吳華崗 吳 杰 趙 燦

(上海宏波工程咨詢(xún)管理有限公司，上海 201707)

1 研究背景

上海農(nóng)場(chǎng)生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園內(nèi)湖區(qū)位于江蘇省鹽城市大豐區(qū)中北部地區(qū)。由于湖區(qū)外界水體水質(zhì)長(zhǎng)期屬于地表水Ⅴ類(lèi)甚至劣Ⅴ類(lèi)水體，而湖區(qū)水體全部引自外界，使得湖區(qū)水質(zhì)無(wú)法滿(mǎn)足生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園水景觀標(biāo)準(zhǔn)。為提高湖區(qū)水質(zhì)并保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)增強(qiáng)水體透明度，利用園區(qū)內(nèi)原引水河道構(gòu)建濕地凈化系統(tǒng)，使出水水質(zhì)中溶解氧、氨氮、總磷等指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)透明度達(dá)到1.5m以上。

2 水質(zhì)現(xiàn)狀

利用提升泵將河水提升進(jìn)入濕地，利用水生植物的吸收、同化和攔截作用，以及濕地自身的沉降功能，降低水體中有機(jī)物和固體懸浮物含量，逐級(jí)凈化后流入湖區(qū)，從而達(dá)到提升湖區(qū)水質(zhì)的目的，滿(mǎn)足湖區(qū)的生態(tài)水景觀要求。濕地凈化系統(tǒng)內(nèi)種植適應(yīng)鹽城地區(qū)自然條件、水質(zhì)凈化功能強(qiáng)以及具有一定觀賞性的植被，并對(duì)植被群落進(jìn)行合理空間布局，為鳥(niǎo)類(lèi)和水生動(dòng)物等提供適宜的生存空間，使其形成具有生物多樣性以及恢復(fù)力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、食物鏈完整的生態(tài)系統(tǒng)，從而形成優(yōu)美的自然生態(tài)景觀[1]。

為全面客觀地了解湖區(qū)以及外界水體的水質(zhì)狀況，進(jìn)行了全面細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和水質(zhì)采樣監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明水體濁度較高，呈混黃色，感官效果不佳。根據(jù)水系分布、水流方向、道路以及兩岸建設(shè)情況等特征，設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。并按照河道黑臭水體評(píng)價(jià)方法和單因子評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明3個(gè)采樣點(diǎn)水體水質(zhì)為地表水Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，局部因溶解氧含量過(guò)低，呈輕度黑臭。

表1 水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 濕地凈化系統(tǒng)模型

根據(jù)現(xiàn)狀水系特點(diǎn)，將原引水河道構(gòu)建成濕地凈化系統(tǒng)模型。模型主要包括提升泵、生物強(qiáng)化沉淀塘、梯級(jí)表流濕地以及生態(tài)溢流堰等。濕地凈化系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 濕地凈化系統(tǒng)流程

3.1 進(jìn)水系統(tǒng)

為保證濕地凈化系統(tǒng)有充分的水力停留時(shí)間，發(fā)揮其消減污染負(fù)荷和降低固體懸浮物含量的作用，必須對(duì)進(jìn)水水量進(jìn)行控制，結(jié)合湖區(qū)的容積和園區(qū)的工作時(shí)間，確定濕地凈化系統(tǒng)負(fù)荷按3000m3/d計(jì)算，提升泵采用2臺(tái)，1用1備，單泵流量0.1m3/s。

3.2 生物強(qiáng)化沉淀塘

外界水體中含有大量固體懸浮物，直接進(jìn)入梯級(jí)表流濕地，勢(shì)必影響其正常運(yùn)行，縮短其使用壽命，故在梯級(jí)表流濕地前端設(shè)置生物強(qiáng)化沉淀塘，塘內(nèi)種植莖葉發(fā)達(dá)、根系濃密的浮葉植物，充分發(fā)揮植物的吸附助凝和生物降解作用，可以降解部分有機(jī)物和沉淀固體懸浮物，從而降低梯級(jí)表流濕地的運(yùn)行負(fù)荷。為強(qiáng)化沉淀塘凈化效果，塘內(nèi)布設(shè)兩個(gè)生態(tài)浮床，單體浮床呈內(nèi)方外圓狀，面積為12m2，浮床中部方形區(qū)域種植西伯利亞鳶尾等挺水植物，外圍圓形區(qū)域種植銅錢(qián)草等浮水植物。生物強(qiáng)化沉淀塘總面積為125m2，有效水容積為150m3，以進(jìn)水量3000m3/d計(jì)算，水體停留時(shí)間約1.2h[2]。

