伍姓湖入湖口水生態治理人工濕地設計案例探討

徐小樂,夏 強，楊世翎

(湖北省生態環境科學研究院(省生態環境工程評估中心)，湖北 武漢 430072)

1 引言

涑水河是黃河的一級支流，也是流入伍姓湖的主要河流，流域范圍包括聞喜縣、夏縣、鹽湖區、臨猗縣、永濟市，干流總長約200.55 km，屬北方間歇季節河流，非汛期成為沿線污水處理廠尾水排放的河道，目前涑水河水質為劣Ⅴ類，水域功能受到威脅并影響黃河水質，近年來雖經過對上游的污染整治，使涑水河水質有明顯改觀，但并沒有根治對黃河和伍姓湖水環境的污染威脅[1～4]。采用生態型污水處理技術——人工濕地處理涑水河河水，具有處理效果穩定、氮磷污染物去除能力強、建設費用低、運行維護方便和運維費用低以及對負荷變化適應能力強等特點[5～8]。

2 工程概況

伍姓湖入湖口水生態治理人工濕地位于永濟市伍姓湖東側的入湖口，環湖路與干古路之間的鹽堿灘地(圖1)。工程占地約170畝，設計進水量為2萬m3/d，設計進水水質主要指標為CODCr≤100 mg/L、BOD5≤15 mg/L、NH3-N≤4.0 mg/L、TP≤0.7 mg/L、SS≤80 mg/L，經人工濕地系統處理后出水主要指標達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅳ類標準(即CODCr≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、NH3-N≤1.5 mg/L、TP≤0.3 mg/L)，工程從2019年2月份開工建設，2019年12月份完工。

圖1 平面布置

3 工藝流程

根據涑水河的水質情況及建設地點的土地利用情況，綜合考慮技術的生態安全性、效果持久性、經濟可行性和自然生態性，對常用的水質凈化工藝比選分析后，本項目采用“預處理工程(格柵渠、沉砂池)+兩級表面流人工濕地+垂直潛流人工濕地”的主體工藝路線[9]。為避免對涑水河安全行洪及周邊農田排堿造成影響，進行了項目現場高程的詳細論證，本人工濕地系統進水采用提升的進水方式。

4 工程設計

4.1 格柵渠

格柵渠位于工藝流程的最前端，去除進入濕地系統的生活垃圾、農作物秸桿，以免影響后續工藝的正常運行。新建格柵渠尺寸為L×B×H=15.5 m×4.8 m×3.8 m，分三格運行，渠內設置粗、細格柵及檢修閘門等設施。

4.2 沉砂池

新建沉砂池尺寸為L×B×H =41 m×17.2 m×2.5 m，平均水深為1.6 m，停留時間HRT為1.35 h，鋼混結構。沉砂池清泥頻率為4次/a，每次清理時間為3 d，冬季可適當減少排泥頻率，直接采用虹吸式清淤平臺，配備渣漿泵清泥，清理出來的污泥存放在儲泥濃縮池，后續進行機械脫水。

圖2 工藝流程

4.3 提升泵房

本工程運行采用提升方式，綜合考慮沉砂池前提升和后提升的優缺點后，選擇在沉砂池后提升更利于濕地進水。新建提升泵房尺寸為L×B×H=10.84 m×6.6 m×4.5 m，有效水深1.4 m，停留時間HRT為7.2 min，配備潛污泵3臺(2用1備)及超聲波液位計。

4.4 兩級表面流人工濕地

兩級表面流人工濕地根據功能分為一級和二級兩部分[10]，具體如下。

(1)一級表面流人工濕地。主要目的是對沉砂池出水進行預處理，主要削減SS負荷，降低垂直潛流濕地的堵塞風險，同時配套設置立體生態浮床，削減COD、BOD、NH3-N、TP等主要污染物。一級表面流濕地面積10987 m2，墻體為鋼砼結構，池底結構形式為“防滲膜+30 cm回填土+30 cm片石(砂漿勾縫)”，池深2.35 m，平均水深2.0 m，四周設置不銹鋼欄桿。

(2)二級表面流人工濕地。主要目的是對預處理后的河水進行調節水質和進一步削減CODCr、BOD5、NH3-N、TP等主要污染物。二級表面流濕地面積26441 m2，采用廊道式，中間漿砌石隔墻長度為320 m，邊坡采用連鎖磚生態護坡(邊坡比為1∶2)，濕地池底及邊坡鋪設防滲膜，池深2.0 m，平均水深1.5 m。配套種植挺水、沉水植物、浮葉等水生植物，以適宜當地生長的物種為主，其中沉水植物以苦草、眼子菜、黑藻為主[11]。

