濱庫(kù)帶多級(jí)表面流濕地水污染控制

蒲紅杰，許士國(guó)，蘇廣宇

（大連理工大學(xué)水利學(xué)院，遼寧大連116023）

濱庫(kù)帶多級(jí)表面流濕地水污染控制

蒲紅杰，許士國(guó)，蘇廣宇

（大連理工大學(xué)水利學(xué)院，遼寧大連116023）

水庫(kù)是城市供水的重要環(huán)節(jié)，水庫(kù)濱庫(kù)帶的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染未經(jīng)處理直接排入水庫(kù)，會(huì)對(duì)水庫(kù)水質(zhì)造成較大影響。隨著人工濕地污水處理技術(shù)的興起，表面流人工濕地因其在污染控制與生態(tài)修復(fù)方面的良好效果，在水庫(kù)等土地資源豐富的地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。南山溝濕地工程位于碧流河水庫(kù)上游濱庫(kù)帶，工程采用多級(jí)表面流濕地工藝，通過(guò)地表漫流處理生活污水，同時(shí)對(duì)匯水區(qū)的非點(diǎn)源污染進(jìn)行凈化，并通過(guò)設(shè)置溢流堰減緩濕地坡度、增大各級(jí)濕地長(zhǎng)寬比等措施，提升污染物去除效果，有效削減濱庫(kù)帶入庫(kù)污染物。

濱庫(kù)帶；水污染控制；人工濕地；非點(diǎn)源污染

人工濕地污水處理技術(shù)通過(guò)人工模擬天然濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能對(duì)污水進(jìn)行處理，因其能夠促進(jìn)污水中污染物質(zhì)良性循環(huán)，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益而被廣泛應(yīng)用。其中，表面流人工濕地具有投資少、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有為野生生物提供棲息地、涵養(yǎng)水源等眾多生態(tài)功能，但其占地面積較大，因此被廣泛應(yīng)用于水庫(kù)等土地資源豐富的地區(qū)。根據(jù)水庫(kù)濱庫(kù)帶的實(shí)際背景，充分利用濱庫(kù)帶分洪河道空間，設(shè)計(jì)了南山溝濕地，以期削減南山溝匯水區(qū)入庫(kù)污染物，實(shí)現(xiàn)濕地環(huán)境效益的最大化。

1 水污染特征分析

由于土地資源緊缺等原因，水庫(kù)濱庫(kù)帶分布有眾多小型人口聚居區(qū)，這些聚居區(qū)內(nèi)人口仍以農(nóng)業(yè)活動(dòng)作為主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源，除生活污染外，濱庫(kù)帶內(nèi)農(nóng)田以及散養(yǎng)畜禽等農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題也十分突出。濱庫(kù)帶與水庫(kù)水體間缺少空間阻隔，污染物在入庫(kù)前缺少河流、植被的沉淀、凈化作用，污染物入庫(kù)系數(shù)高于其它區(qū)域，居民產(chǎn)生的污染均會(huì)在降雨的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入水庫(kù)，對(duì)水庫(kù)水質(zhì)影響更加直接。因此，濱庫(kù)帶小型人口聚居區(qū)污染排放具有入庫(kù)系數(shù)高、排放量變異系數(shù)大、污染源復(fù)雜等特點(diǎn)。

碧流河水庫(kù)是大連市的中心水源水庫(kù)，水庫(kù)整體水質(zhì)較好，但也存在總氮濃度超標(biāo)，總磷濃度持續(xù)上升以及鐵、錳等指標(biāo)部分時(shí)段超標(biāo)等水質(zhì)問(wèn)題。南山溝濕地位于碧流河水庫(kù)上游蛤蜊河入庫(kù)口左岸。南山溝匯水區(qū)內(nèi)分布有203戶(hù)楊嵐子村的居民和約120 hm2農(nóng)田，居民散排的生活污水和雨水均通過(guò)南山溝直接進(jìn)入水庫(kù)，水污染要素以農(nóng)業(yè)面源污染和居民生活產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染為主。碧流河水庫(kù)、蛤蜊河和南山溝水體總氮、總磷指標(biāo)如表1所示，蛤蜊河徑流總氮濃度與水庫(kù)水體相近，總磷濃度明顯高于水庫(kù)水體，而南山溝污水的總氮、總磷濃度則明顯高于水庫(kù)水體。各水體總氮濃度均超過(guò)地表V類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但蛤蜊河徑流與水庫(kù)水體總磷濃度滿(mǎn)足地表III類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，南山溝污水總磷濃度僅達(dá)到地表IV類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)對(duì)南山溝污水進(jìn)行處理。

2 水污染處理對(duì)策

針對(duì)濱庫(kù)帶污染物特點(diǎn)可以在濱庫(kù)帶建設(shè)表面流人工濕地對(duì)污染物進(jìn)行攔截、降解和轉(zhuǎn)移。表面流人工濕地具有較好的生態(tài)效益，而且運(yùn)行成本低，適用于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)。表面流人工濕地的污水處理效率較低，目前多采用多級(jí)串聯(lián)的表面流人工濕地系統(tǒng)。

