结合人工湿地技术的净水策略在商丘水系规划中的应用

刘谦,尹杰

(同济大学 建筑与城市规划学院,上海 200092)

当历史的车轮进入21世纪,人们在对城市快速发展带来的水系的污浊和恶臭忍无可忍之后,在“生态城市”、“园林城市”、“宜居城市”、“东方水城”等大旗下,开始了对城市水系大张旗鼓的生态化整治,仅河北省11市在过去5内就有8座城市进行了生态水系规划。

在本轮水系规划建设的浪潮中,“净水”均是首要目标。而物理-生物-生态相结合的人工湿地(constructed wetland)①学者夏汉平(2002)认为,人工湿地系统是通过模拟天然湿地的结构与功能,选择一定的地理位置和地形,根据人们的需要,认为设计与建造的湿地。它与天然湿地有相似的生态系统,并通过人工手段使其净水功能得到加强。技术因其在处理生活、生产污水的厌氧环境以及工程造价、维护费用方面的优势,得到了广泛的应用。河南省商丘市地处黄河流域,水网发达(图1),但同样面临这资源型和水质型缺水的境况。“净水”也成了实现“水通”、“水清”、“水美”的城市水系发展目标的重中之重。[1-2]本文将详细阐述在笔者近期参与的商丘市中心城区生态水系规划(后文简称“规划”)[3]中的结合人工湿地技术的净水策略,望对其它城市生态水系规划起到借鉴作用。

图1 商丘市水系示意图

1 结合人工湿地技术的净水策略的具体阐述

结合人工湿地技术的净水策略为,首先利用污水、雨水管网收集城市污水并送至污水处理厂,集中解决污染水点源污染,污水处理达标后作为中水资源,回送至每条河道。接着进入人工湿地处理环节对上游来水和污水处理厂排入河流的中水进行处理,即将每条河道当成一个相对独立的水系统,结合生态处理措施,将每条河道中参与污水处理的河段分为厌氧水解区、强化复氧区、生物稳定区、湿地区4个工程分区,对河水进行进一步处理,形成清洁的生态水环境。同时,引入上游清洁的水资源,对市区水系进行补水。

其中人工湿地处理环节的各工程分区具体工作流程为:(1)通过利用水闸拦水后,在一定区域内形成相对流动减缓的区域,即厌氧水解区。此时由于水流速减缓,河水形成上层兼氧、下层厌氧的水体,从而对污水起到沉淀和水解酸化作用,增大污水的可生化性。厌氧水解区中沉淀和水解酸化作用的流程是:城市污水经粗格栅去除大块漂浮物后,通过拦水溢流闸截流,再通过进水管进入细格栅进一步去除细的漂浮物,经去除漂浮物后的污水进入水解酸化区,水解酸化区中装置填料,污水中的污染物被拦截和被填料中微生物膜作用,在此处固体悬浮物被沉降,大分子的有机物被分解而部分去除。随后进入强化复氧区。(2)在强化复氧区通过供氧系统向水中“输氧”,所供氧气一部分用来强化降解河水中的有机污染物,另一部分用来提高水体的溶解氧浓度,在河水中形成好氧环境,抑制厌氧微生物的作用,消除河水臭味。经强化复氧区处理后,河水有机物浓度有所降低,臭味将得到较为彻底地去除,然后进入生物稳定塘。(3)河水中的悬浮物和强化复氧区内有机物降解产生的污泥在生物稳定区内沉降、分离,然后进入湿地区。(4)湿地区为人工湿地系统各分区面积最大的工程分区,湿地区模仿自然湿地,即建造尽可能多的小环境,使水流路径曲折多样。在水体流经的不同地段,栽种芦苇、蒲草、雨久花、荷花等水生植物,通过土堤、植物带、渗滤坝等隔离形成不同植物功能区组合式污水净化系统,建立水生生态系统,使生物净化效果达到最高。(5)经过湿地区处理后通过退水闸进入清河河道,通过强化复氧区曝气的控制,使得河水进入清河河道时保持一定的溶解氧浓度。流程图如图2所示。

图2 人工湿地各分区工作流程

2 规划中对各河道的具体解决方案

规划将以上四个工程分区的总体布局落实到各条河道,形成各水系水环境治理的水循环系统。其中河道根据主要补水模式的不同可分为两类。分别为:(1)主要依靠上游来水的补水模式;(2)内部补水模式——靠污水处理厂处理后排回河道的中水进行补水。根据经验,四个区的面积比例大致可以划分为3:1.9:0.9: 12(见图3)。规划中对各河道的具体解决方案为:

