表潛結合式人工濕地處理城市微污染水體

———表潛結合式人工濕地處理城市微污染水體人工濕地的污染物去除機理包括吸附過濾、離子交換與共沉、植物汲取與微生物降解等多重作用，與常規(guī)的污水處理工藝相比，具有處理效果好、氮磷去除力量強、運轉維護管理便利、工程基建和運轉費用低以及對負荷變化適應力量強等顯著特點。

通常狀況下，根據(jù)系統(tǒng)布水方式的不同，可以將人工濕地劃分為表面流型和潛流型，潛流型人工濕地又可劃分為水平潛流型和垂直潛流型：表面流型人工濕地設計水位較淺，一般掌握在0.3～0.5m，主要依靠濕地內部水生植物的攔截以及附著在植物根莖上生物膜的生物降解作用，具有投資少、操作簡潔、運行費用低等優(yōu)點，但占地面積較大，水力負荷率較小，去污力量有限。水平潛流型人工濕地通常由一個或多個填料床構成，內設吸附力量較強的填料，底部敷設有防滲膜或者其他防滲層用于防止污染地下水，能夠承載相對較大的水力負荷，對BOD5、COD、SS、重金屬等污染物質具有較好的去除效果，在水平潛流型人工濕地中，水面在填料以下，污水能夠從池體進水端水平流向出水端，可有效避開污水惡臭以及蚊蠅孳生等問題。同時，能夠適應肯定程度的溫差變化，但是水平潛流型人工濕地的代謝需氧量主要來自大氣復氧，簡單消失溶解氧含量不足，因而對氨氮、有機氮類污染物的去除力量有限。垂直潛流型人工濕地的填料床體處于不飽和狀態(tài)，污水從填料床的縱向進入到填料床的底部，與此同時氧氣可以通過大氣集中以及植物的根莖傳輸作用進入到人工濕地系統(tǒng)，垂直潛流型人工濕地系統(tǒng)具有較高的硝化力量，對氮、磷的去除效果較好，但是垂直潛流型人工濕地對進水懸浮物濃度要求比較嚴格，對有機污染物的去除力量相對較弱，且落干/淹水周期較長、夏季蚊蠅孳生現(xiàn)象嚴峻。

基于以上緣由，自主研發(fā)并已勝利申請創(chuàng)造專利的“表潛結合式”人工濕地能夠將表面流型人工濕地和潛流型人工濕地有機地融為一體，工程實施后外觀為表面流型人工濕地，實際水體處于潛流狀態(tài)，既能充分發(fā)揮表面流型人工濕地的生態(tài)景觀效果，又能實現(xiàn)潛流型人工濕地的水質凈化高效率，具有占地小、凈水力量強、景觀效果好等顯著特點。

現(xiàn)以北京某地表微污染水體的生態(tài)處理工程為例，對“表潛結合式”人工濕地的凈水原理、設計參數(shù)以及污染物去除效果等進行探討。

1、工程概況

本項目設計處理對象為北京某地表微污染水體，設計處理規(guī)模為5×104m3/d，項目建設于2022年5月，主體處理工藝為“表潛結合式”人工濕地，項目區(qū)占地20hm2，“表潛結合式”人工濕地有效占地10.2hm2，設計污染物COD、NH3-N削減量分別可達182.50、9.13t/a，具有良好的環(huán)境效益，出水水質能夠穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2022)的Ⅳ類標準，滿意下游景觀公園的用水水質需求，具有良好的社會效益。

1.1設計進、出水水質和處理目標

設計進、出水水質見表1。依據(jù)人工濕地污染物去除負荷，同時結合本項目設計處理目標，“表潛結合式”人工濕地設計進水水質執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2022)的Ⅴ類標準，即COD≤40mg/L，BOD5≤10mg/L，NH3-N≤2.0mg/L，TP≤0.4mg/L。通過“表潛結合式”人工濕地的填料吸附、植物汲取以及微生物降解等多重作用，濕地出水最終能達到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類標準。

1.2工藝流程

工藝流程見圖1。

依靠新建的液位可調式景觀水壩形成壅水，在“表潛結合式”人工濕地建設區(qū)上下游形成液位差：新建水壩上游來水依靠重力流，通過“八”字取水口進入到“表潛結合式”人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，在濕地系統(tǒng)的填料吸附、植物汲取以及微生物降解等多重作用下，實現(xiàn)對微污染水體中各類污染物質的有效削減，出水達到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類標準的水質設計要求后，經由末端的景觀跌水堰進行富氧曝氣，隨后再次退回到下游河道內，對河道內現(xiàn)有污染物進行進一步的稀釋凈化，最終出水補充下游的景觀公園用水。

