北方复合型人工湿地工程：以济宁老运河入湖口湿地为例

高奔

（济宁市生态环境信息和技术中心，山东 济宁 272000）

人工湿地污水处理技术是通过模拟自然湿地，利用特定基质、植物与微生物的协同作用来实现对污水的净化，具有投资少、净化效果好、抗冲击能力强、生态修复显著、运行维护费用低、视觉景观优异等特点。目前，人工湿地已被广泛应用于生活污水、污水处理厂尾水、农业面源废水的处理中(周贤波, 2017)。

济宁南四湖面积1 266 km2，是我国北方最大的淡水湖泊，同时也是南水北调东线必经之地和重要的调蓄区，其水质要求为《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的Ⅲ类水。老运河山东济宁段（以下简称“老运河济宁段”）是《南水北调东线工程治污规划》中27个控制单元之一，由于该流域工业基础较好、污水处理厂建设滞后以及生态径流量不足等原因，2010年老运河济宁段下游水质除8月、9月为Ⅴ类水外，其余月份均为劣Ⅴ类水，CODCr为 44.65 mg/L、NH3-N为2.54 mg/L。济宁市污水处理厂出水实现《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准，但与老运河济宁段所要求的地表水Ⅲ类水质标准仍有不小差距（表1）。2010年11月，在老运河济宁段下游入南四湖湖口处建设老运河人工湿地，规模146 hm2，总投资约6 700万元。人工湿地以复合潜流湿地为核心，结合表面流+生态稳定塘处理工艺，通过济宁市截污导流工程管道拦截市污水处理厂中水，经人工湿地处理后再排入老运河。工程于2012年5月建成并稳定运行，老运河济宁段断面水质、生态环境得到较大改善，并逐步实现水质稳定达标。

表1 一级A标准与地表水Ⅲ类标准主要指标Table 1 Main index of primary level A standard and surface water type III standard

1 老运河及水质现状

老运河为清末之前繁盛数百年的古京杭运河，南起余杭（今杭州），北到涿郡（今北京），途经浙、苏、鲁、冀四省及天津、北京两市，贯通海河、黄河、淮河、长江、钱塘江五大水系，全长约1 797 km。老运河济宁段西起梁济运河后营闸，东流经济宁市市区，南下至南四湖湖区，全长约13.5 km，停航后为废弃河道，是济宁市污水处理厂出水的排污沟，也是城区防洪排涝的主要河流。老运河济宁段流域面积30 km2，河床上口宽约25 m，底宽约17 m（李慧,2008），河道狭窄，为单向封闭河道，主要接纳市污水处理厂出水，自然径流很小，枯水期无稀释水量，河道生态自修复、水体自净能力较低。

济宁市污水处理厂建设规模20×104m3/d，污水厂大量中水的直排是老运河的污染负荷。在本项目建成前，老运河济宁段下游全年基本为劣Ⅴ类水，各河段中高等水生植物稀少，仅在河道浅水区能看到少量野生水草，有少量浮游植物；除汛期外基本没有鱼类；枝角类和桡足类等大型浮游动物数量稀少；由于水体底层缺氧，深水河床区基本无大型底栖动物存在。工程选址处原有大量鱼塘，投放饵料对水质也有较大影响。

2 人工湿地工程设计

2.1 工程选址及现场特征

工程选址在老运河济宁段下游西侧、太白湖东北侧的湖滩地区域，为大面积的湖滩地、鱼塘、坑塘、台田和湖滨浅水区。该区域高程32.7～33.6 m，地势较低，由北向南倾斜，坡降约1/3 000。该区域在开发前原为湖滨带天然人工湿地，因湖区开发和围湖造田受到破坏，故该区域具有良好的人工湿地恢复条件。

2.2 工程设计参数

2.2.1 人工湿地面积及规模 工程占地146 hm2，通过市截污导流工程管道引进市污水处理厂排放的一级A中水，最大处理规模5.5×104m3/d（设计1月份湿地不进水）。

2.2.2 进出水水质设计 根据老运河流域的水文特点及污染情况，选定CODCr和NH3-N两个主因子进行工程设计。设计进水为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，出水为《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水质标准。

2.3 工艺流程设计

充分发挥各类人工湿地处理工艺的独特优势（张迎颖, 2009; 袁云松, 2006; 王凤平, 2016），并考虑土地现状、冬季运行、蚊蝇滋生、与周边太白湖景区景观的协调等（苏祥, 2012; 蔡佩英,2008），确定采用复合潜流+表面流+生态稳定塘的组合工艺。济宁市污水处理厂出水经泵站加压后，通过市截污导流工程管道进入人工湿地，再通过布水涵管进入南、北复合潜流处理区，依次通过下行潜流、上行潜流、水平潜流，经强化处理达到景观环境用水水质，分别进入南、北表面流湿地进一步净化。随后，再进入南、北生态稳定塘，颗粒物自然沉降。南区生态稳定塘出水通过倒虹管，跨越老运河与北区生态稳定塘汇合，最终北区生态稳定塘出水达到地表水Ⅲ类标准，再排入老运河，最后进入南四湖（图1）。

图1 老运河入湖口人工湿地工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of Old Canal Estuary Constructed Wetland

2.4 主要单元设计

2.4.1 复合潜流处理区 复合潜流处理区位于老运河济宁段下游西侧及太白湖东北侧，由南、北两区共16个处理单元并联运行，每个处理单元依次由下行潜流、上行潜流、水平潜流子单元串联。

