人工湿地在小流域污染治理中的应用——以成都市杨溪河小流域水生态治理为例

柳志亮

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉，430010)

0 引言

近年来，随着社会经济的发展，城市化、工业化进程的加速，污水排放量不断增多，间接或直接排入河道的污水日益增加，使小流域河道自净能力降低，水环境问题突出。针对以上问题，运用人工湿地手段处理污水、改善水质开始进入社会各界的视野。人工湿地是建立在生态学基础上的一项新型生态污水处理技术[1]，其具有消耗小、投资低、操作简单、出水水质好等优点。在20世纪70年代，人工湿地开始被有意识、有目的地用于处理污水[2]；20世纪80、90年代，在欧洲、美国、新西兰、日本等地开始广泛应用；“七五”期间，中国对人工湿地的研究逐渐开始起步，1990年国家环保总局华南环保所在深圳建造的白泥坑人工湿地工程[3]，为中国的首次实践；唐雪[4]在综合考虑生态效益与社会效益的基础上提出加快淘汰小型重污染企业、扩大园区污水集中处理规模、建造人工湿地污水处理系统等措施进行小流域水污染综合治理。

为尽快改善杨溪河小流域水环境状况，当地政府采取控源截污、河道清淤等措施，在丰水期水环境有明显的改善，在枯水期流域水环境状况依然严峻。本文以成都市沱江流域杨溪河小流域为研究区，探究人工湿地在小流域污染治理中的应用，为其他相似区域的水环境治理提供参考。

1 研究区域概况

杨溪河流域位于四川省成都市金堂县中部，是沱江干流左岸一级支流，该河流发源于金堂县高板镇，自东北向西南流，于金牛坝汇入沱江。流域涉及金堂县高板、白果、五凤、隆盛、平桥5个乡镇和简阳市同合、宏缘2个乡镇。整个流域呈长条状，河道总长34.1km，纵坡约1.2‰，现状河宽在20m～35m，流域面积69.2km2。

流域内无明显地下水出露点，径流主要由大气降雨形成，含有灌区的灌溉回归水、场镇污水等其他来水。河口断面流域多年平均径流量为1160万m3，平均流量为0.37m3/s，枯水年(P=90%)最枯月平均流量为0.02m3/s。杨溪河流域区位见图1。

图1 杨溪河流域水系及水质监测点位示意

2 现状调查与评价

2.1 水质现状调查与评价

2016-2019年在杨溪河上中下5个断面共计33次水质检测中，达到IV类水质目标的仅为24%，劣V类水质的频率为64%；枯水期全部为劣V类。

2021年6月(丰水期)再次选择流域3个断面对水质进行检测，在汛期中上游水质为Ⅴ～劣Ⅴ类，中游基本达到IV类。主要的污染物为氨氮和总磷。2021年6月水质实测数据见表1。

表1 杨溪河2021年6月水质实测数据

2.2 污染源现状调查与评价

研究区污染源主要包括城镇和农村生活污染源、工业污染源、农业污染源、养殖业污染源、城市面源污染。据金堂县生态环境局提供的排污口相关资料以及《2019年金堂县统计年鉴》，计算2019年研究区地表径流COD、氨氮、总磷入河量。研究区主要污染物入河量测算成果见表2。2019年流域入河化学需氧量(COD)为415.6t/a，氨氮(NH3-N)为63.3t/a，总磷(TP)为8.5t/a。

表2 杨溪河流域2019年污染物入河量统计

3 治理目标

当地在杨溪河流域中下游河段规划建设杨溪湖水库(小(1)型)，按照成都市沱江流域水功能区总体要求、水质管理目标和杨溪湖水库对入库水质要求，杨溪河小流域应全年达到IV类水质目标。

4 人工湿地

4.1 工艺流程

人工湿地采用“高效沉淀池+人工快速渗滤池+垂直潜流人工湿地+生物塘”组合工艺，微污染河水首先流经粗细机械格栅，去除污水中较大颗粒的悬浮物、漂浮物、纤维物质和较大的固体颗粒物；格栅出水经水泵提升进入高效沉淀池，去除污水中的可沉淀悬浮物，有效地减轻后续系统的处理负荷；高效沉淀池出水进入配水渠，配水渠能够调节水量，对人工快速渗滤池进行布水，利用CRI系统的过滤、截留、吸附、生物降解作用去除污水中的COD、BOD5、SS、氨氮、总磷等；人工快速渗滤池出水进入后续垂直潜流人工湿地，重点去除氨氮，进一步去除有机物、悬浮物等污染[5]；垂直潜流人工湿地出水进入两级生物塘，生物塘种植沉水植物，构建稳定的水生态系统，重点对前期处理效果较差的总磷进行去除。杨溪河人工湿地工艺流程示意见图2。

