生态湿地技术在非点源污染控制中的工程应用

张功良 ，蔡 然 ，王征戍 ，李德祥 ，王瑞霖 ，3，刘芮杉

（1.北京首创股份有限公司，北京 100044；2.北京水星环境有限公司，北京 101599；3.首创爱华（天津）市政环境工程有限公司，天津 300060）

水体环境污染按照排放方式可分为点源污染和非点源污染（面源污染）。随着点源污染得到有效控制，非点源污染问题尤为突出。非点源污染一般来自农业、森林砍伐、矿业、建筑与城市等几个方面,其中对水体危害最大、程度最重的首推农村非点源污染[1-5]。针对农村面源水体污染，目前防控措施主要分为两大类，一类是农业生态系统管理措施，另一类是生态工程措施[6]。主要治理措施包括源头控制、迁移过程拦截、末端治理[7-8]。其中，生态工程措施以径流过程中的污染控制为主要途径，在削减或控制污染物的同时，通过延长径流停留时间、减缓流速、向地下渗透、物理沉淀过滤和生物净化等技术去除污染物[9]。主要生态工程措施有氧化塘技术、植物过滤缓冲带、生态施肥技术、前置库技术、多水塘系统、草地缓冲带、水土保持工程措施、生态湿地技术等[10-11]。生态湿地系统利用原有的地形进行工程改造，对农村的面源污染物进行截留和去除，有效削减面源污染，同时，兼具功能性及景观价值，因地制宜且具有生态效益。因此，生态湿地技术在非点源污染控制中得到了国内外的广泛关注和应用。

生态湿地主要依靠植物、微生物和基质的协同作用去除污染物。植物和微生物对污染物进行吸收利用，达到净化污水的目的；同时，植物和微生物得到生长[12-13]。生态湿地的分类是基于设计过程中不同的物理构造。按照湿地布水方式的不同，可以将人工湿地系统分为表面流人工湿地和潜流型人工湿地，后者又包含水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。表面流人工湿地在内部构造、生态结构和外观上都十分类似于天然湿地，具有生物多样性好、景观效果佳、投资少、操作简单、建设与运行费用低等特点。其缺点是占地面积较大，污染负荷和水力负荷较小，去污能力有限。潜流型人工湿地污水在基质层表面以下，从池体进水端流向出水端的人工湿地（水平潜流人工湿地）或者污水垂直流向池体基质层的人工湿地（垂直潜流人工湿地）。这类人工湿地充分利用了空间，单位面积下的处理能力大幅度提高，但其工程建造费用一般为表面流人工湿地的5～8倍。

1995年Czartoski提出湿地-排水-灌溉系统（Wetland Reservoir Sub-Iirrigation System，WRSIS）的新概念来减少农业面源污染。研究表明，50 m宽的沿岸植被缓冲带能分别将进入地表水的氮和磷减少89%和80%[14-15]。陆海明等[16]的研究表明由一系列生态工程措施组成的生态防控体系能有效削减农村饮用水水源地小流域的污染物负荷，流域出口总氮（total nitrogen，TN）浓度从10.4 mg/L降低到 2.2 mg/L，总磷（total phosphorus，TP）浓度由上游水体的Ⅴ类水标准下降到下游水体的Ⅳ类水标准（湖、库地表水标准），水质得到明显提升。潘乐等[17]利用塘堰湿地减少农业面源污染的工程试验研究表明，塘堰湿地对总氮、总磷整体去除率分别为45.88%、44.20%，取得了良好的降解作用。因此以生态工程为核心处理技术解决农村非点源污染具有较高的研究价值和工程实践意义。

本文以内江包谷湾梯级湿地项目为研究对象，结合川渝地区农村非点源污染治理特点，通过生态梯级湿地的绿色设施建设，选用功能性填料针对性地去除化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、TP、TN，并提高植物、基质、微生物的协同作用。特别选取合适的植物搭配，在解决农村非点源污染的同时，兼顾生态湿地的功能性及生态景观价值，以生境恢复为主导，以人水和谐为基础，整合生态元素，重构生态系统。通过生态湿地的建设打造一条恢复自然、亲水近水的湿地空间，为农村非点源污染控制提供工程借鉴。

