生態(tài)濕地技術(shù)在非點(diǎn)源污染控制中的工程應(yīng)用

張功良 ，蔡 然 ，王征戍 ，李德祥 ，王瑞霖 ，3，劉芮杉

（1.北京首創(chuàng)股份有限公司，北京 100044；2.北京水星環(huán)境有限公司，北京 101599；3.首創(chuàng)愛華（天津）市政環(huán)境工程有限公司，天津 300060）

水體環(huán)境污染按照排放方式可分為點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染（面源污染）。隨著點(diǎn)源污染得到有效控制，非點(diǎn)源污染問題尤為突出。非點(diǎn)源污染一般來(lái)自農(nóng)業(yè)、森林砍伐、礦業(yè)、建筑與城市等幾個(gè)方面,其中對(duì)水體危害最大、程度最重的首推農(nóng)村非點(diǎn)源污染[1-5]。針對(duì)農(nóng)村面源水體污染，目前防控措施主要分為兩大類，一類是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理措施，另一類是生態(tài)工程措施[6]。主要治理措施包括源頭控制、遷移過程攔截、末端治理[7-8]。其中，生態(tài)工程措施以徑流過程中的污染控制為主要途徑，在削減或控制污染物的同時(shí)，通過延長(zhǎng)徑流停留時(shí)間、減緩流速、向地下滲透、物理沉淀過濾和生物凈化等技術(shù)去除污染物[9]。主要生態(tài)工程措施有氧化塘技術(shù)、植物過濾緩沖帶、生態(tài)施肥技術(shù)、前置庫(kù)技術(shù)、多水塘系統(tǒng)、草地緩沖帶、水土保持工程措施、生態(tài)濕地技術(shù)等[10-11]。生態(tài)濕地系統(tǒng)利用原有的地形進(jìn)行工程改造，對(duì)農(nóng)村的面源污染物進(jìn)行截留和去除，有效削減面源污染，同時(shí)，兼具功能性及景觀價(jià)值，因地制宜且具有生態(tài)效益。因此，生態(tài)濕地技術(shù)在非點(diǎn)源污染控制中得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

生態(tài)濕地主要依靠植物、微生物和基質(zhì)的協(xié)同作用去除污染物。植物和微生物對(duì)污染物進(jìn)行吸收利用，達(dá)到凈化污水的目的；同時(shí)，植物和微生物得到生長(zhǎng)[12-13]。生態(tài)濕地的分類是基于設(shè)計(jì)過程中不同的物理構(gòu)造。按照濕地布水方式的不同，可以將人工濕地系統(tǒng)分為表面流人工濕地和潛流型人工濕地，后者又包含水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。表面流人工濕地在內(nèi)部構(gòu)造、生態(tài)結(jié)構(gòu)和外觀上都十分類似于天然濕地，具有生物多樣性好、景觀效果佳、投資少、操作簡(jiǎn)單、建設(shè)與運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是占地面積較大，污染負(fù)荷和水力負(fù)荷較小，去污能力有限。潛流型人工濕地污水在基質(zhì)層表面以下，從池體進(jìn)水端流向出水端的人工濕地（水平潛流人工濕地）或者污水垂直流向池體基質(zhì)層的人工濕地（垂直潛流人工濕地）。這類人工濕地充分利用了空間，單位面積下的處理能力大幅度提高，但其工程建造費(fèi)用一般為表面流人工濕地的5～8倍。

1995年Czartoski提出濕地-排水-灌溉系統(tǒng)（Wetland Reservoir Sub-Iirrigation System，WRSIS）的新概念來(lái)減少農(nóng)業(yè)面源污染。研究表明，50 m寬的沿岸植被緩沖帶能分別將進(jìn)入地表水的氮和磷減少89%和80%[14-15]。陸海明等[16]的研究表明由一系列生態(tài)工程措施組成的生態(tài)防控體系能有效削減農(nóng)村飲用水水源地小流域的污染物負(fù)荷，流域出口總氮（total nitrogen，TN）濃度從10.4 mg/L降低到 2.2 mg/L，總磷（total phosphorus，TP）濃度由上游水體的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)下降到下游水體的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)（湖、庫(kù)地表水標(biāo)準(zhǔn)），水質(zhì)得到明顯提升。潘樂等[17]利用塘堰濕地減少農(nóng)業(yè)面源污染的工程試驗(yàn)研究表明，塘堰濕地對(duì)總氮、總磷整體去除率分別為45.88%、44.20%，取得了良好的降解作用。因此以生態(tài)工程為核心處理技術(shù)解決農(nóng)村非點(diǎn)源污染具有較高的研究?jī)r(jià)值和工程實(shí)踐意義。

