广东省某污染河流生物接触氧化与人工湿地净化组合工艺的工程设计与优化

齐超元，原效凯，李晓春，宋鹏飞

(广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010)

河道受污水体具有旱季流量小、雨季流量大、水质受水量波动影响较大、主要污染物含量相对较低、可生化性较差等特点[1-2]，导致其处理难度较大、成本较高[3]。目前，国内外针对河道污染问题，主要采取的处理方式包括物理方法、化学方法、生态法。物理方法主要指疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤和调水等。疏挖底泥意味着将污染物从河道系统中清除出去，较大程度地削减底泥对上覆水体的污染贡献率。调水的目的是通过水利设施的调控引入污染河道上游或附近的清洁水源以改善下游污染河道水质，但该方式对于持续性受污染水体效果难以维持，且投资较大。化学方法有混凝沉淀、化学药剂杀藻、铁盐促进磷的沉淀、石灰脱氮等方法，对浑浊度、BOD5、SS、TP去除效果较好，对TN、重金属等也有一定的去除效果，但该法易造成二次污染。生态法主要包含河道曝气法、生物膜技术、人工湿地处理技术、水生植物净化技术。

人工湿地作为一种环境友好的污水生物生态处理技术，具有投资及维护费用低、出水水质好、二次污染轻等优势[4]，目前已广泛应用在不同的实际工程案例中，包括污水厂尾水处理、生态处理工艺强化应用[5-6]等。人工湿地主要由填料、植物、微生物三大要素构成，对污染物的去除过程较为复杂[6]。在研究以往案例中发现，人工湿地布水系统均匀性、排水系统通畅性，填料系统级配的合理性、植物系统选择的多样性对人工湿地处理效果存在较大的影响[7]。传统的下行垂直潜流人工湿地布水方式一般采用“丰”字型布水，该方式实际运行过程中出现末端水压不足，导致人工湿地布水管末端布水不均匀等问题。

本文通过重点优化布水管结构形式来改善布水不均匀导致的人工湿地处理效果不佳问题，通过引入给水系统中“环状管网”的概念，创造性地将“丰”字型布水方式改为环状管布水方式，有效地提升了穿孔布水支管各处的水力条件；
通过优化湿地内道路布设，有效提升了后续湿地运营维护的便捷性；
优化接触氧化池气水比、污泥回流比等参数，改善了前处理效率；
优化植物的种植种类，提高了湿地植物系统的稳定性。上述不同优化措施及创新优化设计为今后大型人工湿地的工程应用提供一定的参考。

广东某地级市国考断面2018年水质现状为劣Ⅴ类，2020年水质目标为Ⅳ类。本项目作为保障国考断面达标的专项行动工程之一，通过对汇入国考断面、流经城市建成区的受污染河道水体进行截流治理，改善国考断面上游水质情况，确保国考断面水质达标。根据当地相关规划，本项目属于生态湿地公园的组成部分。项目的建设将致力于将生态湿地公园打造为集“生态保护、休闲娱乐、特色生态农业生产、依据和科普教育”等多功能于一体的生态乐园。

该地级市第一水质净化厂现状出水指标执行国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B 排放标准，其尾水直接排入黄竹河是造成河水水质变差的重要原因。随着当地经济社会的快速发展，城区中的建成区排入黄竹河的废/污水量逐年激增，给黄竹河带来了大量的污染物。另外，黄竹河的支涌收纳周边鱼塘与农村生活污水也是造成河水水质变差的主要原因。黄竹河流域内农业、水产养殖业比较发达，也给河道水体带来面源污染。农业、水产养殖业和畜禽养殖业等产生的污染会随地表径流汇入黄竹河，也是造成水体水质变差的重要原因之一。

