人工濕地工程可行性研究

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摘要：隨著濁漳河南源沿線城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展步入快車道，流域內(nèi)取水量和污水排放量增加，河道自凈能力下降，水體污染日益嚴(yán)重。隨著潔凈能源、電力、煤化工、鋼鐵等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的水資源消耗量和廢水排放量都會(huì)有大的增加。濁漳河南源段人工濕地水質(zhì)凈化工程的實(shí)施，是改善水質(zhì)的需要，是實(shí)現(xiàn)水污染防治和環(huán)境保護(hù)規(guī)劃目標(biāo)的重要舉措。

關(guān)鍵詞：人工濕地；環(huán)境效益；改善水質(zhì)

1工程概況

近年來(lái)，隨著濁漳河南源沿線城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展步入快車道，人民生活水平不斷提高，工業(yè)用水和生活用水逐漸增多，隨之而來(lái)的是流域內(nèi)取水量和污水排放量的增加，河流自然徑流減少，河道自凈能力下降，水體污染日益嚴(yán)重。工程場(chǎng)地位于濁漳河南源的漳河大橋上游，工程涉及范圍為濁漳河及濁漳河兩岸的未利用區(qū)域。主要內(nèi)容為濕地設(shè)計(jì)、河道壅水建筑物設(shè)計(jì)及堤防加固等。主要工程項(xiàng)目：液壓鋼壩閘3座、格賓石籠生態(tài)護(hù)岸10km、景觀林帶800萬(wàn)m2、河道疏浚清淤75萬(wàn)m3。項(xiàng)目總投資為3.1億元。

2濁漳河南源流域污染現(xiàn)狀

由于工業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)建設(shè)等原因，濁漳河南源上游排放的工業(yè)廢水和生活污水總量日趨增多，其污染源主要是一些鋼鐵、煤炭和后續(xù)化產(chǎn)品企業(yè)，部分企業(yè)偷排偷放嚴(yán)重超標(biāo)的工業(yè)廢水和生活污水，致使?jié)嵴暮铀廴炯又?，河道生態(tài)受損，其自凈能力直線下降，濁漳河流域生態(tài)系統(tǒng)遭受到嚴(yán)重破壞，污染河水的滲透也造成了地下水的嚴(yán)重污染。濁漳河南源監(jiān)測(cè)斷面位于工程建設(shè)區(qū)下游，該控制斷面能較好地反映濕地工程建設(shè)前的水質(zhì)狀況。今后濁漳河南源流域的工業(yè)仍會(huì)高速發(fā)展，流域正在構(gòu)建以煤為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)鏈，隨著潔凈能源、電力、煤化工、鋼鐵等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的水資源消耗量和廢水排放量都會(huì)有大的增加。濁漳河南源本段人工濕地水質(zhì)凈化工程的實(shí)施，既是改善水質(zhì)的需要，也是實(shí)現(xiàn)水污染防治和環(huán)境保護(hù)規(guī)劃目標(biāo)的重要舉措。

3人工濕地方案比選

依照水利形態(tài)及處置方式的不同，人工濕地一般分為如下3類：表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地。表面形式人工濕地其水面一般位于濕地的基質(zhì)層之上，該種方式的污水一般以較慢的形式流經(jīng)濕地表面；人工潛流方式水流一般位于濕地基質(zhì)層之下，該層次具有過(guò)濾水流的作用；垂直流人工濕地水流方向與根系方向一般為垂直的狀態(tài)，此種形式的填料床上一般為自上至下的流通效果。通過(guò)對(duì)這3種濕地類型進(jìn)行比選，以最終確定本工程采用的濕地類型。

