城镇化污水治理中对人工湿地的运用

杨 帆 张明俊,* 胡晓晖

（1 甘肃省环境监测中心站 甘肃兰州 730020 2 甘肃省天水生态环境监测中心 甘肃天水 741000）

引言

进入“十四五”建设时期后，我国突出了高质量发展主题，从城镇污水治理的实践经验看，一方面在生态文明思想牵引之下扩大了环境工程建设，环境管理实践中主要借助环境影响评价方法与竣工环保验收方法进行落实。另一方面则根据“双碳”目标，预期借助生态治理技术的运用，促进城镇化污水治理时产出综合效益，降低投加装置使用时的碳源投加量及挥发性污染物质的碳排放量等。近年来，在城镇污水治理中结合实际需求，已扩大了对人工湿地生态治理技术的应用类型与范围。因而，在新时期应吸取前期实践经验，进一步增强对此类技术的运用。下面先对人工湿地治理技术做出分析。

1 人工湿地生态治理技术分析

人工湿地生态治理技术主要是指在原有的自然湿地基础上，利用生物、化学、物理等综合方法对城镇污水进行过滤、吸附、沉淀、净化处理后，再将其安全地排放到水环境之中。从常用人工湿地生态治理技术看，主要通过水环境要素、植物环境要素、动物及微生物环境要素共同构建人工湿地污水处理系统。我国城镇数量多、湿地环境复杂，在人工湿地生态治理技术的应用中有多种适用性强、适配性较高的技术类型。分别有如下几类。

1.1 表面流人工湿地

该技术类型以自然湿地作为参考对象，二者具有较高程度的相似性。作为一种人工湿地技术类型，需要建设者以天然河道、洼地、沼泽等作为治理对象，在保持其原生态系统功能的基础上，将其改造为可以进行污水治理的人工湿地。建成后，当污水流经人工湿地时，以缓慢的方式流过表层流，在此过程中人工湿地栽种的植物与综合治理工艺可发挥净化作用，从而使污水得到有效处理。目前，表面流人工湿地在养殖类污水、生活类污水、降水类污水中的应用相对较多，既可以满足其治理需求，也能够较好地辅助河道修复，实现面源污水控制目标等。由于该技术类型应用时的费用较低、生态效益较大，在土地资源比较丰富、水质相对较高的城镇区域污水治理中获得了广泛应用。

1.2 水平潜流人工湿地

与表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的复杂化程度有所增加，重点集中在污水处理床体的应用方面。具体而言，该技术类型是将一个或多个填料床关联起来构建巨大床体后，使流经床体的污水能够从一端水平流到另一端而产生人工湿地。从实践经验看，此类技术类型应用时的水力负荷作用比较大，对污水重金属处理具有明显优势，而且能够降低蚊虫的滋生量。由于水平潜流人工湿地建设时具有占地面积少、污水处理效率高、受气候影响小的明显特征，因此受到了城镇化污水治理的青睐。但是，在一些不发达地区的城镇化污水处理中应用该技术类型时，往往因建造费用高、配套设施跟进不足、容易引起基质堵塞、表面滞水等情况，而不利于长期运行及使用。故此，在适用性方面通常将其限定在生活污水与工业尾水处理方面，既可以发挥湿地基质、根系、生物膜等净水主体的作用，也可以有效实现降磷脱氮，以及对氨氮、有机物污染物的治理效果。

1.3 垂直潜流人工湿地

该技术类型主要是将污水从湿地表层向下部填料区进行流动处理，从而实现治理目标。具体而言，在实际应用过程中，污水经湿地表层进入到下部填料区的床体后，因床体不饱和会与空气中的氧气发生反应，并借助氧化反应实现对污水中部分污染物的处理。例如，近年来，我国提出了除磷脱氮新标准，要求将其控制在最低限度的排放水平。应用该技术在除磷脱氮过程中，可以充分发挥其氧化作用并增强污水中的有机物氮磷去除效率。与水平流人工湿地相比，垂直潜流人工湿地虽然在去除效率方面略有不足，而且存在淹水周期过长的短板，但是其输氧效率高、硝化作用进行速度快的优势能够大大提升其治理效果。需要注意的是，当前应用中的垂直潜流人工湿地，由于控制过程复杂程度较高，容易因管理不善而导致床体易饱和或污染负荷较高时基质堵塞等情况。

