基于海綿城市理念的潛流園林濕地設(shè)計與運行效果

錢 凱，文科軍，吳麗萍，危 碩

（天津城建大學 環(huán)境與市政工程學院，天津 300384）

如住建部《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》[1]中所描述，“海綿城市”是指城市在適應環(huán)境變化和應對自然災害等方面，能夠像海綿一樣具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將儲存的水“釋放”并加以利用；“海綿體”是指在海綿城市建設(shè)中充當載體的各種設(shè)施，在海綿城市的建設(shè)與運行中起到核心作用，而低影響開發(fā)（low impact development，簡稱 LID）是“海綿體”的重要組成部分和實現(xiàn)手段[2].LID 旨在利用小型、分散措施恢復場地開發(fā)前的水文環(huán)境，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術(shù)，高效穩(wěn)定地降低徑流污染、減少徑流量、保護受納水體，同時可將雨水重新引入地下，補充地下水資源[3-4].

潛流園林濕地是為實現(xiàn)雨污水原位處理與綠化景觀的多元化功能目標而開發(fā)的一種污水處理技術(shù)，自下而上分為基質(zhì)層、隔離層、土壤或沙礫層、步道層以及植被層[5-6]；其中植被層以耐水濕常綠喬灌木為主，輔以灌、草形成綠地景觀，土壤或沙礫層、植被層又構(gòu)成覆蓋層，具有保溫、隔臭的作用.潛流園林濕地對雨水、污水均有較好的凈化、利用能力，植被層可有效削減雨水徑流及其污染負荷，基質(zhì)層、隔離層、土壤層具有過濾凈化作用.潛流園林濕地中植物、基質(zhì)、微生物組成的復合系統(tǒng)，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解等作用實現(xiàn)對污水中污染物的高效凈化[7]，處理后出水作為景觀用水或補充地下水等，以多樣化及系統(tǒng)化形式實現(xiàn)水、土、氣自然凈化與生態(tài)保育、環(huán)境美化等多元化功能[8]，契合LID 設(shè)計理念[9].

前期研究結(jié)果表明，潛流園林濕地污水處理技術(shù)對生活污水中氮、磷污染物的去除率可達70%以上[10]，通過合理配置基質(zhì)、植物，能達到較高的除磷效果[11-12].為此，借助天津市科技支撐重點項目立項支持，建立了潛流園林濕地污水處理技術(shù)示范工程.該示范基地位于天津靜海高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，占地面積1 500 m2，凈化某廠區(qū)生活污水，旨在為遠離市政管網(wǎng)的小型、分散廠區(qū)污水處理提供適宜的技術(shù)措施，通過示范工程處理效果考察潛流園林濕地作為“海綿城市”建設(shè)中“海綿體”的可行性.

1 工程設(shè)計

1.1 設(shè)計規(guī)模與進出水水質(zhì)

潛流園林濕地示范工程設(shè)計水量為6 800 m3/a，污水包括淋浴、廚房用水、沖廁污水、洗滌污水、屋面和地面收集雨水等，可生化性較好，采取雨污混合制.出水水質(zhì)執(zhí)行GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》[13]一級A 標準.進水水質(zhì)及排放水質(zhì)標準可見表1.

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)

1.2 工藝流程

本工藝以“潛流式園林濕地”為核心處理單元，其污水處理系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示.

生活污水經(jīng)污水收集管網(wǎng)進入污水處理系統(tǒng)，通過格柵去除水中較大懸浮物，而后流入集水井；廠區(qū)建筑物雨水管收集的雨水匯入集水井與生活污水混合、沉淀、調(diào)質(zhì)后，自布水系統(tǒng)進入潛流式園林濕地，出水蓄存于景觀湖，部分排入中水管網(wǎng)回用.

圖1 潛流園林濕地工藝系統(tǒng)流程

1.3 主體構(gòu)筑物設(shè)計

1.3.1 格柵

格柵可去除較大懸浮物和漂浮物，如紙屑、蔬菜殘渣和毛發(fā)等，為后續(xù)處理構(gòu)筑物減輕壓力.

該系統(tǒng)選用人工格柵1 座，地下磚混結(jié)構(gòu)，規(guī)格為 1.5 m（長）×1.4 m（寬）×1 m（深）；柵條間隙寬 6 mm，柵前水深0.3 m，安裝角度為60°，人工清渣，需每月觀察清渣一次.

