人工濕地在大塘港水環(huán)境整治中的應(yīng)用

金德鋼，孫 堯，龔安國

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 寧波 315192)

大塘港水庫地處海濱城市浙江省象山縣中南部，屬于典型的堵港河道型水庫。目前功能定位為以灌溉為主，兼顧工業(yè)、生活用水，結(jié)合防洪排澇、淡水養(yǎng)殖等綜合利用的攔海蓄淡中型水利工程，2005年被浙江省人民政府劃定為飲用水水源一、二級保護(hù)區(qū)[1]。然而，隨著大塘港流域經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)面源等各種污染源不斷進(jìn)入水庫，超過了生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力，造成水質(zhì)惡化。根據(jù)象山縣環(huán)保局2009—2011年對大塘港的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，大塘港綜合水質(zhì)評價為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，其中：高錳酸鹽指數(shù)為Ⅳ類，生化需氧量為Ⅴ類，總磷為劣Ⅴ類，總氮為劣Ⅴ類，氨氮Ⅲ類，氰化物、氟化物、六價鉻均為Ⅱ類，鋅、鉛為Ⅰ類。大塘港水質(zhì)呈中度富營養(yǎng)化，具體表現(xiàn)為總氮、總磷重度富營養(yǎng)化，高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素為輕度富營養(yǎng)化。

近幾年，針對主要污染源已經(jīng)陸續(xù)開展了農(nóng)村生活污水處理、農(nóng)村生活垃圾太陽能處理、噴滴灌節(jié)水灌溉、減控施肥技術(shù)推廣、畜禽廢棄物沼液化處理等各種污染控制和治理措施，效果已初步顯現(xiàn)。然而由于流域內(nèi)人口數(shù)量多、污染強(qiáng)度大，以及一些污染控制和治理措施后期監(jiān)督管理缺失，庫區(qū)水質(zhì)并未明顯改善，水環(huán)境保護(hù)和治理工作急需加強(qiáng)。本研究結(jié)合大塘港水環(huán)境保護(hù)與治理示范項目的實施，分析人工濕地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的方案及其對于減緩大塘港污染程度的作用。

1 工程概況

大塘港水庫位于象山縣西南部，系堵港蓄淡工程，屬三門灣內(nèi)港岳井洋支流，南北呈“之”字形，全長21 km，主要由曉塘九龍江、定塘長塘河、中婁河和新橋七里塘河匯集而成，庫區(qū)位于定塘、曉塘、石浦、新橋4鄉(xiāng)鎮(zhèn)及寧海隔洋塘境內(nèi)。

大塘港水庫集雨面積134 km2，其中山區(qū)面積40 km2、平原面積94 km2，總庫容4 675萬m3；正常水位1.55 m，正常庫容3 135萬m3；梅汛期水位0.85 m，相應(yīng)庫容2 420萬m3；臺汛期水位0.25 m，相應(yīng)庫容2 010萬m3；港道寬度250～300 m，水域面積4.79 km2。水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、排澇、淡水養(yǎng)殖等綜合利用的攔海蓄淡中型水利工程，主要承擔(dān)新橋、定塘、曉塘、石浦4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)田灌溉任務(wù)，灌溉面積0.627萬hm2，年灌溉水量1 500萬m3，受益人口10萬人[2]。

大塘港水環(huán)境保護(hù)與治理示范項目一期以濕地建設(shè)、抗風(fēng)浪水生植物修復(fù)帶與漂浮水生植物修復(fù)帶建設(shè)為主，主要包括：①生物復(fù)合型人工濕地一處，包括調(diào)節(jié)池和一、二、三級人工濕地，占地面積3 650 m2；②庫區(qū)抗風(fēng)浪水生植物修復(fù)帶4處，合計面積20 000 m2，其中在水文站附近沿岸段及支流匯合處建設(shè)示范面積17 500 m2。

大塘港流域在污染源頭控制方面已經(jīng)陸續(xù)開展了各項污染控制和治理措施，效果初步顯現(xiàn)。希望通過本項目的示范推廣，建設(shè)河庫岸生態(tài)緩沖帶、庫區(qū)水生植物修復(fù)帶、生物復(fù)合型人工濕地等，綜合應(yīng)用多種生物凈化技術(shù)實現(xiàn)大塘港水庫的水質(zhì)保護(hù)和修復(fù)，對提高象山縣淡水資源利用率，實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)又好又快地科學(xué)發(fā)展起到推動作用。

