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，相應的水資源消耗量和廢水排放量都會有大的增加。濁漳河南源段人工濕地水質(zhì)凈化工程的實施，是改善水質(zhì)的需要，是實現(xiàn)水污染防治和環(huán)境保護規(guī)劃目標的重要舉措。

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，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，水體污染日益嚴重。工程場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、河道壅水建筑物設(shè)計及堤防加固等。主要工程項目：液壓鋼壩閘3座、格賓石籠生態(tài)護岸10km、景觀林帶800萬m2、河道疏浚清淤75萬m3。項目總投資為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)偷排偷放嚴重超標的工業(yè)廢水和生活污水，致使?jié)嵴暮铀廴炯又兀拥郎鷳B(tài)受損，其自凈能力直線下降，濁漳河流域生態(tài)系統(tǒng)遭受到嚴重破壞，污染河水的滲透也造成了地下水的嚴重污染。濁漳河南源監(jiān)測斷面位于工程建設(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，相應的水資源消耗量和廢水排放量都會有大的增加。濁漳河南源本段人工濕地水質(zhì)凈化工程的實施，既是改善水質(zhì)的需要，也是實現(xiàn)水污染防治和環(huán)境保護規(guī)劃目標的重要舉措。

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。通過對這3種濕地類型進行比選，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，氧通過水面擴散補給。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)各個處理環(huán)節(jié)。大多數(shù)有機物的處理是依靠生長在水下植物的下莖或桿上的生物膜來完成，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?；诖朔N人工濕地，污水以較為緩慢的流速進入人工濕地的表層，并存在部分蒸發(fā)，部分滲入濕地的可能，但大部分會經(jīng)出水溢流堰流出。對于表面人工濕地結(jié)構(gòu)進行研究時不難發(fā)現(xiàn)，接近水面部分為好氧層，底部部分為厭氧層?？紤]到濕地植物對陽光有所遮擋，這樣就不會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。對于表面人工濕地的作用機理進行如下總結(jié)：對于懸浮物來說，植物與基質(zhì)層具有不錯的節(jié)流效果。對于淹沒在水中的植物根、葉等，在其表面上容易形成生物膜，這對于水的凈化，有機物及營養(yǎng)物的凈化都能起到較好的效果。對于表面流人工濕地進行研究發(fā)現(xiàn)，該方案具備如下優(yōu)點：（1）先期投資及運維費用相對低廉；（2）不論是建造、還是后期的運維，操作相對簡單；（3）該方案對于土質(zhì)要求相對較低；（4）該方案更適合針對水污染含量不高的污水。主要缺點有：（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，因此不合適嚴寒區(qū)域；（3）如果處置不當，可能滋生蚊蠅，嚴重時會有臭味；（4）為避免蚊子與臭味對附近居民生活產(chǎn)生影響，項目選址需盡可能遠離住宅區(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)階段世界上應用相對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，并要在出口安裝水位調(diào)節(jié)裝置，同時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導致周邊可能存在好氧、缺氧與厭氧3種可能，這是進一步去除污染物的重要環(huán)節(jié)，對于除氮也有顯著效果。填料和植物根系的存在，為微生物提供相應的載體，這種“微環(huán)境”的存在，可以去除有機污染物。與此同時，對供污水載流也可以提供一定便捷條件。大氣中的復氧，為水平潛流人工濕地提供反應所需氧氣，但存在含量不足的問題，導致脫氮效率會有所降低。如果對人工濕地污水進行硝化處置，可極大促進除氮效率。對于水平潛流人工濕地進行研究，總結(jié)該種方案具備如下優(yōu)點：（1）該種方案是在充分利用濕地空間的基礎(chǔ)上，對于植物、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，其處理能力顯著強于表面流人工濕地系統(tǒng)；（2）該種方案下的污水流動區(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用。但此種方案也具有一定的弊端，首先，項目存在建設(shè)成本高的缺點；除此之外，管理方面也比表面流人工濕地要復雜一些。

