高州水庫人工濕地設計

杜歡歡，邱 靜，洪昌紅

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東 廣州 510635)

1 設計背景

高州水庫位于茂名市高州市東北部，距市區 26 km庫區集雨面積為1 003 km2，原設計總庫容為11.5億m3，除險加固后設計庫容為12.8億m3，是一座以灌溉、防洪、工業和城市生活供水為主，兼顧發電、航運等綜合利用的大(Ⅰ)型水利樞紐工程。水庫由石骨和良德2個庫區組成，2庫體均是由西南向東北沿河床呈不規則狹長掌狀分布，南北兩端通過1條長約0.7 km人工運河相連接；東西寬為10 km，南北長約18 km。

近些年，受水庫集雨區7個鎮，30多萬居民人口的生活生產污水污染、農業面源污染及水土流失等方面影響，高州水庫的水體富營養化逐漸嚴重。2009年與2010年連續2 a，水庫暴發藍藻水華生態災害，使水庫面臨巨大供水危機，嚴重威脅了下游地區的飲用水安全。因此，在水庫庫區人口密集處布置人工濕地，將生活污水截留，處理達標后排入水庫，可有效地改善水體富營養化狀況，緩解水庫因水質影響供水安全的現狀，對維護水庫生態健康和社會穩定起到至關重要的作用。本工程綜合考慮經費和土地權屬等問題，決定在車利根隊、龍頭隊、黎塘隊、茂坡隊和三角垌隊5處農場布置首批人工濕地(見圖1)，收集農場宿舍、食堂和辦公室的日常生活污水，將污水凈化達一級A標準后排入水庫，確保入庫水質，后期將根據運行效果在水庫推廣建設。

圖1 高州水庫人工濕地位置示意

2 設計原理

人工濕地技術具有投資少、無二次污染、能耗和運行費用低、適用范圍廣、美化景觀等優點[1]，這種原位生態治理技術已經被廣泛用于受污水體的修復之中，尤其適用于高州水庫農場這類小規模人口生產生活污水的處理。按照布水方式的不同，人工濕地分為表面流和潛流2種類型[2]。表面流人工濕地的污水在基質的上層流動，污水中絕大部分有機物由生長在植物水下莖桿上的生物膜去除，與自然濕地最為接近，這種濕地比較適合處理污染物濃度不高的水體。潛流人工濕地的污水在基質中流動，水面低于基質表面，呈潛流狀態，根據水體流動方向，又可分為水平潛流和垂直潛流。這種濕地一方面充分利用了基質表面生長的生物膜、豐富的植物根系及基質的截留作用，提高了處理效果和處理能力；另一方面由于水流一直在基質表面以下流動，避免了表面流濕地中的蚊蠅及臭味問題，并在一定程度上降低了濕地受溫度變化的影響[3-4](見表1所示)。

表1 不同類型人工濕地差異

3 工程設計

3.1 設計規模

據調查，目前高州水庫車利根隊、龍頭隊、黎塘隊、茂坡隊和三角垌隊5處農場各有農戶為30～40人，濕地設計人口為60～75人，以防止后期人口增加導致濕地超負荷運轉影響處理效果。其中，車利根隊設計人口為60人，生活污水排放量為180 L/(人·d)，排污系數取0.9，則設計污水處理量為9.72 m3/d；龍頭隊設計人口為75人，設計污水處理量為12.15 m3/d；黎塘隊設計人口為60人，設計污水處理量為9.72 m3/d；茂坡隊設計人口為70人，設計污水處理量為11.34 m3/d；三角垌隊設計人口為65人，設計污水處理量為10.53 m3/d(見表2)。

表2 人工濕地生活污水日處理量設計

3.2 處理工藝

高州水庫不同水期水位落差大，最大時可達10 m左右，人工濕地布置受地形的局限很大，考慮潛流人工濕地單位面積處理效率高，處理相同污水所需面積小，并且水平潛流人工濕地構造較垂直潛流人工濕地簡單，管理費用較低，維護相對容易，因此，本工程在5處農場均采用水平潛流人工濕地。生活污水收集至化糞池和直排庫區的污水管，通過管線引入預處理池，懸浮物在預處理池沉降，上層清液流入第1個集水池，而后經過人工濕地的脫磷除氮作用，再流入第2個集水池，最后排入高州水庫，出水水質達地表III類水標準，人工濕地處理流程圖如圖2所示。為避免化糞池來水中的粗大雜物進入濕地主體堵塞管道，本工程在預處理池放置1臺長寬高為0.5 m×0.5 m×1 m的格柵。預處理池和集水池上方均添加玻璃鋼蓋板，防止蚊蟲滋生及枯枝落葉掉入。

