關(guān)于濕地凈化系統(tǒng)提升水質(zhì)能力的分析

吳華崗 吳 杰 趙 燦

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707)

1 研究背景

上海農(nóng)場生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園內(nèi)湖區(qū)位于江蘇省鹽城市大豐區(qū)中北部地區(qū)。由于湖區(qū)外界水體水質(zhì)長期屬于地表水Ⅴ類甚至劣Ⅴ類水體，而湖區(qū)水體全部引自外界，使得湖區(qū)水質(zhì)無法滿足生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園水景觀標(biāo)準(zhǔn)。為提高湖區(qū)水質(zhì)并保證其長期穩(wěn)定，同時增強水體透明度，利用園區(qū)內(nèi)原引水河道構(gòu)建濕地凈化系統(tǒng)，使出水水質(zhì)中溶解氧、氨氮、總磷等指標(biāo)達到地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，同時透明度達到1.5m以上。

2 水質(zhì)現(xiàn)狀

利用提升泵將河水提升進入濕地，利用水生植物的吸收、同化和攔截作用，以及濕地自身的沉降功能，降低水體中有機物和固體懸浮物含量，逐級凈化后流入湖區(qū)，從而達到提升湖區(qū)水質(zhì)的目的，滿足湖區(qū)的生態(tài)水景觀要求。濕地凈化系統(tǒng)內(nèi)種植適應(yīng)鹽城地區(qū)自然條件、水質(zhì)凈化功能強以及具有一定觀賞性的植被，并對植被群落進行合理空間布局，為鳥類和水生動物等提供適宜的生存空間，使其形成具有生物多樣性以及恢復(fù)力強、穩(wěn)定性高、食物鏈完整的生態(tài)系統(tǒng)，從而形成優(yōu)美的自然生態(tài)景觀[1]。

為全面客觀地了解湖區(qū)以及外界水體的水質(zhì)狀況，進行了全面細致的現(xiàn)場調(diào)查和水質(zhì)采樣監(jiān)測。現(xiàn)場觀測結(jié)果表明水體濁度較高，呈混黃色，感官效果不佳。根據(jù)水系分布、水流方向、道路以及兩岸建設(shè)情況等特征，設(shè)置3個采樣點，對水質(zhì)進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表1。并按照河道黑臭水體評價方法和單因子評價法進行綜合分析，結(jié)果表明3個采樣點水體水質(zhì)為地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，局部因溶解氧含量過低，呈輕度黑臭。

表1 水體水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

3 濕地凈化系統(tǒng)模型

根據(jù)現(xiàn)狀水系特點，將原引水河道構(gòu)建成濕地凈化系統(tǒng)模型。模型主要包括提升泵、生物強化沉淀塘、梯級表流濕地以及生態(tài)溢流堰等。濕地凈化系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 濕地凈化系統(tǒng)流程

3.1 進水系統(tǒng)

為保證濕地凈化系統(tǒng)有充分的水力停留時間，發(fā)揮其消減污染負荷和降低固體懸浮物含量的作用，必須對進水水量進行控制，結(jié)合湖區(qū)的容積和園區(qū)的工作時間，確定濕地凈化系統(tǒng)負荷按3000m3/d計算，提升泵采用2臺，1用1備，單泵流量0.1m3/s。

3.2 生物強化沉淀塘

外界水體中含有大量固體懸浮物，直接進入梯級表流濕地，勢必影響其正常運行，縮短其使用壽命，故在梯級表流濕地前端設(shè)置生物強化沉淀塘，塘內(nèi)種植莖葉發(fā)達、根系濃密的浮葉植物，充分發(fā)揮植物的吸附助凝和生物降解作用，可以降解部分有機物和沉淀固體懸浮物，從而降低梯級表流濕地的運行負荷。為強化沉淀塘凈化效果，塘內(nèi)布設(shè)兩個生態(tài)浮床，單體浮床呈內(nèi)方外圓狀，面積為12m2，浮床中部方形區(qū)域種植西伯利亞鳶尾等挺水植物，外圍圓形區(qū)域種植銅錢草等浮水植物。生物強化沉淀塘總面積為125m2，有效水容積為150m3，以進水量3000m3/d計算，水體停留時間約1.2h[2]。

