楊 帆 張明俊,* 胡曉暉

（1 甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站 甘肅蘭州 730020 2 甘肅省天水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 甘肅天水 741000）

引言

進(jìn)入“十四五”建設(shè)時(shí)期后，我國突出了高質(zhì)量發(fā)展主題，從城鎮(zhèn)污水治理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，一方面在生態(tài)文明思想牽引之下擴(kuò)大了環(huán)境工程建設(shè)，環(huán)境管理實(shí)踐中主要借助環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與竣工環(huán)保驗(yàn)收方法進(jìn)行落實(shí)。另一方面則根據(jù)“雙碳”目標(biāo)，預(yù)期借助生態(tài)治理技術(shù)的運(yùn)用，促進(jìn)城鎮(zhèn)化污水治理時(shí)產(chǎn)出綜合效益，降低投加裝置使用時(shí)的碳源投加量及揮發(fā)性污染物質(zhì)的碳排放量等。近年來，在城鎮(zhèn)污水治理中結(jié)合實(shí)際需求，已擴(kuò)大了對人工濕地生態(tài)治理技術(shù)的應(yīng)用類型與范圍。因而，在新時(shí)期應(yīng)吸取前期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步增強(qiáng)對此類技術(shù)的運(yùn)用。下面先對人工濕地治理技術(shù)做出分析。

1 人工濕地生態(tài)治理技術(shù)分析

人工濕地生態(tài)治理技術(shù)主要是指在原有的自然濕地基礎(chǔ)上，利用生物、化學(xué)、物理等綜合方法對城鎮(zhèn)污水進(jìn)行過濾、吸附、沉淀、凈化處理后，再將其安全地排放到水環(huán)境之中。從常用人工濕地生態(tài)治理技術(shù)看，主要通過水環(huán)境要素、植物環(huán)境要素、動(dòng)物及微生物環(huán)境要素共同構(gòu)建人工濕地污水處理系統(tǒng)。我國城鎮(zhèn)數(shù)量多、濕地環(huán)境復(fù)雜，在人工濕地生態(tài)治理技術(shù)的應(yīng)用中有多種適用性強(qiáng)、適配性較高的技術(shù)類型。分別有如下幾類。

1.1 表面流人工濕地

該技術(shù)類型以自然濕地作為參考對象，二者具有較高程度的相似性。作為一種人工濕地技術(shù)類型，需要建設(shè)者以天然河道、洼地、沼澤等作為治理對象，在保持其原生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，將其改造為可以進(jìn)行污水治理的人工濕地。建成后，當(dāng)污水流經(jīng)人工濕地時(shí)，以緩慢的方式流過表層流，在此過程中人工濕地栽種的植物與綜合治理工藝可發(fā)揮凈化作用，從而使污水得到有效處理。目前，表面流人工濕地在養(yǎng)殖類污水、生活類污水、降水類污水中的應(yīng)用相對較多，既可以滿足其治理需求，也能夠較好地輔助河道修復(fù)，實(shí)現(xiàn)面源污水控制目標(biāo)等。由于該技術(shù)類型應(yīng)用時(shí)的費(fèi)用較低、生態(tài)效益較大，在土地資源比較豐富、水質(zhì)相對較高的城鎮(zhèn)區(qū)域污水治理中獲得了廣泛應(yīng)用。

1.2 水平潛流人工濕地

與表面流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的復(fù)雜化程度有所增加，重點(diǎn)集中在污水處理床體的應(yīng)用方面。具體而言，該技術(shù)類型是將一個(gè)或多個(gè)填料床關(guān)聯(lián)起來構(gòu)建巨大床體后，使流經(jīng)床體的污水能夠從一端水平流到另一端而產(chǎn)生人工濕地。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，此類技術(shù)類型應(yīng)用時(shí)的水力負(fù)荷作用比較大，對污水重金屬處理具有明顯優(yōu)勢，而且能夠降低蚊蟲的滋生量。由于水平潛流人工濕地建設(shè)時(shí)具有占地面積少、污水處理效率高、受氣候影響小的明顯特征，因此受到了城鎮(zhèn)化污水治理的青睞。但是，在一些不發(fā)達(dá)地區(qū)的城鎮(zhèn)化污水處理中應(yīng)用該技術(shù)類型時(shí)，往往因建造費(fèi)用高、配套設(shè)施跟進(jìn)不足、容易引起基質(zhì)堵塞、表面滯水等情況，而不利于長期運(yùn)行及使用。故此，在適用性方面通常將其限定在生活污水與工業(yè)尾水處理方面，既可以發(fā)揮濕地基質(zhì)、根系、生物膜等凈水主體的作用，也可以有效實(shí)現(xiàn)降磷脫氮，以及對氨氮、有機(jī)物污染物的治理效果。

