原位人工濕地在環(huán)境治理中的應(yīng)用

廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司 楊明結(jié)

濕地是陸地上水陸相互作用形成的獨(dú)特生態(tài)帶，它是陸地和水域之間的過(guò)渡地帶，具有防洪、改善氣候、改善環(huán)境、水處理等多種功能[1-3]。人工濕地是模擬天然濕地的一種生態(tài)污水凈化工藝，其主要利用濕地基質(zhì)、植物和微生物之間的物理、化學(xué)和生物過(guò)程三重協(xié)同作用來(lái)達(dá)到凈化污水的目的[1，4]。在人工濕地的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)濕地系統(tǒng)的水流形態(tài)及布水方式將其分為自由表面流人工濕地[5]和潛流人工濕地[1]。而潛流人工濕地又可以分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地[1]。根據(jù)不同的空間構(gòu)建方式，人工濕地可以分為體外處理及體內(nèi)處理。前者是在河道的周邊地區(qū)進(jìn)行人工濕地的建設(shè)，將污水排入這片濕地，進(jìn)行處理之后再重新回到河道，暴雨天氣也能將大量雨水匯入濕地中處理，讓污染的面積變小；后者是直接在河灘進(jìn)行人工濕地的建設(shè)，暴雨天氣可以讓污染的面積變小，沒(méi)有下雨的時(shí)候也可以將河道中的污水引入濕地，處理之后再匯入河道[2]。

一、人工濕地概述

在20世紀(jì)初期，國(guó)際上就開(kāi)始了關(guān)于人工濕地的研究，在英國(guó)約克郡建成了世界上第一座人工濕地，并一直連續(xù)運(yùn)行到20世紀(jì)末[4]。此后，歐洲、美洲等一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始大范圍研究并利用人工濕地工藝來(lái)處理各種類型的污水。目前，人工濕地在歐美國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。一些研究顯示美國(guó)當(dāng)前用于處理生活污水、工廠廢水、徑流污染河水的人工濕地有200多座；法國(guó)、英國(guó)、荷蘭和丹麥等國(guó)家利用人工濕地去污的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)向去除特殊污染類型的污、廢水上，增大了人工濕地的應(yīng)用面，同時(shí)發(fā)展了自控濕地系統(tǒng)[4]。近幾十年來(lái)我國(guó)對(duì)人工濕地生態(tài)污水處理逐漸重視，并開(kāi)展了大量研究[1]。從小試、中試到實(shí)際應(yīng)用，得到了飛速的發(fā)展。1987年天津市建成了我國(guó)首例采用蘆葦作為濕地植物的污水凈化系統(tǒng)，占地六公頃，處理量 1400m3·d-1。1993年， 由 武鋼大冶鐵礦承建，大冶鐵礦炸藥車間建立了面積為200 m2的人工濕地中試工程，用于處理鐵礦炸藥車間排放出的含氮廢水[1]。目前，人工濕地被應(yīng)用到處理煤礦廢水、印染廢水、食品加工廢水、養(yǎng)殖廢水和河流湖泊生態(tài)修復(fù)中[6]。污水進(jìn)入各濕地處理單元后，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的處理效果由其內(nèi)部反應(yīng)條件決定。除氮主要依賴于微生物同化、氨化、硝化、反硝化和植物吸收等生化反應(yīng)。而除磷主要依靠植物的吸收和土壤的吸附、沉降等，普通微生物的除磷效率低于氮鹽。濕地對(duì)污染物的去除與影響：物理沉淀可沉淀固體，在濕地中重力沉降去除、過(guò)濾，通過(guò)顆粒間相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固體被阻截而去除；化學(xué)微生物代謝：利用懸浮物和植物寄生菌的代謝作用，將懸浮物、膠體和可溶性固體分解成無(wú)機(jī)物；通過(guò)生物硝化-反硝化作用去除氮；一些微量元素被微生物和植物氧化，通過(guò)阻斷或結(jié)合去除。

