湖泊旁路人工濕地處理系統(tǒng)設計實例

陳媛媛，鄭 晨，孫慧玉

(武漢中科水生環(huán)境工程股份有限公司，湖北 武漢 430074)

1 引言

人工濕地是指用人工筑成水池或溝槽，底面鋪設防滲漏隔水層，充填一定深度的基質(zhì)層，種植水生植物，利用基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用使污水得到凈化[1]。人工濕地具有成本低、運轉(zhuǎn)維護方便、運行費用低、氮磷去除能力強、對負荷變化適應性強，以及兼具美學價值等優(yōu)點[2]。目前，人工濕地已在發(fā)達國家得到廣泛的應用，主要用于處理來自化糞池、養(yǎng)殖場、造紙廠、油田、煤礦、富營養(yǎng)化湖泊以及城市生活污水等[2]。

2 項目概況

武漢市某湖泊面積239.1 hm2，藍線長度9.4 km，容積399.6萬m2，主要水域功能為雨水調(diào)蓄，水域功能劃分為地表水V類標準，現(xiàn)狀水質(zhì)為地表水V類標準，呈中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。該湖泊常水位18.65 m，藍線對應最高水位19.15 m，平均水深1.7 m，最大水深2.3 m。

根據(jù)調(diào)查，該湖泊周圍共有26個排水口，其中有污水排口4個，雨污混合排放口4個，雨水排口18個。區(qū)域排水現(xiàn)狀以雨污分流為主，但還是存在污水管線與雨水管線的錯接、亂接和漏接現(xiàn)象，導致部分排口存在雨污混排的現(xiàn)象。針對排口污染問題，已對該湖泊周邊排口按照雨水排口、合流排口、污水排口進行分類，對不同類型的排口，采取了不同的工程措施進行治理。但由于湖泊上游有些渠道連通性受阻，水體流動性差，且生長著大量如水葫蘆、蓮、浮萍等水生植物，水體富營養(yǎng)化嚴重，水質(zhì)黑臭。而湖泊周邊雨水、沿線面源和少部分散排生活污水進入湖泊，對湖泊水體也有一定的影響。

因此，通過構筑旁路人工濕地處理系統(tǒng)，可以對湖泊水體進行凈化與恢復，確保湖泊水質(zhì)達標，長期維持。

3 工程總體設計

3.1 處理規(guī)模及設計進、出水水質(zhì)

對湖泊及周邊區(qū)域進行了實地踏勘，根據(jù)現(xiàn)場水量監(jiān)測、調(diào)研及分析研究，確定旁路人工濕地處理系統(tǒng)規(guī)模為10000 m3/d。踏勘過程中，采集了沿岸水樣進行檢測。根據(jù)水質(zhì)特性、水質(zhì)檢測結果及《武漢市水污染防治行動計劃工作方案實施情況考核評價辦法(試行)》等相關文件要求，確定設計進、出水水質(zhì)和去除率如表1所見。

表1 設計進出水水質(zhì)和去除率

3.2 廠址選擇

由于該湖泊沿岸多為建成區(qū)，根據(jù)濕地規(guī)范中場址選擇要求，對人工濕地進行了多次選址論證，最后選址位于湖泊北側(cè)，緊靠市政道路地帶。通過該區(qū)域的人工濕地系統(tǒng)構建，兼顧開放性與景觀性，實現(xiàn)功能與景觀的有機結合。由于場地有限，人工濕地選址為湖泊旁邊的一條狹長區(qū)域，用地性質(zhì)主要為湖邊灘地、魚塘、樹林等，可用面積約31000 m2。該場地較為平整，地貌類型較為單一，地層結構簡單，分布連續(xù)，厚度穩(wěn)定，物理力學性質(zhì)均勻，地層承載力較高，無不良地質(zhì)現(xiàn)象分布，場區(qū)穩(wěn)定性良好，且臨時用水、用電及道路條件基本良好，適宜本工程的建設。

3.3 處理工藝

隨著天然水體中污染物的增加，致使湖庫在蓄水的同時也蓄積了較高濃度的氮、磷和有機物，產(chǎn)生富營養(yǎng)化[3]。因此，湖泊水質(zhì)不同于一般的城市生活污水，進水水質(zhì)中化學需氧量、氨氮含量較低，而總氮、總磷含量卻較高。該湖泊整體為劣V類水質(zhì)，該工程對處理后水體水質(zhì)要求較高。根據(jù)進水特點和出水水質(zhì)要求，所選工藝需要在低碳負荷下良好運行，較強的脫氮除磷能力。

設計出水的主要水質(zhì)指標需達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)地表水IV類標準。目前，將水體進行提標至地表水IV類及以上的工藝主要有：高級氧化技術、膜深度處理和人工濕地生態(tài)技術等。人工濕地適用于水源保護、景觀用水、河湖水環(huán)境綜合治理、生活污水處理的后續(xù)除磷脫氮、農(nóng)村生活污水生態(tài)處理等[4]。根據(jù)湖泊水質(zhì)、水量及場地等情況，考慮人工濕地的優(yōu)點，因此該工程擬采用人工濕地處理工藝，構建旁路人工濕地處理系統(tǒng)，有效降低湖泊污染物負荷。具體工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程