本文以內(nèi)江包谷灣梯級(jí)濕地項(xiàng)目為研究對(duì)象，結(jié)合川渝地區(qū)農(nóng)村非點(diǎn)源污染治理特點(diǎn)，通過生態(tài)梯級(jí)濕地的綠色設(shè)施建設(shè)，選用功能性填料針對(duì)性地去除化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、TP、TN，并提高植物、基質(zhì)、微生物的協(xié)同作用。特別選取合適的植物搭配，在解決農(nóng)村非點(diǎn)源污染的同時(shí)，兼顧生態(tài)濕地的功能性及生態(tài)景觀價(jià)值，以生境恢復(fù)為主導(dǎo)，以人水和諧為基礎(chǔ)，整合生態(tài)元素，重構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)。通過生態(tài)濕地的建設(shè)打造一條恢復(fù)自然、親水近水的濕地空間，為農(nóng)村非點(diǎn)源污染控制提供工程借鑒。

1.內(nèi)江包谷灣水庫(kù)梯級(jí)濕地

1.1 項(xiàng)目概況

包谷灣水庫(kù)地處四川省內(nèi)江市經(jīng)開區(qū)西側(cè)，水庫(kù)總集雨面積約3.7 km2，水面總面積約0.06 km2，岸線長(zhǎng)度約2 695 m。水庫(kù)平均深度約8 m，由于是匯集周圍雨水及地下水成湖，除尾部有條小溪流外，未見較大水量的補(bǔ)水水源，水體流動(dòng)性較弱，水量更替周期較長(zhǎng)。包谷灣水庫(kù)位置如圖1（左）所示。包谷灣水庫(kù)梯級(jí)濕地工程共建三座梯級(jí)表流濕地，1、2、3號(hào)梯級(jí)濕地位置如圖1（右）所示，總占地面積4 100 m2。

圖1 包谷灣水庫(kù)及梯級(jí)濕地位置示意圖Fig.1 Location of Baoguwan Reservoir and cascade wetland

1.2 非點(diǎn)源污染分析

通過污染源調(diào)查分析，包谷灣水庫(kù)非點(diǎn)源污染主要包括沿線鄉(xiāng)村集鎮(zhèn)面源污染、沿線農(nóng)業(yè)面源污染、農(nóng)村降雨路面徑流污染等。鄉(xiāng)村集鎮(zhèn)面源污染主要集中在村鎮(zhèn)道路兩側(cè)，包括村民旱廁污水、廚房散排污水、村民散排生活用水及初雨沖刷后的徑流污染等。農(nóng)田、耕地、魚塘主要散布于水庫(kù)周圍，其中農(nóng)田和魚塘主要在丘陵山體之間的洼地，耕地主要在丘陵上。下雨時(shí)，耕地的地面徑流首先沿山勢(shì)流入洼地中的農(nóng)田或魚塘，然后通過農(nóng)田或魚塘從高到低逐級(jí)下流，最終進(jìn)入水庫(kù)水體，導(dǎo)致包谷灣水庫(kù)的各類污染物不斷積累，造成水體環(huán)境惡化。

1.3 梯級(jí)表流濕地

1.3.1 設(shè)計(jì)工藝與參數(shù)

包谷灣梯級(jí)濕地主要解決包谷灣水庫(kù)集雨面積內(nèi)的非點(diǎn)源污染問題，同時(shí)結(jié)合周邊景觀需求，通過濕地植物種植對(duì)包谷灣景觀進(jìn)行打造。表面流人工濕地類似于天然濕地，具有生物多樣性好、景觀效果佳的特點(diǎn)，本項(xiàng)目利用原有魚塘部分進(jìn)行改造，建設(shè)多級(jí)梯級(jí)表流濕地，采用人造跌水環(huán)境自然曝氣技術(shù)，通過人為制造水體落差，層層跌水的方式進(jìn)行曝氣復(fù)氧。旱季及雨量較少時(shí)通過泵站循環(huán)補(bǔ)水，雨季停用泵站，收集周邊徑流雨水。1、2、3號(hào)梯級(jí)濕地主要工藝如圖2所示。