4.5 垂直潛流人工濕地

垂直潛流人工濕地主要功能是去除水中氮、磷等污染物，使河水凈化并達標排放。垂直潛流濕地占地面積69畝，濕地凈面積44939 m2，分為兩個潛流濕地區域并聯運行，其中：一區垂直潛流濕地面積為33321 m2，共13個單元；二區垂直潛流濕地面積為11618 m2，共5個單元。表面水力負荷為0.45 m3/(m2·d)，有效停留時間為1.11 d。

垂直潛流濕地系統包括配水系統、濕地床層、濕地植物、集水系統等，污水經配水渠 → 配水主管 → 配水支管的布水系統向濕地單元均勻布水[12]，經濕地區域處理后，由末端集水管排至收水渠內，最后排至展示池。

(1)配水系統。新建配水渠深2.00 m(含蓋板)，渠寬1.50 m，總長度735 m，斷面為矩形，采用鋼砼結構，進水渠前端配置不銹鋼粗細篩網各1套，每套尺寸為2.0 m×1.5 m，孔徑分別為8 mm、3 mm。配水主管連接進水渠，配水主管DN200 mm，布水支管DN100 mm，各單元人工濕地主水管按其總水量負荷合理配置，主管間距20～30 m、布水支管間距5 m。

(2)濕地床層構成。床層深1.3 m，由3層不同粒徑級配的石灰石碎石填料層構成，從上至下填層的粒徑級配及厚度依次為：第一層厚度400 mm，碎石粒徑8～12 mm；第二層厚度500 mm，碎石粒徑15～30 mm；第三層厚度400 mm，碎石粒徑30～60 mm[13～15]。

(3)濕地植物。濕地種植植物以蘆葦、香蒲(抗鹽堿)為主，搭配種植黃花鳶尾，營造景觀效果。

(4)集水系統。濕地的收水管道連接出水渠，收水管管徑DN300 mm，配放空閥。收水渠采用鋼砼結構，斷面為矩形，渠深1.95 m(含蓋板)，渠凈寬1.00 m，濕地兩側收水，總收水渠長度為1130 m。

(5)防滲設計。濕地區域防滲采用1 mm厚的HDPE膜(兩布一膜)進行防滲。

4.6 展示池

展示池位于濕地西北角環湖路拱形橋旁，具有濕地出水展示、提升景觀效果等功能，提高人工濕地觀賞性能，展示池的出水排至涑水河下游。出水展示池面積約1058 m2，邊坡采用生態駁岸，邊坡比為1∶2，水陸交接處點綴景觀石。

5 主要技術經濟指標

該工程總投資為5469.11萬元，其中直接工程費用為4802.34萬元。運行維護費用主要由電費(提升能耗)、人工費、濕地植物處置費等組成，總費用為120.36萬元/a，水量按2萬m3/d計算，單位水量運維成本為0.16元/m3。

6 結果及分析

該項目于2019年12月份完成濕地工程施工，試運行半年后對濕地工程的進、出水口進行水質監測，項目運行水質穩定，2020年6月份、8月份、10月份及2021年1月份、3月份、5月份濕地工程的進、出水口檢測水質數據如表1所示。

表1 工程完成后進、出水水質

根據檢測數據發現：COD指標從 50～70 mg/L 降低到 15～20 mg/L； NH3-N 指標從 0.50～2.0 mg/L 降低到 0.50 mg/L以下；TP 指標從0.05～0.60 mg/L 降低到 0.05 mg/L以下，顯示濕地系統對COD、NH3-N、TP等污染物有著良好的處理效果，濕地的出水水質達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類標準，滿足設計出水水質達地表水Ⅳ類標準要求，本濕地項目的進水水質優于設計進水水質(主要是2019年后運城市對涑水河沿線加大截污整治，杜絕直排入河情況)，進水口的NH3-N、TP指標已經達到或接近地表水Ⅲ類標準，處于較低濃度狀態，濕地系統對NH3-N、TP指標的去除率分別可到達為40%～80%、45%以上，為類似河湖中低濃度的NH3-N、TP在人工濕地系統中的削減工程提供一定參考。

7 結論與討論

(1)采用“預處理工程(格柵渠、沉砂池)+兩級表面流人工濕地+垂直潛流人工濕地”工藝處理涑水河水體，具有處理效果穩定、運行維護方便、景觀效果良好等優點。

(2)本濕地工程總投資為5469.11 萬元，運維成本為0.16元/m3，比傳統的污水處理工藝的造價和運行成本低，且運維管理方便。

(3)濕地系統對COD、NH3-N、TP 去除效果穩定，濕地的出水水質穩定達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅳ標準要求；在進水濃度低時，出水指標可以達到地表水Ⅲ類標準。

(4)我國河道污染問題還較為嚴重，本項目采用的濕地工藝處理微污染河水，可以對其他類似河流、湖泊的污染治理提供借鑒和參考。