復(fù)合型人工濕地在河流治理中的應(yīng)用

　　摘要 根據(jù)某流域山區(qū)河流自然環(huán)境現(xiàn)狀特征及北方冬季寒冷的特點，采用“雙腎型”布水方案，設(shè)計構(gòu)建生態(tài)護岸+生態(tài)溝+人工表面流濕地+人工潛流濕地復(fù)合型凈化系統(tǒng)處理受污染河水。通過恢復(fù)濕地植物，協(xié)調(diào)水與動植物的關(guān)系，健全其濕地生態(tài)系統(tǒng)，促進濕地自然發(fā)育，提高生物多樣性。復(fù)合型人工濕地明顯提高了污染物去除效率，為河流水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)提供了技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞 山區(qū)河流;受污染河水;復(fù)合型凈化系統(tǒng);穩(wěn)定達標(biāo)

　　人工濕地是一種新型污水生態(tài)處理技術(shù)，它是以太陽能為驅(qū)動力，在植物、微生物和介質(zhì)共同作用下達到凈化水質(zhì)的目的，具有投資少、運行管理方便、出水水質(zhì)穩(wěn)定、景觀效果好、經(jīng)濟效益可持續(xù)等優(yōu)點，是處理污水不可或缺的技術(shù)之一[1-3]。人工濕地被廣泛應(yīng)用于凈化工業(yè)廢水、污水處理廠尾水、農(nóng)村生活污水、垃圾滲濾液、河流微污染水、農(nóng)田排水、降雨徑流及冰雪融水等[4-8]。根據(jù)人工濕地系統(tǒng)中水流方式的不同，人工濕地可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地。針對不同的進水水質(zhì)特點和地區(qū)景觀特點，選擇合適的濕地類型、基質(zhì)類型、植物種類和配置方式以及運行參數(shù)，是濕地穩(wěn)定高效運行的關(guān)鍵。近幾年研究表明復(fù)合型人工濕地在凈化水質(zhì)方面有較大優(yōu)勢，可以有效將各種濕地的優(yōu)點相結(jié)合，對污水水質(zhì)的改善遠(yuǎn)高于單一濕地系統(tǒng)的應(yīng)用[9-11]。王堅等[12]綜合水平流人工濕地和垂直流人工濕地的優(yōu)點，在山西省沁河干流建設(shè)了復(fù)合潛流人工濕地，運行及水質(zhì)檢測結(jié)果表明該濕地能夠克服國內(nèi)人工濕地普遍除磷能力不足的缺點，取得較好的除磷效果，在冬季運行期也具有較好的效益。

　　該研究充分發(fā)揮各類人工濕地處理工藝的優(yōu)點并考慮河道現(xiàn)狀格局、土地利用現(xiàn)狀、冬季運行、景觀協(xié)調(diào)等，利用土地面積，提高濕地凈化效率，對各個區(qū)域進行功能劃分，設(shè)計水體流線，將區(qū)域進行優(yōu)化組合設(shè)計，形成整體濕地水質(zhì)凈化工程。在原理方面，垂直潛流人工濕地單元水流方式為“U”字型，河水在不同基質(zhì)填料層以及填料上微生物種群的作用下降解污染物。同時，由于采用挺水植物，通過植物莖葉由上而下傳遞的氧氣增加了污水溶解氧，故可以在垂直潛流人工濕地中形成多出好氧和缺氧環(huán)境[13]。污水以垂直、水平、表面迂回流動的方式通過填料縫隙、表面，進而與植物相接觸，并適當(dāng)增大了系統(tǒng)的水力停留時間，在水流通過過程中水生動、植物以及微生物和基質(zhì)等對污水進行多級處理和凈化，不僅有利于系統(tǒng)脫氮能力的提高，而且有利于水力流態(tài)的優(yōu)化和濕地系統(tǒng)凈化效果的改善。

　　1 設(shè)計方案

　　該研究所建設(shè)的復(fù)合潛流人工濕地位于永定河懷來段，占地面積5 000 m2，采用了潛流濕地+表流濕地處理工藝，且濕地大部分區(qū)域為表流濕地。同時為了防止突發(fā)洪水等意外情況，設(shè)置了調(diào)節(jié)池或應(yīng)急池;設(shè)計水力負(fù)荷為0.06～0.10 m3/(m2·d)，有效水深為0.5 m，水力停留時間為1～2 d;選取當(dāng)?shù)匚锓N，該設(shè)計有蘆葦、香蒲、花藺、狐尾藻、眼子菜、菹草等;采用塊石、木樁、植物、生態(tài)界面等材料構(gòu)建多孔隙生態(tài)堤岸，營造一個健康美麗的堤防生態(tài)系統(tǒng);在濕地內(nèi)設(shè)置多條生態(tài)溝，主要考慮冬季運行情況下，生態(tài)溝與主河道水流接近，通過深溝與凈水基質(zhì)的設(shè)計，實現(xiàn)冬季保溫和達標(biāo)運行。

