汾河建设人工湿地的可行性研究

方翠

（水利部山西水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）

0 引言

汾水千里古韵长，河泽三晋丰饶乡。历史上的汾河水量充沛、水质清纯。直到上世纪50年代，依然是“汾河流水哗啦啦”。但是，近几十年来，由于河道淤积堵塞和乱采滥挖，大量污水、废水未经处理即排入汾河，使汾河流域生态环境日趋恶化，严重影响到流域的生态环境。尤其是随着流域内人口持续增长，煤炭等矿产资源的过度开采和水资源开采量的加大，汾河流域水土流失、植被破坏更加严重，变成了“雨季过洪水、旱季没流水、平时是污水”的病态河流，成为经济社会发展严重的制约因素。

因此，汾河人工湿地建设的主要任务就是通过流域生态的治理修复与保护，修复河道自然形态，改善河道生态环境，促使适宜浅水生物生存的湿地基本得到修复和改善，对河道水质部分进行净化处理，形成自然生态的良性循环。同时通过植物的种植，改善汾河河道的生态环境和景观效果，给当地居民创造出一隅天蓝、地绿、水清、景美的生产、生活环境。

1 汾河流域现状

1.1 入河废污水及污染物量

在入河排污口调查资料统计中，汾河中下游干流废污水入河量达33 300.9万m3/a。

太原市污废水入河量最大达19 567万m3/a，占废污水总量的58.8%，COD入河量达29 573.8 t/a，氨氮达6 441.9 t/a，分别占入河污染物总量的59.3%、71.4%。

据2006年山西省水资源公报，汾河干流评价河长277.5 km，全部为超III类污染河长，其中严重污染超Ⅴ类水河长占81.8%。

1.2 洪水标准

根据《汾河流域河道整治初步设计》，河道主槽宽度设计为100～200 m，满足流量300 m3/s的行洪要求。人工湿地布置在主槽左侧，当洪水流量超过300 m3/s时，可以漫入湿地，洪水退后进行局部的清理及整修。

2 人工湿地应用于汾河滩地的必要性

2.1 保护自然河流生态的迫切需要

汾河是贯穿我省最主要的一条河流，它与生长、栖息的生物种群构成了独特的生态系统，生态资源和自然资源极为丰富，对发展农业有很大的潜能。而近年来人为地对汾河的污染，水生态系统和水环境受到了严重的破坏。汾河人工湿地的建设将对保护自然河流生态具有重要的意义。

2.2 提高居民生活水平和生活质量的需要

从“以人为本”、“人水和谐”的科学发展治水理念出发，只有彻底改善汾河的水质，才能根治恶劣的生存环境，改善局部的小气候，真正地打造一个天蓝、水清、地绿、景美、人和自然协调发展，宜商、宜居、宜工的休闲旅游带，提高当地居民的生活水平和生活质量。

2.3 合理利用污水资源的需要

通过污水湿地处理后中水作为景观用水，一方面改变了当地的气候、景观，另一方面利用湿地对上游污水的净化处理，改善汾河水质，从根本上解决对黄河的污染问题。

3 人工湿地的规模

在汾河中下游较宽阔的河滩上修建人工湿地，净化水质。根据河道地形共修建河道人工湿地21处，总面积630.4万m2，其中滩涂湿地面积为313.3万m2，河槽湿地面积295万m2，大堤外湿地面积16.8万m2，稳定塘面积5.3万m2，共处理污水119 030 m3/d（即1.38 m3/s），可以局部改善河道水质。

根据山西省水利厅和山西省环境保护局颁布的《山西省地表水域环境管理区域方案》，汾河中下游段，即南内环桥以下河段，除南关—甘亭水质目标为Ⅴ类，站里—入黄口水质目标为环监Ⅰ类外，其余河段水质目标为环监Ⅱ类，具体指标见表1。

表1 湿地设计进水、出水指标设计值

随着社会的发展，工程区内及其上游汾河流域污水处理厂的大量增加，且促进污水处理运行相关政策的出台，以及从沁河和黄河调水增加河道基流等方面的影响，河道内污水的多项指标将会有较大的降低，人工湿地处理出水的水质将会得到较大的改善，特别是冬季，可保证湿地全年出水水质达到设计指标。

