水平潜流人工湿地在高速公路服务区污水深度处理的应用研究

为提升高速公路服务区污水处理效果，采用水平潜流人工湿地作为深度处理工艺，处理出水可满足回用水标准，实现冲厕、绿化等资源化利用，并具有处理效果稳定、建设投资节省、操作维护简单、运行费用低等优点。本文基于表面水力负荷确定了人工湿地面积设计参数范围为0.2～1.0m3/(m2·d)，并结合去除效果及经济性等原则推荐了湿地填料和湿地植物，为公路污水处理回用工程设计提供参考。1、工艺流程设计高速公路污水处理采用人工湿地工艺对生化池处理出水进行深度处理，具体工艺流程设计如图1所示，服务区、管理处、收费站及养护工区的生活污水与餐饮废水，经污水收集系统收集后输送至调节池，由于生活污水含有较多的漂浮物（如手纸、塑料袋、菜叶、菜根等），在调节池前设置格栅井，起到拦截作用，防止潜水提升泵堵塞损坏，为系统的长期正常运行提供保证。污水在调节池内均质均量后，发生物理沉降，进行固液分离，以去除废水中大部分的悬浮物，并保证后续生物处理的稳定性。调节池内安装潜水提升泵，提升调节池上清液进入生化处理池，以去除大部分有机物、氨氮。生化处理出水进入人工湿地，进行深度脱氮除磷，达到GB18918—2002一级A标准或中水回用标准后，排入集水池，经消毒后排放或作为冲厕、绿化用水等资源化利用。图1工艺流程图2、设计进出水水质高速公路污水水质与城市生活污水类似，污水处理系统进水水质的设计可以参考生活污水水质指标，同时参考已建项目污水处理设施的运行数据；二级生化处理出水可以按照达到GB18918—2002的一级B标准进行设计，人工湿地出水按照GB18918—2002的一级A标准进行设计，同时满足GB18920—2002中的冲厕、绿化、道路浇洒的水质标准。具体进出水水质指标如表1所示。表1设计进、出水水质（mg/L)3、人工湿地设计3.1人工湿地类型的选择人工湿地按照填料和水的位置关系，分为表面流人工湿地和潜流人工湿地。与自由表面流人工湿地相比，潜流人工湿地水力负荷和污染去除负荷大，对BOD、COD、SS、重金属等污染指标去除效果好，且很少有恶臭和蚊蝇滋生现象。潜流人工湿地按照水流方向，分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。水平潜流人工湿地指水面在填料表面以下，水从进水端水平流向出水端的人工湿地，污水与填料及植物根系充分接触，通过表面生物膜吸附和截留作用，有效去除污水中有机物和重金属，且污水在基质内部流动，保温效果较好，受气候影响小，在污水处理领域得到广泛应用。相较于水平潜流人工湿地，垂直潜流人工湿地具有水力负荷高、占地面积小及氮磷去除效果较好的优点，但其基建费用高、操控不便，仍未得到广泛的应用。此外，垂直潜流人工湿地在运行中布水管与集水管容易堵塞，严重的甚至导致无法运行，对基质的孔隙大小与级配要求相对较高，更容易造成堵塞，对运行条件和管理维护的要求较高。而水平潜流人工湿地对悬浮物处理效果好，堵塞的风险相对较小，构造相对简单，管理维护简单，更适合应用于高速公路服务区污水处理。3.2人工湿地面积的确定人工湿地因其自身净化机制的特殊性，与其他传统的污水处理工艺相比，需要较大的占地面积。而高速公路服务区污水处理建设鼓励节约集约用地，因此，人工湿地占地面积的确定尤为重要。根据生态环境部《人工湿地水质净化技术指南》（环办水体函〔2021〕173号）、住房和城乡建设部《人工湿地污水处理技术导则》（RISN-TG006—2009）和原环境保护部《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ2005—2010）等相关标准，人工湿地的面积可根据表面水力负荷计算。计算公式如下：式中，A为湿地面积，m2；Q为进水流量，m3/d；q为表面水力负荷，m3/（m2·d）。根据各省市1月、7月平均气温，并辅助考虑年日平均气温≤5℃与≥25℃的天数，相关标准和规范将全国分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区等五个区。水平潜流人工湿地表面水力负荷设计参数可以基于气候分区进行取值，取值范围为0.2～1.0m3/（m2·d）。此外，人工湿地表面水力负荷设计参数也可以通过试验或按相似条件下人工湿地的运行经验确定。如白雪原关于水平潜流人工湿地处理城镇污水厂尾水的试验研究表明，当处理目标为地表V类水标准时，水力负荷宜选择0.5～0.6m3/（m2·d）；卢建等采用生物法（水解酸化/生物接触氧化）-人工湿地组合工艺处理小城镇片区混合污水的研究结果表明，在0.30～0.59m3/（m2·d）水力负荷率下，垂直流-表面流-水平潜流人工湿地组合系统对COD，BOD5和TSS具有良好的去除效果，出水水质能够稳定达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）的IV类水标准。胡杰等于2018年巢湖流域某镇污水处理1500m3/d尾水深度处理工程中，采用水平潜流和表面流的组合人工湿地，在表面水力负荷0.47m3/（m2·d）条件下运行，出水COD达到地表III类水标准，NH4+-N、TN、TP达到地表IV类水标准。可见，水力负荷是人工湿地主要的设计参数，直接影响人工湿地对污染物的净化效率。水力负荷过大，水力停留时间将会缩短，污染物可能未被及时吸收、吸附、降解即随出水排出系统外，最终导致系统净化效率下降；水力负荷过小，水力停留时间长，虽然有助于有机污染物的去除，但长期受到缺氧或厌氧环境的抑制，会影响系统脱氮。过小的水力负荷需要较大的占地面积，还会增加工程投资和运行成本。因此，在进行人工湿地设计时，需要按照水质净化目标选择适宜的占地面积及表面水力负荷参数。此外人工湿地的面积可以通过水力停留时间计算，采用COD、NH3-N、TN、TP等污染物削减负荷（NA）进行校核。3.3湿地填料选择人工湿地应选择具有一定机械强度、比表面积较大、稳定性良好并具有合适孔隙率的填料，且在保证处理效果的前提下，宜根据当地资源状况选取，以节省工程造价。常见的填料有碎石、火山岩、砾石、卵石、沸石、石灰石、矿渣、陶粒、陶粒滤料等，也可采用经过加工和筛选的碎砖瓦或对生态环境安全的合成材料。基质种类、粒径和级配方式的不同对污染物的处理效果差异很大，且不同基质为植物和微生物提供的生存环境不同，从而会影响水处理效果。3.4湿地植物选择与配置湿地植物宜选用耐污能力强、根系发达、去污效果好、具有抗冻及抗病虫害能力、有一定经济价值、易管理的本土植物。一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植物，所选植物不对当地的生态环境构成隐患或威胁，具有生态安全性。不同区域、不同生长环境下适宜的植物种类也有所差异。