1.内江包谷湾水库梯级湿地

1.1 项目概况

包谷湾水库地处四川省内江市经开区西侧，水库总集雨面积约3.7 km2，水面总面积约0.06 km2，岸线长度约2 695 m。水库平均深度约8 m，由于是汇集周围雨水及地下水成湖，除尾部有条小溪流外，未见较大水量的补水水源，水体流动性较弱，水量更替周期较长。包谷湾水库位置如图1（左）所示。包谷湾水库梯级湿地工程共建三座梯级表流湿地，1、2、3号梯级湿地位置如图1（右）所示，总占地面积4 100 m2。

图1 包谷湾水库及梯级湿地位置示意图Fig.1 Location of Baoguwan Reservoir and cascade wetland

1.2 非点源污染分析

通过污染源调查分析，包谷湾水库非点源污染主要包括沿线乡村集镇面源污染、沿线农业面源污染、农村降雨路面径流污染等。乡村集镇面源污染主要集中在村镇道路两侧，包括村民旱厕污水、厨房散排污水、村民散排生活用水及初雨冲刷后的径流污染等。农田、耕地、鱼塘主要散布于水库周围，其中农田和鱼塘主要在丘陵山体之间的洼地，耕地主要在丘陵上。下雨时，耕地的地面径流首先沿山势流入洼地中的农田或鱼塘，然后通过农田或鱼塘从高到低逐级下流，最终进入水库水体，导致包谷湾水库的各类污染物不断积累，造成水体环境恶化。

1.3 梯级表流湿地

1.3.1 设计工艺与参数

包谷湾梯级湿地主要解决包谷湾水库集雨面积内的非点源污染问题，同时结合周边景观需求，通过湿地植物种植对包谷湾景观进行打造。表面流人工湿地类似于天然湿地，具有生物多样性好、景观效果佳的特点，本项目利用原有鱼塘部分进行改造，建设多级梯级表流湿地，采用人造跌水环境自然曝气技术，通过人为制造水体落差，层层跌水的方式进行曝气复氧。旱季及雨量较少时通过泵站循环补水，雨季停用泵站，收集周边径流雨水。1、2、3号梯级湿地主要工艺如图2所示。

图2 1、2、3号梯级表流湿地主要工艺流程图Fig.2 Main process flow chart of No.1,2,3 cascade surface flow wetland

泵站总循环补水量900 m3/d，各湿地停留时间1 d。湿地依地形地势而建，跌水堰以自然地形堆筑为主，力求创造自然生态效果。湿地工程梯级表流湿地主要污染物设计去除率如下：氨氮（NH3-N）为20%～40%，COD为30%～50%，BOD为30%～45%，TP为25%～40%。1、2、3号梯级湿地平面分布如图3所示。

图3 1、2、3号梯级表流湿地平面布置图Fig.3 Layout plan of No.1,2,3 cascade surface flow wetland

1.3.2 基质的种类及选择

包谷湾梯级表流湿地基质选择碎石、卵石、火山岩、砾石等常规基质。同时选择三种功能性填料作为搭配基质，主要为铁锰复合氧化物功能填料、硫化型零价铁多孔活性填料、根区激活复合功能填料。铁锰复合氧化物功能填料为球形或不规则椭球形，粒径0.6～2.5 cm，孔隙率40%～55%，铁锰复合氧化物功能填料具有较高的比表面积、优异的孔隙结构以及有较多的表面活性官能团等特性，对环境中存在的许多无机污染物和有机污染物都具有吸附和降解功能[18]。硫化型零价铁多孔活性填料为球形或不规则椭圆形，粒径0.5～2.8 cm，孔隙率40%～55%，该填料主要为自氧化深度脱氮功能填料。硫化型零价铁多孔活性填料的添加提升了系统内自养和异养微生物生长的密度和质量，可降低碳源投加量，进而提升系统内反硝化效率。根区激活复合功能填料为球形或不规则椭球形，粒径0.4～2.8 cm，孔隙率40%～55%，该填料提高植物、基质、微生物的协同效果。多种功能性填料的应用利于促进生态湿地水生植物的生长，整体提高了生态湿地污染物的去除效率。

