基于海绵城市理念的潜流园林湿地设计与运行效果

钱 凯，文科军，吴丽萍，危 硕

（天津城建大学 环境与市政工程学院，天津 300384）

如住建部《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》[1]中所描述，“海绵城市”是指城市在适应环境变化和应对自然灾害等方面，能够像海绵一样具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将储存的水“释放”并加以利用；“海绵体”是指在海绵城市建设中充当载体的各种设施，在海绵城市的建设与运行中起到核心作用，而低影响开发（low impact development，简称 LID）是“海绵体”的重要组成部分和实现手段[2].LID 旨在利用小型、分散措施恢复场地开发前的水文环境，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，高效稳定地降低径流污染、减少径流量、保护受纳水体，同时可将雨水重新引入地下，补充地下水资源[3-4].

潜流园林湿地是为实现雨污水原位处理与绿化景观的多元化功能目标而开发的一种污水处理技术，自下而上分为基质层、隔离层、土壤或沙砾层、步道层以及植被层[5-6]；其中植被层以耐水湿常绿乔灌木为主，辅以灌、草形成绿地景观，土壤或沙砾层、植被层又构成覆盖层，具有保温、隔臭的作用.潜流园林湿地对雨水、污水均有较好的净化、利用能力，植被层可有效削减雨水径流及其污染负荷，基质层、隔离层、土壤层具有过滤净化作用.潜流园林湿地中植物、基质、微生物组成的复合系统，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解等作用实现对污水中污染物的高效净化[7]，处理后出水作为景观用水或补充地下水等，以多样化及系统化形式实现水、土、气自然净化与生态保育、环境美化等多元化功能[8]，契合LID 设计理念[9].

前期研究结果表明，潜流园林湿地污水处理技术对生活污水中氮、磷污染物的去除率可达70%以上[10]，通过合理配置基质、植物，能达到较高的除磷效果[11-12].为此，借助天津市科技支撑重点项目立项支持，建立了潜流园林湿地污水处理技术示范工程.该示范基地位于天津静海高新技术开发区，占地面积1 500 m2，净化某厂区生活污水，旨在为远离市政管网的小型、分散厂区污水处理提供适宜的技术措施，通过示范工程处理效果考察潜流园林湿地作为“海绵城市”建设中“海绵体”的可行性.

1 工程设计

1.1 设计规模与进出水水质

潜流园林湿地示范工程设计水量为6 800 m3/a，污水包括淋浴、厨房用水、冲厕污水、洗涤污水、屋面和地面收集雨水等，可生化性较好，采取雨污混合制.出水水质执行GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[13]一级A 标准.进水水质及排放水质标准可见表1.

表1 设计进出水水质

1.2 工艺流程

本工艺以“潜流式园林湿地”为核心处理单元，其污水处理系统工艺流程如图1 所示.

生活污水经污水收集管网进入污水处理系统，通过格栅去除水中较大悬浮物，而后流入集水井；厂区建筑物雨水管收集的雨水汇入集水井与生活污水混合、沉淀、调质后，自布水系统进入潜流式园林湿地，出水蓄存于景观湖，部分排入中水管网回用.

图1 潜流园林湿地工艺系统流程

1.3 主体构筑物设计

1.3.1 格栅

格栅可去除较大悬浮物和漂浮物，如纸屑、蔬菜残渣和毛发等，为后续处理构筑物减轻压力.

该系统选用人工格栅1 座，地下砖混结构，规格为 1.5 m（长）×1.4 m（宽）×1 m（深）；栅条间隙宽 6 mm，栅前水深0.3 m，安装角度为60°，人工清渣，需每月观察清渣一次.

1.3.2 集水井

集水井用于收集格栅流出的生活污水和来自雨水管道的雨水，对混合污水中的砂砾起到沉降作用，并均衡水质，需每月观察清淤一次.集水井分为左右两部分，左侧（远离湿地一侧）规格为1 m（长）×2 m（宽）×3 m（深），右侧设计参数为 1 m（长）×2 m（宽）×2.3 m（深）.池内右侧备有一台潜污泵，型号为50WQ10-7-0.75 型.

1.3.3 潜流园林湿地

潜流园林湿地自下而上分为基质层、毛毡、土壤层和植被，通过微生物、植物和基质协同作用，处理污水[14].该湿地长20 m，宽7 m，基质层高1.5 m，覆土厚度0.5 m.基质采用改性炉渣，炉渣上方铺有一层毛毡，覆土厚度0.5 m，其上种植植物为柳树、湿地松、沙地柏等常绿植物，一定程度上维持春冬季湿地植物活性，保证废水处理效果.湿地采用管道布水，水流方式为水平流，出水排入景观湖，总规格为20 m（长）×7 m（宽）×2 m（深）.湿地参数具体计算如下.

崔玉波等[15]基于一级反应动力学提出的人工湿地表面积计算公式为（本设计基于COD 去除参数）

式中：A为湿地面积，m2；Q为设计水量，m3/d；Co、Ce分别代表进、出水COD 浓度，mg/L；KT为一级反应速率常数，d-1；d 为基质深度，m；φ 为基质孔隙率；T 为温度，℃.

一级反应速率常数[15]为

参考水上公园平均水温[16]，湿地水温取20 ℃；根据湿地填料情况[15]，K20取 0.86；湿地设计流量 Q 为 19m3/d；进水水质Co为120 mg/L，出水水质 Ce为 40 mg/L；湿地所种植物以柳树为主，兼以湿地松和沙地柏，填料厚度d 取1.5 m；基质采用炉渣，孔隙率φ 为0.48，得湿地面积A 为134.46 m2.

