汪鵬合

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

前 言

作為世界上唯一養(yǎng)殖水產(chǎn)品總量超過捕撈總量的主要漁業(yè)國家，中國2018年的水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量超過5 000萬t，占我國水產(chǎn)品總產(chǎn)量的比重達78%以上。與此同時，大量養(yǎng)殖尾水的排放對周邊水環(huán)境造成污染的問題也不容回避。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水無害化處理與高效回用成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)能否適應(yīng)新時代綠色發(fā)展要求的關(guān)鍵。

人工濕地—穩(wěn)定塘技術(shù)水力停留時間長，氧化還原環(huán)境變化豐富，可充分利用濕地植物—基質(zhì)—微生物的協(xié)同凈化作用，對污水中的氮、磷和有機污染物等都表現(xiàn)出較好的去除效果，同時作為一種自然污水處理工藝，投資小、運維管理方便，近年來在國內(nèi)外得以廣泛應(yīng)用[1～3]。

本文介紹了連云港市香河生態(tài)園淡水養(yǎng)殖尾水凈化濕地的設(shè)計方案，對土壤鹽度影響、水生態(tài)系統(tǒng)配置、生態(tài)景觀融合設(shè)計和項目的經(jīng)濟生態(tài)效益等開展了探討，以期為我國其它地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的生態(tài)化處理工程提供參考。

1 項目概況

本項目位于江蘇省連云港市徐圩新區(qū)。區(qū)域?qū)倥瘻貛暇墲駶櫺约撅L(fēng)氣候，兼有暖溫帶和北亞熱帶氣候特征；年平均氣溫14℃，最高氣溫40℃，最低氣溫-18.1℃。多年平均降雨量900.9mm，其中70%以上集中于6～9月份。多年平均蒸發(fā)量為855.1mm，年平均最大蒸發(fā)量為961.3mm，見圖1。

圖1 項目區(qū)域位置圖Fig.1 Location map of the project area

香河生態(tài)園水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)包括養(yǎng)殖塘區(qū)、生態(tài)凈化區(qū)和管理服務(wù)區(qū)，規(guī)劃面積分別為1 700畝、800畝(其中水域面積500畝)和10畝。作為處理和凈化養(yǎng)殖尾水的平臺，生態(tài)凈化區(qū)在項目建設(shè)中居于核心地位，其建設(shè)、運營的成敗，關(guān)系著項目建設(shè)的全局。

養(yǎng)殖塘設(shè)計為壓力管進水，出水通過集水渠排入生態(tài)凈化區(qū)，凈化后出水經(jīng)南側(cè)排水渠向西自流排至東辛農(nóng)場界河，或向東泵提至燒香支河。兩河遠(yuǎn)期水環(huán)境規(guī)劃目標(biāo)水質(zhì)為地表水Ⅲ類。

2 任務(wù)和目標(biāo)

本生態(tài)凈化系統(tǒng)所服務(wù)的養(yǎng)殖塘總蓄水量為230萬m3，集中排水時間約100d，因此，設(shè)計本系統(tǒng)處理規(guī)模為2.5萬m3/d。系統(tǒng)進水水質(zhì)指標(biāo)參照當(dāng)?shù)氐a(chǎn)養(yǎng)殖尾水水質(zhì)；系統(tǒng)出水水質(zhì)綜合參照《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》(SC/T9101-2007)二級標(biāo)準(zhǔn)、《中華人民共和國漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB11607-89)和《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量》(NY/T391-2009)確定。具體設(shè)計進出水水質(zhì)指標(biāo)如表1。

表1 生態(tài)凈化系統(tǒng)進出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Inlet and owtlet water quality index of the eco-purification system

3 生態(tài)凈化濕地方案設(shè)計

3.1 工藝及參數(shù)設(shè)計

3.1.1 主體工藝比選

本項目初步擬定三個方案進行比選。

方案一(高效沉淀池+潛流人工濕地+塘濕地)：潛流人工濕地易發(fā)生基質(zhì)堵塞，需在前端設(shè)置較大面積的預(yù)處理單元。因此，本方案工程建造費用和運維復(fù)雜程度均較高。

方案二(自然沉淀+表面流人工濕地+塘濕地)：相較潛流濕地而言，表面流濕地的水力負(fù)荷和污染負(fù)荷均較低。因此，本方案工程占地面積較大。

方案三(自然沉淀+復(fù)合表面流人工濕地+塘濕地)：復(fù)合表流人工濕地是傳統(tǒng)表面流人工濕地的改進型，包括挺水植物、沉水植物和吸附性填料等重要組分，可綜合利用填料、植物和地形塑造等提高污染物降解效率。相較普通的表面流濕地而言，復(fù)合表面流濕地的水力負(fù)荷和污染負(fù)荷更高，因此，本方案工程占地面積適中。

