石子河水環境治理人工濕地工藝流程設計

周保安

（上海琸源水生態環境工程有限公司，上海 200003）

1 工程背景與概況

石子河至濁漳南源河口段流經長治市主城區，沿河兩岸存在大量生活污水和工業廢水點源污染，以及畜禽養殖污染、農村垃圾污染和農藥化肥等面源污染，現狀河流水體污染嚴重，大量污染底泥淤積河道主槽內，內源污染問題突出，現狀河流水質較差，水功能區水質目標難以滿足，而且對漳澤湖造成嚴重的污染負荷。同時，由于長期的生產建設活動影響，現狀河道灘地植被條件差，局部存在河流生態空間被侵占問題，河流自然生態環境條件差。石子河作為區域重要的行洪河道，現狀河道行洪斷面萎縮嚴重，嚴重影響長治市防洪安全。發生10年一遇洪水時，河道右堤多數河段現狀存在洪水漫堤情況，河道左堤現狀堤防超高大部分不足1m，防洪減災短板問題突出。

本工程石子河水環境治理與生態修復治理起點為設計的攔漂設施，終點為濁漳南源河口段，治理長度約7.2km。在石子河上游來水水質優于Ⅳ類標準，流經過程中無外來污染物匯入的基礎上，通過水系綜合治理，逐步構建水系生態網絡，保障水質不惡化，以生態文明建設為引領，促進經濟社會可持續發展。本工程河道生態工程任務為實施自然漫水河灘形態建設，恢復與保護河灘林草濕地資源，加強水源涵養和洪水調蓄能力，改善河流水環境質量，優化城市生態景觀格局，完善城市生態服務功能，營造深潭淺灘交錯分布、藍綠融合的河流生態系統，為動植物提供多樣的棲息地生境，為城鄉居民提供優美舒適的濱水空間。聯動漳澤湖國家濕地公園，帶動長治市“綠色GDP”發展。

2 人工濕地凈化機理

人工濕地具有很強的降解和凈化有機污染物的作用，部分有機污染物作為營養物質，可以直接被植物吸收。不溶性有機污染物在厭氧條件下逐漸被濕地微生物利用，結合生物的吸附作用及生物的新陳代謝達到溶解污水中有機物的作用。

人工濕地生態系統中氮的去除方式主要通過水生植物吸收、微生物作用、硝化和反硝化。研究表明無機氮是植物生長過程中可以直接被植物所吸收，但這只占總氮量的8%～16%，并非一個主要的還原過程。在人造濕地系統中，植物根莖可以作為基本供養單元形成好氧微區以促進微生物的硝化作用，同時反硝化條件是通過形成遠離根部的厭氧區來提供的［1］。

人工濕地通過水生植物、基質和微生物的共同作用來完成對磷的去除［2］。無機磷元素是植物在生長過程中的必須營養素，也是植物的基本營養物質，另一方面微生物可以通過積聚磷的細菌吸收磷，將其從濕地水中除去。研究證明［3-4］，人工濕地中基質對磷的去除是最主要途徑，包括物理去除和化學沉淀去除兩大過程。

人工濕地的另一個功能是具有重金屬富集作用，植物重金屬的富集本質是通過根部的吸收及接觸，對基質土壤進行有效凈化，吸收土壤中重金屬離子，達到去除作用，它的作用主要是吸附、沉淀、離子交換等［5］。人工濕地基質以不同層次的礫石、沸石、火山巖為介質構成，河水在基質表面形成表面流態，在流動過程中可形成自然復氧，還能在基質空隙間形成潛流、錯流，在流動過程中形成自然復氧，為植物和微生物生長提供條件，同時基質通過沉淀、過濾、吸附和分解等作用凈化水中的N、P等污染物質。人工濕地系統污染物的去除效率如表1。

表1 人工濕地系統污染物的去除效率 單位：%

3 人工濕地設計方案

依據石子河上游（湛上斷面）2012—2014年3年平均流量及來水污染負荷量進行設計，平均流量21531m3/d，污染物平均濃度總磷0.3mg/L，氨氮1.5mg/L，五日生化需氧5.9mg/L，設計表面流濕地類型進行水環境治理和水生態恢復，構建水系生態網絡，保障水質不惡化。治理區域包括預處理區、濕地凈化區、沉水植物凈化區、深度凈化區。

（1）預處理區。主要功能為對上游來水進行攔截、過濾、預氧化；內容包括生態濾壩3座和滯留吸附系統。

（2）濕地凈化區。主要功能為強化脫氮除磷，景觀提升；內容包括挺水植物系統構建、礫石床凈化系統、自然漫灘。

（3）沉水植物凈化區。主要功能為進一步脫氮除磷，完善水生態系統，提升河道自凈能力；內容包括生態濾壩2座，沉水植物系統構建和滯留吸附系統。

（4）深度凈化區。主要功能為進一步削減污染物，凈化水質，景觀提升；內容包括蓄水壩1座、挺水植物系統構建、強化吸附系統、自然漫灘。

（5）自然漫灘。通過自然漫灘中的植物、大塊石等的共同作用，可有效攔截和減少懸浮固體顆粒物，保護土壤，減緩雨水徑流流速，對污染物進行過濾和吸附，同時還有較好的景觀效果。

