復(fù)合型人工濕地在河流治理中的應(yīng)用

劉晶　陳新永　姜甜甜　李洪波　田在鋒

摘要 根據(jù)某流域山區(qū)河流自然環(huán)境現(xiàn)狀特征及北方冬季寒冷的特點，采用“雙腎型”布水方案，設(shè)計構(gòu)建生態(tài)護(hù)岸+生態(tài)溝+人工表面流濕地+人工潛流濕地復(fù)合型凈化系統(tǒng)處理受污染河水。通過恢復(fù)濕地植物，協(xié)調(diào)水與動植物的關(guān)系，健全其濕地生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)濕地自然發(fā)育，提高生物多樣性。復(fù)合型人工濕地明顯提高了污染物去除效率，為河流水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 山區(qū)河流;受污染河水;復(fù)合型凈化系統(tǒng);穩(wěn)定達(dá)標(biāo)

中圖分類號 X522文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2020）11-0210-03

Abstract According to the current situation of the river natural environment in a mountainous area of a river basin and the characteristics of the cold winter in the north， the “twokidney” water distribution scheme was adopted to design and construct the ecological revetment + ecological ditch + artificial surface flow wetland + artificial subsurface flow wetland complex purification system to deal with the polluted river water. Through restoring wetland plants， coordinating the relationship between water and plants and animals， perfecting their wetland ecosystem， promoting the natural development of wetlands and improving biodiversity，the composite constructed wetland was significantly improved the removal efficiency of pollutants， which provided technical support for the river water quality to reach the standard stably.

Key words Mountain river;Polluted river water;Composite purification system;Steady and standardized

人工濕地是一種新型污水生態(tài)處理技術(shù)，它是以太陽能為驅(qū)動力，在植物、微生物和介質(zhì)共同作用下達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，具有投資少、運行管理方便、出水水質(zhì)穩(wěn)定、景觀效果好、經(jīng)濟(jì)效益可持續(xù)等優(yōu)點，是處理污水不可或缺的技術(shù)之一[1-3]。人工濕地被廣泛應(yīng)用于凈化工業(yè)廢水、污水處理廠尾水、農(nóng)村生活污水、垃圾滲濾液、河流微污染水、農(nóng)田排水、降雨徑流及冰雪融水等[4-8]。根據(jù)人工濕地系統(tǒng)中水流方式的不同，人工濕地可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地。針對不同的進(jìn)水水質(zhì)特點和地區(qū)景觀特點，選擇合適的濕地類型、基質(zhì)類型、植物種類和配置方式以及運行參數(shù)，是濕地穩(wěn)定高效運行的關(guān)鍵。近幾年研究表明復(fù)合型人工濕地在凈化水質(zhì)方面有較大優(yōu)勢，可以有效將各種濕地的優(yōu)點相結(jié)合，對污水水質(zhì)的改善遠(yuǎn)高于單一濕地系統(tǒng)的應(yīng)用[9-11]。王堅等[12]綜合水平流人工濕地和垂直流人工濕地的優(yōu)點，在山西省沁河干流建設(shè)了復(fù)合潛流人工濕地，運行及水質(zhì)檢測結(jié)果表明該濕地能夠克服國內(nèi)人工濕地普遍除磷能力不足的缺點，取得較好的除磷效果，在冬季運行期也具有較好的效益。

該研究充分發(fā)揮各類人工濕地處理工藝的優(yōu)點并考慮河道現(xiàn)狀格局、土地利用現(xiàn)狀、冬季運行、景觀協(xié)調(diào)等，利用土地面積，提高濕地凈化效率，對各個區(qū)域進(jìn)行功能劃分，設(shè)計水體流線，將區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化組合設(shè)計，形成整體濕地水質(zhì)凈化工程。在原理方面，垂直潛流人工濕地單元水流方式為“U”字型，河水在不同基質(zhì)填料層以及填料上微生物種群的作用下降解污染物。同時，由于采用挺水植物，通過植物莖葉由上而下傳遞的氧氣增加了污水溶解氧，故可以在垂直潛流人工濕地中形成多出好氧和缺氧環(huán)境[13]。污水以垂直、水平、表面迂回流動的方式通過填料縫隙、表面，進(jìn)而與植物相接觸，并適當(dāng)增大了系統(tǒng)的水力停留時間，在水流通過過程中水生動、植物以及微生物和基質(zhì)等對污水進(jìn)行多級處理和凈化，不僅有利于系統(tǒng)脫氮能力的提高，而且有利于水力流態(tài)的優(yōu)化和濕地系統(tǒng)凈化效果的改善。

