生态砾石床+ 碎石湿地在城市劣五类水体治理中的应用

狄文亮1 任丹1 冯军坡1 张国宇1，2* 孙莉英3

1 天润（山东）生态环境科技有限公司

2 哈尔滨工业大学（威海）

3 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程院重点实验室

狄文亮，任丹，冯军坡，等. 2024. 生态砾石床+ 碎石湿地在城市劣五类水体治理中的应用[J]. 湿地科学与管理, 20(2): 61-64.

为解决北方寒冷地区城市劣Ⅴ类河道的问题，采用“生态砾石床+ 碎石湿地系统”的组合工艺，将来水引入湿地进行净化。结果表明：该工艺对北方城市劣V 类水体处理效果明显，系统具有较强的耐冲击能力，可降低冬季气温对湿地运行的影响。

一、水量、水质设计

依据廊坊霸州市中亭河上游污水处理厂的设计水量，本项目湿地设计水量以11万m3/d计，结合污水处理厂出水水质、上游水体实际水质状况，本项目确定设计进水水质如下：COD≤70mg/L、NH3-N≤3.0mg/L、TP≤0.6mg/L；下游水体出境断面的水质指标应达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中规定的Ⅴ类水体标准，即：COD≤40mg/L、NH3-N≤2.0mg/L、TP≤0.4mg/L。

二、工艺流程

本工程采用生态砾石接触氧化法（人工材料接触氧化法）和水平潜流湿地相结合的处理工艺（图1）。在上游河水湿地入水口处设置拦截格栅，防止水中大体积悬浮物进入处理单元，引起系统堵塞，为控制进水流量，在入水口设置闸门。进水经布水渠进入生态砾石床进行生物处理，砾石床中的生物膜通过生物作用去除水中氨氮和COD，抗冲击负荷能力强（邴永鑫, 2020），同时起到过滤、沉淀作用，去除水中悬浮物，生态砾石床出水汇集后进入植物碎石床。通过植物碎石床的生物膜、水生植物等作用进一步去除水中污染物，出水经过收水渠汇集流入下游河道。汛期行洪时，可直接从上游水体的取水口排水至下游河渠。

三、湿地总体工程总平面及竖向设计

由于项目场地受限，将湿地系统分为河渠北岸和河渠南岸两个独立部分，其中，北岸进水占比为19%，即设计进水量2.09万m3/d（871m3/h）；南岸进水占比为81%，即设计进水量8.91万m3/d（371m3/h），进水量通过闸门和超声波流量计控制。原水通过重力管道引至生态砾石床单元（L1、L2），生态砾石床出水进入植物碎石床单元（S1～S5），植物碎石床出水通过排水总管进入下游水体（图2）。

四、湿地工程工艺单元设计

1. 生态砾石床设计

生态砾石床布置在中亭河水体附近，设计水量为11万m3/d，北岸和南岸分别设置生态砾石床，有效面积为8492m2。左侧L1生态砾石床面积2816m2，右侧L2生态砾石床面积5676m2。设计水力容积负荷为0.30m3/（m3/h），生态砾石床有效深度2.0m，生态砾石床有效容积16984m3，进水/收水方式为穿孔墙布水/收水，上进下出（图3）。

通过重力从上游水体引水至生态砾石床和植物碎石床处理系统。在进入生态砾石床处理系统前，设置取水闸门和超声波流量计来保证总水量。

原水首先进入取水口两侧的生态砾石床（L1～L2），生态砾石床出水流入植物碎石床的总配水管，为保证进入每个植物碎石床处理单元的水量与其面积大小大致相当且节约投资，在高程设计方面要保证进入同一组各个单元的进水在同一个水平高度上，同时在每个单元的进口处设置配水闸门，可通过调整配水闸门来调整进入每个单元的水量。

 

2.植物碎石床设计

植物碎石床设计水量为11万m3/d，设计水力表面负荷为2.4m3/（m2/d），植物碎石床同样位于上游水体附近，北岸和南岸分别设置植物碎石床（S1～S5），共设5块植物碎石床，有效面积为45860m2。植物碎石床碎石深度1.2m，植物碎石床碎石粒径20～30mm，进水/收水方式：PVC穿孔管布水/收水，上进下出（图4）。

植物碎石床共设有5个处理单元，在每个处理单元的出水口，设置出水调节阀，可通过调整出水调节闸板阀的高度来调整每个单元的出水水位，不必调整每个模块的穿孔出水管来调整，从而更加方便操作管理。

五、湿地内部细化设计

1.生物填料设计

生态砾石床工艺的主要特点在于其填料的特殊性，添加的二代辫带式生物填料（型号DB-I比表面积在5000～6500m2/m3）共计14960m3（填充率88%），二代辫带式填料具有强亲水性和良好污泥附着性能的特种纤维经机械加工织造而成。呈螺旋状，挂膜快、去除污染物能力强，部分污泥深入纤维丝内牢固附着，同时在附着力较弱的纤维外缘部。