3.3 梯級表流濕地

梯級表流濕地由挺水植物和沉水植物所搭配的雙層鑲嵌狀配置模式構(gòu)建而成，最大程度地利用不同類型水生植物的生態(tài)特性，達到增加水生植物生物量的同時，提高水體水質(zhì)的效果。為保證表流濕地布水均勻及有效避免死水區(qū)，濕地系統(tǒng)設(shè)置4座溢流堰，將表流濕地分為3個梯級，每級間通過生態(tài)溢流堰控制水位，每級高差0.1m，從而形成跌水景觀效果，同時在每級濕地內(nèi)部設(shè)置3條導(dǎo)流埂，起到穩(wěn)定水位和二次布水的作用。

在表流濕地植物物種的選擇上，挺水植物宜選擇鄉(xiāng)土物種，如蓮藕、蓬蓮、茨菇等可食用植物；沉水植物宜選擇弱光性、耐寒的物種，如伊樂藻，伊樂藻作為一種適口性較好的植物，是極佳的魚蟹飼料，既可用于喂養(yǎng)濕地系統(tǒng)內(nèi)水生動物，如蟹、蝦、小雜魚等，也可作為附近魚塘的天然飼養(yǎng)，以減輕魚塘養(yǎng)殖過程中的人工飼料投放量，進而從源頭上控制水體中氨氮、總磷的含量[3]。

3.4 生態(tài)溢流堰

生態(tài)溢流堰屬于濕地凈化系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部放置生物填料，水體與填料接觸過程中，有機物會被微生物同化并在填料表面形成生物膜，生物膜吸附水體中的氨氮和磷，再由外側(cè)的好氧微生物將其分解，從而降低水體中有機物、氨氮、總磷的含量。另外生態(tài)溢流堰不僅可以穩(wěn)定濕地系統(tǒng)的水位，保證布水均勻，還可以在跌水過程中起到增氧的作用。

4 凈化能力計算分析

水力停留時間(HRT)是濕地凈化系統(tǒng)設(shè)計中的一項重要參數(shù)。停留時間過短會增強濕地系統(tǒng)水力負荷，凈化作用無法充分發(fā)揮；停留時間過長則會造成凈化作用效率低，致使資源浪費。因此，對濕地凈化系統(tǒng)水力停留時間(HRT)的控制尤為關(guān)鍵。參考相關(guān)研究成果，水力停留時間(HRT)一般控制在10h以上[4]。

4.1 水力停留時間計算

4.1.1 濕地表面積

濕地表面積的計算公式為

As=(Qw(lnCo-lnCe))/(Ktdn)

(1)

Kt=K20×1.1(T-20)

(2)

式中：As為濕地面積，m2；Q為設(shè)計流量，m3/d，按3000m3/d計；w為沉降速率，取0.2；Co為進水SS含量，按26mg/L計；Ce為出水SS含量，按10mg/L計；d為介質(zhì)深度,取0.12m；n為介質(zhì)孔隙度，取0.25；Kt為與溫度相關(guān)的速率常數(shù)；K20為溫度為20℃時的反應(yīng)速率系數(shù)，取1.014；T為全年平均溫度，取25℃。

經(jīng)計算，表流濕地面積為3425m2。

4.1.2 水力停留時間

水力停留時間的計算公式為

HRT=V0/Q

(3)

V0=Ash

(4)

式中：V0為有效水容積，m3；Q為設(shè)計流量，m3/d；HRT為水力停留時間，h。

其中表流濕地水深h為0.4m，濕地面積As為3425m2；有效水容積V0為1370m3；設(shè)計流量Q為3000m3/d；水力停留時間HRT計算得10.96h，按11h控制，符合HRT≥10h的要求。

4.2 透明度分析

水力負荷的計算公式為

HLR=Q/As

(5)

