人工濕地技術在磁湖水體修復中的可行性研究

■周 瑋，朱 鵬 ■武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430073

1 引言

湖泊是地表水載體，城市內湖作為“城市之腎”，對凈化城市水源具有重要的作用。據統計，我國75%的湖泊、90%的城市河流和50%的地下水都受到不同程度的污染。［1］中心城區內湖泊富營養化問題日趨嚴重，主要表現在湖泊萎縮、水量銳減、水質惡化(多為V 類甚至劣V 類)、景觀效果嚴重削弱等。

黃石市境內湖泊眾多，僅中心城區就擁有磁湖、青山湖兩大天然湖泊，形成“半城山色半城湖”的獨特景觀。其中磁湖是黃石市城區最主要水體，被列為湖北省的環保重點區域，以其命名的磁湖風景區是省級風景名勝區。黃石在國內較早開始現代工業化進程。在建國初期，鋼鐵、水泥就已經成為2 大支柱產業。［2］進入21 世紀后，黃石的工業化進程更加迅速，工業廢水也急劇增加。人口的增加、商業的繁榮使得居民生活污水排放量也急劇增加。2009 年3 月，黃石市被確定為中國資源枯竭型城市，城市轉型發展迫在眉睫。然而磁湖水環境的逐漸嚴重制約了黃石市的發展轉型，因此改善磁湖的水質污染問題具有重大意義。

磁湖作為城區內湖具有相對封閉的景觀、周邊建筑密度與人口密度都較大、工程用地極少、湖內的淤積嚴重，因此采取以湖內水生植被恢復與水生態系統重建為核心、以湖濱生態工程為主的工程措施來有效的改善水質是最優措施。

2 磁湖的基本情況

2.1 磁湖的污染概況

磁湖的面積為10.5km2，平均水深1.75m，平水期湖泊容積為1748萬m3，具有水淺、流動性差、底泥污染嚴重等城市淺水型湖泊的共同特點。［3］根據水環境功能區劃，磁湖的使用功能為觀光游覽、防洪調蓄、生態調節、水上運動，屬Ⅲ類水體。磁湖綜合水質為V 類，現已不能達到相應水質要求。超標項目有總磷、總氮、溶解氧、石油類、和五日生化需氧量等五項，其中總磷、五日生化需氧量的超標率分別為100%、85.7%，湖水水質呈現中度富營養化，具體的水污染物濃度見表1(1 號監測點為理工學院對面湖區、2 號監測點為李家坊立交橋下的湖區、3 號監測點為桂花廣場湖區、4 號監測點為團城山公園湖區、5 號為泉塘湖區)。鑒于水體污染情況嚴重，且湖體位于市中心，湖水的水質情況會直接影響城市的生態景觀，甚至會影響人們的生活質量，所以現在解決水體污染問題是政府部門及環境保護部門的首要任務。

表1 2013年磁湖各監測點污染濃度現狀值

2.2 磁湖水環境存在的主要環境問題

2.2.1 水體污染嚴重

由于黃石市市區人口增加，消費水平提高，無形之中增加了生活廢水的復雜程度。并且重工業發展較快，工業廢水中重金屬含量較高。再者污水處理廠處理水平有限，嚴重影響了出水水質，處理未達標的工業廢水、生活污水和雨水徑流直接入湖，導致湖泊污染日趨嚴重。［4］

2.2.2 湖泊面積縮小，防洪調蓄能力變小

磁湖位于城市中心地帶，為了便利交通在湖中心地帶填出一條路(杭州路)把湖一分兩半，減小湖泊面積，嚴重地影響了磁湖原有的穩定性及水體的自凈能力。近年人們圍湖用于養魚種植的行為日漸增多，對湖泊的蓄水能力影響很大。加之近年洪澇災害情況頻繁，極洪致澇使得湖泊的部分區域接近干涸。

2.2.3 過度使用水資源，水環境容量變小，水體自身的自凈能力變弱

由于20 世紀80 年代黃石市大力發展鋼鐵行業，大量的不達標甚至未處理的工業廢水、生活污水和地表徑流雨水進入湖泊，完全超出了磁湖自有的水環境容量，磁湖水體已經喪失了納污能力。惡劣的水環境導致許多生物在湖中無法生存，降低了湖泊生態系統的生物多樣性。

