摘要：基于浙江省污水處理廠主要工藝現(xiàn)狀及常用提標技術，調研了幾個主要污水處理廠尾水人工濕地技術深度處理運行效果及投資情況，分析了人工濕地的影響因素，并從技術規(guī)范等角度探討了人工濕地深度提標的可行性。結果表明，人工濕地深度處理尾水后的出水水質基本可以滿足地表水Ⅳ類水標準，但人工濕地占地面積大、投資大，應用時需根據提標要求進行深入論證，綜合考慮尾水水質、占地面積及場地、投資及運行管理成本、季節(jié)等影響因素，同時結合當地技術、經濟、水環(huán)境等情況。

作者簡介：孔令為（1984- ），浙江省環(huán)境保護科學設計研究院高級工程師，河南商丘人，博士/博士后，主要研究方向為水處理技術、生態(tài)修復和環(huán)保新材料研發(fā)等。

2015年4月，國務院正式發(fā)布的《水污染防治行動計劃》即“水十條”中明確提出了治理目標，截至2017年前消滅劣Ⅴ類水體。“水十條”的重要目標就是治理劣Ⅴ類水，通過提高污水處理廠的排放標準，達到治理目的。國家環(huán)保部2015年發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（征求意見稿）中新標準排放限值總體與《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838—2002）Ⅳ類水質要求相當（TN除外），可以滿足生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)對城鎮(zhèn)污水處理廠排放控制的需求（NH3-N、TN、糞大腸菌群數除外）。

浙江省于2013 年提出“五水共治” “治污先行”等重要決策，并取得了明顯的成效，2016年全省221個地表水省控監(jiān)測斷面中，劣Ⅴ類水質斷面占比由2013年的12.20%降至2.70%，并提出于2017年底全省徹底消滅劣Ⅴ類水斷面。然而從具體技術指標看，即使城鎮(zhèn)污水處理廠全部執(zhí)行一級A排放標準，排出的水質依然為劣Ⅴ類，如果沒有更高的污水排放標準，則難以實現(xiàn)消滅劣Ⅴ類水體的目標。同時污水廠一級A出水標準中氮、磷含量依然偏高，如果直接補充河道、湖泊、城市景觀用水時，會產生水體富營養(yǎng)化的風險。因此，后續(xù)在達到一級 A標準的基礎上，城鎮(zhèn)污水處理廠需要進行提標處理。

NO.1

浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠提標現(xiàn)狀研究

目前，浙江省已建成各類規(guī)模城鎮(zhèn)污水處理廠296座，污水處理能力達到1 224.55×104m3/d。浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠排放的污水量約占全省總污水量的60%，是浙江省水體污染物減排與水環(huán)境質量改善的重點。根據《浙江省水污染防治行動計劃》的目標要求在2017年底前，所有城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質執(zhí)行一級A標準，而截至2016年底數據顯示，在已建成的城鎮(zhèn)污水處理廠中，出水執(zhí)行一級A標準的有243座，占總數的82%。浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠的主要處理工藝為“厭氧-缺氧-好氧”的污水處理工藝（A2/O）、序批式活性污泥法（SBR）、循環(huán)式活性污泥法（CAST）、氧化溝等（見圖1）。

圖1 2016年浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠處理工藝選擇情況

而現(xiàn)階段針對不同工藝和運行狀況的城鎮(zhèn)污水處理廠提標的主要技術有Fenton催化氧化、碳源投加、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、同步硝化反硝化技術、反硝化除磷技術、好氧顆粒污泥、膜生物反應器、反硝化濾池、人工濕地等。

由于浙江省內水環(huán)境質量要求日趨嚴格，各地基于自身現(xiàn)狀條件對污水處理廠排放限值提出了更高的要求，目前已制定相應標準的包含金華、臺州、衢州等地。為提高治污績效，金華市在市區(qū)污水處理廠實行嚴于國家標準、低于地表水Ⅲ類水標準的污水處理廠排放“金華標準”，要求氨氮排放濃度≤1mg/L、總磷≤0.35mg/L；“衢州標準”與“淳安標準”明確了出水水質除總氮外，其他污水排放指標基本達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838—2002）Ⅳ類水質；而臺州市路橋污水處理廠“準Ⅳ類”提標工程是基于一級A提標的基礎上的再次提標，率先在全省實現(xiàn)出水達到“準Ⅳ類”標準。