近年來(lái)對(duì)于小流域綜合整治工作的推進(jìn)使得人工濕地在河道的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。然而人工濕地的污染負(fù)荷有限、建設(shè)投資較大、運(yùn)行管理維護(hù)困難限制了其在河道整治上的應(yīng)用。其中潛流型人工濕地的水面維持在基質(zhì)床以下，是目前使用和研究最為廣泛的濕地系統(tǒng)。這種濕地的基質(zhì)通常由粗砂、礦石等粗制填充物組成，為水的快速滲透提供良好的空隙條件。據(jù)國(guó)外相關(guān)工程案例表明，按照污染負(fù)荷計(jì)算，潛流人工濕地的造價(jià)為1200元·m-3，自由表面流人工濕地1500元·m-3。國(guó)內(nèi)的一些案例也表明，潛流人工濕地造價(jià)為150-300元·m-2（不包含征地費(fèi)用），運(yùn)行費(fèi)用為0.08-0.15元·噸水-1，而表面流人工濕地的占地面積約是潛流人工濕地的十倍。可見(jiàn)，人工濕地雖然在運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)常規(guī)污水處理工藝較低，但其在建設(shè)費(fèi)用及占地等因素上受到較大的限制，而建設(shè)面積和處理效率顯示成正比的關(guān)系，因此也限制了其發(fā)揮凈化作用。

二、原位垂直潛流人工濕地的設(shè)計(jì)

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種兼具表流和潛流功能的人工濕地，并將濕地直接建設(shè)在河道內(nèi)部，構(gòu)建接近自然動(dòng)力學(xué)條件下的原位人工濕地，減小占用河岸上的建設(shè)用地，減少投資[7]。該人工濕地前置沉沙池能防止人工濕地淤堵[8]，進(jìn)水通過(guò)步水系統(tǒng)進(jìn)入濕地內(nèi)部，在不同粒徑的填料層中呈水平流和垂直流的流動(dòng)狀態(tài)，使之充分與填料和水生植物的根系接觸，河水經(jīng)重力流通過(guò)原位人工濕地，無(wú)須提升系統(tǒng)，極大程度降低了運(yùn)行成本[9-10]。在暴雨期間雨水和河水通過(guò)表面漫過(guò)原位人工濕地，因此不對(duì)行洪造成影響；晴天時(shí)，河水通過(guò)填料層及水生植物層，同步起到凈化的作用；旱季期間，河水又可以在填料層的空隙之間流過(guò)，減小蒸發(fā)的同時(shí)起到凈化的作用。可見(jiàn)，原位人工濕地在不同工況條件下均能滿足河道水質(zhì)提升的需求。本文主要以福建省云霄山美溪支流原位垂直潛流人工濕地為例進(jìn)行分析。

（一）設(shè)計(jì)思路

根據(jù)參考收集的設(shè)計(jì)參數(shù)[11，12]，本次設(shè)計(jì)擬采用兼具有表流和潛流雙重功能的人工濕地[4-5，13]，濕地設(shè)計(jì)為四個(gè)主要部分，包括沉砂池、分配管、填料層和水生植物層，水生植物層種植旱傘草、再力花、美人蕉三種挺水植物[14，15，16]。人工濕地前設(shè)置一座沉砂池，將大顆粒雜質(zhì)沉淀后通過(guò)生態(tài)石籠進(jìn)行配水，水流方向和濕地呈垂直方向，水流由下而上垂直流經(jīng)床體，流到頂部后，與表面流水體混合出水。