本项目人工湿地所在位置、截流河道黄竹河与该市国考断面位置关系示意如图1所示。

图1 项目平面位置示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Project Layout

2.1 设计处理水量

本项目总设计处理规模为 40 000 m3/d，采用重力流管道将受污染的河水引入处理厂内。

2.2 设计进出水水质

本项目进水水质参考近年来该地环境监测站出具的河水监测报告数据。出水水质参考该地首期人工湿地工程的出水水质，CODCr、BOD5、氨氮和TP指标均执行地表水环境质量标准的Ⅲ类水质标准，如表1所示。

表1 设计进出水质Tab.1 Designed Quality of Influent and Effluent

2.3 工艺设计计算

2.3.1 工艺比选与确定

生化工艺主要有按空间进行分割的连续流活性污泥法及生物膜法、按时间进行分割的间歇性活性污泥法。本项目选择间歇性活性污泥法中的接触氧化法，符合本项目进水水质不稳定的需求，且该方法占地面积省、投资省、耐冲击、适应性较强、无污泥回流、污泥产量少，后期运行维护简单，节能效果好。

结合本项目进水水质情况，本项目深度处理工艺拟采用自然净化工艺。目前常见的自然净化工艺主要分为3类：稳定塘处理技术、土地处理技术、人工湿地处理技术。综合考虑深度处理工艺建设难易程度、运营维护便捷性、占地面积大小、湿地负荷高低、建设投资水平等多方面因素，本项目深度处理工艺采用人工湿地处理技术。人工湿地技术又分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地3种主要类型。垂直潜流人工湿地具有水力负荷大、污染去除率高、耐水质冲击性强等特点，因此，本项目选择垂直潜流人工湿地处理工艺作为深度处理工艺。

2.3.2 工艺计算

根据各污水处理单元处理效率的取值范围，对各工艺单位处理效果进行合理取值，对出水水质预测如表2所示。

表2 各工艺单元处理效果预测Tab.2 Treatment Effect Prediction of Each Process Unit

1)接触氧化池

本项目设接触氧化池1座，分2格。设计处理规模为40 000 m3/d，表面负荷为0.90 m3/(m2·h)，容积负荷为0.5 kg TKN/(m3·d)，填料填充比为0.7，污泥回流比为30%，气水比为5∶1，曝气量为55.7 kg O2/h。

2)二沉池

本项目设二沉池2座。单座处理规模为20 000 m3/d, 表面负荷为1.20 m3/(m2·h)，污泥停留时间为4 h。

3)人工湿地

人工湿地处理规模为40 000 m3/d，占地面积为54 218 m2。人工湿地设计参数参照《人工湿地水质净化技术指南》表7～表9。表面水力负荷计算如式(1)。

(1)

其中：q——表面水力负荷，m3/(m2·d)；

Q——人工湿地设计流量，m3/d；

A——人工湿地表面积，m2；

计算得出表面水力负荷约为0.74 m3/(m2·d)，满足《人工湿地水质净化技术指南》中表8设计参数规范值。

污染物负荷削减计算如式(2)。

(2)

其中：NA——污染物削减负荷(以CODCr、氨氮、TP计)，g/(m2·d)；

S0——进水污染物质量浓度，g/m3；

S1——出水污染物质量浓度，g/m3。

计算得出本项目人工湿地CODCr削减负荷为9.92 g/(m2·d)、氨氮削减负荷为1.0 g/(m2·d)、TP削减负荷为0.2 g/(m2·d)。满足《人工湿地水质净化技术指南》表8设计参数规范值。

2.3.3 人工湿地布水系统水力分析

本项目采用穿孔布水管DN65的PE管，布水穿孔管总长度约为12 050 m。配水泵后总水头为7.0 m，开孔孔径为50 mm，孔间距为0.6 m，对侧45°开孔，单根穿孔管长度为6.0 m。垂直潜流人工湿地配水类似于水利工程中的农田灌溉，多孔出流管形式属于其中的滴灌，各个布水多孔出流管孔位间距及大小保持相同[8]。

