人工濕地技術(shù)在磁湖水體修復(fù)中的可行性研究

■周 瑋，朱 鵬 ■武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073

1 引言

湖泊是地表水載體，城市內(nèi)湖作為“城市之腎”，對(duì)凈化城市水源具有重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)75%的湖泊、90%的城市河流和50%的地下水都受到不同程度的污染。［1］中心城區(qū)內(nèi)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在湖泊萎縮、水量銳減、水質(zhì)惡化(多為V 類甚至劣V 類)、景觀效果嚴(yán)重削弱等。

黃石市境內(nèi)湖泊眾多，僅中心城區(qū)就擁有磁湖、青山湖兩大天然湖泊，形成“半城山色半城湖”的獨(dú)特景觀。其中磁湖是黃石市城區(qū)最主要水體，被列為湖北省的環(huán)保重點(diǎn)區(qū)域，以其命名的磁湖風(fēng)景區(qū)是省級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)。黃石在國(guó)內(nèi)較早開(kāi)始現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程。在建國(guó)初期，鋼鐵、水泥就已經(jīng)成為2 大支柱產(chǎn)業(yè)。［2］進(jìn)入21 世紀(jì)后，黃石的工業(yè)化進(jìn)程更加迅速，工業(yè)廢水也急劇增加。人口的增加、商業(yè)的繁榮使得居民生活污水排放量也急劇增加。2009 年3 月，黃石市被確定為中國(guó)資源枯竭型城市，城市轉(zhuǎn)型發(fā)展迫在眉睫。然而磁湖水環(huán)境的逐漸嚴(yán)重制約了黃石市的發(fā)展轉(zhuǎn)型，因此改善磁湖的水質(zhì)污染問(wèn)題具有重大意義。

磁湖作為城區(qū)內(nèi)湖具有相對(duì)封閉的景觀、周邊建筑密度與人口密度都較大、工程用地極少、湖內(nèi)的淤積嚴(yán)重，因此采取以湖內(nèi)水生植被恢復(fù)與水生態(tài)系統(tǒng)重建為核心、以湖濱生態(tài)工程為主的工程措施來(lái)有效的改善水質(zhì)是最優(yōu)措施。

2 磁湖的基本情況

2.1 磁湖的污染概況

磁湖的面積為10.5km2，平均水深1.75m，平水期湖泊容積為1748萬(wàn)m3，具有水淺、流動(dòng)性差、底泥污染嚴(yán)重等城市淺水型湖泊的共同特點(diǎn)。［3］根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)劃，磁湖的使用功能為觀光游覽、防洪調(diào)蓄、生態(tài)調(diào)節(jié)、水上運(yùn)動(dòng)，屬Ⅲ類水體。磁湖綜合水質(zhì)為V 類，現(xiàn)已不能達(dá)到相應(yīng)水質(zhì)要求。超標(biāo)項(xiàng)目有總磷、總氮、溶解氧、石油類、和五日生化需氧量等五項(xiàng)，其中總磷、五日生化需氧量的超標(biāo)率分別為100%、85.7%，湖水水質(zhì)呈現(xiàn)中度富營(yíng)養(yǎng)化，具體的水污染物濃度見(jiàn)表1(1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為理工學(xué)院對(duì)面湖區(qū)、2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為李家坊立交橋下的湖區(qū)、3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為桂花廣場(chǎng)湖區(qū)、4 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為團(tuán)城山公園湖區(qū)、5 號(hào)為泉塘湖區(qū))。鑒于水體污染情況嚴(yán)重，且湖體位于市中心，湖水的水質(zhì)情況會(huì)直接影響城市的生態(tài)景觀，甚至?xí)绊懭藗兊纳钯|(zhì)量，所以現(xiàn)在解決水體污染問(wèn)題是政府部門及環(huán)境保護(hù)部門的首要任務(wù)。

表1 2013年磁湖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染濃度現(xiàn)狀值

2.2 磁湖水環(huán)境存在的主要環(huán)境問(wèn)題

2.2.1 水體污染嚴(yán)重

由于黃石市市區(qū)人口增加，消費(fèi)水平提高，無(wú)形之中增加了生活廢水的復(fù)雜程度。并且重工業(yè)發(fā)展較快，工業(yè)廢水中重金屬含量較高。再者污水處理廠處理水平有限，嚴(yán)重影響了出水水質(zhì)，處理未達(dá)標(biāo)的工業(yè)廢水、生活污水和雨水徑流直接入湖，導(dǎo)致湖泊污染日趨嚴(yán)重。［4］

