北方低溫仿自然濕地脫氮除磷強化凈化技術(shù)應用

王文冬，王利軍，高曉薇，劉學燕，龍元源，趙 佑，蔡婷婷，王慧

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100048）

人工濕地是通過人工模擬并強化天然濕地功能結(jié)構(gòu)，將低污染濃度的污廢水均勻投配到填料床系統(tǒng)（內(nèi)含填料基質(zhì)、水生植物、水生動物及微生物），通過發(fā)揮吸附過濾、離子交換、植物吸收以及微生物降解多重作用實現(xiàn)對污水中各類污染物的有效去除，與常規(guī)的污水處理工藝相比，具有處理效果好、污染物去除能力強，運轉(zhuǎn)維護管理方便、工程基建和運轉(zhuǎn)費用低、對負荷變化適應能力強等顯著特點〔1-3〕。

國內(nèi)傳統(tǒng)濕地工程設(shè)計大多采用單一的潛流濕地、表流濕地工藝或?qū)ζ溥M行簡單串聯(lián)組合，往往產(chǎn)生表流濕地在內(nèi)部構(gòu)造、形態(tài)結(jié)構(gòu)和外觀風貌上接近天然濕地，但抗沖擊負荷、污染物凈化能力較差；潛流濕地存在形態(tài)單一、人工痕跡明顯、管護成本較大等系列問題；同時由于傳統(tǒng)濕地工藝生境單一、無法形成厭氧/缺氧/好氧交替變化運行條件，造成脫氮除磷去除能力有限〔4-7〕；此外，在北方寒冷地區(qū)，冬季低溫條件下，植物干枯、微生物代謝活性下降，進一步降低了濕地系統(tǒng)的污染物去除效果，在一定程度上限制了人工濕地技術(shù)工藝在北方地區(qū)的規(guī)模化應用〔8-15〕。

目前，國內(nèi)外針對提高人工濕地脫氮除磷效率的研究重點集中在篩選強化濕地植物與填料基質(zhì)方向；應對冬季低溫不利條件的技術(shù)措施研究，主要是采用冬季植物收割表層覆蓋方面；但針對通過改善濕地系統(tǒng)內(nèi)部厭氧/缺氧/好氧交替變化的微生環(huán)境以提升脫氮除磷效果和通過優(yōu)化填料床內(nèi)部保溫結(jié)構(gòu)、菌群/植物配置以及運行模式以強化濕地低溫運行效果的相關(guān)研究相對較少。

本研究基于官廳八號橋上游來水低碳高磷高氮的水質(zhì)特征，結(jié)合項目所處區(qū)域為典型北方寒冷地區(qū)氣候的特點，通過構(gòu)建具有“預處理區(qū)+主處理區(qū)+后處理區(qū)”的官廳八號橋多生境仿自然濕地系統(tǒng)，同時輔以底質(zhì)調(diào)節(jié)緩釋除磷措施，并通過對濕地系統(tǒng)的填料床結(jié)構(gòu)、菌群/植物配置以及運行模式進行優(yōu)化集成的方式，突破了傳統(tǒng)濕地冬季低溫氮磷污染物達標運行困難的技術(shù)瓶頸。

1 官廳八號橋仿自然濕地項目概況

官廳八號橋仿自然濕地位于河北省懷來縣，永定河入官廳水庫口，大秦鐵路至八號橋水文站下游3.5 km河道灘地，項目主要處理對象為永定河上游微污染地表水，處理規(guī)模為1～3 m3/s，折合約8萬～26萬m3/d，建設(shè)濕地總面積約2.1 km2，設(shè)計出水主要指標執(zhí)行地表水Ⅲ類標準。項目主體濕地部分建設(shè)投資35071.27萬元，年運行成本為663萬元，折合噸水投資和運行費用分別為1348.90元/m3和0.07元/m3。

圖1 項目區(qū)位圖Fig. 1 Project location map

1.1 設(shè)計進出水水質(zhì)