2、工程設計

2.1工藝選擇

本次設計優(yōu)先采納自主研發(fā)并勝利申請創(chuàng)造專利的“表潛結合式”人工濕地，該技術能夠實現(xiàn)表面流型人工濕地和潛流型人工濕地的空間立體結合(上層為表面流型人工濕地部分和下層為潛流型人工濕地部分)，在同一投影面內既能體現(xiàn)表面流型人工濕地的景觀效果，又能實現(xiàn)潛流型人工濕地的凈水力量，有效降低了人工濕地對土地占用面積的限制需求，具有占地面積小、凈水力量強、景觀效果好等顯著特點。

2.2參數(shù)設計

參照并對《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》(HJ2022—2022)的相關參數(shù)進行優(yōu)化，本項目設計處理規(guī)模為5×104m3/d，“表潛結合式”人工濕地有效占地10.2hm2，下層潛流型人工濕地部分填料床有效高度為1.2m，上層表面流型人工濕地部分設計水深掌握在0.3～1.2m，平均水深為0.5m。人工濕地主要設計參數(shù)見表2。

2.3填料設計

2.3.1填料選擇

為了實現(xiàn)對建筑垃圾的資源化利用，優(yōu)先采納再生填料(主要成分為碎磚陶粒濾料)，該類填料應用于人工濕地水質凈化領域應滿意如下主要技術參數(shù)要求：

①不含可見泥土、粉屑或有機雜質。

②碎磚陶粒濾料不應使濾后水產生有毒、有害成分。

③碎磚陶粒濾料的粒徑為8～16mm。

④碎磚陶粒濾料不勻稱系數(shù)≤1.6。

⑤粒徑8mm、粒徑16mm的量均不應大于5%。

⑥加工材料應以廢磚為主，來源穩(wěn)定，材料成分比例穩(wěn)定。

⑦不同批次產品積累密度差距10%。

2.3.2填料床設計

“表潛結合式”人工濕地下層潛流型人工濕地部分填料床有效設計高度為1.2m，采納級配填料進行填充，由下往上依次為夯實粘土(200mm厚)、HDPE防水土工膜(450g/m2)、d50～80mm碎磚陶粒濾料(600mm厚)、d20～50mm碎磚陶粒濾料(300mm)、d10～20mm碎磚陶粒濾料(300mm厚)。

2.4植物設計

“表潛結合式”人工濕地的水生植物全部在上層表面流型人工濕地部分種植，該部分設計水深掌握在0.3～1.2m之間，平均水深為0.5m。

濕地植物選擇污染水體適應力量強、污染物去除效果好、生態(tài)景觀塑造功能顯著的土著類水生植物，淺水區(qū)(0.3～0.5m)主要種植蘆葦、香蒲、千屈菜，種植密度均為16株/m2。中水區(qū)(0.5～0.8m)主要種植荷花、睡蓮，種植密度均為4株/m2。深水區(qū)(0.8～1.2m)主要種植菹草、狐尾藻、眼子菜，種植密度均為30株/m2。同時對“表潛結合式”人工濕地周邊的植物緩沖帶進行了優(yōu)化配置，與“表潛結合式”人工濕地一起構建了一個生物多樣性豐富、水質凈化效果穩(wěn)定的生態(tài)景觀型人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。

3、運行結果與爭論

3.1人工濕地對COD去除效果

“表潛結合式”人工濕地對水體中COD的去除機理以濕地植物根區(qū)生物膜的吸附降解作用為主，此外還兼有自然沉淀、物理過濾、填料吸附等多重作用。對2022年5月—8月的實際現(xiàn)場監(jiān)測結果進行定量分析，得出“表潛結合式”人工濕地對微污染地表水體中COD的實際去除效果如圖2所示。

