長春市八一水庫前置庫生態(tài)凈化工程設(shè)計

關(guān)永發(fā)，周國旺，王海燕，宋思遠

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 引言

前置庫是指在大型水庫、湖泊及河流入口處設(shè)置的相對小規(guī)模的水域，并設(shè)置凈水措施，依靠微生物、水生植物的攔截、吸附及吸收作用，對入庫水質(zhì)進行自然凈化的新型生態(tài)水處理技術(shù)[1]。作為面源污染控制的有效途徑，前置庫具有投資少、生態(tài)環(huán)境友好、兼具景觀效果等優(yōu)點，在流域水環(huán)境治理中被廣泛運用[2～6]。根據(jù)相關(guān)研究[2, 7, 8]，前置庫對于污染物的綜合去除率如下：COD約22%～42%，氨氮約28%～65.7%，總磷約29.9%～65.1%，總氮約22%～64%。隨著對前置庫技術(shù)的深入研究，單一水質(zhì)凈化技術(shù)已無法滿足人們對高標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的需求，陸續(xù)有研究[9～14]提出將透水壩、人工濕地、生物浮床、生物操縱等凈水技術(shù)進行耦合，以增強系統(tǒng)凈化能力。

八一水庫位于長春市南部，其上游為新凱河一級支流永春河，區(qū)域匯水面積約55 km2。永春河現(xiàn)狀水體發(fā)源于上游匯水區(qū)內(nèi)雨水徑流匯集，來水季節(jié)性較強，河道豐枯水期徑流量變化較大，河道水土流失嚴(yán)重，水體含砂量大。同時，受周邊畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田面源污染的影響，造成永春河入八一水庫水質(zhì)污染嚴(yán)重，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，其水質(zhì)為劣V類，甚至出現(xiàn)明顯發(fā)黑發(fā)臭。因此，為保障八一水庫入庫水體水質(zhì)，在劃定禁養(yǎng)區(qū)等控源措施的前提下，需進一步通過生態(tài)凈化工程改善水質(zhì)，恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)，并結(jié)合景觀打造提升八一水庫空間風(fēng)貌。本文擬通過建設(shè)前置庫生態(tài)凈化工程對長春市永春河入八一水庫的水體進行凈化，建設(shè)面積約為10 hm2，采用“預(yù)處理塘+垂直潛流濕地+表流濕地”前置庫組合技術(shù)，進一步削減入庫污染物，保障八一水庫水質(zhì)安全。

2 工程設(shè)計

2.1 功能定位

八一水庫前置庫生態(tài)凈化工程具有重要的生態(tài)和社會服務(wù)功能，通過模擬自然界天然濕地和人工構(gòu)造潛流濕地，對上游河道來水進行凈化，突出其污染物削減和生物多樣性恢復(fù)的生態(tài)功能，在去除污染物方面重點強調(diào)污染物降解總量[15～17]。

2.2 設(shè)計規(guī)模

八一水庫前置庫生態(tài)凈化工程主要來水為上游永春河河道來水，其主要來源為匯水區(qū)內(nèi)雨水徑流匯集，河道多年平均流量見表1。

表1 前置庫河道斷面多年平均自然流量變化 m3/d

從表1中可以看出：河道斷面全年徑流量變化較大，考慮周邊農(nóng)業(yè)面源污染及農(nóng)村生活污水排入河中，結(jié)合河道的年平均流量及沿途蒸發(fā)滲漏，故處理規(guī)模為7000 m3/d，汛期多余水量直接從主河道進入至八一水庫。

2.3 設(shè)計進、出水水質(zhì)

本工程來水為永春河上游河道水，根據(jù)永春河流域相關(guān)治理規(guī)劃，永春河上游將劃定禁養(yǎng)區(qū)等控源措施，入庫水質(zhì)也將明顯改善，但仍然無法滿足入庫水質(zhì)要求。根據(jù)八一水庫水功能區(qū)的水質(zhì)要求，出水目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，具體見表2。