3.3 梯級(jí)表流濕地

梯級(jí)表流濕地由挺水植物和沉水植物所搭配的雙層鑲嵌狀配置模式構(gòu)建而成，最大程度地利用不同類(lèi)型水生植物的生態(tài)特性，達(dá)到增加水生植物生物量的同時(shí)，提高水體水質(zhì)的效果。為保證表流濕地布水均勻及有效避免死水區(qū)，濕地系統(tǒng)設(shè)置4座溢流堰，將表流濕地分為3個(gè)梯級(jí)，每級(jí)間通過(guò)生態(tài)溢流堰控制水位，每級(jí)高差0.1m，從而形成跌水景觀效果，同時(shí)在每級(jí)濕地內(nèi)部設(shè)置3條導(dǎo)流埂，起到穩(wěn)定水位和二次布水的作用。

在表流濕地植物物種的選擇上，挺水植物宜選擇鄉(xiāng)土物種，如蓮藕、蓬蓮、茨菇等可食用植物；沉水植物宜選擇弱光性、耐寒的物種，如伊樂(lè)藻，伊樂(lè)藻作為一種適口性較好的植物，是極佳的魚(yú)蟹飼料，既可用于喂養(yǎng)濕地系統(tǒng)內(nèi)水生動(dòng)物，如蟹、蝦、小雜魚(yú)等，也可作為附近魚(yú)塘的天然飼養(yǎng)，以減輕魚(yú)塘養(yǎng)殖過(guò)程中的人工飼料投放量，進(jìn)而從源頭上控制水體中氨氮、總磷的含量[3]。

3.4 生態(tài)溢流堰

生態(tài)溢流堰屬于濕地凈化系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部放置生物填料，水體與填料接觸過(guò)程中，有機(jī)物會(huì)被微生物同化并在填料表面形成生物膜，生物膜吸附水體中的氨氮和磷，再由外側(cè)的好氧微生物將其分解，從而降低水體中有機(jī)物、氨氮、總磷的含量。另外生態(tài)溢流堰不僅可以穩(wěn)定濕地系統(tǒng)的水位，保證布水均勻，還可以在跌水過(guò)程中起到增氧的作用。

4 凈化能力計(jì)算分析

水力停留時(shí)間(HRT)是濕地凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要參數(shù)。停留時(shí)間過(guò)短會(huì)增強(qiáng)濕地系統(tǒng)水力負(fù)荷，凈化作用無(wú)法充分發(fā)揮；停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)造成凈化作用效率低，致使資源浪費(fèi)。因此，對(duì)濕地凈化系統(tǒng)水力停留時(shí)間(HRT)的控制尤為關(guān)鍵。參考相關(guān)研究成果，水力停留時(shí)間(HRT)一般控制在10h以上[4]。

4.1 水力停留時(shí)間計(jì)算

4.1.1 濕地表面積

濕地表面積的計(jì)算公式為

As=(Qw(lnCo-lnCe))/(Ktdn)

(1)

Kt=K20×1.1(T-20)

(2)

式中：As為濕地面積，m2；Q為設(shè)計(jì)流量，m3/d，按3000m3/d計(jì)；w為沉降速率，取0.2；Co為進(jìn)水SS含量，按26mg/L計(jì)；Ce為出水SS含量，按10mg/L計(jì)；d為介質(zhì)深度,取0.12m；n為介質(zhì)孔隙度，取0.25；Kt為與溫度相關(guān)的速率常數(shù)；K20為溫度為20℃時(shí)的反應(yīng)速率系數(shù)，取1.014；T為全年平均溫度，取25℃。

經(jīng)計(jì)算，表流濕地面積為3425m2。

4.1.2 水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間的計(jì)算公式為

HRT=V0/Q

(3)

V0=Ash

(4)

式中：V0為有效水容積，m3；Q為設(shè)計(jì)流量，m3/d；HRT為水力停留時(shí)間，h。

其中表流濕地水深h為0.4m，濕地面積As為3425m2；有效水容積V0為1370m3；設(shè)計(jì)流量Q為3000m3/d；水力停留時(shí)間HRT計(jì)算得10.96h，按11h控制，符合HRT≥10h的要求。

4.2 透明度分析

水力負(fù)荷的計(jì)算公式為

HLR=Q/As

(5)

式中：HLR為水力負(fù)荷，m/h；Q為設(shè)計(jì)流量，按3000m3/d計(jì)；As為濕地面積，按3425m2計(jì)。

經(jīng)計(jì)算可得水力負(fù)荷HLR為0.036m/h。

根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核，以無(wú)錫城北污水處理廠人工濕地實(shí)際處理分析，該濕地于2008年建成，進(jìn)水水質(zhì)為一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，水力負(fù)荷為0.18m/h，2011年同濟(jì)大學(xué)對(duì)其處理能力進(jìn)行復(fù)核監(jiān)測(cè)時(shí)，濕地出水透明度達(dá)1.5m以上，清澈見(jiàn)底。經(jīng)對(duì)比，其進(jìn)水水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)劣于本濕地進(jìn)水水質(zhì)，其水力負(fù)荷遠(yuǎn)高于本濕地水力負(fù)荷，故本濕地水體透明度達(dá)到1.5m完全可行。

