關(guān)永發(fā)，周國旺，王海燕，宋思遠(yuǎn)

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 引言

前置庫是指在大型水庫、湖泊及河流入口處設(shè)置的相對(duì)小規(guī)模的水域，并設(shè)置凈水措施，依靠微生物、水生植物的攔截、吸附及吸收作用，對(duì)入庫水質(zhì)進(jìn)行自然凈化的新型生態(tài)水處理技術(shù)[1]。作為面源污染控制的有效途徑，前置庫具有投資少、生態(tài)環(huán)境友好、兼具景觀效果等優(yōu)點(diǎn)，在流域水環(huán)境治理中被廣泛運(yùn)用[2～6]。根據(jù)相關(guān)研究[2, 7, 8]，前置庫對(duì)于污染物的綜合去除率如下：COD約22%～42%，氨氮約28%～65.7%，總磷約29.9%～65.1%，總氮約22%～64%。隨著對(duì)前置庫技術(shù)的深入研究，單一水質(zhì)凈化技術(shù)已無法滿足人們對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的需求，陸續(xù)有研究[9～14]提出將透水壩、人工濕地、生物浮床、生物操縱等凈水技術(shù)進(jìn)行耦合，以增強(qiáng)系統(tǒng)凈化能力。

八一水庫位于長春市南部，其上游為新凱河一級(jí)支流永春河，區(qū)域匯水面積約55 km2。永春河現(xiàn)狀水體發(fā)源于上游匯水區(qū)內(nèi)雨水徑流匯集，來水季節(jié)性較強(qiáng)，河道豐枯水期徑流量變化較大，河道水土流失嚴(yán)重，水體含砂量大。同時(shí)，受周邊畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田面源污染的影響，造成永春河入八一水庫水質(zhì)污染嚴(yán)重，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，其水質(zhì)為劣V類，甚至出現(xiàn)明顯發(fā)黑發(fā)臭。因此，為保障八一水庫入庫水體水質(zhì)，在劃定禁養(yǎng)區(qū)等控源措施的前提下，需進(jìn)一步通過生態(tài)凈化工程改善水質(zhì)，恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)，并結(jié)合景觀打造提升八一水庫空間風(fēng)貌。本文擬通過建設(shè)前置庫生態(tài)凈化工程對(duì)長春市永春河入八一水庫的水體進(jìn)行凈化，建設(shè)面積約為10 hm2，采用“預(yù)處理塘+垂直潛流濕地+表流濕地”前置庫組合技術(shù)，進(jìn)一步削減入庫污染物，保障八一水庫水質(zhì)安全。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 功能定位

八一水庫前置庫生態(tài)凈化工程具有重要的生態(tài)和社會(huì)服務(wù)功能，通過模擬自然界天然濕地和人工構(gòu)造潛流濕地，對(duì)上游河道來水進(jìn)行凈化，突出其污染物削減和生物多樣性恢復(fù)的生態(tài)功能，在去除污染物方面重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)污染物降解總量[15～17]。

2.2 設(shè)計(jì)規(guī)模

八一水庫前置庫生態(tài)凈化工程主要來水為上游永春河河道來水，其主要來源為匯水區(qū)內(nèi)雨水徑流匯集，河道多年平均流量見表1。

表1 前置庫河道斷面多年平均自然流量變化 m3/d

從表1中可以看出：河道斷面全年徑流量變化較大，考慮周邊農(nóng)業(yè)面源污染及農(nóng)村生活污水排入河中，結(jié)合河道的年平均流量及沿途蒸發(fā)滲漏，故處理規(guī)模為7000 m3/d，汛期多余水量直接從主河道進(jìn)入至八一水庫。

2.3 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)

本工程來水為永春河上游河道水，根據(jù)永春河流域相關(guān)治理規(guī)劃，永春河上游將劃定禁養(yǎng)區(qū)等控源措施，入庫水質(zhì)也將明顯改善，但仍然無法滿足入庫水質(zhì)要求。根據(jù)八一水庫水功能區(qū)的水質(zhì)要求，出水目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，具體見表2。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì) mg/L

