原位人工湿地在环境治理中的应用

厦门市市政工程设计院有限公司 杨明结

湿地是陆地上水陆相互作用形成的独特生态带，它是陆地和水域之间的过渡地带，具有防洪、改善气候、改善环境、水处理等多种功能[1-3]。人工湿地是模拟天然湿地的一种生态污水净化工艺，其主要利用湿地基质、植物和微生物之间的物理、化学和生物过程三重协同作用来达到净化污水的目的[1，4]。在人工湿地的设计过程中，根据湿地系统的水流形态及布水方式将其分为自由表面流人工湿地[5]和潜流人工湿地[1]。而潜流人工湿地又可以分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地[1]。根据不同的空间构建方式，人工湿地可以分为体外处理及体内处理。前者是在河道的周边地区进行人工湿地的建设，将污水排入这片湿地，进行处理之后再重新回到河道，暴雨天气也能将大量雨水汇入湿地中处理，让污染的面积变小；后者是直接在河滩进行人工湿地的建设，暴雨天气可以让污染的面积变小，没有下雨的时候也可以将河道中的污水引入湿地，处理之后再汇入河道[2]。

一、人工湿地概述

在20世纪初期，国际上就开始了关于人工湿地的研究，在英国约克郡建成了世界上第一座人工湿地，并一直连续运行到20世纪末[4]。此后，欧洲、美洲等一些发达国家开始大范围研究并利用人工湿地工艺来处理各种类型的污水。目前，人工湿地在欧美国家得到了广泛应用。一些研究显示美国当前用于处理生活污水、工厂废水、径流污染河水的人工湿地有200多座；法国、英国、荷兰和丹麦等国家利用人工湿地去污的关注点转向去除特殊污染类型的污、废水上，增大了人工湿地的应用面，同时发展了自控湿地系统[4]。近几十年来我国对人工湿地生态污水处理逐渐重视，并开展了大量研究[1]。从小试、中试到实际应用，得到了飞速的发展。1987年天津市建成了我国首例采用芦苇作为湿地植物的污水净化系统，占地六公顷，处理量 1400m3·d-1。1993年， 由 武钢大冶铁矿承建，大冶铁矿炸药车间建立了面积为200 m2的人工湿地中试工程，用于处理铁矿炸药车间排放出的含氮废水[1]。目前，人工湿地被应用到处理煤矿废水、印染废水、食品加工废水、养殖废水和河流湖泊生态修复中[6]。污水进入各湿地处理单元后，氮、磷营养盐的处理效果由其内部反应条件决定。除氮主要依赖于微生物同化、氨化、硝化、反硝化和植物吸收等生化反应。而除磷主要依靠植物的吸收和土壤的吸附、沉降等，普通微生物的除磷效率低于氮盐。湿地对污染物的去除与影响：物理沉淀可沉淀固体，在湿地中重力沉降去除、过滤，通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固体被阻截而去除；化学微生物代谢：利用悬浮物和植物寄生菌的代谢作用，将悬浮物、胶体和可溶性固体分解成无机物；通过生物硝化-反硝化作用去除氮；一些微量元素被微生物和植物氧化，通过阻断或结合去除。

近年来对于小流域综合整治工作的推进使得人工湿地在河道的应用受到广泛关注。然而人工湿地的污染负荷有限、建设投资较大、运行管理维护困难限制了其在河道整治上的应用。其中潜流型人工湿地的水面维持在基质床以下，是目前使用和研究最为广泛的湿地系统。这种湿地的基质通常由粗砂、矿石等粗制填充物组成，为水的快速渗透提供良好的空隙条件。据国外相关工程案例表明，按照污染负荷计算，潜流人工湿地的造价为1200元·m-3，自由表面流人工湿地1500元·m-3。国内的一些案例也表明，潜流人工湿地造价为150-300元·m-2（不包含征地费用），运行费用为0.08-0.15元·吨水-1，而表面流人工湿地的占地面积约是潜流人工湿地的十倍。可见，人工湿地虽然在运行费用相对常规污水处理工艺较低，但其在建设费用及占地等因素上受到较大的限制，而建设面积和处理效率显示成正比的关系，因此也限制了其发挥净化作用。

二、原位垂直潜流人工湿地的设计

为解决上述问题，本文设计了一种兼具表流和潜流功能的人工湿地，并将湿地直接建设在河道内部，构建接近自然动力学条件下的原位人工湿地，减小占用河岸上的建设用地，减少投资[7]。该人工湿地前置沉沙池能防止人工湿地淤堵[8]，进水通过步水系统进入湿地内部，在不同粒径的填料层中呈水平流和垂直流的流动状态，使之充分与填料和水生植物的根系接触，河水经重力流通过原位人工湿地，无须提升系统，极大程度降低了运行成本[9-10]。在暴雨期间雨水和河水通过表面漫过原位人工湿地，因此不对行洪造成影响；晴天时，河水通过填料层及水生植物层，同步起到净化的作用；旱季期间，河水又可以在填料层的空隙之间流过，减小蒸发的同时起到净化的作用。可见，原位人工湿地在不同工况条件下均能满足河道水质提升的需求。本文主要以福建省云霄山美溪支流原位垂直潜流人工湿地为例进行分析。