1.3 垂直潛流人工濕地

該技術(shù)類型主要是將污水從濕地表層向下部填料區(qū)進(jìn)行流動(dòng)處理，從而實(shí)現(xiàn)治理目標(biāo)。具體而言，在實(shí)際應(yīng)用過程中，污水經(jīng)濕地表層進(jìn)入到下部填料區(qū)的床體后，因床體不飽和會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，并借助氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對污水中部分污染物的處理。例如，近年來，我國提出了除磷脫氮新標(biāo)準(zhǔn)，要求將其控制在最低限度的排放水平。應(yīng)用該技術(shù)在除磷脫氮過程中，可以充分發(fā)揮其氧化作用并增強(qiáng)污水中的有機(jī)物氮磷去除效率。與水平流人工濕地相比，垂直潛流人工濕地雖然在去除效率方面略有不足，而且存在淹水周期過長的短板，但是其輸氧效率高、硝化作用進(jìn)行速度快的優(yōu)勢能夠大大提升其治理效果。需要注意的是，當(dāng)前應(yīng)用中的垂直潛流人工濕地，由于控制過程復(fù)雜程度較高，容易因管理不善而導(dǎo)致床體易飽和或污染負(fù)荷較高時(shí)基質(zhì)堵塞等情況。

1.4 潮汐流人工濕地

該技術(shù)類型雖然屬于垂直潮流人工濕地中的子類型，然而，由于其模擬了潮汐模式，且能夠?qū)崿F(xiàn)人工濕地內(nèi)部水的引入與排出，提升內(nèi)部氧化作用，增強(qiáng)厭氧與好氧之間的轉(zhuǎn)換效果，所以在實(shí)際應(yīng)用中往往會(huì)將其單獨(dú)列舉出來，對其進(jìn)行推廣應(yīng)用。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該技術(shù)類型在應(yīng)用時(shí)需要嚴(yán)格遵循進(jìn)水→反應(yīng)→排空→閑置四個(gè)主要流程，并在較高的氧氣融入率條件下，借助氧氣的高消耗、高傳輸完成高效的污水凈化目標(biāo)。目前應(yīng)用該技術(shù)類型時(shí)仍然以基質(zhì)、根系、生物膜為主要凈水主體，與垂直潛流人工濕地優(yōu)勢趨于一致，但是投資成本略高于常規(guī)技術(shù)類型[1]。

2 城鎮(zhèn)化污水治理中人工濕地的構(gòu)建

目前，在城鎮(zhèn)化污水治理的人工濕地構(gòu)建中，重點(diǎn)集中在人工濕地選型、人工濕地基質(zhì)分析、人工濕地植物配搭等方面，具體操作時(shí)需要結(jié)合實(shí)際工程概況確認(rèn)設(shè)計(jì)規(guī)?！崂碓O(shè)計(jì)原則→分析進(jìn)水水質(zhì)→檢驗(yàn)出水水質(zhì)→精準(zhǔn)設(shè)置設(shè)計(jì)參數(shù)→實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化→配置水生植物等，確保整個(gè)人工濕地構(gòu)建方案的完整性與適配性。下面先對工人濕地選型、人工濕地基質(zhì)與人工濕地植物做出分析，再結(jié)合某個(gè)具體工程展開具體討論。

2.1 選擇人工濕地技術(shù)類型

人工濕地類型主要分為三大類，其結(jié)構(gòu)存在明顯差異，涉及到濕地表面水平流動(dòng)、濕地床內(nèi)部水平流動(dòng)、濕地床內(nèi)部垂直流動(dòng)。在凈水主體方面，后兩種趨于一致，重點(diǎn)集中在對基質(zhì)、根系、生物膜的綜合應(yīng)用方面，第一種則以植物莖干與生物膜為主。在污染物方面受到污水條件的限定，基本趨于一致。但是，由于優(yōu)勢與劣勢，以及適用性存在差異，所以在實(shí)際的城鎮(zhèn)污水治理過程中應(yīng)用人工濕地生態(tài)治理技術(shù)時(shí)，首先需要進(jìn)行人工濕地類型選型，才能確保其構(gòu)建目標(biāo)的明確性[2]。

