高州水庫人工濕地設(shè)計(jì)

杜歡歡，邱 靜，洪昌紅

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

1 設(shè)計(jì)背景

高州水庫位于茂名市高州市東北部，距市區(qū) 26 km庫區(qū)集雨面積為1 003 km2，原設(shè)計(jì)總庫容為11.5億m3，除險(xiǎn)加固后設(shè)計(jì)庫容為12.8億m3，是一座以灌溉、防洪、工業(yè)和城市生活供水為主，兼顧發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用的大(Ⅰ)型水利樞紐工程。水庫由石骨和良德2個(gè)庫區(qū)組成，2庫體均是由西南向東北沿河床呈不規(guī)則狹長掌狀分布，南北兩端通過1條長約0.7 km人工運(yùn)河相連接；東西寬為10 km，南北長約18 km。

近些年，受水庫集雨區(qū)7個(gè)鎮(zhèn)，30多萬居民人口的生活生產(chǎn)污水污染、農(nóng)業(yè)面源污染及水土流失等方面影響，高州水庫的水體富營養(yǎng)化逐漸嚴(yán)重。2009年與2010年連續(xù)2 a，水庫暴發(fā)藍(lán)藻水華生態(tài)災(zāi)害，使水庫面臨巨大供水危機(jī)，嚴(yán)重威脅了下游地區(qū)的飲用水安全。因此，在水庫庫區(qū)人口密集處布置人工濕地，將生活污水截留，處理達(dá)標(biāo)后排入水庫，可有效地改善水體富營養(yǎng)化狀況，緩解水庫因水質(zhì)影響供水安全的現(xiàn)狀，對(duì)維護(hù)水庫生態(tài)健康和社會(huì)穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。本工程綜合考慮經(jīng)費(fèi)和土地權(quán)屬等問題，決定在車?yán)?duì)、龍頭隊(duì)、黎塘隊(duì)、茂坡隊(duì)和三角垌隊(duì)5處農(nóng)場(chǎng)布置首批人工濕地(見圖1)，收集農(nóng)場(chǎng)宿舍、食堂和辦公室的日常生活污水，將污水凈化達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)后排入水庫，確保入庫水質(zhì)，后期將根據(jù)運(yùn)行效果在水庫推廣建設(shè)。

圖1 高州水庫人工濕地位置示意

2 設(shè)計(jì)原理

人工濕地技術(shù)具有投資少、無二次污染、能耗和運(yùn)行費(fèi)用低、適用范圍廣、美化景觀等優(yōu)點(diǎn)[1]，這種原位生態(tài)治理技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于受污水體的修復(fù)之中，尤其適用于高州水庫農(nóng)場(chǎng)這類小規(guī)模人口生產(chǎn)生活污水的處理。按照布水方式的不同，人工濕地分為表面流和潛流2種類型[2]。表面流人工濕地的污水在基質(zhì)的上層流動(dòng)，污水中絕大部分有機(jī)物由生長在植物水下莖桿上的生物膜去除，與自然濕地最為接近，這種濕地比較適合處理污染物濃度不高的水體。潛流人工濕地的污水在基質(zhì)中流動(dòng)，水面低于基質(zhì)表面，呈潛流狀態(tài)，根據(jù)水體流動(dòng)方向，又可分為水平潛流和垂直潛流。這種濕地一方面充分利用了基質(zhì)表面生長的生物膜、豐富的植物根系及基質(zhì)的截留作用，提高了處理效果和處理能力；另一方面由于水流一直在基質(zhì)表面以下流動(dòng)，避免了表面流濕地中的蚊蠅及臭味問題，并在一定程度上降低了濕地受溫度變化的影響[3-4](見表1所示)。