1.4 潮汐流人工湿地

该技术类型虽然属于垂直潮流人工湿地中的子类型，然而，由于其模拟了潮汐模式，且能够实现人工湿地内部水的引入与排出，提升内部氧化作用，增强厌氧与好氧之间的转换效果，所以在实际应用中往往会将其单独列举出来，对其进行推广应用。实践经验表明，该技术类型在应用时需要严格遵循进水→反应→排空→闲置四个主要流程，并在较高的氧气融入率条件下，借助氧气的高消耗、高传输完成高效的污水净化目标。目前应用该技术类型时仍然以基质、根系、生物膜为主要净水主体，与垂直潜流人工湿地优势趋于一致，但是投资成本略高于常规技术类型[1]。

2 城镇化污水治理中人工湿地的构建

目前，在城镇化污水治理的人工湿地构建中，重点集中在人工湿地选型、人工湿地基质分析、人工湿地植物配搭等方面，具体操作时需要结合实际工程概况确认设计规模→梳理设计原则→分析进水水质→检验出水水质→精准设置设计参数→实施结构设计优化→配置水生植物等，确保整个人工湿地构建方案的完整性与适配性。下面先对工人湿地选型、人工湿地基质与人工湿地植物做出分析，再结合某个具体工程展开具体讨论。

2.1 选择人工湿地技术类型

人工湿地类型主要分为三大类，其结构存在明显差异，涉及到湿地表面水平流动、湿地床内部水平流动、湿地床内部垂直流动。在净水主体方面，后两种趋于一致，重点集中在对基质、根系、生物膜的综合应用方面，第一种则以植物茎干与生物膜为主。在污染物方面受到污水条件的限定，基本趋于一致。但是，由于优势与劣势，以及适用性存在差异，所以在实际的城镇污水治理过程中应用人工湿地生态治理技术时，首先需要进行人工湿地类型选型，才能确保其构建目标的明确性[2]。

2.2 分析人工湿地基质

人工湿地在对有机物质、NH3-N、TP 的净化机理方面存在差异，对有机物质的净化主要是通过进水→DIC（水上）DOC（水中）/POC（水下）→挺水植物（根区、水中部分、水上部分）→附着微生物→光合作用/POC→出水的主要流程去除有机物。在NH3-N 净化时主要按照进水→有机氮/无机氮→氨氮→植物吸收/硝化作用/基质与根系及生物膜→收割移除/氮气逸出/氨挥发的基本流程实现氮元素转化。在TP 净化处理方面，则根据反应性磷与非反应性磷相结合的方式，使不可溶的非反应性磷最终被植物吸收，由此也形成了基质吸收、生物膜吸附转换、植物吸附三种磷元素转化与去除方法。在明确了人工湿地净化机理后，可以根据污染物的类型选择适用性较强的基质。例如，在可溶性与不可溶性有机处理方面，宜选择煤渣、砾石、土壤、生物陶粒等基质。而对氮、有机氮，则可以适当选取碎石、细砖屑、沸石、粉煤灰作为人工湿地基质。至于磷的净化，应扩大其基质使用范围，选择碎石与土壤组合方式，或者将页岩、钢渣、矿渣等结合起来。

2.3 搭配人工湿地植物种类

人工湿地中的植物搭配十分关键，既与湿地环境系统的保护密切关联，也与污水处理时的基质、根系、生物膜自成一体。在这种情况下，人工湿地构建人员应结合不同区域的湿地植物种类及其功用进行因地制定宜的选择。具体而言，植物生长时，直接受到基质、气候条件的影响，而且在不同的生长阶段对污染物的吸附能力、转化能力存在一定的变化。根据现阶段的常用植物搭配类型经验看，一般将其分为沉水型、浮叶型、挺水型，在每个类型下又可以结合当地实际情况细分出若干湿地植物种类[3]。例如，在南方某市城镇区域的湿地植物多达17 种，其中仅凭芦苇、千屈菜、美人蕉等就可以发挥较大的优势，促进污水净化。从应用经验看，此类植物在净化时的作用机理集中在三个层次。

