净水技术 | 高校优秀论文：污水厂尾水阶式功能强化型湿地生态水质净化工艺

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高校优秀论文奖学金暨研发机构人才储备计划

《净水技术》与上海城市水资源开发利用国家中心有限公司、北京排水集团科技研发中心共同设计“《净水技术》高校优秀论文奖学金”，并同步筹备“研发机构人才储备计划”。邀请业内权威专家对每一期内的候选文章（第一作者为全日制在校生）盲审，产生获奖论文。

获奖论文作者及作者课题组成员，均有机会成为人才储备计划的预选对象。

咨询联系：李佳佳（021）66250061

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阶式功能强化湿地处理工艺设计背景

本文创新性地提出污水处理厂尾水阶式功能强化湿地处理技术，并应用于泗洪县城北污水处理厂三级处理尾水湿地工程设计。阶式功能强化湿地的创新性在于基于软围隔导流、生态护坡、人工介质、生态浮床等多种技术的优化组合，根据污水处理厂尾水可生化性差、尾水碳氮比小等水质特点，将湿地处理系统的生态塘单元构建3个功能分区：(1)兼氧塘；(2)好氧塘；(3)水生植物塘，这样可以依次形成生态系统完整的、功能互补的城镇污水处理厂尾水的生态塘深度处理方法，从而构建污水处理厂尾水阶式功能强化湿地的处理技术。污水处理厂尾水阶式功能强化湿地处理技术具有阶式功能分区特征并融合多种关键技术，在实现功能性水质净化要求的同时结合景观设计，使得湿地系统工程能够产生较好的环境效益与社会效益。
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泗洪县城北污水处理厂水量与水质分析

尾水湿地工程进水水质为泗洪县城北污水处理厂优于一级A的尾水(GB 18918—2002)，水质各指标均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准限值。出水呈现低有机物浓度水水质特征。
湿地工程主要功能为进一步强化尾水氮磷和有机物去除，湿地水体功能区划为景观水体，在典型进水水质的基础上，出水COD、NH3-N、TP等污染物指标达到或优于《地表水环境质量标准》IV类水质。湿地出水受纳水体为河道，尽管河水水环境质量对TN执行标准无明确要求，设计要求湿地出水TN去除率不小于20%，生态湿地水质净化系统进出水水质控制性指标如表1所示。表1 尾水湿地工程进出水水质指标
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阶式功能强化湿地处理工艺设计

3.1 水质净化工艺设计指导原则

水质净化是阶式功能强化湿地设计要实现的重要功能之一。针对泗洪县城北污水处理厂三级处理排出的尾水水质等级提升目标，其水质净化湿地设计原则如下：(1)阶式功能强化湿地系统合理必要的停留时间；(2)阶式功能强化湿地系统功能分区优化设计(通过导流设施优化流场)；(3)大生物量设计；(4)通过生态建设阶式功能强化湿地水质自净能力。

3.2 湿地设计方案

充分发挥水质自净能力，改善湿地系统出水水质(目标是达到或优于IV类水质)，保持湿地系统的生物多样性，单一水质处理技术不能满足上述多方面要求，故实施湿地阶式功能分区，建设功能型复合生态湿地系统即阶式功能强化湿地。阶式功能强化湿地的工艺流程如图1所示，用地与分区设计如图2所示。