由表2分析可知，三種方案各有特色。從本工程功能定位、保障系統(tǒng)凈化性能、降低建設(shè)與管理成本的角度出發(fā)，本設(shè)計推薦方案三。工藝流程所示如下：養(yǎng)殖塘→集水渠→預(yù)處理區(qū)→復(fù)合人工濕地凈化區(qū)→大水面塘濕地凈化區(qū)→達標(biāo)排放/生態(tài)回用。

表2 三種濕塘工藝比較分析表Tab.2 Comparative analysis of the three wet pond processes

3.1.2 主要參數(shù)設(shè)計

人工濕地面積設(shè)計應(yīng)按照最不利工況考慮，本工程主要控制指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、總氮(TN)和總磷(TP)，故可按水溫小于12℃季節(jié)時系統(tǒng)的污染物表面負(fù)荷和水力負(fù)荷進行計算，取計算結(jié)果中的最大值，同時校核水力停留時間(HRT)。

3.1.2.1用污染物表面負(fù)荷計算濕地面積

公式為：

(1)

式中：A—濕地面積，m2;

Q—污水流量，m3/d;

C0—進水污染物濃度，mg/L;

Ce—出水污染物濃度，mg/L;

Np—污染物表面負(fù)荷，以CODMn、BOD5、TN、TP計，g/(m2·d)。

將CODMn、BOD5、TN、TP等污染物濃度和污染表面負(fù)荷帶入公式進行計算，得人工濕地系統(tǒng)總面積約需31.25萬m2,見表3。

表3 生態(tài)凈化系統(tǒng)面積計算Tab.3 Area calculation of the eco-purification system

3.1.2.2 用水力負(fù)荷計算濕地面積

公式為：

(2)

式中：A—濕地面積，m2;

Q—污水流量，m3/d;

Nq—水力負(fù)荷，m3/(m2·d)。

Q=25000 m3/d，Nq取0.1 m3/(m2·d)，代入公式得所需濕地系統(tǒng)總面積為25萬m2。

3.1.2.3 校核水力停留時間

公式為：

(3)

式中：T—水力停留時間，d;

V—人工濕地有效容積，m3;

n—人工濕地孔隙率(考慮植物和填料)，%;

Q—污水流量，m3/d。

綜合考慮土地利用條件等項目實際情況，濕地系統(tǒng)總面積取31.7萬m2(約475畝)，系統(tǒng)平均水深1.1m，系統(tǒng)有效容積35萬m3。代入公式，得水力停留時間約為14d，表面水力負(fù)荷為0.08 m3/(m2·d)，符合規(guī)范允許值。

3.2 工程總體布局

3.2.1 工程平面布置

分析工程區(qū)域現(xiàn)狀地勢，香河路以西區(qū)域地面高程1.8～2.0m，靠近香河路的東側(cè)區(qū)域地面高程1.0～1.2m，東北區(qū)域地面高程1.3～1.6m，東南區(qū)域高程0.3～0.5m左右；整體大致為北側(cè)與西側(cè)高、東南區(qū)域低的特點，見圖2。

圖2 工程區(qū)域地勢圖Fig.2 Terrain map of project area

初步擬定以下3個方案(見圖3)：

圖3 工程平面布置方案Fig.3 Project layout plan

方案一：東西分流，依照地形，高進低出；

方案二：東西合流，改造地形，高進低出；

方案三：東西合流，依照地形，高進低出。

對上述3個方案特點進行比較：

方案一：系統(tǒng)復(fù)雜，泵站較多，運維不便；

方案二：系統(tǒng)施工土方量大，造價較高；

方案三：系統(tǒng)簡潔，土方量小，布局合理。

本工程布局設(shè)計主要需考慮以下3個方面——工作面積足夠大、水流路程足夠長、整體布局科學(xué)合理。因此，在滿足水質(zhì)生態(tài)凈化需求前提下，充分利用現(xiàn)狀地形，結(jié)合水工結(jié)構(gòu)要求、水體流態(tài)和景觀等多方面的需求，本工程平面布置推薦方案三。

按照工藝流程，本工程主體分為預(yù)處理區(qū)、復(fù)合表面流濕地凈化區(qū)和大水面塘濕地凈化區(qū)，共3個功能單元(圖4)。

圖4 工程功能分區(qū)圖Fig.4 Function partition map of the project

3.2.2 工程豎向設(shè)計

各功能單元主要設(shè)計參數(shù)如表4。

表4 各功能單元主要設(shè)計參數(shù)Tab.4 Main design parameters of each functional unit

續(xù)表4

3.3 核心單元設(shè)計

3.3.1 預(yù)處理區(qū)

