城市河流截污與人工濕地凈化實(shí)例

楊永森

北京東方園林生態(tài)股份有限公司，北京 100012

水質(zhì)惡化和水體富營(yíng)養(yǎng)化在城市河流中普遍存在，不但破壞了景觀效果，嚴(yán)重情況下會(huì)出現(xiàn)水體惡臭現(xiàn)象。切實(shí)控制外源性污染物和營(yíng)養(yǎng)物的輸入是水體修復(fù)的重要前提，同時(shí)采用經(jīng)濟(jì)、高效的水質(zhì)凈化技術(shù)是持續(xù)保障水質(zhì)的關(guān)鍵［1］。

外源阻斷主要通過(guò)分流制管網(wǎng)系統(tǒng)雨污混接污染控制、合流制雨天溢流污染控制、受損管網(wǎng)問(wèn)題診斷和原位修復(fù)、徑流調(diào)蓄與污染控制、污水處理廠升級(jí)改造等削減進(jìn)入城市水體污染負(fù)荷［2］。構(gòu)建人工濕地(constructed wetland)處理系統(tǒng)、循環(huán)凈化水體、生態(tài)凈化等方法都是維護(hù)城市河流水質(zhì)的有效方法。人工濕地通過(guò)土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)污水處理的目的，具有運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境影響小、可分散化與小型化建設(shè)的特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛用于處理各類污水。該方法尤為適合凈化受污染的城市河道，為水體提供清潔的水源［3-4］。

針對(duì)受生活點(diǎn)源、農(nóng)業(yè)面源污染的城市河道，采用截污與人工濕地協(xié)同的處理方法改善水質(zhì)。根據(jù)地形與開發(fā)時(shí)序，設(shè)置了截污區(qū)域，估算了污水量，設(shè)計(jì)了配套所需的截污設(shè)施;利用自然地形，采用多級(jí)潛流人工濕地與階梯多級(jí)表面流人工濕地復(fù)合的濕地水凈化系統(tǒng)。

1 研究區(qū)情況與處理要求

1.1 基本情況

研究區(qū)位于貴州省六盤水市盤縣境內(nèi)西鋪河放馬坪段(圖1)。該區(qū)域?qū)僦榻饔蚰媳北P江水系，西鋪河是北盤江二級(jí)支流，拖長(zhǎng)江右岸一級(jí)支流，全流域面積99.1 km2，河段長(zhǎng)度19.43 km，主河床平均比降13.79‰，流域形狀系數(shù)0.263［5］。

圖1 研究區(qū)位置及其與景觀水系相對(duì)關(guān)系Fig.1 The location of the study area and the waterscape

目前，西鋪河河道渠化硬化，生態(tài)功能喪失，河道內(nèi)濕生植物種類單一，長(zhǎng)勢(shì)較差，濕地特征不夠明顯，上游大量的違章建設(shè)對(duì)濕地造成了較為嚴(yán)重的破壞，農(nóng)村生活點(diǎn)源和農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，河流水質(zhì)為劣Ⅴ類。根據(jù)盤縣城市規(guī)劃［6］要求，濕地下游的東湖景觀水體需從西鋪河引水(圖1)，因此，亟待采取有效措施改善西鋪河水質(zhì)，為景觀水體提供清潔優(yōu)質(zhì)的水源。同時(shí)根據(jù)其城市規(guī)劃，盤縣將對(duì)西鋪河?xùn)|側(cè)土地進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，未來(lái)大量人口聚集將帶來(lái)新的污染源，需采取源頭控制措施防止污染物進(jìn)入西鋪河。

1.2 水質(zhì)目標(biāo)與水環(huán)境容量

上游未能有效截污控污的情況下，在西鋪河上進(jìn)行水質(zhì)凈化，使西鋪河水質(zhì)達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。利用區(qū)域地形高差形成梯級(jí)配水凈化的效果，改善入東湖水體的水質(zhì)，提升整個(gè)河道的生態(tài)環(huán)境功能與價(jià)值。