圖2 1、2、3號(hào)梯級(jí)表流濕地主要工藝流程圖Fig.2 Main process flow chart of No.1,2,3 cascade surface flow wetland

泵站總循環(huán)補(bǔ)水量900 m3/d，各濕地停留時(shí)間1 d。濕地依地形地勢(shì)而建，跌水堰以自然地形堆筑為主，力求創(chuàng)造自然生態(tài)效果。濕地工程梯級(jí)表流濕地主要污染物設(shè)計(jì)去除率如下：氨氮（NH3-N）為20%～40%，COD為30%～50%，BOD為30%～45%，TP為25%～40%。1、2、3號(hào)梯級(jí)濕地平面分布如圖3所示。

圖3 1、2、3號(hào)梯級(jí)表流濕地平面布置圖Fig.3 Layout plan of No.1,2,3 cascade surface flow wetland

1.3.2 基質(zhì)的種類及選擇

包谷灣梯級(jí)表流濕地基質(zhì)選擇碎石、卵石、火山巖、礫石等常規(guī)基質(zhì)。同時(shí)選擇三種功能性填料作為搭配基質(zhì)，主要為鐵錳復(fù)合氧化物功能填料、硫化型零價(jià)鐵多孔活性填料、根區(qū)激活復(fù)合功能填料。鐵錳復(fù)合氧化物功能填料為球形或不規(guī)則橢球形，粒徑0.6～2.5 cm，孔隙率40%～55%，鐵錳復(fù)合氧化物功能填料具有較高的比表面積、優(yōu)異的孔隙結(jié)構(gòu)以及有較多的表面活性官能團(tuán)等特性，對(duì)環(huán)境中存在的許多無(wú)機(jī)污染物和有機(jī)污染物都具有吸附和降解功能[18]。硫化型零價(jià)鐵多孔活性填料為球形或不規(guī)則橢圓形，粒徑0.5～2.8 cm，孔隙率40%～55%，該填料主要為自氧化深度脫氮功能填料。硫化型零價(jià)鐵多孔活性填料的添加提升了系統(tǒng)內(nèi)自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物生長(zhǎng)的密度和質(zhì)量，可降低碳源投加量，進(jìn)而提升系統(tǒng)內(nèi)反硝化效率。根區(qū)激活復(fù)合功能填料為球形或不規(guī)則橢球形，粒徑0.4～2.8 cm，孔隙率40%～55%，該填料提高植物、基質(zhì)、微生物的協(xié)同效果。多種功能性填料的應(yīng)用利于促進(jìn)生態(tài)濕地水生植物的生長(zhǎng)，整體提高了生態(tài)濕地污染物的去除效率。

1.3.3 植物的種類及選擇

根據(jù)相關(guān)研究及實(shí)際工程運(yùn)用，1號(hào)梯級(jí)表流濕地選用蘆葦+美人蕉+菖蒲+旱傘草+荷花+芡實(shí)+伊樂藻+苦草+澤瀉+水鬼蕉的水生植物搭配，2號(hào)梯級(jí)表流濕地選用蘆葦+香蒲+再力花+梭魚草+紙莎草+睡蓮+伊樂藻+苦草的搭配，3號(hào)梯級(jí)表流濕地選用香蒲+菖蒲+黃花鳶尾+千屈菜+荷花+荇菜+伊樂藻+苦草的搭配，具體水生植物種類及規(guī)格如表1所示。

表1 梯級(jí)表流濕地水生植物種類及規(guī)格Table 1 Species and specifications of aquatic plants in cascade surface flow wetland

以上水生植物搭配選擇氮（N）、磷（P）去除率較高且景觀功能較好，同時(shí)考慮到不同花色、不同花期、不同高矮的水生植物搭配，兼具功能性的同時(shí)打造包谷灣水庫(kù)優(yōu)美的景觀生態(tài)環(huán)境。1、2、3號(hào)濕地效果圖，以及現(xiàn)場(chǎng)種植施工效果如圖4所示。

圖4 1、2、3號(hào)梯級(jí)表流濕地效果圖及現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 Effect and site map of No.1，2，3 cascade surface flow wetland

2 工程應(yīng)用預(yù)期效果

內(nèi)江包谷灣水庫(kù)多級(jí)梯級(jí)表流濕地的建設(shè)旨在解決川渝地區(qū)丘陵地帶小流域農(nóng)村非點(diǎn)源污染。項(xiàng)目建設(shè)完成穩(wěn)定運(yùn)行后，預(yù)期對(duì)NH3-N的削減量為20%～40%，COD削減量為30%～50%，BOD削減量為30%～45%,TP削減量為25%～40%。