表1 蛤蜊河口水體水質(zhì)指標(biāo)

一般情況下，小型人口聚居區(qū)產(chǎn)生的生活污水量較小，非點(diǎn)源污染主要隨雨水進(jìn)入水庫(kù)，突發(fā)性強(qiáng)，瞬時(shí)流量大，如果建設(shè)普通的表面流人工濕地處理生活污水并承接匯水區(qū)非點(diǎn)源污染，日常進(jìn)水量小而蒸發(fā)量極大，難以滿(mǎn)足濕地正常運(yùn)行要求。因此，在濕地中不設(shè)自由水面，采用地表漫流的方式，通過(guò)植物和土壤內(nèi)微生物的共同作用去除污水中的污染物。相關(guān)研究成果表明，地表漫流方式對(duì)污水內(nèi)污染物的去除率可達(dá)到33.6%～49.9%。

南山溝濕地用五級(jí)平臺(tái)式濕地結(jié)構(gòu)，各級(jí)濕地間使用溢流堰進(jìn)行分隔，通過(guò)地表漫流對(duì)匯水區(qū)內(nèi)污水進(jìn)行處理。濕地工藝流程如圖1所示。日常情況下，生活污水由二級(jí)濕地進(jìn)入，在濕地內(nèi)自由漫流，污水最終在各級(jí)濕地內(nèi)滯留并最終下滲進(jìn)入土壤，在植物和土壤內(nèi)微生物的共同作用下，污染物最終得到降解和吸收。發(fā)生降雨時(shí)，攜帶污染物的雨水由一級(jí)和二級(jí)濕地進(jìn)入，依次經(jīng)過(guò)三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)濕地，并最終進(jìn)入水庫(kù)。濕地內(nèi)植物能夠降低水體流速，促使水體攜帶的懸浮物以及與懸浮物吸附在一起的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉降，并吸收水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而降低進(jìn)入水庫(kù)雨水的污染物濃度。此外，為了維持濕地內(nèi)植物的正常生長(zhǎng)，將其它濕地所引部分蛤蜊河徑流在一級(jí)濕地排入南山溝濕地。

圖1 工藝流程圖

3 濕地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

南山溝是蛤蜊河的分洪河道，同時(shí)也是楊嵐子村生活污水排放通道以及地表雨水的匯集處，在生活污水持續(xù)的沖刷作用下，河道內(nèi)土壤流失現(xiàn)象嚴(yán)重。南山溝濕地是對(duì)南山溝原有地形進(jìn)行整理、改造而形成的五級(jí)平臺(tái)式人工濕地。

3.1 污染負(fù)荷計(jì)算

生活污水排放量計(jì)算：

式中：Qs為生活污水排放量，t/d；K為污水排放系數(shù)；q1·為每人每天生活用水標(biāo)準(zhǔn)，L/（d·人）；V1為生活區(qū)人數(shù)，人。

匯水區(qū)居民人數(shù)共計(jì)609人，居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)為80 L/（d·人），考慮到楊嵐子村的現(xiàn)實(shí)條件，污水入庫(kù)比例小，因此污水排放系數(shù)取35%，由此可得，排入南山溝的生活污水量約為17.05 m3/d。

農(nóng)業(yè)面源污染物排放量使用以下公式計(jì)算：

式中：GPWW為污染物排放量，kg；EPWW為農(nóng)田的污染物流失量，kg/(hm2·a)；SPS為播種面積，hm2。

濕地匯水區(qū)內(nèi)共有農(nóng)田120 hm2，主要種植農(nóng)作物為玉米，根據(jù)第一次全國(guó)污染源普查數(shù)據(jù)，該區(qū)域農(nóng)田TN、TP流失量分別為2.82 kg/（hm2·a）和0.09 kg/（hm2·a），由此可得，濕地匯水區(qū)內(nèi)農(nóng)田TN和TP排放量分別為338.4 kg/a和10.8 kg/a。

3.2 濕地結(jié)構(gòu)

南山溝濕地總面積29 000 m2，各級(jí)濕地面積依次為4 400，13 000，2 900，2 400，6 300 m2。人工濕地的幾何構(gòu)造對(duì)其水力性能和凈化效果具有十分重要的影響，為了提高濕地系統(tǒng)的凈化效果，在各級(jí)濕地間設(shè)置溢流堰，將南山溝原有地形落差集中于溢流堰處，減緩各級(jí)濕地內(nèi)坡度，降低水體流速同時(shí)各級(jí)濕地均采用較高的長(zhǎng)寬比，從而延長(zhǎng)水力停留時(shí)間。一級(jí)、二級(jí)濕地內(nèi)地形以水平地形為主，僅二級(jí)濕地前段有0.5%坡度，三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)凈化濕地為緩坡結(jié)構(gòu)，三級(jí)濕地坡度為1%，四級(jí)和五級(jí)濕地坡度為0.5%。