2.2.2 湖泊面積縮小，防洪調(diào)蓄能力變小

磁湖位于城市中心地帶，為了便利交通在湖中心地帶填出一條路(杭州路)把湖一分兩半，減小湖泊面積，嚴(yán)重地影響了磁湖原有的穩(wěn)定性及水體的自凈能力。近年人們圍湖用于養(yǎng)魚種植的行為日漸增多，對(duì)湖泊的蓄水能力影響很大。加之近年洪澇災(zāi)害情況頻繁，極洪致澇使得湖泊的部分區(qū)域接近干涸。

2.2.3 過(guò)度使用水資源，水環(huán)境容量變小，水體自身的自凈能力變?nèi)?/p>

由于20 世紀(jì)80 年代黃石市大力發(fā)展鋼鐵行業(yè)，大量的不達(dá)標(biāo)甚至未處理的工業(yè)廢水、生活污水和地表徑流雨水進(jìn)入湖泊，完全超出了磁湖自有的水環(huán)境容量，磁湖水體已經(jīng)喪失了納污能力。惡劣的水環(huán)境導(dǎo)致許多生物在湖中無(wú)法生存，降低了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性。

3 人工濕地技術(shù)的簡(jiǎn)介

3.1 人工濕地的概念

人工濕地是模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng)，它是一種由人工建造和監(jiān)督控制的類似沼澤的地面，利用生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效凈化。人工濕地作為一種常用的生態(tài)處理技術(shù)，具有效率高、投資及能耗低、維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以適應(yīng)低濃度污染物去除的要求，將人工濕地處理系統(tǒng)作為常規(guī)生物處理工藝的補(bǔ)充，能夠最大限度地削減受納水體的污染物負(fù)荷。

絕大多數(shù)人工濕地是由三個(gè)部分構(gòu)成的:(1)透水性基質(zhì):選擇礫石、沸石、卵石、石灰石、土壤等基質(zhì)，分級(jí)填配;(2)適于在飽和水和厭氧機(jī)制中生長(zhǎng)的濕地植物:成活率高、處理性能好、抗水性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、美觀及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物，如蘆葦、茳芏等;(3)微生物:微生物是降解水體中的微生物的主力軍，好樣微生物將污水中的有機(jī)物氧化成二氧化碳和水，厭氧細(xì)菌將水體中的污染物質(zhì)分解成二氧化碳和甲烷。

3.2 人工濕地主要污染物凈化原理

3.2.1 BOD5 的去除

主要靠微生物的吸附與代謝作用，微生物將污水中的一部分有機(jī)物合成新的細(xì)胞，另一部分有機(jī)物分解后被微生物細(xì)胞合成自身生長(zhǎng)所需的能量，其最終產(chǎn)物是CO2 和H2O 等穩(wěn)定物質(zhì)，所以人工濕地對(duì)BOD5 的去除率較高，可達(dá)85%～95%。

3.2.2 TP 的去除

人工濕地對(duì)磷的去除是通過(guò)微生物的積累、植物的吸收和碎石床的物理化學(xué)等幾方面的協(xié)調(diào)作用共同完成的。無(wú)機(jī)磷被植物吸收并同化合成ATP、DNA 和RNA 等有機(jī)成分，另外濕地中存在的微生物也能同化吸收磷，將其合成微生物生長(zhǎng)所必須的成分。一般情況下，人工濕地對(duì)TP 的去除率達(dá)70%～80%。

3.2.3 TN 的去除

污水中的氮一般以有機(jī)氮和氨氮形式存在，有機(jī)氮在人工濕地系統(tǒng)中被異養(yǎng)微生物首先轉(zhuǎn)化為氨氮，而氨氮在硝化菌的作用下被轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，而后一部分可被植物吸收，另一部分在厭氧條件下，通過(guò)反硝化菌的作用從系統(tǒng)中溢出。高水力負(fù)荷、水力同流時(shí)間短的人工濕地系統(tǒng)，一般沒(méi)有厭氧條件，所以相當(dāng)一部分氮仍留在系統(tǒng)水中。所以，人工濕地去除TN 能力不高，一般為30%～50%。