（二）討論

在河道內(nèi)建設(shè)人工濕地，以減少對(duì)河岸建設(shè)用地的占用，減少投資。同時(shí)，河水經(jīng)重力流通過(guò)原位垂直潛流人工濕地，無(wú)須泵送系統(tǒng)，大大降低了運(yùn)行成本。暴雨期間，雨水和河水從濕地表面溢出。在晴天，河水通過(guò)填料層和水生植物層，同時(shí)起到凈化作用。在旱季，河水可以在填充層的縫隙之間流動(dòng)，減少蒸發(fā)，起到凈化作用。本文提出的原位人工濕地可以適應(yīng)不同的水流條件，改善支流水質(zhì)[17，18]。種植植被后，從第三周開(kāi)始，以120m3·d-1的流量逐漸向濕地供水。經(jīng)過(guò)三個(gè)月的種植，這些植物生長(zhǎng)茂盛，建設(shè)周期如圖1。

圖1 濕地的建設(shè)周期

自2020年3月起，目前項(xiàng)目已穩(wěn)定運(yùn)行18個(gè)月以上，本文的性能測(cè)試分析集中在2021年4月至7月之間，因?yàn)檫@期間水質(zhì)較其他時(shí)間段更差。而后期隨著上游截污和管控措施的推進(jìn)，來(lái)水水質(zhì)已得到進(jìn)一步提升。

來(lái)水經(jīng)人工濕地凈化后水質(zhì)得到了提升，這是因?yàn)槿斯竦氐奶盍蠈雍椭参飳訉?duì)水中的氨氮和總磷起到吸附、滯留、過(guò)濾、氧化還原、沉淀、微生物分解、轉(zhuǎn)化、植物遮蔽、殘留物積累、蒸騰水分和養(yǎng)分吸收及各類動(dòng)物的綜合作用[19]。河水進(jìn)入濕地系統(tǒng)，水中的固體顆粒與基質(zhì)顆粒之間會(huì)發(fā)生作用，水流中的固體顆粒直接碰到基質(zhì)顆粒表面被攔截。水中顆粒遷移到基質(zhì)顆粒表面時(shí)，在范德華力和靜電力作用下以及某些化學(xué)鍵和某些特殊的化學(xué)吸附力作用下，被黏附與基質(zhì)顆粒上，也可能因?yàn)榇嬖谛跄w粒的架橋作用而被吸附。事實(shí)上，該人工濕地所在河道水質(zhì)較為清澈，懸浮物少，有機(jī)物污染輕，主要超標(biāo)污染物為氨氮及總磷。本工程的實(shí)施建設(shè)滿足實(shí)際需要，解決了突出的氮、磷污染問(wèn)題。本文提供的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)理念為同類型的河流治理工程提供了參考信息。

三、管理與維護(hù)

運(yùn)行維護(hù)水平關(guān)系到河流長(zhǎng)效健康發(fā)展，需要?jiǎng)?chuàng)建和完善工作機(jī)制，明確長(zhǎng)效管理責(zé)任，加強(qiáng)污染違法行為監(jiān)管，加強(qiáng)水體監(jiān)測(cè)預(yù)警。 此外，要注意截污管網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)，優(yōu)化供水和供水計(jì)劃，做好日常清潔等相關(guān)工作，避免防治效果反復(fù)。針對(duì)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，采用治理、維護(hù)一體化模式，為了保證河道治理效果，應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行：

（1）完善管理設(shè)施，加強(qiáng)河道日常管理

在河道沿岸人流較大的地方設(shè)置警示牌、標(biāo)志牌、安全欄桿等警示、安全設(shè)施，預(yù)防在河道范圍內(nèi)發(fā)生人身意外傷害等情況，減少河道運(yùn)行中的安全隱患，預(yù)防事故發(fā)生。為保證該人工濕地工程能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效運(yùn)行，人工濕地運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)有針對(duì)性地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