2.2 分析人工濕地基質(zhì)

人工濕地在對有機(jī)物質(zhì)、NH3-N、TP 的凈化機(jī)理方面存在差異，對有機(jī)物質(zhì)的凈化主要是通過進(jìn)水→DIC（水上）DOC（水中）/POC（水下）→挺水植物（根區(qū)、水中部分、水上部分）→附著微生物→光合作用/POC→出水的主要流程去除有機(jī)物。在NH3-N 凈化時(shí)主要按照進(jìn)水→有機(jī)氮/無機(jī)氮→氨氮→植物吸收/硝化作用/基質(zhì)與根系及生物膜→收割移除/氮?dú)庖莩?氨揮發(fā)的基本流程實(shí)現(xiàn)氮元素轉(zhuǎn)化。在TP 凈化處理方面，則根據(jù)反應(yīng)性磷與非反應(yīng)性磷相結(jié)合的方式，使不可溶的非反應(yīng)性磷最終被植物吸收，由此也形成了基質(zhì)吸收、生物膜吸附轉(zhuǎn)換、植物吸附三種磷元素轉(zhuǎn)化與去除方法。在明確了人工濕地凈化機(jī)理后，可以根據(jù)污染物的類型選擇適用性較強(qiáng)的基質(zhì)。例如，在可溶性與不可溶性有機(jī)處理方面，宜選擇煤渣、礫石、土壤、生物陶粒等基質(zhì)。而對氮、有機(jī)氮，則可以適當(dāng)選取碎石、細(xì)磚屑、沸石、粉煤灰作為人工濕地基質(zhì)。至于磷的凈化，應(yīng)擴(kuò)大其基質(zhì)使用范圍，選擇碎石與土壤組合方式，或者將頁巖、鋼渣、礦渣等結(jié)合起來。

2.3 搭配人工濕地植物種類

人工濕地中的植物搭配十分關(guān)鍵，既與濕地環(huán)境系統(tǒng)的保護(hù)密切關(guān)聯(lián)，也與污水處理時(shí)的基質(zhì)、根系、生物膜自成一體。在這種情況下，人工濕地構(gòu)建人員應(yīng)結(jié)合不同區(qū)域的濕地植物種類及其功用進(jìn)行因地制定宜的選擇。具體而言，植物生長時(shí)，直接受到基質(zhì)、氣候條件的影響，而且在不同的生長階段對污染物的吸附能力、轉(zhuǎn)化能力存在一定的變化。根據(jù)現(xiàn)階段的常用植物搭配類型經(jīng)驗(yàn)看，一般將其分為沉水型、浮葉型、挺水型，在每個(gè)類型下又可以結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況細(xì)分出若干濕地植物種類[3]。例如，在南方某市城鎮(zhèn)區(qū)域的濕地植物多達(dá)17 種，其中僅憑蘆葦、千屈菜、美人蕉等就可以發(fā)揮較大的優(yōu)勢，促進(jìn)污水凈化。從應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看，此類植物在凈化時(shí)的作用機(jī)理集中在三個(gè)層次。

（1）直接將污水作為營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行直接吸收，并完成對有毒有害物質(zhì)的吸附。

（2）借助水力傳輸方式增強(qiáng)與維持各類介質(zhì)，實(shí)時(shí)為基質(zhì)提供氧氣。

（3）通過分泌相應(yīng)的復(fù)合物產(chǎn)生有利于微生物生存的碳源，合理控制人為投加碳源造成的排放問題等。

3 城鎮(zhèn)化污水治理中對人工濕地的運(yùn)用分析

3.1 工程概況

以某城鎮(zhèn)為例，其位于小溪河附近，上游水源為株樹橋水庫，匯入下游大溪河水域主體河流。該城鎮(zhèn)中包括六個(gè)村莊，小溪河流域總面積、長度分別為47.47km2、27km，由1 條干流與6 條支流共同組成，其中干流水域面積達(dá)到了2.11 km2。由于其水源主要以上游水庫、流域內(nèi)林地、農(nóng)田匯水為主，因而遭受污染時(shí)會(huì)對當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境、土壤環(huán)境造成關(guān)聯(lián)性污染[4]。根據(jù)現(xiàn)階段的環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果看，小溪河治理過程中，結(jié)合城鎮(zhèn)化污水排放情況，布設(shè)了兩個(gè)人工濕地對相關(guān)水體的污染進(jìn)行治理。