（1）直接将污水作为营养物质进行直接吸收，并完成对有毒有害物质的吸附。

（2）借助水力传输方式增强与维持各类介质，实时为基质提供氧气。

（3）通过分泌相应的复合物产生有利于微生物生存的碳源，合理控制人为投加碳源造成的排放问题等。

3 城镇化污水治理中对人工湿地的运用分析

3.1 工程概况

以某城镇为例，其位于小溪河附近，上游水源为株树桥水库，汇入下游大溪河水域主体河流。该城镇中包括六个村庄，小溪河流域总面积、长度分别为47.47km2、27km，由1 条干流与6 条支流共同组成，其中干流水域面积达到了2.11 km2。由于其水源主要以上游水库、流域内林地、农田汇水为主，因而遭受污染时会对当地的水环境、土壤环境造成关联性污染[4]。根据现阶段的环境影响评价结果看，小溪河治理过程中，结合城镇化污水排放情况，布设了两个人工湿地对相关水体的污染进行治理。

3.2 设计规模

首先，该城镇化污水治理时，治理人员结合现行《人工湿地污水处理工程技术规范》的要求，对人工湿地所在区域的灌溉用水、治污面积、设计污水量、设计水量等相关数据进行了综合分析，确定了人工湿地设计面积。其次，在确定范围内对小溪河与汇入河的6条河流进行了综合分析，认为两处汇水口，均存在水量大与水质污染程度严重的情况[5]，因此，人工湿地规划位置宜建在此处位置。第三，在汇入口进行流量监测，同时借助村民生产与生活排水量的经验观察与推算，将其中一处人工湿地规模预设为300m3/d，另一处设置为400m3/d。

为了满足其人工湿地生态治理技术应用需求，对比分析了三种人工湿地类型，最后决定在两处采用人工湿地生态治理技术中的混合类型，具体为“水平表面流型+垂直潜流型”，计算标准以300m3/d 的人工湿地计算标准为主。

3.3 设计原则

为了保障设计方案的有效性，在具体设计中，操作人员预设了若干设计原则用于提高其可行性。首先，在污水处理后提放水水质标准方面，以城镇所在区域的IV 类标准为主[6]。其次，在处理工艺方面，要求满足节能环保、操作便利原则。考虑到两个汇入口的土地资源比较紧缺，因而要求同步考虑占地较少的设计方案。第三，在区域污水治理方面，以《环境法》《水土保持法》以及相关的法律法规为依据，梳理区域污水处理排放标准，并在水质水量变化的情况下保障整个人工湿地的抗冲击能力，提升其适用性。所以，总体上预设了标准化、生态化、适用性三项基本设计原则。

3.4 进水水质

该城镇污水治理中的污水水源以农业生产与生活生产的废水为主，通过对小溪河流域主要污水水质采样与分析发现，其中水质参数中的COD、BOD、NH3-N、SS、P 相关数据如下：

（1）COD（化学需氧量）检测结果为360.0～115.0mg/L；

（2）BOD（生化需氧量）检测结果为200.0～80.0 mg/L；

（3）NH3-N（氨氮）检测结果为10.0～5.0 mg/L；

（4）SS（水质中悬浮物）检测结果为220.0～90.0 mg/L；

（5）P（磷）检测结果为3.5～0.8 mg/L。

最终确定的数据如下：COD 取150.0 mg/L，BOD取80.0 mg/L，NH3-N 取5.0 mg/L，SS 取90.0mg/L，P 不变。

3.5 出水水质

污水最终出水为小溪河河道进水，根据现行《地表水环境质量标准》中第IV 类水体标准，需要将其控制在如下范围以内才能达到所需标准：COD 为30.0mg/L，BOD 为6.0 mg/L，NH3-N 为1.5 mg/L，SS 为30.0 mg/L，P 为0.3mg/L。