图2 杨溪河人工湿地工艺流程

4.2 技术参数

研究区多年日平均气温为16.87℃，根据《污水自然处理工程技术规程》(CJJ/T 54-2017)中3.0.7的规定，属于按年平均气温划分的Ⅲ区(高于16℃)；处理对象为地表微污染水体，属于常规处理，表流、水平潜流及垂直潜流湿地主要设计参数详见表3。

表3 人工湿地设计参数

4.3 各工艺的原理及功能

4.3.1 高效沉淀池

高效沉淀池主要去除水中悬浮物。

(1)工艺原理：高效沉淀池结构包括反应区和澄清区。反应区分为混合反应区和推流反应区两部分，在混合反应区内，靠搅拌器的提升混合作用完成泥渣、药剂、原水的快速凝聚反应，然后经叶轮提升至推流反应区进行慢速絮凝反应，以结成较大的絮凝体；在澄清区，絮凝体慢速地从预沉池进入沉淀区，絮凝体主要在预沉区沉淀，剩余部分进入斜管沉淀区完成沉淀过程，澄清水通过集水槽进入后续构筑物[6]。

(2)最显著特点：对进水水质的变化适应性好；总布局紧凑高效，同等处理规模占地较少；工程总体投资节省。

4.3.2 人工快渗池

人工快渗池主要去除微污水SS、COD、BOD5、氨氮等污染物，降低后续工艺处理负荷。

工艺原理：人工快渗是一种污水快速渗滤处理工艺的改进型，采用渗透性能良好的天然材料，并掺入一定量的活性矿物质填料，强化其净化功能，通过干湿交替的运行方式[7]，利用渗滤填料系统的过滤、截留、吸附及生物降解等作用去除水中的污染物。

4.3.3 垂直潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地能有效去除水中COD、BOD5、氨氮、总磷等污染物。

工艺原理：潜流人工湿地主要依靠填料和植物根系表面生物膜的作用。好氧微生物通过呼吸作用，将废水中的大部分有机物分解成为二氧化碳和水；厌氧细菌将有机物质分解成二氧化碳和甲烷；硝化细菌将铵盐硝化；反硝化细菌将硝态氮还原成氮气。而且湿地植物还有吸收降解作用。此外，湿地生态系统中还存在某些原生动物及后生动物，甚至一些湿地昆虫和鸟类也能参与吞食湿地系统中沉积的有机颗粒，然后进行同化作用，将有机颗粒作为营养物质吸收，在某种程度上去除污水中的颗粒物[8]。

4.3.4 两级生物塘

两级生物塘进一步起到水质净化功能，同时具有出水展示、景观效果提升、游玩休息等功能，提升人工湿地区域景观效果。

工艺原理：核心是沉水植物对氮磷等营养物质的富集、吸收和降解作用。通过水生态系统食物链进一步提高净化效果，水体在流动过程中，利用土壤基质、植物群落和微生物接触，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物分解、植物吸收等作用去除污染物。

4.4 设计净化效果

为实现杨溪河小流域水质目标，当地规划于水库上游河岸边修建人工湿地，将河道来水引入人工湿地，通过湿地系统的深度净化处理，使出水水质达到Ⅳ类后汇入杨溪湖水库。人工湿地净化设计规模为25000m3/d，区域面积4.48hm2。

表3 杨溪湖人工湿地规模数据

杨溪河人工湿地的进水水质按照河道枯水期水质特性进行设定，出水水质为地表水环境质量标准Ⅳ类水质。杨溪河人工湿地的进水、出水水质标准详见表4，其中进水水质根据丰水期和枯水期的特征分别考虑。

表4 人工湿地进出水水质设计值

对比表4中进水水质和出水水质可知，人工湿地可明显降低河道污染物浓度，有效改善河道水质。

5 结语

人工湿地进行污水净水处理在城市的应用比较广泛和成熟，在以农业和农村为主的小流域水污染治理方面应用需要进一步探索和尝试。杨溪河人工湿地具备生态安全、效果持久、经济可行和周边景观融合等特点，且根据设计净化效果可知，杨溪河人工湿地对污染物BOD5、CODcr、NH3-N、TP的去除率分别达到60%、40%、50%、40%，可以明显改善河道枯水期水环境状况，为杨溪河流域水质达标和后续的杨溪湖水库建设奠定良好的基础。