圖2 人工濕地處理流程示意

3.3 設計參數

人工濕地的參數設計需遵循《人工濕地污水處理工程技術規范》(HJ 2005—2010)《人工濕地污水處理技術導則》和《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)，具體參數要求見表3～5。

表3 人工濕地系統進水水質要求 mg/L

表4 主要設計參數

表5 主要污染負荷設計參數

1)濕地面積設計

根據國家住房和城鄉建設部標準定額研究所編制的《人工濕地污水處理技術導則》，在占地面積不受限制時，人工濕地面積按BOD5有機負荷進行設計計算，復核氨氮和總磷有機污染負荷和水力負荷參數；若按BOD5有機負荷設計面積不合理，則分別按氨氮和總磷有機污染負荷進行計算，復核其余參數合理性，確定最終設計面積。

表面有機負荷計算公式如下：

(1)

式中A為人工濕地面積，m2；Q為人工濕地設計水量，m3/d；C0為人工濕地進水污染物濃度，mg/L；C1為人工濕地出水污染物濃度，mg/L；qos為表面污染負荷，kg/(m2·d)。

按照水力負荷進行面積復核，水力負荷計算公式如下：

(2)

式中qhs為表面水力負荷，m3/(m2·d)；Q為人工濕地設計水量，m3/d；A為人工濕地面積，m2。

水力停留時間計算公式如下：

(3)

式中t為水力停留時間，d；V為人工濕地基質在自然狀態下的體積，包括基質實體及其開口、閉口空隙，m3；ε為孔隙率，%。

以車利根隊人工濕地為例，潛流人工濕地處理水量為9.72 m3。人工濕地要求進水BOD5濃度小于等于80 mg/L，因農場雨污合流，進水濃度通常滿足此要求，為保證濕地出水效果，進水區濃度設計為80 mg/L，出水濃度按照地表III類水標準設計為4 mg/L；以此類推，氨氮進水濃度設計為25 mg/L，出水濃度設計為1 mg/L；總磷進水濃度設計為5 mg/L，出水濃度設計為0.05 mg/L。

按照BOD5表面負荷取9 g/(m2·d)，則潛流人工濕地面積為：

A1=9.72×(80-4)/9=82.08 m2。

按照氨氮表面負荷取3 g/(m2·d)，則潛流人工濕地面積為：

按照總磷表面負荷取0.4 g/(m2·d)，則潛流人工濕地面積為：

取計算較大者，即120.29 m2作為設計潛流人工濕地設計面積，考慮濕地的長寬比設計，潛流人工濕地設計面積定為122 m2。復核水力負荷為0.08 m3/(m2·d)，滿足規范小于0.5 m3/(m2·d)的要求；復核水力停留時間為2.81 d，滿足規范1～3 d的要求。根據此種方法，計算出龍頭隊、黎塘隊、茂坡隊、三角垌隊的濕地面積分別為151 m2、122 m2、141 m2、131 m2。

2)幾何尺寸設計

根據設計規范要求，潛流人工濕地的單池面積不超過800 m2，水深控制宜在0.4～1.6 m，長寬比宜控制在3:1以下，池底坡度宜控制在0.5%～1.0%。人工濕地的填料太淺會導致水力停留時間過短，植物根系與污水的反應時間不足，填料太深又易形成死水區，因此，本設計5處水平潛流人工濕地填料深度均取0.8 m，長寬比均為2:1，孔隙率控制在28%，水力坡度設計為1%。車利根和黎塘隊人工濕地設計面積為122 m2，填料池體積為97.6 m3，池體長度設計為15.6 m，寬度為7.8 m；龍頭隊人工濕地設計面積為151 m2，填料池體積為120.8 m3，池體長度設計為17.4 m，寬度為8.7 m；茂坡隊人工濕地設計面積為141 m2，填料池體積為112.8 m3，池體長度設計為16.8 m，寬度為8.4 m；三角垌隊人工濕地設計面積為131 m2，填料池體積為104.8 m3，池體長度設計為16.2 m，寬度為8.1 m。

