩增加污染物吸附能力，引入园区河水稀释高含盐量的尾水，选择耐盐且湿地生物量大的水生植物促进污染物吸收，形成由配水曝气区、砾石滩、芦苇区1、水生植物区、芦苇区2 组成的组合表面流湿地，并结合常态化的运行管理机制，保障湿地运行效果。

（2）湿地设计处理规模25 000 t/d，其中污水厂尾水10 000 t/d，河水15 000 t/d。建安费投资约2 000 万元，单位处理成本约0.23 元/m3。

（3）近24 个月的运行结果显示，湿地出水中COD、NH3-N、TN、TP 分别为（28.9±5.82）、（0.195±0.093）、（2.83±1.00）、（0.145±0.055）mg/L，去除率分别为（12.62±12.74）%、（20.70±21.11）%、（49.53±13.05）%、（44.52±14.55）%，均达到设计目标，其中COD 和NH3-N 的去除率不高，受到进水负荷变化的影响去除率波动较大，TN和TP 的去除率较高且相对稳定；COD 主要在砾石滩去除，NH3-N、TN、TP 主要在芦苇区2 去除；氯化物质量浓度3 200 mg/L 时，湿地仍能正常运行，建议在实际运行中持续监测氯化物浓度，以便及时调整进水中河水和污水厂尾水的配比，控制进水氯化物浓度，保护湿地植物。

（4）组合表面流湿地形成了水中有机质-水中昆虫（摇蚊等）-鱼类-鸟类（鹭科、秧鸡科、扇尾莺科、鸫科等）的完整食物链，丰富了化工区的生物多样性，与周边的农田、林带、滩涂等形成园区特有的生态空间格局，展现了化工区绿色与发展和谐共荣的生态文明建设创新模式。