对于上述多孔布水管系统而言，本工程将传统的“丰”字型布水主干管改为环状布水主干管，加上压力进水，最大限度地保障各出水点的水恒定。故可以将多孔出流视作沿途均匀泄流，其水力计算分为孔口出流量与沿程水头损失计算。

1)孔口出流量计算

根据《水力学》[9]知识，孔口出流量计算如式(3)。

(3)

其中：Q1——孔口出流流量，m3/h；

μ——孔口流量系数，取0.60～0.62；

A1——孔口面积，m2；

g——重力加速度，m/s2，取9.81 m/s2；

h——孔口总水头，m。

经计算，单个孔口出流量约为0.013 8 m3/h，整个人工湿地全部孔出流量约为1 665.84 m3/h，与设计处理量(1 666.67 m3/h)基本吻合。

2)沿程水头损失计算

沿程水头损失的计算在于确定多孔布水管径与长度的最佳组合，并通过管路水头损失确定所需的高差，其计算[式(4)]参考《给水工程》[10]。

(4)

其中：Hf——沿程水损，m；

f——沿程水损系数，塑料管为0.948×105；

m——流量指数，塑料管为1.77；

Q2——单根布水管流量，m3/h；

d——穿孔管内径，mm；

b——管径指数，塑料管为4.77；

L——穿孔管长度，m。

经计算，设计长度下，穿孔管沿程损失约为0.000 18 m。

2.4 处理工艺设计

本项目受污河道水体不同于常规生活污水，其进水BOD5浓度值较低，可生化性较差。单纯依靠传统生化处理工艺难以实现处理目标，若采用膜处理工艺作为深度处理工艺，其运行成本又将大大增加。综合上述原因，本项目采用“预处理+生物接触氧化+人工湿地”处理工艺，人工湿地作为生态处理的强化应用已得到较好的认可。采用人工湿地作为深度处理工艺，一方面是为了保障污水处理效果达标，另一方面是能够降低后期运行成本。

本项目处理工艺流程如图2所示。污水依次经过粗格栅、细格栅、旋流沉砂池、接触氧化池、二沉池、垂直潜流人工湿地等，然后达标排入受纳水体。

图2 工艺流程图Fig.2 Diagram of Process Flow

2.5 主要构筑物及设计参数

本次工程设计主要建构筑物如表3所示。

表3 主要建构筑物Tab.3 Main Buildings

2.6 主要设备及参数

本项目主要设备及参数如表4所示。

表4 主要设备及参数Tab.4 Main Equipments and Parameters

2.7 人工湿地设计

人工湿地占地面积大，约为54 218 m2，通过合理的分区、分单元设计，将整个人工湿地划分为4个独立的分区，每个分区划分为9～10个单元格，共计37个单元格，保证单个人工湿地面积控制在1 500 m2左右。本项目采用下行潜流式人工湿地，人工湿地底部防渗层采用600 g/m2土工织造布、1.5 mm双光面HDPE膜、400 g/m2土工织造布的结构层。

考虑人工湿地大分区内单元格底部集水管处于连通状态，无法实现对人工湿地单元格内液位的控制，通过设置人工湿地单元格集水主管阀门实现了人工湿地单元格内液位控制。人工湿地断面如图3所示。

图3 人工湿地断面图Fig.3 Diagram of Constructed Wetland Profile

(1)通过强化生化处理提升湿地前处理段的CODCr去除率，有效解决湿地进水水质波动大的问题。

试运行过程中，发现河道受污染水体水质波动较大，CODCr跟氨氮含量会出现远超设计值的情况，对后续人工湿地处理产生了较大的冲击，导致出水水质不能保持连续稳定达标。在现有生物接触氧化池的基础上，通过新增接触氧化池污泥回流工序(回流比为30%)、增加曝气量调节水中溶解氧质量浓度至3.0 mg/L、调整气水比至5∶1等措施来增强好氧菌种的活性，有效改善了填料挂膜不佳、接触氧化阶段去除率低的问题。上述措施不仅提升了水体CODCr的去除率，保证了人工湿地进水水质的稳定，降低了对人工湿地的冲击负荷影响，还减少了接触氧化池的药剂投加量，降低了运营费用。

