北方復合型人工濕地工程：以濟寧老運河入湖口濕地為例

高奔

（濟寧市生態(tài)環(huán)境信息和技術中心，山東 濟寧 272000）

人工濕地污水處理技術是通過模擬自然濕地，利用特定基質、植物與微生物的協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的凈化，具有投資少、凈化效果好、抗沖擊能力強、生態(tài)修復顯著、運行維護費用低、視覺景觀優(yōu)異等特點。目前，人工濕地已被廣泛應用于生活污水、污水處理廠尾水、農業(yè)面源廢水的處理中(周賢波, 2017)。

濟寧南四湖面積1 266 km2，是我國北方最大的淡水湖泊，同時也是南水北調東線必經之地和重要的調蓄區(qū)，其水質要求為《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中的Ⅲ類水。老運河山東濟寧段（以下簡稱“老運河濟寧段”）是《南水北調東線工程治污規(guī)劃》中27個控制單元之一，由于該流域工業(yè)基礎較好、污水處理廠建設滯后以及生態(tài)徑流量不足等原因，2010年老運河濟寧段下游水質除8月、9月為Ⅴ類水外，其余月份均為劣Ⅴ類水，CODCr為 44.65 mg/L、NH3-N為2.54 mg/L。濟寧市污水處理廠出水實現(xiàn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準，但與老運河濟寧段所要求的地表水Ⅲ類水質標準仍有不小差距（表1）。2010年11月，在老運河濟寧段下游入南四湖湖口處建設老運河人工濕地，規(guī)模146 hm2，總投資約6 700萬元。人工濕地以復合潛流濕地為核心，結合表面流+生態(tài)穩(wěn)定塘處理工藝，通過濟寧市截污導流工程管道攔截市污水處理廠中水，經人工濕地處理后再排入老運河。工程于2012年5月建成并穩(wěn)定運行，老運河濟寧段斷面水質、生態(tài)環(huán)境得到較大改善，并逐步實現(xiàn)水質穩(wěn)定達標。

表1 一級A標準與地表水Ⅲ類標準主要指標Table 1 Main index of primary level A standard and surface water type III standard

1 老運河及水質現(xiàn)狀

老運河為清末之前繁盛數(shù)百年的古京杭運河，南起余杭（今杭州），北到涿郡（今北京），途經浙、蘇、魯、冀四省及天津、北京兩市，貫通海河、黃河、淮河、長江、錢塘江五大水系，全長約1 797 km。老運河濟寧段西起梁濟運河后營閘，東流經濟寧市市區(qū)，南下至南四湖湖區(qū)，全長約13.5 km，停航后為廢棄河道，是濟寧市污水處理廠出水的排污溝，也是城區(qū)防洪排澇的主要河流。老運河濟寧段流域面積30 km2，河床上口寬約25 m，底寬約17 m（李慧,2008），河道狹窄，為單向封閉河道，主要接納市污水處理廠出水，自然徑流很小，枯水期無稀釋水量，河道生態(tài)自修復、水體自凈能力較低。

濟寧市污水處理廠建設規(guī)模20×104m3/d，污水廠大量中水的直排是老運河的污染負荷。在本項目建成前，老運河濟寧段下游全年基本為劣Ⅴ類水，各河段中高等水生植物稀少，僅在河道淺水區(qū)能看到少量野生水草，有少量浮游植物；除汛期外基本沒有魚類；枝角類和橈足類等大型浮游動物數(shù)量稀少；由于水體底層缺氧，深水河床區(qū)基本無大型底棲動物存在。工程選址處原有大量魚塘，投放餌料對水質也有較大影響。

2 人工濕地工程設計

2.1 工程選址及現(xiàn)場特征

工程選址在老運河濟寧段下游西側、太白湖東北側的湖灘地區(qū)域，為大面積的湖灘地、魚塘、坑塘、臺田和湖濱淺水區(qū)。該區(qū)域高程32.7～33.6 m，地勢較低，由北向南傾斜，坡降約1/3 000。該區(qū)域在開發(fā)前原為湖濱帶天然人工濕地，因湖區(qū)開發(fā)和圍湖造田受到破壞，故該區(qū)域具有良好的人工濕地恢復條件。

2.2 工程設計參數(shù)

