关于湿地净化系统提升水质能力的分析

吴华岗 吴 杰 赵 灿

(上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707)

1 研究背景

上海农场生态农业示范园内湖区位于江苏省盐城市大丰区中北部地区。由于湖区外界水体水质长期属于地表水Ⅴ类甚至劣Ⅴ类水体，而湖区水体全部引自外界，使得湖区水质无法满足生态农业示范园水景观标准。为提高湖区水质并保证其长期稳定，同时增强水体透明度，利用园区内原引水河道构建湿地净化系统，使出水水质中溶解氧、氨氮、总磷等指标达到地表水Ⅳ类水质标准，同时透明度达到1.5m以上。

2 水质现状

利用提升泵将河水提升进入湿地，利用水生植物的吸收、同化和拦截作用，以及湿地自身的沉降功能，降低水体中有机物和固体悬浮物含量，逐级净化后流入湖区，从而达到提升湖区水质的目的，满足湖区的生态水景观要求。湿地净化系统内种植适应盐城地区自然条件、水质净化功能强以及具有一定观赏性的植被，并对植被群落进行合理空间布局，为鸟类和水生动物等提供适宜的生存空间，使其形成具有生物多样性以及恢复力强、稳定性高、食物链完整的生态系统，从而形成优美的自然生态景观[1]。

为全面客观地了解湖区以及外界水体的水质状况，进行了全面细致的现场调查和水质采样监测。现场观测结果表明水体浊度较高，呈混黄色，感官效果不佳。根据水系分布、水流方向、道路以及两岸建设情况等特征，设置3个采样点，对水质进行监测，监测结果见表1。并按照河道黑臭水体评价方法和单因子评价法进行综合分析，结果表明3个采样点水体水质为地表水Ⅴ类水质标准，局部因溶解氧含量过低，呈轻度黑臭。

表1 水体水质监测结果

3 湿地净化系统模型

根据现状水系特点，将原引水河道构建成湿地净化系统模型。模型主要包括提升泵、生物强化沉淀塘、梯级表流湿地以及生态溢流堰等。湿地净化系统流程见图1。

图1 湿地净化系统流程

3.1 进水系统

为保证湿地净化系统有充分的水力停留时间，发挥其消减污染负荷和降低固体悬浮物含量的作用，必须对进水水量进行控制，结合湖区的容积和园区的工作时间，确定湿地净化系统负荷按3000m3/d计算，提升泵采用2台，1用1备，单泵流量0.1m3/s。

3.2 生物强化沉淀塘

外界水体中含有大量固体悬浮物，直接进入梯级表流湿地，势必影响其正常运行，缩短其使用寿命，故在梯级表流湿地前端设置生物强化沉淀塘，塘内种植茎叶发达、根系浓密的浮叶植物，充分发挥植物的吸附助凝和生物降解作用，可以降解部分有机物和沉淀固体悬浮物，从而降低梯级表流湿地的运行负荷。为强化沉淀塘净化效果，塘内布设两个生态浮床，单体浮床呈内方外圆状，面积为12m2，浮床中部方形区域种植西伯利亚鸢尾等挺水植物，外围圆形区域种植铜钱草等浮水植物。生物强化沉淀塘总面积为125m2，有效水容积为150m3，以进水量3000m3/d计算，水体停留时间约1.2h[2]。

3.3 梯级表流湿地

梯级表流湿地由挺水植物和沉水植物所搭配的双层镶嵌状配置模式构建而成，最大程度地利用不同类型水生植物的生态特性，达到增加水生植物生物量的同时，提高水体水质的效果。为保证表流湿地布水均匀及有效避免死水区，湿地系统设置4座溢流堰，将表流湿地分为3个梯级，每级间通过生态溢流堰控制水位，每级高差0.1m，从而形成跌水景观效果，同时在每级湿地内部设置3条导流埂，起到稳定水位和二次布水的作用。

在表流湿地植物物种的选择上，挺水植物宜选择乡土物种，如莲藕、蓬莲、茨菇等可食用植物；沉水植物宜选择弱光性、耐寒的物种，如伊乐藻，伊乐藻作为一种适口性较好的植物，是极佳的鱼蟹饲料，既可用于喂养湿地系统内水生动物，如蟹、虾、小杂鱼等，也可作为附近鱼塘的天然饲养，以减轻鱼塘养殖过程中的人工饲料投放量，进而从源头上控制水体中氨氮、总磷的含量[3]。

3.4 生态溢流堰

生态溢流堰属于湿地净化系统的框架结构，其内部放置生物填料，水体与填料接触过程中，有机物会被微生物同化并在填料表面形成生物膜，生物膜吸附水体中的氨氮和磷，再由外侧的好氧微生物将其分解，从而降低水体中有机物、氨氮、总磷的含量。另外生态溢流堰不仅可以稳定湿地系统的水位，保证布水均匀，还可以在跌水过程中起到增氧的作用。