根據(jù)官廳八號橋2011年1月—2018年11月逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（詳見表1），項目建設(shè)前期區(qū)域水質(zhì)整體為地表水Ⅴ類（主要超標指標為TN、TP和COD），同時斷面水質(zhì)隨季節(jié)具有一定變化：低溫期（2018年11月—2019年5月，外界溫度-10～14 ℃，系統(tǒng)水溫2～9 ℃）水質(zhì)最差，為Ⅳ～Ⅴ類，主要超標物質(zhì)為COD、氨氮和TP；汛期6月—9月，水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，基本達到Ⅲ～Ⅳ類，但仍存在COD和TP超標的問題。

表1 項目建設(shè)前上游逐月來水水質(zhì)狀況Table 1 Monthly water quality status of upstream water before project constructionmg/L

項目根據(jù)“水十條”考核要求，結(jié)合官廳水庫入庫水質(zhì)功能區(qū)劃，確定官廳八號橋仿自然濕地設(shè)計出水應達到地表水Ⅲ類標準，結(jié)合同類濕地設(shè)計及實際運行經(jīng)驗，最終確定本項目濕地設(shè)計進出水水質(zhì)，詳見表2。

表2 濕地進出水水質(zhì)指標Table 2 Wetland inlet and outlet water quality indicators mg/L

1.2 建設(shè)規(guī)模與工程布置

1.2.1 建設(shè)規(guī)模與水力參數(shù)設(shè)計

根據(jù)多年實測數(shù)據(jù)（詳見表3），項目區(qū)上游來水平均流量為3.24 m3/s，保證率為36.7%，按照適度原則，確定工程的規(guī)模為3.0 m3/s。

表3 2006年—2015年永定河不同流量保證率Table 3 Different flow guarantee rates of Yongding River from 2006 to 2015

參照《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ 2005—2010）進行工程設(shè)計，主要設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 濕地水力參數(shù)設(shè)計Table 4 Wetland hydraulic parameter design

1.2.2 工藝流程與功能分區(qū)

1）工藝流程。項目設(shè)計按照區(qū)域現(xiàn)狀空間分布，因地制宜地進行功能區(qū)劃與濕地布設(shè)：整個項目建設(shè)區(qū)沿河道兩側(cè)分布，區(qū)域地勢平緩；河道主槽與大秦鐵路、沙蔚鐵路、八號公路橋、豐沙鐵路將整個場區(qū)分割為10個區(qū)域；為充分利用區(qū)域土地資源，最大限度發(fā)揮濕地的凈化功效，本項目對10個濕地功能建設(shè)區(qū)進行了優(yōu)化組合，形成了“既有內(nèi)部串聯(lián)，又有整體并聯(lián)”的濕地網(wǎng)絡(luò)空間，具體見圖2、圖3。

圖2 濕地系統(tǒng)功能分區(qū)布置Fig. 2 Wetland system functional zoning layout

圖3 工藝流程框架Fig. 3 Process flow diagram

由圖2、圖3可知，項目濕地沿水流走勢，依次布設(shè)預處理區(qū)、主處理區(qū)、后處理區(qū)：其中“左一區(qū)+左二區(qū)”、“右一區(qū)+右二區(qū)”分別為左岸、右岸的兩個預處理區(qū)；“左三區(qū)”、“右三區(qū)”分別為左岸、右岸的兩個主處理區(qū)；“右四區(qū)”為整個系統(tǒng)的后處理區(qū)。

2）濕地形式與功能分區(qū)。在秉承自然生態(tài)設(shè)計的理念下，本研究充分利用灘地空間及地形地貌特征，參照人工濕地的設(shè)計要點，同時結(jié)合溪流、生態(tài)塘、表流濕地、潛流濕地功能特性進行優(yōu)勢互補，構(gòu)建形成以塘為主體，溪流、溝渠、湖泊、島嶼相結(jié)合的空間格局，豐富了濕地形態(tài)及生境多樣性，突破了大尺度近自然濕地構(gòu)建體系建設(shè)。八號橋仿自然濕地總體布置見圖4。

