人工濕地在小流域污染治理中的應(yīng)用
——以成都市楊溪河小流域水生態(tài)治理為例

柳志亮

(長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢，430010)

0 引言

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加速，污水排放量不斷增多，間接或直接排入河道的污水日益增加，使小流域河道自凈能力降低，水環(huán)境問題突出。針對(duì)以上問題，運(yùn)用人工濕地手段處理污水、改善水質(zhì)開始進(jìn)入社會(huì)各界的視野。人工濕地是建立在生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上的一項(xiàng)新型生態(tài)污水處理技術(shù)[1]，其具有消耗小、投資低、操作簡(jiǎn)單、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)。在20世紀(jì)70年代，人工濕地開始被有意識(shí)、有目的地用于處理污水[2]；20世紀(jì)80、90年代，在歐洲、美國、新西蘭、日本等地開始廣泛應(yīng)用；“七五”期間，中國對(duì)人工濕地的研究逐漸開始起步，1990年國家環(huán)保總局華南環(huán)保所在深圳建造的白泥坑人工濕地工程[3]，為中國的首次實(shí)踐；唐雪[4]在綜合考慮生態(tài)效益與社會(huì)效益的基礎(chǔ)上提出加快淘汰小型重污染企業(yè)、擴(kuò)大園區(qū)污水集中處理規(guī)模、建造人工濕地污水處理系統(tǒng)等措施進(jìn)行小流域水污染綜合治理。

為盡快改善楊溪河小流域水環(huán)境狀況，當(dāng)?shù)卣扇】卦唇匚?、河道清淤等措施，在豐水期水環(huán)境有明顯的改善，在枯水期流域水環(huán)境狀況依然嚴(yán)峻。本文以成都市沱江流域楊溪河小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，探究人工濕地在小流域污染治理中的應(yīng)用，為其他相似區(qū)域的水環(huán)境治理提供參考。

1 研究區(qū)域概況

楊溪河流域位于四川省成都市金堂縣中部，是沱江干流左岸一級(jí)支流，該河流發(fā)源于金堂縣高板鎮(zhèn)，自東北向西南流，于金牛壩匯入沱江。流域涉及金堂縣高板、白果、五鳳、隆盛、平橋5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和簡(jiǎn)陽市同合、宏緣2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。整個(gè)流域呈長條狀，河道總長34.1km，縱坡約1.2‰，現(xiàn)狀河寬在20m～35m，流域面積69.2km2。

流域內(nèi)無明顯地下水出露點(diǎn)，徑流主要由大氣降雨形成，含有灌區(qū)的灌溉回歸水、場(chǎng)鎮(zhèn)污水等其他來水。河口斷面流域多年平均徑流量為1160萬m3，平均流量為0.37m3/s，枯水年(P=90%)最枯月平均流量為0.02m3/s。楊溪河流域區(qū)位見圖1。

圖1 楊溪河流域水系及水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意

2 現(xiàn)狀調(diào)查與評(píng)價(jià)

2.1 水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查與評(píng)價(jià)

2016-2019年在楊溪河上中下5個(gè)斷面共計(jì)33次水質(zhì)檢測(cè)中，達(dá)到IV類水質(zhì)目標(biāo)的僅為24%，劣V類水質(zhì)的頻率為64%；枯水期全部為劣V類。

2021年6月(豐水期)再次選擇流域3個(gè)斷面對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，在汛期中上游水質(zhì)為Ⅴ～劣Ⅴ類，中游基本達(dá)到IV類。主要的污染物為氨氮和總磷。2021年6月水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 楊溪河2021年6月水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 污染源現(xiàn)狀調(diào)查與評(píng)價(jià)

研究區(qū)污染源主要包括城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污染源、工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源、養(yǎng)殖業(yè)污染源、城市面源污染。據(jù)金堂縣生態(tài)環(huán)境局提供的排污口相關(guān)資料以及《2019年金堂縣統(tǒng)計(jì)年鑒》，計(jì)算2019年研究區(qū)地表徑流COD、氨氮、總磷入河量。研究區(qū)主要污染物入河量測(cè)算成果見表2。2019年流域入河化學(xué)需氧量(COD)為415.6t/a，氨氮(NH3-N)為63.3t/a，總磷(TP)為8.5t/a。

