人工湿地在工业园区污水厂尾水处理中的工程应用
针对工业园区污水处理厂出水中有机污染物、氮、磷等超标问题，采用“水平潜流+表面流”复合人工湿地工艺，对污水处理厂尾水进行深度净化。运行结果表明:湿地系统净化效果良好，运行稳定，对SS、COD、BOD5、TN、NO－3－N、NH3－N和TP平均去除率分别为58.3%、35.7%、47.4%、52.8%、65.4%、52.6%和53.6%，出水水质指标(除SS外)达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。该工程具有显著的生态效益和社会效益。
人工湿地是20世纪70年代兴起的一种污水生态净化技术，即经过人工设计和工程强化，由基质、植物、微生物、动物和水体组成的模拟天然湿地的一种复合体。它具有适用范围广、去除效果好、基建和运行费用低、操作简单、易于管理维护和生态效益显著等优点。
人工湿地处理技术常用于不同类型污水的生态净化处理，如生活污水、工业废水、农业废水、景观水体、污染河水及污水处理厂二级出水等，尤其是对工业园区内污水处理厂尾水的深度净化，不仅具有进一步地净化作用，同时也改善了工业园区内的生态景观，实现了污水厂尾水的再生利用和生态修复的双重效果。因此，人工湿地是提升我国工业园区污水厂尾水水质的首选生态处理工艺之一。
由于北方缺水城市工业园区普遍存在的水资源短缺与水环境质量恶化问题，对工业区污水处理厂排水进行深度处理和利用势在必行。
对以污水厂出水为代表的非常规水源的生态应用、排水系统调控、城市湖库与河道生态景观水体建设及景观水质改善、水环境承载力提升等多方面的实际需求，将水污染物削减、水环境质量改善和水生态修复作为一个整体系统加以考虑。采用投资省、水循环利用效率高、生态效益好的人工湿地处理工艺，开展以污水厂出水为主要生态用水水源的滨海城市健康水系构建与维护技术体系研究，以期为工业园区污水处理厂尾水再生利用和景观水体构建提供技术支撑和工程示范。
1工程设计
1.1设计处理规模
建设项目位于华北某干旱缺水城市某工业园区，在园区内建设有污水处理厂和再生水厂。为保障污水厂和再生水厂出水水质，采用人工湿地系统对其进行深度生态净化，其出水最终用于园区景观用水，实现水资源的再生利用。该人工湿地进水为工业园区污水处理厂出水和再生水厂反渗透浓水尾水，其中，污水处理厂出水水量为11000m3/d，再生水厂尾水水量为6500m3/d。人工湿地的设计处理规模为17500m3/d。
1.2设计水质
湿地系统进水主要是工业园区污水处理厂出水和再生水厂尾水的混合污水。根据相关材料，污水处理厂出水主要污染指标ρ(COD)、ρ(BOD5)、ρ(NH3－N)、ρ(TP)、ρ(SS)和pH分别为60，20，15，1，20mg/L和6～9;再生水厂尾水主要污染指标ρ(COD)、ρ(BOD5)、ρ(NH3－N)、ρ(TP)、ρ(SS)和pH分别为180，60，30，3，60mg/L和6～9。
设计进水水质根据两部分来水水质、水量进行分析计算并结合现场监测分析确定，湿地系统出水水质参照GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准考虑。人工湿地系统的设计进、出水主要污染指标见表1。
表 1 设计进出水水质
1.3工艺流程
本工程污水处理厂出水和再生水厂尾水经湿地系统强化处理后主要用于城市景观用水。因此，选择方案在考虑湿地处理效能的同时需兼顾区域景观规划要求，使湿地建设与景观构建、生态恢复相协调。
考虑到渗滤型湿地对土壤渗滤速度和地下水位要求较高，鉴于预选场址土壤渗滤速度极差、地下水位接近地表面，满足不了渗滤型湿地最低要求。
因此，不宜选择渗滤型湿地工艺。而北方城市冬季冰冻频繁，表面流人工湿地的水流暴露于大气，水流在表层，过多的利用表面流人工湿地容易造成冰冻，使内部与大气隔绝影响氧气的溶解，不利于冬季湿地的运行;而潜流人工湿地位于地面下层，冬季时可保持水层温度，水体对流、蒸发的热损失较少。
