復合型人工濕地在河流治理中的應用

　　摘要 根據某流域山區河流自然環境現狀特征及北方冬季寒冷的特點，采用“雙腎型”布水方案，設計構建生態護岸+生態溝+人工表面流濕地+人工潛流濕地復合型凈化系統處理受污染河水。通過恢復濕地植物，協調水與動植物的關系，健全其濕地生態系統，促進濕地自然發育，提高生物多樣性。復合型人工濕地明顯提高了污染物去除效率，為河流水質穩定達標提供了技術支撐。

　　關鍵詞 山區河流;受污染河水;復合型凈化系統;穩定達標

　　人工濕地是一種新型污水生態處理技術，它是以太陽能為驅動力，在植物、微生物和介質共同作用下達到凈化水質的目的，具有投資少、運行管理方便、出水水質穩定、景觀效果好、經濟效益可持續等優點，是處理污水不可或缺的技術之一[1-3]。人工濕地被廣泛應用于凈化工業廢水、污水處理廠尾水、農村生活污水、垃圾滲濾液、河流微污染水、農田排水、降雨徑流及冰雪融水等[4-8]。根據人工濕地系統中水流方式的不同，人工濕地可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地。針對不同的進水水質特點和地區景觀特點，選擇合適的濕地類型、基質類型、植物種類和配置方式以及運行參數，是濕地穩定高效運行的關鍵。近幾年研究表明復合型人工濕地在凈化水質方面有較大優勢，可以有效將各種濕地的優點相結合，對污水水質的改善遠高于單一濕地系統的應用[9-11]。王堅等[12]綜合水平流人工濕地和垂直流人工濕地的優點，在山西省沁河干流建設了復合潛流人工濕地，運行及水質檢測結果表明該濕地能夠克服國內人工濕地普遍除磷能力不足的缺點，取得較好的除磷效果，在冬季運行期也具有較好的效益。

　　該研究充分發揮各類人工濕地處理工藝的優點并考慮河道現狀格局、土地利用現狀、冬季運行、景觀協調等，利用土地面積，提高濕地凈化效率，對各個區域進行功能劃分，設計水體流線，將區域進行優化組合設計，形成整體濕地水質凈化工程。在原理方面，垂直潛流人工濕地單元水流方式為“U”字型，河水在不同基質填料層以及填料上微生物種群的作用下降解污染物。同時，由于采用挺水植物，通過植物莖葉由上而下傳遞的氧氣增加了污水溶解氧，故可以在垂直潛流人工濕地中形成多出好氧和缺氧環境[13]。污水以垂直、水平、表面迂回流動的方式通過填料縫隙、表面，進而與植物相接觸，并適當增大了系統的水力停留時間，在水流通過過程中水生動、植物以及微生物和基質等對污水進行多級處理和凈化，不僅有利于系統脫氮能力的提高，而且有利于水力流態的優化和濕地系統凈化效果的改善。

　　1 設計方案

　　該研究所建設的復合潛流人工濕地位于永定河懷來段，占地面積5 000 m2，采用了潛流濕地+表流濕地處理工藝，且濕地大部分區域為表流濕地。同時為了防止突發洪水等意外情況，設置了調節池或應急池;設計水力負荷為0.06～0.10 m3/(m2·d)，有效水深為0.5 m，水力停留時間為1～2 d;選取當地物種，該設計有蘆葦、香蒲、花藺、狐尾藻、眼子菜、菹草等;采用塊石、木樁、植物、生態界面等材料構建多孔隙生態堤岸，營造一個健康美麗的堤防生態系統;在濕地內設置多條生態溝，主要考慮冬季運行情況下，生態溝與主河道水流接近，通過深溝與凈水基質的設計，實現冬季保溫和達標運行。

　　1.1 工藝流程

　　將受污河水經泵站或自流式分水口進入蓄水池(預沉池)，經初步預處理后進入復合型人工濕地，經濕地處理后的水體進入清水池，水體經清水池再次沉淀后排放進入河道，如圖1所示。

　　1.2 總體布局

　　入口處設計蓄水池，對河水進行初次攔截和沉淀作用;中部濕地設計為復合型濕地(表流+潛流)，表流濕地主要有蘆葦區、荷花區、香蒲區分布在兩側，潛流濕地即為生態溝布設在中間;濕地采用生態護岸設計;濕地出口布設清水池，對濕地出水進行二次沉淀后外排，充分發揮植被的水質凈化能力和景觀功能，促進復合型濕地生態系統的穩定。布水方案采用“雙腎式”，即河道水進入蓄水池沉淀后，先流經右側潛流和香蒲區，然后經地下暗管流經荷花區與蘆葦區，再流經濕地中間的生態溝，最后由靜水池流出。這種布局增大了系統的水力停留時間，有利于水力流態的優化和濕地系統凈化效果的改善。總體布局方案見圖 2。

