黑土洼生態濕地系統并聯工藝污染物處理技術研究

邢乃春 陳 雷

（1.江河水利水電咨詢中心 北京 100120；2.水利部水利水電規劃設計總院 北京 100120）

1 引言

黑土洼濕地位于官廳水庫庫北、永定河入庫口附近，是為研究采用人工濕地系統處理官廳水庫上游微污染水體而設計。整個工藝流程分兩大步，第一步為表流濕地、植物塘及礫石透水堤的串聯工藝，第二步為砂介質垂流濕地、原地回填土垂流濕地、水平流滲濾壩等三種并聯工藝，第一步與第二步串聯，出水最終均進入官廳水庫。

本文主要對黑土洼濕地結構中的并聯工藝的設計特點、運行操作方法、處理工藝、效果及處理機理進行研究分析。研究成果對于如何充分利用污水處理廠的退水河道對微污染水進行進一步的處理和利用生態方法進行河道治理具有積極的意義。

2 試驗材料

垂直砂濾系統床體和水平砂濾壩系統的壩芯分別鋪設和填充取自當地河灘的卵、礫石和水洗粗砂。復合濕地系統的進水口安裝有控制閥門和量水堰，出水口也有量水堰以及高度可調的出水管，用于控制出水水位。

3 工藝設計

為了充分利用永定河周邊大量的河灘地，參考國內外一些實際工程實踐，本文設計的濕地并聯結構為垂直流砂濾系統＋垂直土壤滲濾系統＋水平砂質滲濾壩系統。平面布置見圖1。

圖1 垂流及水平流滲濾壩區平面布置圖

圖中：（1）為砂介質垂流濕地區，（2）為原地回填土垂流濕地區，（3）為水平流滲濾壩區

3.1 砂介質垂流濕地

垂流濕地一直就是眾多學者研究的熱點。在官廳水庫入庫口，代明利等人在官廳水庫永定河入庫口處進行了垂流式人工濕地對入庫河水的凈化試驗，結果表明，在滲濾時間＜1h時垂流人工濕地對河水就有較好的凈化效果 （對有機污染物和NH4＋－N的去除率都能達到80%左右，對TN和TP的去除率為40%左右）。

該類濕地一般介質較細，處理效果良好，但若沒有前處理，則比較容易淤堵。

根據垂直流濕地的特點，為了揚長避短，本試驗中采用的床體介質為直徑0.06～2mm的水洗粗砂。另外，滲濾系統的前端植物塘系統有利于攔截和沉淀水體中大部分顆粒較大的固體顆粒，減少了滲濾系統的堵塞幾率，從而延長了滲濾系統的持續工作時間。

垂直砂濾系統、直徑為10～25mm的卵礫石，其中布設直徑為160mm的集水花管，用于收集和外排經過滲濾系統處理的水體。在卵礫石層上面是砂濾系統的主要滲濾介質：直徑0.06～2mm的粗砂，厚度為81cm。砂濾介質上種植蘆葦，蘆葦成熟后的根系在砂濾介質中縱橫交錯，有助于疏松砂介質，水體可通過根系周圍的空隙輸送到集水層，從而在一定程度上減少了砂介質堵塞的可能性。

垂流及水平流區的設計處理水量為0.019m3／s。其中砂介質垂流濕地的面積為175.5m2，水力負荷為7.7m／d，設計處理量為0.00759m3／s。圖2－8為砂介質垂流濕地的縱剖面圖，圖2為施工完成后的實際情況。

圖2 砂介質垂流濕地縱剖面圖

3.2 原地回填土垂流濕地

在工程原址進行土壤回填，利用土壤滲濾系統來處理污染物。土壤處理系統對污水的凈化機制是，污水在包氣帶及潛水層流動時，借助于發生在土壤和淺部含水層中的物理、化學和生物作用，使污染物通過吸附、微生物降解、沉淀及其它化學反應去除，最終達到污水凈化的目的。土壤含水層對有機物和氨氮的去除可以不斷的進行下去，土壤含水層相當于一個由好氧、缺氧、厭氧組合的生物反應器。為了進一步研究土壤處理系統的凈化效果，在本試驗工程中設計了一種土壤垂直滲濾濕地系統。該人工濕地的土層取自原河道附近灘地，濕地面積為60m2，水力負荷為2.5m／d。

