桐鄉(xiāng)生態(tài)濕地凈化水源原理與應用

劉 揚,嚴文晗,吳松華,朱振翔

(中交水利水電建設有限公司，浙江 寧波 315200)

1 工程基本概況

桐鄉(xiāng)市西部飲用水源保護建設工程，工程占地約360 hm2(含現(xiàn)有河道約67.47 hm2)，取水規(guī)模為60萬t/d，滿足7 d應急備用水量的需求。工程包含生態(tài)濕地工程、取水泵站及原水管線工程。其中生態(tài)濕地總體上分為北、中、南3片濕地并聯(lián)系統(tǒng)(即預處理區(qū)、生態(tài)根孔凈化區(qū)、深度凈化區(qū)各分3片)，總投資約12億元，工程建成后作為桐鄉(xiāng)市集中飲用水源地，工藝出水達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標準，改善水廠原水水質(zhì)、提高水廠抗風險能力，美化周邊環(huán)境及豐富生物多樣性。

2 桐鄉(xiāng)生態(tài)濕地凈化水源原理

2.1 工藝方案

水源生態(tài)濕地采取前塘-濕地-后塘多級凈化系統(tǒng)鏈的工藝方案，其中，塘和濕地二者凈化功能相輔相成，結(jié)構(gòu)上互為耦合，區(qū)域上呈串聯(lián)形式鏈接，局部的濕地系統(tǒng)內(nèi)部由若干結(jié)構(gòu)單元串并聯(lián)組合構(gòu)成。塘系統(tǒng)主要發(fā)揮水源儲存、滯留、沉淀、分流、預處理、生物穩(wěn)定等功能，而濕地系統(tǒng)主要有過濾、吸附、分解、凈化等功能。凈化過程如圖1所示。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)凈化圖

2.2 工藝流程

濕地工程采用 3 個不同片區(qū)的并聯(lián)系統(tǒng)，3 片濕地相互獨立、互不干擾，凈化后滿足要求的水源匯集于取水泵房前的取水區(qū)，最終經(jīng)取水泵站引水至水廠。

單片濕地處理流程為：預處理區(qū)→跌水曝氣區(qū)→橫向濕地根孔生態(tài)凈化區(qū)→縱向濕地根孔生態(tài)凈化區(qū)→跌水曝氣區(qū)→深度凈化區(qū)→泵站取 水區(qū)→水廠取水泵站。

同時，為了提高低溫季節(jié)濕地水質(zhì)凈化能力以及在高溫季節(jié)有效的控制藻類，在中區(qū)預處理區(qū)與深度凈化區(qū)之間設一座回水閘站，引根孔生態(tài)凈化區(qū)的出水再次進入根孔生態(tài)凈化區(qū)進行循環(huán)凈化，從而改善濕地出水水質(zhì)。工藝流程如圖2所示。

圖2 濕地工藝流程圖

2.3 技術(shù)原理

濕地主要功能區(qū)由預處理區(qū)、曝氣充氧區(qū)、濕地根孔生態(tài)凈化區(qū)、深度凈化區(qū)等組成。這些功能區(qū)的組合次序、分布規(guī)模和連接方式主要根據(jù)工藝要求適當結(jié)合區(qū)域內(nèi)的土地利用而設定。在各功能區(qū)之間主要通過提水閘站(源水與預處理區(qū)之間的水力輸配 )、大溝(縱、橫向根孔凈化區(qū)之間的過渡和水力輸配)、卡口閘(根孔區(qū)與根孔區(qū)之間的水力分配)、回水閘站(深度凈化區(qū)與根孔區(qū)之間的水力分配)、節(jié)制閘 (深度凈化區(qū)之間的水力分配)等規(guī)劃結(jié)構(gòu)進行聯(lián)通、溝通或過渡。

3 技術(shù)應用

(1)采用了多項理論研究為基礎，實踐檢驗成功穩(wěn)定運行的方案。采用了具有獨創(chuàng)性的人工構(gòu)筑濕地根孔技術(shù)、水源生態(tài)濕地系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)、氨氮強化技術(shù)、水陸交錯帶界面強化技術(shù)、源水預處理系統(tǒng)的岸邊穩(wěn)定化和發(fā)揮多種功能的潛水丁壩技術(shù)等均具有多年工作積累和工程應用驗證。這些技術(shù)的應用實踐為本項目目標實現(xiàn)奠定了扎實的基礎。

(2)采用加砂分層結(jié)構(gòu)即種植土(20 cm)+植物秸稈+砂層(20 cm)+植物秸稈+砂層(20 cm)+植物秸稈+砂層(20 cm)+植物秸稈。根據(jù)嘉興地區(qū)多黏土、滲透系數(shù)低的土質(zhì)特性，采用加砂分層結(jié)構(gòu)，可以增加根孔區(qū)的過水流量，有效提高植物床滲透性，防止末端出水底泥懸浮、降低水源濁度。