设计参数：总面积14.5 hm2，共16个处理单元，每个处理单元144 m（东西长）×50 m（南北宽），设计处理水量5.5×104m3/d，总停留时间为1.5～2.5 d。垂直潜流水力负荷2.8×104m3/(hm2·d), 水平潜流水力负荷 68.8×104m3/(hm2·d)，CODCr去除负荷143.5 g/(hm2·d), NH3-N去除负荷19.1 g/(hm2·d)。布水集水均采用穿孔UPE管，设置放空系统，以便检修维护及1月的暂停运行。设置超越管，使来水通过复合潜流处理区直接进入表面流处理区。

（1）下行潜流。每个子单元尺寸25 m(长）×50 m(宽)×1.8 m，进出水高差1.15 m，填料至上而下依次为粒径4～8 mm的碎石300 mm、8～16 mm的砾石900 mm、4～8 mm的碎石300 mm、倒梯形填料沟200 mm，外坝及分隔坝边坡系数均为1:1.5（图2a)。

表2 植物配置方案Table 2 Plant allocation scheme

图2 复合潜流湿地填料剖面图Fig.2 Vertical profile of filler in composite subsurface flow wetland

（2）上行潜流。除8～16 mm的砾石层厚度为800 mm外，上行潜流子单元的大小、填料种类、布置方式、边坡系数均与下行潜流子单元相同，出进水高差1.05 m（图2b）。

（3）水平潜流。每个子单元尺寸94 m（长）×50 m（宽）×1.0 m，进出水高差0.65 m，入水端至出水端依次铺设粒径4～8 mm的碎石150 cm、8～16 mm的砾石91 m、4～8 mm的碎石150 cm，外坝及分隔坝边坡系数1:1.5（图2c)。

2.4.2 表面流处理区 表面流处理区分南、北两区，分别位于复合潜流处理区的南、北两侧，总面积64.5 hm2。

设计参数：南、北每区各由2组4级表面流并联组成，水深0.3～0.5 m，地势低洼部分不超过1.5 m，水力负荷12 m3/(hm2·d)，CODCr去除负荷6.68 g/(hm2·d) ，NH3-N 去除负荷 0.42 g/(hm2·d)。

2.4.3 生态稳定塘 生态稳定塘分为南、北两区，分别位于南区表面流的南侧和北区表面流的东、北两侧，面积共计67 hm2，水深1.2～2.5 m，岸边水深1.0～1.5 m，种植挺水植物、浮叶植物。

2.5 植物配置方案

根据水深、植物耐污性、抗寒性、根系发达程度、生态安全性、经济价值、美观等选择植物种类（朱世殊, 2015; 王磊, 2007; 殷哓乐, 2016）（表2）。复合潜流处理区的植物主要为根系发达、对污水净化能力强的植物，如芦苇、香蒲、菖蒲等，这些植物还能将氧气传输至根区，与周围的原生动物、微生物等形成特殊的根际微生态环境。表面流处理区在保护恢复原有湿地植物的基础上，搭配种植挺水植物、浮叶植物、沉水植物，优化植物水平配置与垂直配置。人工湿地共栽植各类水生植物40余种，500余万株。

图3 2010-2017年3#监测点CODCr和NH3-N的含量变化Fig.3 CODCr and NH3-N annual concentration changes of 3# monitoring point from 2010 to 2017

3 人工湿地运行效果

人工湿地工程于2010年11月开始建设，对地表附属物进行了清理、迁占，在鱼塘、水塘、台田、湖滩地、湖滨浅水区进行了清淤、土方调整、填料铺设等，2012年5月通水运行。目前，人工湿地各处理区运转正常，植物生长状况良好。

在济宁市污水处理厂出水口（1#监测点）、湿地总出水口（2#监测点）设置两个监测点，2013年1-12月，1#监测点CODCr、NH3-N含量分别为36.8 mg/L、2.04 mg/L，2#监测点CODCr、NH3-N含量分别为19.1 mg/L、0.92 mg/L，老运河入湖口人工湿地CODCr、NH3-N的去除率分别达48%、55%，人工湿地出水水质达到地表水Ⅲ类标准。

在湿地总出水口下游500 m处的老运河济宁段河道内设置3#监测点，该点位直至南四湖入湖口处无其他水汇入。从3#监测点CODCr、NH3-N的含量变化可以看出，2012年工程运行后，老运河济宁段下游CODCr、NH3-N的含量逐年下降，并从2015年开始达到地表Ⅲ类水标准（图3）。

4 结论

利用老运河入湖口现场地形建设人工湿地，用复合潜流+表面流+生态稳定塘的组合工艺，对湖滩地、鱼塘、坑塘、台田、湖滨浅水区进行清淤、退耕还湿、土方调整及潜流、表流湿地建设，拦截济宁市污水处理厂外排中水，中水经净化处理后再排入老运河，有效减轻了老运河济宁段的污染负荷，对保障老运河济宁段水质达标起到了关键作用。

老运河人工湿地工程实现了湿地的生态效益、经济效益和社会效益。湿地植被恢复工程实施后，老运河自然湿地景观得到了改善，为水禽、鱼类提供了栖息地和食物来源，东方白鹳、中华秋沙鸭等大量珍稀鸟类陆续栖息，湿地植物种类由13科19种增加到19科33种，物种多样性显著提高。大面积种植莲藕、茭白、芡实等水生经济植物，年收入可达305万元。老运河人工湿地与太白湖景区的深入融合，每年可吸引游客20余万人次，旅游年收入达300余万元。湿地功能的恢复和环境改善得到了民众的认可，人与自然和谐发展的理念深入了人心。