人工湿地多单元水质净化工程技术研究

刘 恺

（甘肃第二建设集团有限责任公司，甘肃 兰州）

引言

我公司承建施工的陇西县首阳镇污水处理厂尾水人工湿地水质净化工程，位于陇西县巩昌镇，总占地面积118.5 亩，处理规模为4 000 m3/d。本工程采用垂直潜流湿地水质净化工艺，作为一种低碳环保的水处理工艺，坚持“绿水青山就是金山银山”的新发展理念，利用沟渠建设将净化后的尾水输送至西河。为使水质净化系统内部的充氧更充分，有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行，对氮、磷的去除率增高。本研究拟对人工湿地多单元水质净化系统进行研究，促使类似工程达到碳排放量低、净化效果好的施工效果。

1 人工湿地多单元水质净化系统工艺原理

1.1 潜流湿地工艺原理

在潜流湿地系统中，污水在湿地床体的内部流动，一方面可以充分利用生态填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和生态填料截流等作用，以提高其处理效果和处理能力；另一方面由于水流在地表以下流动，具有保温性能好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点。这种工艺还利用了植物的光合作用、吸收作用和根系传氧作用等，对有机物和氨氮等去除效果好。

在潜流湿地上半部，由于有大气复氧和植物根系传氧作用的存在，微生物以好氧形式为主降解水中的污染物：硝化菌在好氧条件下，将污水中的氨态氮氧化为亚硝酸态氮或硝酸态氮，好氧异养型微生物在好氧状态下，降解污水中的绝大部分有机物。在潜流湿地下半部，随着溶解氧含量的降低，生化作用逐渐以缺氧和厌氧为主，在这个过程中能使部分硝态氮还原为氮气而得到去除，同时能在一定程度上提高原水的可生化性[1]。

1.2 潜流湿地工艺原理

潜流湿地工艺原理见图1。

图1 潜流湿地工艺原理

1.3 施工工艺流程

施工准备、测量→基础处理→土方工程→管网工程→混凝土工程→两布一膜施工→滤料层铺填→水生植物种植→日常保养。

1.4 操作要点

在大面积施工展开前，先进行工艺试验并进行总结。根据相关地勘资料及构筑物埋深，以卵石层或处理后的复合底基层为基础持力层，处理后的地基承载力应满足设计要求。现场较低洼地区应根据实际情况采取合理降水措施，使地下水降至基础以下不小于500 mm。基坑及沟槽开挖，采用机械大开挖，人工清基及修坡相结合的办法，坡比大于等于1:0.75，如果出现开挖土质较差的情况，增加喷锚加固措施，基坑底部四周操作面各预留1.5 m 左右，满足施工人员作业及排水沟的设置。管沟土方开挖应保持梯形槽沟沟壁的稳定及沟底工作面，槽壁自然放坡开挖放坡系数为1:0.75。管道沟底要求连续平整，沟底表面不得有碎石，硬块和其它突出物。管道安装时，管道里程采用道路里程，注意曲线内外两侧的实际管长与里程桩不一致。混凝土工程按净化单元分区流水施工，每一流水段内混凝土连续浇筑，如必须间歇，间歇时间尽量缩短，并在下层混凝土初凝前将上层混凝土浇筑完毕。两布一膜施工采用人工合成复合衬里防渗系统，膜下保护层所采用的粘土渗透系数不应大于1.0×10 ℃cm/s, 垂直深度2.5 cm 内粘土层不应含有粒径大于5 mm 的尖锐物料，湖体、边坡及坝体内坡的土工膜、土工布一次铺设完成，遇到管道、集水坑与立柱等特殊构筑物时，防渗层应做特殊处理，并保证水流通畅。进水配水单元出水集水区填料为火山岩，中间各级处理单元采用砾石填料，分为上下两层，上层200 mm 厚滤料层，下层300 mm 厚滤料层，填料装填前应预先清洗干净。种植的水生植物均应适合当地寒冷区域种植，具有适应性强，耐寒耐旱，对土壤要求不严格等特点[2]。

