人工构筑湿地在河道整治工程中的应用

2015-11-24安智伟

水科学与工程技术 2015年3期

安智伟

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

河道整治是按照河道演变规律，因势利导，调整、稳定河道主流位置，改善水流、泥沙运动和河床冲淤部位，以适应防洪、航运、供水、排水等国民经济建设要求的工程措施。在具体工程中有修建堤防、堤防边坡防护、河道清淤等。在现状的河道整治工程中大多注重的是防洪、供水、排水要求，很少涉及到河道生态及水质的问题，然而由于人口增长及工业发展，河流生态及水质大都遭到了破坏。本文主要说明利用污水处理技术中的人工构筑湿地系统改善及治理河道的生态及水质的问题。

1 人工构筑湿地简介

污水人工湿地净化工程于20世纪70年代逐渐趋向成熟并在实际中普遍应用。人工湿地法（在欧洲称为根区法）相对于其他生物处理污水系统有明显的优点。

人工湿地与传统污水处理工艺相比有以下优点：①需要的构筑物和设备较少，基建投资和运行费用较低；②处理工艺有效可靠，不仅能去除常规污染物，而且对营养物质等具有明显的处理效果；③易于维护管理；④对水力负荷和污染物负荷的波动具有较强的耐受能力；⑤既能净化污染物，更能美化景观，增添绿色观瞻，形成良好生态环境，为野生动植物提供良好生境，可把废水治理与野生动植物园建设结合起来，提高环境资源与旅游资源价值等［2］。

与常规污水处理系统相比，存在以下缺点：①占地面积较大；②需要经过两三个植物生长季节，形成稳定的植物和微生物系统后才能达到设计处理要求［2］。

人工构筑湿地在北方的河道整治中应用还较少，在河道整治工程中，由于河道较长，存在湿地占地面积较大的问题；河道整治完后，仍要长期使用，因此植物在其两三个生长季完成后，会形成生态景观，也为野生动植物提供栖息场所，对于整个河道的生态恢复起到了非常重要的作用。

2 人工构筑湿地原理

人工构筑湿地系统去除污染物的作用机理如表1。

表1 湿地系统去除污染物的作用机理［3］

在成熟的人工湿地系统中，填料表面和植物根系附近存在大量微生物，并形成了生物膜。废水流经时，填料及根系能够阻挡截留废水中悬浮颗粒，不溶性有机颗粒被根区微生物分解成小颗粒可溶性有机物，有机物作为微生物新陈代谢过程中的电子供体，参与微生物活动各个过程从而得以去除。植物根区会产生根区效应，帮助地基质层产生好氧、缺氧及厌氧环境并交替出现，这样就使废水中的氮磷不仅能被植物、微生物作为营养物质直接吸收（-N可以通过植物的挥发去除），而且也可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的积累作用从废水中去除，最终通过更换湿地填料和收割植物使有机物污染从系统中移除。

3 人工构筑湿地类型及植物

根据水流方式，人工构筑湿地可以分为3种类型。

3.1 自由表面流人工湿地（FWS）

污水在基质表层流动，水层较浅，一般为0.1～0.6 m。自由表面流人工湿地中污水与空气接触面积大，氧气传质效率高，这些特点使其对污染物的去除效果较好，且自由表面流人工湿地造价低，操作运行简单，成熟期短（3个月）。但这种类型的人工湿地占地面积大，水力负荷率较小，而且系统容易受到气候影响，夏季易生蚊蝇，会散发臭气。

表面流人工构筑湿地示意图如图1。

图1 表面流人工构筑湿地

3.2 水平潜流人工湿地（SFS）

污水从湿地一端进入湿地，在基质中水平流动，能充分利用基质和植物根系的节流作用。水平潜流人工湿地对污水净化效果好，而且很少有臭气和蚊蝇现象。这种湿地运行管理相对复杂，投资相对较高，基质易堵塞。

水平潜流人工构筑湿地示意图如图2。

图2 水平潜流人工构筑湿地

3.3 垂直潜流人工湿地（VF）

垂直潜流人工湿地可分为上行流、下行流和潮汐流。垂直潜流的配水管均匀布置于湿地床的上方或基质层的下方，正常情况下进水相对均匀，而当处理水质悬浮物浓度高时，进水管容易发生堵塞，甚至基质发生堵塞。垂直潜流人工湿地的消化能力比水平潜流高，更适用于处理-N含量高的废水。垂直潜流人工构筑湿地示意图如图3。

图3 垂直潜流人工构筑湿地

由此可知，表面流人工构筑湿地比较适合河道治理中应用。

人工湿地处理的植物有藨草（灯芯草）、芦苇、香蒲等，一般多选择芦苇作为种植植物，据测定，其最大输氧速度可达28.5g/（m2·d），而且，其除磷能力也强。

芦苇是优良造纸及器具加工原料，芦根还是中药，具有较好的经济价值。芦苇的种植应选择适合当地生长的优良品种，保留两个完整根节为一段，间隔2m种植，种植季节通常选择在清明前后。芦苇每年收割一次，收割时将成熟的芦苇连同吸收的营养物和其他成分从湿地中移出，能促使芦苇生根和维持下年度生长，有吸收、净化河水污染物的作用，收割时保留的芦苇茬在20～30cm，便于冬季运行时支撑冰面，也有利于春季发芽生长。

运行初期，易发生植物病虫害，应采取相应防治措施。芦苇需要的土壤质地为黏土—壤土，土壤渗透率以0.025～0.35cm/h为宜，pH为6.5～8.0，Cl－浓度小于1%，浓度小于2%，K/Ca临界值宜大于0.029×103。

种植基质由土壤和比表面积大、空隙率高、有一定机械强度和生化稳定的基质组成，常用的基质有煤渣、鹅软石、沙粒等。

4 人工构筑湿地在河道治理中的应用

现在很多河道中的水质都很差，水质参数达不到GB3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类功能区的要求。河道整体环境较差，河道两岸堤防破坏严重，河道底部淤积，坑洼不平，河道内有乱采乱挖的现象。现有很多河道整治工程针对河道现有外貌及防洪标准进行了整治，采取的工程有修建堤防、堤防边坡的浆砌石防护、河道底部清淤等。这些工程措施使河道的外貌及防洪得到了整治，但河道的水质经过工程措施后，仍达不到Ⅴ类功能区的要求。

在河道整治中加入人工构筑湿地系统，完成其生长季后，对缓冲暴雨径流水量、调节气候和提供生物栖息地、降解多种污染物具有重要作用。

根据一些河道人工构筑湿地的数据，统计出人工构筑湿地的水力负荷在0.45～0.95m3/m2·d时，各污染物不同浓度下的去除效率如表2。

由表2数据可知，TN、NH3-N、TP随着进水浓度的上升，去除效率下降；CODCr、SS、BOD5随着进水浓度的上升，去除效率上升。

一般河流流量比较大，人工湿地需要的面积就较大，高水力负荷运行，会降低污染物的去除效率，如果河道较长时，可采取节断式种植人工湿地，即可利用河道本身的自净作用降低人工湿地污染物负荷，又可对整条河流的生态恢复起到重要作用。