将人工湿地面积定为140 m2，而通常人工湿地长度在15～50 m 为宜，长宽比宜小于3：1[17].结合厂区构建湿地处实际地形，最终确定湿地长为20 m，宽为7 m.则湿地水力停留时间 HRT=V × φ/Q=5.3 d；表面水力负荷qo=Q（Co-Ce）/A=0.011 kg（/m2·d）.

2 运行效果与分析

该项目自2015年6月起开始运行，在2015-06—2017-01月期间对进出水水质进行间断检测，检测方法采用国标法，结果如图2 所示.

图2 污染物去除效果

由图2 可知：在两年半的运行时间内，该示范工程出水基本能达到文献[13]一级A 排放标准，对TN、TP、-N、COD 的平均去除率分别达到54.67%、76.65%、38.14%、74.20%；2015年夏季为潜流园林湿地的适应阶段，到2015年秋季系统开始稳定运行，各指标去除率增大；但到2016年TP 去除率降低了10.44%，且该年冬季TN 的去除效果较秋季降低了11.54%.

人工湿地基质的过滤吸附是湿地除磷的主要途径[18]：在湿地运行初期基质吸附未达到饱和，磷吸附效果较好；但随时间的推移，基质磷吸附逐渐达到饱和，磷的吸附率降低，从而影响TP 的去除效果，导致TP的去除率在2016年有所降低.气温通过影响植物活性而间接影响湿地脱氮效果[19]，在冬季温度较低时，对氮的处理效果较差[20-21].但有研究证明[22]，通过种植冬季活性较高的水芹，湿地脱氮能力会有显著提升.潜流园林湿地上方也种植有湿地松和沙地柏等常绿植物，能在冬季气温较低的条件下依然维持一定植物活性，因而冬季-N 的去除率较秋季仅稍有下降；然而因冬季污水量减少，且碳氮比降低而导致碳源不足，使得反硝化过程受阻[23]，因此2016年冬季TN 的去除率较秋季明显降低.

3 工程投资效益与优势

3.1 工程投资与运行成本

潜流园林湿地示范工程总投资24.3 万元，日常运行费用主要为水泵动力费、人员管理费和维护费.水泵总计运行时间约680 h/a，功率0.75 kW，工业用电平段约0.63 元/h，则水泵动力费321.3 元/a；雇佣管理人员为厂内门卫，工资以奖金形式发放，为1 500 元/a；维护费主要为旱季对湿地植物进行灌溉，费用约为100 元/a，湿地运行成本仅为1 900 元/a，则吨水处理成本为0.28 元/m3.

3.2 工程效益

潜流园林湿地可释放氧气约0.39 kg/10 m2，吸收二氧化碳约56 kg/10 m2，截尘约4.6 kg/10 m2.处理后的出水集中到人工湖或作为中水回用，可用于绿化浇灌、冲厕与洗车.同时，人工湖中可养鱼类及具有观赏性的水生植物，既有一定的净水功能，又具有观赏价值，还可供垂钓娱乐，实现了“死水”到“活水”的变更.再结合园林规划，在污水处理构筑物周围建立观景台、休闲场所及环境教育馆等基础设施，实现人与自然的和谐，使之具有较好的经济、生态和社会效益.

3.3 工艺优势

（1）出水效果好，运行稳定.从该工程长期运行效果来看，潜流园林湿地污水处理示范工程出水能达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[13]一级A 标准.

（2）将绿地与污水处理设施有机结合，节省土地，实现多元化目标.潜流园林湿地可在绿地上因地制宜，根据所处环境（如社区、厂矿等）等不同功能性需求，实施树木造景，铺人行道，建园林小品，并以多样化、规模化、整体化形式满足水土气的自然净化、生态保育、美化游憩、木材收益等，并且达标水作为中水回用，用于绿化浇灌、冲厕与洗车等，最终构成一种污水处理与景观绿地等多元化功能的污水处理设施.

（3）可成为建设生态宜居型和海绵城市重要的低影响开发设施.潜流园林湿地可实现雨污水的原位收集处理与循环再利用，既可缓解城市用水的供需矛盾，减少排雨污对市政管网的压力；又可实现污水资源化与景观建设一体化，对经济、社会、环境均具有现实和长远意义.

（4）运行管理方便，成本较低.潜流园林湿地流程简单，基本可自动化运行，只需指派厂内门卫定期查看，旱季适当引湖中存水给湿地回灌补水，费用只需支付员工管理费和电费.

4 结 论

（1）潜流园林湿地污水处理示范工程设计规模为6 800 m3/a，主要设备和构筑物有格栅、集水井、潜流园林湿地、表面流湿地，净化水蓄存于景观湖，潜流园林湿地长20 m，宽7 m，基质层厚1.5 m，覆土层厚0.5 m，表面有机负荷0.011 kg（/m·2d），水力停留时间5.3 d.

（2）潜流园林湿地污水处理示范工程实现了厂区雨水、生活污水的净化与利用，对TN、TP、-N、COD的去除率分别为54.67%、76.65%、38.14%、74.20%，出水水质达到城镇污水排放一级A 标准.示范工程运行成本约0.28 元/m3.

（3）潜流园林湿地污水处理技术将绿地与污水处理设施有机结合，不另占土地，实现了雨水的容积蓄水、污水的就地处理和循环利用，以及生态保育、美化游憩、木材收益等多元化功能目标，具有“海绵体”功效，在海绵城市建设中具有良好的应用前景.