黑土洼生态湿地系统并联工艺污染物处理技术研究

邢乃春 陈 雷

（1.江河水利水电咨询中心 北京 100120；2.水利部水利水电规划设计总院 北京 100120）

1 引言

黑土洼湿地位于官厅水库库北、永定河入库口附近，是为研究采用人工湿地系统处理官厅水库上游微污染水体而设计。整个工艺流程分两大步，第一步为表流湿地、植物塘及砾石透水堤的串联工艺，第二步为砂介质垂流湿地、原地回填土垂流湿地、水平流渗滤坝等三种并联工艺，第一步与第二步串联，出水最终均进入官厅水库。

本文主要对黑土洼湿地结构中的并联工艺的设计特点、运行操作方法、处理工艺、效果及处理机理进行研究分析。研究成果对于如何充分利用污水处理厂的退水河道对微污染水进行进一步的处理和利用生态方法进行河道治理具有积极的意义。

2 试验材料

垂直砂滤系统床体和水平砂滤坝系统的坝芯分别铺设和填充取自当地河滩的卵、砾石和水洗粗砂。复合湿地系统的进水口安装有控制阀门和量水堰，出水口也有量水堰以及高度可调的出水管，用于控制出水水位。

3 工艺设计

为了充分利用永定河周边大量的河滩地，参考国内外一些实际工程实践，本文设计的湿地并联结构为垂直流砂滤系统＋垂直土壤渗滤系统＋水平砂质渗滤坝系统。平面布置见图1。

图1 垂流及水平流渗滤坝区平面布置图

图中：（1）为砂介质垂流湿地区，（2）为原地回填土垂流湿地区，（3）为水平流渗滤坝区

3.1 砂介质垂流湿地

垂流湿地一直就是众多学者研究的热点。在官厅水库入库口，代明利等人在官厅水库永定河入库口处进行了垂流式人工湿地对入库河水的净化试验，结果表明，在渗滤时间＜1h时垂流人工湿地对河水就有较好的净化效果 （对有机污染物和NH4＋－N的去除率都能达到80%左右，对TN和TP的去除率为40%左右）。

该类湿地一般介质较细，处理效果良好，但若没有前处理，则比较容易淤堵。

根据垂直流湿地的特点，为了扬长避短，本试验中采用的床体介质为直径0.06～2mm的水洗粗砂。另外，渗滤系统的前端植物塘系统有利于拦截和沉淀水体中大部分颗粒较大的固体颗粒，减少了渗滤系统的堵塞几率，从而延长了渗滤系统的持续工作时间。

垂直砂滤系统、直径为10～25mm的卵砾石，其中布设直径为160mm的集水花管，用于收集和外排经过渗滤系统处理的水体。在卵砾石层上面是砂滤系统的主要渗滤介质：直径0.06～2mm的粗砂，厚度为81cm。砂滤介质上种植芦苇，芦苇成熟后的根系在砂滤介质中纵横交错，有助于疏松砂介质，水体可通过根系周围的空隙输送到集水层，从而在一定程度上减少了砂介质堵塞的可能性。

垂流及水平流区的设计处理水量为0.019m3／s。其中砂介质垂流湿地的面积为175.5m2，水力负荷为7.7m／d，设计处理量为0.00759m3／s。图2－8为砂介质垂流湿地的纵剖面图，图2为施工完成后的实际情况。

图2 砂介质垂流湿地纵剖面图

3.2 原地回填土垂流湿地

在工程原址进行土壤回填，利用土壤渗滤系统来处理污染物。土壤处理系统对污水的净化机制是，污水在包气带及潜水层流动时，借助于发生在土壤和浅部含水层中的物理、化学和生物作用，使污染物通过吸附、微生物降解、沉淀及其它化学反应去除，最终达到污水净化的目的。土壤含水层对有机物和氨氮的去除可以不断的进行下去，土壤含水层相当于一个由好氧、缺氧、厌氧组合的生物反应器。为了进一步研究土壤处理系统的净化效果，在本试验工程中设计了一种土壤垂直渗滤湿地系统。该人工湿地的土层取自原河道附近滩地，湿地面积为60m2，水力负荷为2.5m／d。