由圖2可知，在連續(xù)4個月的實際運行中，盡管濕地進水COD濃度存在肯定程度的波動，尤其是在5月的兩次檢測中，由于河道上游農田澆灌等緣由造成濕地進水COD濃度超過了設計進水限值，但是經過濕地的填料吸附、植物汲取，尤其是根區(qū)微生物的代謝降解作用，始終能將濕地出水COD濃度掌握在30mg/L及以下，濕地出水COD濃度能夠滿意《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2022)規(guī)定的Ⅳ類水限值要求。在實際檢測中，濕地進水COD濃度在7月達到了最低值，隨后在8月又消失了上升，這主要是7月降雨量達到了最大，對濕地上游河道內COD具有肯定程度的稀釋作用，8月降雨量削減，濕地上游河道內COD又消失了上升趨勢，但是整個檢測周期內，濕地生態(tài)系統(tǒng)始終處于一個漸漸自我完善的過程，尤其是在7月、8月濕地系統(tǒng)的生物多樣性及系統(tǒng)穩(wěn)定性達到最高，對上游來水的水質、水量波動適應力量最強，濕地系統(tǒng)對上游來水中的COD去除率基本維持在20%～40%，符合濕地生態(tài)系統(tǒng)對COD的去除規(guī)律。

3.2人工濕地對NH3-N去除效果

“表潛結合式”人工濕地對水體中NH3-N的去除機理主要是濕地植物根系生物膜的硝化、反硝化作用，將NH3-N轉化為N2或N2O進而從濕地系統(tǒng)逸出。2022年5月—8月連續(xù)4個月的進出水NH3-N濃度分析結果如圖3所示。

由于存在澆灌退水等緣由，濕地系統(tǒng)在5月的進水NH3-N濃度最大，甚至超出了濕地進水的設計限值，隨后在6月消失降低，在7月達到最低值，8月份降雨削減，濕地進水NH3-N濃度又消失回升，但整個檢測周期內，濕地系統(tǒng)都能夠通過自身的調整功能將NH3-N的去除力量掌握在29%～33%的范圍內，濕地出水NH3-N始終保持在1.5mg/L以下，能夠滿意《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2022)Ⅳ類水的限值要求。在實際檢測中，濕地對NH3-N的去除效果與COD表現(xiàn)出了基本類似的規(guī)律，在7月、8月濕地系統(tǒng)的生物多樣性及系統(tǒng)穩(wěn)定性達到最大，濕地植物生長、根區(qū)微生物的代謝過程對氮、磷等養(yǎng)分物質的需求量最大，濕地出水NH3-N甚至降低了1.2mg/L左右，表現(xiàn)出了顯著的氮、磷去除效果。

4、結論

①利用液位可調式景觀水壩上下游的水頭差，依靠重力進入“表潛結合式”人工濕地，在水質達到甚至優(yōu)于地表Ⅳ類標準的水質設計要求后，再依靠重力退回到河道下游，整個水質凈化過程無動力消耗，實現(xiàn)了污水處理的“零成本”運行。

②采納“表潛結合式”人工濕地，在同一投影面內既能體現(xiàn)表面流型人工濕地的景觀效果，又能實現(xiàn)潛流型人工濕地的凈水力量，有效降低了人工濕地對土地占用面積的限制需求。

③優(yōu)先采納了再生填料，主要成分為碎磚陶粒濾料，實現(xiàn)了對建筑垃圾的資源化利用。

④盡管進水COD、NH3-N濃度在肯定范圍內消失了波動，甚至部分時段超出了設計進水濃度限值，但是濕地系統(tǒng)都能夠通過自身的調整機制將出水COD、NH3-N濃度分別掌握在30、1.5mg/L及以下，濕地出水能夠滿意《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2022)Ⅳ類水限值要求。

人工濕地的污染物去除機理包括吸附過濾、離子交換與共沉、植物汲取與微生物降解等多重作用，與常規(guī)的污水處理工藝相比，具有處理效果好、氮磷去除力量強、運轉維護管理便利、工程基建和運轉費用低以及對負荷變化適應力量強等顯著特點。

