原位人工濕地在環境治理中的應用

廈門市市政工程設計院有限公司 楊明結

濕地是陸地上水陸相互作用形成的獨特生態帶，它是陸地和水域之間的過渡地帶，具有防洪、改善氣候、改善環境、水處理等多種功能[1-3]。人工濕地是模擬天然濕地的一種生態污水凈化工藝，其主要利用濕地基質、植物和微生物之間的物理、化學和生物過程三重協同作用來達到凈化污水的目的[1，4]。在人工濕地的設計過程中，根據濕地系統的水流形態及布水方式將其分為自由表面流人工濕地[5]和潛流人工濕地[1]。而潛流人工濕地又可以分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地[1]。根據不同的空間構建方式，人工濕地可以分為體外處理及體內處理。前者是在河道的周邊地區進行人工濕地的建設，將污水排入這片濕地，進行處理之后再重新回到河道，暴雨天氣也能將大量雨水匯入濕地中處理，讓污染的面積變小；后者是直接在河灘進行人工濕地的建設，暴雨天氣可以讓污染的面積變小，沒有下雨的時候也可以將河道中的污水引入濕地，處理之后再匯入河道[2]。

一、人工濕地概述

在20世紀初期，國際上就開始了關于人工濕地的研究，在英國約克郡建成了世界上第一座人工濕地，并一直連續運行到20世紀末[4]。此后，歐洲、美洲等一些發達國家開始大范圍研究并利用人工濕地工藝來處理各種類型的污水。目前，人工濕地在歐美國家得到了廣泛應用。一些研究顯示美國當前用于處理生活污水、工廠廢水、徑流污染河水的人工濕地有200多座；法國、英國、荷蘭和丹麥等國家利用人工濕地去污的關注點轉向去除特殊污染類型的污、廢水上，增大了人工濕地的應用面，同時發展了自控濕地系統[4]。近幾十年來我國對人工濕地生態污水處理逐漸重視，并開展了大量研究[1]。從小試、中試到實際應用，得到了飛速的發展。1987年天津市建成了我國首例采用蘆葦作為濕地植物的污水凈化系統，占地六公頃，處理量 1400m3·d-1。1993年， 由 武鋼大冶鐵礦承建，大冶鐵礦炸藥車間建立了面積為200 m2的人工濕地中試工程，用于處理鐵礦炸藥車間排放出的含氮廢水[1]。目前，人工濕地被應用到處理煤礦廢水、印染廢水、食品加工廢水、養殖廢水和河流湖泊生態修復中[6]。污水進入各濕地處理單元后，氮、磷營養鹽的處理效果由其內部反應條件決定。除氮主要依賴于微生物同化、氨化、硝化、反硝化和植物吸收等生化反應。而除磷主要依靠植物的吸收和土壤的吸附、沉降等，普通微生物的除磷效率低于氮鹽。濕地對污染物的去除與影響：物理沉淀可沉淀固體，在濕地中重力沉降去除、過濾，通過顆粒間相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固體被阻截而去除；化學微生物代謝：利用懸浮物和植物寄生菌的代謝作用，將懸浮物、膠體和可溶性固體分解成無機物；通過生物硝化-反硝化作用去除氮；一些微量元素被微生物和植物氧化，通過阻斷或結合去除。

近年來對于小流域綜合整治工作的推進使得人工濕地在河道的應用受到廣泛關注。然而人工濕地的污染負荷有限、建設投資較大、運行管理維護困難限制了其在河道整治上的應用。其中潛流型人工濕地的水面維持在基質床以下，是目前使用和研究最為廣泛的濕地系統。這種濕地的基質通常由粗砂、礦石等粗制填充物組成，為水的快速滲透提供良好的空隙條件。據國外相關工程案例表明，按照污染負荷計算，潛流人工濕地的造價為1200元·m-3，自由表面流人工濕地1500元·m-3。國內的一些案例也表明，潛流人工濕地造價為150-300元·m-2（不包含征地費用），運行費用為0.08-0.15元·噸水-1，而表面流人工濕地的占地面積約是潛流人工濕地的十倍。可見，人工濕地雖然在運行費用相對常規污水處理工藝較低，但其在建設費用及占地等因素上受到較大的限制，而建設面積和處理效率顯示成正比的關系，因此也限制了其發揮凈化作用。

二、原位垂直潛流人工濕地的設計

為解決上述問題，本文設計了一種兼具表流和潛流功能的人工濕地，并將濕地直接建設在河道內部，構建接近自然動力學條件下的原位人工濕地，減小占用河岸上的建設用地，減少投資[7]。該人工濕地前置沉沙池能防止人工濕地淤堵[8]，進水通過步水系統進入濕地內部，在不同粒徑的填料層中呈水平流和垂直流的流動狀態，使之充分與填料和水生植物的根系接觸，河水經重力流通過原位人工濕地，無須提升系統，極大程度降低了運行成本[9-10]。在暴雨期間雨水和河水通過表面漫過原位人工濕地，因此不對行洪造成影響；晴天時，河水通過填料層及水生植物層，同步起到凈化的作用；旱季期間，河水又可以在填料層的空隙之間流過，減小蒸發的同時起到凈化的作用。可見，原位人工濕地在不同工況條件下均能滿足河道水質提升的需求。本文主要以福建省云霄山美溪支流原位垂直潛流人工濕地為例進行分析。

（一）設計思路

根據參考收集的設計參數[11，12]，本次設計擬采用兼具有表流和潛流雙重功能的人工濕地[4-5，13]，濕地設計為四個主要部分，包括沉砂池、分配管、填料層和水生植物層，水生植物層種植旱傘草、再力花、美人蕉三種挺水植物[14，15，16]。人工濕地前設置一座沉砂池，將大顆粒雜質沉淀后通過生態石籠進行配水，水流方向和濕地呈垂直方向，水流由下而上垂直流經床體，流到頂部后，與表面流水體混合出水。