1 設(shè)計方案

該研究所建設(shè)的復(fù)合潛流人工濕地位于永定河懷來段，占地面積5 000 m2，采用了潛流濕地+表流濕地處理工藝，且濕地大部分區(qū)域為表流濕地。同時為了防止突發(fā)洪水等意外情況，設(shè)置了調(diào)節(jié)池或應(yīng)急池;設(shè)計水力負(fù)荷為0.06～0.10 m3/（m2·d），有效水深為0.5 m，水力停留時間為1～2 d;選取當(dāng)?shù)匚锓N，該設(shè)計有蘆葦、香蒲、花藺、狐尾藻、眼子菜、菹草等;采用塊石、木樁、植物、生態(tài)界面等材料構(gòu)建多孔隙生態(tài)堤岸，營造一個健康美麗的堤防生態(tài)系統(tǒng);在濕地內(nèi)設(shè)置多條生態(tài)溝，主要考慮冬季運行情況下，生態(tài)溝與主河道水流接近，通過深溝與凈水基質(zhì)的設(shè)計，實現(xiàn)冬季保溫和達(dá)標(biāo)運行。

1.1 工藝流程

將受污河水經(jīng)泵站或自流式分水口進(jìn)入蓄水池（預(yù)沉池），經(jīng)初步預(yù)處理后進(jìn)入復(fù)合型人工濕地，經(jīng)濕地處理后的水體進(jìn)入清水池，水體經(jīng)清水池再次沉淀后排放進(jìn)入河道，如圖1所示。

1.2 總體布局

入口處設(shè)計蓄水池，對河水進(jìn)行初次攔截和沉淀作用;中部濕地設(shè)計為復(fù)合型濕地（表流+潛流），表流濕地主要有蘆葦區(qū)、荷花區(qū)、香蒲區(qū)分布在兩側(cè)，潛流濕地即為生態(tài)溝布設(shè)在中間;濕地采用生態(tài)護(hù)岸設(shè)計;濕地出口布設(shè)清水池，對濕地出水進(jìn)行二次沉淀后外排，充分發(fā)揮植被的水質(zhì)凈化能力和景觀功能，促進(jìn)復(fù)合型濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。布水方案采用“雙腎式”，即河道水進(jìn)入蓄水池沉淀后，先流經(jīng)右側(cè)潛流和香蒲區(qū)，然后經(jīng)地下暗管流經(jīng)荷花區(qū)與蘆葦區(qū)，再流經(jīng)濕地中間的生態(tài)溝，最后由靜水池流出。這種布局增大了系統(tǒng)的水力停留時間，有利于水力流態(tài)的優(yōu)化和濕地系統(tǒng)凈化效果的改善?？傮w布局方案見圖 2。

1.3 設(shè)計參數(shù)

1.3.1 蓄水池。

蓄水池（沉淀池）采用生態(tài)凈水水泥結(jié)構(gòu)，池體長20 m、寬15 m、深1.5 m，設(shè)計水力停留時間24 h。蓄水池中間布設(shè)人工水草100 m2（生物掛膜），如圖3所示。凈水水泥起到水體與土壤溝通作用，水分子、營養(yǎng)鹽及微生物等可透過水泥與土壤自由交換，創(chuàng)造水體生態(tài)微環(huán)境。人工水草（掛膜）作用是消除水體還原性氧化環(huán)境，為水體微生物提供適宜環(huán)境。

1.3.2 濕地設(shè)計。

濕地長100 m、寬50 m、基底深1.5 m;內(nèi)部布設(shè)生態(tài)溝5條120 m（深1.0 m）;溢流濕地1 000 m2，淺灘/臺地蘆葦區(qū)500 m2，香蒲區(qū)500 m2（水深0.5 m）;荷花及沉水植物區(qū)1 000 m2;生態(tài)護(hù)岸1 000 m2;外堤種植草木綠地500 m2。

潛流濕地分為潛流區(qū)和溢流區(qū)，采用下行流+上行流的組合工藝，先由下行流子單元上層布水，水流向下通過潛流區(qū)多層填料和植物的凈化后，由底部集水進(jìn)入上行流子單元;此時為下層布水，水流向上通過溢流區(qū)多層填料和植物的凈化后溢流進(jìn)入下一級濕地。潛流區(qū)由下至上依次為夯素土層、細(xì)沙層、厚火石巖陶粒層、海綿支撐層、碎石填料層，位于厚火石巖陶粒層中預(yù)埋有填料;溢流區(qū)由上至下依次為碎石填料層、夯素土層、細(xì)沙層、厚火石巖陶粒層。位于潛流區(qū)和溢流區(qū)中都生長挺水植物，挺水植物為選擇小香蒲、浮葉眼子菜、花藺及菹草中任意一種或者多種的組合，且在冬季將花藺、浮葉眼子菜及小香蒲進(jìn)行收割，種植密度10～20株/m2。

蘆葦區(qū)種植密度30～50株/m2;香蒲區(qū)種植密度20～30株/m2;荷花區(qū)內(nèi)部水域種植藨草、花藺、馬來眼子菜、荷花等，密度10～20株/m2;邊界種植蘆葦、菹草、扇葉水毛茛、聚草、伊樂藻、穗花狐尾藻、金魚藻等（菹草、扇葉水毛茛、聚草能夠冬季冰下生長，伊樂藻能夠在初春生長，穗花狐尾藻、金魚藻夏秋季節(jié)生長良好）;外堤楊柳種植密度0.02株/m;內(nèi)部生態(tài)溝與邊界坡降0.1～0.2。

