水平潛流人工濕地在高速公路服務區(qū)污水深度處理的應用研究

為提升高速公路服務區(qū)污水處理效果，采用水平潛流人工濕地作為深度處理工藝，處理出水可滿足回用水標準，實現沖廁、綠化等資源化利用，并具有處理效果穩(wěn)定、建設投資節(jié)省、操作維護簡單、運行費用低等優(yōu)點。本文基于表面水力負荷確定了人工濕地面積設計參數范圍為0.2～1.0m3/(m2·d)，并結合去除效果及經濟性等原則推薦了濕地填料和濕地植物，為公路污水處理回用工程設計提供參考。1、工藝流程設計高速公路污水處理采用人工濕地工藝對生化池處理出水進行深度處理，具體工藝流程設計如圖1所示，服務區(qū)、管理處、收費站及養(yǎng)護工區(qū)的生活污水與餐飲廢水，經污水收集系統(tǒng)收集后輸送至調節(jié)池，由于生活污水含有較多的漂浮物（如手紙、塑料袋、菜葉、菜根等），在調節(jié)池前設置格柵井，起到攔截作用，防止?jié)撍嵘枚氯麚p壞，為系統(tǒng)的長期正常運行提供保證。污水在調節(jié)池內均質均量后，發(fā)生物理沉降，進行固液分離，以去除廢水中大部分的懸浮物，并保證后續(xù)生物處理的穩(wěn)定性。調節(jié)池內安裝潛水提升泵，提升調節(jié)池上清液進入生化處理池，以去除大部分有機物、氨氮。生化處理出水進入人工濕地，進行深度脫氮除磷，達到GB18918—2002一級A標準或中水回用標準后，排入集水池，經消毒后排放或作為沖廁、綠化用水等資源化利用。圖1工藝流程圖2、設計進出水水質高速公路污水水質與城市生活污水類似，污水處理系統(tǒng)進水水質的設計可以參考生活污水水質指標，同時參考已建項目污水處理設施的運行數據；二級生化處理出水可以按照達到GB18918—2002的一級B標準進行設計，人工濕地出水按照GB18918—2002的一級A標準進行設計，同時滿足GB18920—2002中的沖廁、綠化、道路澆灑的水質標準。具體進出水水質指標如表1所示。表1設計進、出水水質（mg/L)3、人工濕地設計3.1人工濕地類型的選擇人工濕地按照填料和水的位置關系，分為表面流人工濕地和潛流人工濕地。與自由表面流人工濕地相比，潛流人工濕地水力負荷和污染去除負荷大，對BOD、COD、SS、重金屬等污染指標去除效果好，且很少有惡臭和蚊蠅滋生現象。潛流人工濕地按照水流方向，分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。水平潛流人工濕地指水面在填料表面以下，水從進水端水平流向出水端的人工濕地，污水與填料及植物根系充分接觸，通過表面生物膜吸附和截留作用，有效去除污水中有機物和重金屬，且污水在基質內部流動，保溫效果較好，受氣候影響小，在污水處理領域得到廣泛應用。相較于水平潛流人工濕地，垂直潛流人工濕地具有水力負荷高、占地面積小及氮磷去除效果較好的優(yōu)點，但其基建費用高、操控不便，仍未得到廣泛的應用。此外，垂直潛流人工濕地在運行中布水管與集水管容易堵塞，嚴重的甚至導致無法運行，對基質的孔隙大小與級配要求相對較高，更容易造成堵塞，對運行條件和管理維護的要求較高。而水平潛流人工濕地對懸浮物處理效果好，堵塞的風險相對較小，構造相對簡單，管理維護簡單，更適合應用于高速公路服務區(qū)污水處理。3.2人工濕地面積的確定人工濕地因其自身凈化機制的特殊性，與其他傳統(tǒng)的污水處理工藝相比，需要較大的占地面積。而高速公路服務區(qū)污水處理建設鼓勵節(jié)約集約用地，因此，人工濕地占地面積的確定尤為重要。