2 方案設(shè)計

2.1 位置選擇

本項目為大塘港水環(huán)境保護(hù)與治理示范項目，為充分發(fā)揮項目示范作用，項目選址按以下原則：在大塘港水庫入庫重點(diǎn)污染河流的前置區(qū)、重點(diǎn)污染源區(qū)段、堤防防污截污，生物復(fù)合型人工濕地選擇在雙連峙河流入庫前置區(qū)，庫區(qū)抗風(fēng)浪水生植物修復(fù)帶選擇在大塘港水文監(jiān)測站下游靜水區(qū)、兩側(cè)庫岸和重點(diǎn)污染河流入庫沿岸。

2.2 生物復(fù)合型人工濕地方案設(shè)計

2.2.1 人工濕地運(yùn)行流程

生物復(fù)合型人工濕地是利用物理曝氣設(shè)備、生物膜、生物凈水基質(zhì)、生物凈水劑和多種水生植物對污水進(jìn)行綜合處理的。上游的農(nóng)村生活污水和養(yǎng)豬場混合廢水，通過河道直接進(jìn)入調(diào)節(jié)池，廢水在調(diào)節(jié)池內(nèi)初步預(yù)處理后，用提升泵間歇性進(jìn)入一級濕地入口。一級濕地分為4小塊，依次通過后進(jìn)入二級濕地，二級濕地分為3小塊，依次通過后進(jìn)入三級濕地，三級濕地處理后外排。遇到特大暴雨時，為保障行洪排澇，水流從調(diào)節(jié)池匯合后，直接經(jīng)三級濕地外排。

水流動力：調(diào)節(jié)池到一級濕地用水泵提升，一級、二級、三級濕地之間依靠地形自然流動，同時在排放口設(shè)置截污簾，以防暴雨時溢流污染物擴(kuò)散。

2.2.2 人工濕地工作原理

粗格柵：去除養(yǎng)豬場出口的漂浮性物質(zhì)，需定期清理。

調(diào)節(jié)池部分：“生物膜+增氧曝氣”處理工藝，利用生物膜吸附微生物和水體微生物的降解作用達(dá)到污染物降解目的，調(diào)節(jié)池底泥需定期清理。調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)置2個1.5 kW/h的推流式曝氣機(jī)和3個2 m×4 m的碳素纖維生物膜浮床。

一、二級濕地：表面流人工濕地，水深10～15 cm，利用水生植物的吸收作用以及根系微生物的降解作用達(dá)到污染物降解目的。

三級濕地：相當(dāng)于氧化塘，水深0.5～1.0 m，利用水生植物的吸收作用以及植物根系和水體內(nèi)的微生物的降解作用達(dá)到污染物降解目的。

2.2.3 人工濕地設(shè)計

(1)調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池內(nèi)采用“生物膜+增氧曝氣”生物強(qiáng)化處理法，根據(jù)國內(nèi)外人工濕地對總磷的表面負(fù)荷，取其去除率為0.02 g/(m3·d)計算，則濕地系統(tǒng)的設(shè)計水量為0.16萬m3，曝氣、凈水時間取4 h，采用145 m3/h提升泵，工作時間2 h，調(diào)節(jié)池容積選用相當(dāng)于4 h污水預(yù)處理水量，取調(diào)節(jié)池底高程-0.90 m，水位0.60 m，考慮污水來水時間因素，取調(diào)節(jié)池平面大小為150 m2，調(diào)節(jié)高度取1.5 m，則調(diào)節(jié)池總深3.0 m。調(diào)節(jié)池采用50 cm厚干砌石擋墻護(hù)坡。調(diào)節(jié)池布局見圖1。

