3　污水自然净化工程

污水自然净化工程是指运用生态学原理，采用工程学手段，将污水有控制地投配到土地上，利用土壤-植物-微生物复合系统的物理、化学和生物三重协同作用，对污水中的有机污染物、营养素以及其他污染物进行多级转换、利用和净化的工艺技术，是污水治理与水资源利用相结合的方法。

3.1　人工构筑湿地系统污水处理技术

人工湿地系统（artificial wetland system）或构筑湿地系统（constructed wetlands system）是人们模拟天然湿地系统结构和功能而建造的、可控制运行的湿地系统，用以对污水进行处理的一种工艺技术，由围护结构、人工基质、水生植物等部分构成。当水进入人工湿地时，其污染物被床体吸附、过滤、分解而达到水质净化作用。

3.1.1　人工构筑湿地的优缺点

优点：（a）人工湿地系统最大的特点是基本不耗能；（b）建设和运行费用低，易于管理；（c）能保持全年较高的水力负荷；（d）若设计合理，运行管理严格，其处理污水效果稳定，出水BOD等明显优于生物处理出水；（e）对于小流量污水及间歇排放的废水处理更为适宜，耐污及水力负荷强，抗冲击负荷性能好；（f）不仅适合于生活污水的处理，而且对某些工业废水、农业废水、矿山酸性废水以及液态污泥也有较好的净化能力；（g）既能净化污染物，又能形成良好的生态环境，为野生动植物提供良好的生境。

缺点：需要土地面积较大，对恶劣气候抵御能力弱，净化能力受作物生长成熟程度的影响大。

3.1.2　人工构筑湿地的类型与构成

3.1.2.1　人工构筑湿地的类型

按污水流动方式，人工构筑湿地分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地3种。如图1-3-1所示。

（1）表面流人工湿地　表面流人工湿地（free water surface constructed wetlands）是指污水在人工湿地基质层表面以上流动，依靠表层基质、植物根茎的拦截及其上的生物膜降解作用，使污水净化的人工湿地［图1-3-1（a）］。它与自然湿地最为接近，能维持一定的水层厚度，一般为10～30cm；水流呈推流式前进，流至终端而流出。污水投入湿地后，在流动过程中，与土壤、植物，特别是与植物根茎部生长的生物膜接触，通过物理、化学以及生物的反应过程而得到净化。这种湿地具有投资少、操作简单以及运行费用低等优点，但是未能充分发挥填料和丰富的植物根系的作用、占地面积较大、水力负荷率较小，夏季易滋生蚊蝇，卫生条件不好。

（2）水平潜流人工湿地　水平潜流人工湿地（subsurface horizontal flow constructed wetlands）是指污水在基质层表面以下，从人工湿地池体进水端水平流向出水端，通过基质的拦截、植物根部及生物膜的降解作用，使污水净化的人工湿地［图1-3-1（b）］。与表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷、污染负荷大，能充分利用整个系统的协同作用，对BOD、COD、SS和重金属等污染指标的去除效果好，卫生条件较好，占地小，但是控制相对复杂。

（3）垂直潜流人工湿地　垂直潜流人工湿地（vertical flow constructed wetlands）是指污水从人工湿地表面垂直流过人工湿地基质床，而从底部排出，或从底部进入垂直流向基质表层并排出，使水得以净化的人工湿地［图1-3-1（c）］。它的床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统，其硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水，缺点是对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统。

3.1.2.2　人工构筑湿地的构成

主要由基质以及生长在基质上的水生植物、微生物种群构成。

（1）基质　基质是提供人工湿地植物与微生物生长并对污染物起过滤、吸收作用的填充材料，包括土壤、砂、砾石、沸石、石灰石、页岩、塑料、陶瓷等。

对出水的氮、磷浓度有较高要求时，可使用功能性基质，如土壤能吸收污水中大部分的磷，采用中等颗粒的砂做基质，也可提高除磷效率。

（2）水生植物　人工湿地宜选用耐污能力强、根系发达、去污效果好、具有抗病虫害及抗冻能力、有一定经济价值、容易管理的本土植物。

潜流人工湿地可选择芦苇、蒲草、荸荠、莲、水芹、茭白、水葱、香蒲、菖蒲、灯心草等挺水植物。表流人工湿地可选择菖蒲、灯心草等挺水植物；凤眼莲、浮萍、睡莲等浮水植物；伊乐藻、茨藻、金鱼藻、黑藻等沉水植物。