表1 不同類型人工濕地差異

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

據(jù)調(diào)查，目前高州水庫車?yán)?duì)、龍頭隊(duì)、黎塘隊(duì)、茂坡隊(duì)和三角垌隊(duì)5處農(nóng)場(chǎng)各有農(nóng)戶為30～40人，濕地設(shè)計(jì)人口為60～75人，以防止后期人口增加導(dǎo)致濕地超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)影響處理效果。其中，車?yán)?duì)設(shè)計(jì)人口為60人，生活污水排放量為180 L/(人·d)，排污系數(shù)取0.9，則設(shè)計(jì)污水處理量為9.72 m3/d；龍頭隊(duì)設(shè)計(jì)人口為75人，設(shè)計(jì)污水處理量為12.15 m3/d；黎塘隊(duì)設(shè)計(jì)人口為60人，設(shè)計(jì)污水處理量為9.72 m3/d；茂坡隊(duì)設(shè)計(jì)人口為70人，設(shè)計(jì)污水處理量為11.34 m3/d；三角垌隊(duì)設(shè)計(jì)人口為65人，設(shè)計(jì)污水處理量為10.53 m3/d(見表2)。

表2 人工濕地生活污水日處理量設(shè)計(jì)

3.2 處理工藝

高州水庫不同水期水位落差大，最大時(shí)可達(dá)10 m左右，人工濕地布置受地形的局限很大，考慮潛流人工濕地單位面積處理效率高，處理相同污水所需面積小，并且水平潛流人工濕地構(gòu)造較垂直潛流人工濕地簡(jiǎn)單，管理費(fèi)用較低，維護(hù)相對(duì)容易，因此，本工程在5處農(nóng)場(chǎng)均采用水平潛流人工濕地。生活污水收集至化糞池和直排庫區(qū)的污水管，通過管線引入預(yù)處理池，懸浮物在預(yù)處理池沉降，上層清液流入第1個(gè)集水池，而后經(jīng)過人工濕地的脫磷除氮作用，再流入第2個(gè)集水池，最后排入高州水庫，出水水質(zhì)達(dá)地表III類水標(biāo)準(zhǔn)，人工濕地處理流程圖如圖2所示。為避免化糞池來水中的粗大雜物進(jìn)入濕地主體堵塞管道，本工程在預(yù)處理池放置1臺(tái)長寬高為0.5 m×0.5 m×1 m的格柵。預(yù)處理池和集水池上方均添加玻璃鋼蓋板，防止蚊蟲滋生及枯枝落葉掉入。

圖2 人工濕地處理流程示意

3.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

人工濕地的參數(shù)設(shè)計(jì)需遵循《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2005—2010)《人工濕地污水處理技術(shù)導(dǎo)則》和《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)，具體參數(shù)要求見表3～5。

表3 人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求 mg/L

表4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 主要污染負(fù)荷設(shè)計(jì)參數(shù)

1)濕地面積設(shè)計(jì)

根據(jù)國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所編制的《人工濕地污水處理技術(shù)導(dǎo)則》，在占地面積不受限制時(shí)，人工濕地面積按BOD5有機(jī)負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，復(fù)核氨氮和總磷有機(jī)污染負(fù)荷和水力負(fù)荷參數(shù)；若按BOD5有機(jī)負(fù)荷設(shè)計(jì)面積不合理，則分別按氨氮和總磷有機(jī)污染負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，復(fù)核其余參數(shù)合理性，確定最終設(shè)計(jì)面積。

表面有機(jī)負(fù)荷計(jì)算公式如下：

(1)

式中A為人工濕地面積，m2；Q為人工濕地設(shè)計(jì)水量，m3/d；C0為人工濕地進(jìn)水污染物濃度，mg/L；C1為人工濕地出水污染物濃度，mg/L；qos為表面污染負(fù)荷，kg/(m2·d)。

按照水力負(fù)荷進(jìn)行面積復(fù)核，水力負(fù)荷計(jì)算公式如下：

(2)

式中qhs為表面水力負(fù)荷，m3/(m2·d)；Q為人工濕地設(shè)計(jì)水量，m3/d；A為人工濕地面積，m2。

水力停留時(shí)間計(jì)算公式如下：

(3)

式中t為水力停留時(shí)間，d；V為人工濕地基質(zhì)在自然狀態(tài)下的體積，包括基質(zhì)實(shí)體及其開口、閉口空隙，m3；ε為孔隙率，%。