3.3 人工濕地的分類

人工濕地按污水在濕地床中流動(dòng)的方式可分為地表流人工濕地、潛流人工濕地。

地表流人工濕地在地表濕地系統(tǒng)中，污水在濕地的表面流動(dòng)，水位較淺，多在0.1～0.6m，其與自然濕地最為接近，污水中的絕大部分有機(jī)物的去除是由長(zhǎng)在植物水下莖稈的生物膜來(lái)完成，這種濕地不能充分利用填料及豐富的植物根系，易孳生蚊蠅。在冬季或北方地區(qū)易發(fā)生表面結(jié)冰問(wèn)題及系統(tǒng)的處理效果受溫差變化影響大的問(wèn)題，因而在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。

在潛流人工濕地中，污水在濕地床的內(nèi)部流動(dòng)，可以充分利用填料表面生長(zhǎng)的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料截流等的作用，以提高其處理效果，潛流人工濕地可以處理較高負(fù)荷的廢水。在潛流濕地系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，污水經(jīng)配水系統(tǒng)在濕地的一端均勻地進(jìn)入填料床植物的根區(qū)，水位保持在基質(zhì)表面之下。濕地植物具有非常發(fā)達(dá)的根系，可以深入到土表以下的0.6～0.7m 的礫石層中，并交織成網(wǎng)與礫石一起構(gòu)成一個(gè)透水性良好的系統(tǒng)。一般情況下，這種人工濕地的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)的二級(jí)生物處理。

潛流系統(tǒng)又可設(shè)計(jì)為平流或垂直流。水平潛流人工濕地的水力負(fù)荷高，對(duì)BOD、COD、SS、重金屬等污染物的去除效果好，且很少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象，是日前國(guó)際上較多研究和應(yīng)用的一種濕地處理系統(tǒng)。垂直流人工濕地中污水從濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態(tài)，氧可通過(guò)大氣擴(kuò)散和植物傳輸進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硝化能力高于水平潛流濕地，可用于處理氨氮含量較高的污水。其缺點(diǎn)是對(duì)有機(jī)物的去除能力不如水平潛流人工濕地系統(tǒng)。

通過(guò)分析各種人工濕地的優(yōu)缺點(diǎn)以及磁湖水體有機(jī)物含量高的特點(diǎn)，選用水平潛流人工濕地作為本文探討的人工濕地系統(tǒng)。對(duì)于潛流人工濕地，其長(zhǎng)寬比應(yīng)控制在3:1 以下，大多為1:1。濕地的長(zhǎng)度一般為20～50m，長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)以造成濕地床中的死區(qū)，而且會(huì)使水位調(diào)節(jié)變得困難，不利于植物的栽培。目前人工濕地水力負(fù)荷在0.2～0.5m3/(m2.d)。

3.4 人工濕地實(shí)際應(yīng)用案例

武漢漢陽(yáng)區(qū)桃花島示范區(qū)采用水平潛流人工濕地，對(duì)桃花島區(qū)域地表徑流及墨水湖湖水進(jìn)行處理。水平潛流人工濕地對(duì)各污染物的去除率分別為(%):COD、60.7～64.8;TP、73.4～75.6;TN、43.2～48.4;BOD5，58.6～60.8;NH3 -N，50.2～53.9。

4 磁湖人工濕地生態(tài)修復(fù)模式探討

本次可行性研究中選用水平潛流人工濕地系統(tǒng)作為凈化湖泊水體的主要生態(tài)修復(fù)模式。人工濕地的設(shè)計(jì)流量為Q=10000m3/d，處理目標(biāo)達(dá)到III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。處理工藝流程為:水循環(huán)系統(tǒng)抽取湖水→布水系統(tǒng)→一級(jí)生物處理池→一級(jí)碎石床→二級(jí)生物池→二級(jí)碎石床→出水進(jìn)入磁湖。由于磁湖的南半湖水質(zhì)較北半湖較差，故把人工濕地的地點(diǎn)選在南半湖李家坊附近。