（一）设计思路

根据参考收集的设计参数[11，12]，本次设计拟采用兼具有表流和潜流双重功能的人工湿地[4-5，13]，湿地设计为四个主要部分，包括沉砂池、分配管、填料层和水生植物层，水生植物层种植旱伞草、再力花、美人蕉三种挺水植物[14，15，16]。人工湿地前设置一座沉砂池，将大颗粒杂质沉淀后通过生态石笼进行配水，水流方向和湿地呈垂直方向，水流由下而上垂直流经床体，流到顶部后，与表面流水体混合出水。

（二）讨论

在河道内建设人工湿地，以减少对河岸建设用地的占用，减少投资。同时，河水经重力流通过原位垂直潜流人工湿地，无须泵送系统，大大降低了运行成本。暴雨期间，雨水和河水从湿地表面溢出。在晴天，河水通过填料层和水生植物层，同时起到净化作用。在旱季，河水可以在填充层的缝隙之间流动，减少蒸发，起到净化作用。本文提出的原位人工湿地可以适应不同的水流条件，改善支流水质[17，18]。种植植被后，从第三周开始，以120m3·d-1的流量逐渐向湿地供水。经过三个月的种植，这些植物生长茂盛，建设周期如图1。

图1 湿地的建设周期

自2020年3月起，目前项目已稳定运行18个月以上，本文的性能测试分析集中在2021年4月至7月之间，因为这期间水质较其他时间段更差。而后期随着上游截污和管控措施的推进，来水水质已得到进一步提升。

来水经人工湿地净化后水质得到了提升，这是因为人工湿地的填料层和植物层对水中的氨氮和总磷起到吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的综合作用[19]。河水进入湿地系统，水中的固体颗粒与基质颗粒之间会发生作用，水流中的固体颗粒直接碰到基质颗粒表面被拦截。水中颗粒迁移到基质颗粒表面时，在范德华力和静电力作用下以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被黏附与基质颗粒上，也可能因为存在絮凝颗粒的架桥作用而被吸附。事实上，该人工湿地所在河道水质较为清澈，悬浮物少，有机物污染轻，主要超标污染物为氨氮及总磷。本工程的实施建设满足实际需要，解决了突出的氮、磷污染问题。本文提供的数据和设计理念为同类型的河流治理工程提供了参考信息。

三、管理与维护

运行维护水平关系到河流长效健康发展，需要创建和完善工作机制，明确长效管理责任，加强污染违法行为监管，加强水体监测预警。 此外，要注意截污管网的运行维护，优化供水和供水计划，做好日常清洁等相关工作，避免防治效果反复。针对本项目的特点，采用治理、维护一体化模式，为了保证河道治理效果，应从以下几方面进行：

（1）完善管理设施，加强河道日常管理

在河道沿岸人流较大的地方设置警示牌、标志牌、安全栏杆等警示、安全设施，预防在河道范围内发生人身意外伤害等情况，减少河道运行中的安全隐患，预防事故发生。为保证该人工湿地工程能够长期稳定、高效运行，人工湿地运行过程中应有针对性地对系统进行维护。

（2）植物系统建立后，应注意日常管养和维护

a.补苗、除草、按时采收以及防治病虫害必须与植 物生长保持一致，但不得使用除草剂和杀虫剂等；

b.检查植株是否拥挤，必要时进行分株；

c.定时疏除繁殖快速的水生植物，如浮萍、大萍等，以免覆满水面，影响睡莲或其他沉水植物的生长。植物过大时，叶面互相遮盖时，也必须进行分株；

d.定期施加追肥，保证植物营养供给。

（3）加强宣传教育，增强公众水环境保护意识

向公众大力宣传水环境污染给城市带来的危害，河道等水体污染直接影响城市市貌，影响周边居民生活环境质量。在沿岸设置一定数量的标志牌、宣传牌等，让公众了解城市河流水环境恶化和生态严重破坏的现状、治理的过程、采取的治理工艺等，以此增强公众的水环境参与意识和保护意识，借助公众的力量加强水环境污染治理、生态景观治理。

（4）强化监测管理工作

加强流域内水环境功能区污染监测，实行排污许可制度，减少入河直排污染。同时，积极开发、引用新技术、新材料及新工艺等，加强污染事故的应急对策。

（5）落实环境民事责任和刑事责任

对危害环境、侵犯他人民事权利的，应依照环境法律法规承担民事责任；对造成环境污染严重事故和对水环境及其他资源造成损害的单位和个人，依法追究刑事责任。

四、结语

原位人工湿地设置在河道内，遵循自然规律，能强化水体本身的自净能力，恢复水体中生态系统的平衡，在不影响行洪条件的基础上，能针对性地解决河道中氨氮和总磷超标的问题，其中氨氮的出水能达到《地表水环境质量标准（GB 3838-2002）》III类水标准。

原位人工湿地的构建方式更加接近自然界中的湿地，方便管理，结构简单，成本也不高，还能起到美化环境作用，增加河道中的生物多样性，同时，因为河道中的水位在各个季节是不一样的，因此这一湿地系统还可以形成干湿的交替，使其有更强的净化污染物能力[2]。原位人工湿地也是河流水质改善与景观改造相结合的有效应用，在未来对环境质量提出更高的要求时，原位人工湿地将具有一定的应用前景，在许多国家和地区都得到了广泛运用，如生活污水、煤矿废水、印染废水、食品加工废水、养殖废水和河流湖泊生态修复都可以利用这种方式解决，并在污水处理方式上更加灵活，有分散处理、小规模达到大效果等特点。此外为保证河流长效健康发展，要建立健全运行、维护、管理等工作机制，明确长效管理责任，加强执法和污染监管，加强水体监测预警，从源头上消除污染问题，真正实现长治久清。