河道人工湿地水质净化工艺设计

张德同，钱福娜

（1.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，济南 250101；2.中国城市建设研究院有限公司山东分院，济南 250000）

河流是重要的生态廊道，在生态系统中发挥重要作用。它不仅是动植物的栖息地和繁殖地，也是各种营养物质进入其他介质的通道。河流湿地可以净化水质，因此要合理构建河道人工湿地，优化水质净化工艺，改善河道水环境[1-3]。河道水质净化意义重大，可以保障社会经济持续发展，实现经济效益、社会效益、环境效益的统一。人工湿地通过物理、化学与生物的三重协同作用，高效降解水体污染物，降低水体富营养化水平，提高水质，修复流域生态环境。同时，流域保持生态平衡，自然灾害减少，居民生活水平得到提高，可以促进区域经济可持续发展。人工湿地的建设和运营可以确保废水中污染物得到有效去除，使得出水达标排放。同时，可以为许多生物提供栖息地，提高水生生物的多样性，增强生态系统的稳定性，保持生态平衡，显著改善区域环境[4-7]。

1 人工湿地水质净化机制

人工湿地可以有效处理废水中有机污染物，部分可以作为营养物质直接被植物吸收。河道人工湿地内，微生物通过生物代谢来降解废水中的有机污染物。人工湿地的污染物去除机理有水生植物吸收、微生物循环、硝化与反硝化。水生植物能够直接吸取大量无机氮，植物根部可提供营养，从而形成好氧区，加快微生物的新陈代谢。有机磷是植物生长必需的营养成分，微生物可以收集并吸收磷。人工湿地可以通过植物根系富集重金属，从而降低重金属的危险性，让土壤更加安全。表流湿地的基础可以使用砾石、沸石和火山石[8-10]。

2 水质净化工艺设计方案

某河流全长为7.1 km，防洪、资源配置和生态安全功能突出，但上游水质较差。上游村庄污水和生活垃圾未集中收集处理，雨水和垃圾混合产生氨氮含量高的废水。废水未经收集处理直接排入河流，造成上游水污染。河水呈黑色，有臭味。河床生长大量水生植物，但缺乏沉水植物，河道生态系统不完整，生物多样性有待改善。本项目采用人工湿地作为水质净化工艺，从而改善区域水质，修复河流生态环境。

2.1 设计原则

改善当地水环境对流域水污染治理至关重要。因此，要强化河道的自净能力，加强生态环境保护，提高生态系统的稳定性。设计时必须遵循相应原则，选择经济实用的工艺方案，确保项目高效稳定运行和水质可靠，节约基础设施投资，降低运营成本[11-13]。一是工艺成熟，处理效率稳定，确保出水质量符合国家和地方规定，满足用户要求；二是投资和运营成本低，以尽量减少投资；三是操作方便，维护和管理方便，过程控制灵活可调，可根据不同的进出口水质要求和水量变化调整操作模式和工艺参数，最大限度地发挥设备性能；四是选用的技术和设备先进可靠；五是推进智能控制，加强管理，减少成本损耗；六是河流污染控制技术应与河流生态系统相适应，尽可能恢复河流生态系统的功能，以保护区域生态环境。通常，河流污染控制技术分为物理法、化学法和生物法。

2.2 方案比选

方案比选中，各个项目的单项最高分值为5 分，最低分值为1 分。不同工艺方案综合性能为各个单项分值的总和，总分值越高，综合性能越好，比选结果如表1所示。生物法得分最高，综合评价结果遥遥领先。综合考虑进出水水质、场地条件和工艺比选结果，采用生物法对河道水环境进行治理。经过细化设计，本项目采用多级表流湿地+生态塘组合工艺。

表1 工艺方案比选结果

3 水质净化系统设计

表流湿地中，植物的根、茎、叶都可以固定污染物，同时寄生在植物上的微生物也能发挥相应作用。表流湿地设置1 个生物累积池，以提高污染物的去除率。作为一种环境友好的水质净化技术，生物法具有投资低、易于使用和管理、效益高等优点。除了改善水质，表流湿地还为微生物、动物提供栖息地，有效蓄水、储存洪水，让生态系统更加稳固，调节局部小气候。表流湿地内，细菌和藻类共生，二者协同处理废水。表流湿地中存在大量的微生物、水生植物、水生动物，它们都可以通过自身机理清除有机污染物。人工湿地设计参数如表2所示。

表2 人工湿地设计参数

3.1 溢流堰设计

溢流堰可以保持河流水位，为河流中水生植物的正常生长提供必要环境，扩大湿地面积，实现水资源的均匀分配，并为同一水位的处理系统提供相同负荷，防止短路和积水，延长水力停留时间，改善水质。净化过程还增加溶解氧浓度，这有助于净化水质，增加湿地景观。溢流堰设计长度为300 m，材料为浆砌石。

3.2 生态驳岸设计

河道两侧建造生态驳岸，既提高河床结构的稳定性，又提高水质净化能力，拦截和吸收农田排放的氮、磷和其他养分。生态驳岸可以减少污染物排放，实现河流生态修复。生态驳岸设计占地面积为30 000 m2。

3.3 河道清淤设计

黑臭河道一般淤积比较严重，应进行河道清淤，清除底泥中的病原性物质、重金属，减少不利因素，为生态修复打下基础。河道设计清淤深度为1～2 m，清淤长度约为16.6 km，清淤量为261 620 m3。

3.4 提升泵站、输水渠及管道工程设计

一是新建西环污水管道。该河道北侧管道长约为420 m，混凝土管道直径为600 mm，管道直接接入市政管网。该河道北侧管道原设计为直接通往污水处理厂，实际是汇集到南侧污水管道，经提升泵站后进入污水处理厂，导致南侧污水管网输送能力不足。北侧污水管道全长约为1 730 m，管径为800 mm。二是新建污水提升泵站。计划在河道北侧修建一座提升泵站，泵站设计规模为2.0 万t/d。提升泵站收集的污水经提升后汇入新建的污水管道内，最终进入污水处理厂。潜水排污泵配置3 台，两用一备。

3.5 植物的选择与配置

选择植物时，要综合考虑环境适应性、根系发育、经济价值和美学要求等因素。植物选择要坚持4 个原则。一是因地制宜。依据当地自然环境特征，选择适应本地气候的水生植物。二是经济效益。要选择综合利用价值高的水生植物。三是生物多样性。合理利用水生植物、水生动物和微生物的优势，最大限度地利用当地植物，恢复生物多样性。四是景观协调。在净化水质的同时，结合景观美化，提高湿地景观效果。根据环境条件和群落特征，在空间和时间分布方面优化植物群落的配置，建立稳定和可持续的生态系统，净化水质[14-16]。一般来说，当地常见的植物群落结构必定是具有价值的物种，经济效益、社会效益和环境效益往往比较显著。

4 结论

人工湿地水质净化机制多样，经水质净化工艺设计方案比选，本项目采用多级表流湿地+生态塘组合工艺，构建水质净化系统，有效净化河道水质。与传统污水处理方法相比，人工湿地运行成本较低，水质净化效果较好，使用寿命较长，维护方便，应用前景广阔。