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，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，可實現(xiàn)間歇性進水的效果。當污水處在砂石床之上時，會逐步向垂直層滲透，并由安裝在底部的集水管網(wǎng)對其進行收集，最后直至排出至污水處置系統(tǒng)?？稍谙麓芜M水的間隙，考慮投配，此舉可以使污水與空氣進行有效接觸，進而實現(xiàn)高氧轉(zhuǎn)移效率，大氣中氧氣可以通過灌溉期的排水、停灌期的通風和植物傳輸進入人工濕地污水處理系統(tǒng)，由此來提高BOD去除和氨氮硝化的效果。濕地植物也會通過根向根區(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。它對懸浮物處理效果不好，這可能是由間歇配水造成短時間內(nèi)水力負荷提高造成的。通常情況下不單獨使用垂直流人工濕地，一般將它置于兩級水平潛流人工濕地之間，由前級水平潛流人工濕地完成懸浮物和BOD的去除及有機氮的氨化作用，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較少的死區(qū)，如果進水分布均勻，對水體的復氧有一定的作用，獨特的布水過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所產(chǎn)生的熱量，為垂直潛流人工濕地在冬季的正常運行創(chuàng)造了有利條件。但其對有機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)，目前應用比水平潛流型人工濕地少。垂直流人工濕地主要優(yōu)點在于：（1）存在污染物高效處置且效果穩(wěn)定的優(yōu)勢；（2）該方案同時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說，具有較高的硝化能力；（3）此種方式不需占用過多的土地資源。在實際運行過程中，也暴露出如下缺點：（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)投資費用；（2）管理相對難于表面流人工濕地；（3）應用區(qū)域比較局限，僅適合溫暖地區(qū)使用，不適合寒冷地區(qū)應用；（4）有滋生蚊蠅可能性；（5）有機物的去除能力不如水平潛流人工濕地。綜合對比了3種人工濕地污水處理方案的主要技術(shù)指標。水平潛流人工濕地相對于表面流人工濕地具有水力負荷和污染負荷較大、受氣候條件影響較小、且衛(wèi)生條件較好等優(yōu)點；雖然水平潛流人工濕地相比于垂直流人工濕地來說對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，基建及運行費用較低，管理和維修較為簡單，對管理人員的業(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

4.1人工濕地處理工藝確定

近些年來，國內(nèi)外學者對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，并先后在多個城市開展試驗得到證實，在實際應用中取得顯著效果。其中以利用天然和半天然濕地系統(tǒng)來處理城市污水處理廠出水最為普遍。在美國，污水與濕地之間的組合形式主要包括：（1）處理水進入天然濕地處置；（2）利用天然濕地進行三級處理；（3）利用處理水修復、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)來充分利用水和水中的營養(yǎng)物。在美國已有數(shù)十個大型天然濕地用于城市污水處理廠二級處理水的深度凈化。國外學者還研究了濕地系統(tǒng)中多種挺水植物對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世紀的70~80年代期間，我國針對城市污水濕地問題陸續(xù)開展相關(guān)技術(shù)項目，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，對進一步降低污水中的有機污染物，凈化水系統(tǒng)，降低N、P等營養(yǎng)物，降低重金屬等都具有顯著效果。作為一項投資較少且見效快的項目，蘆葦濕地系統(tǒng)同時具備后期維護運行成本低、操作方法相對較為便捷的優(yōu)點，是對城市污水進行二次處理及利用的一種有效方法。對于濕地常用工藝類型進行分析不難發(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，本項目研究方法也采用水平潛流濕地。本項目人工濕地生態(tài)修復工程完工后，應開展生態(tài)環(huán)境效益評估。針對工程近、遠期目標，應補充階段性生態(tài)環(huán)境效益評估。生態(tài)環(huán)境效益評估采用定性和定量相結(jié)合的方法，對本項目生物多樣性保護、水質(zhì)凈化效益、水土保持與護岸等生態(tài)環(huán)境效益進行評估。

4.2生物多樣性保護效益評估

生物多樣性保護效益包括人工濕地生態(tài)修復工程自身的生物多樣性保護效益和對整個河道的生物多樣性保護效益。人工濕地生態(tài)修復工程自身的生物多樣性保護效益通過濕地生態(tài)修復面積、修復區(qū)新增物種數(shù)、生物多樣性指數(shù)等指標，利用數(shù)理統(tǒng)計法或打分法進行定量或半定量評估。本項目實施后對河道的生物多樣性保護效益評估包括對河道水生植物、魚類棲息地、水鳥棲息地保護等進行定性或半定量的評估。

4.3水體凈化效益評估

對水體中COD、氮、磷的凈化量和凈化效率進行主要估算。河道是個半開放體系，其水體凈化效益較難定量評估，故通常以單項工程來實施對進出水水質(zhì)指標控制。本項目采用人工濕地生態(tài)修復工藝，其污染物去除效果由進出水指標及處理污水規(guī)模進行估算。其中COD、TN、TP作為主要污染物去除指標，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，該項目社會穩(wěn)定風險不高，但存在個體矛盾沖突的現(xiàn)象?；谏鲜鲭[患，已經(jīng)采取對應防范風險對策，盡可能地消除潛在風險。不可否認，實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。本項目的建設(shè)不僅對項目區(qū)內(nèi)荒地等進行整理，恢復其生態(tài)功能，形成人工濕地，使項目具有生態(tài)、水質(zhì)改善、環(huán)境、經(jīng)濟等多種效益。在項目實施后，對改善郊區(qū)生態(tài)環(huán)境及濁漳河河道水質(zhì)有極大的促進作用。

5結(jié)語

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

作者：史艷杰 單位：太原理工大學環(huán)境科學與工程學院