原地土樣顆粒級配分析及化學分析結果見表1和表2。圖3為原地回填土垂流濕地縱斷面。

表1 土樣顆粒級配分析表

Cu＝5.2，Cc＝0.7，滲透系數為1.34×10－6m／s。

表2 土樣的化學分析結果如下表

圖3 原地回填土垂流濕地縱斷面

3.3 滲濾壩

滲濾壩是由中德雙方共同設計的一種獨特的滲濾結構，主要利用系統內外的水頭差異，形成水平滲濾。滲濾壩系統內外部邊坡為分別為1∶2和1∶3，壩芯為不同級配的滲濾料，下游50cm厚的卵礫石護坡。在滲濾初始階段，主要利用濾料的吸附性能，經過長時間的凈化處理，將在濾料表面形成生物膜，經國內外有關試驗研究結果表明，該生物膜能夠有效去除污染物。

滲濾壩濾料的材料特性為：

d10＝0.224mm，d60＝0.447mm，U＝2，滲透系數為5×10－4m／s滲濾壩頂寬度為3.5m，滲濾壩長15m，設計上游水深1.1m，上下游水頭差為64～120cm，停留時間為1.5h－1h，設計處理水量，0.0016m3／s，水力負荷，9.6m／d。圖4為滲濾壩的橫斷面圖。

圖4 滲濾壩橫斷面

3.4 濕地系統運行參數設計

采用連續進水的方式，濕地系統的總進水量765.5m3／d。三種滲濾系統的設計處理水量為0.014m3／s。 其 中 砂 介 質 垂 流 濕 地 的 面 積 為175.5m2，水 力 負 荷 為 7.7m／d，設 計 處 理 量 為0.008593／s；土壤滲濾系統濕地面積為60m2，水力負荷為2.5m／d，設計處理量為0.00342；砂濾壩水平滲濾系統的水力負荷9.6m／d，設計處理水量，0.00163／s。

4 試驗結果與分析

分析測定方法參照《水和廢水監測分析方法》（國家環保局《水和廢水監測分析方法》編委會，1989），數據分析用 Microsoft Excel對數據進行方差和圖表分析。

該試驗從6月份開始，試驗運行正常。期間在11月5日對砂介質垂流濕地的上層板結濾料進行了松翻，松翻深度在20～40cm，松翻后出水流量有所增大。為了提高測流精度，在松翻土的同時，將矩形測流堰改造成三角形堰。

4.1 水量分析

由于在本監測期內項目區沒有大的降雨，因此水量計算不考慮降雨。

2005年8月30日開始對水量進行監測，到11月7期間的監測結果見圖5。

圖5 8－30～11－7的水量監測數據分析

由圖3－1的數據可知，總處理水量呈逐漸減小的趨勢，并且在濕地運行初期（前兩周內）處理水量減小的速度比較塊，主要原因是砂介質垂流濕地及原地回填土垂流濕地逐漸淤堵，但在11月5日對砂介質垂流濕地的上層板結濾料進行了松翻后，其出水量明顯增大，大約兩周后又恢復到松翻前的出水流量。

滲濾壩的出水水量比較恒定，也不發生淤堵，但出水流量偏小，平均為13／h。

總進水量一般大于總出水量，平均減少15%左右，這比設計水量減少10%要高。水量損失的主要因素為：植物蒸騰、水面蒸發、滲漏地下。上圖顯示，隨氣溫的降低，蒸發、植物蒸騰減弱，冬季的進出水量差值要小于夏季與秋季。

4.2 水質分析

砂介質垂流濕地、原狀回填土垂流濕地、滲濾壩等三種處理工藝并聯運行。

砂介質垂流濕地的實際運行水力負荷為1.03m／d，停留時間約為1d，遠小于設計水力負荷7.7m／d，主要原因：（1）所選中細砂的粒徑偏小，導致濾層上部容易淤堵，減小了滲透系數；（2）實際平均運行水頭在60cm，也要小于設計運行水頭100cm。

原狀回填土垂流濕地的實際運行水力負荷為1.92m／d，與設計水力負荷為2.5m／d比較接近，主要原因是原地回填土的砂性比較強，另外在施工回填時，并沒有采取夯實措施，浸水后下層可能會產生孔洞。