以車?yán)?duì)人工濕地為例，潛流人工濕地處理水量為9.72 m3。人工濕地要求進(jìn)水BOD5濃度小于等于80 mg/L，因農(nóng)場(chǎng)雨污合流，進(jìn)水濃度通常滿足此要求，為保證濕地出水效果，進(jìn)水區(qū)濃度設(shè)計(jì)為80 mg/L，出水濃度按照地表III類水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為4 mg/L；以此類推，氨氮進(jìn)水濃度設(shè)計(jì)為25 mg/L，出水濃度設(shè)計(jì)為1 mg/L；總磷進(jìn)水濃度設(shè)計(jì)為5 mg/L，出水濃度設(shè)計(jì)為0.05 mg/L。

按照BOD5表面負(fù)荷取9 g/(m2·d)，則潛流人工濕地面積為：

A1=9.72×(80-4)/9=82.08 m2。

按照氨氮表面負(fù)荷取3 g/(m2·d)，則潛流人工濕地面積為：

按照總磷表面負(fù)荷取0.4 g/(m2·d)，則潛流人工濕地面積為：

取計(jì)算較大者，即120.29 m2作為設(shè)計(jì)潛流人工濕地設(shè)計(jì)面積，考慮濕地的長寬比設(shè)計(jì)，潛流人工濕地設(shè)計(jì)面積定為122 m2。復(fù)核水力負(fù)荷為0.08 m3/(m2·d)，滿足規(guī)范小于0.5 m3/(m2·d)的要求；復(fù)核水力停留時(shí)間為2.81 d，滿足規(guī)范1～3 d的要求。根據(jù)此種方法，計(jì)算出龍頭隊(duì)、黎塘隊(duì)、茂坡隊(duì)、三角垌隊(duì)的濕地面積分別為151 m2、122 m2、141 m2、131 m2。

2)幾何尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，潛流人工濕地的單池面積不超過800 m2，水深控制宜在0.4～1.6 m，長寬比宜控制在3:1以下，池底坡度宜控制在0.5%～1.0%。人工濕地的填料太淺會(huì)導(dǎo)致水力停留時(shí)間過短，植物根系與污水的反應(yīng)時(shí)間不足，填料太深又易形成死水區(qū)，因此，本設(shè)計(jì)5處水平潛流人工濕地填料深度均取0.8 m，長寬比均為2:1，孔隙率控制在28%，水力坡度設(shè)計(jì)為1%。車?yán)屠杼陵?duì)人工濕地設(shè)計(jì)面積為122 m2，填料池體積為97.6 m3，池體長度設(shè)計(jì)為15.6 m，寬度為7.8 m；龍頭隊(duì)人工濕地設(shè)計(jì)面積為151 m2，填料池體積為120.8 m3，池體長度設(shè)計(jì)為17.4 m，寬度為8.7 m；茂坡隊(duì)人工濕地設(shè)計(jì)面積為141 m2，填料池體積為112.8 m3，池體長度設(shè)計(jì)為16.8 m，寬度為8.4 m；三角垌隊(duì)人工濕地設(shè)計(jì)面積為131 m2，填料池體積為104.8 m3，池體長度設(shè)計(jì)為16.2 m，寬度為8.1 m。

3)濕地植物選型

人工濕地宜選用耐污能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、去污效果好、具有抗凍及抗病蟲害能力、有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值、容易管理的本土植物，通常選擇多種挺水植物作為優(yōu)勢(shì)種搭配栽種，以增加植物的多樣性并具有景觀效果[5]。挺水植物根據(jù)根系分布深淺及分布范圍，分為深根叢生、深根散生、淺根叢生和淺根散生4種類型。潛流人工濕地宜使用深根叢生、深根散生型的植物以達(dá)到更好的污水處理效果，本工程選擇種植美人蕉、蘆葦、燈心草、旱傘草和水蔥5種植物。

4)濕地基質(zhì)

