包头人工湿地污水净化处理系统设计特点

【水环境与水生态】包头人工湿地污水净化处理系统设计特点黄佳音１，邵　亮１，楚维国１，刘志阳２，胡保安１，３，王苗苗１，３（１．中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津３００４６１；２．江苏大地益源环境修复有限公司，江苏南京２１１８００；３．中交天津航道局疏浚工程技术实验室，天津３００４６１）摘　要：人工湿地污水处理技术在我国南方地区广为应用，但在北方寒冷地区的大规模应用并不多见。针对包头二道沙河的低污染水，采用人工湿地生态修复串联工艺进行处理，即“河滨旁通式强化处理工艺＋接触氧化工艺＋潜流湿地复合系统＋表面流湿地复合系统”。重点介绍了主要构筑物的设计参数，总结北方寒冷地区人工湿地的主要设计特点，提出了包头黄河湿地冬季运行的措施和要求。同时，结合当地用水需要，以中水回用的方式实现湿地出水资源化利用，设计出水水质能够达到中水回用的水质要求。关　键　词：人工湿地；湿地复合系统；接触氧化系统；潜流湿地；北方寒冷地区中图分类号：Ｘ５２２　　　文献标志码：Ａ　　　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１３７９．２０１４．０７．０２６　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＷｅｔｌａｎｄＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＲｅｓｔｏｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＢａｏｔｏｕＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒＷｅｔｌａｎｄＨｕａｎｇＪｉａｙｉｎ１，ＳｈａｏＬｉａｎｇ１，ＣｈｕＷｅｉｇｕｏ１，ＬｉｕＺｈｉｙａｎｇ２，ＨｕＢａｏａｎ１，３，ＷａｎｇＭｉａｏｍｉａｏ１，３（１．ＴｉａｎｊｉｎＰｏｒｔ＆ＷａｔｅｒｗａｙＰｒｏｓｐｅｃｔｉｏｎ＆ＤｅｓｉｇｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．Ｌｔｄ，ＣＣＣＣ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４６１，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉａｎｇｓｕＤＤＢＳＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＲｅｍｅｄｉａｔｉｏｎＣｏ．Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１８００，Ｃｈｉｎａ；３．ＤｒｅｄｇｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＴｉａｎｊｉｎＤｒｅｄｇｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ，ＣＣＣＣ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４６１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｅｔｌａｎｄｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｓｏｕｔｈｅｒｎＣｈｉｎａ，ｂｕｔｌａｒｇｅｓｃａｌｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｒｅｒａｒｅｉｎｏｕｒｃｏｌｄｎｏｒｔｈｅｒｎｒｅｇｉｏｎｓ．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＢａｏｔｏｕＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒｗｅｔｌａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓｅｒｉｅｓｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｗｅｔｌａｎｄｓｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｉ．ｅ．“ｒｉｖｅｒｓｉｄｅｂｙｐａｓｓｔｙｐｅｏｆｅｎｈａｎｃｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ，ｃｏｎｔａｃｔｏｘｉｄａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｕｎｄｅｒｃｕｒｒｅｎｔｗｅｔｌａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍｓａｎｄｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｗｅｔｌａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍ”ｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｉｎｔｈｅｎｏｒｔｈｅｒｎｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎｓ．Ｉｔｇａｖｅｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｔｈｅｎｏｒｔｈｅｒｎｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎｓ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｎｄｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｓａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｗｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄａｃｈｉｅｖｅｄｒｅｓｏｕｒｃｅｓｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｒｅｕｓｅｗｉｔｈｌｏｃａｌｗａｔｅｒｎｅｅｄｓ，ｗｈｉｃｈｉｔｓｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｃａｎｒｅａｃｈｔｈｅｔｏｗｎｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔａｎｄａｒｄｌｅｖｅｌｏｆＢ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｗｅｔｌａｎｄ；ｗｅｔｌａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍｓ；ｃｏｎｔａｃｔｏｘｉｄａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｗｅｔｌａｎｄ；ｎｏｒｔｈｅｒｎｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎｓ　　人工湿地是一种污水处理技术，源于２０世纪７０年代末。该技术是一种利用湿地植物、土壤和微生物作用来处理废水的工程系统［１］，是一个人工自然系统，受气候影响较大，特别是低温期（如北方冬季），不仅会出现植物生长停滞或枯死、表面冻结造成床体缺氧，而且微生物作用及其他生化反应也受到较强抑制，导致处理效率下降等问题。人工湿地受低温影响较大的特点，大大制约了该技术在寒冷地区的应用，多年来，人工湿地在我国南方比北方得到了更为广泛的应用。受冬季低温冰冻影响，人工湿地技术在北方地区研究发展缓慢。２０世纪９０年代，北京、天津等地开展过试验性研究［２－３］，但均未形成完善的工程技术解决方案。２００２年以来，北京市水利科学研究所在引进德国技术及我国南方湿地工程经验基础上，成功建设了黑土洼湿地系统示范工程［４］，并带动奥林匹克森林公园湿地工程建设，有效促进了北方地区人工湿地技术的推广应用。近年来，国内外学者在北方寒冷地区人工湿地的应用上取得了一些研究成果。国外有学者经过数学模型计算认为人工湿地系统在有效隔离保护下，－２０℃低温也能运行［５］。刘学燕等［６］开展了人工湿地系统处理官厅水库水的冬季试验研究，结果表明在寒冷冬季潜流人工湿地系统在隔离层保护下可正常运行，采用不同的覆盖物隔离保温，对系统的处理性能有很大影响，该系统在冬季低温条件下对微污染地表水有较好的净化效果。陈晓东等［７］对北方人工湿地污水处理技术的研究表明，潜流湿地是适合的，并建议人工湿地深度为１．２ｍ，采取保温措施后湿地内水温降低幅度较小，基本不受气温影响。黄有志等［８］对北方地区表流人工湿地冬季脱氮效果及微生物分布情况进行了分析，结果表明表流湿地在有适当保温措施　收稿日期：２０１４０２２５　作者简介：黄佳音（１９８１—），女，福建长乐人，工程师，主要从事水污染治理与水生态修复的研究与工程设计工作。　Ｅｍａｉｌ：[e-mail]·７８·第３６卷第７期　　　　　　　　　　　　　　　　　　人　民　黄　河　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．７　　２０１４年７月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＹＥＬＬＯＷ　ＲＩＶＥＲ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｊｕｌ．，２０１４　　的前提下，在北方地区冬季能达到较好的脱氮效果。黄炳彬等［９］对北方地区潜流湿地净化技术开展了技术研究与工程应用，认为：石灰石、粗沙等脱氮除磷综合效果较好，价格低，取材方便，推荐作为潜流湿地主选填料；钢渣、褐铁矿除磷效果良好，沸石吸附能力强，可作为辅助材料；湿地保温以植物保温为主，结合冰下取水、水位管理等可实现北方地区潜流湿地冬季正常运行。