通常狀況下，根據(jù)系統(tǒng)布水方式的不同，可以將人工濕地劃分為表面流型和潛流型，潛流型人工濕地又可劃分為水平潛流型和垂直潛流型：表面流型人工濕地設計水位較淺，一般掌握在0.3～0.5m，主要依靠濕地內部水生植物的攔截以及附著在植物根莖上生物膜的生物降解作用，具有投資少、操作簡潔、運行費用低等優(yōu)點，但占地面積較大，水力負荷率較小，去污力量有限。水平潛流型人工濕地通常由一個或多個填料床構成，內設吸附力量較強的填料，底部敷設有防滲膜或者其他防滲層用于防止污染地下水，能夠承載相對較大的水力負荷，對BOD5、COD、SS、重金屬等污染物質具有較好的去除效果，在水平潛流型人工濕地中，水面在填料以下，污水能夠從池體進水端水平流向出水端，可有效避開污水惡臭以及蚊蠅孳生等問題。同時，能夠適應肯定程度的溫差變化，但是水平潛流型人工濕地的代謝需氧量主要來自大氣復氧，簡單消失溶解氧含量不足，因而對氨氮、有機氮類污染物的去除力量有限。垂直潛流型人工濕地的填料床體處于不飽和狀態(tài)，污水從填料床的縱向進入到填料床的底部，與此同時氧氣可以通過大氣集中以及植物的根莖傳輸作用進入到人工濕地系統(tǒng)，垂直潛流型人工濕地系統(tǒng)具有較高的硝化力量，對氮、磷的去除效果較好，但是垂直潛流型人工濕地對進水懸浮物濃度要求比較嚴格，對有機污染物的去除力量相對較弱，且落干/淹水周期較長、夏季蚊蠅孳生現(xiàn)象嚴峻。

基于以上緣由，自主研發(fā)并已勝利申請創(chuàng)造專利的“表潛結合式”人工濕地能夠將表面流型人工濕地和潛流型人工濕地有機地融為一體，工程實施后外觀為表面流型人工濕地，實際水體處于潛流狀態(tài)，既能充分發(fā)揮表面流型人工濕地的生態(tài)景觀效果，又能實現(xiàn)潛流型人工濕地的水質凈化高效率，具有占地小、凈水力量強、景觀效果好等顯著特點。

現(xiàn)以北京某地表微污染水體的生態(tài)處理工程為例，對“表潛結合式”人工濕地的凈水原理、設計參數(shù)以及污染物去除效果等進行探討。

1、工程概況

本項目設計處理對象為北京某地表微污染水體，設計處理規(guī)模為5×104m3/d，項目建設于2022年5月，主體處理工藝為“表潛結合式”人工濕地，項目區(qū)占地20hm2，“表潛結合式”人工濕地有效占地10.2hm2，設計污染物COD、NH3-N削減量分別可達182.50、9.13t/a，具有良好的環(huán)境效益，出水水質能夠穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2022)的Ⅳ類標準，滿意下游景觀公園的用水水質需求，具有良好的社會效益。

1.1設計進、出水水質和處理目標

設計進、出水水質見表1。依據(jù)人工濕地污染物去除負荷，同時結合本項目設計處理目標，“表潛結合式”人工濕地設計進水水質執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2022)的Ⅴ類標準，即COD≤40mg/L，BOD5≤10mg/L，NH3-N≤2.0mg/L，TP≤0.4mg/L。通過“表潛結合式”人工濕地的填料吸附、植物汲取以及微生物降解等多重作用，濕地出水最終能達到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類標準。

1.2工藝流程

工藝流程見圖1。

依靠新建的液位可調式景觀水壩形成壅水，在“表潛結合式”人工濕地建設區(qū)上下游形成液位差：新建水壩上游來水依靠重力流，通過“八”字取水口進入到“表潛結合式”人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，在濕地系統(tǒng)的填料吸附、植物汲取以及微生物降解等多重作用下，實現(xiàn)對微污染水體中各類污染物質的有效削減，出水達到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類標準的水質設計要求后，經由末端的景觀跌水堰進行富氧曝氣，隨后再次退回到下游河道內，對河道內現(xiàn)有污染物進行進一步的稀釋凈化，最終出水補充下游的景觀公園用水。

2、工程設計

2.1工藝選擇

本次設計優(yōu)先采納自主研發(fā)并勝利申請創(chuàng)造專利的“表潛結合式”人工濕地，該技術能夠實現(xiàn)表面流型人工濕地和潛流型人工濕地的空間立體結合(上層為表面流型人工濕地部分和下層為潛流型人工濕地部分)，在同一投影面內既能體現(xiàn)表面流型人工濕地的景觀效果，又能實現(xiàn)潛流型人工濕地的凈水力量，有效降低了人工濕地對土地占用面積的限制需求，具有占地面積小、凈水力量強、景觀效果好等顯著特點。