1.3.3 生態(tài)溝。

4條溝長120 m、寬3～5 m、平均深度1.0 m，水力坡度0.015。生態(tài)水泥凈化溝：長120 m、寬3 m、平均深度1.5 m。主要種植菹草（最小生長水深30 cm，可在1～2 m深水中生長，要求水下有泥土，水深1.5 m時菹草的株高最高）;生態(tài)溝水力坡度0.015;濕地內(nèi)溝菹草種植密度20株/m2。

1.3.4 清水池。

清水池采用生態(tài)水泥結(jié)構(gòu)，池體長15 m、寬15 m、深3 m，設(shè)計水力停留時間24 h。

2 運行效果及成本

在復(fù)合型人工濕地入口和出口處各設(shè)置1個取樣點，于2018年9月至2019年3月平均每月連續(xù)取樣1次，其中2019年1月和2月因冰封期停測2次，總計取樣5次。由圖4可知，復(fù)合型人工濕地COD去除率為20%～43%，尤其冬季12月去除率仍可達(dá)20%。氨氮去除率為11%～43%，尤其冬季12月去除率仍可達(dá)16%。該濕地通過沉積作用、植物吸收以及土壤的吸附、截留、過濾和微生物分解等作用，可以有效降低COD、氨氮濃度[14]。

投資和運行成本與所處地域條件、水質(zhì)水量、選取的組合工藝以及排放標(biāo)準(zhǔn)等因素有關(guān)[15]。該濕地選用的填料以及植物均為常見物種，投資較低且運行維護(hù)簡單，只需定期清除雜草、枯死植株。

3 結(jié)論

該研究結(jié)合當(dāng)?shù)厣絽^(qū)河流自然環(huán)境現(xiàn)狀特征及北方冬季寒冷的特點，在現(xiàn)有技術(shù)中提升潛流濕地的搭配組合，設(shè)

計并構(gòu)建了一種“雙腎型”潛流根系凈化濕地，通過恢復(fù)濕地植物，協(xié)調(diào)水與動植物的關(guān)系，健全其濕地生態(tài)系統(tǒng)，“雙腎式”型布水方式，增大了系統(tǒng)的水力停留時間，有利于水力流態(tài)的優(yōu)化和濕地系統(tǒng)凈化效果的改善，起到保障河流水質(zhì)的生態(tài)屏障作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊楊陽，萬蕾，張林軍.人工濕地低溫運行效果及強(qiáng)化措施研究現(xiàn)狀[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2012（12）：192-195.

[2] 夏艷陽，崔理華.復(fù)合垂直流-水平流人工濕地系統(tǒng)除氮效果的影響因素[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，2017，7（2）：175-180.

[3] 劉志平，李國婉，范家豪，等.復(fù)合人工濕地對新農(nóng)村生活污水的凈化效果[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（13）：5872-5874，5953.

[4] 黃炳彬，岳倫.人工濕地技術(shù)在北京市的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].北京水務(wù)，2018（3）：26-30.

[5] 管策，郁達(dá)偉，鄭祥，等.我國人工濕地在城市污水處理廠尾水脫氮除磷中的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，31（12）：2309-2320.

[6] 周賢波，王儉.人工濕地技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽化工，2017，43（6）：18-21.

[7] 王永強(qiáng)，李梅，朱明璇，等.人工濕地污水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].工業(yè)用水與廢水，2018，49（5）：7-12.

[8] 尹振娟，楊揚，盧建，等.生物法-人工濕地組合工藝對小城鎮(zhèn)混合污水氮素去除效果研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19（5）：1044-1049.

[9] 葛媛，鄭于聰，王怡雯，等.復(fù)合人工濕地在水處理中的應(yīng)用進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2018，41（1）：99-108.

[10] 丁怡，唐海燕，劉興坡，等.不同類型人工濕地在污水脫氮中的研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2019，39（7）：1-3.

[11] 劉雯，崔理華，朱夕珍，等.水平流-垂直流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)對污水的凈化效果研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2004，23（3）：604-606.

[12] 王堅，李揚.復(fù)合潛流人工濕地對北方河流水質(zhì)的凈化效果研究[J].山西水利科技，2017（2）：42-46.

[13] 李拓，吳華財，郭靜.垂直潛流人工濕地在污水處理廠尾水深度處理中的設(shè)計應(yīng)用[J].廣東化工，2019，46（11）：170-171.

[14] 曹大偉，沙玥，金秋，等.多級復(fù)合型人工濕地工藝對污水廠尾水處理凈化效果的試驗研究[J].環(huán)境科技，2019，32（3）：12-16.

[15] 胡潔，許光遠(yuǎn)，胡香，等.組合式人工濕地深度處理小城鎮(zhèn)污水處理廠尾水[J].水處理技術(shù)，2018，44（11）：120-122，132.