石子河水環(huán)境治理人工濕地工藝流程設(shè)計

周保安

（上?，k源水生態(tài)環(huán)境工程有限公司，上海 200003）

1 工程背景與概況

石子河至濁漳南源河口段流經(jīng)長治市主城區(qū)，沿河兩岸存在大量生活污水和工業(yè)廢水點源污染，以及畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)村垃圾污染和農(nóng)藥化肥等面源污染，現(xiàn)狀河流水體污染嚴重，大量污染底泥淤積河道主槽內(nèi)，內(nèi)源污染問題突出，現(xiàn)狀河流水質(zhì)較差，水功能區(qū)水質(zhì)目標難以滿足，而且對漳澤湖造成嚴重的污染負荷。同時，由于長期的生產(chǎn)建設(shè)活動影響，現(xiàn)狀河道灘地植被條件差，局部存在河流生態(tài)空間被侵占問題，河流自然生態(tài)環(huán)境條件差。石子河作為區(qū)域重要的行洪河道，現(xiàn)狀河道行洪斷面萎縮嚴重，嚴重影響長治市防洪安全。發(fā)生10年一遇洪水時，河道右堤多數(shù)河段現(xiàn)狀存在洪水漫堤情況，河道左堤現(xiàn)狀堤防超高大部分不足1m，防洪減災(zāi)短板問題突出。

本工程石子河水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)治理起點為設(shè)計的攔漂設(shè)施，終點為濁漳南源河口段，治理長度約7.2km。在石子河上游來水水質(zhì)優(yōu)于Ⅳ類標準，流經(jīng)過程中無外來污染物匯入的基礎(chǔ)上，通過水系綜合治理，逐步構(gòu)建水系生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，保障水質(zhì)不惡化，以生態(tài)文明建設(shè)為引領(lǐng)，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。本工程河道生態(tài)工程任務(wù)為實施自然漫水河灘形態(tài)建設(shè)，恢復(fù)與保護河灘林草濕地資源，加強水源涵養(yǎng)和洪水調(diào)蓄能力，改善河流水環(huán)境質(zhì)量，優(yōu)化城市生態(tài)景觀格局，完善城市生態(tài)服務(wù)功能，營造深潭淺灘交錯分布、藍綠融合的河流生態(tài)系統(tǒng)，為動植物提供多樣的棲息地生境，為城鄉(xiāng)居民提供優(yōu)美舒適的濱水空間。聯(lián)動漳澤湖國家濕地公園，帶動長治市“綠色GDP”發(fā)展。

2 人工濕地凈化機理

人工濕地具有很強的降解和凈化有機污染物的作用，部分有機污染物作為營養(yǎng)物質(zhì)，可以直接被植物吸收。不溶性有機污染物在厭氧條件下逐漸被濕地微生物利用，結(jié)合生物的吸附作用及生物的新陳代謝達到溶解污水中有機物的作用。

人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中氮的去除方式主要通過水生植物吸收、微生物作用、硝化和反硝化。研究表明無機氮是植物生長過程中可以直接被植物所吸收，但這只占總氮量的8%～16%，并非一個主要的還原過程。在人造濕地系統(tǒng)中，植物根莖可以作為基本供養(yǎng)單元形成好氧微區(qū)以促進微生物的硝化作用，同時反硝化條件是通過形成遠離根部的厭氧區(qū)來提供的［1］。

人工濕地通過水生植物、基質(zhì)和微生物的共同作用來完成對磷的去除［2］。無機磷元素是植物在生長過程中的必須營養(yǎng)素，也是植物的基本營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面微生物可以通過積聚磷的細菌吸收磷，將其從濕地水中除去。研究證明［3-4］，人工濕地中基質(zhì)對磷的去除是最主要途徑，包括物理去除和化學(xué)沉淀去除兩大過程。

人工濕地的另一個功能是具有重金屬富集作用，植物重金屬的富集本質(zhì)是通過根部的吸收及接觸，對基質(zhì)土壤進行有效凈化，吸收土壤中重金屬離子，達到去除作用，它的作用主要是吸附、沉淀、離子交換等［5］。人工濕地基質(zhì)以不同層次的礫石、沸石、火山巖為介質(zhì)構(gòu)成，河水在基質(zhì)表面形成表面流態(tài)，在流動過程中可形成自然復(fù)氧，還能在基質(zhì)空隙間形成潛流、錯流，在流動過程中形成自然復(fù)氧，為植物和微生物生長提供條件，同時基質(zhì)通過沉淀、過濾、吸附和分解等作用凈化水中的N、P等污染物質(zhì)。人工濕地系統(tǒng)污染物的去除效率如表1。

