人工濕地在南港水系工程中的應(yīng)用

□文/趙俊玲

人工濕地在南港水系工程中的應(yīng)用

□文/趙俊玲

人工濕地作為一種污水生物處理技術(shù)，因其具有獨(dú)特的優(yōu)勢，而得到廣泛的應(yīng)用。文章結(jié)合南港工業(yè)區(qū)投資服務(wù)中心水域微污染的特點(diǎn)，采用以波式流人工濕地為核心的生物生態(tài)技術(shù)對該區(qū)域水體進(jìn)行凈化和維持。

人工濕地；水系工程；水質(zhì)凈化

濕地作為地球上具有多種功能的生態(tài)系統(tǒng)，可以沉淀、排除、吸收和降解有毒物質(zhì)，使?jié)撛诘奈廴疚镛D(zhuǎn)化為資源，因而被譽(yù)為“地球之腎”。

人工濕地是在天然濕地的凈化功能基礎(chǔ)上，參與人為因素的一種由人工將礫石、砂、土壤、煤渣等介質(zhì)按一定比例構(gòu)成的底部封閉并有選擇性的植入水生植物的污水處理系統(tǒng)。利用系統(tǒng)中基質(zhì)-水生植物-微生物的物理、化學(xué)、生物的三者協(xié)同作用，通過基質(zhì)過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)對污水的高效凈化。

1　工程概況

南港工業(yè)區(qū)投資服務(wù)中心水系工程（以下簡稱南港水系工程）是在《天津南港工業(yè)區(qū)一期控制性詳細(xì)規(guī)劃》的基礎(chǔ)上，落實(shí)“雙城區(qū)、雙港區(qū)”城市發(fā)展戰(zhàn)略、加快南港工業(yè)區(qū)規(guī)劃建設(shè)要求的前提下，為改善南港整體環(huán)境，創(chuàng)造良好生態(tài)系統(tǒng)而提出的。

整體水系布置由規(guī)劃區(qū)河道與中心區(qū)湖泊組成，項目區(qū)西部綠化帶內(nèi)沿海防路鋪設(shè)直徑1.0 m管道，形成區(qū)內(nèi)全部水系的溝通，在西部及服務(wù)中心各建循環(huán)泵站一座，設(shè)置4座節(jié)制閘使整個水系能夠形成水體循環(huán)。

整個水體體積為50.0萬m3，水體的循環(huán)周期應(yīng)為42 d左右，循環(huán)流量為1.2萬m3/d，因此，西部循環(huán)泵站規(guī)模為0.15m3/s，服務(wù)中心循環(huán)泵站只負(fù)責(zé)其南部景觀水體的小循環(huán)，規(guī)模為0.05m3/s。

對于微污染水體的凈化，如采用常規(guī)污水處理工藝，不僅基建投資成本和運(yùn)行費(fèi)用高，而且處理效果往往達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。為此，本規(guī)劃針對南港工業(yè)區(qū)投資服務(wù)中心水域微污染的特點(diǎn)，采用以波式流人工濕地為核心的生物生態(tài)技術(shù)對該區(qū)域水體進(jìn)行凈化和維持，見圖1。

圖1　處理工藝

2　工程內(nèi)容

南港水系人工濕地包括引水系統(tǒng)、水量調(diào)節(jié)池、濕地組團(tuán)、出水系統(tǒng)等。

2.1引水系統(tǒng)

河道水經(jīng)泵抬升后，進(jìn)入水量調(diào)節(jié)池。

2.2水量調(diào)節(jié)池

水量調(diào)節(jié)池主要起穩(wěn)定水位和流量的作用并對非溶解態(tài)的懸浮顆粒物進(jìn)行初步沉淀，防止懸浮顆粒物進(jìn)入后續(xù)人工濕地處理系統(tǒng)內(nèi)部造成堵塞。同時，為充分發(fā)揮水量調(diào)節(jié)池的作用，在水量調(diào)節(jié)池內(nèi)可種植景觀較果好、水質(zhì)凈化能力強(qiáng)的水生植物，形成表流濕地處理系統(tǒng)。

