高州水库人工湿地设计

2020-08-31杜欢欢洪昌红

广东水利水电 2020年8期

杜欢欢，邱静，洪昌红

(1.广东省水利水电科学研究院，广东广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东广州 510635)

1 设计背景

高州水库位于茂名市高州市东北部，距市区 26 km库区集雨面积为1 003 km2，原设计总库容为11.5亿m3，除险加固后设计库容为12.8亿m3，是一座以灌溉、防洪、工业和城市生活供水为主，兼顾发电、航运等综合利用的大(Ⅰ)型水利枢纽工程。水库由石骨和良德2个库区组成，2库体均是由西南向东北沿河床呈不规则狭长掌状分布，南北两端通过1条长约0.7 km人工运河相连接；东西宽为10 km，南北长约18 km。

近些年，受水库集雨区7个镇，30多万居民人口的生活生产污水污染、农业面源污染及水土流失等方面影响，高州水库的水体富营养化逐渐严重。2009年与2010年连续2 a，水库暴发蓝藻水华生态灾害，使水库面临巨大供水危机，严重威胁了下游地区的饮用水安全。因此，在水库库区人口密集处布置人工湿地，将生活污水截留，处理达标后排入水库，可有效地改善水体富营养化状况，缓解水库因水质影响供水安全的现状，对维护水库生态健康和社会稳定起到至关重要的作用。本工程综合考虑经费和土地权属等问题，决定在车利根队、龙头队、黎塘队、茂坡队和三角垌队5处农场布置首批人工湿地(见图1)，收集农场宿舍、食堂和办公室的日常生活污水，将污水净化达一级A标准后排入水库，确保入库水质，后期将根据运行效果在水库推广建设。

图1 高州水库人工湿地位置示意

2 设计原理

人工湿地技术具有投资少、无二次污染、能耗和运行费用低、适用范围广、美化景观等优点[1]，这种原位生态治理技术已经被广泛用于受污水体的修复之中，尤其适用于高州水库农场这类小规模人口生产生活污水的处理。按照布水方式的不同，人工湿地分为表面流和潜流2种类型[2]。表面流人工湿地的污水在基质的上层流动，污水中绝大部分有机物由生长在植物水下茎杆上的生物膜去除，与自然湿地最为接近，这种湿地比较适合处理污染物浓度不高的水体。潜流人工湿地的污水在基质中流动，水面低于基质表面，呈潜流状态，根据水体流动方向，又可分为水平潜流和垂直潜流。这种湿地一方面充分利用了基质表面生长的生物膜、丰富的植物根系及基质的截留作用，提高了处理效果和处理能力；另一方面由于水流一直在基质表面以下流动，避免了表面流湿地中的蚊蝇及臭味问题，并在一定程度上降低了湿地受温度变化的影响[3-4](见表1所示)。

表1 不同类型人工湿地差异

3 工程设计

3.1 设计规模

据调查，目前高州水库车利根队、龙头队、黎塘队、茂坡队和三角垌队5处农场各有农户为30～40人，湿地设计人口为60～75人，以防止后期人口增加导致湿地超负荷运转影响处理效果。其中，车利根队设计人口为60人，生活污水排放量为180 L/(人·d)，排污系数取0.9，则设计污水处理量为9.72 m3/d；龙头队设计人口为75人，设计污水处理量为12.15 m3/d；黎塘队设计人口为60人，设计污水处理量为9.72 m3/d；茂坡队设计人口为70人，设计污水处理量为11.34 m3/d；三角垌队设计人口为65人，设计污水处理量为10.53 m3/d(见表2)。

