净水技术|人工湿地理论在海绵城市建设系统中的应用

小编导读当海绵城市遇上人工湿地，会擦出怎样的火花？江苏河马井股份有限公司副总经理周敏宏深入剖析了人工湿地理论在海绵成城市建设系统中的应用。

随着城市化进程的不断深入，我国城市中的道路、桥梁、建筑物等不可渗透表面也随之高速增长，加之近年来，极端降雨事件的频发和气候变化现象的突出，导致原本可以渗透到土壤中的雨水现在只能在不可渗透的表面进行冲刷。降雨经过淋洗大气，冲刷路面、城市建筑物、城市废弃物进入地表水和地下水，加重城市水源的污染，从而影响水资源的可持续利用，加剧水资源短缺的危机。雨水径流属于非点源污染，具有较大的随机性、偶然性和广泛性。污染负荷时空变化幅度大，研究、控制和处理的难度也大。由雨水径流所引起的非点源污染已成为城市水环境污染的重要因素之一。1990年美国关于水体污染的调查表明，约30%地表水体的污染物超标是由非点源污染造成的，在已实现污水二级处理的城市，水体BOD5年负荷中的40%~80%来自雨水径流。我国雨水径流引起的污染问题也很严重。滇池流域的大青河暴雨期悬浮物浓度比平时均值高22倍，宝象河暴雨期最大悬浮物浓度是非暴雨期的108倍。雨水径流携带大量污染物排入城市水系也造成严重污染。据初步保守估算，城区雨水径流污染占水体污染负荷的比例，城市雨水径流污染负荷比例北京为14%，上海为22%左右。1城市初期雨水径流污染特性随着城市地面污染的加剧，雨水径流污染愈加严重。沥青油毡屋面、沥青混凝土道路、融雪剂、农药、 杀虫剂的使用均能使径流的雨水中含有大量的有机物、病原体、重金属、油等污染物，雨水的污染程度不容小觑。尤其是污染最为严重的初期雨水径流，降雨径流中所携带污染物几乎都集中在初期几毫米雨水中，其污染负荷远高于中后期雨水，若这部分径流直接排放，则会给地表水造成巨大污染。表1和表2分别为北京城区1998-2003年不同月份屋面和路面雨水径流的部分污染物监测结果。表1北京市城区建筑屋面雨水径流部分污染物质量浓度监测项目雨水初期雨水中期平均值（mg/L)变化系数平均值（mg/L)变化系数沥青油毡屋面瓦屋面沥青油毡屋面瓦屋面COD7002000.5-4.03281230.5-2.0SS8008000.5-3.01361360.5-2.0阴离子表面活性剂3.930.5-2.0Pb0.690.230.5-2.00.090.080.5-1.0Zn1.361.700.5-2.00.931.110.5-1.0酚0.050.5-2.0石油类8.030.4-2.0TP4.100.8-1.00.940.8-1.0TN9.800.8-4.09.800.8-1.5表2北京市城区路面雨水径流部分污染物质量浓度监测项目雨水初期雨水中期平均值（mg/L)变化系数平均值（mg/L)变化系数COD12200.5-3.05820.5-2.0SS19340.5-3.07340.5-2.0阴离子表面活性剂3.500.5-2.0Pb0.300.2-2.00.100.5-2.0Zn1.360.5-2.00.930.5-1.0酚0.060.5-2.0石油类65.30.1-2.0TP5.600.5-2.01.740.5-2.0TN13.00.5-5.011.20.5-2.0NH4-N7.900.8-1.52.400.5-1.5城区屋面、道路雨水径流污染与城市其他区域的面源污染特点一样，径流量随着降雨强度的变化而呈现快速正比变化，在降雨初期，随着地表径流的产生及不断增大，径流中的污染物浓度快速增高。至地表径流开始急剧增大时，污染物浓度达到最大值；径流接近或达到最大值时，污染物浓度开始或者已经显著下降。这一特性说明对城市初期地表径流进行处理是十分必要的。近年来，初期雨水的污染问题越来越受到国内外专家学者的重视。目前，美国和欧洲已经制定了一整套雨水收集、处理和管理的方法。而国内有关初期雨水的研究正成为一个热点。初期雨水处理工艺的选择与其本身的水质、兴建地方和回用目的息息相关。人工湿地在解决城市雨水径流有其独特的效果，具有调蓄水量、净化水质、美化环境等多方面的功效。加上其投资低、绿色节能、运行简易等内在优点，使得人工湿地在处理初期雨水方面得到了众多学者的关注。2人工湿地简析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、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，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、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。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。实际上就是对天然湿地结构的一种人为模拟，将雨水沉淀、过滤、净化、调蓄和生态景观功能作为基础而建造的由挺水和沉水植被、饱和基质、动物和水体等共同组成的一个复合体。而组合人工湿地则是指两个或两个以上的同种类型的人工湿地的组合，与单独的人工湿地相比较而言，组合人工湿地的出水更为稳定，对污水的处理效果更加显著，但是由于地域之间存在的较大的差异性，组合人工湿地在工艺构造上面也是不尽相同的；以污水在湿地床中的流动方式为划分依据，则主要包括了垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地和表面流人工湿地。除此之外，人工湿地还与生化工艺、自然处理工艺等形成了组合系统，在城市建设的应用中取得了较好的经济效益、社会效益和环境效益。