表2 設(shè)計進、出水水質(zhì) mg/L

2.4 工藝流程

根據(jù)進、出水水質(zhì)指標(biāo)分析，本工程采用凈化功能較強的垂直潛流濕地和表流濕地為主的生態(tài)處理工藝。為減小潛流濕地堵塞風(fēng)險，在前端設(shè)置預(yù)處理塘，對上游來水中的懸浮物進行初步沉淀。前置庫工藝上采用“預(yù)處理塘+垂直潛流濕地+表流濕地”組合技術(shù)，上游河道來水經(jīng)預(yù)處理塘初步沉淀凈化后，由提升泵提升至人工垂直潛流濕地，出水進入表流濕地區(qū)進一步凈化后至八一水庫。工藝流程見圖1，總平面布置見圖2。

圖1 八一水庫前置庫工藝流程

2.5 主體工藝設(shè)計

2.5.1 豎向設(shè)計

本工程的高程設(shè)計需結(jié)合場地條件及工藝組合特點，合理利用場地高程。根據(jù)垂直潛流濕地均勻配水的需要，本次設(shè)計前端采用一次提升，后端采用重力自流，避免了重復(fù)提升、過度提升，造成資源浪費。河水經(jīng)預(yù)處理塘沉淀后，通過提升泵提升至垂直潛流濕地，再通過配水管均勻分配至垂直潛流濕地表面，此部分水頭損失主要為配水管道的沿程損失和局部損失。河水至垂直潛流濕地表面通過重力作用由上往下透過濕地介質(zhì)層，為使垂直潛流濕地形成非飽和流動區(qū)域?qū)崿F(xiàn)充氧，本次設(shè)計出水管設(shè)置于垂直潛流濕地底部，加上水位調(diào)整裝置的局部損失，總水頭損失為1 m。通過水力計算，選用揚程為5 m的提升泵可達到設(shè)計要求。經(jīng)垂直潛流濕地處理后的出水通過收集主管進入表流濕地區(qū)進一步處理，經(jīng)凈化后自流至八一水庫(圖3)。

圖2 總平面布置

圖3 豎向設(shè)計

2.5.2 預(yù)處理塘

永春河上游來水水量波動較大，且河道水往往含有大量泥沙等懸浮物，為穩(wěn)定濕地進水量、減緩對潛流濕地主體處理工藝單元的淤積、淤堵，設(shè)置預(yù)處理塘，對泥沙、懸浮物等進行沉降去除。預(yù)處理塘面積約0.35 hm2，有效容積為6000 m3，水力停留時間為20 h。預(yù)處理塘中的沉積泥沙需定期進行清理(圖4)。

圖4 預(yù)處理塘剖面

2.5.3 垂直潛流濕地

垂直潛流濕地為本工程的核心水質(zhì)凈化單元。潛流濕地從上部進水、底部出水，在垂直下滲過程中水體內(nèi)的有機物被濕地濾料及植物根系表面的生物膜截留，通過附著在生物膜上大量微生物的分解，達到降解有機物的目的。濕地濾床處于濕潤的不飽和狀態(tài)，在底部設(shè)置空氣流通管，可通過空氣的對流、擴散作用對濾床供氧，因此濾床可視為好氧生物濾池，在去除COD、氨氮方面效果較為理想。潛流濕地總面積5500 m2，分為5個單元，單元長寬比約4∶1，底板坡度0.5%，水力停留時間9.4 h，BOD、NH3-N、TP表面負荷分別為5.1、1.1、0.3 g/(m2·d)，設(shè)計污染物表面負荷均低于規(guī)范要求[18]。各設(shè)計參數(shù)與規(guī)范規(guī)程比較結(jié)果見表3，垂直潛流濕地典型斷面見圖5。由于本項目進水濃度遠低于設(shè)計規(guī)范、規(guī)程所設(shè)定的濃度，在滿足各污染物表面負荷的前提下，適當(dāng)減少濕地水力停留時間，節(jié)省占地面積和投資。

