入湖河流污染物削減的復(fù)合功能濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

摘要：入湖河流污染物輸入是影響湖泊水質(zhì)的重要因素，復(fù)合功能濕地是削減入湖河流污染物的有效手段。以淀山湖某復(fù)合功能濕地系統(tǒng)為例，介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了復(fù)合功能濕地及單類型功能單元的污染物削減效果，解析了微生物群落特征，以期為復(fù)合功能濕地技術(shù)研究及湖泊流域水環(huán)境綜合整治提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：污染物削減；復(fù)合功能濕地；微生物群落

中圖分類號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-0-05

Design Example of a Hybrid Constructed Wetland System for Reducing Pollutants from Rivers Entering a Lake

ZHANG Zonghe

（Shanghai Environmental Protection Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

Abstract： The input of pollutants from rivers entering lakes is an important factor affecting lake water quality， and composite functional wetlands are an effective means of reducing pollutants from rivers entering lakes. Taking a hybrid constructed wetland system in Dianshan Lake as an example， this paper introduces the system design ideas and process design parameters， analyzes the pollutant reduction effects of hybrid constructed wetland and single type functional units， and analyzes the characteristics of microbial communities， in order to provide a basis for the research of hybrid constructed wetland technology and the comprehensive improvement of water environment in the lake basin.

Keywords： pollutant reduction; hybrid constructed wetland; microbial community

湖泊流域污染分為內(nèi)源污染和外源污染[1-2]。湖泊底泥淤積，微生物厭氧發(fā)酵釋放硫化氫、氨氣等有毒氣體，進(jìn)而引發(fā)水體黑臭，造成內(nèi)源污染。外源污染以入湖河流污染物輸入為主，包括以污水廠末端排放口出水、管網(wǎng)雨污分流不完全造成污水直排水體的點(diǎn)源污染與農(nóng)業(yè)灌溉水、暴雨徑流散排河道的面源污染。面源污染產(chǎn)生的化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）是入湖河流污染物負(fù)荷的主要來源。

太湖流域地處長江三角洲南翼，擔(dān)負(fù)著周邊大中城市的城鄉(xiāng)供水和改善下游地區(qū)水環(huán)境的責(zé)任[3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，受工業(yè)和城市廢水以及農(nóng)田地表徑流等因素的影響，太湖流域的湖泊、流域污染問題日益嚴(yán)重[4-5]。近年來，太湖流域經(jīng)歷數(shù)輪水環(huán)境綜合整治，已取得了一定成效[6]。近年來，氮、磷營養(yǎng)鹽呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，2020年TP、TN濃度分別達(dá)Ⅳ類、Ⅴ類水湖庫標(biāo)準(zhǔn)[7-8]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2020年淀山湖全湖仍然處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，尤其是在北部、湖心、東南部和東南沿岸區(qū)域，藍(lán)藻水華現(xiàn)象仍然時(shí)有發(fā)生[9]。其主要原因是入湖河流氮磷營養(yǎng)鹽輸入問題依然存在[10-11]。因此，削減重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域入湖河流的氮磷輸入是提升淀山湖流域水質(zhì)的關(guān)鍵。以太湖流域淀山湖某復(fù)合功能濕地系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)要分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)、污染物削減效果、微生物群落等方面內(nèi)容，以期為淀山湖乃至太湖流域的水環(huán)境綜合整治提供發(fā)展思路與技術(shù)支持。

1 復(fù)合功能濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

復(fù)合功能濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)從淀山湖環(huán)湖生態(tài)保護(hù)的角度出發(fā)，以入湖河流污染物削減為核心目標(biāo)，統(tǒng)籌兼顧生態(tài)園林、科普教育、休閑娛樂等效益。通過濕地系統(tǒng)功能單元物理沉淀、濕地基質(zhì)過濾吸附、微生物代謝以及植物根系吸收等聯(lián)合作用有效去除入湖河流各類污染物。太湖流域淀山湖某復(fù)合功能濕地系統(tǒng)工藝路線如圖1所示，主要功能單元為取水與提水設(shè)施、復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)、生態(tài)草溪濕地、淺灘濕地、近自然表面流濕地以及生態(tài)塘等。其中，取水與提水設(shè)施由提升泵、配水池組成；復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)由垂直流濕地、穩(wěn)定塘、草型生態(tài)塘組成。根據(jù)入湖河流水質(zhì)情況，可選擇性從河道入湖閘前或閘后取水（一般情況下從閘前取水），河水經(jīng)提升泵輸送至配水池，經(jīng)配水池調(diào)蓄后分為三路輸送至復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)，其中一路進(jìn)入垂直流濕地，另兩路并聯(lián)進(jìn)入穩(wěn)定塘-草型生態(tài)塘，復(fù)合型人工濕地出水匯入生態(tài)草溪濕地，生態(tài)草溪濕地及淺灘濕地將濾床出水匯流至近自然表面流濕地，經(jīng)近自然表面流濕地進(jìn)一步凈化后輸送至生態(tài)塘，自生態(tài)塘溢流最終排入淀山湖。