2 多单元水质净化系统关键技术

2.1 防渗系统

本研究所研究的主要是两布一膜防渗系统，其中复合土工膜由长丝土工布或短纤土工布与土工膜、土工膜复合而成，复合土工膜具有平面排水的防渗特性。复合土工膜用土工织物代替颗粒材料作保护层，以避免土工膜防渗层受损，导致垫层粒径的级配标准下降，且有利于水的排出。复合土工膜具有较高的摩擦系数，可以避免覆盖层移动，和单一的土工膜比较，增添了保护层，复合土工膜所包含的无纺布有突出的摩擦性能，这种土工膜能够让坡比提高，从而让所占用土地的面积降低。这种土工膜在穿刺、撕裂、顶破、抗拉等方面均有很大力学强度。并且其能够承受一定程度的变形，能够用较短的时间传输底垫层的应力，应变性能卓越。这种土工膜和土地接触位置的空隙压力容易散出。复合土工膜能够保持一定的温度，降低土地冻胀对其所产生的负面作用，进而降低土体形状变化的程度。复合土工膜使用埋入的方式施工，抗老化功能显著，能够让项目养护开支大大减少。另外，复合土工膜铺设施工简便，运输量少，工程造价低，工期短。

2.2 污水预处理

为满足工艺总体要求和进水水质等要求，综合考虑人工湿地类型及人工湿地前端进水量波动大、悬浮物浓度高，固本工程在进水前端设置了沉淀池，采用C30 钢筋混凝土结构,壁厚300 mm，池高3.0 m，半径5.0 m，有效水深2.5 m，将首阳镇污水处理厂处理尾水通过尾水输水管输入进水沉降池，尾水经过均匀沉降沿进水管进入湿地布水渠，使进入主处理单元的水质均匀稳定，以满足进水水质符合污水处理厂一级A标准。

2.3 多单元进水分配

经过预处理的污水，为均匀布送至各湿地单元，必须设置布水渠。该布水渠位于人工湿地西端，通过布水渠将进水均匀布置到潜流湿地单元格内，为防止水流出现堵流、短流或死角。将布水渠分为A、B 两格，分别为A、B 单元进行布水，进水孔为400 mm*400 mm 进水孔，布水孔为φ200，采用DN200UPVC 盲管布水，管长4 m，斜向下45°双侧间隔布置圆形孔布水，布水管尾端设置通气管，通气管超出地面200 mm，并配套通气帽,管道穿布水渠墙体采用柔性套管穿墙。

2.4 多单元垂直潜流湿地

本工程采用的多单元垂直潜流湿地工艺，是将A、B 湿地单元根据地形由中间隔增分为A、B 两大单元并联运行，各单元进一步分为六级串联单元(湿地单元1#-6#)，湿地池体不规则，单元大小150 m2～520 m2不等。各级湿地单元由中间布水渠流入下一单元，中间布水渠设置在各级单元中间，收集上级单元出水并均布至下级处理单元，中间布水渠设置400 mm*400 mm 集水孔，集水孔内置自行研发的水质滤透装置（见图2），收集上级单元处理出水。水渠上部设置200 mm 高沿整个池长设计的长条出水口，出水漫过人行踏步形成瀑布水流至下级湿地单元。过程中经过布水渠将预处理的污水布至各级处理单元，通过各部位生态填料对水体进行逐级净化，同时在水体不同位置种植沉水植物、浮叶植物和挺水植物以吸收、吸附和转化水和底泥中的有机物、氮、磷等污染物质，实现了水质净化的目的。

图2 自行发明的水质滤透装置

污水通过湿地单元处理后，排至湿地中水池,最终由出水管道将处理后出水排至西河河道。

2.5 在线监测系统

本工程自动化系统主要为在线监测仪表，可以实现水质指标的实时检测，并根据监测到的工艺参数对控制方式进行调整。通过对参数进行定期监测，分析湿地处理不同水量的影响，在湿地进出水口计量流量的变化并结合当地的气象资料合理调节湿地进水量，提升湿地实际处理能力。并对监测系统应用进行总结归纳，增加公司日后面对同类项目的施工能力[3]。为了及时准确地掌握湿地出水水质及其变化过程，提高管理水平，仪表选型遵循以下原则：