2.4 工藝流程

根據(jù)進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)分析，本工程采用凈化功能較強(qiáng)的垂直潛流濕地和表流濕地為主的生態(tài)處理工藝。為減小潛流濕地堵塞風(fēng)險(xiǎn)，在前端設(shè)置預(yù)處理塘，對(duì)上游來水中的懸浮物進(jìn)行初步沉淀。前置庫工藝上采用“預(yù)處理塘+垂直潛流濕地+表流濕地”組合技術(shù)，上游河道來水經(jīng)預(yù)處理塘初步沉淀凈化后，由提升泵提升至人工垂直潛流濕地，出水進(jìn)入表流濕地區(qū)進(jìn)一步凈化后至八一水庫。工藝流程見圖1，總平面布置見圖2。

圖1 八一水庫前置庫工藝流程

2.5 主體工藝設(shè)計(jì)

2.5.1 豎向設(shè)計(jì)

本工程的高程設(shè)計(jì)需結(jié)合場地條件及工藝組合特點(diǎn)，合理利用場地高程。根據(jù)垂直潛流濕地均勻配水的需要，本次設(shè)計(jì)前端采用一次提升，后端采用重力自流，避免了重復(fù)提升、過度提升，造成資源浪費(fèi)。河水經(jīng)預(yù)處理塘沉淀后，通過提升泵提升至垂直潛流濕地，再通過配水管均勻分配至垂直潛流濕地表面，此部分水頭損失主要為配水管道的沿程損失和局部損失。河水至垂直潛流濕地表面通過重力作用由上往下透過濕地介質(zhì)層，為使垂直潛流濕地形成非飽和流動(dòng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)充氧，本次設(shè)計(jì)出水管設(shè)置于垂直潛流濕地底部，加上水位調(diào)整裝置的局部損失，總水頭損失為1 m。通過水力計(jì)算，選用揚(yáng)程為5 m的提升泵可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)垂直潛流濕地處理后的出水通過收集主管進(jìn)入表流濕地區(qū)進(jìn)一步處理，經(jīng)凈化后自流至八一水庫(圖3)。

圖2 總平面布置

圖3 豎向設(shè)計(jì)

2.5.2 預(yù)處理塘

永春河上游來水水量波動(dòng)較大，且河道水往往含有大量泥沙等懸浮物，為穩(wěn)定濕地進(jìn)水量、減緩對(duì)潛流濕地主體處理工藝單元的淤積、淤堵，設(shè)置預(yù)處理塘，對(duì)泥沙、懸浮物等進(jìn)行沉降去除。預(yù)處理塘面積約0.35 hm2，有效容積為6000 m3，水力停留時(shí)間為20 h。預(yù)處理塘中的沉積泥沙需定期進(jìn)行清理(圖4)。

圖4 預(yù)處理塘剖面

2.5.3 垂直潛流濕地

垂直潛流濕地為本工程的核心水質(zhì)凈化單元。潛流濕地從上部進(jìn)水、底部出水，在垂直下滲過程中水體內(nèi)的有機(jī)物被濕地濾料及植物根系表面的生物膜截留，通過附著在生物膜上大量微生物的分解，達(dá)到降解有機(jī)物的目的。濕地濾床處于濕潤的不飽和狀態(tài)，在底部設(shè)置空氣流通管，可通過空氣的對(duì)流、擴(kuò)散作用對(duì)濾床供氧，因此濾床可視為好氧生物濾池，在去除COD、氨氮方面效果較為理想。潛流濕地總面積5500 m2，分為5個(gè)單元，單元長寬比約4∶1，底板坡度0.5%，水力停留時(shí)間9.4 h，BOD、NH3-N、TP表面負(fù)荷分別為5.1、1.1、0.3 g/(m2·d)，設(shè)計(jì)污染物表面負(fù)荷均低于規(guī)范要求[18]。各設(shè)計(jì)參數(shù)與規(guī)范規(guī)程比較結(jié)果見表3，垂直潛流濕地典型斷面見圖5。由于本項(xiàng)目進(jìn)水濃度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程所設(shè)定的濃度，在滿足各污染物表面負(fù)荷的前提下，適當(dāng)減少濕地水力停留時(shí)間，節(jié)省占地面積和投資。