原地土样颗粒级配分析及化学分析结果见表1和表2。图3为原地回填土垂流湿地纵断面。

表1 土样颗粒级配分析表

Cu＝5.2，Cc＝0.7，渗透系数为1.34×10－6m／s。

表2 土样的化学分析结果如下表

图3 原地回填土垂流湿地纵断面

3.3 渗滤坝

渗滤坝是由中德双方共同设计的一种独特的渗滤结构，主要利用系统内外的水头差异，形成水平渗滤。渗滤坝系统内外部边坡为分别为1∶2和1∶3，坝芯为不同级配的渗滤料，下游50cm厚的卵砾石护坡。在渗滤初始阶段，主要利用滤料的吸附性能，经过长时间的净化处理，将在滤料表面形成生物膜，经国内外有关试验研究结果表明，该生物膜能够有效去除污染物。

渗滤坝滤料的材料特性为：

d10＝0.224mm，d60＝0.447mm，U＝2，渗透系数为5×10－4m／s渗滤坝顶宽度为3.5m，渗滤坝长15m，设计上游水深1.1m，上下游水头差为64～120cm，停留时间为1.5h－1h，设计处理水量，0.0016m3／s，水力负荷，9.6m／d。图4为渗滤坝的横断面图。

图4 渗滤坝横断面

3.4 湿地系统运行参数设计

采用连续进水的方式，湿地系统的总进水量765.5m3／d。三种渗滤系统的设计处理水量为0.014m3／s。 其 中 砂 介 质 垂 流 湿 地 的 面 积 为175.5m2，水 力 负 荷 为 7.7m／d，设 计 处 理 量 为0.008593／s；土壤渗滤系统湿地面积为60m2，水力负荷为2.5m／d，设计处理量为0.00342；砂滤坝水平渗滤系统的水力负荷9.6m／d，设计处理水量，0.00163／s。

4 试验结果与分析

分析测定方法参照《水和废水监测分析方法》（国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会，1989），数据分析用 Microsoft Excel对数据进行方差和图表分析。

该试验从6月份开始，试验运行正常。期间在11月5日对砂介质垂流湿地的上层板结滤料进行了松翻，松翻深度在20～40cm，松翻后出水流量有所增大。为了提高测流精度，在松翻土的同时，将矩形测流堰改造成三角形堰。

4.1 水量分析

由于在本监测期内项目区没有大的降雨，因此水量计算不考虑降雨。

2005年8月30日开始对水量进行监测，到11月7期间的监测结果见图5。

图5 8－30～11－7的水量监测数据分析

由图3－1的数据可知，总处理水量呈逐渐减小的趋势，并且在湿地运行初期（前两周内）处理水量减小的速度比较块，主要原因是砂介质垂流湿地及原地回填土垂流湿地逐渐淤堵，但在11月5日对砂介质垂流湿地的上层板结滤料进行了松翻后，其出水量明显增大，大约两周后又恢复到松翻前的出水流量。

渗滤坝的出水水量比较恒定，也不发生淤堵，但出水流量偏小，平均为13／h。

总进水量一般大于总出水量，平均减少15%左右，这比设计水量减少10%要高。水量损失的主要因素为：植物蒸腾、水面蒸发、渗漏地下。上图显示，随气温的降低，蒸发、植物蒸腾减弱，冬季的进出水量差值要小于夏季与秋季。

4.2 水质分析

砂介质垂流湿地、原状回填土垂流湿地、渗滤坝等三种处理工艺并联运行。

砂介质垂流湿地的实际运行水力负荷为1.03m／d，停留时间约为1d，远小于设计水力负荷7.7m／d，主要原因：（1）所选中细砂的粒径偏小，导致滤层上部容易淤堵，减小了渗透系数；（2）实际平均运行水头在60cm，也要小于设计运行水头100cm。

原状回填土垂流湿地的实际运行水力负荷为1.92m／d，与设计水力负荷为2.5m／d比较接近，主要原因是原地回填土的砂性比较强，另外在施工回填时，并没有采取夯实措施，浸水后下层可能会产生孔洞。

渗滤坝的实际上下游运行水位差平均为0.75m，长15m，则实际平均运行水力负荷为2.13m／d，也小于设计值9.6m／d，主要原因是所选中细砂的粒径偏小，虽然没有淤堵，但实际的渗透系数也要小于设计期望值，另外平均水位差也较设计水位差小，减小了处理的水力负荷。

上述水力负荷均比设计期望值小，除上述分析的原因外，进水、出水缺乏水力控制，也无法根据需要来调节水力负荷。在以后的设计中，要注意略微增大滤料粒径，在实际运行中，应通过进水及出水流量控制结构来控制来调节水力负荷。试验结果见图6。