表3 設(shè)計參數(shù)與規(guī)范要求對比

圖5 垂直潛流濕地典型斷面

2.5.4 表流濕地

在前置庫入庫口至八一水庫入庫前河段內(nèi)設(shè)置表流濕地，利用河道空間，布設(shè)淺水植物群落、動物及微生物共同凈化水質(zhì)，形成穩(wěn)定的近自然濕地群落。該河段平均常水位水面寬78 m，平均水深1.5 m，表流濕地面積約2.4 hm2。在入庫前80 m范圍設(shè)置2組42 m×1 m×1 m的生態(tài)濾墻，間距30 m。生態(tài)濾墻由太陽能光電板、浮體、填料框架、多孔填料、底部圍隔及配重、曝氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和固定鋼管組成，采用漂浮式結(jié)構(gòu)，在河道內(nèi)進行半斷面攔截，底部設(shè)置1m高擋水布，以保證水體全部經(jīng)過生態(tài)濾墻，同時防止水體對河床的沖刷。表流濕地典型斷面見圖6。

圖6 表流濕地斷面

2.6 濕地專項設(shè)計

2.6.1 配水系統(tǒng)設(shè)計

配水系統(tǒng)設(shè)計是人工濕地設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，主要針對水流的路徑和控制設(shè)施進行有針對性地設(shè)計。人工濕地單元內(nèi)部的配水可采用管道配水和明渠配水2種方式。明渠配水水頭損失小，但便于水頭控制，常用于濕地進水端；管道配水控制方便，但水頭損失相對較大，適用于潛流濕地單元。本工程采用電動閥控制+管道的配水系統(tǒng)，采用間歇性進水的方式，5組電動閥可控制并列的垂直潛流人工濕地輪流進水，每塊濕地按進水12 min、停水48 min的配水頻率控制。當(dāng)其中一塊濕地需要輪歇“落干”時，單個垂直流濕地按進水15 min、停水45 min頻率控制。潛流濕地進水管道系統(tǒng)見圖7。

2.6.2 濕地濾料設(shè)計

濾料是人工濕地的基質(zhì)與載體，支撐著濕地動植物與微生物的生命過程，濾料對污染物的截留為后續(xù)植物吸收創(chuàng)造良好條件，是出水水質(zhì)的重要保證。選擇濾料應(yīng)根據(jù)對磷吸附效率、水力傳導(dǎo)性、材料易得性和價格等因素綜合考慮。通過綜合對比分析(表4)，本項目復(fù)合濾料主體采用易于就地取材的輕質(zhì)濾料火山巖配合卵石、砂石等進行使用，填料自上而下依次為：覆蓋層，100 mm厚粒徑為15～25 mm砂石；過渡層，100 mm厚粒徑為8～16 mm 礫石；主濾層，600 mm厚粒徑為5～火山巖；過渡層，100 mm厚粒徑為8～16 mm 礫石；排水層，200 mm 厚粒徑為16 ～ 32 mm 礫石。覆蓋層上種植挺水植物，在去除污染物的同時，可提高濕地內(nèi)部景觀效果。

圖7 潛流濕地進水管道系統(tǒng)

表4 常見人工濕地濾料性質(zhì)的對比

2.6.3 濕地動植物選擇

2.6.3.1 植物選擇

人工濕地中水生植物的選擇需要根據(jù)項目建設(shè)區(qū)域的氣候條件以及濕地的建設(shè)工藝和方式進行選擇。根據(jù)本工程所在區(qū)域的特點，選擇耐污能力強(重點吸收N和P)、凈化效果好、根系發(fā)達、經(jīng)濟和觀賞價值高的濕地植物，并需要具有極強的耐寒能力。同時，為了維持濕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性，考慮通過科學(xué)配置植物種植，以優(yōu)化水體不同區(qū)域水生植被的群落系統(tǒng)，將挺水植物、沉水植物、浮水植物等濕地植物在不同高度進行套種，充分利用種植空間，發(fā)揮其不同植物凈化功能，體現(xiàn)其生物多樣性(表5)。