（1）能准确、全面的反映工程湿地出水水质参数和水量情况。

（2）仪表选用运行可靠、性能稳定的产品，对国内尚不成熟的产品或缺少的产品，应考虑引进国外优质产品。

（3）仪表的选择要进行详细的技术经济比较，充分考虑备品备件的价格和仪表维护费用的差异。

通过综合对比分析本工程在线监测系统主要选用下列仪表：

（1）氨氮测量

氨氮测量采用侵入式传感器，配置相应的安装附件及变送器。测量分辨率：≤0.2%满量程，变送器输出为Profibus-DP，变送器防护等级IP65，传感器的防护等级IP68。

（2）COD 测量

COD 测量采用侵入式传感器，配置相应的安装附件及变送器。测量分辨率：1%，变送器输出为Profibus-DP，变送器防护等级IP65，传感器的防护等级IP68。

（3）总磷测量

总磷测量采用侵入式传感器，配置相应的安装附件及变送器。测量分辨率：≤0.2%满量程，变送器输出为Profibus-DP，变送器防护等级IP65，传感器的防护等级IP68。

（4）总氮测量

总氮测量采用侵入式传感器，配置相应的安装附件及变送器。测量分辨率：≤0.2%满量程，变送器输出为Profibus-DP，变送器防护等级IP65，传感器的防护等级IP68。

所有仪表的检测信号及设备的状态信号均实时纳入主管部门监测平台，其中大部分参数均在就地显示。

2.6 质量控制

进、出水水质标准见表1；人工湿地系统定期监测内容见表2；人工湿地运行维护监测指标、方式、点位及频率参照见表3。

表1 进、出水水质标准

表2 人工湿地系统定期监测内容

表3 人工湿地运行维护监测指标、方式、点位及频率参照

3 传统污水处理工艺

传统污水处理的方法主要为物理分离技术和化学方法[4]。

3.1 污水处理物理技术

适用于那些在性质方面或者体积方面很难进行后续处理的污染物质。具有净化设备多、能耗高、碳排放量大的特点，常见的有筛网、筛滤，重力分离及过滤法（沉淀、气浮、过滤），膜分离（超滤、微滤和反渗透）以及吸附分离（活性炭吸附、沸石和萃取分离）等。

3.2 污水处理化学技术

这一技术的采用是针对污水当中的化学成分来合理科学有限度的添加一些化学药物产品（例如像臭氧等），使其和污水中的有害物质发生一定的化学反应，消释其污水里的各种有毒有害成分，从而达到和实现净化污水的理想效果。具有处理效率高，适用面广，但生产的有毒有害物处理难的特点，常见的有化学氧化（臭氧化、光化学氧化、声化学氧化和高锰酸钾等）、中和法（酸碱污水互相中和）和沉淀法、混凝法。

4 “双碳背景”下的多单元垂直潜流湿地

本项目所选用的多单元垂直潜流湿地是一种生物处理技术，将通过微生物对污水中的有机物进行生化反应，清除污水中的有机有害物质，从而实现对水质的净化，过程中减少了有机碳源的消耗，同时对氨、氮、磷、硫等去除率较高，具有净化效率高、能源消耗低、维修成本低等特点。随着本项目的建成，陇西县污水尾水利用率、渭河流域（陇西段）水质明显提高，实现水资源与水生态的良性循环。一方面，可以提高当地居民和游客的生态环境保护意识和科学文化水平，提高公众促进区域生态文化教育；另一方面，可以为中国典型西北方气候条件下的水环境综合治理提供可靠的实践经验，为当地环境的生态修复和水污染的治理提供了示范作用。