該區(qū)由1個泵站前池和1個穩(wěn)定塘組成，總面積約3.2萬m2(48畝)；其中，泵站前池面積約1.8萬m2，設(shè)計水深1.0～2.8m；穩(wěn)定塘面積約1.4萬m2，常水位下水深1.2m，設(shè)計水力停留時間0.5d，表面水力負(fù)荷1.8 m3/(m2·d)。

3.3.2 復(fù)合表面流濕地凈化區(qū)

該區(qū)包括2個復(fù)合表面流人工濕地(面積各約3.5萬m2)和1個蘆葦塘濕地(面積約2.6萬m2)；總面積約9.6萬m2(144畝)；平均水深0.6m，有效容積58 850m3；設(shè)計水力停留時間2.4d，表面水力負(fù)荷0.26m3/(m2·d)。

其中，1#表面流人工濕地設(shè)計水深0.4～1.0m，選擇粒徑3～5cm左右的礫石進行底質(zhì)改良，鋪設(shè)厚度15cm，用量2 400m3。蘆葦塘通過4#涵與1#表面流濕地相連，設(shè)計水深0.7～0.9m；主體區(qū)域保留原生蘆葦群落，輔助種植多種挺水植物。2#表面流人工濕地通過5#涵與蘆葦塘相連，設(shè)計水深0.5～1.1m。

3.3.3 大水面塘濕地凈化區(qū)

該區(qū)總面積約18.8萬m2(282畝)，常水位下平均水深1.3m，有效容積約246 000m3；設(shè)計水力停留時間9.8d，表面水力負(fù)荷0.13m3/(m2·d)。

本區(qū)域大致分為淺水區(qū)和深水區(qū)2塊。淺水區(qū)面積約5.2萬m2，設(shè)計水深1.1～1.3m；主要種植沉水植物，種植面積約8 000m2。深水區(qū)面積約13.6萬m2，設(shè)計水深1.6～1.8m；塘中心區(qū)域不種植物，保持為開闊水面，可以作為水上游艇等娛樂活動的區(qū)域；四周濱水帶設(shè)置平均寬度約20m、面積約2萬m2左右的淺水岸帶，平均水深1.2m，主要種植沉水植物和觀賞型浮葉植物，各類植物種植面積8 000m2，以起到消減風(fēng)浪、穩(wěn)定堤岸、營造景觀、凈化水質(zhì)等作用。

3.4 水生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計

3.4.1 水生植物配置

本系統(tǒng)的挺水、沉水和浮葉植物種植區(qū)域面積分別控制為4.5萬m2、3.0萬m2和1.5萬m2。具體種植區(qū)域參見圖5。

圖5 水生植物種植區(qū)域圖Fig.5 Aquatic plants planting area map

挺水植物主要選擇蘆葦(Phragmitescommunis(Cav.) Trin. ex Steud.)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、東方香蒲(TyphaorientalisPresl)等；沉水植物選擇苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)等；浮葉植物選擇主要種植荷花(Nelumbonucifera)、睡蓮(Myriophyllumverticillatum)。

3.4.2 水生動物配置

本工程投放的水生動物主要為底棲動物和肉食性魚類，以本土品種三角帆蚌(Hyriopsiscumingii)、銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)、鯰魚(Silurusasotus)、烏鱧(Channaargus)為主。

投放點：大水面塘濕地；投放標(biāo)準(zhǔn)：螺、貝類5g/m2，魚類2.5g/m3(50g/尾)；投放量：螺、貝類各940kg，魚類共計700kg。

3.4.3 水生態(tài)系統(tǒng)維護

生態(tài)凈化系統(tǒng)是一個有機的生命系統(tǒng)，其凈化性能與自身結(jié)構(gòu)的完整性及運行條件的適宜性等密切相關(guān)。建議科學(xué)布局水產(chǎn)養(yǎng)殖的品種，合理安排養(yǎng)殖塘排放尾水的時間和水體更新頻次，盡量避免冬季集中大量排水；如有條件，可在春、夏季等生態(tài)凈化系統(tǒng)性能相對較好的時期，加強養(yǎng)殖塘水體的更新，將污染負(fù)荷分解到一個更長的處理周期內(nèi)，保障系統(tǒng)處理性能穩(wěn)定。

3.5 系統(tǒng)防滲設(shè)計

本項目采用黏土防滲，原有土壤含砂量較低、黏土含量較高、滲透性較差，根據(jù)《人工濕地污水處理技術(shù)導(dǎo)則》(RISN-TG006-2009)，可敷設(shè)1層黏土防滲層，厚度30cm。