（3）微生物　湿地系统富集着大量的微生物，如细菌、真菌、原生动物以及较高等的动物。但仅附着于根茎部分的微生物对污水净化起主导作用。净化效果取决于停留时间、接触反应条件、供氧与需氧状况及水温等因素。

3.1.3　作用机理与净化效果

3.1.3.1　作用机理

人工湿地系统去除污染物的作用机理主要是物理作用、化学与物理化学作用、生物以及植物作用。可归纳如表1-3-1所示。

3.1.3.2　净化效果

（1）进水水质　污水进入人工湿地系统前应先经过预处理，其进水水质要求，如表1-3-2所示。

（2）净化效果　人工湿地系统能有效地去除污水中的BOD₅、COD_Cr、SS、N、P以及微量有机物等。在进水满足要求的条件下，人工湿地系统一般可达到的污染物去除效率，如表1-3-3所示。

3.1.4　设计方法

3.1.4.1　场址选择

选择场址时应考虑：（a）符合当地总体发展规划的要求，以及综合考虑交通运输、土地权属、土地利用现状、发展扩建、再生水回用等因素；（b）应考虑自然背景条件，包括土地面积、地形、气象和水文状况，动物与植物生态因素等；（c）应不受洪水、潮水或内涝威胁，且不影响行洪安全；（d）宜选用自然坡度为0～3%的洼地或塘，以及未利用土地。

3.1.4.2　设计参数和计算公式

（1）设计参数　人工湿地面积一般按表面有机负荷确定，同时还应满足水力负荷要求。人工湿地的主要设计参数宜根据试验资料确定；无试验资料时，可采用经验数据或按表1-3-4的数据取值。

（2）计算公式　人工湿地计算公式如下。

①人工湿地面积

　　（1-3-1）

式中，A为人工湿地面积，m²；Q为设计污水量，m³/d；S₀为进水BOD₅质量浓度，mg/L；S_e为出水BOD₅质量浓度，mg/L；q_os为表面有机负荷，kgBOD₅/（m²·d）。

②水力负荷

　　（1-3-2）

③水力停留时间

　　（1-3-3）

式中，t为潜流人工湿地的水力停留时间，d；V为人工湿地基质在自然状态下的体积，m³；ε为孔隙率，%。

3.1.4.3　几何尺寸设计

（1）潜流人工湿地

a.水平潜流人工湿地单元面积宜小于800m²，垂直潜流人工湿地单元面积宜小于1500m²；

b.潜流人工湿地单元的长宽比宜控制在3∶1以下；

c.规则的潜流人工湿地单元的长度宜为20～50m。对于不规则潜流人工湿地单元，应考虑均匀布水和集水；

d.水深宜为0.4～1.6m；

e.水力坡度宜为0.5%～1%。

（2）表面流人工湿地

a.表面流人工湿地单元的长宽比宜控制在（3∶1）～（5∶1）；

b.水深宜为0.3～0.5m；

c.水力坡度宜小于0.5%。

3.1.4.4　工艺流程

按工程接纳的污水类型，常采用的基本工艺流程为：

a.生活污水及与生活污水性质相近的其他污水处理工艺（图1-3-2）。

b.污水处理厂出水的处理工艺（图1-3-3）。

3.1.4.5　预处理与后处理要求

（1）预处理　为保证人工湿地处理效果，增加湿地处理寿命及处理能力，一般都要增设预处理单元。预处理的程度和方式应综合考虑污水水质、人工湿地类型及出水水质要求等因素，可采用格栅、沉砂、均质等一级处理工艺，物化强化、AB法前段、水解酸化等一级强化处理工艺，以及SBR、A_NO、生物接触氧化等二级处理工艺。