图6 三种渗滤工艺TN去除效果对比

图7 三种渗滤工艺TP去除效果对比

砂介质垂流湿地、原状回填土垂流湿地、渗滤坝三种处理对TN的平均去除率分别为：35.8%、37.4%和58.8%。

砂介质垂流湿地、原状回填土垂流湿地、渗滤坝三种处理对 TP的平均去除率分别为：28.1%、22.0%和53.7%。

图8 三种渗滤工艺CODMn去除效果对比

砂介质垂流湿地、原状回填土垂流湿地、渗滤坝三种处理对CODMn的平均去除率分别为：29.3%、11.7%和41.3%。

图9 三种渗滤工艺SS去除效果对比

砂介质垂流湿地、原状回填土垂流湿地、渗滤坝三种处理对SS的平均去除率分别为：47.6%、53.7%和57.3%。

由此可见，渗滤坝对污染物的去除效果要优于其它两种处理，出水基本能达到地表水Ⅱ～Ⅲ类出水标准。

砂介质垂流湿地、原状回填土垂流湿地对污染物的去除效果比较接近，基本都能将超Ⅴ类水体净化成Ⅲ～Ⅳ类水体，砂介质垂流湿地略好于原状回填土垂流湿地。

4.3 人工湿地的可持续运作能力

本人工湿地的末端并联工艺采用的是三种不同的垂直和水平渗滤系统，存在着床体堵塞的问题。这就很大程度上影响了人工湿地工程的可持续运作能力。

造成床体基质堵塞的原因就是渗滤介质的厚度、颗粒级配以及有机质的积累等。相关研究表明，垂流人工湿地在运行两年后，污水各项指标处理效率比运行头年明显降低，其中CODMn和NH4＋－N的去除率低十个百分点以上。

一般来说，有机物积累主要在基质上层。导致积累的原因可以归纳为一下几点：

（1）床体基质对污水中有机物的吸附积累；

（2）床体覆土对植物碎屑的消纳，藻类的生长导致表层有机物结壳；

（3）植物密度大，植物根系的大量生长和死亡残留有机物的积累以及植物根系分泌有机碳造成积累。

有机物积累一旦发生，基质空隙度减小，将影响人工湿地的水力传导性，进而影响了人工湿地的水力负荷，从而导致去除率的下降。因此，针对有机物积累的原因，可以采取相应的措施来改善这种状况。人工湿地覆土厚度可以减少甚至不覆土，加强维护和管理，适当对表层进行翻松等。

5 结论

湿地采用持续供水方式，由于湿地末端的砂介质垂直流湿地的表层出现了轻微堵塞，在水量监测期间湿地出水量有下降的趋势。后经过对表层介质进行松翻，处理量有所恢复。其中渗滤坝的出水水量比较恒定，也不发生淤堵，但出水流量偏小，平均为1m3／h。

湿地并联工艺中砂介质垂直流湿地、土壤渗滤系统、水平渗滤坝对总氮的平均去除率分别为：35.8%、37.4%和58.8%；对总磷的平均去除率分别为：28.1%、22.0%和53.7%；对 CODMn的平均去除率分别为：29.3%、11.7%和41.3%；对 SS的平均去除率分别为：47.6%、53.7%和57.3%。

1 国家环保局 .水和废水监测分析方法（第三版）.中国环境出版社，1989

2 崔玉波，李相猛，赵可 .潜流人工湿地废水处理技术的效能 .吉林建筑工程学院学报，2002，19（2）：7～10

3 吴晓磊 .污染物质在人工湿地中的流向 .中国给水排水，1994，10（1）：40～43

4 马晓波 .官厅水库入库地区湿地系统水处理试验研究［D］.北京.北京师范大学.2002

5 代明利，欧阳威，刘培斌等 .垂流人工湿地处理官厅水库入库河水得试验研究 .中国给水排水，2003，12（3）：4～7

6 郑艳侠，冯绍元，蔡金宝，黄斌彬等 .土壤含水层处理系统去除三家店水库微污染有机物的室内土柱实验 .水利学报，2005，36（9）：1083－1087

7 刘学燕 .在北方地区利用潜流人工湿地处理地表水试验研究［D］.北京.中国农业大学.2004

8 张军，周琪，何蓉 .表面流人工湿地中氮磷的去除机理.生态环境，2004，13（1）：98～101