表2 楊溪河流域2019年污染物入河量統(tǒng)計(jì)

3 治理目標(biāo)

當(dāng)?shù)卦跅钕恿饔蛑邢掠魏佣我?guī)劃建設(shè)楊溪湖水庫(小(1)型)，按照成都市沱江流域水功能區(qū)總體要求、水質(zhì)管理目標(biāo)和楊溪湖水庫對(duì)入庫水質(zhì)要求，楊溪河小流域應(yīng)全年達(dá)到IV類水質(zhì)目標(biāo)。

4 人工濕地

4.1 工藝流程

人工濕地采用“高效沉淀池+人工快速滲濾池+垂直潛流人工濕地+生物塘”組合工藝，微污染河水首先流經(jīng)粗細(xì)機(jī)械格柵，去除污水中較大顆粒的懸浮物、漂浮物、纖維物質(zhì)和較大的固體顆粒物；格柵出水經(jīng)水泵提升進(jìn)入高效沉淀池，去除污水中的可沉淀懸浮物，有效地減輕后續(xù)系統(tǒng)的處理負(fù)荷；高效沉淀池出水進(jìn)入配水渠，配水渠能夠調(diào)節(jié)水量，對(duì)人工快速滲濾池進(jìn)行布水，利用CRI系統(tǒng)的過濾、截留、吸附、生物降解作用去除污水中的COD、BOD5、SS、氨氮、總磷等；人工快速滲濾池出水進(jìn)入后續(xù)垂直潛流人工濕地，重點(diǎn)去除氨氮，進(jìn)一步去除有機(jī)物、懸浮物等污染[5]；垂直潛流人工濕地出水進(jìn)入兩級(jí)生物塘，生物塘種植沉水植物，構(gòu)建穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)前期處理效果較差的總磷進(jìn)行去除。楊溪河人工濕地工藝流程示意見圖2。

圖2 楊溪河人工濕地工藝流程

4.2 技術(shù)參數(shù)

研究區(qū)多年日平均氣溫為16.87℃，根據(jù)《污水自然處理工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 54-2017)中3.0.7的規(guī)定，屬于按年平均氣溫劃分的Ⅲ區(qū)(高于16℃)；處理對(duì)象為地表微污染水體，屬于常規(guī)處理，表流、水平潛流及垂直潛流濕地主要設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表3。

表3 人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)

4.3 各工藝的原理及功能

4.3.1 高效沉淀池

高效沉淀池主要去除水中懸浮物。

(1)工藝原理：高效沉淀池結(jié)構(gòu)包括反應(yīng)區(qū)和澄清區(qū)。反應(yīng)區(qū)分為混合反應(yīng)區(qū)和推流反應(yīng)區(qū)兩部分，在混合反應(yīng)區(qū)內(nèi)，靠攪拌器的提升混合作用完成泥渣、藥劑、原水的快速凝聚反應(yīng)，然后經(jīng)葉輪提升至推流反應(yīng)區(qū)進(jìn)行慢速絮凝反應(yīng)，以結(jié)成較大的絮凝體；在澄清區(qū)，絮凝體慢速地從預(yù)沉池進(jìn)入沉淀區(qū)，絮凝體主要在預(yù)沉區(qū)沉淀，剩余部分進(jìn)入斜管沉淀區(qū)完成沉淀過程，澄清水通過集水槽進(jìn)入后續(xù)構(gòu)筑物[6]。

(2)最顯著特點(diǎn)：對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的變化適應(yīng)性好；總布局緊湊高效，同等處理規(guī)模占地較少；工程總體投資節(jié)省。