2.2.1 人工濕地面積及規(guī)模 工程占地146 hm2，通過市截污導流工程管道引進市污水處理廠排放的一級A中水，最大處理規(guī)模5.5×104m3/d（設計1月份濕地不進水）。

2.2.2 進出水水質設計 根據(jù)老運河流域的水文特點及污染情況，選定CODCr和NH3-N兩個主因子進行工程設計。設計進水為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，出水為《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類水質標準。

2.3 工藝流程設計

充分發(fā)揮各類人工濕地處理工藝的獨特優(yōu)勢（張迎穎, 2009; 袁云松, 2006; 王鳳平, 2016），并考慮土地現(xiàn)狀、冬季運行、蚊蠅滋生、與周邊太白湖景區(qū)景觀的協(xié)調等（蘇祥, 2012; 蔡佩英,2008），確定采用復合潛流+表面流+生態(tài)穩(wěn)定塘的組合工藝。濟寧市污水處理廠出水經泵站加壓后，通過市截污導流工程管道進入人工濕地，再通過布水涵管進入南、北復合潛流處理區(qū)，依次通過下行潛流、上行潛流、水平潛流，經強化處理達到景觀環(huán)境用水水質，分別進入南、北表面流濕地進一步凈化。隨后，再進入南、北生態(tài)穩(wěn)定塘，顆粒物自然沉降。南區(qū)生態(tài)穩(wěn)定塘出水通過倒虹管，跨越老運河與北區(qū)生態(tài)穩(wěn)定塘匯合，最終北區(qū)生態(tài)穩(wěn)定塘出水達到地表水Ⅲ類標準，再排入老運河，最后進入南四湖（圖1）。

圖1 老運河入湖口人工濕地工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of Old Canal Estuary Constructed Wetland

2.4 主要單元設計

2.4.1 復合潛流處理區(qū) 復合潛流處理區(qū)位于老運河濟寧段下游西側及太白湖東北側，由南、北兩區(qū)共16個處理單元并聯(lián)運行，每個處理單元依次由下行潛流、上行潛流、水平潛流子單元串聯(lián)。

設計參數(shù)：總面積14.5 hm2，共16個處理單元，每個處理單元144 m（東西長）×50 m（南北寬），設計處理水量5.5×104m3/d，總停留時間為1.5～2.5 d。垂直潛流水力負荷2.8×104m3/(hm2·d), 水平潛流水力負荷 68.8×104m3/(hm2·d)，CODCr去除負荷143.5 g/(hm2·d), NH3-N去除負荷19.1 g/(hm2·d)。布水集水均采用穿孔UPE管，設置放空系統(tǒng)，以便檢修維護及1月的暫停運行。設置超越管，使來水通過復合潛流處理區(qū)直接進入表面流處理區(qū)。

（1）下行潛流。每個子單元尺寸25 m(長）×50 m(寬)×1.8 m，進出水高差1.15 m，填料至上而下依次為粒徑4～8 mm的碎石300 mm、8～16 mm的礫石900 mm、4～8 mm的碎石300 mm、倒梯形填料溝200 mm，外壩及分隔壩邊坡系數(shù)均為1:1.5（圖2a)。

表2 植物配置方案Table 2 Plant allocation scheme

圖2 復合潛流濕地填料剖面圖Fig.2 Vertical profile of filler in composite subsurface flow wetland

（2）上行潛流。除8～16 mm的礫石層厚度為800 mm外，上行潛流子單元的大小、填料種類、布置方式、邊坡系數(shù)均與下行潛流子單元相同，出進水高差1.05 m（圖2b）。

（3）水平潛流。每個子單元尺寸94 m（長）×50 m（寬）×1.0 m，進出水高差0.65 m，入水端至出水端依次鋪設粒徑4～8 mm的碎石150 cm、8～16 mm的礫石91 m、4～8 mm的碎石150 cm，外壩及分隔壩邊坡系數(shù)1:1.5（圖2c)。

2.4.2 表面流處理區(qū) 表面流處理區(qū)分南、北兩區(qū)，分別位于復合潛流處理區(qū)的南、北兩側，總面積64.5 hm2。

設計參數(shù)：南、北每區(qū)各由2組4級表面流并聯(lián)組成，水深0.3～0.5 m，地勢低洼部分不超過1.5 m，水力負荷12 m3/(hm2·d)，CODCr去除負荷6.68 g/(hm2·d) ，NH3-N 去除負荷 0.42 g/(hm2·d)。