故本工程选择处理效果有保障、投资省、运行费用低、易操作的“潜流+表面流”复合型湿地，达到水体景观与水质净化双重目的。
湿地系统的设计平面图和断面图分别如图1和图2所示。
图 1 复合人工湿地平面布置
图 2 复合人工湿地断面示意
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1.4人工湿地面积确定
1.4.1按污染物负荷计算
由污染物面积负荷确定湿地面积，计算公式如式(1)所示。
式中:A为人工湿地面积，m2;Q为设计处理规模，m3/d;Ci为进水中污染物浓度，g/m3;Ce为出水浓度，g/m3;N为污染物面积负荷，g/(m2˙d)。
工程主要以水平潜流湿地为主，表面流人工湿地为辅，因此，首先根据水平潜流湿地的污染物负荷来确定水平潜流湿地面积，然后结合现场可用总面积来确定表面流人工湿地的面积。
根据国内外研究结果，以进水中COD、BOD5、NH3－N和TP4项指标确定水平潜流湿地的N分别为5～53.9，1.5～12，0.01～5，0.123～1.27g/(m2˙d)。结合表1，计算得到不同污染物所需的水平潜流湿地面积依次为46723，43750，42000，46666m2;为保障最不利条件下湿地的净化效能，应选择最大面积，比较以上结果，确定水平潜流人工湿地面积为46800m2，考虑实际场地可用面积约56300m2，确定表面流湿地面积为9500m2。
结合现场地势情况，参考HJ2005—2010《人工湿地污水处理工程技术规范》，确定水平潜流湿地分两级布设，整个湿地系统的主要参数见表2。
表2人工湿地的主要设计参数
1.4.2水力负荷核算
根据设计处理规模和污染物面积负荷确定的湿地面积来核算湿地水力负荷(Lr)如式(2)所示。
Lr=Q/A=17500/56300=0.31m/d(2)
参照国内外研究结果，人工湿地的水力负荷取值为0.1～1.2m/d，由此可见，上述计算结果值符合要求。综上，确定人工湿地总面积为56300m2。
1.5湿地结构设计
考虑到湿地的处理效能和景观效果，湿地系统选择多种水生植物，其中，水平潜流湿地选用的植物主要为芦苇、香蒲、水葱、菖蒲、千屈菜和鸢尾;表面流人工湿地选用生长旺盛的挺水植物芦苇和香蒲。人工湿地根据地势阶梯布设，其中一级潜流湿地、二级潜流湿地及表面流人湿地之间的高差依次为0.4，1.3m。
一级潜流和二级潜流湿地功能区的基质自下而上布设依次为0.6m高的粒径60～90mm大砾石、0.4m高的粒径20～40mm小砾石和0.2m高的粒径10～20mm碎石屑;而表面流湿地基质分2层铺设，表层为种植土，铺设厚度为0.15m，下层铺设0.2m厚河沙，总厚度为0.35m，排水端与人工湖相接，采用浇筑的石积护岸，增强了与景观湖的自然衔接性。
湿地底层防渗处理采用0.25mm厚HDPE土工膜防渗，防渗系数小于10－8m/s，湿地侧壁采用钢筋混凝土浇筑，湿地底坡度为0.5%。
1.6其他构造物设计
1.6.1集配水系统
原水由调节池流入到人工湿地前端混凝土浇筑的配水渠，然后通过UPVC穿孔管进入湿地系统大砾石(d60～90mm)配水区(宽1.5m)，再流经主体填料区，最后由系统末端大砾石(d60～90mm)集水区(宽1.5m)排到表面流人工湿地，最后表面流人工湿地出水直接排入景观湖。
1.6.2放空井
湿地系统设有4座放空井，尺寸为长×宽×高=6000mm×2800mm×2640mm，每个放空井内各置1台潜水排污泵，规格为90m3/h，扬程为13m，功率为5.5kW。
2运行效果与分析
工程于2013年6月建成并投入试运行。实际处理规模为4000m3/d，来水仅为污水厂尾水。运行稳定后于2013年10月—2015年9月对进、出水进行连续监测，采样频率3次/月。监测方法参照文献［13］。运行期间人工湿地各污染物进、出水浓度及平均去除率如表3所示。