4 人工濕地設計參數

根據HJ2005—2010《人工濕地污水處理工程技術規范》和DB37/T 3394—2018《人工濕地水質凈化工程技術指南》的設計參數要求如表2和表3。

表2 人工濕地的主要設計參數

表3 人工濕地的主要設計參數 單位：g/m2·d

4.1 人工濕地面積確定

人工濕地面積應按五日生化需氧量、氨氮、總磷等主要污染物的表面有機負荷進行計算，并應取其中計算結果的最大值，同時應滿足水力停留時間的要求。公式如下：

式中 A為人工濕地面積（m2）；Q為處理水日均流量（m3/d）；S0為進水污染物濃度（mg/L）；S1為出水污染物濃度（mg/L）；NA為污染物面積負荷（g/（m2·d））。

按照五日生化需氧量表面負荷取1.5g/（m2·d），出水濃度取4mg/L，則人工濕地面積A1=21531×（5.9-4）/1.5=27272.6m2。按照氨氮表面負荷取0.02g/（m2·d），出水濃度取1mg/L，則人工濕地面積A2=21531×（1.5-1.3）/0.02=215310m2。

按照總磷表面負荷取0.05g/（m2·d），出水濃度取0.2mg/L，則人工濕地面積A3=21531×（0.3-0.2）/0.05=43062m2。取上述計算結果的最大者21.531萬m2為人工濕地設計面積，復核水力負荷：

式中 q為水力表面負荷（m3/（m2·d））；Q為處理水日均流量（m3/d）；A為人工濕地面積（m2）。

則水力負荷q=21531/215310=0.1m3/（m2·d），滿足規范小于等于0.1m3/（m2·d）的要求。復核水力停留時間：

式中 A為人工濕地面積（m2）；h為平均有效水深（m）；Q為處理水日均流量（m3/d）。

則水力停留時間T=215310×0.6/21531=6d，滿足規范4～8d的要求。按人工濕地設計規范，并結合實際地型設計表面流工藝作為人工濕地的主體凈化工藝，平均水深0.6m，水力坡度宜為0.5%以下。

4.2 人工濕地基質選擇

本項目濕地基質由礫石床凈化區、滯留吸附區和強化吸附區組成。礫石床凈化區選用礫石粒徑30～50mm，火山巖粒徑3～5mm，鋪設厚度100mm。滯留吸附區選用礫石粒徑30～50mm，火山巖粒徑3～5mm，鋪設厚度100mm。強化吸附區選用礫石粒徑30～50mm，沸石粒徑4～8mm，火山巖粒徑3～5mm，鋪設厚度160mm。

4.3 人工濕地植物選擇

人工濕地植物選用蘆葦、黃菖蒲、旱傘草、花葉蘆竹、水生美人蕉等挺水植物，增加植物的多樣性并具有景觀效果，沉水植物主要以常綠矮型苦草為主。植物種植密度可根據植物種類和工程要求調整。

5 人工濕地工藝流程

5.1 預處理區

共設置5座，其中預處理區3座，生態濾壩3座，尺寸依次為30m×2m×0.3m，25m×2m×0.38m，25m×2m×0.46m，沿水流方向粒徑逐漸減小。滯留吸附系統1267.8m3，鋪設厚度100mm。

5.2 濕地凈化區

設計表流濕地凈化區62180m2，水力坡度0.5%，挺水植物布置面積62180m2，蘆葦31090m2，高度71～80cm，冠幅21～30cm，種植密度16株/m2；黃菖蒲15545m2，高度41～50cm，冠幅11～20cm，種植密度36株/m2；旱傘草15545m2，高度41～50cm，冠幅31～40cm，種植密度16株/m2。礫石床凈化系統面積62180m2，鋪設厚度100mm，孔隙率35%～40%。

5.3 沉水植物凈化區

生態濾壩2座，尺寸依次為30m×2m×0.73m，30m×2m×0.84m。沉水植物種類選用植株低矮、凈水能力強、存活季節長、維護成本低的常綠矮型苦草。常綠矮型苦草種植面積80180m2，種植密度150株/m2。滯留吸附系統8018m3，鋪設厚度100mm。

5.4 深度凈化區

蓄水壩1座，尺寸為35m×4m×1m。水力坡度0.5%，挺水植物布置面積42821m2，花葉蘆竹21410m2，高度51～60cm，冠幅21～30cm，種植密度25株/m2；水生美人蕉21411m2，高度51～60cm，冠幅11～20cm，種植密度36株/m2。設計強化吸附系統6803.3m3，鋪設厚度160mm。

5.5 自然漫灘

自然漫灘30129m2，挺水植物種植面積為30129m2。花葉蘆竹15065m2，高度51～60cm，冠幅21～30cm，種植密度25株/m2；水生美人蕉15064m2，高度51～60cm，冠幅11～20cm，種植密度36株/m2。布置景石989t，景石塊徑800～2000mm，每組1～3塊，大小隨意組合，與植物合理搭配，錯落有致，位置不影響交口視線安全。

石子河河道人工濕地工藝流程圖如圖1。

圖1 人工濕地工藝流程圖

6 水質目標分析

依據人工濕地污水處理工程技術規范設計的工藝流程圖，人工濕地處理后的河水污染物濃度和石子河上游（湛上斷面）來水的污染物濃度對比情況如表4。

表4 人工濕地水處理污染物對比 單位：mg/L

經此表面流人工濕地處理后的水質達到了Ⅲ類地表水標準，水處理效果顯著，符合工程建設要求。

7 結語

人工濕地水處理系統具有管理簡單、不消耗能源、不產生污泥、投資費用低、經濟效益明顯等優點，可以有效提升水質，減緩水體富營養化，并具有一定的景觀效果，社會效益顯著。人工濕地不僅可以處理自然水體，也可以處理水量不大、水質變化較小的城鎮污水。隨著我國水生態環境治理的深入，人工濕地水生態治理技術的發展前景廣闊。