考慮高州水庫庫區(qū)位置偏遠(yuǎn)，取材及成本有限，本工程基質(zhì)采用傳統(tǒng)的礫石、粗砂和細(xì)砂，基質(zhì)設(shè)計(jì)深度為0.8 m，沿著水流方向粒徑從大到小鋪設(shè)。以車?yán)?duì)為例(如圖3所示)，人工濕地的進(jìn)水區(qū)，基質(zhì)粒徑為12～16 mm的礫石，水平鋪設(shè)3 m；其他依次為粒徑為8～16 mm礫石，水平鋪設(shè)3 m；粒徑為5～10 mm礫石，水平鋪設(shè)4 m；粒徑為0.2～6 mm無泥粗砂，水平鋪設(shè)4 m；在出水區(qū)，為防止基質(zhì)粒徑過小堵塞出水口，鋪設(shè)粒徑為8～16 mm礫石1.6 m。其他4處人工濕地基質(zhì)布置見表6所示。

圖3 水平潛流人工濕地剖面示意

表6 人工濕地水平潛流基質(zhì)布置

5)防滲設(shè)計(jì)

根據(jù)高州水庫當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，保證污水不外滲污染水庫，人工濕地底部和側(cè)面均進(jìn)行防滲處理。底部采用450 g/m2的PE防滲膜，厚度為0.5～1.0 mm，兩邊襯土工布，以降低植物根系和紫外線對(duì)薄膜的影響。

6)進(jìn)出水設(shè)計(jì)

本工程采用無動(dòng)力人工濕地，即農(nóng)場(chǎng)宿舍、食堂、辦公室日常生活污水由管道從化糞池和排水口引出，依靠管線沿程高差設(shè)置，以重力流方式進(jìn)入人工濕地，在人工濕地內(nèi)部利用水力坡度讓凈化后的污水自然排出。人工濕地管線普遍采用對(duì)防腐、防滲要求較高且管徑相對(duì)較小的HDPE雙壁波紋管材，并通過穿孔管、配(集)水管等裝置實(shí)現(xiàn)集配水的均勻。污水由DN100主管從第1個(gè)集水池流出，再通過DN100穿孔配水支管進(jìn)入水平潛流人工濕地，穿孔管水平間距為1 m，開孔間距為100 mm，孔徑為φ10 mm支管孔方向平行于坡面，以保證出水呈水平方向，管中心距填料頂部為50 mm，凈化后的污水匯集到濕地底部的出水管，出水管布置在人工濕地下端的底部，設(shè)計(jì)出水管為DN100，管中心距填料底部部為50 mm，出水管的水流經(jīng)第2個(gè)集水池收集后再排入水庫。可通過進(jìn)水管和出水管的高程變化調(diào)節(jié)污水在人工濕地內(nèi)部的水位，人工濕地進(jìn)出水設(shè)計(jì)如圖4～5所示。

圖4 水平潛流人工濕地流向剖面示意

1.進(jìn)水區(qū) 2.凈化區(qū) 3.進(jìn)水管 4穿孔管

7)管理和維護(hù)

首先，根據(jù)暴雨、干旱等天氣情況進(jìn)行水位調(diào)節(jié)，防止出現(xiàn)進(jìn)水端壅水和出水端淹沒現(xiàn)象；其次，人工濕地栽種植物后即需充水，為促進(jìn)植物根系發(fā)育，初期應(yīng)進(jìn)行水位調(diào)節(jié)；再次，為防止人工濕地基質(zhì)堵塞可適當(dāng)采用間歇運(yùn)行方式或局部更換基質(zhì)；最后，人工濕地水位檢測(cè)需1周1次，水質(zhì)檢測(cè)需1月1次，植物密度檢查1 a 1次。

4 結(jié)語

人工濕地是高州水庫小型農(nóng)場(chǎng)分散式污染源治理的最佳措施之一，本文對(duì)不同類型人工濕地的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)車?yán)?duì)、龍頭隊(duì)、黎塘隊(duì)、茂坡隊(duì)和三角垌隊(duì)5處人工濕地工程設(shè)計(jì)參數(shù)的確定進(jìn)行了分析和探討，該設(shè)計(jì)方案已通過專家評(píng)審，目前正在施工過程中，可為人工濕地技術(shù)在分散式污水處理中的應(yīng)用及推廣提供參考。