基于海綿城市理念的雨水濕地系統(tǒng)構(gòu)建

孫玉童， 方志華， 夏明升， 劉程

（安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司， 合肥 230031）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)， 國(guó)內(nèi)許多城市飽受洪澇和缺水問(wèn)題的雙重困擾。 為此， 我國(guó)提出了“海綿城市”的理念， 它的原理是在雨季時(shí)蓄積雨水并通過(guò)一些途徑將雨水凈化加以利用， 從而能夠彈性的應(yīng)對(duì)環(huán)境變化［1］。 濕地作為城市之腎， 在海綿城市中扮演著重要角色， 不僅具有凈化水質(zhì)的作用， 還擔(dān)負(fù)著雨水水量滯蓄任務(wù)［2］。 許多研究者發(fā)現(xiàn)人工濕地可通過(guò)基質(zhì)、 微生物以及植物的協(xié)同作用對(duì)雨水中的污染物進(jìn)行有效的削減， 使雨水中COD、 氨氮、 TN、 TP 達(dá)到預(yù)期的排放標(biāo)準(zhǔn)， 提升水質(zhì)［3－7］。 同時(shí)， 人工濕地中的淺灘結(jié)構(gòu)和豐富的植物種類(lèi)具有較好的導(dǎo)水作用［8－9］， 能對(duì)雨水進(jìn)行高效的存儲(chǔ)， 從而削減徑流總量［10－12］。 我國(guó)有關(guān)人工濕地在海綿城市中運(yùn)用的研究尚處于起步階段，鮮見(jiàn)成熟的設(shè)計(jì)方法。 本文以某海綿城市中雨水濕地項(xiàng)目為例， 介紹了雨水濕地系統(tǒng)的構(gòu)建及其處理效果， 以期為類(lèi)似濕地控制和治理初期雨水徑流污染處理提供參考和借鑒。

1 工程概況

本工程是安徽省西南部某海綿城市建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目。 該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候， 雨量充沛， 多年平均降雨量為1 438 mm， 平均降雨天數(shù)為142 d。本工程整治內(nèi)容主要包括濕地森林公園綜合利用初期雨水生態(tài)處理工程及周邊黑臭水體整治。 該市前期設(shè)計(jì)建立了一座調(diào)蓄池， 設(shè)計(jì)蓄水量為50 000 m3， 本次設(shè)計(jì)的人工濕地系統(tǒng)主要用來(lái)處理調(diào)蓄池定期排放的雨水， 同時(shí)兼顧上游河道的污水， 綜合以上因素， 人工濕地設(shè)計(jì)進(jìn)水量為80 000 m3， 經(jīng)調(diào)蓄池后進(jìn)入人工濕地的水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表1。 設(shè)計(jì)目標(biāo)為河道上游雨水濕地系統(tǒng)處理后的主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)， 下游水體消除黑臭。

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 Influent water quality

2 處理工藝流程及特點(diǎn)

2.1 處理工藝流程

本工程中處理初期雨水采用組合式人工濕地工藝， 設(shè)計(jì)為三級(jí)濕地串聯(lián)， 包括潛流型人工濕地、表流型人工濕地和生態(tài)穩(wěn)定塘。 經(jīng)調(diào)蓄池初步處理過(guò)的雨水首先通過(guò)DN 1 200 mm 管道壓力輸入潛流濕地， 潛流濕地出水依次流入一級(jí)表流濕地和一級(jí)生態(tài)穩(wěn)定塘， 然后再通過(guò)二級(jí)表流濕地和二級(jí)穩(wěn)定塘， 最后出水流入生態(tài)溝渠。 整個(gè)濕地水體流動(dòng)通過(guò)設(shè)置濕地高程實(shí)現(xiàn)重力自流， 進(jìn)入潛流濕地的進(jìn)水水位高程設(shè)置為10.05 m， 一級(jí)表流濕地、 一級(jí)生態(tài)穩(wěn)定塘、 二級(jí)表流濕地、 二級(jí)生態(tài)穩(wěn)定塘高程分別為9.50、 9.30、 8.90 和8.75 m。 具體工藝布置如圖1 所示。

圖1 雨水濕地工藝布置Fig. 1 Rainwater wetland process layout

2.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本次工程將人工濕地系統(tǒng)凈化后的雨水作為黑臭水體的補(bǔ)水水源， 創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了雨水濕地系統(tǒng)與黑臭水體整治的有機(jī)結(jié)合， 既減少了雨水的排放， 又改善了黑臭水體水質(zhì)。