通過在湖中水質(zhì)較差區(qū)域或死水區(qū)域設置取水口，并采用提升的方式將湖水送至人工濕地進行凈化處理，處理后的出水送至其它死水區(qū)域，使湖內(nèi)局部區(qū)域形成微循環(huán)，促進區(qū)域的水質(zhì)改善，同時其它周邊水域的污染物可通過擴散進入微循環(huán)區(qū)隨之進入人工濕地系統(tǒng)進行凈化處理。

4 處理單元設計說明

4.1 取水口

由于水位深淺不一且湖底淤泥較深，為避免水體擾動太大導致底泥上浮，擬對取水口周圍進行清淤和鋪設片石，并在取水口進水處設置人工格網(wǎng)。利用格網(wǎng)的攔截作用，有效避免了湖水漂浮垃圾及沉水植物殘體對潛流濕地穿孔配水管造成管道堵塞，保障濕地處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提高潛流濕地使用壽命。

4.2 取水泵房

本工程取水泵房位于湖岸邊，考慮湖周邊景觀的協(xié)調(diào)性，取水泵房采用地埋式一體化泵站，設計水量10000 m3/d，擬設置3臺潛污泵(2用1備)，流量Q=200 m3/h，揚程H=11 m，功率11 kW。泵房進水管采用DN500鋼管，設計流速0.6 m/s，進水方式為重力自流，進水口處設置提籃格柵，格柵間隙為10 mm。為防止暴雨期間泥砂進入泵房，在濕地運行暴雨期間關閉一體化泵站，待雨后再恢復運行。

4.3 人工濕地

垂直流人工濕地作為人工濕地的類型之一，因其充分利用了濕地的空間，發(fā)揮了系統(tǒng)間的協(xié)同作用，使污水處理能力得到大幅度提高，且水力負荷更高、硝化能力更強、床體利用更有效，因而在污水處理中已經(jīng)得到了廣泛應用[5]。人工濕地是本工程的核心單元，因此采用污染負荷高、處理效果好的垂直潛流人工濕地。潛流人工濕地的主要設計參數(shù)如下。

(1)平面布置。濕地根據(jù)現(xiàn)有地形布置為不規(guī)則形狀，總有效面積約為24000 m2。

(2)床層構成。濕地床深1500 mm，由3種不同粒徑填料構成，粒徑分層由下至上依次為8～12 mm、15～25 mm、30～60 mm。

(3)邊墻及隔墻。濕地四周邊墻體采用鋼砼結構。

(4)布水系統(tǒng)。系統(tǒng)進水進入潛流人工濕地配水渠，通過配水渠將水流配送至各塊濕地中。進水渠采用鋼砼結構，斷面為矩形，渠內(nèi)水深1.8 m，渠寬按各塊濕地總水量負荷合理配置。濕地內(nèi)部采用穿孔管布水，從填料上部進水下部出水，布水量負荷均等，為保證各區(qū)域配水均勻，主配水渠及布水管水流速度均小于0.1 m/s，使前后水頭損失盡可能地小。

(5)出水系統(tǒng)。濕地出水系統(tǒng)由出水喇叭口和出水放空管閥組成，用以將濕地處理尾水引入排水渠。出水喇叭口放空閥關閉的情況下，濕地處理尾水通過出水喇叭口溢流進入出水渠。濕地需檢修排空時，關閉出水喇叭口前端閥門，通過出水放空管閥控制床層下降水位、放空及充氧。

(6)表面水力負荷。濕地表面水力負荷為0.42 m3/(m2·d)，滿足濕地規(guī)范的建議值(水平潛流人工濕地<0.5，垂直潛流人工濕地<1.0)[1]。

(7)水力停留時間。濕地水力停留時間為1.5 d，滿足濕地規(guī)范的建議停留時間1～3 d[1]。

(8)濕地植物。人工濕地植物應因地制宜地選擇，總體要求所選植物要耐水、根系發(fā)達、多年生、耐寒，吸收氮、磷量大，兼顧觀賞性和經(jīng)濟性[6]。本工程選擇種植蘆葦、香蒲、鳶尾和美人蕉等挺水植物。蘆葦和香蒲種植密度為9株/m2，鳶尾和美人蕉種植密度為16株/m2。

4.4 八字排水口

本工程人工濕地處理后的出水返回至湖中，為促進湖內(nèi)水體循環(huán)，排水口布置時遠離取水口且盡量選取湖中死水區(qū)。排水口采用八字排水口(管徑DN300)，漿砌石結構。

4.5 管道工程

本工程涉及的管道包括焊接鋼管、PE管、HDPE雙壁波紋管等，其中湖內(nèi)取水管、泵房壓力管等采用焊接鋼管，壓力不小于1.6 MPa；潛流濕地配水管、集水管均采用PE管，壓力不小于1.0 MPa；潛流濕地出水排水管采用HDPE雙壁波紋管，環(huán)鋼度SN6。

5 運行效果

本工程已于2018年建設完成，處理效果良好，各項出水指標穩(wěn)定達標。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結果，其中出水COD可降至5.1 mg/L，TN可降至0.9 mg/L，NH3-N可降至0.2 mg/L，遠遠優(yōu)于設計出水要求，環(huán)境效益十分明顯。

6 結論與建議

在湖泊周邊構建旁路人工濕地處理系統(tǒng)，能夠有效地凈化湖泊水質(zhì)。為保證濕地系統(tǒng)運行良好，應做好日常的運行維護管理，包括冬季保溫、雜草控制、動物控制、植物病蟲害防治、定期收割等[7]。