3.2 設(shè)計(jì)規(guī)模

首先，該城鎮(zhèn)化污水治理時(shí)，治理人員結(jié)合現(xiàn)行《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》的要求，對人工濕地所在區(qū)域的灌溉用水、治污面積、設(shè)計(jì)污水量、設(shè)計(jì)水量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析，確定了人工濕地設(shè)計(jì)面積。其次，在確定范圍內(nèi)對小溪河與匯入河的6條河流進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為兩處匯水口，均存在水量大與水質(zhì)污染程度嚴(yán)重的情況[5]，因此，人工濕地規(guī)劃位置宜建在此處位置。第三，在匯入口進(jìn)行流量監(jiān)測，同時(shí)借助村民生產(chǎn)與生活排水量的經(jīng)驗(yàn)觀察與推算，將其中一處人工濕地規(guī)模預(yù)設(shè)為300m3/d，另一處設(shè)置為400m3/d。

為了滿足其人工濕地生態(tài)治理技術(shù)應(yīng)用需求，對比分析了三種人工濕地類型，最后決定在兩處采用人工濕地生態(tài)治理技術(shù)中的混合類型，具體為“水平表面流型+垂直潛流型”，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)以300m3/d 的人工濕地計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為主。

3.3 設(shè)計(jì)原則

為了保障設(shè)計(jì)方案的有效性，在具體設(shè)計(jì)中，操作人員預(yù)設(shè)了若干設(shè)計(jì)原則用于提高其可行性。首先，在污水處理后提放水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)方面，以城鎮(zhèn)所在區(qū)域的IV 類標(biāo)準(zhǔn)為主[6]。其次，在處理工藝方面，要求滿足節(jié)能環(huán)保、操作便利原則。考慮到兩個(gè)匯入口的土地資源比較緊缺，因而要求同步考慮占地較少的設(shè)計(jì)方案。第三，在區(qū)域污水治理方面，以《環(huán)境法》《水土保持法》以及相關(guān)的法律法規(guī)為依據(jù)，梳理區(qū)域污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)，并在水質(zhì)水量變化的情況下保障整個(gè)人工濕地的抗沖擊能力，提升其適用性。所以，總體上預(yù)設(shè)了標(biāo)準(zhǔn)化、生態(tài)化、適用性三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)原則。

3.4 進(jìn)水水質(zhì)

該城鎮(zhèn)污水治理中的污水水源以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生活生產(chǎn)的廢水為主，通過對小溪河流域主要污水水質(zhì)采樣與分析發(fā)現(xiàn)，其中水質(zhì)參數(shù)中的COD、BOD、NH3-N、SS、P 相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

（1）COD（化學(xué)需氧量）檢測結(jié)果為360.0～115.0mg/L；

（2）BOD（生化需氧量）檢測結(jié)果為200.0～80.0 mg/L；

（3）NH3-N（氨氮）檢測結(jié)果為10.0～5.0 mg/L；

（4）SS（水質(zhì)中懸浮物）檢測結(jié)果為220.0～90.0 mg/L；

（5）P（磷）檢測結(jié)果為3.5～0.8 mg/L。

最終確定的數(shù)據(jù)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 不變。

3.5 出水水質(zhì)

污水最終出水為小溪河河道進(jìn)水，根據(jù)現(xiàn)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中第IV 類水體標(biāo)準(zhǔn)，需要將其控制在如下范圍以內(nèi)才能達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)：COD 為30.0mg/L，BOD 為6.0 mg/L，NH3-N 為1.5 mg/L，SS 為30.0 mg/L，P 為0.3mg/L。

3.6 設(shè)計(jì)參數(shù)

該城鎮(zhèn)人工濕地污水處理方案設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格按照濕地面積計(jì)算公式進(jìn)行了計(jì)算，具體內(nèi)容如下：

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

（2）根據(jù)濕地面積計(jì)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，而介質(zhì)孔隙度n 與介質(zhì)床深度d 是預(yù)設(shè)值。

此時(shí)，若按照人工濕地流量為300m3/d 流量進(jìn)行計(jì)算，將所有數(shù)據(jù)代入上式后，可以得出濕地面積為1193m2。由于布置時(shí)按照整數(shù)容易計(jì)算與設(shè)備設(shè)施配置，該城鎮(zhèn)化污水處理中將人工濕地面積確定為1300m2，然后將其按照600m2與700m2分配了表面流濕地與垂直潛流濕地面積。