2.3人工濕地組團(tuán)

人工濕地處理單元是本工藝的核心部分，濕地形式采用波式流人工濕地技術(shù)。波式流人工濕地處理單元由人工基質(zhì)、水生植物和附著在基質(zhì)及植物根區(qū)的微生物組成，是一種獨(dú)特的基質(zhì)—植物—微生物生態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，植物扎根于基質(zhì)床的表層，植物根系和填料為微生物提供附著的載體，同時植物根系為微生物提供氧源，在靠近根區(qū)的填料層形成好氧區(qū)，而在遠(yuǎn)離根區(qū)的填料層形成厭氧或兼氧區(qū)，水體以波浪式流經(jīng)填料表層和底層時，反復(fù)經(jīng)過好氧、厭氧以及硝化和反硝化的過程，從而實(shí)現(xiàn)對有機(jī)污染物和氮磷的高效去除。與自然濕地相比，波式流人工濕地在相同面積條件下處理能力大幅度提高，能夠克服天然濕地比較脆弱的缺點(diǎn)，具有負(fù)荷率高、占地面積小、效果可靠、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，而且水流在填料表層以下流動，在寒冷的冬季仍可運(yùn)行。

濕地表面種植水質(zhì)凈化能力強(qiáng)、景觀效果好的水生植物，在凈化水質(zhì)的同時，起到良好的景觀效果。

2.4出水系統(tǒng)

人工濕地出水通過自流進(jìn)入出水池，再經(jīng)出水池自流返回河道。

3　人工濕地設(shè)計要點(diǎn)

3.1污染負(fù)荷計算

水系構(gòu)建后，影響規(guī)劃區(qū)域水質(zhì)惡化的因素主要考慮水面蒸發(fā)濃縮殘留的污染物、雨水匯入帶來的污染。

3.1.1水面蒸發(fā)濃縮殘留污染負(fù)荷計算

水面蒸發(fā)損失量按式（1）計算

式中：V蒸為蒸發(fā)損失的水量，萬m3/月；E蒸為月平均水面蒸發(fā)量，mm/月；A為水域面積，本規(guī)劃按340100m2計算。

水面蒸發(fā)后殘留污染負(fù)荷按式（2）計算

式中：M殘留為水面蒸發(fā)后殘留的污染負(fù)荷，kg/月；C為計算月份內(nèi)水體中污染物濃度，mg/L。

3.1.2雨水匯入帶來的污染負(fù)荷

初期雨水由于對地面沖刷和雨水管道沖洗，水質(zhì)一般較差。根據(jù)《海河干流污染防治技術(shù)研究》成果，城區(qū)初期雨水化學(xué)需氧量濃度約為300 mg/L左右；后期雨水水質(zhì)一般較好，化學(xué)需氧量濃度約為40 mg/L左右。因此，雨水匯入帶來的污染物負(fù)荷主要考慮初期雨水污染。雨水污染負(fù)荷按式（3）計算

式中：M雨為雨水匯入帶來的污染負(fù)荷，kg/月；P雨為月降水量，mm；A匯為雨水徑流匯水面積，m2；λ為該區(qū)域徑流系數(shù)；μ為初期雨水所占比例，取0.1；C雨、C水分別為初期雨水徑流中污染物濃度和水系規(guī)劃目標(biāo)中污染物濃度，mg/L。

3.1.3水系污染負(fù)荷計算分析

根據(jù)影響水系水體水質(zhì)變化的主要因素，結(jié)合項目區(qū)水量調(diào)度運(yùn)行，進(jìn)行污染負(fù)荷計算分析，結(jié)果見表1。