3.6 设计参数

该城镇人工湿地污水处理方案设计时严格按照湿地面积计算公式进行了计算，具体内容如下：

（1）假定Ce=出水BOD，Co=进水BOD，Q=流量，n=0.4，d=120cm；

（2）根据湿地面积计算公式As=[Q ×（lnCo-lnCe）]/（Kt×d×n），由于式中Kt=1.014×1.06×（T-20），假定T=25℃，可以得到Kt=1.357，而介质孔隙度n 与介质床深度d 是预设值。

此时，若按照人工湿地流量为300m3/d 流量进行计算，将所有数据代入上式后，可以得出湿地面积为1193m2。由于布置时按照整数容易计算与设备设施配置，该城镇化污水处理中将人工湿地面积确定为1300m2，然后将其按照600m2与700m2分配了表面流湿地与垂直潜流湿地面积。

3.7 结构设计

在结构设计方面，以进水系统、出水系统、填料使用、自流跌水曝气沟为主。分述如下。

（1）进水系统主要按照多孔管与三角堰满足配水均匀性需求。具体设置时要求进水管高于人工湿地床，本次设计中高出量为0.5m。在出水系统设置方面，则根据床中水位调节的实际需求，将穿孔集水管设置在出水渠末端砾石填料层底部位置。为了调节床内出水，配套设置了旋转弯头与控制阀门。

（2）在填料或基质设置方面，设置了两个人工湿地，在表面流湿地床中，主要按照表层土、砾石层进行填料铺设，在厚度控制方面，表层地壤厚度为0.4m，砾石层厚度设置为0.2m，由于两层之间存在重叠部分0.1m，因此将总厚度控制在0.5m。在潜流湿地床方面则按照三层设置方案，在表层、中层、下层，对应选择0.4m 的土层、0.5m 的砾石层、0.3m 的碎石层，总厚度为1.2m。由于表面流湿地与垂直潜流湿地中的填料均基本相同，在土壤层均以石英砂为主，其厚度、粒径（6～2mm）一致，在中间层的砾石层，其厚度与粒径（8～5mm）趋于一致。在垂直潜流湿地中的底层应用了碎石，粒径为10～8mm。通过对不同填料或基质的钙含量进行采样分析，确定在每100kg 填料中钙含量的范围在2.5～2.0kg[7]。

（3）在自流跌水曝气沟设置方面，设计人员将其位置定位在两个人工湿地之间，将其落差控制在1.2～0.8m 范围以内，断面设置为梯形。为了保障其美观度，沟内使用抛石进行造景，并利用C15 砼现浇方式进行沟浇筑，有利于为水生动物提供繁育栖息地等。

3.8 水生植物配置

按照沉水、浮叶和挺水三大水生植物类型，对该城镇小溪河所在区域的湿地植物进行了分类。其中，沉水植物以黑藻、眼子菜为主；浮叶植物以荷花与莲花为主，其中包括王莲与睡莲；挺水植物则涉及到灯心草、美人蕉（水生类）、千屈菜、芦苇等。挺水植物有利于去除污水中的氮与有机质[8]，而且在基质选择方面，可以利用炉渣、石灰等促进污染物吸收。具体操作时可以根据实际情况在表面流型人工湿地与垂直潜流型人工湿地进行植物搭配，做出一些有效调整。

结语

总之，城镇化是实现城乡一体化发展目标的重要手段，运用人工湿地生态治理技术辅助城镇化污水治理，与城镇化污水处理需求相一致，也产出综合效益，促进城镇化可持续发展，预防前期粗放式发展造成的生态环境破坏风险。因此，在当前城镇化高质量建设阶段，应进一步增强对人工湿地的运用。通过以上初步分析可以看出，人工湿地技术类型多样，在构建城镇化人工湿地污水治理方案时，应做好技术选型与基质分析，并在因地制宜原则下确定需要搭配的湿地植物种类。具体工程中应从实际需求出发规划人工湿地，并使其获得有效运用。