1.2 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)近期水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以COD、氨氮（NH3-N）、TP作為主要參考指標(biāo)，馬家江整體水質(zhì)較好，但汛期與非汛期之間的差異略微顯著。其中，汛期（6—9月）水質(zhì)以Ⅲ～Ⅳ類水為主，COD均值范圍為4.00～6.60 mg/L，NH3-N均值范圍為0.34～0.35 mg/L，TP均值范圍為0.07～0.16 mg/L；非汛期水質(zhì)較好，以Ⅲ類水為主，COD均值范圍為3.10～4.07 mg/L，NH3-N均值范圍為0.17～0.28 mg/L，TP均值范圍為0.08～0.11 mg/L?？紤]汛期河道可能出現(xiàn)水質(zhì)較差情況，因此設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)以地表Ⅴ類水為準(zhǔn)；根據(jù)受納湖體淀山湖的水質(zhì)情況，出水水質(zhì)目標(biāo)為地表Ⅲ類水。河道入湖過閘流量約1 m3/s，結(jié)合復(fù)合功能濕地系統(tǒng)工藝選擇及場(chǎng)地選址面積等情況，確定其設(shè)計(jì)處理能力為3 000 m3/d。太湖流域淀山湖某復(fù)合功能濕地系統(tǒng)的有效容積、有效面積、水力表面負(fù)荷、水力停留時(shí)間、水力坡度等工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.3 主要功能單元說明

1.3.1 取水與提水設(shè)施

提升井尺寸為7.25 m×2.75 m×2.90 m（長×寬×高），設(shè)置有2座蓄水井室和2座閥門井室，各井室內(nèi)設(shè)置有爬梯以方便檢修。2座蓄水井室分別為來水沉淀井室和泵坑抽水井室，2座閥門井室分別為來水刀閘閥井室和出水提升泵閥門井室。分別從馬家江閘前和馬家江閘后進(jìn)水，取水口采用不銹鋼格柵網(wǎng)以攔截河道垃圾及落葉，來水刀閘閥井室的2處刀閘閥用于控制來水，來水進(jìn)入第一個(gè)來水沉淀井室，經(jīng)初步沉淀后進(jìn)入帶有格柵的泵坑抽水井室，經(jīng)出水提升泵閥門井室送入配水池，提升泵坑內(nèi)兩臺(tái)水泵均可通過時(shí)間控制和液位控制運(yùn)行。

配水池為圓形池體，池體半徑為3.3 m，池體高度3.3 m，共有3條配水線路。中路配水路線通過潛水泵將沉淀后的上層清水抽送至垂直流濕地，兩側(cè)通過配水池電磁閥控制流入穩(wěn)定塘，另設(shè)置1臺(tái)污泥泵將沉淀的淤泥抽送至淺灘濕地。

1.3.2 復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)

垂直流人工濕地為橢圓造型，設(shè)計(jì)接納水量為300 m3/d，上設(shè)聚乙烯（Polyethylene，PE）開孔布水管，底部設(shè)置PE開孔排水管，內(nèi)部填充填料，利用開孔管將來水均勻分布至濕地表面，濕地內(nèi)部的填料、植物、微生物發(fā)揮凈化作用，凈化后的水體通過底部開孔集水管收集，最終流向生態(tài)草溪濕地。另外，垂直流人工濕地內(nèi)設(shè)置有污泥泵，將沉淀的泥沙抽送至淺灘濕地。

穩(wěn)定塘設(shè)計(jì)接納水量為1 350 m3/d，利用塘內(nèi)卵石填料、底棲動(dòng)物、浮葉植物以及微生物凈化水質(zhì)，后將初步處理的水體通過重力流送至草型生態(tài)塘。草型生態(tài)塘分別接納穩(wěn)定塘配水后（重力流），利用塘內(nèi)水生植物、水生動(dòng)物、微生物凈化水質(zhì)，最終出水流向生態(tài)草溪濕地。

