河道人工濕地水質(zhì)凈化工藝設(shè)計

張德同，錢福娜

（1.濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責(zé)任公司，濟南 250101；2.中國城市建設(shè)研究院有限公司山東分院，濟南 250000）

河流是重要的生態(tài)廊道，在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。它不僅是動植物的棲息地和繁殖地，也是各種營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入其他介質(zhì)的通道。河流濕地可以凈化水質(zhì)，因此要合理構(gòu)建河道人工濕地，優(yōu)化水質(zhì)凈化工藝，改善河道水環(huán)境[1-3]。河道水質(zhì)凈化意義重大，可以保障社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益的統(tǒng)一。人工濕地通過物理、化學(xué)與生物的三重協(xié)同作用，高效降解水體污染物，降低水體富營養(yǎng)化水平，提高水質(zhì)，修復(fù)流域生態(tài)環(huán)境。同時，流域保持生態(tài)平衡，自然災(zāi)害減少，居民生活水平得到提高，可以促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。人工濕地的建設(shè)和運營可以確保廢水中污染物得到有效去除，使得出水達(dá)標(biāo)排放。同時，可以為許多生物提供棲息地，提高水生生物的多樣性，增強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保持生態(tài)平衡，顯著改善區(qū)域環(huán)境[4-7]。

1 人工濕地水質(zhì)凈化機制

人工濕地可以有效處理廢水中有機污染物，部分可以作為營養(yǎng)物質(zhì)直接被植物吸收。河道人工濕地內(nèi)，微生物通過生物代謝來降解廢水中的有機污染物。人工濕地的污染物去除機理有水生植物吸收、微生物循環(huán)、硝化與反硝化。水生植物能夠直接吸取大量無機氮，植物根部可提供營養(yǎng)，從而形成好氧區(qū)，加快微生物的新陳代謝。有機磷是植物生長必需的營養(yǎng)成分，微生物可以收集并吸收磷。人工濕地可以通過植物根系富集重金屬，從而降低重金屬的危險性，讓土壤更加安全。表流濕地的基礎(chǔ)可以使用礫石、沸石和火山石[8-10]。

2 水質(zhì)凈化工藝設(shè)計方案

某河流全長為7.1 km，防洪、資源配置和生態(tài)安全功能突出，但上游水質(zhì)較差。上游村莊污水和生活垃圾未集中收集處理，雨水和垃圾混合產(chǎn)生氨氮含量高的廢水。廢水未經(jīng)收集處理直接排入河流，造成上游水污染。河水呈黑色，有臭味。河床生長大量水生植物，但缺乏沉水植物，河道生態(tài)系統(tǒng)不完整，生物多樣性有待改善。本項目采用人工濕地作為水質(zhì)凈化工藝，從而改善區(qū)域水質(zhì)，修復(fù)河流生態(tài)環(huán)境。

2.1 設(shè)計原則

改善當(dāng)?shù)厮h(huán)境對流域水污染治理至關(guān)重要。因此，要強化河道的自凈能力，加強生態(tài)環(huán)境保護(hù)，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)計時必須遵循相應(yīng)原則，選擇經(jīng)濟實用的工藝方案，確保項目高效穩(wěn)定運行和水質(zhì)可靠，節(jié)約基礎(chǔ)設(shè)施投資，降低運營成本[11-13]。一是工藝成熟，處理效率穩(wěn)定，確保出水質(zhì)量符合國家和地方規(guī)定，滿足用戶要求；二是投資和運營成本低，以盡量減少投資；三是操作方便，維護(hù)和管理方便，過程控制靈活可調(diào)，可根據(jù)不同的進(jìn)出口水質(zhì)要求和水量變化調(diào)整操作模式和工藝參數(shù)，最大限度地發(fā)揮設(shè)備性能；四是選用的技術(shù)和設(shè)備先進(jìn)可靠；五是推進(jìn)智能控制，加強管理，減少成本損耗；六是河流污染控制技術(shù)應(yīng)與河流生態(tài)系統(tǒng)相適應(yīng)，盡可能恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的功能，以保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境。通常，河流污染控制技術(shù)分為物理法、化學(xué)法和生物法。

2.2 方案比選

方案比選中，各個項目的單項最高分值為5 分，最低分值為1 分。不同工藝方案綜合性能為各個單項分值的總和，總分值越高，綜合性能越好，比選結(jié)果如表1所示。生物法得分最高，綜合評價結(jié)果遙遙領(lǐng)先。綜合考慮進(jìn)出水水質(zhì)、場地條件和工藝比選結(jié)果，采用生物法對河道水環(huán)境進(jìn)行治理。經(jīng)過細(xì)化設(shè)計，本項目采用多級表流濕地+生態(tài)塘組合工藝。