滲濾壩的實際上下游運行水位差平均為0.75m，長15m，則實際平均運行水力負荷為2.13m／d，也小于設計值9.6m／d，主要原因是所選中細砂的粒徑偏小，雖然沒有淤堵，但實際的滲透系數也要小于設計期望值，另外平均水位差也較設計水位差小，減小了處理的水力負荷。

上述水力負荷均比設計期望值小，除上述分析的原因外，進水、出水缺乏水力控制，也無法根據需要來調節水力負荷。在以后的設計中，要注意略微增大濾料粒徑，在實際運行中，應通過進水及出水流量控制結構來控制來調節水力負荷。試驗結果見圖6。

圖6 三種滲濾工藝TN去除效果對比

圖7 三種滲濾工藝TP去除效果對比

砂介質垂流濕地、原狀回填土垂流濕地、滲濾壩三種處理對TN的平均去除率分別為：35.8%、37.4%和58.8%。

砂介質垂流濕地、原狀回填土垂流濕地、滲濾壩三種處理對 TP的平均去除率分別為：28.1%、22.0%和53.7%。

圖8 三種滲濾工藝CODMn去除效果對比

砂介質垂流濕地、原狀回填土垂流濕地、滲濾壩三種處理對CODMn的平均去除率分別為：29.3%、11.7%和41.3%。

圖9 三種滲濾工藝SS去除效果對比

砂介質垂流濕地、原狀回填土垂流濕地、滲濾壩三種處理對SS的平均去除率分別為：47.6%、53.7%和57.3%。

由此可見，滲濾壩對污染物的去除效果要優于其它兩種處理，出水基本能達到地表水Ⅱ～Ⅲ類出水標準。

砂介質垂流濕地、原狀回填土垂流濕地對污染物的去除效果比較接近，基本都能將超Ⅴ類水體凈化成Ⅲ～Ⅳ類水體，砂介質垂流濕地略好于原狀回填土垂流濕地。

4.3 人工濕地的可持續運作能力

本人工濕地的末端并聯工藝采用的是三種不同的垂直和水平滲濾系統，存在著床體堵塞的問題。這就很大程度上影響了人工濕地工程的可持續運作能力。

造成床體基質堵塞的原因就是滲濾介質的厚度、顆粒級配以及有機質的積累等。相關研究表明，垂流人工濕地在運行兩年后，污水各項指標處理效率比運行頭年明顯降低，其中CODMn和NH4＋－N的去除率低十個百分點以上。

一般來說，有機物積累主要在基質上層。導致積累的原因可以歸納為一下幾點：

（1）床體基質對污水中有機物的吸附積累；

（2）床體覆土對植物碎屑的消納，藻類的生長導致表層有機物結殼；

（3）植物密度大，植物根系的大量生長和死亡殘留有機物的積累以及植物根系分泌有機碳造成積累。

有機物積累一旦發生，基質空隙度減小，將影響人工濕地的水力傳導性，進而影響了人工濕地的水力負荷，從而導致去除率的下降。因此，針對有機物積累的原因，可以采取相應的措施來改善這種狀況。人工濕地覆土厚度可以減少甚至不覆土，加強維護和管理，適當對表層進行翻松等。

5 結論

濕地采用持續供水方式，由于濕地末端的砂介質垂直流濕地的表層出現了輕微堵塞，在水量監測期間濕地出水量有下降的趨勢。后經過對表層介質進行松翻，處理量有所恢復。其中滲濾壩的出水水量比較恒定，也不發生淤堵，但出水流量偏小，平均為1m3／h。

濕地并聯工藝中砂介質垂直流濕地、土壤滲濾系統、水平滲濾壩對總氮的平均去除率分別為：35.8%、37.4%和58.8%；對總磷的平均去除率分別為：28.1%、22.0%和53.7%；對 CODMn的平均去除率分別為：29.3%、11.7%和41.3%；對 SS的平均去除率分別為：47.6%、53.7%和57.3%。

1 國家環保局 .水和廢水監測分析方法（第三版）.中國環境出版社，1989

2 崔玉波，李相猛，趙可 .潛流人工濕地廢水處理技術的效能 .吉林建筑工程學院學報，2002，19（2）：7～10

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