3.1表面流人工濕地

表面流人工濕地（FWS）是各類型人工濕地中最接近自然濕地的一種類型，由于不需要砂和礫石作為基質(zhì)，只要將現(xiàn)有的河道、低洼地稍加改造即可形成表面流人工濕地，改造后也不影響原有河網(wǎng)的防洪、泄洪功能以及低洼地的土地功能。污水在表面流人工濕地基質(zhì)的表面上漫流，水面充分暴露在空氣中，氧通過(guò)水面擴(kuò)散補(bǔ)給。一般表面流人工濕地是利用天然沼澤、廢棄河道等洼地改造而成，也可以利用池塘或渠道等構(gòu)建而成。人工濕地池體或渠道間都裝設(shè)隔墻隔離，通常在池底部也會(huì)鋪設(shè)防水材料（如HDPE膜等）以防止污水下滲，避免污染地下水。濕地池中通常填有土壤、沙、煤渣或其他基質(zhì)材料，供水生植物繁殖扎穩(wěn)根系。表面流人工濕地水位較淺，水體流速較慢，一般以水平流的流態(tài)流經(jīng)各個(gè)處理環(huán)節(jié)。大多數(shù)有機(jī)物的處理是依靠生長(zhǎng)在水下植物的下莖或桿上的生物膜來(lái)完成，因次，不能充分利用填料及豐富的植物根系。表流人工濕地的水面位于人工濕地基質(zhì)以上，其水深多為0.20~0.40m。基于此種人工濕地，污水以較為緩慢的流速進(jìn)入人工濕地的表層，并存在部分蒸發(fā)，部分滲入濕地的可能，但大部分會(huì)經(jīng)出水溢流堰流出。對(duì)于表面人工濕地結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，接近水面部分為好氧層，底部部分為厭氧層?？紤]到濕地植物對(duì)陽(yáng)光有所遮擋，這樣就不會(huì)存在藻類大量滋生的可能?？梢苑N植蘆葦、水蔥、香蒲、燈芯草等挺水植物，鳳眼蓮、浮萍、睡蓮等浮水植物，以及伊樂(lè)藻、茨藻、金魚藻、黑藻等沉水植物。還可以種植慈姑、雨久花、玉蟬花、千屈菜、黃菖蒲、澤瀉等水生花卉類的觀賞植物，既可以處理污水，也可以美化環(huán)境。對(duì)于表面人工濕地的作用機(jī)理進(jìn)行如下總結(jié)：對(duì)于懸浮物來(lái)說(shuō)，植物與基質(zhì)層具有不錯(cuò)的節(jié)流效果。對(duì)于淹沒(méi)在水中的植物根、葉等，在其表面上容易形成生物膜，這對(duì)于水的凈化，有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物的凈化都能起到較好的效果。對(duì)于表面流人工濕地進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該方案具備如下優(yōu)點(diǎn)：（1）先期投資及運(yùn)維費(fèi)用相對(duì)低廉；（2）不論是建造、還是后期的運(yùn)維，操作相對(duì)簡(jiǎn)單；（3）該方案對(duì)于土質(zhì)要求相對(duì)較低；（4）該方案更適合針對(duì)水污染含量不高的污水。主要缺點(diǎn)有：（1）該方案占用土地資源較多；（2）該方案在冬季，氣候寒冷，存在結(jié)冰的可能，因此不合適嚴(yán)寒區(qū)域；（3）如果處置不當(dāng)，可能滋生蚊蠅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有臭味；（4）為避免蚊子與臭味對(duì)附近居民生活產(chǎn)生影響，項(xiàng)目選址需盡可能遠(yuǎn)離住宅區(qū)，或者選擇下方向選址建設(shè)。