3 人工濕地技術的簡介

3.1 人工濕地的概念

人工濕地是模擬自然濕地的人工生態系統，它是一種由人工建造和監督控制的類似沼澤的地面，利用生態系統中的物理、化學和生物的三重協同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的高效凈化。人工濕地作為一種常用的生態處理技術，具有效率高、投資及能耗低、維護簡單的特點，可以適應低濃度污染物去除的要求，將人工濕地處理系統作為常規生物處理工藝的補充，能夠最大限度地削減受納水體的污染物負荷。

絕大多數人工濕地是由三個部分構成的:(1)透水性基質:選擇礫石、沸石、卵石、石灰石、土壤等基質，分級填配;(2)適于在飽和水和厭氧機制中生長的濕地植物:成活率高、處理性能好、抗水性強、根系發達、生長周期長、美觀及具有經濟價值的水生植物，如蘆葦、茳芏等;(3)微生物:微生物是降解水體中的微生物的主力軍，好樣微生物將污水中的有機物氧化成二氧化碳和水，厭氧細菌將水體中的污染物質分解成二氧化碳和甲烷。

3.2 人工濕地主要污染物凈化原理

3.2.1 BOD5 的去除

主要靠微生物的吸附與代謝作用，微生物將污水中的一部分有機物合成新的細胞，另一部分有機物分解后被微生物細胞合成自身生長所需的能量，其最終產物是CO2 和H2O 等穩定物質，所以人工濕地對BOD5 的去除率較高，可達85%～95%。

3.2.2 TP 的去除

人工濕地對磷的去除是通過微生物的積累、植物的吸收和碎石床的物理化學等幾方面的協調作用共同完成的。無機磷被植物吸收并同化合成ATP、DNA 和RNA 等有機成分，另外濕地中存在的微生物也能同化吸收磷，將其合成微生物生長所必須的成分。一般情況下，人工濕地對TP 的去除率達70%～80%。

3.2.3 TN 的去除

污水中的氮一般以有機氮和氨氮形式存在，有機氮在人工濕地系統中被異養微生物首先轉化為氨氮，而氨氮在硝化菌的作用下被轉化為無機的亞硝態氮和硝態氮，而后一部分可被植物吸收，另一部分在厭氧條件下，通過反硝化菌的作用從系統中溢出。高水力負荷、水力同流時間短的人工濕地系統，一般沒有厭氧條件，所以相當一部分氮仍留在系統水中。所以，人工濕地去除TN 能力不高，一般為30%～50%。

3.3 人工濕地的分類

人工濕地按污水在濕地床中流動的方式可分為地表流人工濕地、潛流人工濕地。

地表流人工濕地在地表濕地系統中，污水在濕地的表面流動，水位較淺，多在0.1～0.6m，其與自然濕地最為接近，污水中的絕大部分有機物的去除是由長在植物水下莖稈的生物膜來完成，這種濕地不能充分利用填料及豐富的植物根系，易孳生蚊蠅。在冬季或北方地區易發生表面結冰問題及系統的處理效果受溫差變化影響大的問題，因而在實際工程中應用較少。

在潛流人工濕地中，污水在濕地床的內部流動，可以充分利用填料表面生長的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料截流等的作用，以提高其處理效果，潛流人工濕地可以處理較高負荷的廢水。在潛流濕地系統的運行過程中，污水經配水系統在濕地的一端均勻地進入填料床植物的根區，水位保持在基質表面之下。濕地植物具有非常發達的根系，可以深入到土表以下的0.6～0.7m 的礫石層中，并交織成網與礫石一起構成一個透水性良好的系統。一般情況下，這種人工濕地的出水水質優于傳統的二級生物處理。

潛流系統又可設計為平流或垂直流。水平潛流人工濕地的水力負荷高，對BOD、COD、SS、重金屬等污染物的去除效果好，且很少有惡臭和孳生蚊蠅現象，是日前國際上較多研究和應用的一種濕地處理系統。垂直流人工濕地中污水從濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態，氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統，該系統的硝化能力高于水平潛流濕地，可用于處理氨氮含量較高的污水。其缺點是對有機物的去除能力不如水平潛流人工濕地系統。

通過分析各種人工濕地的優缺點以及磁湖水體有機物含量高的特點，選用水平潛流人工濕地作為本文探討的人工濕地系統。對于潛流人工濕地，其長寬比應控制在3:1 以下，大多為1:1。濕地的長度一般為20～50m，長度過長以造成濕地床中的死區，而且會使水位調節變得困難，不利于植物的栽培。目前人工濕地水力負荷在0.2～0.5m3/(m2.d)。