2.1 采用上游来水模式的河道

包河、古宋河、东沙河这三条河流主要承担防洪功能,承接上游来水,位于城市边缘,其污染源除了点源污染外还有很多面源污染,因此考虑以引入上游清水进行河道补水,并依靠河道-湿地处理系统净化河道水质形成河道的生态用水自循环。

包河:规划从周商永运河以北段从田园路开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为人民公园,最终流入清水景观区;周商永运河以南段,从两河交汇处开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为珠江东路附近的公共绿地。河水经过以上处理流程后,最终流入清水景观区。

古宋河:位于城市西侧,从田园路开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为北海路苗圃,河水经过处理流程后,最终流入清水景观区。

东沙河:位于城市东侧,其上游主要依靠上游来水进行河道补水,下游可利用第三污水处理厂处理后的污水进行补水。

2.2 采用内部补水模式的河道

由于商丘市区河道均为季节性河流,在旱季时商丘河道的生态用水来源有限,因此规划利用各污水处理厂处理达标后的再生水作为中水重新打入,并经过河道-湿地处理系统处理后排入河道,作为河道生态补水。

图3 商丘市水系人工湿地功能分区示意图

康林河:中水来源于梁园污水处理厂,位于君台路以西、仓平路以南,规划处理中水量4万m3/d,中水由中水管送至河流水质处理工程进行进一步净化,从梁园路开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为汉梁苑,最终流入清水景观区,与忠民河相汇。

忠民河:周商永运河以北段,中水来源于梁园污水处理厂,中水由中水管送至河流水质处理工程进行进一步净化,从梁园路开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为君台路东侧带型绿地,最终流入清水景观区;周商永运河以南段,中水来源于第二污水处理厂,在高速铁路北侧,蔡河以西,处理规模为32万m3/ d,占地面积为22公顷,规划处理中水量为10万m3/d,中水由中水管送至河流水质处理工程进行进一步净化,从与周商永运河交汇处进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为古城湖以东,紫荆北路以西的带型绿地,最终流入清水景观区,与古宋河相汇。

万堤河:中水来源于梁园污水处理厂,中水由中水管送至河流水质处理工程进行进一步净化,从田园路开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为与陇海铁路交汇段绿地,最终流入清水景观区,与周商永运河相汇。

蔡河:中水来源于第二污水处理厂,中水由中水管送至河流水质处理工程进行进一步净化,从与周商永运河交汇处开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为翠竹公园、宋城公园在内的带型绿地,最终流入清水景观区。

周商永运河:上游中水来源于第四污水处理厂,在运河与万堤河交汇处,处理规模为1万m3/d,占地面积为5公顷,规划全部进行深度处理,中水量为1万m3/d,中水由中水管送至河流水质处理工程进行进一步净化,从北海路苗圃开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为月季公园,最终流入清水景观区;下游中水来源于第三污水处理厂,中水由中水管送至河流水质处理工程进行进一步净化,从与包河交汇处开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为长江东路以北的带型绿地,最终流入清水景观区。

中水河:中水来源于第一污水处理厂,中水由中水管送至河流水质处理工程进行进一步净化,从与包河交汇处开始进入水质处理工程四大功能区,其中湿地区为应天公园,最终流入清水景观区,与蔡河相汇。

3 应用展望

笔者认为在各地今后生态水系规划设计中,在完善人工湿地净水功能的同时,可发挥其作为湿地本身景观、游憩功能,通过营造生态岸线、水中种植具有观赏性的净水植物等手段,使人工湿地成为市民观赏、游憩的乐园。其次可发挥其教育功能,如上海苏州河整治中筹建了梦清园博物馆展示水系整治成果和净水技术,增加市民的环保知识和意识。另外,近期的东营市生态水系规划通过湿地系统构建减轻土壤盐碱化,由此带给我们启示,应在技术上更加精细的挖掘人工湿地的生态特性,增强其实用范围,为城市生态建设做出更大贡献。

[1] 宋志文,张锡义,汤华崇,等.人工湿地污水处理技术及其发展[J].青岛建筑工程学院学报,2004,25(2):58260.

[2] 应俊辉.利用人工湿地处理农村生活污水的研究[J]安徽农业科学,2007,35(4):110421105.

[3] 商丘市城乡规划局,匠人规划建筑有限公司.商丘市中心城区生态水系规划.2010.10.

[4] 李丽,王全.人工湿地在污水处理中的研究进展[J].华东交通大学学报.2007.2,24(1).11～14.