圖4 八號橋仿自然濕地總體布置Fig. 4 The overall layout of the No. 8 bridge natural simulated wetland

項目濕地沿水流走勢，依次布設(shè)預處理區(qū)、主處理區(qū)、后處理區(qū)：預處理區(qū)通過模擬天然濕地的形態(tài)特征，構(gòu)建以漫流式表流濕地為主的溪流特征濕地，有效占地面積為35.2萬m2；主處理區(qū)充分利用內(nèi)部特有的田埂分割以及周邊環(huán)境形態(tài)，打造既具有島嶼形態(tài)、又具有濕地功能的島嶼灘涂特征濕地，有效占地面積48.8萬m2；后處理區(qū)采取對現(xiàn)有坑塘進行修整形成生物穩(wěn)定塘，并在其下游建造標準尺寸為200 m×60 m的濕地單元，同時項目結(jié)合右四區(qū)地勢較高的特點，設(shè)置攔水閘，雍高永定河水水位向生物穩(wěn)定塘補水，可充分發(fā)揮生物穩(wěn)定塘的水量調(diào)節(jié)、自然沉淀以及生物凈化作用，生物穩(wěn)定塘出水依靠重力對下游的單元濕地進行均勻配水，后處理區(qū)共建有生物穩(wěn)定塘面積14.7萬m2、單元濕地面積47.4萬m2。

2 強化脫氮除磷與低溫穩(wěn)定運行技術(shù)研究

針對項目區(qū)上游來水低碳高磷高氮水質(zhì)特征、區(qū)域冬季低溫氣候特點，本研究在綜合考慮自然濕地形態(tài)和生境多樣性特征的基礎(chǔ)上，充分借鑒傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)原理，將多生境強化生物脫氮技術(shù)、底質(zhì)調(diào)節(jié)緩釋除磷技術(shù)以及仿自然濕地冬季折流冰下運行技術(shù)措施進行有效集成，實現(xiàn)了良好的冬季氮磷污染物去除效果。

2.1 多生境強化生物脫氮技術(shù)

按照“低擾動、仿自然”相結(jié)合的設(shè)計思路，結(jié)合建設(shè)區(qū)域地形地貌特征及項目濕地水質(zhì)凈化功能定位，本項目研究構(gòu)建“預處理區(qū)+主處理區(qū)+后處理區(qū)”組合工藝，形成大尺度、多生境仿自然濕地構(gòu)建體系，豐富濕地系統(tǒng)生境形態(tài)，營造良好的厭氧/缺氧/好氧微生環(huán)境，實現(xiàn)良好的脫氮除磷去除效果。

1）預處理區(qū)。首端預處理區(qū)結(jié)合區(qū)域森林植被覆蓋度高、河道溝渠脈絡(luò)分明、局部坑塘零星點綴地形地貌特征，通過森林內(nèi)部疏挖子槽，串聯(lián)并優(yōu)化現(xiàn)有河道溝渠、魚塘形態(tài)，形成以坑塘、溪流為主體單元的功能表流濕地系統(tǒng)，通過延長水流路徑和水力停留時間至15～20 d，加強水位波動變化，促進物理、化學、生物協(xié)同凈水作用效果發(fā)揮，為主處理區(qū)水質(zhì)凈化創(chuàng)造良好條件。

2）主處理區(qū)。中段主處理區(qū)進水參照折流絮凝池構(gòu)造原理構(gòu)建魚鱗濕地，增設(shè)鉛絲石籠形成折流丁壩，延長水質(zhì)凈化停留時間，優(yōu)化傳統(tǒng)生物塘構(gòu)建形式，采用礫石鋪設(shè)的形式進行土壤底質(zhì)改良，增大底層微生物富集面積，配合水生植物栽種，促進基質(zhì)-植物-微生物協(xié)同凈水作用，強化局部生物凈水效率。

3）后處理區(qū)。末端后處理區(qū)充分利用區(qū)域地塊田埂分割的特點，通過開挖、強夯形成圍埝單元濕地，增設(shè)功能填料、微生物菌劑（主要成分為以黃桿菌屬、單胞菌屬為主體的耐低溫微生物群落），并依靠水力高程形成梯級濕地。