4 净化能力计算分析

水力停留时间(HRT)是湿地净化系统设计中的一项重要参数。停留时间过短会增强湿地系统水力负荷，净化作用无法充分发挥；停留时间过长则会造成净化作用效率低，致使资源浪费。因此，对湿地净化系统水力停留时间(HRT)的控制尤为关键。参考相关研究成果，水力停留时间(HRT)一般控制在10h以上[4]。

4.1 水力停留时间计算

4.1.1 湿地表面积

湿地表面积的计算公式为

As=(Qw(lnCo-lnCe))/(Ktdn)

(1)

Kt=K20×1.1(T-20)

(2)

式中：As为湿地面积，m2；Q为设计流量，m3/d，按3000m3/d计；w为沉降速率，取0.2；Co为进水SS含量，按26mg/L计；Ce为出水SS含量，按10mg/L计；d为介质深度,取0.12m；n为介质孔隙度，取0.25；Kt为与温度相关的速率常数；K20为温度为20℃时的反应速率系数，取1.014；T为全年平均温度，取25℃。

经计算，表流湿地面积为3425m2。

4.1.2 水力停留时间

水力停留时间的计算公式为

HRT=V0/Q

(3)

V0=Ash

(4)

式中：V0为有效水容积，m3；Q为设计流量，m3/d；HRT为水力停留时间，h。

其中表流湿地水深h为0.4m，湿地面积As为3425m2；有效水容积V0为1370m3；设计流量Q为3000m3/d；水力停留时间HRT计算得10.96h，按11h控制，符合HRT≥10h的要求。

4.2 透明度分析

水力负荷的计算公式为

HLR=Q/As

(5)

式中：HLR为水力负荷，m/h；Q为设计流量，按3000m3/d计；As为湿地面积，按3425m2计。

经计算可得水力负荷HLR为0.036m/h。

根据类似工程经验进行复核，以无锡城北污水处理厂人工湿地实际处理分析，该湿地于2008年建成，进水水质为一级B标准，水力负荷为0.18m/h，2011年同济大学对其处理能力进行复核监测时，湿地出水透明度达1.5m以上，清澈见底。经对比，其进水水质远远劣于本湿地进水水质，其水力负荷远高于本湿地水力负荷，故本湿地水体透明度达到1.5m完全可行。

4.3 出水水质分析

无锡城北污水处理厂人工湿地溶解氧的提升率为80%，氨氮的去除率为45%，总磷的去除率为70%。参考以上标准，本次湿地净化系统出水水质中溶解氧、氨氮、总磷指标分别为4.72mg/L、0.28mg/L、0.069mg/L，符合地表水Ⅳ类水质标准，见表2。

表2 湿地净化系统出水指标

5 维护管理措施

湿地净化系统的设计和建设是成功与否的关键，而后期的维护管理则决定着湿地净化系统能否长期良好运行。维护管理措施不到位，势必影响出水水质，所以为保证湿地净化系统的健康、完整、有序运行，加强后期的维护管理，其重要性不言而喻。湿地净化系统的维护管理措施主要有以下几方面。

5.1 水生植物

水生植物的维护管理措施主要包括枯萎植株收割、死亡植株补种、植物花(果实)的管理养护以及对病虫害、外来物种入侵的防治。一般情况下，水生植物收割后会被直接运走，与其他垃圾混合处理，造成部分资源的浪费。为达到资源再利用的目的，建议参考以下方式进行处置：

a.局部水生植物不收割，转化为湿地自身有机碳，发挥蓝碳效应并促进降氮作用。

b.收割后的植物堆积成草垛，投放到引鸟区，形成人工植物岛。

c.经粉碎等简易处理后翻耕到湿地土壤表层。

d.作为稻田或耕地的堆肥，另外比较坚硬的挺水植物可作为造纸的原料。

5.2 水生动物

水生植物是生态系统的生产者，水生动物是生态系统的消费者，底栖动物和虾类则是生态系统的分解者。对于水生动物，要定期观测鱼的种类和数量，杜绝外来物种入侵，破坏生态平衡，如发现水面漂浮死鱼、死虾，应及时处理，避免疾病传播。而底栖动物主要摄食藻类，分泌促絮凝物质，使水中悬浮物质絮凝，促使水体变清。另外虾类可以摄食落叶、水草等形成的有机碎屑以及水生动物的粪便、尸体等形成的有机物质，同样起到净化水质的作用[5]。

5.3 生态浮床

生态浮床应定期巡检，检查是否存在破损和松散的情况，尤其链接扣等部位应着重检查是否掉落。如浮岛周围存在杂草或垃圾，应及时清除；若部分构件因老化损坏，或者受外界因素撞击以及人为因素损坏时，应根据损坏程度和部位进行修复或更换，同时在相应的位置补种水生植物。

6 结 语

通过分析现状水体水质监测结果，计算出水力停留时间和水力负荷的同时，参考相关研究成果和无锡城北污水处理厂人工湿地的成功案例，得出结论：本湿地净化系统的出水水质中溶解氧、氨氮、总磷等指标可以达到地表水Ⅳ类水质标准，透明度可达到1.5m以上，满足水质目标。但还需加强后期的养护与管理，为其保驾护航，以达到长期稳定的目的，从而满足园区的生态水景观的要求。