（2）植物系統(tǒng)建立后，應(yīng)注意日常管養(yǎng)和維護(hù)

a.補(bǔ)苗、除草、按時(shí)采收以及防治病蟲(chóng)害必須與植 物生長(zhǎng)保持一致，但不得使用除草劑和殺蟲(chóng)劑等；

b.檢查植株是否擁擠，必要時(shí)進(jìn)行分株；

c.定時(shí)疏除繁殖快速的水生植物，如浮萍、大萍等，以免覆滿水面，影響睡蓮或其他沉水植物的生長(zhǎng)。植物過(guò)大時(shí)，葉面互相遮蓋時(shí)，也必須進(jìn)行分株；

d.定期施加追肥，保證植物營(yíng)養(yǎng)供給。

（3）加強(qiáng)宣傳教育，增強(qiáng)公眾水環(huán)境保護(hù)意識(shí)

向公眾大力宣傳水環(huán)境污染給城市帶來(lái)的危害，河道等水體污染直接影響城市市貌，影響周邊居民生活環(huán)境質(zhì)量。在沿岸設(shè)置一定數(shù)量的標(biāo)志牌、宣傳牌等，讓公眾了解城市河流水環(huán)境惡化和生態(tài)嚴(yán)重破壞的現(xiàn)狀、治理的過(guò)程、采取的治理工藝等，以此增強(qiáng)公眾的水環(huán)境參與意識(shí)和保護(hù)意識(shí)，借助公眾的力量加強(qiáng)水環(huán)境污染治理、生態(tài)景觀治理。

（4）強(qiáng)化監(jiān)測(cè)管理工作

加強(qiáng)流域內(nèi)水環(huán)境功能區(qū)污染監(jiān)測(cè)，實(shí)行排污許可制度，減少入河直排污染。同時(shí)，積極開(kāi)發(fā)、引用新技術(shù)、新材料及新工藝等，加強(qiáng)污染事故的應(yīng)急對(duì)策。

（5）落實(shí)環(huán)境民事責(zé)任和刑事責(zé)任

對(duì)危害環(huán)境、侵犯他人民事權(quán)利的，應(yīng)依照環(huán)境法律法規(guī)承擔(dān)民事責(zé)任；對(duì)造成環(huán)境污染嚴(yán)重事故和對(duì)水環(huán)境及其他資源造成損害的單位和個(gè)人，依法追究刑事責(zé)任。

四、結(jié)語(yǔ)

原位人工濕地設(shè)置在河道內(nèi)，遵循自然規(guī)律，能強(qiáng)化水體本身的自凈能力，恢復(fù)水體中生態(tài)系統(tǒng)的平衡，在不影響行洪條件的基礎(chǔ)上，能針對(duì)性地解決河道中氨氮和總磷超標(biāo)的問(wèn)題，其中氨氮的出水能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）》III類水標(biāo)準(zhǔn)。

原位人工濕地的構(gòu)建方式更加接近自然界中的濕地，方便管理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本也不高，還能起到美化環(huán)境作用，增加河道中的生物多樣性，同時(shí)，因?yàn)楹拥乐械乃辉诟鱾€(gè)季節(jié)是不一樣的，因此這一濕地系統(tǒng)還可以形成干濕的交替，使其有更強(qiáng)的凈化污染物能力[2]。原位人工濕地也是河流水質(zhì)改善與景觀改造相結(jié)合的有效應(yīng)用，在未來(lái)對(duì)環(huán)境質(zhì)量提出更高的要求時(shí)，原位人工濕地將具有一定的應(yīng)用前景，在許多國(guó)家和地區(qū)都得到了廣泛運(yùn)用，如生活污水、煤礦廢水、印染廢水、食品加工廢水、養(yǎng)殖廢水和河流湖泊生態(tài)修復(fù)都可以利用這種方式解決，并在污水處理方式上更加靈活，有分散處理、小規(guī)模達(dá)到大效果等特點(diǎn)。此外為保證河流長(zhǎng)效健康發(fā)展，要建立健全運(yùn)行、維護(hù)、管理等工作機(jī)制，明確長(zhǎng)效管理責(zé)任，加強(qiáng)執(zhí)法和污染監(jiān)管，加強(qiáng)水體監(jiān)測(cè)預(yù)警，從源頭上消除污染問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)治久清。