4 人工湿地的处理工艺

近30余年来，国外日益重视湿地对污水的净化作用，把人工湿地作为廉价、低能耗和有效处理污水的方法在欧美已得到证实，并在工程应用中取得了巨大成功。

七五、八五期间，我国也组织了城市污水湿地处理技术的攻关专题研究，在研究了多种工艺方法的净化功能和工艺参数的基础上，建立了不同规模的示范工程，研究表明，芦苇湿地系统不仅对污水中有机污染有很好的净化效率，而且对N、P等营养物和某些重金属也有较高的去除，是一项投资少、见效快、运行费用低、操作简便的城市污水（二级处理水）处理与利用的有效途径。

湿地常用工艺类型有表流湿地和潜流湿地两种。目前，表流湿地工艺广泛应用于城市二级处理水深度净化。因此本工程采用潜流湿地和表流湿地相结合的处理工艺。

4.1 影响本处理工艺运行的因素分析

1）寒冷冬季对处理效果的影响

由于芦苇湿地法是一种生态工程的方法，系统对污染物的去除受温度影响明显。由于冬季气温下降，系统内微生物活力下降，芦苇收割后不再吸收养分，污染物去除效果降低，出水水质将受一定影响。解决这一问题的方法就是减少污水入汾河滩地的比例，适当降低湿地的水力负荷和污染物负荷量，延长湿地污水的停留时间。

2）冬季运行条件需要人工调节

冬季处理工程需要实施冰下运行，因此根据气温、水温和地温的变化判断形成冰盖的时间，在冰冻即将来临前一周迅速提高单元内水位（采用单元末端出水口控制闸来调节），待冰盖形成后，再打开出水口闸门，让污水自流，由于有苇茬支撑，所形成冰盖一般不会塌陷。

3）芦苇收割

芦苇为季节性植物，每年秋季地上部分枯死，若不收割，芦苇将分解并释放有机物和营养物，导致处理率下降，为了有效地去除营养物，需要对芦苇收割，同时对收割的芦苇进行综合利用，可获得一定的经济价值。由于污水会对芦苇收割造成不便，这样可通过交替布水方式解决，待收割完毕后继续投配。

4.2 工艺流程

汾河里的污水经拦污栅拦截后，由污水泵提升进入稳定塘，沉淀处理后经提水泵房管道配送至潜表混合流湿地或表流湿地，处理完成后水流汇入汾河河道内。具体流程见图1。

图1 湿地处理工艺流程图

5 工程的创新点

与传统的污水处理工艺相比较，人工湿地污水处理系统具有建设费用小、运行费用低、管理维修方便、处理效果稳定可靠、抗冲击负荷能力强等优点。

一般人工湿地分布在经济较发达地区或专门实验区，受其它因素（如投资、水源、经验、技术）影响较小。而本次工程与其它同类工程相比有很大不同，不同点及创新点在于：

1）采用潜表流混合湿地技术

污水人工湿地处理技术作为一项新兴技术在我国刚开始投入工程实践。人工湿地是一个具有污水处理功能的独特的生态系统，具有强大的生态修复功能，增加氧气、净化空气、消除城市热岛效应、光污染和吸收噪声等。

为了节省工程占地、工程投资和达到处理效果，本工程创新地采用了潜表流混合湿地技术。混合湿地总占地55.5 hm2，其中潜流湿地为12.83 hm2，每个单元尺寸为150 m×42.2 m；潜流湿地处理完的水经过表流湿地处理，处理面积为35.43 hm2。处理能力为0.28 m3/s，出水水质能满足汾河功能区划要求。

2）处理工艺独特

本工程与传统的污水处理厂处理污水不同，而是采用潜表流混合湿地和表流湿地相结合的处理工艺，湿地里种植对于北方地区处理效果比较好的植物：有芦苇和香蒲等。芦苇为季节性植物，每年秋季需要对芦苇收割，同时对收割的芦苇进行综合利用，可获得一定的经济价值。

本处理工艺不仅投资省、运行费低、操作简便，而且出水水质能满足汾河功能区划要求，工程的实施将对汾河水质保护、生态环境改善起到非常积极的推动作用。

3）采用分段均匀布水方式

为了避免一段布水所带来的局部负荷过高问题，本工程设计在保证不损失过多水头的前提下将采用分段均匀布水，分段布水在一定程度上保证了污染物负荷的均匀性。

4）充分利用河滩地

本工程最大的特点就是充分利用了河滩地，但通过对本工程的技术、经济和现场条件等多方面的综合分析，认为汾河滩地已具备了实施湿地处理的条件。

因此，本工程人工湿地的实施不仅能够改善汾河流域的生态环境，同时树立了人工湿地的样板，也为山西省生态环境修复的进一步推广打下了坚实的基础，具有很好的示范推广作用。