图1 阶式功能强化湿地处理工艺流程图

图2 阶式功能强化湿地区用地与分区平面布置

(1)生态塘设计阶式功能强化湿地的生态塘位于整个湿地系统前端，不设曝气与推流装置，依赖于水力坡度，尾水重力自流。基于生态导流岛屿及软围隔导流将生态塘依次划分为兼氧塘、好氧塘和水生植物塘等3个功能分区：兼氧塘部分设置弹性立体填料，其主要功能是实现反硝化作用，脱除部分氮，同时提高水中有机物的可生化性；好氧塘采用射流式潜水曝气机控制好氧塘的溶解氧浓度，设置人工介质，通过人工介质巨大的比表面积和良好的填料性为微生物的生长提供载体，可利用生物接触氧化去除水中的溶解性有机物，强化水中有机物的去除效果，同时完成部分反硝化脱氮，有助于强化后续单元去除效率；水生植物塘塘深较深，可用于沉淀去除水中的悬浮颗粒物。水上植物种植面积比为15%～20%，下部悬挂弹性填料，水生植物塘利用好氧塘中的剩余溶解氧，依靠建立的立体型生物链持续去除水中的氮磷营养盐和有机物。功能区设计参数：占地面积为49 808 m2，有效面积为43 124 m2，设计水深为2 m，超高为0.5 m，边坡斜坡坡比为1∶3，水力停留时间为41.40 h。(2)表流湿地区设计阶式功能强化湿地的表流湿地区通过湿地植物、基质和内部微生物之间的物理、化学和生物过程削减污染物净化水体。表流湿地区通过水位控制，可以实现表流湿地区模拟天然沼泽湿地运行，植物自行完成生长、枯萎、沤渍残体等过程，以基质中的腐殖质和植物残体释放的有机物作为碳源完成反硝化脱氮过程。功能区设计参数：占地面积为37 752 m2，有效面积为25 639 m2，设计水深为0.5 m，超高为0.5 m，边坡斜坡坡比为1∶3，水力停留时间为7.79 h。(3)沉水植物区设计阶式功能强化湿地的沉水植物区整体位于湿地水质净化系统的末端，作为水质保障单元。沉水植物区水深较深，缓坡入水，由岸边至池底依次为陆生草本、亲水植物、挺水植物和沉水植物，具有完整的水陆生境和生态链，可强化水质净化功能；较大的有效容积能够保障充足的水力停留时间，保障出水水质。功能区设计参数：占地面积为25 639 m2，有效面积为24 407 m2，设计水深为2.5 m，超高为0.5 m，边坡斜坡坡比为1∶3，水力停留时间为29.29 h。(4)生态河道设计拦岗河生态河道位于阶式功能强化湿地工艺流程末端，属于城市水网支浜，不是阶式功能强化湿地的必须功能区，但作为毗邻水体也是受纳水体，是作为湿地出水补给城市水网的必经通道，有必要对其进行水质净化功能强化。通过边坡整理和驳岸改造，采用生态混凝土护坡，能够增加河道驳岸的生物量，同时兼具岸坡支护的作用，可保障湿地出水持续净化，确保进一步提高输入城市水网的补给水水质。阶式功能强化湿地各个功能区设计参数如表2所示。表2 阶式功能强化湿地功能区设计参数

3.3 湿地水质净化功能强化关键技术生态导流岛屿设置可实现湿地系统内水体流态整体呈现推流流态，可优化流场，充分发挥湿地系统各功能分区的水质净化功能，提高水质净化效率，同时保证充足的水力停留时间。一般情况下的湿地系统内水流相对缓慢，为使水流有序地通过各功能区，避免出现滞留、短流区，保证水质净化效果，本湿地结合景观需求，设计生态导流岛屿。生态导流岛屿缓坡入水，缓坡是生物富集和栖息的载体，起着强化生物净化的作用。人工介质水质净化技术通过向水体中投加一定密度的人工介质作为载体，有效富集水中的土著微生物，并在人工介质表面形成结构稳定的微生物群落结构，依靠微生物的作用，对水中的有机物、氮、磷等污染物予以去除。人工介质区的水深不受限制，不同水深位置的人工介质适用于不同生理习性的微生物群落聚集，可构建立体型的微生物水质净化系统。国家“863”课题的研究成果亦表明，人工介质应用于改善太湖等水源地水质时，水质改善效果明显。

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水质净化效果预测与分析

该湿地工程建设针对无锡某污水厂部分尾水进行深度处理，设计采用“生态塘-表流湿地区-沉水植物区”的设计工艺，湿地进水为无锡某污水处理厂的三期氧化沟二沉池出水，强化其脱氮除磷功能，实现湿地出水的TN、TP削减20%以上。无锡某阶式功能强化型湿地工程占地面积约6 900 m2，其中水域面积约为4 420 m2，设计处理能力为2 000 t/d。该阶式功能强化型湿地的生态塘水力停留时间设计为15 h，有效水深为1.5 m，占地面积为830 m2；表流湿地区设计水力负荷为0.4 m3/(m2·d)，水力停留时间设计为35 h，有效水深为0.3 m；沉水植物区设计水力停留时间为71 h，设计面积为1 500 m2，有效水深为0.8 m。该阶式功能强化湿地的一年湿地进水及湿地各单元出水水质监测数据如表3所示。
表3 无锡某阶式功能强化湿地进水及各单元出水水质监测数据表
由表3可知，无锡某阶式功能强化湿地起到了强化脱氮除磷的作用，湿地出水的TN、TP削减在20%以上，湿地运行达到设计要求。对无锡某阶式功能强化湿地的水深及流速进行实测后，与模型的水动力参数进行率定与验证，水深及流速的平均相对误差较小。模型中的水质因子衰减系数与无锡某湿地实测的水质浓度数据进行参数率定与模型验证，综合COD、TN、TP及NH3-N水质指标参数等，无锡某阶式功能强化湿地的模拟效果较好，模拟误差控制在模型计算要求的范围内，为无锡某阶式功能强化湿地的水质模拟提供了可靠的前提条件，从而也能够认定建立的该阶式功能强化湿地的水质模型的设置与参数取值是合理的，所确定的参数基本能反映该阶式功能强化湿地的特征，可满足水质预测要求。无锡某阶式功能强化型湿地冬季(1月)进水及各单元出水水质监测数据如表4所示。表4 无锡某阶式功能强化湿地冬季(1月水温为2～10 ℃)进水及各单元出水水质监测数据表
冬季湿地对污染物的去除效率总体小于湿地污染物去除年均值，但是依然满足20%以上的TN及TP去除率，无锡某阶式功能强化型湿地在冬季运行良好，出水稳定达标。因而在此基础上，运用MIKE21对泗洪城北污水处理厂尾水阶式功能强化湿地系统进行建模和模拟。本工程采用MIKE21软件对采用相关关键技术和参数设计的阶式功能强化湿地系统进行建模和模拟，利用建立的系统模型模拟湿地工程的流速和污染物在系统的沿程变化，预测各区域的浓度变化和最终净化效果，为湿地工程的正常运行提供技术支撑。