表2 人工湿地生活污水日处理量设计

3.2 处理工艺

高州水库不同水期水位落差大，最大时可达10 m左右，人工湿地布置受地形的局限很大，考虑潜流人工湿地单位面积处理效率高，处理相同污水所需面积小，并且水平潜流人工湿地构造较垂直潜流人工湿地简单，管理费用较低，维护相对容易，因此，本工程在5处农场均采用水平潜流人工湿地。生活污水收集至化粪池和直排库区的污水管，通过管线引入预处理池，悬浮物在预处理池沉降，上层清液流入第1个集水池，而后经过人工湿地的脱磷除氮作用，再流入第2个集水池，最后排入高州水库，出水水质达地表III类水标准，人工湿地处理流程图如图2所示。为避免化粪池来水中的粗大杂物进入湿地主体堵塞管道，本工程在预处理池放置1台长宽高为0.5 m×0.5 m×1 m的格栅。预处理池和集水池上方均添加玻璃钢盖板，防止蚊虫滋生及枯枝落叶掉入。

图2 人工湿地处理流程示意

3.3 设计参数

人工湿地的参数设计需遵循《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005—2010)《人工湿地污水处理技术导则》和《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)，具体参数要求见表3～5。

表3 人工湿地系统进水水质要求 mg/L

表4 主要设计参数

表5 主要污染负荷设计参数

1)湿地面积设计

根据国家住房和城乡建设部标准定额研究所编制的《人工湿地污水处理技术导则》，在占地面积不受限制时，人工湿地面积按BOD5有机负荷进行设计计算，复核氨氮和总磷有机污染负荷和水力负荷参数；若按BOD5有机负荷设计面积不合理，则分别按氨氮和总磷有机污染负荷进行计算，复核其余参数合理性，确定最终设计面积。

表面有机负荷计算公式如下：

(1)

式中A为人工湿地面积，m2；Q为人工湿地设计水量，m3/d；C0为人工湿地进水污染物浓度，mg/L；C1为人工湿地出水污染物浓度，mg/L；qos为表面污染负荷，kg/(m2·d)。

按照水力负荷进行面积复核，水力负荷计算公式如下：

(2)

式中qhs为表面水力负荷，m3/(m2·d)；Q为人工湿地设计水量，m3/d；A为人工湿地面积，m2。

水力停留时间计算公式如下：

(3)

式中t为水力停留时间，d；V为人工湿地基质在自然状态下的体积，包括基质实体及其开口、闭口空隙，m3；ε为孔隙率，%。

以车利根队人工湿地为例，潜流人工湿地处理水量为9.72 m3。人工湿地要求进水BOD5浓度小于等于80 mg/L，因农场雨污合流，进水浓度通常满足此要求，为保证湿地出水效果，进水区浓度设计为80 mg/L，出水浓度按照地表III类水标准设计为4 mg/L；以此类推，氨氮进水浓度设计为25 mg/L，出水浓度设计为1 mg/L；总磷进水浓度设计为5 mg/L，出水浓度设计为0.05 mg/L。

按照BOD5表面负荷取9 g/(m2·d)，则潜流人工湿地面积为：

A1=9.72×(80-4)/9=82.08 m2。

按照氨氮表面负荷取3 g/(m2·d)，则潜流人工湿地面积为：

按照总磷表面负荷取0.4 g/(m2·d)，则潜流人工湿地面积为：

取计算较大者，即120.29 m2作为设计潜流人工湿地设计面积，考虑湿地的长宽比设计，潜流人工湿地设计面积定为122 m2。复核水力负荷为0.08 m3/(m2·d)，满足规范小于0.5 m3/(m2·d)的要求；复核水力停留时间为2.81 d，满足规范1～3 d的要求。根据此种方法，计算出龙头队、黎塘队、茂坡队、三角垌队的湿地面积分别为151 m2、122 m2、141 m2、131 m2。

