浏阳市小溪河生态清洁小流域人工湿地建设研究

摘要 人工湿地是近几十年来发展起来的一种污水处理技术，让污水处理和生态环境相结合，在解决污水问题的同时美化环境，带来生态效益、景观效益。近年来，浏阳小溪河流域随着农村城镇化发展，大量农村生活污水以及繁重的农业活动产生的污染未经处理直接排放至自然水体，导致小溪河与其支流水体污染严重，水质下降。通过系统地对比水平表面流、水平潜流和垂直潜流3种形式人工湿地的优劣，结合小溪河流域自然条件和地形因素提出当地人工湿地治理模式，即水平表面流与垂直潜流2种模式相结合进行人工湿地建设。

关键词 小溪河；人工湿地；小流域；表面流；垂直潜流；湖南浏阳

中图分类号 X171.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）09-0252-03

Abstract Constructed wetland is a sewage treatment technology which combined sewage treatment with ecological environment developed in recent decades. It not only solves the sewage problem，beautify the environment，but also bring benefits on ecological and landscape. In recent years，along with the development of rural urbanization in the Liuyang Xiaoxi River basin，a large number of rural domestic sewage and heavy agricultural activities produce pollution without treatment directly discharged to the water，which leads to serious water pollution and water quality decline in the Xiaoxi River and its tributaries. Through systematic comparison of the advantages and disadvantages of three kinds of constructed wetland system which were horizontal surface flow，subsurface horizontal flow and vertica- flow，proposed the model of local artificial wetland management combined with the natural conditions and terrain factors in the Xiaoxi River basin，which meaned constructed wetland in the pattern of horizontal surface flow conbined with flow and vertical-flow.

Key words Xiaoxi River；artificial wetland；small watershed；surface flow；vertical- flow；Liuyang Hunan

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥控制性地分配到人工建造的区域，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的生物、化学、物理三重协同作用，从而达到对污水、污泥进行高效净化的一种技术[1]。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用[2]。

污水主要为污染物N、P、BOD、COD、动植物食用油和纤维素等，其中COD、BOD5、TN、TP的浓度分别可达到100～300、50～130、8～40、1～5 mg/L[3]。污水的有机污染物浓度较高，可生化性较强。

1 人工湿地构建

1.1 人工湿地类型

人工湿地按照污水在其湿地床的流经方式可分为3类，即垂直潜流人工湿地、表面流人工湿地、水平潜流人工湿地[4]。垂直潜流人工湿地是指污水从湿地填充料表面纵向自上而下的流过填充料到湿地底部，由于湿地底部始终处于不饱和状态，氧气较容易进入湿地内部[5]；表面流人工湿地是指污水从湿地基质表面流过，是最接近天然湿地的一种类型，通过植物根茎的吸收和生物膜去除水体中污染物；水平潜流式人工湿地是指待处理污水以流状态从湿地进口一段流向出口一端，充分利用植物根系及填充料去除污染物[6]。不同人工湿地类型与其相对应特征见表1。

1.2 人工湿地基质

湿地基质又称填料，是人工湿地中植物和微生物的生长载体，为水生植物提供根系支撑和生长所需营养物质，为微生物生长提供可依附表面[7]，主要是通过吸附、沉降、基质表面生物膜和微生物共同作用去除水体中污染物[8]。常见的基质种类有石块、砂粒、细砂、土壤、砾石，还有矿渣、煤渣和活性炭等[9]，近年来沸石、石灰石、明矾、陶瓷等[10]优秀性能材料被运用。

基质是影响人工湿地水力性能、植物生长和系统堵塞的重要因素[11]。不同基质对应不同污染性能，常见基质类型与其对应去除的污染物见表2。

1.3 人工湿地植物

湿地植物种类很多，其生长易收到基质、气候条件等因素的影响，植物吸收污染物的能力也随其生长与生理活动的状态产生变化[12]。人工湿地植物根据其不同生长形态分为挺水植物、浮叶植物、沉水植物3种类型，不同植物对污染物的净化能力不同。陈永华等[13]对长沙的17种湿地植物建立了净化综合评价体系，结果显示，芦苇、千屈菜、美人蕉等有较强的净化能力，同时表明不同地域使用相同植物对植物的净化能力是有差别的，植物配置需要因地制宜。目前国内外最常用的湿地植物是芦苇、香蒲和灯心草。