NO.2

污水處理廠尾水人工濕地技術提標研究

與常規(guī)尾水提標工藝相比，人工濕地由于具有污水凈化和景觀營造的雙重作用，且建造運行成本較低、維護管理相對簡便，在城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理中受到了較為廣泛的關注，比較適宜作為城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理的技術，將出水標準由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)的一級B或一級A標準提升至《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838—2002）的Ⅴ類及以上標準，消滅劣Ⅴ類水體。

2.1 浙江省應用案例調研

2010年關于我國人工濕地工程情況的系統(tǒng)性研究結果顯示：人工濕地工程已在我國30%以上的地區(qū)得到應用，建設區(qū)域較廣泛，其處理規(guī)模多為1000~20000m3/d，其中處理規(guī)模小于5000m3/d的工程數量占調查總數的62.50%，處理規(guī)模為10000~1000000m3/d的工程總量所占比例為28.70%。

目前，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地提標處理在浙江省已經有了應用，主要集中在金華、杭州、嘉興等地區(qū)。比較典型的有浦江第一、第二和第四污水處理廠，義烏、東陽、臨安城市污水處理廠以及海寧尖山污水處理廠。

所調研縣（市）城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理人工濕地工程的綜合分析見表1。從表1可知，采用人工濕地技術對城鎮(zhèn)污水處理廠尾水進行深度處理的項目中，臨安城鎮(zhèn)污水處理廠出水標準由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B提升至一級A，其他均為從《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A至地表水環(huán)境質量標準Ⅴ類。

表1 所調研縣（市）污水處理廠深度處理綜合情況

所調研案例中，僅有臨安污水處理廠的人工濕地處理系統(tǒng)已經長時間運行，其他縣市均處于調試及試運行階段。根據各地市測試數據（部分污水廠沒有測TN指標），所調研城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度處理效果良好（見表2）。

表2 所調研縣市水質數據自行檢測結果匯總 mg·L-1

2.2應用制約因素研究

2.2.1溫度的影響

一般來說，人工濕地對COD有較高的去除率，大多數濕地系統(tǒng)的去除率為80%~90%，COD的去除率與各種微生物數量有明顯的相關性；人工濕地的脫氮主要靠微生物的硝化、反硝化作用來實現(xiàn)；人工濕地系統(tǒng)對磷的去除途徑最主要是基質對磷的吸附沉淀作用，植物吸收對有機磷的去除效率影響不大。

但值得注意的是，溫度對人工濕地處理效率的影響比較顯著。大量的研究結果表明，硝化反應的最適溫度為25~30℃，當溫度＜15℃時，硝化細菌的硝化速率明顯下降，活性也大幅度下降；Crites等研究發(fā)現(xiàn)，在10℃時硝化速率比較穩(wěn)定，低于此溫度，濕地處理效率明顯下降；在溫度＜5℃時硝化細菌的生長幾乎停止，低溫會抑制硝化細菌的最大比生長速率。反硝化反應的最適溫度為20~40℃，當溫度＜15℃時，反硝化細菌的生長繁殖和代謝速率都明顯下降，溫度為8℃時的反硝化速率還不到溫度為30℃時的1/7，低溫會影響反硝化菌活性，進而影響反硝化菌的脫氮效果。Brodrick等研究發(fā)現(xiàn)反硝化速率在5℃左右時非常低，很大程度上限制了濕地脫氮作用的發(fā)揮。低溫還會影響微生物的生理特性，主要是對微生物的細胞膜及其攝取養(yǎng)分、代謝、蛋白質的合成、細胞分裂和RNA合成造成影響。針對此問題，國內外學者做了一系列研究。Wallace等提出在亞寒帶地區(qū)冬季，進行適當的隔離設計，研究表明不同覆蓋物對系統(tǒng)處理性能有很大影響。周鍵等研究了序批式人工濕地低溫脫氮效能的試驗表明，在冬季低溫下序批式濕地運行工況良好，出水水質達到一級標準；劉學燕等將人工濕地進行改造，使其具有防凍，高氧傳送功能，此系統(tǒng)在溫度＜4℃時硝化反應也能進行。但以上研究均為實驗室短期試驗，并不能保證整個冬季的長期運行。因此，采用人工濕地技術，需要考慮季相變非植物生長季節(jié)系統(tǒng)處理效率降低的問題。