3.2水平潛流人工濕地

水平潛流人工濕地（HF）是現(xiàn)階段世界上應(yīng)用相對(duì)較為廣泛的污水處理系統(tǒng)，其水面位于基質(zhì)層以下，該方案具體基于各種填料的蘆葦床等植物系統(tǒng)。水平潛流人工濕地由上、下2層組成。其中土壤位于上層，根系層位于下層，但下層易于使水流通，如粒徑較大的礫石、爐渣或砂層等，在上層土壤中種植蘆葦、菖蒲、香蒲、水蔥等水生、沼生與濕生植物。對(duì)于人工濕地的下面需要鋪置防滲透層，鋪設(shè)防滲膜也是不錯(cuò)的選擇，此舉可以很好地防止污水滲漏，保證了地下水及地表水不受污染。對(duì)于人工濕地技術(shù)處理，要確保其具有一定角度坡度，這樣可以很好地確保水流從根系層、基質(zhì)層緩慢流動(dòng)，并要在出口安裝水位調(diào)節(jié)裝置，同時(shí)集水裝置也是該系統(tǒng)必須具備的，這樣可以保證污水與人工濕地的植物根系層充分接觸?？紤]到植物根系釋放氧會(huì)導(dǎo)致周邊可能存在好氧、缺氧與厭氧3種可能，這是進(jìn)一步去除污染物的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于除氮也有顯著效果。填料和植物根系的存在，為微生物提供相應(yīng)的載體，這種“微環(huán)境”的存在，可以去除有機(jī)污染物。與此同時(shí)，對(duì)供污水載流也可以提供一定便捷條件。大氣中的復(fù)氧，為水平潛流人工濕地提供反應(yīng)所需氧氣，但存在含量不足的問(wèn)題，導(dǎo)致脫氮效率會(huì)有所降低。如果對(duì)人工濕地污水進(jìn)行硝化處置，可極大促進(jìn)除氮效率。對(duì)于水平潛流人工濕地進(jìn)行研究，總結(jié)該種方案具備如下優(yōu)點(diǎn)：（1）該種方案是在充分利用濕地空間的基礎(chǔ)上，對(duì)于植物、微生物及基質(zhì)之間盡可能發(fā)揮協(xié)同作用，在此種技術(shù)背景下，其處理能力顯著強(qiáng)于表面流人工濕地系統(tǒng)；（2）該種方案下的污水流動(dòng)區(qū)間基本上是地面以下，保證了污水的保溫效果，尤其適合于寒冷區(qū)域污水處理；（3）該種方案具備較好的衛(wèi)生條件，因此可以被廣泛推廣應(yīng)用。但此種方案也具有一定的弊端，首先，項(xiàng)目存在建設(shè)成本高的缺點(diǎn)；除此之外，管理方面也比表面流人工濕地要復(fù)雜一些。

3.3垂直流人工濕地

垂直流人工濕地（VF）具有垂直狀態(tài)的水流方向特征，水流自上而下流動(dòng)，一般將人工濕地底部安裝出水裝置。該技術(shù)可以提高氧與基質(zhì)層之間的轉(zhuǎn)移效率，在表層通暢放置砂層，這主要考慮到砂層具有良好的通透性，可實(shí)現(xiàn)間歇性進(jìn)水的效果。當(dāng)污水處在砂石床之上時(shí)，會(huì)逐步向垂直層滲透，并由安裝在底部的集水管網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行收集，最后直至排出至污水處置系統(tǒng)。可在下次進(jìn)水的間隙，考慮投配，此舉可以使污水與空氣進(jìn)行有效接觸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高氧轉(zhuǎn)移效率，大氣中氧氣可以通過(guò)灌溉期的排水、停灌期的通風(fēng)和植物傳輸進(jìn)入人工濕地污水處理系統(tǒng)，由此來(lái)提高BOD去除和氨氮硝化的效果。濕地植物也會(huì)通過(guò)根向根區(qū)轉(zhuǎn)移一部分氧。垂直流人工濕地與生物濾池的原理近似。它對(duì)懸浮物處理效果不好，這可能是由間歇配水造成短時(shí)間內(nèi)水力負(fù)荷提高造成的。通常情況下不單獨(dú)使用垂直流人工濕地，一般將它置于兩級(jí)水平潛流人工濕地之間，由前級(jí)水平潛流人工濕地完成懸浮物和BOD的去除及有機(jī)氮的氨化作用，垂直流人工濕地完成氨氮的硝化作用，后一級(jí)水平潛流人工濕地完成反硝化作用。垂直流人工濕地系統(tǒng)節(jié)約建設(shè)土地面積，利于脫氮、除磷，而且污水處理效果穩(wěn)定，單位面積處理效率高，硝化能力高于水平潛流人工濕地。垂直流人工濕地具有相對(duì)較少的死區(qū)，如果進(jìn)水分布均勻，對(duì)水體的復(fù)氧有一定的作用，獨(dú)特的布水過(guò)程中增加的空氣層以及人工濕地中的生物特別是微生物的代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的熱量，為垂直潛流人工濕地在冬季的正常運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。但其對(duì)有機(jī)物的去除能力不如水平潛流人工濕地，建造條件要求較高，建造費(fèi)用也高，較易滋生蚊蠅，需要在氣候溫暖的地區(qū)建設(shè)，目前應(yīng)用比水平潛流型人工濕地少。垂直流人工濕地主要優(yōu)點(diǎn)在于：（1）存在污染物高效處置且效果穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)；（2）該方案同時(shí)也具備較高的單位處理效率，相比較于水平潛流人工濕地來(lái)說(shuō)，具有較高的硝化能力；（3）此種方式不需占用過(guò)多的土地資源。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，也暴露出如下缺點(diǎn)：（1）相較于人工濕地與水平潛流人工濕地，垂直流人工濕地具有較高的建設(shè)投資費(fèi)用；（2）管理相對(duì)難于表面流人工濕地；（3）應(yīng)用區(qū)域比較局限，僅適合溫暖地區(qū)使用，不適合寒冷地區(qū)應(yīng)用；（4）有滋生蚊蠅可能性；（5）有機(jī)物的去除能力不如水平潛流人工濕地。綜合對(duì)比了3種人工濕地污水處理方案的主要技術(shù)指標(biāo)。水平潛流人工濕地相對(duì)于表面流人工濕地具有水力負(fù)荷和污染負(fù)荷較大、受氣候條件影響較小、且衛(wèi)生條件較好等優(yōu)點(diǎn)；雖然水平潛流人工濕地相比于垂直流人工濕地來(lái)說(shuō)對(duì)污水氨氮的硝化和除磷的效果略低，但該工藝技術(shù)較為成熟，基建及運(yùn)行費(fèi)用較低，管理和維修較為簡(jiǎn)單，對(duì)管理人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)要求不高。因此，選用水平潛流人工濕地作為本項(xiàng)目人工濕地污水生態(tài)處理的主要工藝。