在人工湿地净化污水过程中植物的作用机理可以归纳为3个方面：直接对污水中可利用的营养物质进行吸收，对富集重金属和有毒有害物质进行吸附；增强和维持介质的水力传输[14]；为基质中好氧微生物输送氧气，分泌多种有机复合物，为微生物提供碳源[15]。

2 试验区人工湿地建设

2.1 研究区概况

小溪河位于湖南浏阳市东部，上游承接长沙市、浏阳市水源地株树桥水库，下游与大溪河汇集形成浏阳河水域主体河流。流域主体属于浏阳市高坪镇，涉及株树桥村、石湾村、高坪社区、向阳村、杨潭村、桃花村。小溪河小流域总面积为47.47 km2，现有的小溪河长度27 km，干流水域面积2.11 km2，分布6条支流，主要水流来源为上游株树桥水库以及流域内的山林、农田汇水。在生态清洁小流域综合治理中，根据小溪河的实际情况布设2处人工湿地对污染较为严重的水体进行净化，分别位于浏阳河第一湾和桃花村中洲岛处支流。

2.2 人工湿地规划

2.2.1 设计规模。根据《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ20015―2010），按照农作物灌溉用水量、农田治污面积、设计污水量、人工湿地设计水量、表面水利符合等数据设计确定人工设计面积。

试验区范围内除小溪河水体外还有6条溪沟汇入河流主体，其中浏阳河第一湾和桃花村中洲岛2处汇水口水量较大、水质污染较为严重，需要设立人工湿地对水质进行净化处理。根据水口流量长期观测结果，结合区域群众日常生产生活实际情况综合分析推算，确定中洲岛人工湿地的处理规模为300 m3/d，第一湾人工湿地处理规模为400 m3/d，均采用水平表面流型和垂直潜流型组合工艺方式处理方案。项目设计以中洲岛处人工湿地为计算标准。

2.2.2 设计原则。对河水中的污染物进行分析比较，结合要求达到处理后排放水水质标准，提出技术先进、工艺可靠、经济合理的工艺方案[16]；处理工艺力求达到高效、节能，技术先进、操作简便，占地面积少，施工方便；以水土保持法、环保法规及相关规范、标准为依据，确保区域污水处理后达标排放[17]；工程设计应注重实际，保证灵活性和抗冲击性，提高对水质水量变化的适应性。

2.2.3 进水水质。试验区污水来源主要为农业生产废水和农村居民生活废水，按照城镇生活污水水质一般范围，可以认为小溪河流域农业生产生活污水水质状况如下：COD为115～360 mg/L，取150 mg/L；BOD为80～200 mg/L，取80 mg/L；SS为90～220 mg/L，取90 mg/L；NH3-N为5～10 mg/L，取5 mg/L；P为0.8～3.5 mg/L。设计日处理量为300 m3/d。其中，COD为化学需氧量（Chemical Oxygen Demand）；BOD为生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand）；SS为水质中悬浮物（Suspen-ded Substance）；NH3-N为氨氮含量。

2.2.4 出水水质。本项目农业生产生活污水最终出水进入小溪河河道，符合《地表水环境质量标准》（GB3838―2002）中Ⅳ类水体要求，因此人工湿地出水应为：COD 30 mg/L、BOD 6 mg/L、SS 30 mg/L、NH3-N 1.5 mg/L、P 0.3 mg/L。

2.2.5 设计参数。湿地面积计算公式：

As=[Q×（lnCo-lnCe）]/（Kt×d×n）（1）

式（1）中：As为湿地面积（m2）；Q为流量（m3/d）；Co为进水BOD（mg/L）；Ce为出水BOD（mg/L）；Kt为与温度相关的速率常数，Kt=1.014×（1.06）（T-20），T设定为25，则Kt=1.357；d为介质床的深度，取120 cm；n为介质的孔隙度，取0.4。