3.7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，以進(jìn)水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、填料使用、自流跌水曝氣溝為主。分述如下。

（1）進(jìn)水系統(tǒng)主要按照多孔管與三角堰滿足配水均勻性需求。具體設(shè)置時(shí)要求進(jìn)水管高于人工濕地床，本次設(shè)計(jì)中高出量為0.5m。在出水系統(tǒng)設(shè)置方面，則根據(jù)床中水位調(diào)節(jié)的實(shí)際需求，將穿孔集水管設(shè)置在出水渠末端礫石填料層底部位置。為了調(diào)節(jié)床內(nèi)出水，配套設(shè)置了旋轉(zhuǎn)彎頭與控制閥門。

（2）在填料或基質(zhì)設(shè)置方面，設(shè)置了兩個(gè)人工濕地，在表面流濕地床中，主要按照表層土、礫石層進(jìn)行填料鋪設(shè)，在厚度控制方面，表層地壤厚度為0.4m，礫石層厚度設(shè)置為0.2m，由于兩層之間存在重疊部分0.1m，因此將總厚度控制在0.5m。在潛流濕地床方面則按照三層設(shè)置方案，在表層、中層、下層，對應(yīng)選擇0.4m 的土層、0.5m 的礫石層、0.3m 的碎石層，總厚度為1.2m。由于表面流濕地與垂直潛流濕地中的填料均基本相同，在土壤層均以石英砂為主，其厚度、粒徑（6～2mm）一致，在中間層的礫石層，其厚度與粒徑（8～5mm）趨于一致。在垂直潛流濕地中的底層應(yīng)用了碎石，粒徑為10～8mm。通過對不同填料或基質(zhì)的鈣含量進(jìn)行采樣分析，確定在每100kg 填料中鈣含量的范圍在2.5～2.0kg[7]。

（3）在自流跌水曝氣溝設(shè)置方面，設(shè)計(jì)人員將其位置定位在兩個(gè)人工濕地之間，將其落差控制在1.2～0.8m 范圍以內(nèi)，斷面設(shè)置為梯形。為了保障其美觀度，溝內(nèi)使用拋石進(jìn)行造景，并利用C15 砼現(xiàn)澆方式進(jìn)行溝澆筑，有利于為水生動(dòng)物提供繁育棲息地等。

3.8 水生植物配置

按照沉水、浮葉和挺水三大水生植物類型，對該城鎮(zhèn)小溪河所在區(qū)域的濕地植物進(jìn)行了分類。其中，沉水植物以黑藻、眼子菜為主；浮葉植物以荷花與蓮花為主，其中包括王蓮與睡蓮；挺水植物則涉及到燈心草、美人蕉（水生類）、千屈菜、蘆葦?shù)取Ｍλ参镉欣谌コ鬯械牡c有機(jī)質(zhì)[8]，而且在基質(zhì)選擇方面，可以利用爐渣、石灰等促進(jìn)污染物吸收。具體操作時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況在表面流型人工濕地與垂直潛流型人工濕地進(jìn)行植物搭配，做出一些有效調(diào)整。

結(jié)語

總之，城鎮(zhèn)化是實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)一體化發(fā)展目標(biāo)的重要手段，運(yùn)用人工濕地生態(tài)治理技術(shù)輔助城鎮(zhèn)化污水治理，與城鎮(zhèn)化污水處理需求相一致，也產(chǎn)出綜合效益，促進(jìn)城鎮(zhèn)化可持續(xù)發(fā)展，預(yù)防前期粗放式發(fā)展造成的生態(tài)環(huán)境破壞風(fēng)險(xiǎn)。因此，在當(dāng)前城鎮(zhèn)化高質(zhì)量建設(shè)階段，應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)對人工濕地的運(yùn)用。通過以上初步分析可以看出，人工濕地技術(shù)類型多樣，在構(gòu)建城鎮(zhèn)化人工濕地污水治理方案時(shí)，應(yīng)做好技術(shù)選型與基質(zhì)分析，并在因地制宜原則下確定需要搭配的濕地植物種類。具體工程中應(yīng)從實(shí)際需求出發(fā)規(guī)劃人工濕地，并使其獲得有效運(yùn)用。