人工湿地工程可行性研究

摘要：随着浊漳河南源沿线城镇化、工业化发展步入快车道，流域内取水量和污水排放量增加，河道自净能力下降，水体污染日益严重。随着洁净能源、电力、煤化工、钢铁等产业的发展，相应的水资源消耗量和废水排放量都会有大的增加。浊漳河南源段人工湿地水质净化工程的实施，是改善水质的需要，是实现水污染防治和环境保护规划目标的重要举措。

关键词：人工湿地；环境效益；改善水质

1工程概况

近年来，随着浊漳河南源沿线城镇化、工业化发展步入快车道，人民生活水平不断提高，工业用水和生活用水逐渐增多，随之而来的是流域内取水量和污水排放量的增加，河流自然径流减少，河道自净能力下降，水体污染日益严重。工程场地位于浊漳河南源的漳河大桥上游，工程涉及范围为浊漳河及浊漳河两岸的未利用区域。主要内容为湿地设计、河道壅水建筑物设计及堤防加固等。主要工程项目：液压钢坝闸3座、格宾石笼生态护岸10km、景观林带800万m2、河道疏浚清淤75万m3。项目总投资为3.1亿元。

2浊漳河南源流域污染现状

由于工业、农业的发展和城镇建设等原因，浊漳河南源上游排放的工业废水和生活污水总量日趋增多，其污染源主要是一些钢铁、煤炭和后续化产品企业，部分企业偷排偷放严重超标的工业废水和生活污水，致使浊漳河水污染加重，河道生态受损，其自净能力直线下降，浊漳河流域生态系统遭受到严重破坏，污染河水的渗透也造成了地下水的严重污染。浊漳河南源监测断面位于工程建设区下游，该控制断面能较好地反映湿地工程建设前的水质状况。今后浊漳河南源流域的工业仍会高速发展，流域正在构建以煤为基础的产业链，随着洁净能源、电力、煤化工、钢铁等产业的发展，相应的水资源消耗量和废水排放量都会有大的增加。浊漳河南源本段人工湿地水质净化工程的实施，既是改善水质的需要，也是实现水污染防治和环境保护规划目标的重要举措。

3人工湿地方案比选

依照水利形态及处置方式的不同，人工湿地一般分为如下3类：表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地。表面形式人工湿地其水面一般位于湿地的基质层之上，该种方式的污水一般以较慢的形式流经湿地表面；人工潜流方式水流一般位于湿地基质层之下，该层次具有过滤水流的作用；垂直流人工湿地水流方向与根系方向一般为垂直的状态，此种形式的填料床上一般为自上至下的流通效果。通过对这3种湿地类型进行比选，以最终确定本工程采用的湿地类型。

3.1表面流人工湿地

表面流人工湿地（FWS）是各类型人工湿地中最接近自然湿地的一种类型，由于不需要砂和砾石作为基质，只要将现有的河道、低洼地稍加改造即可形成表面流人工湿地，改造后也不影响原有河网的防洪、泄洪功能以及低洼地的土地功能。污水在表面流人工湿地基质的表面上漫流，水面充分暴露在空气中，氧通过水面扩散补给。一般表面流人工湿地是利用天然沼泽、废弃河道等洼地改造而成，也可以利用池塘或渠道等构建而成。人工湿地池体或渠道间都装设隔墙隔离，通常在池底部也会铺设防水材料（如HDPE膜等）以防止污水下渗，避免污染地下水。湿地池中通常填有土壤、沙、煤渣或其他基质材料，供水生植物繁殖扎稳根系。表面流人工湿地水位较浅，水体流速较慢，一般以水平流的流态流经各个处理环节。大多数有机物的处理是依靠生长在水下植物的下茎或杆上的生物膜来完成，因次，不能充分利用填料及丰富的植物根系。表流人工湿地的水面位于人工湿地基质以上，其水深多为0.20~0.40m。基于此种人工湿地，污水以较为缓慢的流速进入人工湿地的表层，并存在部分蒸发，部分渗入湿地的可能，但大部分会经出水溢流堰流出。对于表面人工湿地结构进行研究时不难发现，接近水面部分为好氧层，底部部分为厌氧层。考虑到湿地植物对阳光有所遮挡，这样就不会存在藻类大量滋生的可能。可以种植芦苇、水葱、香蒲、灯芯草等挺水植物，凤眼莲、浮萍、睡莲等浮水植物，以及伊乐藻、茨藻、金鱼藻、黑藻等沉水植物。还可以种植慈姑、雨久花、玉蝉花、千屈菜、黄菖蒲、泽泻等水生花卉类的观赏植物，既可以处理污水，也可以美化环境。对于表面人工湿地的作用机理进行如下总结：对于悬浮物来说，植物与基质层具有不错的节流效果。对于淹没在水中的植物根、叶等，在其表面上容易形成生物膜，这对于水的净化，有机物及营养物的净化都能起到较好的效果。对于表面流人工湿地进行研究发现，该方案具备如下优点：（1）先期投资及运维费用相对低廉；（2）不论是建造、还是后期的运维，操作相对简单；（3）该方案对于土质要求相对较低；（4）该方案更适合针对水污染含量不高的污水。主要缺点有：（1）该方案占用土地资源较多；（2）该方案在冬季，气候寒冷，存在结冰的可能，因此不合适严寒区域；（3）如果处置不当，可能滋生蚊蝇，严重时会有臭味；（4）为避免蚊子与臭味对附近居民生活产生影响，项目选址需尽可能远离住宅区，或者选择下方向选址建设。