根據(jù)GB/T 25173—2010《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》［7］推薦的一維模型，確定西鋪河水環(huán)境容量的計(jì)算公式:

式中:Wi為第i 個(gè)排污口允許排放污染物量，t/a;Ci為河段第i 個(gè)節(jié)點(diǎn)處的水體污染物本底濃度，mg/L;C 為沿程污染物濃度，mg/L;Qi為河道第i 節(jié)點(diǎn)后流量，m3/s;Qi，p為第i 節(jié)點(diǎn)處廢水入河量，m3/s;u 為第i 個(gè)河段的設(shè)計(jì)流速，m/s;x 為計(jì)算點(diǎn)到第i 節(jié)點(diǎn)的距離，m;k 為污染物綜合衰減系數(shù)，L/s。

根據(jù)式(1)計(jì)算得出西鋪河水環(huán)境容量(表1)。

表1 西鋪河功能區(qū)內(nèi)水環(huán)境容量Table 1 Environment capacity of the construction area in Xipu river

由表1 可見，西鋪河水質(zhì)不能達(dá)到功能區(qū)要求，已無(wú)剩余環(huán)境容量，必須消減入河污染物才能達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，需消減的污染負(fù)荷CODCr為853.574 t/a，氨氮為9.700 t/a。

2 點(diǎn)源污染截污

對(duì)于現(xiàn)存及規(guī)劃擬建設(shè)的村莊、城鎮(zhèn)等點(diǎn)源污染，沿西鋪河敷設(shè)總截污管線，收集研究區(qū)域內(nèi)污水，排入城市污水處理廠，對(duì)保障東湖濕地環(huán)境起著關(guān)鍵作用。通過(guò)計(jì)算服務(wù)區(qū)域內(nèi)不同地塊的排污量，確定截污管線的設(shè)計(jì)流量，并進(jìn)行水力計(jì)算，確定截污管線的管徑以及水力坡度［8］。

2.1 截污量計(jì)算

依據(jù)河道治理段區(qū)域地形以及相關(guān)規(guī)劃，確定截污服務(wù)總面積為362.69 hm2，其中有效服務(wù)面積為229.89 hm2。污水服務(wù)分為6 個(gè)區(qū)域(圖2)。

圖2 截污管線服務(wù)區(qū)域與截污管線布置Fig.2 Waste water pipeline service zoning and layout

污水量的計(jì)算公式［9］:

式中:Qdr為污水量，L/s;ψdr為產(chǎn)污系數(shù);qdr為單位用地用水指標(biāo)，L/(s·hm2);Fdr為地塊面積，hm2。

管道水力計(jì)算公式:

式中:Q 為設(shè)計(jì)流量，m3/s;A 為水流有效斷面面積，m2;V 為流速，m/s;R 為水力半徑，m;I 為水力坡度;n 為曼寧系數(shù)。

6 個(gè)服務(wù)區(qū)域的污水量見表2。

表2 截污管線服務(wù)區(qū)域污水量Table 2 Calculation of water quantity in different drainage pipeline service area

2.2 截污設(shè)計(jì)

2.2.1 管線布置

截污管線服務(wù)區(qū)域A 的地面高程為1 750.24 ～1 853.23 m;服務(wù)區(qū)域F，即東湖濕地公園區(qū)域，地面高程為1 742.28 ～1 751.98 m，為滿足上述2 個(gè)區(qū)域的污水可以自流排入下游，選擇截污管線路由在西鋪河?xùn)|側(cè)，沿河布置。具體路由為:W1 ～W3 管段服務(wù)區(qū)域A 污水，W3 ～W4 管段服務(wù)區(qū)域A、B 污水，W4 ～W5 管段服務(wù)區(qū)域A、B、C 污水，W5 ～W6管段服務(wù)區(qū)域A、B、C、D 污水，W6 ～W7 管段服務(wù)區(qū)域A、B、C、D、E、F 污水(圖2)。

2.2.2 管段技術(shù)參數(shù)

各管段的技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 管段技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of the pipelines