式中：HLR為水力負荷，m/h；Q為設(shè)計流量，按3000m3/d計；As為濕地面積，按3425m2計。

經(jīng)計算可得水力負荷HLR為0.036m/h。

根據(jù)類似工程經(jīng)驗進行復(fù)核，以無錫城北污水處理廠人工濕地實際處理分析，該濕地于2008年建成，進水水質(zhì)為一級B標(biāo)準(zhǔn)，水力負荷為0.18m/h，2011年同濟大學(xué)對其處理能力進行復(fù)核監(jiān)測時，濕地出水透明度達1.5m以上，清澈見底。經(jīng)對比，其進水水質(zhì)遠遠劣于本濕地進水水質(zhì)，其水力負荷遠高于本濕地水力負荷，故本濕地水體透明度達到1.5m完全可行。

4.3 出水水質(zhì)分析

無錫城北污水處理廠人工濕地溶解氧的提升率為80%，氨氮的去除率為45%，總磷的去除率為70%。參考以上標(biāo)準(zhǔn)，本次濕地凈化系統(tǒng)出水水質(zhì)中溶解氧、氨氮、總磷指標(biāo)分別為4.72mg/L、0.28mg/L、0.069mg/L，符合地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 濕地凈化系統(tǒng)出水指標(biāo)

5 維護管理措施

濕地凈化系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)是成功與否的關(guān)鍵，而后期的維護管理則決定著濕地凈化系統(tǒng)能否長期良好運行。維護管理措施不到位，勢必影響出水水質(zhì)，所以為保證濕地凈化系統(tǒng)的健康、完整、有序運行，加強后期的維護管理，其重要性不言而喻。濕地凈化系統(tǒng)的維護管理措施主要有以下幾方面。

5.1 水生植物

水生植物的維護管理措施主要包括枯萎植株收割、死亡植株補種、植物花(果實)的管理養(yǎng)護以及對病蟲害、外來物種入侵的防治。一般情況下，水生植物收割后會被直接運走，與其他垃圾混合處理，造成部分資源的浪費。為達到資源再利用的目的，建議參考以下方式進行處置：

a.局部水生植物不收割，轉(zhuǎn)化為濕地自身有機碳，發(fā)揮藍碳效應(yīng)并促進降氮作用。

b.收割后的植物堆積成草垛，投放到引鳥區(qū)，形成人工植物島。

c.經(jīng)粉碎等簡易處理后翻耕到濕地土壤表層。

d.作為稻田或耕地的堆肥，另外比較堅硬的挺水植物可作為造紙的原料。

5.2 水生動物

水生植物是生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者，水生動物是生態(tài)系統(tǒng)的消費者，底棲動物和蝦類則是生態(tài)系統(tǒng)的分解者。對于水生動物，要定期觀測魚的種類和數(shù)量，杜絕外來物種入侵，破壞生態(tài)平衡，如發(fā)現(xiàn)水面漂浮死魚、死蝦，應(yīng)及時處理，避免疾病傳播。而底棲動物主要攝食藻類，分泌促絮凝物質(zhì)，使水中懸浮物質(zhì)絮凝，促使水體變清。另外蝦類可以攝食落葉、水草等形成的有機碎屑以及水生動物的糞便、尸體等形成的有機物質(zhì)，同樣起到凈化水質(zhì)的作用[5]。

5.3 生態(tài)浮床

生態(tài)浮床應(yīng)定期巡檢，檢查是否存在破損和松散的情況，尤其鏈接扣等部位應(yīng)著重檢查是否掉落。如浮島周圍存在雜草或垃圾，應(yīng)及時清除；若部分構(gòu)件因老化損壞，或者受外界因素撞擊以及人為因素損壞時，應(yīng)根據(jù)損壞程度和部位進行修復(fù)或更換，同時在相應(yīng)的位置補種水生植物。

6 結(jié) 語

通過分析現(xiàn)狀水體水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，計算出水力停留時間和水力負荷的同時，參考相關(guān)研究成果和無錫城北污水處理廠人工濕地的成功案例，得出結(jié)論：本濕地凈化系統(tǒng)的出水水質(zhì)中溶解氧、氨氮、總磷等指標(biāo)可以達到地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，透明度可達到1.5m以上，滿足水質(zhì)目標(biāo)。但還需加強后期的養(yǎng)護與管理，為其保駕護航，以達到長期穩(wěn)定的目的，從而滿足園區(qū)的生態(tài)水景觀的要求。