2.2參數(shù)設計

參照并對《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》(HJ2022—2022)的相關參數(shù)進行優(yōu)化，本項目設計處理規(guī)模為5×104m3/d，“表潛結合式”人工濕地有效占地10.2hm2，下層潛流型人工濕地部分填料床有效高度為1.2m，上層表面流型人工濕地部分設計水深掌握在0.3～1.2m，平均水深為0.5m。人工濕地主要設計參數(shù)見表2。

2.3填料設計

2.3.1填料選擇

為了實現(xiàn)對建筑垃圾的資源化利用，優(yōu)先采納再生填料(主要成分為碎磚陶粒濾料)，該類填料應用于人工濕地水質凈化領域應滿意如下主要技術參數(shù)要求：

①不含可見泥土、粉屑或有機雜質。

②碎磚陶粒濾料不應使濾后水產生有毒、有害成分。

③碎磚陶粒濾料的粒徑為8～16mm。

④碎磚陶粒濾料不勻稱系數(shù)≤1.6。

⑤粒徑8mm、粒徑16mm的量均不應大于5%。

⑥加工材料應以廢磚為主，來源穩(wěn)定，材料成分比例穩(wěn)定。

⑦不同批次產品積累密度差距10%。

2.3.2填料床設計

“表潛結合式”人工濕地下層潛流型人工濕地部分填料床有效設計高度為1.2m，采納級配填料進行填充，由下往上依次為夯實粘土(200mm厚)、HDPE防水土工膜(450g/m2)、d50～80mm碎磚陶粒濾料(600mm厚)、d20～50mm碎磚陶粒濾料(300mm)、d10～20mm碎磚陶粒濾料(300mm厚)。

2.4植物設計

“表潛結合式”人工濕地的水生植物全部在上層表面流型人工濕地部分種植，該部分設計水深掌握在0.3～1.2m之間，平均水深為0.5m。

濕地植物選擇污染水體適應力量強、污染物去除效果好、生態(tài)景觀塑造功能顯著的土著類水生植物，淺水區(qū)(0.3～0.5m)主要種植蘆葦、香蒲、千屈菜，種植密度均為16株/m2。中水區(qū)(0.5～0.8m)主要種植荷花、睡蓮，種植密度均為4株/m2。深水區(qū)(0.8～1.2m)主要種植菹草、狐尾藻、眼子菜，種植密度均為30株/m2。同時對“表潛結合式”人工濕地周邊的植物緩沖帶進行了優(yōu)化配置，與“表潛結合式”人工濕地一起構建了一個生物多樣性豐富、水質凈化效果穩(wěn)定的生態(tài)景觀型人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。

3、運行結果與爭論

3.1人工濕地對COD去除效果

“表潛結合式”人工濕地對水體中COD的去除機理以濕地植物根區(qū)生物膜的吸附降解作用為主，此外還兼有自然沉淀、物理過濾、填料吸附等多重作用。對2022年5月—8月的實際現(xiàn)場監(jiān)測結果進行定量分析，得出“表潛結合式”人工濕地對微污染地表水體中COD的實際去除效果如圖2所示。

由圖2可知，在連續(xù)4個月的實際運行中，盡管濕地進水COD濃度存在肯定程度的波動，尤其是在5月的兩次檢測中，由于河道上游農田澆灌等緣由造成濕地進水COD濃度超過了設計進水限值，但是經過濕地的填料吸附、植物汲取，尤其是根區(qū)微生物的代謝降解作用，始終能將濕地出水COD濃度掌握在30mg/L及以下，濕地出水COD濃度能夠滿意《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2022)規(guī)定的Ⅳ類水限值要求。在實際檢測中，濕地進水COD濃度在7月達到了最低值，隨后在8月又消失了上升，這主要是7月降雨量達到了最大，對濕地上游河道內COD具有肯定程度的稀釋作用，8月降雨量削減，濕地上游河道內COD又消失了上升趨勢，但是整個檢測周期內，濕地生態(tài)系統(tǒng)始終處于一個漸漸自我完善的過程，尤其是在7月、8月濕地系統(tǒng)的生物多樣性及系統(tǒng)穩(wěn)定性達到最高，對上游來水的水質、水量波動適應力量最強，濕地系統(tǒng)對上游來水中的COD去除率基本維持在20%～40%，符合濕地生態(tài)系統(tǒng)對COD的去除規(guī)律。

3.2人工濕地對NH3-N去除效果

“表潛