表1 人工濕地系統(tǒng)污染物的去除效率 單位：%

3 人工濕地設(shè)計方案

依據(jù)石子河上游（湛上斷面）2012—2014年3年平均流量及來水污染負荷量進行設(shè)計，平均流量21531m3/d，污染物平均濃度總磷0.3mg/L，氨氮1.5mg/L，五日生化需氧5.9mg/L，設(shè)計表面流濕地類型進行水環(huán)境治理和水生態(tài)恢復(fù)，構(gòu)建水系生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，保障水質(zhì)不惡化。治理區(qū)域包括預(yù)處理區(qū)、濕地凈化區(qū)、沉水植物凈化區(qū)、深度凈化區(qū)。

（1）預(yù)處理區(qū)。主要功能為對上游來水進行攔截、過濾、預(yù)氧化；內(nèi)容包括生態(tài)濾壩3座和滯留吸附系統(tǒng)。

（2）濕地凈化區(qū)。主要功能為強化脫氮除磷，景觀提升；內(nèi)容包括挺水植物系統(tǒng)構(gòu)建、礫石床凈化系統(tǒng)、自然漫灘。

（3）沉水植物凈化區(qū)。主要功能為進一步脫氮除磷，完善水生態(tài)系統(tǒng)，提升河道自凈能力；內(nèi)容包括生態(tài)濾壩2座，沉水植物系統(tǒng)構(gòu)建和滯留吸附系統(tǒng)。

（4）深度凈化區(qū)。主要功能為進一步削減污染物，凈化水質(zhì)，景觀提升；內(nèi)容包括蓄水壩1座、挺水植物系統(tǒng)構(gòu)建、強化吸附系統(tǒng)、自然漫灘。

（5）自然漫灘。通過自然漫灘中的植物、大塊石等的共同作用，可有效攔截和減少懸浮固體顆粒物，保護土壤，減緩雨水徑流流速，對污染物進行過濾和吸附，同時還有較好的景觀效果。

4 人工濕地設(shè)計參數(shù)

根據(jù)HJ2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》和DB37/T 3394—2018《人工濕地水質(zhì)凈化工程技術(shù)指南》的設(shè)計參數(shù)要求如表2和表3。

表2 人工濕地的主要設(shè)計參數(shù)

表3 人工濕地的主要設(shè)計參數(shù) 單位：g/m2·d

4.1 人工濕地面積確定

人工濕地面積應(yīng)按五日生化需氧量、氨氮、總磷等主要污染物的表面有機負荷進行計算，并應(yīng)取其中計算結(jié)果的最大值，同時應(yīng)滿足水力停留時間的要求。公式如下：

式中 A為人工濕地面積（m2）；Q為處理水日均流量（m3/d）；S0為進水污染物濃度（mg/L）；S1為出水污染物濃度（mg/L）；NA為污染物面積負荷（g/（m2·d））。

按照五日生化需氧量表面負荷取1.5g/（m2·d），出水濃度取4mg/L，則人工濕地面積A1=21531×（5.9-4）/1.5=27272.6m2。按照氨氮表面負荷取0.02g/（m2·d），出水濃度取1mg/L，則人工濕地面積A2=21531×（1.5-1.3）/0.02=215310m2。

按照總磷表面負荷取0.05g/（m2·d），出水濃度取0.2mg/L，則人工濕地面積A3=21531×（0.3-0.2）/0.05=43062m2。取上述計算結(jié)果的最大者21.531萬m2為人工濕地設(shè)計面積，復(fù)核水力負荷：

式中 q為水力表面負荷（m3/（m2·d））；Q為處理水日均流量（m3/d）；A為人工濕地面積（m2）。

則水力負荷q=21531/215310=0.1m3/（m2·d），滿足規(guī)范小于等于0.1m3/（m2·d）的要求。復(fù)核水力停留時間：

式中 A為人工濕地面積（m2）；h為平均有效水深（m）；Q為處理水日均流量（m3/d）。

則水力停留時間T=215310×0.6/21531=6d，滿足規(guī)范4～8d的要求。按人工濕地設(shè)計規(guī)范，并結(jié)合實際地型設(shè)計表面流工藝作為人工濕地的主體凈化工藝，平均水深0.6m，水力坡度宜為0.5%以下。