多級(jí)梯級(jí)表流濕地工程根據(jù)川渝地區(qū)丘陵地帶小流域農(nóng)村非點(diǎn)源污染特點(diǎn)，為利用生態(tài)濕地技術(shù)解決面源污染問題提供了設(shè)計(jì)思路和工程借鑒。首先，采用生態(tài)濕地技術(shù)解決面源污染問題具有明顯的生態(tài)優(yōu)勢(shì)和落地實(shí)施性。但濕地設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分利用原有的地形、地勢(shì)，本項(xiàng)目因地制宜地利用原有魚塘部分進(jìn)行改造，按照人水和諧、尊重自然的設(shè)計(jì)理念，與包谷灣的自然景色融為一體。其次，利用泵站循環(huán)補(bǔ)水的方式：一是加強(qiáng)了包谷灣水庫(kù)水體的整體流動(dòng)性，改善水質(zhì)、提升景觀效果，二是為旱季及水量較少條件下濕地提供補(bǔ)水，保證濕地的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及水生植物、微生物的生長(zhǎng)和維持。此外，生態(tài)濕地中加入鐵錳復(fù)合氧化物填料、硫化型零價(jià)鐵多孔活性填料、根區(qū)激活復(fù)合填料等功能性填料針對(duì)性地去除COD、TP、TN，并提高植物、基質(zhì)、微生物的協(xié)同作用，具有較好的推廣價(jià)值和意義。最后，在水生植物選擇上，在保證生態(tài)濕地的功能性的前提下，考慮到不同花色、不同花期、不同高矮的水生植物搭配，設(shè)計(jì)營(yíng)造以自然生態(tài)為主的濕地區(qū)域，打造包谷灣水庫(kù)優(yōu)美的生態(tài)景觀環(huán)境。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）以四川省內(nèi)江市包谷灣梯級(jí)濕地項(xiàng)目為研究對(duì)象，結(jié)合川渝地區(qū)農(nóng)村非點(diǎn)源污染治理特點(diǎn)，通過生態(tài)多級(jí)梯級(jí)表流濕地等綠色設(shè)施的建設(shè)，利用表面流人工濕地生物多樣性好、景觀效果佳的特點(diǎn)，因地制宜地使用原有魚塘部分進(jìn)行改造，解決了包谷灣水庫(kù)農(nóng)村非點(diǎn)源污染問題。包谷灣梯級(jí)濕地尊崇人水和諧、尊重自然的設(shè)計(jì)理念，充分發(fā)揮其生態(tài)景觀價(jià)值。

（2）為了加強(qiáng)包谷灣水庫(kù)水體的整體流動(dòng)性，同時(shí)解決生態(tài)濕地旱季及水量較少情況下濕地的正常運(yùn)行問題，本工程選擇了泵站循環(huán)補(bǔ)水的方式，不但提升了包谷灣水庫(kù)整體流動(dòng)性，改善水庫(kù)水質(zhì)，而且保證了梯級(jí)表流濕地水生植物、微生物的生長(zhǎng)和維持。鐵錳復(fù)合氧化物填料、硫化型零價(jià)鐵多孔活性填料、根區(qū)激活復(fù)合填料三種功能性填料搭配碎石、卵石、火山巖、礫石等常規(guī)基質(zhì)，保證了COD、TP、TN等特征污染物的去除效果，提高了生態(tài)濕地的功能價(jià)值。

（3）通過大量相關(guān)研究及實(shí)際工程運(yùn)用調(diào)研，本工程分別選用了蘆葦+美人蕉+菖蒲+旱傘草+荷花+芡實(shí)+伊樂藻+苦草+澤瀉+水鬼蕉，蘆葦+香蒲+再力花+梭魚草+紙莎草+睡蓮+伊樂藻+苦草，香蒲+菖蒲+黃花鳶尾+千屈菜+荷花+荇菜+伊樂藻+苦草三種水生植物搭配組合。該水生植物的搭配種類多樣，且合理地選擇了當(dāng)?shù)靥厣参?，重在設(shè)計(jì)營(yíng)造以自然生態(tài)為主的濕地區(qū)域，打造包谷灣水庫(kù)優(yōu)美的景觀生態(tài)環(huán)境。