(2)通过优化布水方式有效解决部分湿地区域干旱或内涝问题。

在人工湿地处理污水的过程中，改善布水的方式可以提高湿地的处理效率，不理想的布水方式使湿地的效率降低，容易发生短流、堵塞和沟流[11]。传统的“丰”字型布水方式在已有的工程实例中，出现各穿孔布水支管出水孔水头不一的现象，导致人工湿地单元内布水不均匀，局部水量超过设计负荷或无法达到设计负荷，不能完全充分利用人工湿地的处理能力。本工程采用压力布水，因此，参考供水方式里的环状管网概念，各单元格内布水主干管设计为环状，在各个湿地单元格采用环状管上设计布水穿孔管，沿人工湿地的坡向由常规纵向重力式布水改变为横向等标高压力式布水，有效解决了部分湿地区域干旱或内涝的问题。通过布水管干管成环设计的创新优化设计，一方面，有效改善了各穿孔布水支管接驳处的水力条件，能够保障各穿孔布水支管的有效水头，保障布水的均匀性；
另一方面，布水干管的成环设计，在不改变进水方向的前提下，将各穿孔布水支管由纵向改为横向，解决因人工湿地设计坡度导致的穿孔布水支管各出水孔水头不一的问题，最大限度保证各出水孔出水的均匀连续性，保证整个人工湿地受水均匀，达到设计的水力负荷。布水方式调整前后对比如图4所示。

图4 布水方式调整前后对比示意图Fig.4 Comparison Diagram before and after Adjustment of Water Distribution Mode

试运行过程发现出水端经常出现“内涝”现象，后期通过设置人工湿地单元格集水主管阀门实现了人工湿地各单元格内液位控制，通过末端集水渠内可转动排水弯头来实现人工湿地大分区内的液位控制，有效解决了人工湿地出水侧的“内涝”问题。出水方式调整前后对比如图5所示。

图5 出水方式调整前后对比示意图Fig.5 Schematic Diagram of Comparison before and after Adjustment of Effluent Mode

(3)优化调配适地植物，解决植物生长不均问题。

水生植物是构成人工湿地系统不可缺少的一部分，水生植物系统主要包括浮游植物系统、挺水植物系统、沉水植物系统[12]，人工湿地水生植物系统对氮、磷的去除也起着很大的作用[13]。本工程主要选取了挺水植物象草、美人蕉、焦芋、再力花、千屈菜、花叶芦竹。

试运行过程当中发现千屈菜、花叶芦竹长势较差，且污水流经种植上述植物的单元格后出水水质明显劣于种植象草、美人蕉等植物的单元格。因此，通过将千屈菜、花叶芦竹替换为象草以改善其处理效果差、长势不佳的问题。植物优化配置后对比如图6所示。

图6 植物优化配置前后对比Fig.6 Comparison before and after Optimized Plant Configuration

(4)优化填料级配降低湿地堵塞风险。

潜流式人工湿地填料层基质一般有砾石、沸石、粉煤灰[14]，湿地基质是微生物生存的关键载体，同时湿地基质可以通过吸附作用去除氨氮[15]。本项目结合工程所在地取材便捷性，同时兼顾填料基质粒径对于湿地堵塞及去除率的影响，原设计采用5～32 mm粒径的砾石进行分层级配填充来作为人工湿地填料基层，实际施工过程中因砾石采购问题，采用同等规格陶粒替换级配层中的填料层。填料级配优化前后对比如图7所示。

图7 填料级配优化前后对比示意图Fig.7 Schematic Diagram of Comparison before and after Packing Gradation Optimization