3.2水平潜流人工湿地

水平潜流人工湿地（HF）是现阶段世界上应用相对较为广泛的污水处理系统，其水面位于基质层以下，该方案具体基于各种填料的芦苇床等植物系统。水平潜流人工湿地由上、下2层组成。其中土壤位于上层，根系层位于下层，但下层易于使水流通，如粒径较大的砾石、炉渣或砂层等，在上层土壤中种植芦苇、菖蒲、香蒲、水葱等水生、沼生与湿生植物。对于人工湿地的下面需要铺置防渗透层，铺设防渗膜也是不错的选择，此举可以很好地防止污水渗漏，保证了地下水及地表水不受污染。对于人工湿地技术处理，要确保其具有一定角度坡度，这样可以很好地确保水流从根系层、基质层缓慢流动，并要在出口安装水位调节装置，同时集水装置也是该系统必须具备的，这样可以保证污水与人工湿地的植物根系层充分接触。考虑到植物根系释放氧会导致周边可能存在好氧、缺氧与厌氧3种可能，这是进一步去除污染物的重要环节，对于除氮也有显著效果。填料和植物根系的存在，为微生物提供相应的载体，这种“微环境”的存在，可以去除有机污染物。与此同时，对供污水载流也可以提供一定便捷条件。大气中的复氧，为水平潜流人工湿地提供反应所需氧气，但存在含量不足的问题，导致脱氮效率会有所降低。如果对人工湿地污水进行硝化处置，可极大促进除氮效率。对于水平潜流人工湿地进行研究，总结该种方案具备如下优点：（1）该种方案是在充分利用湿地空间的基础上，对于植物、微生物及基质之间尽可能发挥协同作用，在此种技术背景下，其处理能力显著强于表面流人工湿地系统；（2）该种方案下的污水流动区间基本上是地面以下，保证了污水的保温效果，尤其适合于寒冷区域污水处理；（3）该种方案具备较好的卫生条件，因此可以被广泛推广应用。但此种方案也具有一定的弊端，首先，项目存在建设成本高的缺点；除此之外，管理方面也比表面流人工湿地要复杂一些。

3.3垂直流人工湿地

垂直流人工湿地（VF）具有垂直状态的水流方向特征，水流自上而下流动，一般将人工湿地底部安装出水装置。该技术可以提高氧与基质层之间的转移效率，在表层通畅放置砂层，这主要考虑到砂层具有良好的通透性，可实现间歇性进水的效果。当污水处在砂石床之上时，会逐步向垂直层渗透，并由安装在底部的集水管网对其进行收集，最后直至排出至污水处置系统。可在下次进水的间隙，考虑投配，此举可以使污水与空气进行有效接触，进而实现高氧转移效率，大气中氧气可以通过灌溉期的排水、停灌期的通风和植物传输进入人工湿地污水处理系统，由此来提高BOD去除和氨氮硝化的效果。湿地植物也会通过根向根区转移一部分氧。垂直流人工湿地与生物滤池的原理近似。它对悬浮物处理效果不好，这可能是由间歇配水造成短时间内水力负荷提高造成的。通常情况下不单独使用垂直流人工湿地，一般将它置于两级水平潜流人工湿地之间，由前级水平潜流人工湿地完成悬浮物和BOD的去除及有机氮的氨化作用，垂直流人工湿地完成氨氮的硝化作用，后一级水平潜流人工湿地完成反硝化作用。垂直流人工湿地系统节约建设土地面积，利于脱氮、除磷，而且污水处理效果稳定，单位面积处理效率高，硝化能力高于水平潜流人工湿地。垂直流人工湿地具有相对较少的死区，如果进水分布均匀，对水体的复氧有一定的作用，独特的布水过程中增加的空气层以及人工湿地中的生物特别是微生物的代谢活动所产生的热量，为垂直潜流人工湿地在冬季的正常运行创造了有利条件。但其对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地，建造条件要求较高，建造费用也高，较易滋生蚊蝇，需要在气候温暖的地区建设，目前应用比水平潜流型人工湿地少。垂直流人工湿地主要优点在于：（1）存在污染物高效处置且效果稳定的优势；（2）该方案同时也具备较高的单位处理效率，相比较于水平潜流人工湿地来说，具有较高的硝化能力；（3）此种方式不需占用过多的土地资源。在实际运行过程中，也暴露出如下缺点：（1）相较于人工湿地与水平潜流人工湿地，垂直流人工湿地具有较高的建设投资费用；（2）管理相对难于表面流人工湿地；（3）应用区域比较局限，仅适合温暖地区使用，不适合寒冷地区应用；（4）有滋生蚊蝇可能性；（5）有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地。综合对比了3种人工湿地污水处理方案的主要技术指标。水平潜流人工湿地相对于表面流人工湿地具有水力负荷和污染负荷较大、受气候条件影响较小、且卫生条件较好等优点；虽然水平潜流人工湿地相比于垂直流人工湿地来说对污水氨氮的硝化和除磷的效果略低，但该工艺技术较为成熟，基建及运行费用较低，管理和维修较为简单，对管理人员的业务素质要求不高。因此，选用水平潜流人工湿地作为本项目人工湿地污水生态处理的主要工艺。