　　1.1 工藝流程

　　將受污河水經(jīng)泵站或自流式分水口進入蓄水池(預(yù)沉池)，經(jīng)初步預(yù)處理后進入復(fù)合型人工濕地，經(jīng)濕地處理后的水體進入清水池，水體經(jīng)清水池再次沉淀后排放進入河道，如圖1所示。

　　1.2 總體布局

　　入口處設(shè)計蓄水池，對河水進行初次攔截和沉淀作用;中部濕地設(shè)計為復(fù)合型濕地(表流+潛流)，表流濕地主要有蘆葦區(qū)、荷花區(qū)、香蒲區(qū)分布在兩側(cè)，潛流濕地即為生態(tài)溝布設(shè)在中間;濕地采用生態(tài)護岸設(shè)計;濕地出口布設(shè)清水池，對濕地出水進行二次沉淀后外排，充分發(fā)揮植被的水質(zhì)凈化能力和景觀功能，促進復(fù)合型濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。布水方案采用“雙腎式”，即河道水進入蓄水池沉淀后，先流經(jīng)右側(cè)潛流和香蒲區(qū)，然后經(jīng)地下暗管流經(jīng)荷花區(qū)與蘆葦區(qū)，再流經(jīng)濕地中間的生態(tài)溝，最后由靜水池流出。這種布局增大了系統(tǒng)的水力停留時間，有利于水力流態(tài)的優(yōu)化和濕地系統(tǒng)凈化效果的改善。總體布局方案見圖 2。

　　1.3 設(shè)計參數(shù)

　　1.3.1 蓄水池。

　　蓄水池(沉淀池)采用生態(tài)凈水水泥結(jié)構(gòu)，池體長20 m、寬15 m、深1.5 m，設(shè)計水力停留時間24 h。蓄水池中間布設(shè)人工水草100 m2(生物掛膜)，如圖3所示。凈水水泥起到水體與土壤溝通作用，水分子、營養(yǎng)鹽及微生物等可透過水泥與土壤自由交換，創(chuàng)造水體生態(tài)微環(huán)境。人工水草(掛膜)作用是消除水體還原性氧化環(huán)境，為水體微生物提供適宜環(huán)境。

　　1.3.2 濕地設(shè)計。

　　濕地長100 m、寬50 m、基底深1.5 m;內(nèi)部布設(shè)生態(tài)溝5條120 m(深1.0 m);溢流濕地1 000 m2，淺灘/臺地蘆葦區(qū)500 m2，香蒲區(qū)500 m2(水深0.5 m);荷花及沉水植物區(qū)1 000 m2;生態(tài)護岸1 000 m2;外堤種植草木綠地500 m2。

　　潛流濕地分為潛流區(qū)和溢流區(qū)，采用下行流+上行流的組合工藝，先由下行流子單元上層布水，水流向下通過潛流區(qū)多層填料和植物的凈化后，由底部集水進入上行流子單元;此時為下層布水，水流向上通過溢流區(qū)多層填料和植物的凈化后溢流進入下一級濕地。潛流區(qū)由下至上依次為夯素土層、細(xì)沙層、厚火石巖陶粒層、海綿支撐層、碎石填料層，位于厚火石巖陶粒層中預(yù)埋有填料;溢流區(qū)由上至下依次為碎石填料層、夯素土層、細(xì)沙層、厚火石巖陶粒層。位于潛流區(qū)和溢流區(qū)中都生長挺水植物，挺水植物為選擇小香蒲、浮葉眼子菜、花藺及菹草中任意一種或者多種的組合，且在冬季將花藺、浮葉眼子菜及小香蒲進行收割，種植密度10～20株/m2。

　　蘆葦區(qū)種植密度30～50株/m2;香蒲區(qū)種植密度20～30株/m2;荷花區(qū)內(nèi)部水域種植藨草、花藺、馬來眼子菜、荷花等，密度10～20株/m2;邊界種植蘆葦、菹草、扇葉水毛茛、聚草、伊樂藻、穗花狐尾藻、金魚藻等(菹草、扇葉水毛茛、聚草能夠冬季冰下生長，伊樂藻能夠在初春生長，穗花狐尾藻、金魚藻夏秋季節(jié)生長良好);外堤楊柳種植密度0.02株/m;內(nèi)部生態(tài)溝與邊界坡降0.1～0.2。

　　1.3.3 生態(tài)溝。

　　4條溝長120 m、寬3～5 m、平均深度1.0 m，水力坡度0.015。生態(tài)水泥凈化溝：長120 m、寬3 m、平均深度1.5 m。主要種植菹草(最小生長水深30 cm，可在1～2 m深水中生長，要求水下有泥土，水深1.5 m時菹草的株高最高);生態(tài)溝水力坡度0.015;濕地內(nèi)溝菹草種植密度20株/m2。