2.2.3 管道設(shè)計(jì)

管道材質(zhì)采用HDPE 雙壁波紋管，接口采用承插口形式。污水檢查井采用鋼砼形式，井筒采用直徑為700 mm 標(biāo)準(zhǔn)井筒，井室采用直徑為1 000 mm鋼砼井室，并在污水管道匯入處設(shè)置預(yù)留污水支管，預(yù)留污水支管設(shè)計(jì)將在下一階段完善。設(shè)計(jì)最低井蓋高程高于河道設(shè)計(jì)洪水位1 m。

3 面源污染人工濕地凈化

3.1 工藝選擇

人工濕地是以天然濕地結(jié)構(gòu)原理為基礎(chǔ)，仿造或改進(jìn)后建設(shè)的凈化水體技術(shù)，分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地以及垂直潛流人工濕地［10-11］3 種類型，其結(jié)構(gòu)特征見圖3。

圖3 人工濕地結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure demonstration of different types of constructed wetlands

表面流人工濕地是污水在人工濕地的土壤等基質(zhì)表層流動(dòng)，依靠植物根莖與表層土壤的攔截作用以及根莖上生物膜的降解作用，使污水得以凈化。水平潛流人工濕地是污水從人工濕地的一端進(jìn)入，在人工濕地床表面下以近水平流方式流動(dòng)，最后流向出口，使污水得以凈化。垂直潛流人工濕地是污水從人工濕地表面垂向流過(guò)基質(zhì)床的底部或從底部垂直向上流向表面，使污水得以凈化。

從凈化效果與水力負(fù)荷適用性角度來(lái)看，垂直潛流人工濕地優(yōu)勢(shì)較為明顯;從擾動(dòng)最小、景觀營(yíng)造度來(lái)看，表面流人工濕地是更好的選擇。結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)，在景觀要求較弱區(qū)域采用水質(zhì)凈化效果更好的垂直潛流人工濕地，在其他濕地區(qū)采用表面流人工濕地及其延伸的半自然型人工濕地，在水質(zhì)凈化的同時(shí)打造優(yōu)美的濕地生態(tài)效果。

3.2 濕地規(guī)模與空間布局

根據(jù)HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》［12］可選用污染負(fù)荷、水力負(fù)荷核算人工濕地面積，并用二者計(jì)算結(jié)果互相校核?？紤]濕地設(shè)計(jì)的水力負(fù)荷、停留時(shí)間等限制因素［13］，研究區(qū)濕地設(shè)計(jì)流量取西鋪河枯水期最小來(lái)水流量，即0.4 m3/s(3.5 ×104m3/d)，根據(jù)規(guī)范計(jì)算并復(fù)核凈化濕地面積為45 hm2。

根據(jù)研究區(qū)地形地貌、分流水量、寬度、水力坡度等條件，結(jié)合潛流人工濕地及表面流人工濕地的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，搭配本地鄉(xiāng)土水生植物，使其形成多類型人工濕地和自然濕地有機(jī)搭配的多級(jí)階梯濕地單元群，水質(zhì)凈化的同時(shí)，營(yíng)造良好的生態(tài)效果，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，增加物種多樣性，完善生態(tài)系統(tǒng)［14］。濕地系統(tǒng)總平面布置如圖4 所示。

圖4 總平面布置Fig.4 General layout chart

西鋪河入東湖濕地前端沉砂池后進(jìn)行分流，沿河形成東西2 片濕地凈化區(qū)。2 片凈化區(qū)設(shè)計(jì)處理水量分別為2.0 ×104和1.5 ×104m3/d。利用前端潛流人工濕地與表面流人工濕地組合工藝進(jìn)行水質(zhì)凈化，其中表面流人工濕地在發(fā)揮凈化功能的同時(shí)，營(yíng)造優(yōu)美的生態(tài)效果。2 片濕地凈化區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 濕地凈化區(qū)單元設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Design parameters of wetland purifing units