3组合人工湿地在海绵城市中的应用水质设计初期雨水径流进水水质是不可控的，为了有效地减轻后续处理工作的压力，在雨水进入湿地处理单元之前要对其进行必要的预处理和截污处理，例如在雨水进入湿地处理单元之前设置植草沟或湿塘，对其中存在的颗粒较大的有机物予以去除，其水质要根据城市当地多年的实测资料为参照物，并满足相关的规定要求。出水水质的控制主要包括以下三个方面：当湿地雨水处理系统的出水直接排入水体的时候，系统中的水力停留时间应不小于 30 min，且 SS 去除率要不小于60%；当蓄后雨水经过净化处理之后，出水中的 CODcr、SS 等污染物指标的含量要满足于相关的文件要求；当出水是用来进行回收利用的时候，其中的 CODcr、SS 等污染物指标的含量要符合《建筑与小区雨水利用工程技术规范》中的规定。工艺流程组合人工湿地雨水处理系统的工艺流程的制定要以进水水质和出水水质为根据，对组合人工湿地的特点和工程用地等环境条件进行全面地考量，其中主要包括了预处理单元、调蓄单元和处理单元。其中的预处理单元，是利用沉砂池和湿塘等对径流雨水进行一定的预处理；对于调蓄单元而言，一般采用的是调节塘和储水模块，这是湿地雨水处理系统中必须要具有的调蓄容积，以实现削减洪峰流量和径流总量；处理单元则是对径流雨水的污染物进行有效处理的一个重要环节，要根据实际的需要来选择植物和基质的组合。注意事项（1）雨水处理前置预处理的主要目的是沉淀雨水径流中颗粒较大的污染物，组合人工湿地对雨水处理的目标是不同的，要求湿地处理单元的进水 SS 值控制在 100 mg/L 以内；且人工湿地进水口的流速要小于 0.5 m/s，一方面有利于去除沉淀物，另一方面还避免对沉积物的扰动，而且还对处理单元中的植物起到了一定的保护作用。（2）植物选择 组合人工湿地的处理单元中对于植物的选择要尽量选用一些耐污能力强、去污效果好、根系发达、 抗病虫害能力强、容易管理的本土植物，并且要根据植物的实际生长特点来对水位进行控制；当湿地的出水直接排入河流和湖泊的时候要尽量选择挺水植物，将超高距离控制在 0.3～0.6 m 之间。组合人工湿地还可以选择多种植物来实现搭配栽种，以提高植物的多样性和景观效果。（3）基质选择 水质稳定是人工湿地的关键之所在，基质的选择会受到基质机械强度、孔隙率、稳定性和表面粗糙程度等因素的影响，潜流人工湿地基质层的初始孔隙率要控制在 35%～40%的范围当中，且其基质层的厚度应该大于植物根系所能达到的最深处；基质的选择要以就近取材为原则，对出水的氮、磷浓度有要求时应使用功能性的基质。例如，在对组合人工湿地的设计时可以采用工程和生态措施相结合的方式，在主水面上设计生态过滤池来对污水实现高效的净化。（4）生物保护 在对水土和植物进行规划保护的同时，也应要重视对动物和微生物的保护，从其生长的实际需求为出发点来进行设计。例如，对于鱼类的保护中要充分地考虑到冬季温度较低条件下的水禽类捕食问题，将原有的部分水域进行加深处理或者是投入体积较大的石块，使鱼类在深水区和石缝中过冬；另外，还可以在组合人工湿地中设计人工小岛来为禽类的繁衍提供场地。4结语综上所述，在城市化建设进程逐渐深入的现阶段，城市地表径流量的大幅度增加使得水系生态出现严重的恶化，水污染问题也加剧严重，对于城市的可持续发展构成了严重的威胁。“海绵城市”要求合理利用雨水，通过水循环来减轻洪涝积水等问题的出现，而组合人工湿地作为海绵城市水处理环节中的一项重要技术，其在实际的应用过程中要与原始地形地势条件相结合，利用植物来实现对污染的削减，对雨水资源实现多元化的利用，从而提升海绵城市的生态恢复能力，促进城市的健康发展。

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