4.3.2 人工快滲池

人工快滲池主要去除微污水SS、COD、BOD5、氨氮等污染物，降低后續(xù)工藝處理負(fù)荷。

工藝原理：人工快滲是一種污水快速滲濾處理工藝的改進(jìn)型，采用滲透性能良好的天然材料，并摻入一定量的活性礦物質(zhì)填料，強(qiáng)化其凈化功能，通過干濕交替的運(yùn)行方式[7]，利用滲濾填料系統(tǒng)的過濾、截留、吸附及生物降解等作用去除水中的污染物。

4.3.3 垂直潛流人工濕地

垂直潛流人工濕地能有效去除水中COD、BOD5、氨氮、總磷等污染物。

工藝原理：潛流人工濕地主要依靠填料和植物根系表面生物膜的作用。好氧微生物通過呼吸作用，將廢水中的大部分有機(jī)物分解成為二氧化碳和水；厭氧細(xì)菌將有機(jī)物質(zhì)分解成二氧化碳和甲烷；硝化細(xì)菌將銨鹽硝化；反硝化細(xì)菌將硝態(tài)氮還原成氮?dú)?。而且濕地植物還有吸收降解作用。此外，濕地生態(tài)系統(tǒng)中還存在某些原生動(dòng)物及后生動(dòng)物，甚至一些濕地昆蟲和鳥類也能參與吞食濕地系統(tǒng)中沉積的有機(jī)顆粒，然后進(jìn)行同化作用，將有機(jī)顆粒作為營養(yǎng)物質(zhì)吸收，在某種程度上去除污水中的顆粒物[8]。

4.3.4 兩級(jí)生物塘

兩級(jí)生物塘進(jìn)一步起到水質(zhì)凈化功能，同時(shí)具有出水展示、景觀效果提升、游玩休息等功能，提升人工濕地區(qū)域景觀效果。

工藝原理：核心是沉水植物對(duì)氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的富集、吸收和降解作用。通過水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈進(jìn)一步提高凈化效果，水體在流動(dòng)過程中，利用土壤基質(zhì)、植物群落和微生物接觸，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、微生物分解、植物吸收等作用去除污染物。

4.4 設(shè)計(jì)凈化效果

為實(shí)現(xiàn)楊溪河小流域水質(zhì)目標(biāo)，當(dāng)?shù)匾?guī)劃于水庫上游河岸邊修建人工濕地，將河道來水引入人工濕地，通過濕地系統(tǒng)的深度凈化處理，使出水水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類后匯入楊溪湖水庫。人工濕地凈化設(shè)計(jì)規(guī)模為25000m3/d，區(qū)域面積4.48hm2。

表3 楊溪湖人工濕地規(guī)模數(shù)據(jù)

楊溪河人工濕地的進(jìn)水水質(zhì)按照河道枯水期水質(zhì)特性進(jìn)行設(shè)定，出水水質(zhì)為地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水質(zhì)。楊溪河人工濕地的進(jìn)水、出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)詳見表4，其中進(jìn)水水質(zhì)根據(jù)豐水期和枯水期的特征分別考慮。

表4 人工濕地進(jìn)出水水質(zhì)設(shè)計(jì)值

對(duì)比表4中進(jìn)水水質(zhì)和出水水質(zhì)可知，人工濕地可明顯降低河道污染物濃度，有效改善河道水質(zhì)。

5 結(jié)語

人工濕地進(jìn)行污水凈水處理在城市的應(yīng)用比較廣泛和成熟，在以農(nóng)業(yè)和農(nóng)村為主的小流域水污染治理方面應(yīng)用需要進(jìn)一步探索和嘗試。楊溪河人工濕地具備生態(tài)安全、效果持久、經(jīng)濟(jì)可行和周邊景觀融合等特點(diǎn)，且根據(jù)設(shè)計(jì)凈化效果可知，楊溪河人工濕地對(duì)污染物BOD5、CODcr、NH3-N、TP的去除率分別達(dá)到60%、40%、50%、40%，可以明顯改善河道枯水期水環(huán)境狀況，為楊溪河流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)和后續(xù)的楊溪湖水庫建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。