(2)一、二級人工濕地。采用表面流濕地，通過攔截、吸附、微生物分解及植物吸收等功能，實現(xiàn)有機(jī)物降解和氮磷的去除。為了強(qiáng)化濕地對氮磷污染物的去除效果，在濕地中設(shè)置填料帶，以增加濕地中的生物量，同時提高景觀效果，并可與濕地內(nèi)部的通道結(jié)合起來，實現(xiàn)多種功能。表面流濕地設(shè)計平均水深 0.10～0.15 m，停留時間約為16 h，當(dāng)處理水量為0.5萬m3/d時，占地面積2 500 m2。引種應(yīng)堅持本地物種優(yōu)先的原則，同時兼顧濕生喬木的經(jīng)濟(jì)價值。因此，將濕地劃分為二級，其中：一級濕地1 100 m2，種植挺水植物，品種包括鳶尾、美人蕉、黃菖蒲、再力花、水蔥等常綠和落葉品種；二級濕地面積1 400 m2，采用“水生植物+生物填料”的框架結(jié)構(gòu)，上部種植水生植物，下部設(shè)置生物填料，以充分發(fā)揮脫氮除磷功效。濕地采用獨(dú)立單元建造，坡度2‰。單元周邊采用土堰隔離，土堰頂寬 1 m，高出濕地地面0.9 m，可用于行人通行，便于濕地植物收割和運(yùn)輸。

圖1 調(diào)節(jié)池布局

(3)三級人工濕地。采用氧化塘處理法，種植睡蓮、香蒲等浮水植物和高稈挺水植物，設(shè)計面積1 000 m2。

2.3 庫區(qū)抗風(fēng)浪水生植物修復(fù)帶、生態(tài)緩沖帶、漂浮水生植物修復(fù)帶方案設(shè)計

2.3.1 生態(tài)浮島

庫區(qū)抗風(fēng)浪水生植物修復(fù)帶是一種新型的水庫水質(zhì)原位修復(fù)方法——生態(tài)浮島技術(shù)，是將植物種植于浮于水面的床體上，利用植物根系吸收水體中的污染物質(zhì)，同時植物根系上附著的微生物可降解水體中的污染物，從而有效進(jìn)行水體修復(fù)的技術(shù)。生態(tài)浮島由若干生態(tài)浮床單體結(jié)構(gòu)組成，具體設(shè)計見圖2。

(1)生態(tài)浮床設(shè)計。典型的濕式有框浮床包括4 個部分：浮床的框體、浮床床體、浮床基質(zhì)、浮床植物。①浮床框體。浮床框體要求堅固、耐用、抗風(fēng)浪，目前一般用PVC 管、不銹鋼管、木材、毛竹等作為框架。本項目浮床框體采用PVC管，該管無毒無污染，持久耐用，價格便宜，重量輕，能承受一定沖擊力。②浮床床體。浮床床體是栽種植物的支撐物，同時是整個浮床浮力的主要提供者。本項目使用的是聚苯乙烯泡沫板，這種材料具有成本低廉、浮力強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，而且原材料來源充裕、不污染水質(zhì)、材料本身無毒疏水，方便設(shè)計和施工，重復(fù)利用率相對較高。③浮床基質(zhì)。浮床基質(zhì)用于固定植物植株，同時要能保證植物根系生長所需的水分、氧氣條件及能作為肥料載體，因此基質(zhì)材料必須具有彈性足、固定力強(qiáng)、吸附水分養(yǎng)分能力強(qiáng)、不腐爛、不污染水體、能重復(fù)利用等特點(diǎn)，而且必須具有較好的蓄肥、保肥、供肥能力，能保證植物直立與正常生長。本項目使用的浮床基質(zhì)為海綿。④浮床植物。植物是浮床凈化水體的主體，需要滿足以下要求：適宜當(dāng)?shù)貧夂?、水質(zhì)條件，成活率高，優(yōu)先選擇本地種；根系發(fā)達(dá)、根莖繁殖能力強(qiáng)；植物生長快、生物量大；植株優(yōu)美，具有一定的觀賞性；具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。本項目使用的浮床植物有水生美人蕉、香根草、香蒲、菖蒲、石菖蒲、水浮蓮、鳳眼蓮等。

圖2 生態(tài)浮島設(shè)計示意

(2)生態(tài)浮島工程量。生態(tài)浮島在治理區(qū)域分片布置，根據(jù)治理區(qū)水域面積的大小而定。生態(tài)浮島工程建設(shè)在大塘港水文監(jiān)測站下游的靜水區(qū)，示范面積500 m2。為起到凈化水體改善水質(zhì)的作用，本工程共設(shè)置1個生態(tài)浮島，由80座生態(tài)浮床組成。單座生態(tài)浮床工程量見表1。