后處理區(qū)基于生物脫氮除磷原理及研究成果，構(gòu)建兩級潛流濕地與生態(tài)塘集成串聯(lián)的短程硝化反硝化脫氮濕地單元，濕地單元內(nèi)進行鐵屑+焦炭、焦炭、石灰質(zhì)碎石、活性炭、生物陶粒等基質(zhì)材料的優(yōu)化配置。借鑒生物脫氮的原理，通過水位調(diào)控措施，促進復氧效率提升，構(gòu)成“缺氧/厭氧-好氧”微環(huán)境，破解傳統(tǒng)人工濕地內(nèi)缺氧/厭氧條件對硝化功能菌生長的限制因素，提升生物脫氮效率。

2.2 底質(zhì)調(diào)節(jié)緩釋除磷技術(shù)

針對表流濕地TP去除能力有限的技術(shù)瓶頸，自主研發(fā)以生石灰為主要原料的緩釋除磷材料，飽和吸附量達到0.2～0.992 mg/g；采用自然滲濾或底質(zhì)1∶8的摻混調(diào)理方式，使表流濕地除磷負荷由0.01 g/（m2·d）提升至0.1～0.87 g/（m2·d），含磷污染物入河消減量達到30%以上，緩釋除磷周期延長至3 a。

2.3 低溫穩(wěn)定運行技術(shù)

1）天然基質(zhì)保溫覆蓋。在后處理區(qū)，潛流濕地單元結(jié)合基質(zhì)材料優(yōu)化配置，研究采用珍珠巖、火山巖等天然基質(zhì)材料做為保溫覆蓋物對濕地進行保溫隔離，構(gòu)建形成由下至上依次為承托層（D16～64 mm石灰石碎石400 mm厚）、凈化層（D8～32 mm石灰石+火山巖、沸石復合功能填料700 mm厚）、保溫層（D4～8 mm珍珠巖+火山巖100 mm厚）的級配式保溫復合填料床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，有益于各分區(qū)填料凈水功能的正常發(fā)揮，同時可在填料床表面形成一個絕熱保溫層，阻斷大氣低溫對濕地內(nèi)部的影響，有效避免濕地床水溫耗散，降低北方人工濕地冬季冰凍的影響。

2）耐低溫微生物菌劑強化。進入低溫期（水溫低于15 ℃）前，在魚鱗濕地、單元潛流濕地區(qū)，通過耐低溫基因DNA提取、PCR擴增技術(shù)識別濕地優(yōu)勢耐低溫微生物菌群，并按照0.5～1 g/（m3·d）的投加比連續(xù)投加10 d，篩選構(gòu)建形成以黃桿菌屬、單胞菌屬為主體的耐低溫微生物群落，強化濕地微生物耐低溫性能。

3）冷季型沉水植物優(yōu)化配置?；跁r間生態(tài)位互補原則，構(gòu)建以蘆葦、香蒲、水蔥為主體的耐低溫潛流濕地挺水植物搭配組合，以菹草、狐尾藻為主體的耐低溫魚鱗濕地、生物塘沉水植物搭配組合，強化植株密度形成濾網(wǎng)，發(fā)揮對污染物的攔截、過濾作用，并與耐低溫微生物相結(jié)合，形成濕地耐低溫植物-微生物群落結(jié)構(gòu)體系，綜合提升北方人工濕地的冬季污染物去除效果。