表3 設(shè)計(jì)參數(shù)與規(guī)范要求對(duì)比

圖5 垂直潛流濕地典型斷面

2.5.4 表流濕地

在前置庫入庫口至八一水庫入庫前河段內(nèi)設(shè)置表流濕地，利用河道空間，布設(shè)淺水植物群落、動(dòng)物及微生物共同凈化水質(zhì)，形成穩(wěn)定的近自然濕地群落。該河段平均常水位水面寬78 m，平均水深1.5 m，表流濕地面積約2.4 hm2。在入庫前80 m范圍設(shè)置2組42 m×1 m×1 m的生態(tài)濾墻，間距30 m。生態(tài)濾墻由太陽能光電板、浮體、填料框架、多孔填料、底部圍隔及配重、曝氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和固定鋼管組成，采用漂浮式結(jié)構(gòu)，在河道內(nèi)進(jìn)行半斷面攔截，底部設(shè)置1m高擋水布，以保證水體全部經(jīng)過生態(tài)濾墻，同時(shí)防止水體對(duì)河床的沖刷。表流濕地典型斷面見圖6。

圖6 表流濕地?cái)嗝?/p>

2.6 濕地專項(xiàng)設(shè)計(jì)

2.6.1 配水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是人工濕地設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，主要針對(duì)水流的路徑和控制設(shè)施進(jìn)行有針對(duì)性地設(shè)計(jì)。人工濕地單元內(nèi)部的配水可采用管道配水和明渠配水2種方式。明渠配水水頭損失小，但便于水頭控制，常用于濕地進(jìn)水端；管道配水控制方便，但水頭損失相對(duì)較大，適用于潛流濕地單元。本工程采用電動(dòng)閥控制+管道的配水系統(tǒng)，采用間歇性進(jìn)水的方式，5組電動(dòng)閥可控制并列的垂直潛流人工濕地輪流進(jìn)水，每塊濕地按進(jìn)水12 min、停水48 min的配水頻率控制。當(dāng)其中一塊濕地需要輪歇“落干”時(shí)，單個(gè)垂直流濕地按進(jìn)水15 min、停水45 min頻率控制。潛流濕地進(jìn)水管道系統(tǒng)見圖7。

2.6.2 濕地濾料設(shè)計(jì)

濾料是人工濕地的基質(zhì)與載體，支撐著濕地動(dòng)植物與微生物的生命過程，濾料對(duì)污染物的截留為后續(xù)植物吸收創(chuàng)造良好條件，是出水水質(zhì)的重要保證。選擇濾料應(yīng)根據(jù)對(duì)磷吸附效率、水力傳導(dǎo)性、材料易得性和價(jià)格等因素綜合考慮。通過綜合對(duì)比分析(表4)，本項(xiàng)目復(fù)合濾料主體采用易于就地取材的輕質(zhì)濾料火山巖配合卵石、砂石等進(jìn)行使用，填料自上而下依次為：覆蓋層，100 mm厚粒徑為15～25 mm砂石；過渡層，100 mm厚粒徑為8～16 mm 礫石；主濾層，600 mm厚粒徑為5～火山巖；過渡層，100 mm厚粒徑為8～16 mm 礫石；排水層，200 mm 厚粒徑為16 ～ 32 mm 礫石。覆蓋層上種植挺水植物，在去除污染物的同時(shí)，可提高濕地內(nèi)部景觀效果。

圖7 潛流濕地進(jìn)水管道系統(tǒng)

表4 常見人工濕地濾料性質(zhì)的對(duì)比

2.6.3 濕地動(dòng)植物選擇

2.6.3.1 植物選擇

人工濕地中水生植物的選擇需要根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域的氣候條件以及濕地的建設(shè)工藝和方式進(jìn)行選擇。根據(jù)本工程所在區(qū)域的特點(diǎn)，選擇耐污能力強(qiáng)(重點(diǎn)吸收N和P)、凈化效果好、根系發(fā)達(dá)、經(jīng)濟(jì)和觀賞價(jià)值高的濕地植物，并需要具有極強(qiáng)的耐寒能力。同時(shí)，為了維持濕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性，考慮通過科學(xué)配置植物種植，以優(yōu)化水體不同區(qū)域水生植被的群落系統(tǒng)，將挺水植物、沉水植物、浮水植物等濕地植物在不同高度進(jìn)行套種，充分利用種植空間，發(fā)揮其不同植物凈化功能，體現(xiàn)其生物多樣性(表5)。