（2）后处理　应根据污水排放标准的要求选择是否设置消毒设施。当人工湿地出水作为再生水利用时，应符合《污水再生利用工程设计规范》（GB 50335—2002）中的污水再生利用分类和水质控制指标等相关要求。

3.1.4.6　湿地系统的进出水布置与组合系统

（1）湿地系统的进水与出水的布置　进出水方式一般有推流式［图1-3-4（a）］、具有回流的推流式［图1-3-4（b）］、分级进水式［图3-3-4（c）］和分散进水-回流组合式［图1-3-4（d）］等。

（2）湿地系统的组合　根据处理规模的大小，人工湿地本身可进行多种方式的组合，一般可分为并联式、串联式和混合式等组合方式。

3.2　污水稳定塘处理工程技术

稳定塘又名氧化塘或生物塘，是土地经过人工适当修整，设围堤和防渗层的池塘，主要依靠自然生物净化功能净化污水，净化过程与自然水体的自净过程极其相近。有机污染物在塘中被微生物所降解，塘内的氧由塘内生长的藻类的光合作用及塘面的复氧作用提供。稳定塘是一种构造简单、维护管理容易、处理效果稳定的污水处理方法。

稳定塘的类型主要有好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘、深度处理塘以及控制出水塘等。

稳定塘的影响因素主要有：（a）氧的转移受塘面积与容积之比、水流紊动状况、塘内水深、细菌吸氧速率等的影响；（b）光照；（c）气温；（d）营养物质；（e）有害有毒化学物；（f）酸碱度等。

稳定塘有下述优缺点。

优点：（a）基建投资低。当有旧河道、沼泽地、洼地可利用作为稳定塘时，稳定塘系统的基建投资低；（b）运行管理简单、经济。稳定塘运行管理简单，动力消耗低，运行费用较低，约为传统二级处理厂的1/3～1/5；（c）可进行综合利用实现污水资源化。例如，将稳定塘出水用于农业灌溉；（d）充分利用污水的水肥资源；（e）养殖水生动物和植物，组成多级食物链的复合生态系统。

缺点：（a）占地面积大，没有空闲余地时不宜采用；（b）处理效果受气候影响。如季节、气温、光照、降雨等自然因素都影响稳定塘的处理效果；（c）设计运行不当时，可能形成二次污染。如污染地下水、产生臭气和滋生蚊蝇等。虽然稳定塘存在着上述缺点，但是如果能进行合理的设计和科学的管理，利用稳定塘处理污水，则可以有明显的环境效益、社会效益和经济效益。

3.2.1　好氧塘

（1）好氧塘的特性　好氧塘是一种菌藻共生的污水好氧生物处理塘（图1-3-5）。深度较浅，一般为0.3～0.5m，有机负荷低。阳光可以直接射透到塘底，塘内存在着细菌、原生动物和藻类，由藻类的光合作用和风力搅动提供溶解氧，好氧微生物对有机物进行降解。由于整个塘水都处于好氧状态，BOD降解效果好，去除率一般可达80%以上。

（2）好氧塘的分类

①高负荷好氧塘　有机负荷较高，水力停留时间较短，塘水的深度较浅。出水中藻类含量高。

②普通好氧塘　有机负荷比前者低，水力停留时间较长。以处理污水为主要目的，起二级处理作用。

③深度处理好氧塘　有机负荷较低，水力停留时间也短。其目的是在二级处理系统之后，进行深度处理。

（3）好氧塘的设计计算

①设计要点　（a）好氧塘应该建在温度适宜、光照充分、通风条件良好的地方；（b）好氧塘既可以单独使用，又可以串联在其他处理系统之后，进行深度处理。如果用于单独处理污水，则在污水进入好氧塘之前必须进行彻底的预处理；（c）好氧塘多采用矩形塘，长宽比为（3∶1）～（4∶1），塘堤内坡（1∶2）～（1∶3），外坡（1∶2）～（1∶5），堤顶1.8～2.4m，超高0.6～1.0m；（d）塘数一般不少于3座，规模很小时不少于2座，单塘面积不宜超过5000m²；（e）进水口应尽量使横断面上配水均匀，宜采用扩散管或多点进水；（f）出水应考虑投加混凝剂除藻。