表1　規(guī)劃水域污染負(fù)荷計算結(jié)果

由表1可以看出，水體中污染負(fù)荷呈逐漸增加的趨勢，為維持規(guī)劃區(qū)域景觀水體中COD、氮、磷等主要水質(zhì)指標(biāo)總體達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，需通過人工潛流濕地工程去除污染物。

3.2進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)確定

人工濕地處理系統(tǒng)主要削減規(guī)劃區(qū)域景觀水域水體中的營養(yǎng)鹽，使規(guī)劃區(qū)域景觀水體中COD、氮、磷等主要水質(zhì)指標(biāo)總體維持在地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。因此，濕地處理系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)采用COD、總氮、總磷三項指標(biāo)進(jìn)行控制，進(jìn)水水質(zhì)按地表水Ⅴ類考慮。確定濕地處理系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)：CODCr40mg/L、TN2.0mg/L、TP0.4mg/L。

3.3出水水質(zhì)指標(biāo)

規(guī)劃區(qū)域景觀水體中COD、氮、磷等主要水質(zhì)指標(biāo)總體維持在地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。因此，濕地處理系統(tǒng)出水水質(zhì)按地表水Ⅳ類考慮，通過水系循環(huán)流動達(dá)到項目區(qū)景觀水域Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。人工濕地處理系統(tǒng)設(shè)計出水水質(zhì)：COD≤30mg/L、TN≤1.5mg/L、總磷≤0.3mg/L。

3.4人工濕地系統(tǒng)有效處理面積計算

人工濕地對污染物的去除效果采用Monod動力學(xué)模型進(jìn)行計算。該模型中的污染物去除率方程

式中：C進(jìn)、C出分別為系統(tǒng)的進(jìn)水濃度和出水濃度，mg/L；Q為處理流量，m3/d；K0·A為零階面積去除率常數(shù)，g/（m2·d）；A為人工濕地處理系統(tǒng)的理論面積，m2。

根據(jù)上述計算，人工濕地處理系統(tǒng)的理論面積應(yīng)為24000m2。考慮水系中污染物的波動情況，本規(guī)劃中人工濕地處理系統(tǒng)設(shè)計面積1.2系數(shù)計算，人工濕地有效處理面積按28800m2設(shè)計。

4　水生植物配置

水生植物在人工濕地中的配置不僅僅要考慮到它的景觀效果，同時還要考慮到它的生態(tài)效益，要形成生態(tài)良好的植物群落，才能真正的既達(dá)到污水處理的功效，又起到美化豐富水體景觀，維護(hù)生物多樣性的效果。

5　總結(jié)

本工程為市政府投資的社會公益性項目，主要考慮社會效益，不做具體的社會經(jīng)濟(jì)評價。本工程的社會效益主要體現(xiàn)為：

1）工程的實(shí)施充分利用了當(dāng)?shù)赜晁Y源，有效解決項目區(qū)水資源匱乏的問題，為城市健康發(fā)展提供基礎(chǔ)；

2）該工程為把城市河湖微污染水體處理后再用于城市水環(huán)境的工程，其運(yùn)行的成功經(jīng)驗可進(jìn)行推廣，這對于解決水環(huán)境條件較差地區(qū)的水環(huán)境問題，改善生態(tài)環(huán)境具有重大的意義；

3）可以改善城市河道水質(zhì)，提高城市水環(huán)境質(zhì)量，對于提高這一地區(qū)，乃至天津市人民的健康水平具有積極的意義。

[1]王建軍.人工濕地在污水處理中的應(yīng)用初探[J].遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技，2004，（3）：1-2.

[2]李洋，周孝德，苗得雨，等.淺談人工濕地污水處理技術(shù)[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2007，（1）：55-57.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.024

□X703

□C

□1008-3197（2015）02-65-03

□2015-01-14

□趙俊玲/女，1982年出生，工程師，天津市海順交通工程設(shè)計有限公司，主要從事給排水設(shè)計工作。