3 人工濕地主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 人工濕地面積

濕地的面積設(shè)計(jì)主要依據(jù)水力負(fù)荷， 其計(jì)算公式為：

式中： Q 為污水流量， m3／d； Nq為水力負(fù)荷，m3／（m2·d）。

人工濕地的水力負(fù)荷取值范圍可參照HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》， 其具體參數(shù)根據(jù)預(yù)處理程度、 水量選?。?3］。 本工程潛流型人工濕地采用較高的水力負(fù)荷0.8 m3／（m2·d）計(jì)算， 需要建設(shè)的濕地面積為100 000 m2。 經(jīng)潛流濕地系統(tǒng)處理后出水基本達(dá)到出水水質(zhì)目標(biāo)， 表流濕地對(duì)尾水的處理主要起到去除剩余污染物和水質(zhì)活化及穩(wěn)定調(diào)節(jié)的作用， 使水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。 根據(jù)本公司工程經(jīng)驗(yàn)， 選取高凈化能力植物， 一級(jí)表流濕地水力負(fù)荷可采用1 m3／（m2·d）， 一級(jí)生態(tài)穩(wěn)定塘的水力負(fù)荷采用4 m3／（m2·d）， 二級(jí)表流濕地水力負(fù)荷采用1.6 m3／（m2·d）， 二級(jí)生態(tài)穩(wěn)定塘水力負(fù)荷采用8 m3／（m2·d）， 其計(jì)算出來(lái)對(duì)應(yīng)的濕地面積分別為一級(jí)表流濕地80 000 m2， 一級(jí)生態(tài)穩(wěn)定塘20 000 m2， 二級(jí)表面流濕地50 000 m2， 二級(jí)生態(tài)穩(wěn)定塘10 000 m2。

3.2 構(gòu)筑物尺寸

各類(lèi)型濕地構(gòu)筑物尺寸如表2 所示。

表2 各類(lèi)型濕地構(gòu)筑物尺寸Tab. 2 Structures′ size of differenty types of wetlands

3.3 水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間是人工濕地設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)， 其受濕地長(zhǎng)度、 寬度、 植物、 基地材料滲透率、 水深和水力坡度等因素影響。 根據(jù)研究數(shù)據(jù)表明， 一般水力停留時(shí)間最大不超過(guò)24 h， 暴雨期間至少有30 min 的水力停留時(shí)間以保證處理效果，水力停留時(shí)間達(dá)到10~15 h 就可以達(dá)到很好的處理效果［14］。 依據(jù)日處理污水量（80 000 m3／d）和設(shè)計(jì)池容， 計(jì)算可得本工程中潛流濕地設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為24 h； 一級(jí)表流濕地為12 h； 一級(jí)生態(tài)穩(wěn)定塘為12 h； 二級(jí)表流濕地為7.5 h； 二級(jí)生態(tài)穩(wěn)定塘為9 h。

3.4 基質(zhì)選擇

基質(zhì)是指在人工濕地床體內(nèi)用以提供人工濕地植物與微生物生長(zhǎng)并對(duì)污染物起過(guò)濾、 沉淀、吸附等作用的填充材料， 一般是礫石、 砂子、 土壤和煤渣等［15］。 本次工程中選用多種填料布置方式， 主要填料是礫石， 輔助少量的沸石和鋼渣作為強(qiáng)化介質(zhì)， 同時(shí)沸石用來(lái)強(qiáng)化氨氮的去除， 鋼渣用來(lái)強(qiáng)化磷的去除。 填料層的粒徑為5 ～30 mm， 孔隙率為30%～40%， 厚度為125 cm。

3.5 植物選擇

水生植物的選擇使用是人工濕地正常發(fā)揮污染治理效能的關(guān)鍵所在， 很多工程經(jīng)驗(yàn)表明利用人工濕地處理初期雨水技術(shù)應(yīng)用效果最好的水生植物有蘆葦、 菖蒲和美人蕉。 同時(shí)考慮到植物的生長(zhǎng)期， 本次也選用了四季常綠的風(fēng)車(chē)草、 常綠鳶尾和燈芯草。

4 運(yùn)行效果

本工程運(yùn)行以來(lái)處理效果一直很穩(wěn)定， 出水水質(zhì)良好， 主要水質(zhì)指標(biāo)可達(dá)地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，具體的檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 出水水質(zhì)指標(biāo)Tab. 3 Influent water quality

5 投資及運(yùn)行成本分析

本工程占地260 000 m2， 總投資10 694.50 萬(wàn)元， 具體的分項(xiàng)成本見(jiàn)表4。

表4 工程投資分項(xiàng)成本Tab. 4 Sub-cost of project investment

后期濕地運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本為306 萬(wàn)元／a， 其中衛(wèi)生保潔養(yǎng)護(hù)16 萬(wàn)元／a， 濕地單元養(yǎng)護(hù)168 萬(wàn)元／年， 水生植物調(diào)控62 萬(wàn)元／a， 設(shè)施運(yùn)維（包括布水渠、 集水渠、 管道、 閥門(mén)等）60 萬(wàn)元／a。

6 結(jié)語(yǔ)

本次工程采用三級(jí)濕地串聯(lián)技術(shù)對(duì)初期雨水進(jìn)行處理， 處理后的出水主要水質(zhì)指標(biāo)可以達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)， 結(jié)果表明人工濕地對(duì)雨水徑流污染有良好的去除效果， 在初期雨水處理推廣使用上具有可行性。