3.6 運行模式設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括3種運行模式。

凈化排放模式：尾水經(jīng)過生態(tài)凈化處理達標(biāo)后排放，最大處理水量2.5萬m3/d。

生產(chǎn)凈化系統(tǒng)循環(huán)模式：尾水經(jīng)過生態(tài)凈化處理達標(biāo)后，由循環(huán)水泵站提升，接入養(yǎng)殖塘給水管網(wǎng)，回流到養(yǎng)殖塘中，最大回流水量2.5萬m3/d。

生態(tài)凈化系統(tǒng)自循環(huán)模式：系統(tǒng)前端自然沉淀塘的水體，順序經(jīng)過復(fù)合表面流濕地凈化區(qū)、大水面塘濕地凈化區(qū)后，在生態(tài)凈化系統(tǒng)東側(cè)，可由8#涵閘進入東區(qū)集水渠，進而回流到泵站前池中，建議回流水量3 000～5 000m3/d。

此外，系統(tǒng)尾部設(shè)有灌溉取水設(shè)施，可供蔬菜、苗圃灌溉等用水；蘆葦塘濕地西南角設(shè)置有雨水溢流口，與南排水渠相銜接。

4 尾水濕地設(shè)計工作探討

4.1 土壤鹽度影響

本工程施工區(qū)域臨近海岸、成陸時間較短，所以，本設(shè)計高度重視土壤鹽度對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建可能存在的影響。一方面，避免在挖深較大、土壤鹽度較高區(qū)域種植水生植物，盡量利用接近現(xiàn)狀地表、鹽度相對更適宜的土壤(地表40cm以淺土壤)作為水生植物的種植土；同時，在保證生物多樣性的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選用各類對鹽度有一定的耐受性的水生動植物物種[4-5]。

4.2 水生態(tài)系統(tǒng)配置

遵照土著種優(yōu)先的原則，選擇耐污性能和耐鹽性能較強、管理維護簡單的物種；選取不同生活型的植物以保證生物多樣性，依據(jù)不同物候期特征，實現(xiàn)植物群落整體的季節(jié)穩(wěn)定性；同時，注重植物的景觀效果[6～9]。一般挺水植物種植在河道沿岸淺水處(水深約0.2m)，蘆葦、香蒲等水深控制在0.8～1.0m，沉水植物種植深度控制在0.6～1.0m，浮葉植物種植深度不宜超過1.5m[10]。

在水生動物的配置上，一是考慮攝食習(xí)性，選擇蚌類和螺類等可有效去除植物表面的附生生物覆蓋層、促進水生植物生長的物種；二是考慮生態(tài)安全，選擇土著物種。

4.3 生態(tài)景觀設(shè)計融合

本項目承擔(dān)著園區(qū)水質(zhì)保障和景觀支撐的功能。生態(tài)凈化濕地是一種獨特的景觀濕地類型，是以凈化為主要目的，可兼顧休閑游覽的一種濕地形式。

本設(shè)計圍繞尾水生態(tài)凈化核心目標(biāo)進行景觀布局。在設(shè)計原則上，盡量利用基地現(xiàn)有的地形，保證較少的開挖量；在布局功能上，緊扣生態(tài)凈化需求，將濕地分為3個功能區(qū)域；在設(shè)計形式上，以“九曲連云”為設(shè)計概念，充分利用現(xiàn)狀地形，塑造出曲折有序的流徑，同時又有“浮島”隱現(xiàn)的效果。

4.4 項目效益分析

本項目的實施可有效削減養(yǎng)殖尾水中污染物進入周邊河道的總量，對于保障區(qū)域水環(huán)境安全意義重大。其次，本項目通過對部分尾水凈化后的重復(fù)利用，可以節(jié)約養(yǎng)殖用水和一定程度的養(yǎng)殖塘曝氣設(shè)備運行費用。此外，本項目的實施在為新區(qū)市民提供綠色優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品的同時，也為市民提供了一個生態(tài)休閑娛樂的后花園。最后，本項目通過人工濕地—塘凈化技術(shù)的應(yīng)用，以及標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；⑸鷳B(tài)化循環(huán)養(yǎng)殖新模式的示范，將大力支撐徐圩新區(qū)特色的養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化典型的創(chuàng)建，是對于沿海生態(tài)型養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展新道路的積極探索。

5 結(jié) 語

本項目的建設(shè)符合國家相關(guān)政策要求、切合省市各級政府相關(guān)文件精神。本項目的實施可以有效削減區(qū)域污染物入河總量，并保障區(qū)域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和水源地安全，初步估算每年可削減SS 1232 t、CODMn273.8 t、BOD5273.8 t、NH3-N 4.471 t、TN 36.5 t、TP 9.13 t。此外，本項目的實施體現(xiàn)出對區(qū)域居民的消費升級需求和探索生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟新模式需求的積極響應(yīng)，對我國其它地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的生態(tài)化處理具有重大的參考價值。