人工湿地在北方寒冷地区的推广应用尽管取得了一定成果，然而已有湿地工程主要集中在黄河以南地区，在黄河以北地区将人工湿地修复技术运用于低污染水处理和资源化利用的工程实例非常少。本研究以包头市黄河湿地生态修复工程为例，介绍该项目采用的湿地修复串联工艺以及重要构筑物的设计参数和主要特点、湿地出水资源化利用的方法，并提出湿地冬季运行措施和方法。１　工程概况及设计概要１．１　工程背景及概况黄河自西向东从包头市南部流过，包头段干流全长２４１ｋｍ，流经市区段共６３ｋｍ，已成为包头市工农业生产和人民生活用水的主要水源。据统计每日有多达１０万ｔ的污水要经过湿地进入黄河，再加上降水、面源和湿地水土流失等途径进入的污染物，对黄河包头段水质造成严重威胁。黄河包头段属于我国干旱半干旱的生态脆弱带，极易造成生态环境破坏，而且生态环境修复的难度巨大。１．２　工程建设目标及意义该项工程的建设意义在利用环境工程和生态工程的技术手段，对污染尾水实现净化，利用低污染水治理技术，结合湿地的自然净化功能，经过湿地植物、土壤的代谢过程和物理化学作用，使进入湿地的低污染水中有机、无机污染物被截流和代谢，改善水体水质，削减污染负荷，保护黄河包头段水质，修复湿地生态环境。１．３　主要环境问题（１）污染物大量排放，自然湿地局部污染严重。经过二道沙河（西河）等４条排污沟，每年进入包头黄河湿地的污染物量较大，且大多直接排入黄河，对黄河水质以及黄河流域的生态建设与生态保护构成严重威胁。（２）自然湿地退化，生物多样性破坏严重，盲目无序开垦面积已占自然湿地总面积的５０％。（３）土壤退化，水土流失加剧。自然湿地土壤已出现板结、沙化、盐碱化，并产生扬沙。１．４　设计思路人工湿地来水主要为二道沙河的来水，该河接纳了包头市的城市污水及部分污水处理厂处理后的达标排放水，含有一定量的污染物，且不少来水经长距离的明渠输送，悬浮物（ＳＳ）含量明显增大。为了使湿地出水能满足东华热电厂的中水回用需求，且最大限度减少包头市排入黄河的污染物量，对污染河水实施强化净化，水质得到一定改善后，出水进入低污染水生态净化与资源化工程进行二次处理和资源化利用，预期水质达到中水回用的水质要求。１．５　主要工艺流程１．５．１　污染河水强化处理工程该工艺分为两部分。第一部分为河滨旁通式强化处理工程，第二部分为接触氧化＋潜流湿地复合系统。通过闸门的启闭来控制进入湿地的水量，多余的水沿泄洪沟顺畅进入黄河，见图１。图１　污染河水强化处理工艺流程１．５．２　低污染水生态净化与资源化工程污染河水强化处理工程的出水，经浮叶植物区均匀布水至两级表面流湿地及草滤带，通过表面流湿地和草滤带的生物处理与物理拦截，然后进入贮水系统，进行资源化利用，见图２。图２　湿地低污染水生态净化与资源化工艺流程２　工程设计特点２．１　污染河水强化处理工程设计２．１．１　工程进水、出水水质根据环境监测站水质监测数据，工程设计二道沙河南绕城公路交汇处来水（湿地进口）污染物浓度最大值为该工程进水水质基准值，设计进水、出水水质指标见表１。表１　强化处理工程设计进水、出水水质指标ｍｇ／Ｌ项目ＳＳＢＯＤ５ＣＯＤＣｒＮＨ３－ＮＴＰ进水水质＜３００＜３０．８＜１４２．５＜７９．７８＜４．５８出水水质＜３０＜３０＜１００＜２５＜３　　主要设计参数：总面积为２２．１５ｈｍ２，处理能力为６万ｍ３／ｄ，水力负荷为０．２２４ｍ３／（ｍ２·ｄ），使用年限为５ａ。主要工程占地面积：沉沙池占地面积为１６０ｍ２，进水泵房、调节池占地面积为１７６ｍ２，厌氧塘占地面积为１．６７ｈｍ２，接触氧化池占地面积为０．７３ｈｍ２，潜流湿地占地面积为１９．７３ｈｍ２。２．１．２　主要构筑物设计（１）沉沙池。二道沙河的来水中ＳＳ含量较高，来水通过涵管引至沉沙池。工程通过格栅的拦截与沉沙池的沉降去除来水挟带的大块废弃物与水中较大颗粒的悬浮物，以降低来水中ＳＳ含量，为下一级处理系统提供运行条件。沉沙池包括格栅区和沉沙池主体（见图３、图４）。其中，沉沙池为半地下结构的平流式沉沙池，地下埋深１．０ｍ，采用钢筋混凝土结构。沉沙池主体分为两格，每格两端设闸门，可分别独立运行。（２）厌氧塘。由泵房将沉沙池出水提升至厌氧塘，在厌氧状态下对来水进行初步净化处理，其出水排入接触氧化池与潜流湿地进行深度处理。在厌氧塘周围配置景观效果好、成活率高的乔灌木复合林，尽可能去除厌氧塘产生的异味。·８８·人民黄河　２０１４年第７期图３　沉沙池平面布置图４　沉沙池剖面图５为厌氧塘平面布置，主要设计参数：有效水深为４．０ｍ，处理能力为６万ｍ３／ｄ，停留时间为１．１ｄ，设计使用年限为５ａ。图５　厌氧塘平面布置（３）接触氧化池。该工程来水中氨氮浓度过高，为强化处理系统的氨氮去除能力，来水经厌氧塘厌氧处理后进入接触氧化池进行好氧处理，为后续处理系统创造良好的运行条件。处理后的出水经出水渠排入下一个处理单元———潜流湿地。主要设计参数：占地面积为０．７３ｈｍ２，有效水深为３．７５ｍ，处理规模为６万ｍ３／ｄ，水力负荷为０．３４１ｍ３／（ｍ２·ｈ），设计使用年限为５ａ。接触氧化系统（见图６）内布设弹性立体填料，填料设置在接触氧化系统中间，尺寸为５０ｍ×２０ｍ。来水进