人工湿地综合处置中水工艺设计研究

2017-07-03郭立李洁林李怀秋

山东水利 2017年4期

关键词：济宁市蓄水导流

郭立，李洁林，李怀秋

（1.济宁市南水北调工程建设管理局，山东济宁 272001；2.山东省环境保护科学研究设计院，山东济南 250013；3.济宁市水利局，山东济宁 272019）

人工湿地综合处置中水工艺设计研究

郭立1，李洁林2，李怀秋3

（1.济宁市南水北调工程建设管理局，山东济宁 272001；2.山东省环境保护科学研究设计院，山东济南 250013；3.济宁市水利局，山东济宁 272019）

采用表面流人工湿地+近自然人工湿地+生态稳定塘组合工艺。设计实施了济宁市截污导流蓄水区人工湿地水质净化工程。通过生态修复措施恢复了湖滨带湿地的生态功能，提升入南四湖水体水质。

南四湖流域；人工湿地；修复措施；生态功能

为了从根本上治理南四湖流域污染，山东省自2002年建立了“污染治理、循环利用和生态保护”即“治用保”防控体系。济宁市截污导流蓄水区人工湿地水质净化工程作为“治用保”防控体系中“保”的一环，是在济宁市截污导流工程，即“用”基础上建设实施的，是截污导流工程的深化和提升。

1 工程概况

1.1 工程背景

济宁市截污导流工程任务是在南水北调工程调水期间（每年10月～翌年5月），对济宁市污水处理厂12万m3/d及济宁市高新区污水处理厂7万m3/d，共计19万m3/d达标排放的中水进行联合调度。工程主要利用泥沟河、蓼沟河、小新河、幸福河支沟和幸福河等河道的可蓄水能力与蓄水区共同蓄水及沿线农田灌溉，有效地防止处理后的中水在输水期间进入到输水干线。

1.2 工程现场情况

工程位于南阳湖农场路以南、南至湖东大堤与幸福河交叉入湖口，即已经建设完成的蓄水区大堤范围内，占地约586 hm2。

1.3 工程规模及进出水要求

根据截污导流蓄水工程中河道、湿地联合调节计算成果，蓄水区月进水量在每年1月份达到最大值610.4万m3，日进水量约19.7万m3/d，中水存蓄在蓄水区内，可回用于2月份农业灌溉。由此确定湿地最大处理规模为19.7万m3/d，10月、2月及4月时主要为存蓄功能，湿地不进水。

1.4 建设任务及设计难点

本工程建设任务为，在济宁市截污导流工程的基础上，建设人工湿地水质净化工程，对蓄存中水再净化，保证出水稳定达到地表水Ⅲ类水标准。

2 工程设计

2.1 工艺流程

根据截污导流蓄水区现场地形，济宁市截污导流蓄水区人工湿地水质净化工程主体工艺采用表面流人工湿地+近自然人工湿地+生态稳定塘组合工艺。工艺流程如图1所示。

2.2 工程设计内容及难点解决

2.2.1 工程设计内容

1）通过不同水生植物种植要求，对蓄水区南半部分进行土方调整，设置五级表面流人工湿地净化功能区，对济宁市污水处理厂及高新区污水厂出水进行处理，结合近自然湿地工艺，使之基本达到地表水Ⅲ类标准。

