蒲紅杰，許士國，蘇廣宇

（大連理工大學水利學院，遼寧大連116023）

濱庫帶多級表面流濕地水污染控制

蒲紅杰，許士國，蘇廣宇

（大連理工大學水利學院，遼寧大連116023）

水庫是城市供水的重要環(huán)節(jié)，水庫濱庫帶的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染未經(jīng)處理直接排入水庫，會對水庫水質(zhì)造成較大影響。隨著人工濕地污水處理技術的興起，表面流人工濕地因其在污染控制與生態(tài)修復方面的良好效果，在水庫等土地資源豐富的地區(qū)具有廣闊的應用前景。南山溝濕地工程位于碧流河水庫上游濱庫帶，工程采用多級表面流濕地工藝，通過地表漫流處理生活污水，同時對匯水區(qū)的非點源污染進行凈化，并通過設置溢流堰減緩濕地坡度、增大各級濕地長寬比等措施，提升污染物去除效果，有效削減濱庫帶入庫污染物。

濱庫帶；水污染控制；人工濕地；非點源污染

人工濕地污水處理技術通過人工模擬天然濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能對污水進行處理，因其能夠促進污水中污染物質(zhì)良性循環(huán)，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益而被廣泛應用。其中，表面流人工濕地具有投資少、運行成本低等優(yōu)點，同時還具有為野生生物提供棲息地、涵養(yǎng)水源等眾多生態(tài)功能，但其占地面積較大，因此被廣泛應用于水庫等土地資源豐富的地區(qū)。根據(jù)水庫濱庫帶的實際背景，充分利用濱庫帶分洪河道空間，設計了南山溝濕地，以期削減南山溝匯水區(qū)入庫污染物，實現(xiàn)濕地環(huán)境效益的最大化。

1 水污染特征分析

由于土地資源緊缺等原因，水庫濱庫帶分布有眾多小型人口聚居區(qū)，這些聚居區(qū)內(nèi)人口仍以農(nóng)業(yè)活動作為主要經(jīng)濟來源，除生活污染外，濱庫帶內(nèi)農(nóng)田以及散養(yǎng)畜禽等農(nóng)業(yè)面源污染問題也十分突出。濱庫帶與水庫水體間缺少空間阻隔，污染物在入庫前缺少河流、植被的沉淀、凈化作用，污染物入庫系數(shù)高于其它區(qū)域，居民產(chǎn)生的污染均會在降雨的驅(qū)動下進入水庫，對水庫水質(zhì)影響更加直接。因此，濱庫帶小型人口聚居區(qū)污染排放具有入庫系數(shù)高、排放量變異系數(shù)大、污染源復雜等特點。

碧流河水庫是大連市的中心水源水庫，水庫整體水質(zhì)較好，但也存在總氮濃度超標，總磷濃度持續(xù)上升以及鐵、錳等指標部分時段超標等水質(zhì)問題。南山溝濕地位于碧流河水庫上游蛤蜊河入庫口左岸。南山溝匯水區(qū)內(nèi)分布有203戶楊嵐子村的居民和約120 hm2農(nóng)田，居民散排的生活污水和雨水均通過南山溝直接進入水庫，水污染要素以農(nóng)業(yè)面源污染和居民生活產(chǎn)生的非點源污染為主。碧流河水庫、蛤蜊河和南山溝水體總氮、總磷指標如表1所示，蛤蜊河徑流總氮濃度與水庫水體相近，總磷濃度明顯高于水庫水體，而南山溝污水的總氮、總磷濃度則明顯高于水庫水體。各水體總氮濃度均超過地表V類水質(zhì)標準，但蛤蜊河徑流與水庫水體總磷濃度滿足地表III類水質(zhì)標準，南山溝污水總磷濃度僅達到地表IV類水質(zhì)標準。因此，應對南山溝污水進行處理。

2 水污染處理對策

針對濱庫帶污染物特點可以在濱庫帶建設表面流人工濕地對污染物進行攔截、降解和轉(zhuǎn)移。表面流人工濕地具有較好的生態(tài)效益，而且運行成本低，適用于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)。表面流人工濕地的污水處理效率較低，目前多采用多級串聯(lián)的表面流人工濕地系統(tǒng)。