2)几何尺寸设计

根据设计规范要求，潜流人工湿地的单池面积不超过800 m2，水深控制宜在0.4～1.6 m，长宽比宜控制在3:1以下，池底坡度宜控制在0.5%～1.0%。人工湿地的填料太浅会导致水力停留时间过短，植物根系与污水的反应时间不足，填料太深又易形成死水区，因此，本设计5处水平潜流人工湿地填料深度均取0.8 m，长宽比均为2:1，孔隙率控制在28%，水力坡度设计为1%。车利根和黎塘队人工湿地设计面积为122 m2，填料池体积为97.6 m3，池体长度设计为15.6 m，宽度为7.8 m；龙头队人工湿地设计面积为151 m2，填料池体积为120.8 m3，池体长度设计为17.4 m，宽度为8.7 m；茂坡队人工湿地设计面积为141 m2，填料池体积为112.8 m3，池体长度设计为16.8 m，宽度为8.4 m；三角垌队人工湿地设计面积为131 m2，填料池体积为104.8 m3，池体长度设计为16.2 m，宽度为8.1 m。

3)湿地植物选型

人工湿地宜选用耐污能力强、根系发达、去污效果好、具有抗冻及抗病虫害能力、有一定经济价值、容易管理的本土植物，通常选择多种挺水植物作为优势种搭配栽种，以增加植物的多样性并具有景观效果[5]。挺水植物根据根系分布深浅及分布范围，分为深根丛生、深根散生、浅根丛生和浅根散生4种类型。潜流人工湿地宜使用深根丛生、深根散生型的植物以达到更好的污水处理效果，本工程选择种植美人蕉、芦苇、灯心草、旱伞草和水葱5种植物。

4)湿地基质

考虑高州水库库区位置偏远，取材及成本有限，本工程基质采用传统的砾石、粗砂和细砂，基质设计深度为0.8 m，沿着水流方向粒径从大到小铺设。以车利根队为例(如图3所示)，人工湿地的进水区，基质粒径为12～16 mm的砾石，水平铺设3 m；其他依次为粒径为8～16 mm砾石，水平铺设3 m；粒径为5～10 mm砾石，水平铺设4 m；粒径为0.2～6 mm无泥粗砂，水平铺设4 m；在出水区，为防止基质粒径过小堵塞出水口，铺设粒径为8～16 mm砾石1.6 m。其他4处人工湿地基质布置见表6所示。

图3 水平潜流人工湿地剖面示意

表6 人工湿地水平潜流基质布置

5)防渗设计

根据高州水库当地的地质条件，保证污水不外渗污染水库，人工湿地底部和侧面均进行防渗处理。底部采用450 g/m2的PE防渗膜，厚度为0.5～1.0 mm，两边衬土工布，以降低植物根系和紫外线对薄膜的影响。

6)进出水设计

本工程采用无动力人工湿地，即农场宿舍、食堂、办公室日常生活污水由管道从化粪池和排水口引出，依靠管线沿程高差设置，以重力流方式进入人工湿地，在人工湿地内部利用水力坡度让净化后的污水自然排出。人工湿地管线普遍采用对防腐、防渗要求较高且管径相对较小的HDPE双壁波纹管材，并通过穿孔管、配(集)水管等装置实现集配水的均匀。污水由DN100主管从第1个集水池流出，再通过DN100穿孔配水支管进入水平潜流人工湿地，穿孔管水平间距为1 m，开孔间距为100 mm，孔径为φ10 mm支管孔方向平行于坡面，以保证出水呈水平方向，管中心距填料顶部为50 mm，净化后的污水汇集到湿地底部的出水管，出水管布置在人工湿地下端的底部，设计出水管为DN100，管中心距填料底部部为50 mm，出水管的水流经第2个集水池收集后再排入水库。可通过进水管和出水管的高程变化调节污水在人工湿地内部的水位，人工湿地进出水设计如图4～5所示。

图4 水平潜流人工湿地流向剖面示意

1.进水区 2.净化区 3.进水管 4穿孔管

7)管理和维护

首先，根据暴雨、干旱等天气情况进行水位调节，防止出现进水端壅水和出水端淹没现象；其次，人工湿地栽种植物后即需充水，为促进植物根系发育，初期应进行水位调节；再次，为防止人工湿地基质堵塞可适当采用间歇运行方式或局部更换基质；最后，人工湿地水位检测需1周1次，水质检测需1月1次，植物密度检查1 a 1次。