4）冰下折流取水-高水位調(diào)控。結(jié)合北方地區(qū)冬季氣溫較低、地溫較高、溫度縱向梯度變化明顯等特點，研究在濕地系統(tǒng)首端進水口處設(shè)置跌水閘板，采取胸墻式冰下折流取水方式，利用常溫地熱能增溫保溫，有效保證濕地進水口結(jié)構(gòu)不受冰凍影響。同時項目研究在濕地水面冰凍前，采取提高濕地運行水位形成表面冰層，再降低冰下水位的低水位運行方式，結(jié)合植物資源利用，將濕地植物秸稈收割進行冰面表層覆蓋，提高表層保溫效率，最終綜合形成了“胸墻式冰下折流取水-低水位冰下運行”的濕地系統(tǒng)調(diào)控運行模式。結(jié)合填料床表層保溫材料覆蓋措施，能夠?qū)⒈滤疁乜刂圃?～3 ℃，可進一步發(fā)揮耐低溫植物/微生物水質(zhì)凈化功能，綜合提升低溫條件下的濕地出水效果。

3 水質(zhì)凈化與生態(tài)景觀提升效果分析

3.1 水質(zhì)監(jiān)測方案

為充分了解項目濕地的低溫季節(jié)運行效果，保障系統(tǒng)的出水水質(zhì)，需對濕地開展水質(zhì)監(jiān)測分析。

1）監(jiān)測點位（圖4）。監(jiān)測點位1，濕地總進水（E115°31′48.60″，N40°21′19.39″）；監(jiān)測點位2，單元濕地進水（E115°32′21.75″，N40°20′43.19″）；監(jiān)測點位3，濕地總出水（E115°32′45.05″，N40°20′12.13″）

2）監(jiān)測指標。監(jiān)測指標包括COD、氨氮、TP、TN共4項指標。

3）監(jiān)測時間。項目研究取樣檢測時間為2019年9月—12月，監(jiān)測頻率為3次/月。

4）取樣方法。取樣方法參照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL 219—2013）中相關(guān)要求進行。

5）檢測方法。COD檢測方法采用重鉻酸鹽法（GB/T 11914—1989）；氨氮檢測方法采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）；TN檢測方法采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光法（HJ 636—2012）；TP檢測方法采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893—1989）。

3.2 水質(zhì)凈化效果分析

項目運行實際監(jiān)測結(jié)果表明：進入當?shù)厍锛?月份，仿自然濕地內(nèi)部水溫約為20 ℃左右；10月中旬，水溫在8～13 ℃反復波動，下旬降低至12 ℃以下；11月底，整個仿自然濕地建設(shè)范圍內(nèi)表面結(jié)冰，冰下水溫約為2～3 ℃；連續(xù)4個月（9月—12月）水質(zhì)監(jiān)測分析結(jié)果見圖5。

圖5 仿自然濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果Fig. 5 Water purification effect of natural simulated wetland system

由圖5可知，濕地系統(tǒng)低溫運行期間，進水中主要污染物指標COD、TN、TP、氨氮等平均質(zhì)量濃度分別為24.3、2.89、0.4、0.55 mg/L，各水質(zhì)指標介于地表水Ⅳ～Ⅴ類之間波動。經(jīng)仿自然濕地凈化后，出水中上述污染物指標平均質(zhì)量濃度分別降低至20.4、1.5、0.224、0.39 mg/L，基本穩(wěn)定達到甚至優(yōu)于地表水Ⅲ類標準，實現(xiàn)了低溫條件下的水質(zhì)凈化目標。其中，部分時段樣本檢測COD指標存在出水值高于進水檢測值，如在9月6日、11月25日，分析原因在于秋冬季節(jié)氣溫下降，水生植物干枯、枝葉脫落、腐敗，造成內(nèi)源污染，使得濕地系統(tǒng)內(nèi)部COD上升；加之隨著溫度波動，微生物的代謝穩(wěn)定性也受到影響，綜合造成濕地出水COD高于進水；分析氨氮指標在10月19日、11月8日、12月12日出水值高于進水檢測值的原因在于濕地系統(tǒng)內(nèi)部水生植物脫落枝葉中有機氮組分經(jīng)氨化細菌作用轉(zhuǎn)化為氨氮，使得系統(tǒng)氨氮濃度上升，同時氣溫變化也造成系統(tǒng)硝化作用的波動變化，部分時段硝化作用降低，使得濕地出水氨氮檢測值高于進水檢測值。