2.2.2 基質堵塞的影響

長期運行的人工濕地會受到有機物積累、懸浮顆粒物沉積、淤堵層在水流作用下的機械壓縮以及細小顆粒物隨水遷移等作用導致基質的堵塞，嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。堵塞物質在濕地表層和上層大量累積，不僅對濕地水力停留時間有極大的影響，還會導致濕地出現(xiàn)表面流、短流等問題，從而影響濕地對于污水的處理效果，導致出水水質惡化。Knowles等研究了25個水平潛流人工濕地，這些濕地內的基質直徑在6~11mm之間，結果發(fā)現(xiàn)大粒徑的基質并沒有影響濕地的處理效果。通過增加填料的粒徑，可逐漸提高濕地的壽命。除了粒徑的大小之外，基質的粒度和形狀同樣會影響濕地的滲透系數。填料棱角的存在會增加生物膜的附著面，減小濕地的孔隙率，加劇濕地的堵塞。Morales等研究了填料不同的排列方式對濕地堵塞的影響，結果發(fā)現(xiàn)通過合理的排列，可以增加濕地的自然曝氣，從而延緩濕地的堵塞。人工濕地的堵塞是一個復雜的過程，為了深入探討堵塞的機理，有必要對其進行分類研究。前人考慮了生物膜堵塞和有機顆粒堵塞，并將其分開進行了對比研究，但實際情況要更加復雜，除這些之外，還存在無機顆粒的堵塞，以及這些堵塞相互作用的情況存在，目前還缺乏對這些問題的詳細研究。

2.2.3 運行維護管理的影響

雖然與傳統(tǒng)的污水處理技術和工藝相比，人工濕地的運行管理更簡單，但不能因此忽視運行管理的重要性。人工濕地存在堵塞、基質表面板結、低溫運行效率低、布水不均勻、植物病蟲害以及植物需定期收割等問題，如果不進行科學的運行管理，會使人工濕地系統(tǒng)功能得不到發(fā)揮，容易造成污染物去除效率降低、使用壽命減少等問題，使得建成的人工濕地最終荒廢，大大縮短工程使用年限。

NO.3

污水處理廠尾水深度提標可行性研究

3.1 污水處理廠尾水人工濕地處理提標效果

對于人工濕地技術的去除率沒有準確定論，這與人工濕地類型、結構及尺寸設計、植物選取、處理的水質和水量等多種因素有關。因此，對于城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地技術的去除率，并沒有統(tǒng)一的標準，只能通過研究人員的經驗數據以及相似工程案例類比分析。

《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》（HJ2005—2010）中對人工濕地技術污染物去除率從綜合的角度進行了寬泛的界定（具體數值詳見表3），其中潛流式人工濕地，尤其是垂直流人工濕地具有更好的水質凈化效果。

表3 人工濕地污染物去除效率 %

不同類型人工濕地將城鎮(zhèn)污水處理廠尾水從一級A提升至地表水環(huán)境質量標準的情況（采用表流式+潛流式組合方式，取下限值）如表4所示。通過對比可知，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水采用人工濕地處理技術提標，如果濕地類型或不同類型的組合選擇適當，且面積設置合理，深度處理后的出水理論上基本可以滿足“準Ⅳ類”標準（不考慮總氮指標）。