1.3.2 集水井

集水井用于收集格柵流出的生活污水和來自雨水管道的雨水，對混合污水中的砂礫起到沉降作用，并均衡水質(zhì)，需每月觀察清淤一次.集水井分為左右兩部分，左側(cè)（遠離濕地一側(cè)）規(guī)格為1 m（長）×2 m（寬）×3 m（深），右側(cè)設(shè)計參數(shù)為 1 m（長）×2 m（寬）×2.3 m（深）.池內(nèi)右側(cè)備有一臺潛污泵，型號為50WQ10-7-0.75 型.

1.3.3 潛流園林濕地

潛流園林濕地自下而上分為基質(zhì)層、毛氈、土壤層和植被，通過微生物、植物和基質(zhì)協(xié)同作用，處理污水[14].該濕地長20 m，寬7 m，基質(zhì)層高1.5 m，覆土厚度0.5 m.基質(zhì)采用改性爐渣，爐渣上方鋪有一層毛氈，覆土厚度0.5 m，其上種植植物為柳樹、濕地松、沙地柏等常綠植物，一定程度上維持春冬季濕地植物活性，保證廢水處理效果.濕地采用管道布水，水流方式為水平流，出水排入景觀湖，總規(guī)格為20 m（長）×7 m（寬）×2 m（深）.濕地參數(shù)具體計算如下.

崔玉波等[15]基于一級反應動力學提出的人工濕地表面積計算公式為（本設(shè)計基于COD 去除參數(shù)）

式中：A為濕地面積，m2；Q為設(shè)計水量，m3/d；Co、Ce分別代表進、出水COD 濃度，mg/L；KT為一級反應速率常數(shù)，d-1；d 為基質(zhì)深度，m；φ 為基質(zhì)孔隙率；T 為溫度，℃.

一級反應速率常數(shù)[15]為

參考水上公園平均水溫[16]，濕地水溫取20 ℃；根據(jù)濕地填料情況[15]，K20取 0.86；濕地設(shè)計流量 Q 為 19m3/d；進水水質(zhì)Co為120 mg/L，出水水質(zhì) Ce為 40 mg/L；濕地所種植物以柳樹為主，兼以濕地松和沙地柏，填料厚度d 取1.5 m；基質(zhì)采用爐渣，孔隙率φ 為0.48，得濕地面積A 為134.46 m2.

將人工濕地面積定為140 m2，而通常人工濕地長度在15～50 m 為宜，長寬比宜小于3：1[17].結(jié)合廠區(qū)構(gòu)建濕地處實際地形，最終確定濕地長為20 m，寬為7 m.則濕地水力停留時間 HRT=V × φ/Q=5.3 d；表面水力負荷qo=Q（Co-Ce）/A=0.011 kg（/m2·d）.

2 運行效果與分析

該項目自2015年6月起開始運行，在2015-06—2017-01月期間對進出水水質(zhì)進行間斷檢測，檢測方法采用國標法，結(jié)果如圖2 所示.

圖2 污染物去除效果

由圖2 可知：在兩年半的運行時間內(nèi)，該示范工程出水基本能達到文獻[13]一級A 排放標準，對TN、TP、-N、COD 的平均去除率分別達到54.67%、76.65%、38.14%、74.20%；2015年夏季為潛流園林濕地的適應階段，到2015年秋季系統(tǒng)開始穩(wěn)定運行，各指標去除率增大；但到2016年TP 去除率降低了10.44%，且該年冬季TN 的去除效果較秋季降低了11.54%.

人工濕地基質(zhì)的過濾吸附是濕地除磷的主要途徑[18]：在濕地運行初期基質(zhì)吸附未達到飽和，磷吸附效果較好；但隨時間的推移，基質(zhì)磷吸附逐漸達到飽和，磷的吸附率降低，從而影響TP 的去除效果，導致TP的去除率在2016年有所降低.氣溫通過影響植物活性而間接影響濕地脫氮效果[19]，在冬季溫度較低時，對氮的處理效果較差[20-21].但有研究證明[22]，通過種植冬季活性較高的水芹，濕地脫氮能力會有顯著提升.潛流園林濕地上方也種植有濕地松和沙地柏等常綠植物，能在冬季氣溫較低的條件下依然維持一定植物活性，因而冬季-N 的去除率較秋季僅稍有下降；然而因冬季污水量減少，且碳氮比降低而導致碳源不足，使得反硝化過程受阻[23]，因此2016年冬季TN 的去除率較秋季明顯降低.