3)濕地植物選型

人工濕地宜選用耐污能力強、根系發達、去污效果好、具有抗凍及抗病蟲害能力、有一定經濟價值、容易管理的本土植物，通常選擇多種挺水植物作為優勢種搭配栽種，以增加植物的多樣性并具有景觀效果[5]。挺水植物根據根系分布深淺及分布范圍，分為深根叢生、深根散生、淺根叢生和淺根散生4種類型。潛流人工濕地宜使用深根叢生、深根散生型的植物以達到更好的污水處理效果，本工程選擇種植美人蕉、蘆葦、燈心草、旱傘草和水蔥5種植物。

4)濕地基質

考慮高州水庫庫區位置偏遠，取材及成本有限，本工程基質采用傳統的礫石、粗砂和細砂，基質設計深度為0.8 m，沿著水流方向粒徑從大到小鋪設。以車利根隊為例(如圖3所示)，人工濕地的進水區，基質粒徑為12～16 mm的礫石，水平鋪設3 m；其他依次為粒徑為8～16 mm礫石，水平鋪設3 m；粒徑為5～10 mm礫石，水平鋪設4 m；粒徑為0.2～6 mm無泥粗砂，水平鋪設4 m；在出水區，為防止基質粒徑過小堵塞出水口，鋪設粒徑為8～16 mm礫石1.6 m。其他4處人工濕地基質布置見表6所示。

圖3 水平潛流人工濕地剖面示意

表6 人工濕地水平潛流基質布置

5)防滲設計

根據高州水庫當地的地質條件，保證污水不外滲污染水庫，人工濕地底部和側面均進行防滲處理。底部采用450 g/m2的PE防滲膜，厚度為0.5～1.0 mm，兩邊襯土工布，以降低植物根系和紫外線對薄膜的影響。

6)進出水設計

本工程采用無動力人工濕地，即農場宿舍、食堂、辦公室日常生活污水由管道從化糞池和排水口引出，依靠管線沿程高差設置，以重力流方式進入人工濕地，在人工濕地內部利用水力坡度讓凈化后的污水自然排出。人工濕地管線普遍采用對防腐、防滲要求較高且管徑相對較小的HDPE雙壁波紋管材，并通過穿孔管、配(集)水管等裝置實現集配水的均勻。污水由DN100主管從第1個集水池流出，再通過DN100穿孔配水支管進入水平潛流人工濕地，穿孔管水平間距為1 m，開孔間距為100 mm，孔徑為φ10 mm支管孔方向平行于坡面，以保證出水呈水平方向，管中心距填料頂部為50 mm，凈化后的污水匯集到濕地底部的出水管，出水管布置在人工濕地下端的底部，設計出水管為DN100，管中心距填料底部部為50 mm，出水管的水流經第2個集水池收集后再排入水庫?？赏ㄟ^進水管和出水管的高程變化調節污水在人工濕地內部的水位，人工濕地進出水設計如圖4～5所示。

圖4 水平潛流人工濕地流向剖面示意

1.進水區 2.凈化區 3.進水管 4穿孔管

7)管理和維護

首先，根據暴雨、干旱等天氣情況進行水位調節，防止出現進水端壅水和出水端淹沒現象；其次，人工濕地栽種植物后即需充水，為促進植物根系發育，初期應進行水位調節；再次，為防止人工濕地基質堵塞可適當采用間歇運行方式或局部更換基質；最后，人工濕地水位檢測需1周1次，水質檢測需1月1次，植物密度檢查1 a 1次。

4 結語

人工濕地是高州水庫小型農場分散式污染源治理的最佳措施之一，本文對不同類型人工濕地的特點進行了對比，對車利根隊、龍頭隊、黎塘隊、茂坡隊和三角垌隊5處人工濕地工程設計參數的確定進行了分析和探討，該設計方案已通過專家評審，目前正在施工過程中，可為人工濕地技術在分散式污水處理中的應用及推廣提供參考。