2）利用蓄水区北部东侧水深适宜区域建设近自然湿地系统。对边坡进行简单修饰，其间种植水生植物，增强湿地生态系统稳定性和多样性。

图1 工艺流程图

3）利用蓄水区北部西侧深水区建设生态稳定塘，稳定湿地出水水质，使之稳定达到地表水Ⅲ类标准。

4）为保证湿地净化效果，减少水流短流和死区现象，需要对蓄水区内部设置导流围堰进行合理布水，并调节运行水位，优化水生植物布局。

2.2.2 难点解决

1）水位控制：根据截污导流蓄水区设计方案，蓄水区1月到5月的运行水位在33.05～33.37 m范围内，蓄水区大部分区域的底部高程在29.5～32.0 m范围内（塌陷坑核心区的高程在26.5～29.0 m，主要为库区西北侧的两个坑塘），运行水深在1.0～3.9 m范围内，而水生植物生长的适宜水深在2.0 m范围内（芦苇、香蒲等挺水植物在0.6 m以内，莲和睡莲等浮叶植物在1.5 m以内，2.0 m以内主要为沉水植物及芡实等）。因此高水位运行无法形成稳定的湿地系统。通过核算确定湿地水位，经过闸门控制出水水位在32.45 m，减少水位波动。

2）水力布局：利用原有围埂建设围堰和导流墙，优化水力布局，减少死区和短流。

3）植物布置：根据不同水深度进行湿生、挺水、浮叶植物的配置，构建稳定的水生植物群落。

2.3 工程设计创新点

1）近自然湿地植物水质净化技术。通过湿地植物水质净化能力和典型污染物耐受能力评价研究，筛选确定了菖蒲、黄菖蒲、香蒲、水葱、茭白、千屈菜、慈姑、芦苇、莲等适用于近自然湿地水质净化技术的植物种群库；优化确定了水深、布水方式等近自然湿地植物水质净化技术的关键工艺参数。

2）可持续湿地净化生态系统构建技术。通过研究及以往设计经验，在水力负荷为8 cm/d，水深50 cm时人工湿地系统的处理效果为最好，COD、氨氮、总氮、总磷平均去除率可达到42.75%、58.42%、56.94%、43.24%。在本湿地中以相关数据为支撑，在湿地底部建设复杂的垄沟基底，使湿地基底部分形成适应不同水深的植物种植区。

3）优化水力布局。利用原有围埂建设围堰和导流墙，优化水力布局，减少死区和短流，最大限度的净化提升水质。

4）建立生态管理模式。为防止水流冲刷建设生态护坡，在按照边坡比例1∶3建设围堰与导流墙的基础上，在边坡种植芦苇、香蒲、芦竹等湿生植物进行护坡。

2.4 主要单元设计

2.4.1 表面流湿地

对蓄水区南半部分进行土方调整，建设表面流人工湿地，占地面积256.8 hm2，有效水面235.9 hm2。通过建设围堰及隔墙，将表面流人工湿地划分为5个区域12个单元，采用串联的布水方式可有效防止短路和死区的发生。

设计参数：水力负荷取8.35 cm/d；停留时间为12 d。

其中一区和二区为主要的植物种植区，通过调整土方，控制湿地区底部高程，密植芦苇、香蒲和本土湿地植物增强湿地水质净化能力；三区表流湿地为混合植物区；四区和五区设置无挺水植物的深水区，以保证湿地内有30%的开放水面，提高湿地系统的复氧能力和景观层次效果。

2.4.2 近自然湿地区

本区充分利用蓄水区东北侧的水深适宜区域建设近自然湿地系统，通过配置深水莲等挺水植物，修复重建水生生物的环境，提高该区生物多样性。该工程区占地面积143.6 hm2（不含预留建设区），有效水面127.4 hm2。

2.4.3 生态稳定塘

本区为湿地工程水质稳定区，充分利用蓄水区西北侧的深水区域建设生态稳定塘，通过沉水植物的修复增加该区的污染物沉积、拦截功能，稳定湿地出水水质。该工程区占地面积184.6 hm2，有效水面173.9 hm2。

3 运行结果

2013年开始进行人工湿地近自然湿地区建设，种植芦苇、香蒲等本土经济植物，引入黄菖蒲等湿生植物，目前植物生长情况良好。工程在进水COD和氨氮分别为20.3 mg/L和2.61 mg/L的情况下，出水COD和氨氮分别降至14.4 mg/L和＜0.05 mg/L，达到了地表水Ⅲ类水质标准，尤其氨氮含量得到了大量削减，对于保证南水北调东线调水水质达标的顺利实现具有重要意义。