扣除氣溫波動影響，綜合分析各類污染物平均去除效果，濕地系統(tǒng)對COD、TN、TP、氨氮的平均去除率可分別達到22.64%、47.78%、51.67%、21.58%；仿自然濕地的秋冬季污染物去除效果顯著，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)表流濕地的水質(zhì)凈化效果。

3.3 生態(tài)景觀效果分析

項目參照人工濕地的設(shè)計要點，結(jié)合溪流、生態(tài)塘、表流濕地、潛流濕地的功能及形態(tài)特征，突破傳統(tǒng)濕地單一形態(tài)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建以塘為主體，溪流、溝渠、湖泊、島嶼相結(jié)合的仿自然濕地系統(tǒng)空間格局，布局河道、旁路型濕地，天然濕地和人工濕地相結(jié)合，實現(xiàn)多種形態(tài)濕地的優(yōu)勢互補，形成兼具自然凈化與強化凈化功能的大尺度、多生境仿自然濕地系統(tǒng)。同時結(jié)合沿岸灘涂景觀及深潭淺灘水生變化，因地制宜種植蘆葦、香蒲、菖蒲等水質(zhì)凈化型水生植物，鳶尾、千屈菜、美人蕉等景觀營造型水生植物，苦草、金魚藻、狐尾藻等生境強化型水生植物，并根據(jù)空間規(guī)劃進行景觀分區(qū)，開辟水流帶，設(shè)置人行棧道、景觀節(jié)點，打造可游、可賞、可玩的仿自然濕地公園，在實現(xiàn)濕地凈水、植物造景功能的同時，還增加了周邊居民及往來游客的觀光體驗。

項目有效改善了河灘地單一生境的現(xiàn)狀，新增濕地面積1.72 km2，搭配形成多樣化生境格局，為水生動植物、水禽和鳥類等提供適宜的生長棲息空間。極大提升了官廳水庫周邊的生態(tài)環(huán)境，為永定河生態(tài)廊道構(gòu)建及冬奧會區(qū)域高標準水質(zhì)目標提供了技術(shù)保障。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)濕地生境單一、氮磷污染物去除水平有限、冬季低溫應對能力不足的技術(shù)難題，項目研究通過構(gòu)建多生境仿自然濕地系統(tǒng)，同時輔以底質(zhì)調(diào)節(jié)緩釋除磷，強化濕地的脫氮除磷去除能力；在此基礎(chǔ)之上，通過采取優(yōu)化填料床結(jié)構(gòu)、菌群/植物配置以及低溫運行模式的方式，提高濕地系統(tǒng)的冬季低溫污染物去除效果，得出的主要結(jié)論包括：

1）由“預處理區(qū)+主處理區(qū)+后處理區(qū)”組成的多生境仿自然濕地系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮溪流、生態(tài)塘、表流濕地、潛流濕地功能互補優(yōu)勢，營造濕地內(nèi)部厭氧/缺氧/好氧的交替變化微生環(huán)境，提升濕地系統(tǒng)的脫氮除磷能力。

2）按照1∶8將土壤與生石灰摻混配置研發(fā)形成的緩釋除磷材料，飽和吸附量可達0.2～1.0 mg/g，人工投加至表流濕地底部基質(zhì)內(nèi)部，可將表流濕地除磷負荷由0.01 g/（m2·d）提升至0.10～0.87 g/（m2·d），將TP入河消減量達到了30%以上。

3）天然基質(zhì)保溫覆蓋、冰下折流取水-高水位調(diào)控技術(shù)措施，可將冰下水溫維持在2～3 ℃，有益于進一步發(fā)揮冰下耐低溫植物/微生物的污染物去除能力，提高濕地系統(tǒng)出水效果。

4）技術(shù)研究成果綜合應用于官廳八號橋仿自然濕地，實現(xiàn)了低溫濕地對COD、TN、TP、氨氮平均去除率分別為22.64%、47.78%、51.67%、21.58%，相比較傳統(tǒng)表流濕地，取得了良好的技術(shù)增量。