由于蘆葦具有深水耐寒、梗粗、莖干中空、氧輸送能力好、枯萎后不倒伏、可大規(guī)模機械化收割、可用于造紙或充當(dāng)燃料以及經(jīng)濟效益好等優(yōu)勢，因此，本工程挺水植物以蘆葦為主，輔以菖蒲、香蒲等；沉水植物選用苦草(矮生耐寒)、伊樂藻等；浮水植物選用睡蓮。

表5 水生植物對N和P的轉(zhuǎn)換率

2.6.3.2 動物選擇

大型底棲生物在水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與流動中具有特殊的地位和作用，如螺類、青蝦等可以覓食底質(zhì)中大量的有機質(zhì)及腐敗的水生植物殘體，大幅度降低底質(zhì)中有機質(zhì)含量及營養(yǎng)物質(zhì)的釋放。同時，大型螺類等釋放的某些物質(zhì)又是水體中天然的絮凝劑，可以降低水中的懸浮物顆粒并吸附大量的氮磷營養(yǎng)鹽。因此，本工程水域中放養(yǎng)的水生動物主要以青蝦、環(huán)棱螺、黑魚為主。

2.6.4 濕地運行維護

本工程人工濕地面積大、緯度較高，在后續(xù)運行管理中將面臨諸多問題，為保障工程的長效運行，結(jié)合以往工程經(jīng)驗對人工濕地采取一定的冬季保護措施和植物管理措施。

2.6.4.1 冬季保護措施

本項目位于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季主要氣象災(zāi)害有寒潮、凍害、大風(fēng)、大雪、大霧等。冬季對人工濕地長效運行最大的威脅主要是低溫對人工濕地處理效果和濕地植物生長情況產(chǎn)生的不利影響。長春冬季氣溫平均-15～-5 ℃，季節(jié)凍結(jié)深度約0.7 m，濕地微生物已停止活動，為保障濕地的長效運行，在每年的11月份至次年的4月份關(guān)停前置庫提升泵站，并將垂直流濕地中的水排空。

2.6.4.2 濕地植物收割管理保障措施

人工濕地后期管理主要是濕地植物的管理，對于冬季會枯萎的濕地植物要及時進行提前收割，防止枯枝落葉掉入濕地濾料表面造成有機物重新釋放到水體中，同時還能防止濾料面層的堵塞。本項目濕地面積較大，通過小面積人工收割匯集、大面積機械清運的模式來提高工作效率，以前置庫景觀道路為脈絡(luò)，對濕地植物進行人工收割和清運。

3 工程運行效果

本工程采用的是“預(yù)處理塘+垂直潛流濕地+表流濕地”的凈化工藝，建成后各工藝單位的運行效果見表6。結(jié)果表明：前置庫生態(tài)凈化工程能夠有效削減水體污染物，出水水質(zhì)總體可以滿足設(shè)計目標(biāo)要求，其中，出水COD去除率為50.00%，年去除量為26.95 t；出水NH3-N去除率為77.73%，年去除量為1.84 t；出水TP去除率為72.92%，年去除量為0.38 t。

表6 工程運行效果

4 結(jié)論

本工程有效利用現(xiàn)狀地形條件，采用“預(yù)處理塘+垂直潛流濕地+表流濕地”前置庫凈化工藝，能有效削減永春河入八一水庫的水體污染物，出水COD去除率為50.00%，年去除量為26.95 t；出水NH3-N去除率為77.73%，年去除量為1.84 t；出水TP去除率為72.92%，年去除量為0.38 t。該工程可為北方水庫治理、水源地的生態(tài)修復(fù)提供示范與參考。