因水流冲击和纤维丝线的摆动，部分污泥剥落，露出活性较高的污泥，从而加速生物代谢功能，加快生化需氧量（BOD）降解，促进新污泥的堆积，维持高效率的生物处理。纤维丝内中心部的污泥，因停留时间长，形成较长的生物链，污泥自身消化，减少污泥量。该填料形状保持能力强，抗水质波动能力强，具有高效的脱氮、除磷作用，能够完全替代传统的人工砾石。

2.湿地防堵设计

本项目考虑湿地填料的更换周期以及运行维护等因素，对生态砾石床及植物碎石床进行防堵设计。其中，湿地进水口设在河道中部，利用河道的沉淀作用避免砂子等大颗粒物进入生态砾石床和植物碎石床。生态砾石床采用人工填料，控制孔隙率为60左右，通过砾石床的过滤、降解作用，避免后续植物碎石床被堵塞；其次，加强植物碎石床的日常管理，及时拔除杂草、清除枯死的植物。

3.防雨、防洪设计

碎石床表面种植类地毯草，可防止雨水或者洪水中的悬浮物进入植物碎石床床体。植物碎石床设计雨水管，汇入植物碎石床的雨水通过雨水管排入周边沟渠；植物碎石床床底铺设土工膜（450g/m2），土工膜上面覆盖100mm厚粒径为15mm的碎石填料，一旦发生淤泥进入植物碎石床，方便人工清理。发生洪水时，关闭系统进水阀和出水阀，防止洪水进入系统。

六、北方湿地专项设计

1. 覆盖层设计

目前湿地覆盖层有植物覆盖、地膜覆盖以及其他覆盖方法。国内外学者也深入研究覆盖层对冬季北方湿地处理效率的影响，也有通过两种或几种方法结合使用，北方湿地设计覆盖层能提高湿地的污水处理效率（胡洪营, 2006）。本项目生态砾石床设有预制盖板覆盖层，盖板与水面之间的空气层可保证冬季不发生结冰现象，有50cm高度的空气间隙。考虑投资费用等经济因素，植物碎石床人工湿地采用芦苇作为覆盖层，为避免二次污染，第2年开春前清除覆盖物，保证湿地的运行稳定。

2.提高构筑物深度

冬季结冰时，植物碎石床通过控制水位增加构筑物深度，在植物碎石床表面结冰，在水面完全结冰后，然后降低水位，按5cm空气层+10cm冰层保护进行越冬，使湿地系统在冬季也可保持相对较高的水温。通过此方法能够使冰层以下水温维持在5℃以上。

3.植物配置

在北方区域选择湿地植物时，首先要考虑温度以及土壤因素，优先选择与北方自然环境具有极高契合度的植物。因水平潜流湿地水深较浅（≤10cm），本项目选用挺水植物作为湿地植物（和树庄, 2020），主要有芦苇、香蒲和千屈菜。

相比于其他挺水植物，芦苇对COD、BOD、TP等污染物均有较好的去除效果。芦苇和香蒲组合的硝化作用明显高于其他湿地植物，其次，香蒲对河道中低含量的氮磷表现出非常强的净化能力（郝明旭,2017），千屈菜具有环境效益及美化湿地等功能。

七、运行效果及分析

植物碎石床工程冬季的连续监测（2020年11月——2021年3月）表明：冬季出水COD为29.08mg/L，去除率为58%；出水氨氮为0.47mg/L，平均去除率73%；出水TP为0.39mg/L，去除率为27%。寒冷地区人工湿地通过保温优化设计和现场运营的越冬措施，能使北方地区的湿地在低温冬季环境中保持原有的处理能力。

本工艺对主要污染物均具有较好的去除效果，COD、氨氮和TP的去除率分别为59.54％、60.62％和33.43%，可见生态砾石床+植物碎石床湿地组合工艺在城市劣Ⅴ类河道处理方面具有较为显著的优势。本工程总投资4980万元，总计运行费用为257744元/a，折合每吨水运行费用为0.006元，与同种组合处理黑臭水体的运行费用基本相同（李靖,2021）。该项工程的实施预计每年削减COD的排放量为1204.50t，每年消减氨氮的排放量为40.15t，每年消减TP的排放量为8.03t，将使廊坊市河道的生态环境得到明显改善。工艺系统对COD、氨氮、TP的去除率见图5、图6、图7。

结语

采用“生态砾石床+碎石湿地”的组合工艺对劣Ⅴ类的北方城市河道水体展现出较好的处理效果。运行期间对COD、氨氮和TP的平均去除率分别为59.54％、60.62％和33.42%，出水水质优于地表水的Ⅴ类标准，促进交接断面水质达标，生态效益明显。本项目针对北方人工湿地冬季越冬处理效率低等问题，采取针对性的应对设计及运行管理，可有效改善湿地的运行效果及使用寿命，并为北方城市劣五类河道治理提供了参考