②设计方法　实际工程中多采用经验数据进行设计，即BOD₅表面负荷法。好氧塘的典型设计参数列于表1-3-5。

3.2.2　兼性塘

3.2.2.1　兼性塘的特性

兼性塘的有效水深一般为1.0～2.0m，塘内存在着3个区域。上层为好氧区，阳光能透入，好氧菌与藻类共生，具有好氧塘的特点；底层为厌氧区，厌氧微生物占优势，积累在此区域内的固体杂质被厌氧菌充分分解；中部为好氧区与厌氧区之间的过渡区即兼性区，兼性微生物占优势，通过兼性微生物分解有机物，兼性塘内的生化反应过程十分复杂，反应产物的转化、生成也十分复杂，如图1-3-6所示。

兼性塘的出水水质，BOD₅较低，SS较高，通常清晨出水中含藻量最小，中午最大。由于兼性塘的净化机理比较复杂，因此兼性塘去除污染物的范围比好氧处理系统广泛，既可用来处理城市污水，也能用于处理石油化工、印染、造纸等工业废水。

3.2.2.2　兼性塘的设计

（1）设计要点　（a）应该建在通风、无遮蔽的地方；（b）长宽比为（3∶1）～（4∶1），塘堤内坡（1∶2）～（1∶3），外坡（1∶2）～（1∶5）；（c）塘内有效水深1.2～2.5m，贮泥厚度不小于0.3m，若考虑冬季冰盖厚度，总深可达2.5～4.0m；（d）塘数一般不少于3座，串联运行，单塘面积以5000m²为宜；（e）应使进出水口水流均匀分布，污泥若干年应清除一次；（f）如果兼性塘作为第一级，则要求有一定的预处理措施。

（2）设计方法　一般是采用经验方法进行计算，即BOD₅表面负荷法。设计参数的选取与冬季平均气温有很大关系，如表1-3-6所示。

兼性塘的设计方法还有奥斯沃尔德（W.J.Oswald）法、贝尼菲尔德（L.D.Benefeild）法以及国内提出的使用方法，其主要技术参数如表1-3-7所示。

3.2.3　厌氧塘

3.2.3.1　厌氧塘的特性

厌氧塘的水深一般在2.0m以上，有机负荷高，全部塘水均无溶解氧，呈厌氧状态，有机物在厌氧微生物的代谢作用下缓慢分解，最后转化为甲烷和二氧化碳，同时释出H₂O及其他致臭物质，如图1-3-7所示。

厌氧塘多用以处理高浓度有机废水，如肉类加工、食品工业、牲畜饲养场等废水。此外，厌氧塘的处理水，有机物含量仍很高，需要进一步通过兼性塘和好氧塘处理。

3.2.3.2　厌氧塘的设计方法

（1）设计要点　（a）厌氧塘一般为矩形，长宽比为（2～2.5）∶1，塘堤内坡（1∶1.5）～（1∶3），外坡（1∶2）～（1∶4）；（b）塘数不少于2座，面积不宜大于8000m²，有效水深3～5m，保护高0.6～1m；（c）厌氧塘一般位于稳定塘系统之首，宜设并联，以便轮换清除污泥；（d）塘底应采取防渗措施，平底或略具坡度，以利排泥，储泥深度不应小于0.6m；（e）进口一般设在高于塘底0.6～1m处，出水口淹没式深入水下0.6m，不得小于冰层厚度或浮渣厚度；（f）进水硫酸盐浓度不宜大于500mg/L，NH₃浓度大时，不利于厌氧消化；（g）多头进水，多头出水为好，应采用格栅、沉砂池作预处理。