3.3 工藝流程與處理單元

主體工藝單元包括沉淀池、潛流人工濕地、表面流人工濕地等，輔助設(shè)施有引水渠、分流池、引水支渠和引水管等［12］，工藝流程如圖5 所示。

圖5 工藝流程Fig.5 Flow chart of the design

配水單元:將上游來(lái)水通過(guò)涵管分流導(dǎo)入濕地配水區(qū)，通過(guò)布水堰均勻配水至濕地初沉凈化區(qū)。

初沉凈化單元:初沉凈化區(qū)主要起到預(yù)處理塘的作用，進(jìn)一步沉淀來(lái)水中所含大顆粒污染物，再通過(guò)淺水、深水地形改造，浮葉沉水植物種植，營(yíng)造好氧、厭氧條件對(duì)來(lái)水進(jìn)行初步凈化。

多級(jí)潛流人工濕地凈化單元:底部采用天然鈉基膨潤(rùn)土毯防滲，避免污水入滲，向上分別分層鋪設(shè)300 mm 卵石集水/布水層，100 mm 礫石過(guò)渡層，600 mm 碎石/陶粒層，100 mm 礫石過(guò)渡層，300 mm 卵石布水/集水層。表面覆土厚度約200 mm。分別在布水層與集水層中布設(shè)Φ110UPVC 開孔管，用于布水與集水，提高布水、集水均勻性，并在下層管中設(shè)置排氣管(圖6)。同時(shí)利用凈化出水配合整體的風(fēng)格與要求，營(yíng)造不同形式與風(fēng)格的階梯跌水效果，并創(chuàng)造跌水復(fù)氧條件。

圖6 多級(jí)潛流人工濕地?cái)嗝鍲ig.6 Cross section of the submerged constructed wetland

多級(jí)表面流人工濕地單元:對(duì)潛流人工濕地出水的進(jìn)一步凈化，主要通過(guò)植物吸收降低氮磷，其結(jié)構(gòu)采用復(fù)式斷面，水深30 ～60 cm，滿足表面流人工濕地停留時(shí)間達(dá)4 ～8 d 的要求。進(jìn)入該區(qū)后，氧通過(guò)水面擴(kuò)散以及植物分泌進(jìn)行補(bǔ)給，水體中的溶解性和顆粒性污染物與植物根系發(fā)生接觸，通過(guò)根系微生物、植物和濕地土壤的協(xié)同作用去除。挺水植物通過(guò)其根系上以及底泥中兼氧微生物的代謝作用，對(duì)污染物進(jìn)行再次的沉淀與截留，同時(shí)通過(guò)硝化和反硝化作用去除水中的氨氮污染物。

植物選擇與維護(hù)管理:潛流人工濕地與表面流人工濕地植物選擇主要遵循的原則有，采用本土物種，杜絕外來(lái)物種;兼顧整體效果和濕地凈化效益;具有一定經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值［15］。研究區(qū)挺水植物采用蘆葦、荷花、千屈菜、水蔥、香蒲、菖蒲等;浮葉植物主要考慮睡蓮、荇菜、莼菜、芡實(shí)等。濕地植物維護(hù)管理以不降低濕地處理能力為原則，在冬季來(lái)臨之前進(jìn)行收割，將濕地中部分氮磷通過(guò)植物的收獲去除，同時(shí)能夠給第2年植物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

以貴州省六盤水市盤縣西鋪河為研究對(duì)象，采用截污與人工濕地協(xié)同的處理方法改善水質(zhì)。根據(jù)地形與開發(fā)時(shí)序，合理設(shè)置截污分區(qū)，估算污水量，設(shè)計(jì)配套所需的截污設(shè)施;合理利用自然地形，采用多級(jí)潛流人工濕地與階梯多級(jí)表面流人工濕地復(fù)合的濕地水凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅有效保障污水處理水質(zhì)，更可營(yíng)造城市水景，并且通過(guò)充分發(fā)揮濕地生態(tài)服務(wù)功能，必將推動(dòng)研究區(qū)所在地生態(tài)環(huán)境的改善，樹立沿岸良好的城市形象。

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