4人工湿地设计

4.1人工湿地处理工艺确定

近些年来，国内外学者对湿地与城市污水净化之间关系展开了一系列研究，得出了将湿地作为低廉、低能耗且高效的处理城市污水方法，并先后在多个城市开展试验得到证实，在实际应用中取得显著效果。其中以利用天然和半天然湿地系统来处理城市污水处理厂出水最为普遍。在美国，污水与湿地之间的组合形式主要包括：（1）处理水进入天然湿地处置；（2）利用天然湿地进行三级处理；（3）利用处理水修复、重建湿地等。上述几种形式的主要目的都在于利用湿地生态系统来充分利用水和水中的营养物。在美国已有数十个大型天然湿地用于城市污水处理厂二级处理水的深度净化。国外学者还研究了湿地系统中多种挺水植物对BOD5、CODcr、SS、N和P的去除能力，发现芦苇的综合去除能力最佳。在20世纪的70~80年代期间，我国针对城市污水湿地问题陆续开展相关技术项目，并得出多种有效的净化工艺方法，建立规模不同的示范工程。研究发现，采用芦苇湿地系统的策略，对进一步降低污水中的有机污染物，净化水系统，降低N、P等营养物，降低重金属等都具有显著效果。作为一项投资较少且见效快的项目，芦苇湿地系统同时具备后期维护运行成本低、操作方法相对较为便捷的优点，是对城市污水进行二次处理及利用的一种有效方法。对于湿地常用工艺类型进行分析不难发现，可分为表面流湿地和潜流湿地2种。现阶段城市二级处理水深度净化技术，普遍采用水平潜流湿地工艺。鉴于此，本项目研究方法也采用水平潜流湿地。本项目人工湿地生态修复工程完工后，应开展生态环境效益评估。针对工程近、远期目标，应补充阶段性生态环境效益评估。生态环境效益评估采用定性和定量相结合的方法，对本项目生物多样性保护、水质净化效益、水土保持与护岸等生态环境效益进行评估。

4.2生物多样性保护效益评估

生物多样性保护效益包括人工湿地生态修复工程自身的生物多样性保护效益和对整个河道的生物多样性保护效益。人工湿地生态修复工程自身的生物多样性保护效益通过湿地生态修复面积、修复区新增物种数、生物多样性指数等指标，利用数理统计法或打分法进行定量或半定量评估。本项目实施后对河道的生物多样性保护效益评估包括对河道水生植物、鱼类栖息地、水鸟栖息地保护等进行定性或半定量的评估。

4.3水体净化效益评估

对水体中COD、氮、磷的净化量和净化效率进行主要估算。河道是个半开放体系，其水体净化效益较难定量评估，故通常以单项工程来实施对进出水水质指标控制。本项目采用人工湿地生态修复工艺，其污染物去除效果由进出水指标及处理污水规模进行估算。其中COD、TN、TP作为主要污染物去除指标，其每年污染物减少量为：COD：438t/a；TN：291t/a；TP：18.3t/a；HN3-H：109.5t/a。基于此研究，该项目社会稳定风险不高，但存在个体矛盾冲突的现象。基于上述隐患，已经采取对应防范风险对策，尽可能地消除潜在风险。不可否认，实施后的效果一定程度上是取决于防范措施的执行力度的。本项目的建设不仅对项目区内荒地等进行整理，恢复其生态功能，形成人工湿地，使项目具有生态、水质改善、环境、经济等多种效益。在项目实施后，对改善郊区生态环境及浊漳河河道水质有极大的促进作用。

5结语

（1）本项目处理对象为浊漳河南源的受污河水，设计处理规模为12万m3/d，受污河水原水质属于地表水环境质量劣V类水质，经本工程处理后达到地表水环境质量Ⅴ类水标准。（2）本项目在一定程度上对浊漳河南源起到削减入河污染量、改善湖滨生态的作用，对本区河道水环境改善和生态系统修复起到积极作用。（3）本项目工程内容包括河道拦水坝工程、水平潜流人工湿地29万m2。（4）环境效益包括入河污染物负荷削减、净化水质、恢复河道生态系统等。另有积极的社会效益和经济效益。（5）该项目方案在经济、技术、环境、社会方面都是可行的。

作者：史艳杰 单位：太原理工大学环境科学与工程学院