4.2 人工濕地基質(zhì)選擇

本項目濕地基質(zhì)由礫石床凈化區(qū)、滯留吸附區(qū)和強化吸附區(qū)組成。礫石床凈化區(qū)選用礫石粒徑30～50mm，火山巖粒徑3～5mm，鋪設(shè)厚度100mm。滯留吸附區(qū)選用礫石粒徑30～50mm，火山巖粒徑3～5mm，鋪設(shè)厚度100mm。強化吸附區(qū)選用礫石粒徑30～50mm，沸石粒徑4～8mm，火山巖粒徑3～5mm，鋪設(shè)厚度160mm。

4.3 人工濕地植物選擇

人工濕地植物選用蘆葦、黃菖蒲、旱傘草、花葉蘆竹、水生美人蕉等挺水植物，增加植物的多樣性并具有景觀效果，沉水植物主要以常綠矮型苦草為主。植物種植密度可根據(jù)植物種類和工程要求調(diào)整。

5 人工濕地工藝流程

5.1 預(yù)處理區(qū)

共設(shè)置5座，其中預(yù)處理區(qū)3座，生態(tài)濾壩3座，尺寸依次為30m×2m×0.3m，25m×2m×0.38m，25m×2m×0.46m，沿水流方向粒徑逐漸減小。滯留吸附系統(tǒng)1267.8m3，鋪設(shè)厚度100mm。

5.2 濕地凈化區(qū)

設(shè)計表流濕地凈化區(qū)62180m2，水力坡度0.5%，挺水植物布置面積62180m2，蘆葦31090m2，高度71～80cm，冠幅21～30cm，種植密度16株/m2；黃菖蒲15545m2，高度41～50cm，冠幅11～20cm，種植密度36株/m2；旱傘草15545m2，高度41～50cm，冠幅31～40cm，種植密度16株/m2。礫石床凈化系統(tǒng)面積62180m2，鋪設(shè)厚度100mm，孔隙率35%～40%。

5.3 沉水植物凈化區(qū)

生態(tài)濾壩2座，尺寸依次為30m×2m×0.73m，30m×2m×0.84m。沉水植物種類選用植株低矮、凈水能力強、存活季節(jié)長、維護成本低的常綠矮型苦草。常綠矮型苦草種植面積80180m2，種植密度150株/m2。滯留吸附系統(tǒng)8018m3，鋪設(shè)厚度100mm。

5.4 深度凈化區(qū)

蓄水壩1座，尺寸為35m×4m×1m。水力坡度0.5%，挺水植物布置面積42821m2，花葉蘆竹21410m2，高度51～60cm，冠幅21～30cm，種植密度25株/m2；水生美人蕉21411m2，高度51～60cm，冠幅11～20cm，種植密度36株/m2。設(shè)計強化吸附系統(tǒng)6803.3m3，鋪設(shè)厚度160mm。

5.5 自然漫灘

自然漫灘30129m2，挺水植物種植面積為30129m2?；ㄈ~蘆竹15065m2，高度51～60cm，冠幅21～30cm，種植密度25株/m2；水生美人蕉15064m2，高度51～60cm，冠幅11～20cm，種植密度36株/m2。布置景石989t，景石塊徑800～2000mm，每組1～3塊，大小隨意組合，與植物合理搭配，錯落有致，位置不影響交口視線安全。

石子河河道人工濕地工藝流程圖如圖1。

圖1 人工濕地工藝流程圖

6 水質(zhì)目標分析

依據(jù)人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范設(shè)計的工藝流程圖，人工濕地處理后的河水污染物濃度和石子河上游（湛上斷面）來水的污染物濃度對比情況如表4。

表4 人工濕地水處理污染物對比 單位：mg/L

經(jīng)此表面流人工濕地處理后的水質(zhì)達到了Ⅲ類地表水標準，水處理效果顯著，符合工程建設(shè)要求。

7 結(jié)語

人工濕地水處理系統(tǒng)具有管理簡單、不消耗能源、不產(chǎn)生污泥、投資費用低、經(jīng)濟效益明顯等優(yōu)點，可以有效提升水質(zhì)，減緩水體富營養(yǎng)化，并具有一定的景觀效果，社會效益顯著。人工濕地不僅可以處理自然水體，也可以處理水量不大、水質(zhì)變化較小的城鎮(zhèn)污水。隨著我國水生態(tài)環(huán)境治理的深入，人工濕地水生態(tài)治理技術(shù)的發(fā)展前景廣闊。