表1 工藝方案比選結(jié)果

3 水質(zhì)凈化系統(tǒng)設(shè)計

表流濕地中，植物的根、莖、葉都可以固定污染物，同時寄生在植物上的微生物也能發(fā)揮相應(yīng)作用。表流濕地設(shè)置1 個生物累積池，以提高污染物的去除率。作為一種環(huán)境友好的水質(zhì)凈化技術(shù)，生物法具有投資低、易于使用和管理、效益高等優(yōu)點。除了改善水質(zhì)，表流濕地還為微生物、動物提供棲息地，有效蓄水、儲存洪水，讓生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)固，調(diào)節(jié)局部小氣候。表流濕地內(nèi)，細(xì)菌和藻類共生，二者協(xié)同處理廢水。表流濕地中存在大量的微生物、水生植物、水生動物，它們都可以通過自身機理清除有機污染物。人工濕地設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 人工濕地設(shè)計參數(shù)

3.1 溢流堰設(shè)計

溢流堰可以保持河流水位，為河流中水生植物的正常生長提供必要環(huán)境，擴大濕地面積，實現(xiàn)水資源的均勻分配，并為同一水位的處理系統(tǒng)提供相同負(fù)荷，防止短路和積水，延長水力停留時間，改善水質(zhì)。凈化過程還增加溶解氧濃度，這有助于凈化水質(zhì)，增加濕地景觀。溢流堰設(shè)計長度為300 m，材料為漿砌石。

3.2 生態(tài)駁岸設(shè)計

河道兩側(cè)建造生態(tài)駁岸，既提高河床結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又提高水質(zhì)凈化能力，攔截和吸收農(nóng)田排放的氮、磷和其他養(yǎng)分。生態(tài)駁岸可以減少污染物排放，實現(xiàn)河流生態(tài)修復(fù)。生態(tài)駁岸設(shè)計占地面積為30 000 m2。

3.3 河道清淤設(shè)計

黑臭河道一般淤積比較嚴(yán)重，應(yīng)進(jìn)行河道清淤，清除底泥中的病原性物質(zhì)、重金屬，減少不利因素，為生態(tài)修復(fù)打下基礎(chǔ)。河道設(shè)計清淤深度為1～2 m，清淤長度約為16.6 km，清淤量為261 620 m3。

3.4 提升泵站、輸水渠及管道工程設(shè)計

一是新建西環(huán)污水管道。該河道北側(cè)管道長約為420 m，混凝土管道直徑為600 mm，管道直接接入市政管網(wǎng)。該河道北側(cè)管道原設(shè)計為直接通往污水處理廠，實際是匯集到南側(cè)污水管道，經(jīng)提升泵站后進(jìn)入污水處理廠，導(dǎo)致南側(cè)污水管網(wǎng)輸送能力不足。北側(cè)污水管道全長約為1 730 m，管徑為800 mm。二是新建污水提升泵站。計劃在河道北側(cè)修建一座提升泵站，泵站設(shè)計規(guī)模為2.0 萬t/d。提升泵站收集的污水經(jīng)提升后匯入新建的污水管道內(nèi)，最終進(jìn)入污水處理廠。潛水排污泵配置3 臺，兩用一備。

3.5 植物的選擇與配置

選擇植物時，要綜合考慮環(huán)境適應(yīng)性、根系發(fā)育、經(jīng)濟價值和美學(xué)要求等因素。植物選擇要堅持4 個原則。一是因地制宜。依據(jù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境特征，選擇適應(yīng)本地氣候的水生植物。二是經(jīng)濟效益。要選擇綜合利用價值高的水生植物。三是生物多樣性。合理利用水生植物、水生動物和微生物的優(yōu)勢，最大限度地利用當(dāng)?shù)刂参铮謴?fù)生物多樣性。四是景觀協(xié)調(diào)。在凈化水質(zhì)的同時，結(jié)合景觀美化，提高濕地景觀效果。根據(jù)環(huán)境條件和群落特征，在空間和時間分布方面優(yōu)化植物群落的配置，建立穩(wěn)定和可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)，凈化水質(zhì)[14-16]。一般來說，當(dāng)?shù)爻Ｒ姷闹参锶郝浣Y(jié)構(gòu)必定是具有價值的物種，經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益往往比較顯著。

4 結(jié)論

人工濕地水質(zhì)凈化機制多樣，經(jīng)水質(zhì)凈化工藝設(shè)計方案比選，本項目采用多級表流濕地+生態(tài)塘組合工藝，構(gòu)建水質(zhì)凈化系統(tǒng)，有效凈化河道水質(zhì)。與傳統(tǒng)污水處理方法相比，人工濕地運行成本較低，水質(zhì)凈化效果較好，使用壽命較長，維護(hù)方便，應(yīng)用前景廣闊。