2.4.3 生態(tài)穩(wěn)定塘 生態(tài)穩(wěn)定塘分為南、北兩區(qū)，分別位于南區(qū)表面流的南側和北區(qū)表面流的東、北兩側，面積共計67 hm2，水深1.2～2.5 m，岸邊水深1.0～1.5 m，種植挺水植物、浮葉植物。

2.5 植物配置方案

根據(jù)水深、植物耐污性、抗寒性、根系發(fā)達程度、生態(tài)安全性、經濟價值、美觀等選擇植物種類（朱世殊, 2015; 王磊, 2007; 殷嘵樂, 2016）（表2）。復合潛流處理區(qū)的植物主要為根系發(fā)達、對污水凈化能力強的植物，如蘆葦、香蒲、菖蒲等，這些植物還能將氧氣傳輸至根區(qū)，與周圍的原生動物、微生物等形成特殊的根際微生態(tài)環(huán)境。表面流處理區(qū)在保護恢復原有濕地植物的基礎上，搭配種植挺水植物、浮葉植物、沉水植物，優(yōu)化植物水平配置與垂直配置。人工濕地共栽植各類水生植物40余種，500余萬株。

圖3 2010-2017年3#監(jiān)測點CODCr和NH3-N的含量變化Fig.3 CODCr and NH3-N annual concentration changes of 3# monitoring point from 2010 to 2017

3 人工濕地運行效果

人工濕地工程于2010年11月開始建設，對地表附屬物進行了清理、遷占，在魚塘、水塘、臺田、湖灘地、湖濱淺水區(qū)進行了清淤、土方調整、填料鋪設等，2012年5月通水運行。目前，人工濕地各處理區(qū)運轉正常，植物生長狀況良好。

在濟寧市污水處理廠出水口（1#監(jiān)測點）、濕地總出水口（2#監(jiān)測點）設置兩個監(jiān)測點，2013年1-12月，1#監(jiān)測點CODCr、NH3-N含量分別為36.8 mg/L、2.04 mg/L，2#監(jiān)測點CODCr、NH3-N含量分別為19.1 mg/L、0.92 mg/L，老運河入湖口人工濕地CODCr、NH3-N的去除率分別達48%、55%，人工濕地出水水質達到地表水Ⅲ類標準。

在濕地總出水口下游500 m處的老運河濟寧段河道內設置3#監(jiān)測點，該點位直至南四湖入湖口處無其他水匯入。從3#監(jiān)測點CODCr、NH3-N的含量變化可以看出，2012年工程運行后，老運河濟寧段下游CODCr、NH3-N的含量逐年下降，并從2015年開始達到地表Ⅲ類水標準（圖3）。

4 結論

利用老運河入湖口現(xiàn)場地形建設人工濕地，用復合潛流+表面流+生態(tài)穩(wěn)定塘的組合工藝，對湖灘地、魚塘、坑塘、臺田、湖濱淺水區(qū)進行清淤、退耕還濕、土方調整及潛流、表流濕地建設，攔截濟寧市污水處理廠外排中水，中水經凈化處理后再排入老運河，有效減輕了老運河濟寧段的污染負荷，對保障老運河濟寧段水質達標起到了關鍵作用。

老運河人工濕地工程實現(xiàn)了濕地的生態(tài)效益、經濟效益和社會效益。濕地植被恢復工程實施后，老運河自然濕地景觀得到了改善，為水禽、魚類提供了棲息地和食物來源，東方白鸛、中華秋沙鴨等大量珍稀鳥類陸續(xù)棲息，濕地植物種類由13科19種增加到19科33種，物種多樣性顯著提高。大面積種植蓮藕、茭白、芡實等水生經濟植物，年收入可達305萬元。老運河人工濕地與太白湖景區(qū)的深入融合，每年可吸引游客20余萬人次，旅游年收入達300余萬元。濕地功能的恢復和環(huán)境改善得到了民眾的認可，人與自然和諧發(fā)展的理念深入了人心。