　　1.3.4 清水池。

　　清水池采用生態(tài)水泥結(jié)構(gòu)，池體長15 m、寬15 m、深3 m，設(shè)計水力停留時間24 h。

　　2 運行效果及成本

　　在復(fù)合型人工濕地入口和出口處各設(shè)置1個取樣點，于2018年9月至2019年3月平均每月連續(xù)取樣1次，其中2019年1月和2月因冰封期停測2次，總計取樣5次。由圖4可知，復(fù)合型人工濕地COD去除率為20%～43%，尤其冬季12月去除率仍可達20%。氨氮去除率為11%～43%，尤其冬季12月去除率仍可達16%。該濕地通過沉積作用、植物吸收以及土壤的吸附、截留、過濾和微生物分解等作用，可以有效降低COD、氨氮濃度[14]。

　　投資和運行成本與所處地域條件、水質(zhì)水量、選取的組合工藝以及排放標(biāo)準(zhǔn)等因素有關(guān)[15]。該濕地選用的填料以及植物均為常見物種，投資較低且運行維護簡單，只需定期清除雜草、枯死植株。

　　3 結(jié)論

　　該研究結(jié)合當(dāng)?shù)厣絽^(qū)河流自然環(huán)境現(xiàn)狀特征及北方冬季寒冷的特點，在現(xiàn)有技術(shù)中提升潛流濕地的搭配組合，設(shè)

　　計并構(gòu)建了一種“雙腎型”潛流根系凈化濕地，通過恢復(fù)濕地植物，協(xié)調(diào)水與動植物的關(guān)系，健全其濕地生態(tài)系統(tǒng)，“雙腎式”型布水方式，增大了系統(tǒng)的水力停留時間，有利于水力流態(tài)的優(yōu)化和濕地系統(tǒng)凈化效果的改善，起到保障河流水質(zhì)的生態(tài)屏障作用。

　　參考文獻

　　[1] 楊楊陽，萬蕾，張林軍.人工濕地低溫運行效果及強化措施研究現(xiàn)狀[J].生態(tài)經(jīng)濟，2012(12)：192-195.

　　[2] 夏艷陽，崔理華.復(fù)合垂直流-水平流人工濕地系統(tǒng)除氮效果的影響因素[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，2017，7(2)：175-180.

　　[3] 劉志平，李國婉，范家豪，等.復(fù)合人工濕地對新農(nóng)村生活污水的凈化效果[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(13)：5872-5874，5953.

　　[4] 黃炳彬，岳倫.人工濕地技術(shù)在北京市的研究及應(yīng)用進展[J].北京水務(wù)，2018(3)：26-30.

　　[5] 管策，郁達偉，鄭祥，等.我國人工濕地在城市污水處理廠尾水脫氮除磷中的研究與應(yīng)用進展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，31(12)：2309-2320.

　　[6] 周賢波，王儉.人工濕地技術(shù)研究進展[J].安徽化工，2017，43(6)：18-21.

　　[7] 王永強，李梅，朱明璇，等.人工濕地污水處理技術(shù)研究進展[J].工業(yè)用水與廢水，2018，49(5)：7-12.

　　[8] 尹振娟，楊揚，盧建，等.生物法-人工濕地組合工藝對小城鎮(zhèn)混合污水氮素去除效果研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19(5)：1044-1049.

　　[9] 葛媛，鄭于聰，王怡雯，等.復(fù)合人工濕地在水處理中的應(yīng)用進展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2018，41(1)：99-108.

　　[10] 丁怡，唐海燕，劉興坡，等.不同類型人工濕地在污水脫氮中的研究進展[J].工業(yè)水處理，2019，39(7)：1-3.

　　[11] 劉雯，崔理華，朱夕珍，等.水平流-垂直流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)對污水的凈化效果研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2004，23(3)：604-606.

　　[12] 王堅，李揚.復(fù)合潛流人工濕地對北方河流水質(zhì)的凈化效果研究[J].山西水利科技，2017(2)：42-46.

　　[13] 李拓，吳華財，郭靜.垂直潛流人工濕地在污水處理廠尾水深度處理中的設(shè)計應(yīng)用[J].廣東化工，2019，46(11)：170-171.

　　[14] 曹大偉，沙玥，金秋，等.多級復(fù)合型人工濕地工藝對污水廠尾水處理凈化效果的試驗研究[J].環(huán)境科技，2019，32(3)：12-16.

　　[15] 胡潔，許光遠(yuǎn)，胡香，等.組合式人工濕地深度處理小城鎮(zhèn)污水處理廠尾水[J].水處理技術(shù)，2018，44(11)：120-122，132.

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