（2）设计方法　厌氧塘的设计通常是用经验数据，采用有机负荷法进行设计。厌氧塘的有机负荷有3种表示方式：BOD₅表面负荷，kgBOD₅/（10⁴m²·d）；BOD₅容积负荷，kgBOD₅/（m³·d）；和VSS容积负荷，kgVSS/（m³·d）。对于城市污水采用100～400kgBOD₅/（10⁴m²·d）（冬季）；500～1000kgBOD₅/（10⁴m²·d）（夏季）；对于工业废水，设计负荷一般应通过试验确定。

厌氧塘的主要技术参数列于表1-3-8。

国外采用厌氧塘处理工业废水，已积累了不少经验，其技术参数列于表1-3-9，可供参考。

3.2.4　曝气塘

曝气塘是通过人工曝气设备向塘内供氧的稳定塘。采用机械表面曝气或扩散器曝气，分为完全混合好氧曝气塘和部分混合兼性曝气塘两种。

塘深一般都在3～4m，最深达5m，塘水保持好氧状态。污水在塘中的水力停留时间4～5d，BOD₅负荷0.03～0.06kg/（m³·d），BOD₅去除率平均在70%以上。国外典型曝气塘设计与运行参数列于表1-3-10，可供参考。

3.2.5　深度处理塘

又称三级处理塘，用来改善生物处理构筑物或其他类型稳定塘出水水质，使BOD₅、SS、细菌和病毒、藻类或氮磷指标进一步降低，以满足受纳水体或回用要求。深度处理塘多采用好氧塘或曝气塘，少数也采用兼性塘。塘的设计技术参数列于表1-3-11。

3.2.6　控制出水塘

适用于有大量廉价可利用土地，但结冰期长的寒冷地区，或需季节性利用塘出水的缺水地区以及因受纳水体的条件限制不能连续排放的地区，其功能是在非排放期贮存污水，在排放期排出水质合格的污水。

控制出水塘的塘深应大于该地区冰冻深度1.0m，在冰冻层下应保证有1.0m深的水层。在我国北方，此类塘的BOD₅负荷为20～40kg/（10⁴m²·d）；水力停留时间≥180d。

3.2.7　稳定塘处理工艺流程的确定

常用的污水稳定塘处理工艺流程汇总于表1-3-12。

表1-3-13和表1-3-14分别列出了上述各类稳定塘的工艺设计参数和各类稳定塘的有机负荷与水力停留时间，数据来源不同，可供参考。

3.3　污水土地处理工程技术

污水土地处理工程技术是在人工调控下利用土壤-微生物-植物组成的生态系统对污水中的污染物进行一系列的物理、化学和生物的净化过程，使污染物去除，污水水质改善的一种污水处理工艺。这种通过系统中的营养物质和水分的循环利用，使绿色植物生长繁殖，从而实现污水资源化、无害化和稳定化的生态系统工程称为污水土地处理系统。

污水的土地处理系统一般由以下各部分组成：（a）污水的预处理设备；（b）污水的调节、贮存设备；（c）输送、配布和控制系统与设备；（d）土地净化田；（e）净化水收集和利用系统。

3.3.1　优点和净化机理

3.3.1.1　优点

污水土地处理系统具有以下优点：（a）促进污水中植物营养素的循环；（b）污水中的有用物质通过作物的生产而获得再利用；（c）节省能源；（d）可利用废劣土地或坑塘洼地处理污水，基建投资省；（e）运行管理简单；（f）污泥可充分利用，二次污染少。