4人工濕地設(shè)計(jì)

4.1人工濕地處理工藝確定

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)濕地與城市污水凈化之間關(guān)系展開了一系列研究，得出了將濕地作為低廉、低能耗且高效的處理城市污水方法，并先后在多個(gè)城市開展試驗(yàn)得到證實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中取得顯著效果。其中以利用天然和半天然濕地系統(tǒng)來(lái)處理城市污水處理廠出水最為普遍。在美國(guó)，污水與濕地之間的組合形式主要包括：（1）處理水進(jìn)入天然濕地處置；（2）利用天然濕地進(jìn)行三級(jí)處理；（3）利用處理水修復(fù)、重建濕地等。上述幾種形式的主要目的都在于利用濕地生態(tài)系統(tǒng)來(lái)充分利用水和水中的營(yíng)養(yǎng)物。在美國(guó)已有數(shù)十個(gè)大型天然濕地用于城市污水處理廠二級(jí)處理水的深度凈化。國(guó)外學(xué)者還研究了濕地系統(tǒng)中多種挺水植物對(duì)BOD5、CODcr、SS、N和P的去除能力，發(fā)現(xiàn)蘆葦?shù)木C合去除能力最佳。在20世紀(jì)的70~80年代期間，我國(guó)針對(duì)城市污水濕地問(wèn)題陸續(xù)開展相關(guān)技術(shù)項(xiàng)目，并得出多種有效的凈化工藝方法，建立規(guī)模不同的示范工程。研究發(fā)現(xiàn)，采用蘆葦濕地系統(tǒng)的策略，對(duì)進(jìn)一步降低污水中的有機(jī)污染物，凈化水系統(tǒng)，降低N、P等營(yíng)養(yǎng)物，降低重金屬等都具有顯著效果。作為一項(xiàng)投資較少且見(jiàn)效快的項(xiàng)目，蘆葦濕地系統(tǒng)同時(shí)具備后期維護(hù)運(yùn)行成本低、操作方法相對(duì)較為便捷的優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)城市污水進(jìn)行二次處理及利用的一種有效方法。對(duì)于濕地常用工藝類型進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，可分為表面流濕地和潛流濕地2種?，F(xiàn)階段城市二級(jí)處理水深度凈化技術(shù)，普遍采用水平潛流濕地工藝。鑒于此，本項(xiàng)目研究方法也采用水平潛流濕地。本項(xiàng)目人工濕地生態(tài)修復(fù)工程完工后，應(yīng)開展生態(tài)環(huán)境效益評(píng)估。針對(duì)工程近、遠(yuǎn)期目標(biāo)，應(yīng)補(bǔ)充階段性生態(tài)環(huán)境效益評(píng)估。生態(tài)環(huán)境效益評(píng)估采用定性和定量相結(jié)合的方法，對(duì)本項(xiàng)目生物多樣性保護(hù)、水質(zhì)凈化效益、水土保持與護(hù)岸等生態(tài)環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)估。