表1 蛤蜊河口水體水質(zhì)指標

一般情況下，小型人口聚居區(qū)產(chǎn)生的生活污水量較小，非點源污染主要隨雨水進入水庫，突發(fā)性強，瞬時流量大，如果建設普通的表面流人工濕地處理生活污水并承接匯水區(qū)非點源污染，日常進水量小而蒸發(fā)量極大，難以滿足濕地正常運行要求。因此，在濕地中不設自由水面，采用地表漫流的方式，通過植物和土壤內(nèi)微生物的共同作用去除污水中的污染物。相關研究成果表明，地表漫流方式對污水內(nèi)污染物的去除率可達到33.6%～49.9%。

南山溝濕地用五級平臺式濕地結(jié)構(gòu)，各級濕地間使用溢流堰進行分隔，通過地表漫流對匯水區(qū)內(nèi)污水進行處理。濕地工藝流程如圖1所示。日常情況下，生活污水由二級濕地進入，在濕地內(nèi)自由漫流，污水最終在各級濕地內(nèi)滯留并最終下滲進入土壤，在植物和土壤內(nèi)微生物的共同作用下，污染物最終得到降解和吸收。發(fā)生降雨時，攜帶污染物的雨水由一級和二級濕地進入，依次經(jīng)過三級、四級和五級濕地，并最終進入水庫。濕地內(nèi)植物能夠降低水體流速，促使水體攜帶的懸浮物以及與懸浮物吸附在一起的營養(yǎng)物質(zhì)沉降，并吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，從而降低進入水庫雨水的污染物濃度。此外，為了維持濕地內(nèi)植物的正常生長，將其它濕地所引部分蛤蜊河徑流在一級濕地排入南山溝濕地。

圖1 工藝流程圖

3 濕地結(jié)構(gòu)設計

南山溝是蛤蜊河的分洪河道，同時也是楊嵐子村生活污水排放通道以及地表雨水的匯集處，在生活污水持續(xù)的沖刷作用下，河道內(nèi)土壤流失現(xiàn)象嚴重。南山溝濕地是對南山溝原有地形進行整理、改造而形成的五級平臺式人工濕地。

3.1 污染負荷計算

生活污水排放量計算：

式中：Qs為生活污水排放量，t/d；K為污水排放系數(shù)；q1·為每人每天生活用水標準，L/（d·人）；V1為生活區(qū)人數(shù)，人。

匯水區(qū)居民人數(shù)共計609人，居民生活用水標準為80 L/（d·人），考慮到楊嵐子村的現(xiàn)實條件，污水入庫比例小，因此污水排放系數(shù)取35%，由此可得，排入南山溝的生活污水量約為17.05 m3/d。

農(nóng)業(yè)面源污染物排放量使用以下公式計算：

式中：GPWW為污染物排放量，kg；EPWW為農(nóng)田的污染物流失量，kg/(hm2·a)；SPS為播種面積，hm2。

濕地匯水區(qū)內(nèi)共有農(nóng)田120 hm2，主要種植農(nóng)作物為玉米，根據(jù)第一次全國污染源普查數(shù)據(jù)，該區(qū)域農(nóng)田TN、TP流失量分別為2.82 kg/（hm2·a）和0.09 kg/（hm2·a），由此可得，濕地匯水區(qū)內(nèi)農(nóng)田TN和TP排放量分別為338.4 kg/a和10.8 kg/a。

3.2 濕地結(jié)構(gòu)

南山溝濕地總面積29 000 m2，各級濕地面積依次為4 400，13 000，2 900，2 400，6 300 m2。人工濕地的幾何構(gòu)造對其水力性能和凈化效果具有十分重要的影響，為了提高濕地系統(tǒng)的凈化效果，在各級濕地間設置溢流堰，將南山溝原有地形落差集中于溢流堰處，減緩各級濕地內(nèi)坡度，降低水體流速同時各級濕地均采用較高的長寬比，從而延長水力停留時間。一級、二級濕地內(nèi)地形以水平地形為主，僅二級濕地前段有0.5%坡度，三級、四級和五級凈化濕地為緩坡結(jié)構(gòu)，三級濕地坡度為1%，四級和五級濕地坡度為0.5%。