1.3.3 植物的种类及选择

根据相关研究及实际工程运用，1号梯级表流湿地选用芦苇+美人蕉+菖蒲+旱伞草+荷花+芡实+伊乐藻+苦草+泽泻+水鬼蕉的水生植物搭配，2号梯级表流湿地选用芦苇+香蒲+再力花+梭鱼草+纸莎草+睡莲+伊乐藻+苦草的搭配，3号梯级表流湿地选用香蒲+菖蒲+黄花鸢尾+千屈菜+荷花+荇菜+伊乐藻+苦草的搭配，具体水生植物种类及规格如表1所示。

表1 梯级表流湿地水生植物种类及规格Table 1 Species and specifications of aquatic plants in cascade surface flow wetland

以上水生植物搭配选择氮（N）、磷（P）去除率较高且景观功能较好，同时考虑到不同花色、不同花期、不同高矮的水生植物搭配，兼具功能性的同时打造包谷湾水库优美的景观生态环境。1、2、3号湿地效果图，以及现场种植施工效果如图4所示。

图4 1、2、3号梯级表流湿地效果图及现场图Fig.4 Effect and site map of No.1，2，3 cascade surface flow wetland

2 工程应用预期效果

内江包谷湾水库多级梯级表流湿地的建设旨在解决川渝地区丘陵地带小流域农村非点源污染。项目建设完成稳定运行后，预期对NH3-N的削减量为20%～40%，COD削减量为30%～50%，BOD削减量为30%～45%,TP削减量为25%～40%。

多级梯级表流湿地工程根据川渝地区丘陵地带小流域农村非点源污染特点，为利用生态湿地技术解决面源污染问题提供了设计思路和工程借鉴。首先，采用生态湿地技术解决面源污染问题具有明显的生态优势和落地实施性。但湿地设计过程中应充分利用原有的地形、地势，本项目因地制宜地利用原有鱼塘部分进行改造，按照人水和谐、尊重自然的设计理念，与包谷湾的自然景色融为一体。其次，利用泵站循环补水的方式：一是加强了包谷湾水库水体的整体流动性，改善水质、提升景观效果，二是为旱季及水量较少条件下湿地提供补水，保证湿地的正常运转及水生植物、微生物的生长和维持。此外，生态湿地中加入铁锰复合氧化物填料、硫化型零价铁多孔活性填料、根区激活复合填料等功能性填料针对性地去除COD、TP、TN，并提高植物、基质、微生物的协同作用，具有较好的推广价值和意义。最后，在水生植物选择上，在保证生态湿地的功能性的前提下，考虑到不同花色、不同花期、不同高矮的水生植物搭配，设计营造以自然生态为主的湿地区域，打造包谷湾水库优美的生态景观环境。

3 结语

（1）以四川省内江市包谷湾梯级湿地项目为研究对象，结合川渝地区农村非点源污染治理特点，通过生态多级梯级表流湿地等绿色设施的建设，利用表面流人工湿地生物多样性好、景观效果佳的特点，因地制宜地使用原有鱼塘部分进行改造，解决了包谷湾水库农村非点源污染问题。包谷湾梯级湿地尊崇人水和谐、尊重自然的设计理念，充分发挥其生态景观价值。

（2）为了加强包谷湾水库水体的整体流动性，同时解决生态湿地旱季及水量较少情况下湿地的正常运行问题，本工程选择了泵站循环补水的方式，不但提升了包谷湾水库整体流动性，改善水库水质，而且保证了梯级表流湿地水生植物、微生物的生长和维持。铁锰复合氧化物填料、硫化型零价铁多孔活性填料、根区激活复合填料三种功能性填料搭配碎石、卵石、火山岩、砾石等常规基质，保证了COD、TP、TN等特征污染物的去除效果，提高了生态湿地的功能价值。

（3）通过大量相关研究及实际工程运用调研，本工程分别选用了芦苇+美人蕉+菖蒲+旱伞草+荷花+芡实+伊乐藻+苦草+泽泻+水鬼蕉，芦苇+香蒲+再力花+梭鱼草+纸莎草+睡莲+伊乐藻+苦草，香蒲+菖蒲+黄花鸢尾+千屈菜+荷花+荇菜+伊乐藻+苦草三种水生植物搭配组合。该水生植物的搭配种类多样，且合理地选择了当地特色植物，重在设计营造以自然生态为主的湿地区域，打造包谷湾水库优美的景观生态环境。