3.4 人工濕地實際應用案例

武漢漢陽區桃花島示范區采用水平潛流人工濕地，對桃花島區域地表徑流及墨水湖湖水進行處理。水平潛流人工濕地對各污染物的去除率分別為(%):COD、60.7～64.8;TP、73.4～75.6;TN、43.2～48.4;BOD5，58.6～60.8;NH3 -N，50.2～53.9。

4 磁湖人工濕地生態修復模式探討

本次可行性研究中選用水平潛流人工濕地系統作為凈化湖泊水體的主要生態修復模式。人工濕地的設計流量為Q=10000m3/d，處理目標達到III 類水質標準。處理工藝流程為:水循環系統抽取湖水→布水系統→一級生物處理池→一級碎石床→二級生物池→二級碎石床→出水進入磁湖。由于磁湖的南半湖水質較北半湖較差，故把人工濕地的地點選在南半湖李家坊附近。

平面流人工濕地參數:濕地面積由As=5.2Q(In{So-Se})計算得出(4)。其中As 為濕地床表面積(m2);Q 為濕地系統的設計流量(m3/d);So、Se 分別為BOD5 的進、出口濃度(mg/L)。

人工濕地填料要求通透性好、比表面積大，具有較好的吸附能力，增加對各種有機物的吸收，以及為各種微生物提供更多的繁殖空間。通常可選取土壤、碎石、礫石、煤塊、細沙、粗砂等一種或幾種的混合物作為人工濕地系統的填料。

人工濕地的植物在人工濕地系統中占重要的地位，植物可直接吸收利用污水中的污染物作為供自身生長的營養物質;同時可通過光合作用為根區的好氧微生物輸送氧氣;此外還能與周圍環境的原生動物、微生物等形成各種小環境，增強和維持介質的水力傳輸。潛流型人工濕地中使用的植物主要有香蒲、蘆葦、燈芯草等。人工濕地剖面圖如圖1:

圖1 潛流人工濕地刨面圖

根據前述公式，代入BOD5 進、出水濃度分別為6.107mg/L、4mg/L(地表水Ⅲ類水體限值)，得出人工濕地系統總面積為38753.79m2，為便于設計取40000m2，則人工濕地水力負荷約為0.25m3/(m2.d)。湖泊的容積為1748 萬m3，即完全凈化一遍湖泊水體需58 個月，考慮到工程布置方便、有利于景觀設計、便于調度運行，采用8 個5000m2的人工濕地系統單元組合，每個5000m2的人工濕地單元設計參數如表2:

表2 人工濕地單元設計參數

人工濕地隔水墻采用M6.5 水泥砂漿砌塊石，集水池采用M6.5 水泥砂漿砌筑，用1:2 水泥砂漿抹縫。生物塘和植物碎石床底部鋪設GCL 防水墊，上覆300mm 填土保護層，并采用人工壓實。碎石回填碎石粒徑要求為一級碎石:長90mm，寬50mm;二級碎石床:長60mm，寬40mm。湖水通過水循環系統經過人工濕地系統出水預測濃度可達到地表水環境質量標準Ⅲ類標準限值。磁湖人工濕地預期運行效果如表3 所示:

表3 磁湖人工濕地運行效果

根據桃花島人工濕地對各種污染物的去除率，可以得出擬建立的磁湖人工濕地對磁湖湖水進行處理可以達到地表水環境質量標準(GB3838 -2002)中III 類水體對各種污染物的濃度限值。

5 結論

磁湖水體綜合水質為V 類水體，水體呈中度富營養化，鑒于磁湖所處的地理位置及其周邊環境可建立人工濕地以改善此現狀并增強湖泊的景觀功能。通過比較地表流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直流人工濕地的優缺點，選用去除有機物效果較好的平流潛流人工濕地作為此次可行性研究的濕地模型。擬建立40000m2的潛流人工濕地對湖水進行循環凈化，每天可凈化10000m2湖水，湖水經過人工濕地的物理、化學、生物三重協調作用之后，出水各污染物濃度均可達到地表水環境質量Ⅲ類水質標準限值。

［1］侯新.基于景觀的水體生態修復模式設計——以重慶市內子口水庫為例［J］.南方農業學報，2012，43(7):995 -999.

［2］黃石市城市污水專項規劃(2008 -2020).

［3］肖文勝，秦永宏，蓋希光，郭建林.引江入湖修復城市內湖生態環境—以磁湖為例［J］.環境科學與技術，2009(11).

［4］年夫喜，孫國榮，張祥菊.黃石市磁湖水生態系統保護與修復的初步研究［J］.水利建設與管理，2011(9).