3.3.1.2　净化机理

污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。主要污染物的去除途径如表1-3-15所示。

3.3.2　工艺类型

污水土地处理系统可分为慢速渗滤系统（SR）、快速渗滤系统（RI）、地表漫流系统（OF）和地下渗滤（UG）4种主要工艺类型。

3.3.2.1　慢速渗滤系统

慢速渗滤系统适用于渗水性良好的土壤、砂质土壤及蒸发量小、气候润湿的地区。借助喷灌布水或面灌布水，将污水分布入田，而后垂直向下缓慢渗滤，田上种植作物，这些作物可充分吸收污水中的水分和营养成分，通过土壤-微生物-作物对污水进行净化，部分污水蒸发和渗滤，如图1-3-8所示。慢速渗滤系统的污水投配负荷一般较低，渗滤速度慢，故污水净化效率高，对BOD去除率一般可达95%，氮的去除率则在80%～90%。

慢速渗滤系统有农业型和森林型两种。其主要控制因素为灌水率、灌水方式、作物选择和预处理等。

3.3.2.2　快速渗滤系统

快速渗滤系统适用于渗透性非常良好的土壤，如砂土、砾石性砂土、砂质砂土等。经预处理的污水投配到渗滤田后部分被蒸发，大部分下渗地下水，如图1-3-9所示。

污水周期地向渗滤田灌水和休灌，使表层土壤处于厌氧与好氧的交替状态，通过土壤和微生物对污水中的组分进行阻截、吸附和生物分解，从而防止土壤孔隙的堵塞，使BOD₅、N、P得以去除。这类系统的水力负荷与有机负荷高于其他类型土地处理系统，但如严格控制灌水与休灌的周期，净化效果仍然很高，BOD去除率可达95%，总氮去除率达80%，磷去除率65%。

该系统的污水投配方式，若以再生回用为目的，则以面灌为主，通过集水井或地下集水管系统收集出水；若仅用于补给地下水，则可不设集水系统，净化水可直接储存于地下蓄水层内。

3.3.2.3　地表漫流系统

地表漫流系统适用于渗透性低的黏土或亚黏土，地面最佳坡度为2%～8%。经适当的预处理的污水以喷灌法或漫灌（淹灌）方式有控制地投配在田块上，使其在田块表面形成薄膜，均匀地顺坡流下，小部分蒸发或下渗，大部分汇入集水沟，然后收集排放或利用。田块上种植牧草或其他作物供微生物栖息并防止土壤流失。地表漫流处理系统如图1-3-10所示。

地表漫流系统对BOD₅、SS、营养物、微量污染物和病原体都有很强的去除能力。污水在地表流动过程中，颗粒物由于截留、沉淀而被去除；通过所生成的生物膜对溶解性有机物进行生物降解；通过生物硝化-反硝化对氮化合物进行去除。BOD去除率可达90%，总氮去除率为70%～80%，悬浮物去除率较高。

3.3.2.4　地下渗滤处理系统

地下渗滤处理系统是将污水有控制地投配到距地面约0.5m深，有良好渗透性的土层中，污水在土壤的毛细管浸润和渗滤作用下，向四周运动并得到净化和利用。地下渗滤处理系统分为土壤渗滤沟（图1-3-11）、地下毛细管浸润沟、浸没生物滤池-土壤浸润复合工艺等。该系统的布水系统埋于地下，运行管理简单，氮磷去除能力强，出水的水质好，净化水可回用，但是受场地和土壤条件影响较大，控制不当时易堵塞，地下施工，工程量较大，投资较高。

地下渗滤系统适用于无法接入城市排水管网的小水量污水处理，如分散的居民点住宅、度假村、疗养院等。污水进入处理系统前需经化粪池或水解酸化池预处理。

3.3.3　土地处理系统的工艺选择和工艺参数

土地处理系统工艺类型的选择，主要是根据土壤性质、透水性、地形、作物种类、气候条件和对污水处理程度的要求等来选择。根据需要有时采用复合土地处理系统，如地表漫流与湿地处理相组合。

土地处理系统的主要工艺参数为负荷率。各种土地处理工艺的典型设计参数和性能比较汇总于表1-3-16，各种不同类型污水土地处理系统的净化水的水质典型值列于表1-3-17，可供参考。