4.2生物多樣性保護(hù)效益評(píng)估

生物多樣性保護(hù)效益包括人工濕地生態(tài)修復(fù)工程自身的生物多樣性保護(hù)效益和對(duì)整個(gè)河道的生物多樣性保護(hù)效益。人工濕地生態(tài)修復(fù)工程自身的生物多樣性保護(hù)效益通過(guò)濕地生態(tài)修復(fù)面積、修復(fù)區(qū)新增物種數(shù)、生物多樣性指數(shù)等指標(biāo)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法或打分法進(jìn)行定量或半定量評(píng)估。本項(xiàng)目實(shí)施后對(duì)河道的生物多樣性保護(hù)效益評(píng)估包括對(duì)河道水生植物、魚類棲息地、水鳥棲息地保護(hù)等進(jìn)行定性或半定量的評(píng)估。

4.3水體凈化效益評(píng)估

對(duì)水體中COD、氮、磷的凈化量和凈化效率進(jìn)行主要估算。河道是個(gè)半開放體系，其水體凈化效益較難定量評(píng)估，故通常以單項(xiàng)工程來(lái)實(shí)施對(duì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)控制。本項(xiàng)目采用人工濕地生態(tài)修復(fù)工藝，其污染物去除效果由進(jìn)出水指標(biāo)及處理污水規(guī)模進(jìn)行估算。其中COD、TN、TP作為主要污染物去除指標(biāo)，其每年污染物減少量為：COD：438t/a；TN：291t/a；TP：18.3t/a；HN3-H：109.5t/a。基于此研究，該項(xiàng)目社會(huì)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)不高，但存在個(gè)體矛盾沖突的現(xiàn)象?；谏鲜鲭[患，已經(jīng)采取對(duì)應(yīng)防范風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策，盡可能地消除潛在風(fēng)險(xiǎn)。不可否認(rèn)，實(shí)施后的效果一定程度上是取決于防范措施的執(zhí)行力度的。本項(xiàng)目的建設(shè)不僅對(duì)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)荒地等進(jìn)行整理，恢復(fù)其生態(tài)功能，形成人工濕地，使項(xiàng)目具有生態(tài)、水質(zhì)改善、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多種效益。在項(xiàng)目實(shí)施后，對(duì)改善郊區(qū)生態(tài)環(huán)境及濁漳河河道水質(zhì)有極大的促進(jìn)作用。

5結(jié)語(yǔ)

（1）本項(xiàng)目處理對(duì)象為濁漳河南源的受污河水，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為12萬(wàn)m3/d，受污河水原水質(zhì)屬于地表水環(huán)境質(zhì)量劣V類水質(zhì)，經(jīng)本工程處理后達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。（2）本項(xiàng)目在一定程度上對(duì)濁漳河南源起到削減入河污染量、改善湖濱生態(tài)的作用，對(duì)本區(qū)河道水環(huán)境改善和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)起到積極作用。（3）本項(xiàng)目工程內(nèi)容包括河道攔水壩工程、水平潛流人工濕地29萬(wàn)m2。（4）環(huán)境效益包括入河污染物負(fù)荷削減、凈化水質(zhì)、恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)等。另有積極的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。（5）該項(xiàng)目方案在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境、社會(huì)方面都是可行的。

作者：史艷杰 單位：太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院