（二）討論

在河道內建設人工濕地，以減少對河岸建設用地的占用，減少投資。同時，河水經重力流通過原位垂直潛流人工濕地，無須泵送系統，大大降低了運行成本。暴雨期間，雨水和河水從濕地表面溢出。在晴天，河水通過填料層和水生植物層，同時起到凈化作用。在旱季，河水可以在填充層的縫隙之間流動，減少蒸發，起到凈化作用。本文提出的原位人工濕地可以適應不同的水流條件，改善支流水質[17，18]。種植植被后，從第三周開始，以120m3·d-1的流量逐漸向濕地供水。經過三個月的種植，這些植物生長茂盛，建設周期如圖1。

圖1 濕地的建設周期

自2020年3月起，目前項目已穩定運行18個月以上，本文的性能測試分析集中在2021年4月至7月之間，因為這期間水質較其他時間段更差。而后期隨著上游截污和管控措施的推進，來水水質已得到進一步提升。

來水經人工濕地凈化后水質得到了提升，這是因為人工濕地的填料層和植物層對水中的氨氮和總磷起到吸附、滯留、過濾、氧化還原、沉淀、微生物分解、轉化、植物遮蔽、殘留物積累、蒸騰水分和養分吸收及各類動物的綜合作用[19]。河水進入濕地系統，水中的固體顆粒與基質顆粒之間會發生作用，水流中的固體顆粒直接碰到基質顆粒表面被攔截。水中顆粒遷移到基質顆粒表面時，在范德華力和靜電力作用下以及某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用下，被黏附與基質顆粒上，也可能因為存在絮凝顆粒的架橋作用而被吸附。事實上，該人工濕地所在河道水質較為清澈，懸浮物少，有機物污染輕，主要超標污染物為氨氮及總磷。本工程的實施建設滿足實際需要，解決了突出的氮、磷污染問題。本文提供的數據和設計理念為同類型的河流治理工程提供了參考信息。

三、管理與維護

運行維護水平關系到河流長效健康發展，需要創建和完善工作機制，明確長效管理責任，加強污染違法行為監管，加強水體監測預警。 此外，要注意截污管網的運行維護，優化供水和供水計劃，做好日常清潔等相關工作，避免防治效果反復。針對本項目的特點，采用治理、維護一體化模式，為了保證河道治理效果，應從以下幾方面進行：

（1）完善管理設施，加強河道日常管理

在河道沿岸人流較大的地方設置警示牌、標志牌、安全欄桿等警示、安全設施，預防在河道范圍內發生人身意外傷害等情況，減少河道運行中的安全隱患，預防事故發生。為保證該人工濕地工程能夠長期穩定、高效運行，人工濕地運行過程中應有針對性地對系統進行維護。

（2）植物系統建立后，應注意日常管養和維護

a.補苗、除草、按時采收以及防治病蟲害必須與植 物生長保持一致，但不得使用除草劑和殺蟲劑等；

b.檢查植株是否擁擠，必要時進行分株；

c.定時疏除繁殖快速的水生植物，如浮萍、大萍等，以免覆滿水面，影響睡蓮或其他沉水植物的生長。植物過大時，葉面互相遮蓋時，也必須進行分株；

d.定期施加追肥，保證植物營養供給。

（3）加強宣傳教育，增強公眾水環境保護意識

向公眾大力宣傳水環境污染給城市帶來的危害，河道等水體污染直接影響城市市貌，影響周邊居民生活環境質量。在沿岸設置一定數量的標志牌、宣傳牌等，讓公眾了解城市河流水環境惡化和生態嚴重破壞的現狀、治理的過程、采取的治理工藝等，以此增強公眾的水環境參與意識和保護意識，借助公眾的力量加強水環境污染治理、生態景觀治理。

（4）強化監測管理工作

加強流域內水環境功能區污染監測，實行排污許可制度，減少入河直排污染。同時，積極開發、引用新技術、新材料及新工藝等，加強污染事故的應急對策。

（5）落實環境民事責任和刑事責任

對危害環境、侵犯他人民事權利的，應依照環境法律法規承擔民事責任；對造成環境污染嚴重事故和對水環境及其他資源造成損害的單位和個人，依法追究刑事責任。

四、結語

原位人工濕地設置在河道內，遵循自然規律，能強化水體本身的自凈能力，恢復水體中生態系統的平衡，在不影響行洪條件的基礎上，能針對性地解決河道中氨氮和總磷超標的問題，其中氨氮的出水能達到《地表水環境質量標準（GB 3838-2002）》III類水標準。

原位人工濕地的構建方式更加接近自然界中的濕地，方便管理，結構簡單，成本也不高，還能起到美化環境作用，增加河道中的生物多樣性，同時，因為河道中的水位在各個季節是不一樣的，因此這一濕地系統還可以形成干濕的交替，使其有更強的凈化污染物能力[2]。原位人工濕地也是河流水質改善與景觀改造相結合的有效應用，在未來對環境質量提出更高的要求時，原位人工濕地將具有一定的應用前景，在許多國家和地區都得到了廣泛運用，如生活污水、煤礦廢水、印染廢水、食品加工廢水、養殖廢水和河流湖泊生態修復都可以利用這種方式解決，并在污水處理方式上更加靈活，有分散處理、小規模達到大效果等特點。此外為保證河流長效健康發展，要建立健全運行、維護、管理等工作機制，明確長效管理責任，加強執法和污染監管，加強水體監測預警，從源頭上消除污染問題，真正實現長治久清。