1.3.3 生態(tài)草溪濕地及淺灘濕地

生態(tài)草溪濕地底部鋪設(shè)防滲膜，上覆土壤墊層及河卵石、景觀石，用于收集垂直流濕地和草型生態(tài)塘出水，形成溪流跌水景觀，后流至近自然表面流濕地。淺灘濕地用于接納調(diào)節(jié)池污泥泵輸送的泥水混合物，來水經(jīng)淺灘濕地處理后進(jìn)入近自然表面流濕地。

1.3.4 近自然表面流濕地及生態(tài)塘

近自然表面流濕地底部覆蓋大量沉水植物苦草，坡岸及部分水面種植有水杉、池杉，來水經(jīng)過生態(tài)塘及生態(tài)草溪濕地，在近自然表面流濕地和生態(tài)塘之間設(shè)置有跌水堰，形成二次跌水景觀。生態(tài)塘內(nèi)部滿種沉水植物苦草，為凈水工藝最后一個(gè)環(huán)節(jié)，起到深度凈化和蓄水穩(wěn)定的作用，出水經(jīng)閥門井控制后排入淀山湖。

2 污染物削減效果分析

在豐水期和枯水期對(duì)該濕地系統(tǒng)開展了水質(zhì)監(jiān)測(cè)，按照濕地水體流向在主要功能單元（配水池→垂直流人工濕地→生態(tài)草溪濕地→近自然表面濕地→生態(tài)塘）布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要為高錳酸鹽指數(shù)、NH3-N、TN、TP、懸浮物（Suspended Solids，SS）以及濁度等。

2.1 復(fù)合功能濕地污染物削減效果

豐水期和枯水期復(fù)合功能濕地水流沿程的污染物濃度變化趨勢(shì)如表2所示。結(jié)果顯示，豐水期和枯水期的污染物濃度變化趨勢(shì)基本一致，復(fù)合功能濕地系統(tǒng)具有一定的脫氮除磷和降濁提質(zhì)效果。豐水期的入湖河流水質(zhì)情況優(yōu)于枯水期，原因可能是豐水期因水力調(diào)度措施增強(qiáng)了河道水體流動(dòng)性。

根據(jù)COD的變化趨勢(shì)，配水池（進(jìn)水口）與強(qiáng)化型人工濕地出水口之間存在明顯下降，但隨后COD緩升，表明垂直流人工濕地對(duì)COD有一定削減效果，但復(fù)合功能濕地系統(tǒng)對(duì)COD的削減效果不顯著。

根據(jù)NH3-N濃度的變化趨勢(shì)，復(fù)合功能濕地系統(tǒng)對(duì)NH3-N的削減效果較為顯著，NH3-N進(jìn)水濃度在0.21～0.62 mg/L范圍條件下，豐水期和枯水期的NH3-N出水均值基本一致，出水濃度在0.122～0.143 mg/L，NH3-N削減率分別約為30%和80%。

根據(jù)TN濃度的變化趨勢(shì)，復(fù)合功能濕地系統(tǒng)對(duì)TN的削減效果較為顯著，TN進(jìn)水濃度在1.32～1.92 mg/L范圍條件下，豐水期和枯水期的TN出水濃度在0.53～0.68 mg/L，TN削減率分別為48%和73%。

根據(jù)TP濃度的變化趨勢(shì)，復(fù)合功能濕地系統(tǒng)對(duì)TP的削減效果較為顯著，豐水期和枯水期的TP進(jìn)出水濃度基本一致，進(jìn)水濃度在0.10～0.12 mg/L，出水濃度均值為0.04 mg/L，TP削減率約為60%。

根據(jù)SS濃度的變化趨勢(shì)，豐水期的復(fù)合功能濕地系統(tǒng)對(duì)SS具有一定削減效果，進(jìn)水濃度均值為16 mg/L，出水濃度均值為9 mg/L，SS削減率約為44%；枯水期的復(fù)合功能濕地系統(tǒng)對(duì)懸浮物的削減效果不明顯。

根據(jù)濁度變化趨勢(shì)，復(fù)合功能濕地系統(tǒng)的降濁效果非常顯著，進(jìn)水濁度在16.65～23.71 NTU范圍條件下，豐水期和枯水期的出水濁度在2.10～2.12 NTU，濁度削減率高達(dá)90%。

2.2 單類型功能單元污染物削減效果

對(duì)復(fù)合功能濕地各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位全年檢測(cè)數(shù)據(jù)取平均值，計(jì)算單類型功能單元對(duì)主要污染物指標(biāo)的去除率，如表3所示。