(5)加强维护和植物收割清运,保障出水水质稳定。

人工湿地试运行期间，部分短生长周期的植物出现了残枝落叶。原设计湿地内的道路系统只有大分区大路，部分小单元格未设置物流通道，导致植物收割清运困难，部分残枝落叶落在湿地填料上，腐败分解导致单元格内水中污染物指标增加，进而影响出水水质不稳定。

为便于植物收割和清运，后续通过优化道路，将整个人工湿地采用大路和小路结合的方式，大分区分格间设置大路，小单元格之间设置小路，方便管理和运输。同时加强人工湿地运营期间植物的维护工作，根据象草、美人蕉、焦芋、再力花的生长周期特点，加强对其收割、及时清理落叶等措施，保障人工湿地处于稳定的运行状态。人工湿地道路系统如图8所示。

图8 道路系统示意图Fig.8 Diagram of Roads System

4.1 运行效果分析

本工程于2020年10月建成，2020年11月投入试运行，2021年6月正式投入使用。分析所用水质数据来源于2021年7月—12月实际总进水、人工湿地进水、出水水质数据。出水考核指标氨氮、CODCr、TP稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质标准，其运行效果如图9所示。本工程总体对CODCr、氨氮、TP的平均去除率分别为85.19%、91.37%、86.56%。

图9 人工湿地运行效果Fig.9 Operation Effect of Constructed Wetlands

4.2 运行成本分析

本项目污水处理厂运营、维护费用主要包括工资福利、外购材料及动力费、污水收集管网运营维护费、其他临时工程及管理费，如表5所示。

表5 污水处理厂及配套管网运营成本Tab.5 Operation Costs of the WWTP and Supporting Pipe Networks

经微改造优化后，本项目年均经营成本为904.93万元/a，单位经营成本约为0.62元/m3。相较于传统水处理工艺运营成本(1.14～1.30元/m3)[16]具有明显的优势。

4.3 效益分析

采用人工湿地工艺处理受污河水，具有效果良好、运行稳定的特点，本工程的实施有效地降低受污河水主要指标污染物浓度，对改善区域水环境质量、提升景观环境、保障国考断面水质达标(目标Ⅳ类)具有显著的环境效益。预计CODCr、氨氮、TP削减量分别为1 080.93、122.94、35.29 t/a。

(1)采用“预处理+生物接触氧化+人工湿地”的工艺能够有效解决受污河道水体水质超标的问题，该工艺能够保障出水CODCr、氨氮、TP稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质标准，改善流域水体环境质量。

(2)人工湿地占地面积约为54 218 m2，设计处理规模为40 000 m3/d，表面水力负荷为0.74 m3/(m2·d)，填料层厚度为1.0 m，其孔隙率约为0.50，水力停留时间约为0.7 d。

(3)通过二沉池的污泥回流至接触氧化池，调整接触氧化池曝气量、气水比等有效地改善了填料因进水浓度的波动而造成的挂膜不稳定问题导致的进水水质波动对人工湿地的冲击。

(4)采取人工湿地布水系统环状布水干管布水方式，一定程度上降低了传统“丰”字型布水方式存在末端水力不利情况。

(5)结合当地取材的便捷性，采用不同粒径的陶粒进行填料级配，有效改善了人工湿地填料层堵塞等问题。

(6)对人工湿地大分区块、小单元格进行通道与小通道的结合设置，解决了湿地运营维护的便捷性。对小单元局部改造增设阀门，有效解决了湿地出水端“内涝”现象。

(7)实施人工湿地植物定期收割、加强植物管理维护实现人工湿地稳定出水。

人工湿地具有效果良好、运行稳定、低能耗、景观优美的特点，有效地改善了流域水质，对改善城乡景观环境、保障国考断面水质达标具有良好的工程效应。通过不同水生植物的单元块化种植，实现湿地景观的改善，将其打造为人工湿地生态公园，具有良好社会效益、环境效益。