3 工程投資效益與優(yōu)勢

3.1 工程投資與運行成本

潛流園林濕地示范工程總投資24.3 萬元，日常運行費用主要為水泵動力費、人員管理費和維護費.水泵總計運行時間約680 h/a，功率0.75 kW，工業(yè)用電平段約0.63 元/h，則水泵動力費321.3 元/a；雇傭管理人員為廠內(nèi)門衛(wèi)，工資以獎金形式發(fā)放，為1 500 元/a；維護費主要為旱季對濕地植物進行灌溉，費用約為100 元/a，濕地運行成本僅為1 900 元/a，則噸水處理成本為0.28 元/m3.

3.2 工程效益

潛流園林濕地可釋放氧氣約0.39 kg/10 m2，吸收二氧化碳約56 kg/10 m2，截塵約4.6 kg/10 m2.處理后的出水集中到人工湖或作為中水回用，可用于綠化澆灌、沖廁與洗車.同時，人工湖中可養(yǎng)魚類及具有觀賞性的水生植物，既有一定的凈水功能，又具有觀賞價值，還可供垂釣娛樂，實現(xiàn)了“死水”到“活水”的變更.再結(jié)合園林規(guī)劃，在污水處理構(gòu)筑物周圍建立觀景臺、休閑場所及環(huán)境教育館等基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)人與自然的和諧，使之具有較好的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益.

3.3 工藝優(yōu)勢

（1）出水效果好，運行穩(wěn)定.從該工程長期運行效果來看，潛流園林濕地污水處理示范工程出水能達到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》[13]一級A 標準.

（2）將綠地與污水處理設(shè)施有機結(jié)合，節(jié)省土地，實現(xiàn)多元化目標.潛流園林濕地可在綠地上因地制宜，根據(jù)所處環(huán)境（如社區(qū)、廠礦等）等不同功能性需求，實施樹木造景，鋪人行道，建園林小品，并以多樣化、規(guī)?；?、整體化形式滿足水土氣的自然凈化、生態(tài)保育、美化游憩、木材收益等，并且達標水作為中水回用，用于綠化澆灌、沖廁與洗車等，最終構(gòu)成一種污水處理與景觀綠地等多元化功能的污水處理設(shè)施.

（3）可成為建設(shè)生態(tài)宜居型和海綿城市重要的低影響開發(fā)設(shè)施.潛流園林濕地可實現(xiàn)雨污水的原位收集處理與循環(huán)再利用，既可緩解城市用水的供需矛盾，減少排雨污對市政管網(wǎng)的壓力；又可實現(xiàn)污水資源化與景觀建設(shè)一體化，對經(jīng)濟、社會、環(huán)境均具有現(xiàn)實和長遠意義.

（4）運行管理方便，成本較低.潛流園林濕地流程簡單，基本可自動化運行，只需指派廠內(nèi)門衛(wèi)定期查看，旱季適當引湖中存水給濕地回灌補水，費用只需支付員工管理費和電費.

4 結(jié) 論

（1）潛流園林濕地污水處理示范工程設(shè)計規(guī)模為6 800 m3/a，主要設(shè)備和構(gòu)筑物有格柵、集水井、潛流園林濕地、表面流濕地，凈化水蓄存于景觀湖，潛流園林濕地長20 m，寬7 m，基質(zhì)層厚1.5 m，覆土層厚0.5 m，表面有機負荷0.011 kg（/m·2d），水力停留時間5.3 d.

（2）潛流園林濕地污水處理示范工程實現(xiàn)了廠區(qū)雨水、生活污水的凈化與利用，對TN、TP、-N、COD的去除率分別為54.67%、76.65%、38.14%、74.20%，出水水質(zhì)達到城鎮(zhèn)污水排放一級A 標準.示范工程運行成本約0.28 元/m3.

（3）潛流園林濕地污水處理技術(shù)將綠地與污水處理設(shè)施有機結(jié)合，不另占土地，實現(xiàn)了雨水的容積蓄水、污水的就地處理和循環(huán)利用，以及生態(tài)保育、美化游憩、木材收益等多元化功能目標，具有“海綿體”功效，在海綿城市建設(shè)中具有良好的應用前景.