蘆葦具有適應(yīng)能力強(qiáng)、去污效果好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于人工濕地污水處理技術(shù)中，根據(jù)相關(guān)研究成果，種植蘆葦?shù)牡乇砺飨到y(tǒng)對(duì)流經(jīng)濕地的污水內(nèi)污染物去除率可達(dá)32.8%～47.8%。因此，在濕地種植蘆葦，種植密度9株/m2，在發(fā)揮其對(duì)污染物的吸收降解作用的同時(shí)，還能夠穩(wěn)固土壤、減緩水流流速。為了維持蘆葦?shù)娜粘ＩL(zhǎng)，將其它濕地所引部分蛤蜊河徑流在一級(jí)濕地排入南山溝濕地。

3.3 溢流堰設(shè)計(jì)

如圖2所示，溢流堰總寬度8 m，堰頂寬1.5 m，堰高0.6 m，地面以上高度0.4 m。溢流堰使用3層20 cm厚蜂巢約束系統(tǒng)疊砌而成。溢流堰頂部及背水面外露格室內(nèi)填充塊石并在縫隙內(nèi)填土，以防止水流對(duì)格室內(nèi)填料沖刷造成破壞，溢流堰內(nèi)部與塊石格室相鄰兩個(gè)格室依次填充碎石和粗砂作為反濾層以避免溢流堰填土發(fā)生滲流，其余格室填充粘性土并夯實(shí)。

圖2 溢流堰剖面圖

3.4 濕地凈化效果分析

南山溝濕地處理對(duì)象主要是排入的生活污水和攜帶污染物的雨水。根據(jù)靖玉明的研究成果，無(wú)植物的近自然濕地系統(tǒng)對(duì)總氮、總磷的平均去除負(fù)荷分別為0.10 g/(m2·d)和0.04 g/(m2·d)，蘆葦種植密度約25株/m2的近自然濕地系統(tǒng)對(duì)總氮、總磷的平均去除負(fù)荷提高至0.15 g/(m2·d)和0.05 g/(m2·d)。南山溝濕地蘆葦種植密度為10株/m2，蘆葦對(duì)濕地污染物去除負(fù)荷的提高效果取靖玉明試驗(yàn)中提高效果的1/2.5。因此，對(duì)總氮、總磷的去除負(fù)荷分別取0.120 g/(m2·d)和0.044 g/(m2·d)。濕地生活污水進(jìn)水量為17.05 m3/d，總氮、總磷濃度分別為4.15 mg/L和0.10 mg/L，總氮、總磷負(fù)荷分別為2.4×10-3g/(m2·d)和5.8×10-5g/(m2·d)，由于生活污水量很小，日常情況下均滯留在濕地內(nèi)，且濕地污染物負(fù)荷遠(yuǎn)小于對(duì)污染物的去除負(fù)荷。因此，濕地基本能夠攔截全部生活污水。當(dāng)發(fā)生降雨時(shí)，地表雨水經(jīng)過(guò)各級(jí)濕地凈化后進(jìn)入水庫(kù)，濕地能夠?qū)τ晁畠?nèi)懸浮物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起到一定的去除作用。

4 濕地建設(shè)與綜合分析

南山溝濕地工程總投資約108萬(wàn)元，現(xiàn)已進(jìn)入施工階段，預(yù)計(jì)于2016年7月竣工，工程竣工后能夠?qū)δ仙綔蠀R水區(qū)內(nèi)生活污水和非點(diǎn)源污染進(jìn)行有效治理，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。

1）南山溝濕地能夠基本攔截全部生活污水并對(duì)地表雨水起到一定凈化作用，有效減輕濱庫(kù)帶污染物對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的直接破壞。

2）南山溝濕地在削減入庫(kù)污染物的基礎(chǔ)上，能夠改善周邊生態(tài)環(huán)境，為野生動(dòng)物提供棲息場(chǎng)所，營(yíng)造自然濕地景觀。

3）南山溝濕地還具有涵養(yǎng)水源，保持水土的作用，能夠有效改善南山溝的水土流失問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

為了削減水庫(kù)濱庫(kù)帶周邊居民生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染的入庫(kù)污染物，研究利用原有分洪河道空間，將其改造為多級(jí)表面流人工濕地，通過(guò)地表漫流處理污水，既不影響河道行洪能力，又滿(mǎn)足了建設(shè)人工濕地的空間需求，改善了河道內(nèi)水土流失現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益最大化。通過(guò)使用溢流堰集中地形落差以減緩濕地坡度、增大各級(jí)濕地長(zhǎng)寬比，降低水流流速，增加水力停留時(shí)間，使污染物去除效果得到有效提高。

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2016-05-13