表1 單座生態(tài)浮島工程量

2.3.2 生態(tài)緩沖帶

生態(tài)緩沖帶在大塘港水庫庫岸及其支流沿岸的淺水區(qū)內(nèi)(常水位0.5 m之內(nèi))實施，通過種植高稈挺水植物達(dá)到固定河岸和凈化水質(zhì)的雙重目的，同時連片的植物種植帶具有較好的生態(tài)景觀效果。目前初步選定的挺水植物包括再力花、美人蕉(高)、千屈菜、水蔥、海壽花等，近期示范河岸總長度1 000 m，寬度2～3 m，示范面積2 000 m2，種植植物20 000株。

2.3.3 漂浮水生植物修復(fù)帶

漂浮水生植物是指根系無需扎根于土壤中生長的水生植物。這類水生植物生物量增長較快，水質(zhì)修復(fù)效果較好，但需進(jìn)行定期維護(hù)。本次設(shè)計在大塘港水庫沿岸和支流匯合處構(gòu)建漂浮水生植物修復(fù)帶。工程將通過打樁固定的方式構(gòu)建沿岸水生植物圍養(yǎng)區(qū)，水生植物初步選擇水葫蘆和大聚藻兩種，將在離岸內(nèi)部種植水葫蘆，離岸外部種植大聚藻(蔓生性生長，不易擴(kuò)散)，兩種水生植物的組合種植可解決內(nèi)部水葫蘆的侵略性擴(kuò)散。本次在水文站附近沿岸段技術(shù)示范1 500 m，寬度6～8 m，示范面積約7 500 m2；在支流匯合處選擇示范10 000 m2。

3 效果初步分析

3.1 人工濕地處理效果

3.1.1 污染源強(qiáng)度

人工濕地試點(diǎn)主要針對目前以養(yǎng)豬為主業(yè)的雙連峙村，目前該村人口700人，雙連峙養(yǎng)豬場規(guī)模為8 000頭，污水產(chǎn)量及污染物總量見表2。

表2 項目區(qū)污水排放情況

3.1.2 處理效果

表面流濕地設(shè)計平均水深0.10～0.15 m，停留時間約為16 h，處理水量為0.5萬m3/d，設(shè)計濕地面積3 500 m2，能夠滿足雙連峙村整體發(fā)展需求。在正常運(yùn)行情況下，生物復(fù)合型人工濕地各部分的處理率能達(dá)到表3效果。

表3 生物復(fù)合型人工濕地處理率

3.2 水生植物修復(fù)帶處理效果

示范區(qū)基本形成了健康良性水生態(tài)系統(tǒng)，水體透明度由修復(fù)前的小于15 cm達(dá)到50～80 cm，多種污染物指標(biāo)都顯著下降，水質(zhì)凈化效果良好，與示范區(qū)外的主體水質(zhì)形成鮮明對比。示范區(qū)的總氮、 總磷的含量明顯低于庫區(qū)，總氮、總磷濃度預(yù)計可降至庫區(qū)的20%左右；葉綠素a的含量預(yù)計可降至庫區(qū)的1/8。

4 結(jié) 語

人工濕地系統(tǒng)是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，它形成了內(nèi)部的良好循環(huán)并具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，是正在不斷得到研究應(yīng)用和發(fā)展的污水處理實用新技術(shù)，也是未來處理平原水庫和湖泊水污染的一項重要設(shè)施。人工濕地系統(tǒng)具有投資費(fèi)用低、運(yùn)行管理維護(hù)簡便等特點(diǎn)，在湖庫周邊農(nóng)村污水處理的實際應(yīng)用中顯示出了很好的經(jīng)濟(jì)可行性。

水生植物修復(fù)帶是一種采用植物措施自然修復(fù)江河湖庫水污染的治理方式，也是一種濕地處理方式，同樣具有投入低、效果明顯的特點(diǎn)，目前在國內(nèi)湖泊水污染治理中應(yīng)用較多，在平原水庫中應(yīng)用尚處于試驗階段，預(yù)計未來推廣前景較為廣闊。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 寧波市象山縣大塘港綜合整治與保護(hù)規(guī)劃[R].寧波:寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院,2012:10.

[2] 龔安國,金德鋼.大塘港水庫水環(huán)境綜合治理研究[J].浙江水利科技,2013(1):22-24.