平面流人工濕地參數(shù):濕地面積由As=5.2Q(In{So-Se})計(jì)算得出(4)。其中As 為濕地床表面積(m2);Q 為濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量(m3/d);So、Se 分別為BOD5 的進(jìn)、出口濃度(mg/L)。

人工濕地填料要求通透性好、比表面積大，具有較好的吸附能力，增加對(duì)各種有機(jī)物的吸收，以及為各種微生物提供更多的繁殖空間。通常可選取土壤、碎石、礫石、煤塊、細(xì)沙、粗砂等一種或幾種的混合物作為人工濕地系統(tǒng)的填料。

人工濕地的植物在人工濕地系統(tǒng)中占重要的地位，植物可直接吸收利用污水中的污染物作為供自身生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);同時(shí)可通過(guò)光合作用為根區(qū)的好氧微生物輸送氧氣;此外還能與周圍環(huán)境的原生動(dòng)物、微生物等形成各種小環(huán)境，增強(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳輸。潛流型人工濕地中使用的植物主要有香蒲、蘆葦、燈芯草等。人工濕地剖面圖如圖1:

圖1 潛流人工濕地刨面圖

根據(jù)前述公式，代入BOD5 進(jìn)、出水濃度分別為6.107mg/L、4mg/L(地表水Ⅲ類水體限值)，得出人工濕地系統(tǒng)總面積為38753.79m2，為便于設(shè)計(jì)取40000m2，則人工濕地水力負(fù)荷約為0.25m3/(m2.d)。湖泊的容積為1748 萬(wàn)m3，即完全凈化一遍湖泊水體需58 個(gè)月，考慮到工程布置方便、有利于景觀設(shè)計(jì)、便于調(diào)度運(yùn)行，采用8 個(gè)5000m2的人工濕地系統(tǒng)單元組合，每個(gè)5000m2的人工濕地單元設(shè)計(jì)參數(shù)如表2:

表2 人工濕地單元設(shè)計(jì)參數(shù)

人工濕地隔水墻采用M6.5 水泥砂漿砌塊石，集水池采用M6.5 水泥砂漿砌筑，用1:2 水泥砂漿抹縫。生物塘和植物碎石床底部鋪設(shè)GCL 防水墊，上覆300mm 填土保護(hù)層，并采用人工壓實(shí)。碎石回填碎石粒徑要求為一級(jí)碎石:長(zhǎng)90mm，寬50mm;二級(jí)碎石床:長(zhǎng)60mm，寬40mm。湖水通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)人工濕地系統(tǒng)出水預(yù)測(cè)濃度可達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。磁湖人工濕地預(yù)期運(yùn)行效果如表3 所示:

表3 磁湖人工濕地運(yùn)行效果

根據(jù)桃花島人工濕地對(duì)各種污染物的去除率，可以得出擬建立的磁湖人工濕地對(duì)磁湖湖水進(jìn)行處理可以達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838 -2002)中III 類水體對(duì)各種污染物的濃度限值。

5 結(jié)論

磁湖水體綜合水質(zhì)為V 類水體，水體呈中度富營(yíng)養(yǎng)化，鑒于磁湖所處的地理位置及其周邊環(huán)境可建立人工濕地以改善此現(xiàn)狀并增強(qiáng)湖泊的景觀功能。通過(guò)比較地表流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直流人工濕地的優(yōu)缺點(diǎn)，選用去除有機(jī)物效果較好的平流潛流人工濕地作為此次可行性研究的濕地模型。擬建立40000m2的潛流人工濕地對(duì)湖水進(jìn)行循環(huán)凈化，每天可凈化10000m2湖水，湖水經(jīng)過(guò)人工濕地的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)調(diào)作用之后，出水各污染物濃度均可達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。

［1］侯新.基于景觀的水體生態(tài)修復(fù)模式設(shè)計(jì)——以重慶市內(nèi)子口水庫(kù)為例［J］.南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，43(7):995 -999.

［2］黃石市城市污水專項(xiàng)規(guī)劃(2008 -2020).

［3］肖文勝，秦永宏，蓋希光，郭建林.引江入湖修復(fù)城市內(nèi)湖生態(tài)環(huán)境—以磁湖為例［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009(11).

［4］年夫喜，孫國(guó)榮，張祥菊.黃石市磁湖水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)的初步研究［J］.水利建設(shè)與管理，2011(9).