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由表3可知:湿地系统对各污染物均具有较好的去除效果。系统进水中ρ(SS)、ρ(COD)、ρ(BOD5)、ρ(TN)、ρ(NO－3－N)、ρ(NH3－N)和ρ(TP)的平均浓度分别为29.5，71.1，8.3，14.1，10.6，1.04，1.07mg/L，相应的平均去除率依次为58.3%、35.7%、47.4%、52.8%、65.4%、52.6%和53.6%，出水中除SS(12.3mg/L)外，其他各指标均达到GB18918—2002一级A标准，满足景观用水水质要求。
表 3 运行期间人工湿地各污染物进出水浓度及平均去除率
运行结果表明:湿地系统对COD去除率相对较低，不仅显著低于人工湿地处理高污染河水COD的去除率(74.5%)，也远低于王玉双等研究的水平潜流人工湿地对污水厂尾水中COD的去除效果(60%左右)，这与本研究中系统进水中ρ(BOD5)/ρ(COD)仅为0.12有关，有研究表明ρ(BOD5)/ρ(COD)＜0.3，即代表污水中易降解成分偏低，说明该工业园区污水厂尾水中易降解的有机物所占比例很小，从而使人工湿地有机物去除率偏低。
但系统出水ρ(BOD5)/ρ(COD)降低到0.1，降低幅度仅为20%，推测系统对难降解有机物也有一定去除效果，表明污水经湿地系统后可生化性显著降低。有研究表明，人工湿地脱氮机理复杂，常见机理包括NH3挥发、氨化作用、硝化反硝化作用、植物和微生物吸收及厌氧氨氧化等作用。
表3表明:系统对尾水中N污染物净化效果显著，而进水中ρ(NO－3－N)占ρ(TN)达75%，NO－3－N为污水中N的主要形态，而硝态氮主要是通过反硝化细菌去除的，NH3－N去除率低于NO－3－N，由此推测系统的反硝化效果较好。
另外，一般认为pH是影响湿地中氨氮挥发的重要因素，该湿地系统进水中pH(7.3～8.3)接近于8，基本可忽略挥发作用对NH3－N的去除，很可能是通过硝化作用和植物吸收去除的，但进水中NH3－N负荷较低，导致湿地系统硝化作用不足，故可通过提高硝化作用来提高系统对NH3－N的去除。
相比其他指标，该工程对TP去除率较好(53.6%)，主要是由于该湿地系统中填料主要由砾石组成，而有研究表明砾石中富含Ca、Al和Fe，对P有较强的吸附性，试验测试湿地系统中的砾石仍处于未饱和状态，预期系统对P的吸附和储存量仍较大。
3工程效益
工程实施后，根据实际运行效果和实际处理规模可知，湿地系统对污染物SS、COD、BOD5、TN、NH3－N和TP年消减量依次为26，38，6，11，1，1t/a，显著降低工业园区内污水处理厂尾水对水体环境的污染，具有显著的环境效益。
该工程不仅削减了污染物排放，也减少园区建设对临近海域的生态影响。而且，污水再生和高效循环利用，不仅节约了水资源，同时促进了园区循环经济模式的建立;湿地系统的构建，可极大改善工业区的生态环境质量，为园区的招商引资工作打下良好的基础，可获得较大的经济效益和显著的社会效益。
4结论
1)本工程采用“水平潜流+表面流”复合型人工湿地系统净化工业园区污水处理厂尾水，详细介绍了设计参数确定。在实际运行中，该工艺净化效果显著，出水(除SS外)中COD、BOD5、TN、NO－3－N、NH3－N和TP浓度均达到GB18918—2002一级A标准，满足景观用水水质。
2)运行结果表明:复合型人工湿地系统净化效果良好，运行稳定，对SS、COD、BOD5、TN、NO－3－N、NH3－N和TP平均去除率分别为58.3%、35.7%、47.4%、52.8%、65.4%、52.6%和53.6%。
3)该工程有效提升了工业园区污水水质，对SS、COD、BOD5、TN、NH3－N和TP的年消减量依次为26，38，6，11，1，1t/a，具有显著的生态效益和社会经济效益。