4.3 出水水質(zhì)分析

無(wú)錫城北污水處理廠人工濕地溶解氧的提升率為80%，氨氮的去除率為45%，總磷的去除率為70%。參考以上標(biāo)準(zhǔn)，本次濕地凈化系統(tǒng)出水水質(zhì)中溶解氧、氨氮、總磷指標(biāo)分別為4.72mg/L、0.28mg/L、0.069mg/L，符合地表水Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表2 濕地凈化系統(tǒng)出水指標(biāo)

5 維護(hù)管理措施

濕地凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)是成功與否的關(guān)鍵，而后期的維護(hù)管理則決定著濕地凈化系統(tǒng)能否長(zhǎng)期良好運(yùn)行。維護(hù)管理措施不到位，勢(shì)必影響出水水質(zhì)，所以為保證濕地凈化系統(tǒng)的健康、完整、有序運(yùn)行，加強(qiáng)后期的維護(hù)管理，其重要性不言而喻。濕地凈化系統(tǒng)的維護(hù)管理措施主要有以下幾方面。

5.1 水生植物

水生植物的維護(hù)管理措施主要包括枯萎植株收割、死亡植株補(bǔ)種、植物花(果實(shí))的管理養(yǎng)護(hù)以及對(duì)病蟲(chóng)害、外來(lái)物種入侵的防治。一般情況下，水生植物收割后會(huì)被直接運(yùn)走，與其他垃圾混合處理，造成部分資源的浪費(fèi)。為達(dá)到資源再利用的目的，建議參考以下方式進(jìn)行處置：

a.局部水生植物不收割，轉(zhuǎn)化為濕地自身有機(jī)碳，發(fā)揮藍(lán)碳效應(yīng)并促進(jìn)降氮作用。

b.收割后的植物堆積成草垛，投放到引鳥(niǎo)區(qū)，形成人工植物島。

c.經(jīng)粉碎等簡(jiǎn)易處理后翻耕到濕地土壤表層。

d.作為稻田或耕地的堆肥，另外比較堅(jiān)硬的挺水植物可作為造紙的原料。

5.2 水生動(dòng)物

水生植物是生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者，水生動(dòng)物是生態(tài)系統(tǒng)的消費(fèi)者，底棲動(dòng)物和蝦類(lèi)則是生態(tài)系統(tǒng)的分解者。對(duì)于水生動(dòng)物，要定期觀測(cè)魚(yú)的種類(lèi)和數(shù)量，杜絕外來(lái)物種入侵，破壞生態(tài)平衡，如發(fā)現(xiàn)水面漂浮死魚(yú)、死蝦，應(yīng)及時(shí)處理，避免疾病傳播。而底棲動(dòng)物主要攝食藻類(lèi)，分泌促絮凝物質(zhì)，使水中懸浮物質(zhì)絮凝，促使水體變清。另外蝦類(lèi)可以攝食落葉、水草等形成的有機(jī)碎屑以及水生動(dòng)物的糞便、尸體等形成的有機(jī)物質(zhì)，同樣起到凈化水質(zhì)的作用[5]。

5.3 生態(tài)浮床

生態(tài)浮床應(yīng)定期巡檢，檢查是否存在破損和松散的情況，尤其鏈接扣等部位應(yīng)著重檢查是否掉落。如浮島周?chē)嬖陔s草或垃圾，應(yīng)及時(shí)清除；若部分構(gòu)件因老化損壞，或者受外界因素撞擊以及人為因素?fù)p壞時(shí)，應(yīng)根據(jù)損壞程度和部位進(jìn)行修復(fù)或更換，同時(shí)在相應(yīng)的位置補(bǔ)種水生植物。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析現(xiàn)狀水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算出水力停留時(shí)間和水力負(fù)荷的同時(shí)，參考相關(guān)研究成果和無(wú)錫城北污水處理廠人工濕地的成功案例，得出結(jié)論：本濕地凈化系統(tǒng)的出水水質(zhì)中溶解氧、氨氮、總磷等指標(biāo)可以達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，透明度可達(dá)到1.5m以上，滿(mǎn)足水質(zhì)目標(biāo)。但還需加強(qiáng)后期的養(yǎng)護(hù)與管理，為其保駕護(hù)航，以達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定的目的，從而滿(mǎn)足園區(qū)的生態(tài)水景觀的要求。