复合型人工湿地在河流治理中的应用

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　　摘要 根据某流域山区河流自然环境现状特征及北方冬季寒冷的特点，采用“双肾型”布水方案，设计构建生态护岸+生态沟+人工表面流湿地+人工潜流湿地复合型净化系统处理受污染河水。通过恢复湿地植物，协调水与动植物的关系，健全其湿地生态系统，促进湿地自然发育，提高生物多样性。复合型人工湿地明显提高了污染物去除效率，为河流水质稳定达标提供了技术支撑。
　　关键词 山区河流;受污染河水;复合型净化系统;稳定达标
　　中图分类号 X522 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2020）11-0210-03
　　Abstract According to the current situation of the river natural environment in a mountainous area of a river basin and the characteristics of the cold winter in the north， the “twokidney” water distribution scheme was adopted to design and construct the ecological revetment + ecological ditch + artificial surface flow wetland + artificial subsurface flow wetland complex purification system to deal with the polluted river water. Through restoring wetland plants， coordinating the relationship between water and plants and animals， perfecting their wetland ecosystem， promoting the natural development of wetlands and improving biodiversity，the composite constructed wetland was significantly improved the removal efficiency of pollutants， which provided technical support for the river water quality to reach the standard stably.
　　Key words Mountain river;Polluted river water;Composite purification system;Steady and standardized
　　人工濕地是一种新型污水生态处理技术，它是以太阳能为驱动力，在植物、微生物和介质共同作用下达到净化水质的目的，具有投资少、运行管理方便、出水水质稳定、景观效果好、经济效益可持续等优点，是处理污水不可或缺的技术之一[1-3]。人工湿地被广泛应用于净化工业废水、污水处理厂尾水、农村生活污水、垃圾渗滤液、河流微污染水、农田排水、降雨径流及冰雪融水等[4-8]。根据人工湿地系统中水流方式的不同，人工湿地可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地。针对不同的进水水质特点和地区景观特点，选择合适的湿地类型、基质类型、植物种类和配置方式以及运行参数，是湿地稳定高效运行的关键。近几年研究表明复合型人工湿地在净化水质方面有较大优势，可以有效将各种湿地的优点相结合，对污水水质的改善远高于单一湿地系统的应用[9-11]。王坚等[12]综合水平流人工湿地和垂直流人工湿地的优点，在山西省沁河干流建设了复合潜流人工湿地，运行及水质检测结果表明该湿地能够克服国内人工湿地普遍除磷能力不足的缺点，取得较好的除磷效果，在冬季运行期也具有较好的效益。
　　该研究充分发挥各类人工湿地处理工艺的优点并考虑河道现状格局、土地利用现状、冬季运行、景观协调等，利用土地面积，提高湿地净化效率，对各个区域进行功能划分，设计水体流线，将区域进行优化组合设计，形成整体湿地水质净化工程。在原理方面，垂直潜流人工湿地单元水流方式为“U”字型，河水在不同基质填料层以及填料上微生物种群的作用下降解污染物。同时，由于采用挺水植物，通过植物茎叶由上而下传递的氧气增加了污水溶解氧，故可以在垂直潜流人工湿地中形成多出好氧和缺氧环境[13]。污水以垂直、水平、表面迂回流动的方式通过填料缝隙、表面，进而与植物相接触，并适当增大了系统的水力停留时间，在水流通过过程中水生动、植物以及微生物和基质等对污水进行多级处理和净化，不仅有利于系统脱氮能力的提高，而且有利于水力流态的优化和湿地系统净化效果的改善。
　　1 设计方案
