桐乡生态湿地净化水源原理与应用

刘 扬,严文晗,吴松华,朱振翔

(中交水利水电建设有限公司，浙江 宁波 315200)

1 工程基本概况

桐乡市西部饮用水源保护建设工程，工程占地约360 hm2(含现有河道约67.47 hm2)，取水规模为60万t/d，满足7 d应急备用水量的需求。工程包含生态湿地工程、取水泵站及原水管线工程。其中生态湿地总体上分为北、中、南3片湿地并联系统(即预处理区、生态根孔净化区、深度净化区各分3片)，总投资约12亿元，工程建成后作为桐乡市集中饮用水源地，工艺出水达到地表水Ⅲ类水质标准，改善水厂原水水质、提高水厂抗风险能力，美化周边环境及丰富生物多样性。

2 桐乡生态湿地净化水源原理

2.1 工艺方案

水源生态湿地采取前塘-湿地-后塘多级净化系统链的工艺方案，其中，塘和湿地二者净化功能相辅相成，结构上互为耦合，区域上呈串联形式链接，局部的湿地系统内部由若干结构单元串并联组合构成。塘系统主要发挥水源储存、滞留、沉淀、分流、预处理、生物稳定等功能，而湿地系统主要有过滤、吸附、分解、净化等功能。净化过程如图1所示。

图1 生态系统净化图

2.2 工艺流程

湿地工程采用 3 个不同片区的并联系统，3 片湿地相互独立、互不干扰，净化后满足要求的水源汇集于取水泵房前的取水区，最终经取水泵站引水至水厂。

单片湿地处理流程为：预处理区→跌水曝气区→横向湿地根孔生态净化区→纵向湿地根孔生态净化区→跌水曝气区→深度净化区→泵站取 水区→水厂取水泵站。

同时，为了提高低温季节湿地水质净化能力以及在高温季节有效的控制藻类，在中区预处理区与深度净化区之间设一座回水闸站，引根孔生态净化区的出水再次进入根孔生态净化区进行循环净化，从而改善湿地出水水质。工艺流程如图2所示。

图2 湿地工艺流程图

2.3 技术原理

湿地主要功能区由预处理区、曝气充氧区、湿地根孔生态净化区、深度净化区等组成。这些功能区的组合次序、分布规模和连接方式主要根据工艺要求适当结合区域内的土地利用而设定。在各功能区之间主要通过提水闸站(源水与预处理区之间的水力输配 )、大沟(纵、横向根孔净化区之间的过渡和水力输配)、卡口闸(根孔区与根孔区之间的水力分配)、回水闸站(深度净化区与根孔区之间的水力分配)、节制闸 (深度净化区之间的水力分配)等规划结构进行联通、沟通或过渡。

3 技术应用

(1)采用了多项理论研究为基础，实践检验成功稳定运行的方案。采用了具有独创性的人工构筑湿地根孔技术、水源生态湿地系统构建技术、氨氮强化技术、水陆交错带界面强化技术、源水预处理系统的岸边稳定化和发挥多种功能的潜水丁坝技术等均具有多年工作积累和工程应用验证。这些技术的应用实践为本项目目标实现奠定了扎实的基础。

(2)采用加砂分层结构即种植土(20 cm)+植物秸秆+砂层(20 cm)+植物秸秆+砂层(20 cm)+植物秸秆+砂层(20 cm)+植物秸秆。根据嘉兴地区多黏土、渗透系数低的土质特性，采用加砂分层结构，可以增加根孔区的过水流量，有效提高植物床渗透性，防止末端出水底泥悬浮、降低水源浊度。

(3)采用回水循环处理模式，在中区预处理区与深度净化区中间增加回水闸站。既能够在低温季节回水，充分利用湿地出水的生物质，补充碳源，发挥物理截流、沉降和吸附的作用；又能在高温季节利用水体循环加快深度净化区的水体流动，提高抗风险能力。回水闸站通过水泵引根孔生态净化区的出水至根孔区前端进行再次净化，日循环处理量可达 30 万t/d，运行时间12 h/d，回水闸的设置可使综合污染物的去除率提高 5%。

(4)预处理及深度净化区除采用传统的隔堤外，增加“多岛式浮动湿地”与水下地形相结合，形成巨大的植物根系拦截系统。光合作用产生的氧气通过植物气道输送至根区，经过植物根区的还原介质后形成氧化态的环境，有氧区域和缺氧区域的共同存在为根孔区的耗氧、兼性和厌氧生物提供了各自相适应的共生环境，发挥相辅相成的作用。

(5)改变以往湿地的平底结构，营造水下微地形。在预处理区以及深度净化区通过“ft脊”、“ft谷”微地形营造，一方面利用不同温度的水层产生垂直对流或环流运动，实现水体中物质交换和能量的流动； 另一方面在“ft谷”处前端增加“多岛式浮动湿地”加快悬浮物在水体中的沉降。

4 应用效果评价

(1)施工过程中合理提高冬季运行效率。①生态湿地采用人造根孔技术，在冬季仍能维持湿地土壤亚表层较高的净化效率。②改变以往湿地芦苇收割模式，在收割时同时使用小型机械装置， 将植物床沟底土壤翻至床体表面厚度约 5 cm，宽度在 3～4 m 左右，作为床体的覆盖物，增加低温期床体的温度。③适当引种冬季常绿植物，选择湿地植物时，避免选择腐烂时释放还原性物质较多的植物，以减少其腐烂释放的风险。

(2)根孔净化可应对各种源水情况，极大提高水源净化运行效率。不管下大雨甚至暴雨引起外河水位猛涨和源水污染物浓度出现峰值，外河源水出现藻类水华或其他污染事故，外河水质不稳定或水位波动较大等各种突发异常情况，根孔净化区均可发挥水源净化功能，保证供水持续进行。

(3)充分利用现状地形、节省建设成本。充分利用柴桑湖漾-大红桥港-白荡漾一线及周边地形地貌特征和土地利用特点，利用桑湖漾现状作为湿地预处理区并兼具备用贮水塘，利用大红桥港两侧利用现状的鱼塘构筑根孔净化处理区，末端利用大红桥港、白荡漾作为地深度净化处理区，最后至泵站取水区。施工中合理调配土方，保证土方达到场内平衡，减少土方外运，合理节约工程成本。

(4)利用生物相生相克防止病虫害和蓝藻水华。湿地建成之后生物多样性快速提高，利用湿地本身的生物多样性和人为适当诱导，达到湿地中不发生病虫害、没有蚊虫和消除蓝藻水华的目的。

(5)建立“外防内控”的污染防治体系。通过湿地区防洪隔堤、界河的建立，防治外界污染源进入湿地，桑柴湖、白荡漾、大红桥港等湿地内部水系及周边水系进行清淤，有效的制止内源污染，建立长期有效的轮疏机制，减轻内源污染。

(6)运行维护成本低。生态湿地构筑完成之后，具有稳定持久的特点， 经过一定时期运行，仅需对湿地关键区位进行必要的维修和管理，所需成本较低。

5 结 论

人工湿地根孔净化作为目前国内较为新兴的污水净化技术，依托桐乡湿地的工程的实施和经验数据积累，相信在达到净化水体的同时，也能够带来更多的经济效益和社会效益，推动更多更广的湿地技术研究和运行。