蘆葦具有適應能力強、去污效果好等優(yōu)點，被廣泛應用于人工濕地污水處理技術中，根據(jù)相關研究成果，種植蘆葦?shù)牡乇砺飨到y(tǒng)對流經(jīng)濕地的污水內(nèi)污染物去除率可達32.8%～47.8%。因此，在濕地種植蘆葦，種植密度9株/m2，在發(fā)揮其對污染物的吸收降解作用的同時，還能夠穩(wěn)固土壤、減緩水流流速。為了維持蘆葦?shù)娜粘ＩL，將其它濕地所引部分蛤蜊河徑流在一級濕地排入南山溝濕地。

3.3 溢流堰設計

如圖2所示，溢流堰總寬度8 m，堰頂寬1.5 m，堰高0.6 m，地面以上高度0.4 m。溢流堰使用3層20 cm厚蜂巢約束系統(tǒng)疊砌而成。溢流堰頂部及背水面外露格室內(nèi)填充塊石并在縫隙內(nèi)填土，以防止水流對格室內(nèi)填料沖刷造成破壞，溢流堰內(nèi)部與塊石格室相鄰兩個格室依次填充碎石和粗砂作為反濾層以避免溢流堰填土發(fā)生滲流，其余格室填充粘性土并夯實。

圖2 溢流堰剖面圖

3.4 濕地凈化效果分析

南山溝濕地處理對象主要是排入的生活污水和攜帶污染物的雨水。根據(jù)靖玉明的研究成果，無植物的近自然濕地系統(tǒng)對總氮、總磷的平均去除負荷分別為0.10 g/(m2·d)和0.04 g/(m2·d)，蘆葦種植密度約25株/m2的近自然濕地系統(tǒng)對總氮、總磷的平均去除負荷提高至0.15 g/(m2·d)和0.05 g/(m2·d)。南山溝濕地蘆葦種植密度為10株/m2，蘆葦對濕地污染物去除負荷的提高效果取靖玉明試驗中提高效果的1/2.5。因此，對總氮、總磷的去除負荷分別取0.120 g/(m2·d)和0.044 g/(m2·d)。濕地生活污水進水量為17.05 m3/d，總氮、總磷濃度分別為4.15 mg/L和0.10 mg/L，總氮、總磷負荷分別為2.4×10-3g/(m2·d)和5.8×10-5g/(m2·d)，由于生活污水量很小，日常情況下均滯留在濕地內(nèi)，且濕地污染物負荷遠小于對污染物的去除負荷。因此，濕地基本能夠攔截全部生活污水。當發(fā)生降雨時，地表雨水經(jīng)過各級濕地凈化后進入水庫，濕地能夠?qū)τ晁畠?nèi)懸浮物和營養(yǎng)物質(zhì)起到一定的去除作用。

4 濕地建設與綜合分析

南山溝濕地工程總投資約108萬元，現(xiàn)已進入施工階段，預計于2016年7月竣工，工程竣工后能夠?qū)δ仙綔蠀R水區(qū)內(nèi)生活污水和非點源污染進行有效治理，具有良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。

1）南山溝濕地能夠基本攔截全部生活污水并對地表雨水起到一定凈化作用，有效減輕濱庫帶污染物對水庫水質(zhì)的直接破壞。

2）南山溝濕地在削減入庫污染物的基礎上，能夠改善周邊生態(tài)環(huán)境，為野生動物提供棲息場所，營造自然濕地景觀。

3）南山溝濕地還具有涵養(yǎng)水源，保持水土的作用，能夠有效改善南山溝的水土流失問題。

5 結(jié)語

為了削減水庫濱庫帶周邊居民生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染的入庫污染物，研究利用原有分洪河道空間，將其改造為多級表面流人工濕地，通過地表漫流處理污水，既不影響河道行洪能力，又滿足了建設人工濕地的空間需求，改善了河道內(nèi)水土流失現(xiàn)象，實現(xiàn)了環(huán)境效益最大化。通過使用溢流堰集中地形落差以減緩濕地坡度、增大各級濕地長寬比，降低水流流速，增加水力停留時間，使污染物去除效果得到有效提高。

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2016-05-13