由表3可知，垂直流人工濕地作為復(fù)合功能濕地首段處理單元，對(duì)除TN外其余各項(xiàng)污染物指標(biāo)具有主要削減效果，原因是濕地進(jìn)水污染物負(fù)荷較低，污染物在處理早期即可得到明顯凈化。約50%的NH3-N在此階段被去除，硝化作用明顯；生態(tài)草溪濕地在單類型功能單元中對(duì)TN的去除率最高，可能是前一階段垂直流人工濕地的硝化作用，累計(jì)的硝酸鹽在生態(tài)草溪濕地進(jìn)行反硝化作用完成脫氮；近自然表面濕地對(duì)TP和SS具有較高的去除率，可能是近自然表面濕地具有最大的有效面積、有效容積及最長的水力停留時(shí)間，因此對(duì)TP和SS這類主要依托吸附作用降解的污染物具有良好的凈化效果；生態(tài)塘位于復(fù)合功能濕地的末端，此時(shí)各項(xiàng)污染物均已得到大幅降解，由于邊際效益遞減，生態(tài)塘對(duì)水質(zhì)凈化的效果不明顯。

3 微生物群落分析

在豐水期對(duì)復(fù)合功能濕地垂直流人工濕地、生態(tài)草溪濕地、近自然表面濕地、生態(tài)塘的底泥沉積物分別取樣，每組樣品取2個(gè)平行樣進(jìn)行宏基因組測(cè)序，分析復(fù)合功能濕地微生物群落特征。

3.1 Alpha多樣性指數(shù)

生態(tài)草溪濕地具有最多的生物群落物種多樣性，而垂直流人工濕地具有最低的生物群落物種多樣性。這可能是生態(tài)草溪濕地水力停留時(shí)間較短，不利于形成穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)生物群落，而垂直流人工濕地作為前端處理單元，進(jìn)水水質(zhì)濃度較高，易于形成特異性的優(yōu)勢(shì)生物群落。

3.2 群落豐度組成

復(fù)合功能濕地各功能單元群落豐度組成情況如下。各單元生物群落主要由假單胞菌（pseudomonadota）、放線菌（actinomycetota）、藍(lán)藻（cyanobacteriota）、擬桿菌（bacteroidota）組成，豐度合計(jì)占比超70%。隨著各功能單元對(duì)水質(zhì)的梯級(jí)凈化，各樣品藍(lán)藻的豐度由垂直流人工濕地的40%降至生態(tài)塘的1.3%，表明復(fù)合功能濕地對(duì)氮磷污染物的消納降解效果明顯，有效抑制了藍(lán)藻作為優(yōu)勢(shì)群落的生態(tài)位。

4 結(jié)論

本復(fù)合功能濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念以入湖河流污染物削減為核心目標(biāo)，由取水與提水設(shè)施、復(fù)合型人工濕地、淺灘濕地、草溪濕地、近自然表面流濕地以及生態(tài)塘等多類型功能單元組成，其設(shè)計(jì)處理能力為3 000 m3/d，出水水質(zhì)目標(biāo)為地表Ⅲ類水。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，豐水期和枯水期的污染物濃度變化趨勢(shì)基本一致，復(fù)合功能濕地系統(tǒng)具有一定的脫氮除磷和降濁提質(zhì)效果，其中垂直流人工濕地作為核心功能單元，對(duì)氮磷污染物的去除貢獻(xiàn)較高，NH3-N、TN和TP削減率分別為47.1%、17.3%和28.3%。本復(fù)合功能濕地各單元生物群落主要由假單胞菌、放線菌、藍(lán)藻、擬桿菌組成，豐度合計(jì)占比超70%。可一步試驗(yàn)不同水質(zhì)特征及工況等條件下，復(fù)合功能濕地運(yùn)行的穩(wěn)定性及污染物去除效果，解析微生物群落多樣性等參數(shù)對(duì)氮磷形態(tài)轉(zhuǎn)化、氮磷去除等的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，形成基于復(fù)合功能濕地的降濁提質(zhì)與脫氮除磷關(guān)鍵技術(shù)體系。

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收稿日期：2024-12-12

基金項(xiàng)目：2021年上海市科委科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃“太湖流域水體智能監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)治理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（21DZ1202503）。

作者簡(jiǎn)介：張宗和（1991—），男，山東日照人，碩士。研究方向：水環(huán)境治理。