根據生態(tài)環(huán)境部《人工濕地水質凈化技術指南》（環(huán)辦水體函〔2021〕173號）、住房和城鄉(xiāng)建設部《人工濕地污水處理技術導則》（RISN-TG006—2009）和原環(huán)境保護部《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》（HJ2005—2010）等相關標準，人工濕地的面積可根據表面水力負荷計算。計算公式如下：式中，A為濕地面積，m2；Q為進水流量，m3/d；q為表面水力負荷，m3/（m2·d）。根據各省市1月、7月平均氣溫，并輔助考慮年日平均氣溫≤5℃與≥25℃的天數，相關標準和規(guī)范將全國分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)等五個區(qū)。水平潛流人工濕地表面水力負荷設計參數可以基于氣候分區(qū)進行取值，取值范圍為0.2～1.0m3/（m2·d）。此外，人工濕地表面水力負荷設計參數也可以通過試驗或按相似條件下人工濕地的運行經驗確定。如白雪原關于水平潛流人工濕地處理城鎮(zhèn)污水廠尾水的試驗研究表明，當處理目標為地表V類水標準時，水力負荷宜選擇0.5～0.6m3/（m2·d）；盧建等采用生物法（水解酸化/生物接觸氧化）-人工濕地組合工藝處理小城鎮(zhèn)片區(qū)混合污水的研究結果表明，在0.30～0.59m3/（m2·d）水力負荷率下，垂直流-表面流-水平潛流人工濕地組合系統(tǒng)對COD，BOD5和TSS具有良好的去除效果，出水水質能夠穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838—2002）的IV類水標準。胡杰等于2018年巢湖流域某鎮(zhèn)污水處理1500m3/d尾水深度處理工程中，采用水平潛流和表面流的組合人工濕地，在表面水力負荷0.47m3/（m2·d）條件下運行，出水COD達到地表III類水標準，NH4+-N、TN、TP達到地表IV類水標準?？梢?，水力負荷是人工濕地主要的設計參數，直接影響人工濕地對污染物的凈化效率。水力負荷過大，水力停留時間將會縮短，污染物可能未被及時吸收、吸附、降解即隨出水排出系統(tǒng)外，最終導致系統(tǒng)凈化效率下降；水力負荷過小，水力停留時間長，雖然有助于有機污染物的去除，但長期受到缺氧或厭氧環(huán)境的抑制，會影響系統(tǒng)脫氮。過小的水力負荷需要較大的占地面積，還會增加工程投資和運行成本。因此，在進行人工濕地設計時，需要按照水質凈化目標選擇適宜的占地面積及表面水力負荷參數。此外人工濕地的面積可以通過水力停留時間計算，采用COD、NH3-N、TN、TP等污染物削減負荷（NA）進行校核。3.3濕地填料選擇人工濕地應選擇具有一定機械強度、比表面積較大、穩(wěn)定性良好并具有合適孔隙率的填料，且在保證處理效果的前提下，宜根據當地資源狀況選取，以節(jié)省工程造價。常見的填料有碎石、火山巖、礫石、卵石、沸石、石灰石、礦渣、陶粒、陶粒濾料等，也可采用經過加工和篩選的碎磚瓦或對生態(tài)環(huán)境安全的合成材料?；|種類、粒徑和級配方式的不同對污染物的處理效果差異很大，且不同基質為植物和微生物提供的生存環(huán)境不同，從而會影響水處理效果。3.4濕地植物選擇與配置濕地植物宜選用耐污能力強、根系發(fā)達、去污效果好、具有抗凍及抗病蟲害能力、有一定經濟價值、易管理的本土植物。一般應選用當地或本地區(qū)天然濕地中存在的植物，所選植物不對當地的生態(tài)環(huán)境構成隱患或威脅，具有生態(tài)安全性。不同區(qū)域、不同生長環(huán)境下適宜的植物種類也有所差異。