图3 阶式功能强化湿地系统的水域边界及深度分布

图3可直观地反映每个功能区的深度特征，生态塘水深相较表流湿地区大，沉水植物区水深也较表流湿地区大，从流程上看湿地系统水深呈深-浅-深的变化，水深具有深浅变化多样性，从而为水生植物、动物、微生物提供多样的水生生境，为建立健全水生生态系统提供了条件。水生生态系统的健全健康是水体自我净化能力的保障。营造多样化的水生环境、增加水生生态系统的生物量是水体自净功能强化的有效措施，也是提高水体净化能力、抵抗力稳定性和恢复力稳定性的必要措施。由流速场模拟图可知，整个尾水湿地工程的流速总体均匀，既不会使污水滞留于尾水湿地工程内，同时又能保证在此流速下，不会造成尾水湿地工程内的藻类滋生。尾水湿地工程的进水经过生态塘、表流湿地区以及沉水植物区的净化，氮磷营养盐浓度极大的缩减，此外，尾水湿地工程的流速值等诸多条件保证了尾水湿地工程会抑制水中藻类生成。

图4 湿地系统内流场分布特征(a.竖向速度场；b.横向速度场)

整个尾水湿地处理工程中，不存在大面积的水流滞留区，由流速场图可以观察到局部涡流，但是不会对总体流速场产生影响。流速场表明有两个局部区域流速稍大，在保证总体水力停留时间一定即保证出水稳定达标的情况下，可忽略稍大流速带来的不利影响。

污染物在阶式功能强化湿地中的降解去除过程以生化过程为主导，进出水生化需氧量(BOD)的变化能较好地反映湿地有机物去除过程。自湿地进水口开始，尾水处理流程沿程BOD呈明显的衰减趋势，说明湿地流程对尾水中有机物的去除是持续有效的，BOD的去除主要集中在生态塘功能区和沉水植物功能区，这可能与水力停留时间有关。由此推断，此湿地工程从工艺和设计上满足了水质对BOD净化效果的要求。

溶解氧(DO)对阶式功能强化湿地中的有机物降解去除过程有重要影响，同时也是低有机物浓度尾水中硝化作用的保障条件，有助于NH3-N的去除。由图5(b)可知，自湿地进水口开始，尾水处理流程沿程DO浓度呈明显的增加趋势，说明阶式功能强化湿地的复氧环境良好，对尾水中的污染物去除有较好的促进作用。这与湿地丰富的水生植物生物量有密切关系，丰富的水生植物能够增加水体的DO浓度。湿地前端进水有机污染负荷较高，水生植物泌氧被有机物去除过程利用，随着有机物逐步去除，沿程耗氧量减少，水体沿程DO呈增加趋势。通过水质模型模拟流场出水DO的浓度约为7.0～8.0 mg/L。

图5 阶式功能强化湿地环境因子浓度场分布(a. BOD; b. DO; 

5结论(1)阶式功能强化湿地应用于泗洪县城北污水处理厂三级处理尾水净化提质有相关的理论和试验研究成果作为技术支撑，具有较好的技术适应性。(2)阶式功能强化湿地工艺设计能与生态导流岛屿优化流场、复合型生物浮床、人工介质等多项自主创新关键技术有机结合，实现湿地水质净化功能有效强化。(3)阶式湿地结构和流场特征，能够指导湿地结构设计和流场优化，水质模拟显示湿地能够有效去除水体有机污染物，改善污水复氧条件，对污染物去除有明显作用，保障了湿地系统运行。来源：《净水技术》，仅供分享交流不作商业用途，版权归原作者和原作者出处。

排版：西贝

校对：王佳

更多信息

袁 园1,2，吴义锋1,2，浦秋芬3，单国平4，吕锡武1,2，李淑萍5

(1.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2.东南大学无锡太湖水环境工程研究中心，江苏无锡 214028；3. 四川首辅工程设计有限公司宿迁分公司，江苏宿迁 223800；4.南京水务集团有限公司，江苏南京 210000；5.西藏民族大学信息工程学院，陕西咸阳 712082)

注：本文发表在《净水技术》2019年第11期“高校优秀论文奖学金暨研发机构人才储备计划”专栏，略有删减，长按下列二维码可阅读文章原文。

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