人工湿地面积计算成果：流量（Q）为300 m3，进水BOD（Co）80 mg/L，出水BOD（Ce）6 mg/L，速率常数（Kt）为1.357，介质床深（d）为1.2 m，介质孔隙度（n）为0.4，湿地面积（As）为1 193 m2。

经计算，项目区人工湿地面积需要1 193 m2，为了方便其他设施布置，人工湿地面积取1 300 m2，其中，垂直潜流湿地面积700 m2，表面流湿地面积600 m2。

2.2.6 结构设计。①进水系统应保证配水的均匀性，一般采用多孔管和三角堰等配水装置。进水管应当比湿地床高出0.5 m。湿地的出水系统一般根据对床中水位调节的要求，出水渠的末端砾石填料层底部设置穿孔集水管，并安装旋转弯头和控制阀门达到调节床内水位的目的。②填料的使用[18]。表面流湿地床由2层组成，表层土层厚0.4 m，砾石层铺设厚度0.2 m，总厚度0.5 m；潜流湿地床由3层组成，表层土层、中层砾石、下层碎石，钙含量在2.0～2.5 kg/100 kg为好；土层0.4 m，砾石层0.5 m，碎石层0.3 m，总厚度1.2 m，人工湿地填料主要组成、厚度及粒径分布见表3。③自流跌水曝气沟。介于垂直潜流湿地和水平表流湿地间，落差0.8～1.2 m之间，沟为梯形断面，C15砼现浇沟，沟内抛石造景，为水生动物栖息繁育创造有利条件。

2.2.7 水生植物配置。水生植物可以分为以下3类[19]：挺水植物（常见的有芦苇、千屈菜、菖蒲、香蒲、水生美人蕉、灯心草等）、浮叶植物（睡莲、荷花、王莲等）、沉水植物（眼子菜、金鱼藻、菹草、黑藻等）。

陈永华等[20]对人工湿地植物的研究表明，芦苇、千屈菜、美人蕉等有较强的综合净化能力，芦苇、香蒲对N和有机质的去除效果显著，同时对比了单纯的炉渣或石灰石等基质对水体净化能力不如基质配合植物去污效果显著。李连发等[21]研究表明，植物直接吸收的N、P一般占总N、P的5%左右，但是植物有较强的间接吸收作用，植物根系的吸收贡献、植物根系与微生物和湿地基质的协同作用决定植物将作为污染吸收的主要配置。当前主流人工湿地植物配置见表4，浏阳河第一湾处人工湿地面积见表5。湿地剖面结构示意图见图1。

3 结语

小溪河生态清洁小流域的综合治理中，人工湿地是流域范围内农业生产生活和人居污染治理的最后一个环节，是在人为活动频繁的环境中保护净化流域水质的重要手段。流域范围内没有重污染工矿企业和大型养殖场，主要污染为农业面源污染和居民生活污染，污染程度正好能够满足人工湿地的净化能力，按照要求进行湿地布置和后期管护，应当长期监测污染治理效果和湿地状态，以便为湘东低山丘陵区的生态清洁小流域治理提供经验。

人工湿地作为一个半封闭、半开放的生态系统，良好的净化功能、低投资以及长效使用性，让其具有足够的研究和运用空间，它有其独立性，却又容易受到相邻环境干扰。目前人工湿地的研究还有诸多问题亟待解决。人工湿地植物作为湿地的重要组成部分，是区分与传统污水处理工艺的主要体现。但是超过6 000种湿地高等植物目前被运用于污水治理的还只是小部分，或许还有水质净化能力更突出的植物未被开发利用，导致工程应用的植物较少。人工湿地建设成本相对较低，但是也得注重后期管护，湿地堵塞是目前运行中的人工湿地都需要防治和解决的问题，从材料选取和设计工艺都还有待提高。人工湿地是近自然污水处理的工艺，相比于传统污水处理方式，它有优势，但是不及之处也很明显，例如占地面积大、设计工艺要求高、基质和植物搭配以及去污净化能力有限等问题，需要多开发人工湿地，但是对于重污染治理只能辅助治理不能超越其属性限制。

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