表4城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度處理提標預期效果 mg·L-1

3.2 人工濕地處理水量與人工濕地面積關系

圖2是人工濕地處理水量與濕地面積經單因素方差分析后的相關性擬合圖。由圖2中擬合曲線可知，隨著濕地處理水量的增加，濕地面積也基本成曲線增長（R2=0.5527）。不過線性擬合數據由于樣本量過少，不具有代表性，僅能解釋目前樣本容量下兩者間的大概關系與相關趨勢。污水深度處理提標若采用人工濕地工藝，按純生活污水處理廠及工業(yè)廢水占比0~50%的污水處理廠提標需求計計，需新增的土地約為40畝/104m3水，而目前浙江省的大部分城鎮(zhèn)污水處理廠在建設時未考慮深度提標的土地預留，深度處理水質提標如采用人工濕地技術，土地局限性明顯，不利于提標。

圖2 受調研人工濕地處理水量與濕地面積相關性擬合圖

3.3 人工濕地處理水量與人工濕地投資關系

我國已建成的部分人工濕地工程（處理各種廢水）占地指標區(qū)間在0.003~0.045畝/（m3·d-1）之間，而調研中浙江省的人工濕地占地指標區(qū)間偏小，為0.002~0.006畝/（m3·d-1）。有資料顯示，采用人工濕地技術（以潛流式人工濕地為例）將城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質從《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準提升到地表水Ⅴ類~Ⅲ類，所需要的占地面積為0.0015~0.007 5畝/（m3·d-1），如城鎮(zhèn)污水處理廠尾水要達到或接近地表水環(huán)境質量標準的Ⅳ類水質，所需占地指標估算為0.0045畝/（m3·d-1）。一般來說，同種工藝參數前提下（如水力負荷），處理水量的增加會導致占地面積的增大，面積的增大又會造成投資的增加。人工濕地處理水量與投資的關系見圖3。根據所調研的案例數據分析可知，隨著人工濕地處理水量的增加，人工濕地的投資呈曲線增長，即人工濕地投資與進水量的變化成正相關（R2=0.9927）。理論上采用人工濕地技術可以達到“準Ⅳ類”標準（TN除外），但投資巨大，應根據提標需求進行深入論證。

圖3 受調研人工濕地處理水量與人工濕地投資的關系

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結語

①采用人工濕地處理達到一級A出水標準的城鎮(zhèn)污水處理廠尾水，如果濕地類型或不同種類的濕地組合選擇適當，同時面積設置合理，深度處理后的出水水質基本可以滿足地表水環(huán)境質量標準Ⅳ類水。

②隨著人工濕地處理水量的增加，所需濕地面積呈曲線增長，人工濕地面積與進水量的變化成正比；隨著人工濕地處理水量的增加，人工濕地的投資呈曲線增長，即人工濕地投資與進水量的變化成正相關（R2=0.9927）。

③城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度處理提標工程應該綜合考慮尾水處理達標與否、占地面積及場地選擇是否合理、投資及運行管理成本、季節(jié)影響等多種因素，應因地制宜，針對性地組織專家進行可研及后續(xù)設計論證。

④建議不要盲目跟“高標準”風，一定要結合當地技術、經濟、水環(huán)境等綜合考慮，既要推進提標改造項目，又要做到錢花到刀刃上；鼓勵一些工業(yè)廢水占比小、處于環(huán)境敏感區(qū)域上游、具備用地條件的城鎮(zhèn)污水處理廠開展尾水人工濕地技術處理。

本文詳細內容參見2019年1月《中國給水排水》第2期 “浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度提標研究”，作者：孔令為1、邵衛(wèi)偉1、梅榮武1、王曉敏1、譚映宇1、蔣濤1、魏俊2、黃冠中1，單位：1.浙江省環(huán)境保護科學設計研究院；2.中國電建集團華東勘察設計研究院有限公司。

該文標準引用格式：

孔令為，邵衛(wèi)偉，梅榮武，等. 浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度提標研究[J]. 中國給水排水，2019，35（2）：39-43.

Kong Lingwei，Shao Weiwei，Mei Rongwu，et al. Study on constructed wetland for advanced treatment of terminal effluent of wastewater treatment plant in Zhejiang Province[J]. China Water & Wastewater, 2019，35（2）：39-43(in Chinese).

編輯：任瑩瑩

制作：文凱