由于蘆葦具有深水耐寒、梗粗、莖干中空、氧輸送能力好、枯萎后不倒伏、可大規(guī)模機(jī)械化收割、可用于造紙或充當(dāng)燃料以及經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢，因此，本工程挺水植物以蘆葦為主，輔以菖蒲、香蒲等；沉水植物選用苦草(矮生耐寒)、伊樂藻等；浮水植物選用睡蓮。

表5 水生植物對(duì)N和P的轉(zhuǎn)換率

2.6.3.2 動(dòng)物選擇

大型底棲生物在水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與流動(dòng)中具有特殊的地位和作用，如螺類、青蝦等可以覓食底質(zhì)中大量的有機(jī)質(zhì)及腐敗的水生植物殘?bào)w，大幅度降低底質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量及營養(yǎng)物質(zhì)的釋放。同時(shí)，大型螺類等釋放的某些物質(zhì)又是水體中天然的絮凝劑，可以降低水中的懸浮物顆粒并吸附大量的氮磷營養(yǎng)鹽。因此，本工程水域中放養(yǎng)的水生動(dòng)物主要以青蝦、環(huán)棱螺、黑魚為主。

2.6.4 濕地運(yùn)行維護(hù)

本工程人工濕地面積大、緯度較高，在后續(xù)運(yùn)行管理中將面臨諸多問題，為保障工程的長效運(yùn)行，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)人工濕地采取一定的冬季保護(hù)措施和植物管理措施。

2.6.4.1 冬季保護(hù)措施

本項(xiàng)目位于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季主要?dú)庀鬄?zāi)害有寒潮、凍害、大風(fēng)、大雪、大霧等。冬季對(duì)人工濕地長效運(yùn)行最大的威脅主要是低溫對(duì)人工濕地處理效果和濕地植物生長情況產(chǎn)生的不利影響。長春冬季氣溫平均-15～-5 ℃，季節(jié)凍結(jié)深度約0.7 m，濕地微生物已停止活動(dòng)，為保障濕地的長效運(yùn)行，在每年的11月份至次年的4月份關(guān)停前置庫提升泵站，并將垂直流濕地中的水排空。

2.6.4.2 濕地植物收割管理保障措施

人工濕地后期管理主要是濕地植物的管理，對(duì)于冬季會(huì)枯萎的濕地植物要及時(shí)進(jìn)行提前收割，防止枯枝落葉掉入濕地濾料表面造成有機(jī)物重新釋放到水體中，同時(shí)還能防止濾料面層的堵塞。本項(xiàng)目濕地面積較大，通過小面積人工收割匯集、大面積機(jī)械清運(yùn)的模式來提高工作效率，以前置庫景觀道路為脈絡(luò)，對(duì)濕地植物進(jìn)行人工收割和清運(yùn)。

3 工程運(yùn)行效果

本工程采用的是“預(yù)處理塘+垂直潛流濕地+表流濕地”的凈化工藝，建成后各工藝單位的運(yùn)行效果見表6。結(jié)果表明：前置庫生態(tài)凈化工程能夠有效削減水體污染物，出水水質(zhì)總體可以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，其中，出水COD去除率為50.00%，年去除量為26.95 t；出水NH3-N去除率為77.73%，年去除量為1.84 t；出水TP去除率為72.92%，年去除量為0.38 t。

表6 工程運(yùn)行效果

4 結(jié)論

本工程有效利用現(xiàn)狀地形條件，采用“預(yù)處理塘+垂直潛流濕地+表流濕地”前置庫凈化工藝，能有效削減永春河入八一水庫的水體污染物，出水COD去除率為50.00%，年去除量為26.95 t；出水NH3-N去除率為77.73%，年去除量為1.84 t；出水TP去除率為72.92%，年去除量為0.38 t。該工程可為北方水庫治理、水源地的生態(tài)修復(fù)提供示范與參考。