　　该研究所建设的复合潜流人工湿地位于永定河怀来段，占地面积5 000 m2，采用了潜流湿地+表流湿地处理工艺，且湿地大部分区域为表流湿地。同时为了防止突发洪水等意外情况，设置了调节池或应急池;设计水力负荷为0.06～0.10 m3/（m2·d），有效水深为0.5 m，水力停留时间为1～2 d;选取当地物种，该设计有芦苇、香蒲、花蔺、狐尾藻、眼子菜、菹草等;采用块石、木桩、植物、生态界面等材料构建多孔隙生态堤岸，营造一个健康美丽的堤防生态系统;在湿地内设置多条生态沟，主要考虑冬季运行情况下，生态沟与主河道水流接近，通过深沟与净水基质的设计，实现冬季保温和达标运行。
　　1.1 工艺流程
　　将受污河水经泵站或自流式分水口进入蓄水池（预沉池），经初步预处理后进入复合型人工湿地，经湿地处理后的水体进入清水池，水体经清水池再次沉淀后排放进入河道，如图1所示。
　　1.2 总体布局 　　入口处设计蓄水池，对河水进行初次拦截和沉淀作用;中部湿地设计为复合型湿地（表流+潜流），表流湿地主要有芦苇区、荷花区、香蒲区分布在两侧，潜流湿地即为生态沟布设在中间;湿地采用生态护岸设计;湿地出口布设清水池，对湿地出水进行二次沉淀后外排，充分发挥植被的水质净化能力和景观功能，促进复合型湿地生态系统的稳定。布水方案采用“双肾式”，即河道水进入蓄水池沉淀后，先流经右侧潜流和香蒲区，然后经地下暗管流经荷花区与芦苇区，再流经湿地中间的生态沟，最后由静水池流出。这种布局增大了系统的水力停留时间，有利于水力流态的优化和湿地系统净化效果的改善。总体布局方案见图 2。
　　1.3 设计参数
　　1.3.1 蓄水池。
　　蓄水池（沉淀池）采用生态净水水泥结构，池体长20 m、宽15 m、深1.5 m，设计水力停留时间24 h。蓄水池中间布设人工水草100 m2（生物挂膜），如图3所示。净水水泥起到水体与土壤沟通作用，水分子、营养盐及微生物等可透过水泥与土壤自由交换，创造水体生态微环境。人工水草（挂膜）作用是消除水体还原性氧化环境，为水体微生物提供适宜环境。
　　1.3.2 湿地设计。
　　湿地长100 m、宽50 m、基底深1.5 m;内部布设生态沟5条120 m（深1.0 m）;溢流湿地1 000 m2，浅滩/台地芦苇区500 m2，香蒲区500 m2（水深0.5 m）;荷花及沉水植物区1 000 m2;生态护岸1 000 m2;外堤种植草木绿地500 m2。
　　潜流湿地分为潜流区和溢流区，采用下行流+上行流的组合工艺，先由下行流子单元上层布水，水流向下通过潜流区多层填料和植物的净化后，由底部集水进入上行流子单元;此时为下层布水，水流向上通过溢流区多层填料和植物的净化后溢流进入下一级湿地。潜流区由下至上依次为夯素土层、细沙层、厚火石岩陶粒层、海绵支撑层、碎石填料层，位于厚火石岩陶粒层中预埋有填料;溢流区由上至下依次为碎石填料层、夯素土层、细沙层、厚火石岩陶粒层。位于潜流区和溢流区中都生长挺水植物，挺水植物为选择小香蒲、浮叶眼子菜、花蔺及菹草中任意一种或者多种的组合，且在冬季将花蔺、浮叶眼子菜及小香蒲进行收割，种植密度10～20株/m2。
　　芦苇区种植密度30～50株/m2;香蒲区种植密度20～30株/m2;荷花区内部水域种植藨草、花蔺、马来眼子菜、荷花等，密度10～20株/m2;边界种植芦苇、菹草、扇叶水毛茛、聚草、伊乐藻、穗花狐尾藻、金鱼藻等（菹草、扇叶水毛茛、聚草能够冬季冰下生长，伊乐藻能够在初春生长，穗花狐尾藻、金鱼藻夏秋季节生长良好）;外堤杨柳种植密度0.02株/m;内部生态沟与边界坡降0.1～0.2。
　　1.3.3 生态沟。
　　4条沟长120 m、宽3～5 m、平均深度1.0 m，水力坡度0.015。生态水泥净化沟：长120 m、宽3 m、平均深度1.5 m。主要种植菹草（最小生长水深30 cm，可在1～2 m深水中生长，要求水下有泥土，水深1.5 m时菹草的株高最高）;生态沟水力坡度0.015;湿地内沟菹草种植密度20株/m2。
　　1.3.4 清水池。
　　清水池采用生態水泥结构，池体长15 m、宽15 m、深3 m，设计水力停留时间24 h。
　　2 运行效果及成本
　　在复合型人工湿地入口和出口处各设置1个取样点，于2018年9月至2019年3月平均每月连续取样1次，其中2019年1月和2月因冰封期停测2次，总计取样5次。由图4可知，复合型人工湿地COD去除率为20%～43%，尤其冬季12月去除率仍可达20%。氨氮去除率为11%～43%，尤其冬季12月去除率仍可达16%。该湿地通过沉积作用、植物吸收以及土壤的吸附、截留、过滤和微生物分解等作用，可以有效降低COD、氨氮浓度[14]。
　　
　　投资和运行成本与所处地域条件、水质水量、选取的组合工艺以及排放标准等因素有关[15]。该湿地选用的填料以及植物均为常见物种，投资较低且运行维护简单，只需定期清除杂草、枯死植株。
　　3 结论
　　该研究结合当地山区河流自然环境现状特征及北方冬季寒冷的特点，在现有技术中提升潜流湿地的搭配组合，设
　　计并构建了一种“双肾型”潜流根系净化湿地，通过恢复湿地植物，协调水与动植物的关系，健全其湿地生态系统，“双肾式”型布水方式，增大了系统的水力停留时间，有利于水力流态的优化和湿地系统净化效果的改善，起到保障河流水质的生态屏障作用。
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