　　1.3 設計參數

　　1.3.1 蓄水池。

　　蓄水池(沉淀池)采用生態凈水水泥結構，池體長20 m、寬15 m、深1.5 m，設計水力停留時間24 h。蓄水池中間布設人工水草100 m2(生物掛膜)，如圖3所示。凈水水泥起到水體與土壤溝通作用，水分子、營養鹽及微生物等可透過水泥與土壤自由交換，創造水體生態微環境。人工水草(掛膜)作用是消除水體還原性氧化環境，為水體微生物提供適宜環境。

　　1.3.2 濕地設計。

　　濕地長100 m、寬50 m、基底深1.5 m;內部布設生態溝5條120 m(深1.0 m);溢流濕地1 000 m2，淺灘/臺地蘆葦區500 m2，香蒲區500 m2(水深0.5 m);荷花及沉水植物區1 000 m2;生態護岸1 000 m2;外堤種植草木綠地500 m2。

　　潛流濕地分為潛流區和溢流區，采用下行流+上行流的組合工藝，先由下行流子單元上層布水，水流向下通過潛流區多層填料和植物的凈化后，由底部集水進入上行流子單元;此時為下層布水，水流向上通過溢流區多層填料和植物的凈化后溢流進入下一級濕地。潛流區由下至上依次為夯素土層、細沙層、厚火石巖陶粒層、海綿支撐層、碎石填料層，位于厚火石巖陶粒層中預埋有填料;溢流區由上至下依次為碎石填料層、夯素土層、細沙層、厚火石巖陶粒層。位于潛流區和溢流區中都生長挺水植物，挺水植物為選擇小香蒲、浮葉眼子菜、花藺及菹草中任意一種或者多種的組合，且在冬季將花藺、浮葉眼子菜及小香蒲進行收割，種植密度10～20株/m2。

　　蘆葦區種植密度30～50株/m2;香蒲區種植密度20～30株/m2;荷花區內部水域種植藨草、花藺、馬來眼子菜、荷花等，密度10～20株/m2;邊界種植蘆葦、菹草、扇葉水毛茛、聚草、伊樂藻、穗花狐尾藻、金魚藻等(菹草、扇葉水毛茛、聚草能夠冬季冰下生長，伊樂藻能夠在初春生長，穗花狐尾藻、金魚藻夏秋季節生長良好);外堤楊柳種植密度0.02株/m;內部生態溝與邊界坡降0.1～0.2。

　　1.3.3 生態溝。

　　4條溝長120 m、寬3～5 m、平均深度1.0 m，水力坡度0.015。生態水泥凈化溝：長120 m、寬3 m、平均深度1.5 m。主要種植菹草(最小生長水深30 cm，可在1～2 m深水中生長，要求水下有泥土，水深1.5 m時菹草的株高最高);生態溝水力坡度0.015;濕地內溝菹草種植密度20株/m2。

　　1.3.4 清水池。

　　清水池采用生態水泥結構，池體長15 m、寬15 m、深3 m，設計水力停留時間24 h。

　　2 運行效果及成本

　　在復合型人工濕地入口和出口處各設置1個取樣點，于2018年9月至2019年3月平均每月連續取樣1次，其中2019年1月和2月因冰封期停測2次，總計取樣5次。由圖4可知，復合型人工濕地COD去除率為20%～43%，尤其冬季12月去除率仍可達20%。氨氮去除率為11%～43%，尤其冬季12月去除率仍可達16%。該濕地通過沉積作用、植物吸收以及土壤的吸附、截留、過濾和微生物分解等作用，可以有效降低COD、氨氮濃度[14]。

　　投資和運行成本與所處地域條件、水質水量、選取的組合工藝以及排放標準等因素有關[15]。該濕地選用的填料以及植物均為常見物種，投資較低且運行維護簡單，只需定期清除雜草、枯死植株。

　　3 結論

　　該研究結合當地山區河流自然環境現狀特征及北方冬季寒冷的特點，在現有技術中提升潛流濕地的搭配組合，設

　　計并構建了一種“雙腎型”潛流根系凈化濕地，通過恢復濕地植物，協調水與動植物的關系，健全其濕地生態系統，“雙腎式”型布水方式，增大了系統的水力停留時間，有利于水力流態的優化和濕地系統凈化效果的改善，起到保障河流水質的生態屏障作用。

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