(3)采用回水循環(huán)處理模式，在中區(qū)預處理區(qū)與深度凈化區(qū)中間增加回水閘站。既能夠在低溫季節(jié)回水，充分利用濕地出水的生物質(zhì)，補充碳源，發(fā)揮物理截流、沉降和吸附的作用；又能在高溫季節(jié)利用水體循環(huán)加快深度凈化區(qū)的水體流動，提高抗風險能力?；厮l站通過水泵引根孔生態(tài)凈化區(qū)的出水至根孔區(qū)前端進行再次凈化，日循環(huán)處理量可達 30 萬t/d，運行時間12 h/d，回水閘的設置可使綜合污染物的去除率提高 5%。

(4)預處理及深度凈化區(qū)除采用傳統(tǒng)的隔堤外，增加“多島式浮動濕地”與水下地形相結(jié)合，形成巨大的植物根系攔截系統(tǒng)。光合作用產(chǎn)生的氧氣通過植物氣道輸送至根區(qū)，經(jīng)過植物根區(qū)的還原介質(zhì)后形成氧化態(tài)的環(huán)境，有氧區(qū)域和缺氧區(qū)域的共同存在為根孔區(qū)的耗氧、兼性和厭氧生物提供了各自相適應的共生環(huán)境，發(fā)揮相輔相成的作用。

(5)改變以往濕地的平底結(jié)構(gòu)，營造水下微地形。在預處理區(qū)以及深度凈化區(qū)通過“ft脊”、“ft谷”微地形營造，一方面利用不同溫度的水層產(chǎn)生垂直對流或環(huán)流運動，實現(xiàn)水體中物質(zhì)交換和能量的流動； 另一方面在“ft谷”處前端增加“多島式浮動濕地”加快懸浮物在水體中的沉降。

4 應用效果評價

(1)施工過程中合理提高冬季運行效率。①生態(tài)濕地采用人造根孔技術(shù)，在冬季仍能維持濕地土壤亞表層較高的凈化效率。②改變以往濕地蘆葦收割模式，在收割時同時使用小型機械裝置， 將植物床溝底土壤翻至床體表面厚度約 5 cm，寬度在 3～4 m 左右，作為床體的覆蓋物，增加低溫期床體的溫度。③適當引種冬季常綠植物，選擇濕地植物時，避免選擇腐爛時釋放還原性物質(zhì)較多的植物，以減少其腐爛釋放的風險。

(2)根孔凈化可應對各種源水情況，極大提高水源凈化運行效率。不管下大雨甚至暴雨引起外河水位猛漲和源水污染物濃度出現(xiàn)峰值，外河源水出現(xiàn)藻類水華或其他污染事故，外河水質(zhì)不穩(wěn)定或水位波動較大等各種突發(fā)異常情況，根孔凈化區(qū)均可發(fā)揮水源凈化功能，保證供水持續(xù)進行。

(3)充分利用現(xiàn)狀地形、節(jié)省建設成本。充分利用柴桑湖漾-大紅橋港-白蕩漾一線及周邊地形地貌特征和土地利用特點，利用桑湖漾現(xiàn)狀作為濕地預處理區(qū)并兼具備用貯水塘，利用大紅橋港兩側(cè)利用現(xiàn)狀的魚塘構(gòu)筑根孔凈化處理區(qū)，末端利用大紅橋港、白蕩漾作為地深度凈化處理區(qū)，最后至泵站取水區(qū)。施工中合理調(diào)配土方，保證土方達到場內(nèi)平衡，減少土方外運，合理節(jié)約工程成本。

(4)利用生物相生相克防止病蟲害和藍藻水華。濕地建成之后生物多樣性快速提高，利用濕地本身的生物多樣性和人為適當誘導，達到濕地中不發(fā)生病蟲害、沒有蚊蟲和消除藍藻水華的目的。

(5)建立“外防內(nèi)控”的污染防治體系。通過濕地區(qū)防洪隔堤、界河的建立，防治外界污染源進入濕地，桑柴湖、白蕩漾、大紅橋港等濕地內(nèi)部水系及周邊水系進行清淤，有效的制止內(nèi)源污染，建立長期有效的輪疏機制，減輕內(nèi)源污染。

(6)運行維護成本低。生態(tài)濕地構(gòu)筑完成之后，具有穩(wěn)定持久的特點， 經(jīng)過一定時期運行，僅需對濕地關(guān)鍵區(qū)位進行必要的維修和管理，所需成本較低。

5 結(jié) 論

人工濕地根孔凈化作為目前國內(nèi)較為新興的污水凈化技術(shù)，依托桐鄉(xiāng)濕地的工程的實施和經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累，相信在達到凈化水體的同時，也能夠帶來更多的經(jīng)濟效益和社會效益，推動更多更廣的濕地技術(shù)研究和運行。