一种使用人工湿地净化污水的系统和净化自来水厂污染源水的系统方法

摘要

一种使用人工湿地净化污水的系统和使用人工湿地净化自来水厂污染源水的系统方法。涉及一种复合的人工湿地构建方法。在自来水厂进水口之前构建规模性的生态型水质净化湿地系统，包括预处理区、水位提升和曝气充氧区、湿地根孔生态净化区、深度净化区、达标引水区等多个功能区，其中在所述湿地根孔生态净化区中通过人工构筑湿地根孔的方法构建人造根孔与自然根孔相结合的净化系统。在该系统中采取由沟壕和植物床镶嵌组合的多级阶式湿地进行串联和并联相结合的形式。该方法日处理自来水厂源水20-24万吨，实现了主要水质指标提高一个等级的效果和多个方面的生态服务功能。本发明为同类型地区水源生态保护提供科学依据和示范样板。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合的使用人工湿地净化污水的系统，以及一种使用 人工湿地净化自来水厂污染源水的系统方法。

背景技术

近年来，由于区域水环境污染日益严重，水源地水质恶化，水源生态 系统退化，自来水厂的现有常规处理工艺往往难以适应当前源水污染状 况。因此，寻找一种简易、高效的污染源水预处理净化技术就十分必要。 人工湿地技术作为一种新型生态污水处理技术，具有投资省、运行简便、 处理效果稳定、出水水质好、生态风险小等特点，广泛应用于水污染控制 领域，特别是污水处理领域，有望在源水净化中获得应用。然而，传统的 人工湿地技术其填料介质更新较难、容易发生堵塞、单位面积/体积造价 相对较高，不宜在水源地污染净化中开展规模性的工程应用。

经过科技查新，从检出文献看，国内采用人工湿地技术处理各种废水 及原水的研究已经较多。研究内容涉及湿地植物根孔防治污染的功能及效 果分析(生态学报，2000，20(5)：869-874)，湿地跌水曝气参数研究(环境 保护科学，2008，34(5)：39-41)，湿地技术的应用研究(环境工程学报，2008， 2(11)：1447-1450；供水技术，2009，3(2)：44-46；中国给水排水，2009，25(5)： 48-51)。关于多级人工湿地结构的文献报道了多级串联湿地(中国给水排 水，2007，23(1)：88-91，96；生态环境学报，2009，18(1)：79-82)，阶式湿地(环 境污染治理技术与设备，2005，6(9)：54-57)。华南师范大学的专利涉及由上 而下重叠形成的阶梯状多级人工湿地床(公开(公告)号：CN1390787.公开 (公告)日：2003.01.15)。

国外一般采用自然湿地技术处理废水，人工湿地技术应用于水处理和 污染源水净化方面的研究较少。研究内容涉及人工湿地技术用于去除饮用 水中的氮(Ecological Engineering，2000，14(1-2)：33-47)，人工湿地植物根净 化地表水和废水(Water Science & Technology，1996，33(4-5)：309-313)，废水 处理和水回用(Recycling the Resource-Proceedings of the Second International Conference on Ecological Engineering for Wastewater Treatment， 5-6：367-369，1996)，雨水处理(Proceedings of the Sixth International Conference on Urban Storm Drainage，第1卷和第2卷：1068-1073，1993)。 关于湿地结构的文献报道如：韩国专利涉及倾斜多阶人工湿地、排水沟类 型的无动力人造湿地(专利号：KR2006112754-A；KR651054-B1；专利号： KR2005093597-A；KR561171-B1)。

综上所述，国内外文献中均未见有采用人造根孔和自然根孔相结合的 方法构建湿地净化系统及其工程应用的报道。国内外文献报道了多级阶式 湿地，通过各级之间的水位差实现水和土壤充分接触净化，但未见有采取 由沟壕和植物床镶嵌组合的阶式湿地进行多级串联和并联相结合的湿地 形式。

发明内容

为了克服现有的人工湿地技术其填料介质更新较难、容易发生堵塞、 单位面积/体积造价相对较高，不宜在水源地污染净化中开展规模性的工 程应用的不足，本发明提供一种以植物床-沟壕-根孔结构系统为核心的人 工湿地净化污水的系统，以及一种使用人工湿地净化自来水厂污染源水的 系统方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：对微污染的水源地，在 自来水厂进水口之前构建规模性的生态型水质净化湿地系统，系统由预处 理区、水位提升和曝气充氧区、湿地根孔生态净化区、深度净化区和达标 引水区等多个功能区组成；在所述湿地根孔生态净化区中采用人工构筑湿 地根孔的方法构建人造根孔与自然根孔相结合的净化系统；湿地根孔生态 净化区采取由沟壕和植物床镶嵌组合的多级阶式湿地进行串联和并联相 结合的形式；整个生态型水质净化湿地系统由预处理塘系统、水位提升和 曝气充氧系统、湿地根孔生态净化系统、湖区深度净化系统、达标引水系 统等多个子系统耦合组成梯级“汇”净化系统(“汇”是相对于源水污染 治理的“源”控制和“迁移途径”控制而言的末端控制环节)。生态型水 质净化湿地系统通过人造根孔和自然根孔之间的过渡和湿地根孔的不断 更新，实现湿地基质填料介质的自我更新，以水力调控为枢纽，通过调节 来适应微污染水源的供水，从而为区域供水安全提供保障。

本发明的有益效果是，在自来水厂之前构筑水源净化的多重屏障，有 效地解决了传统人工湿地填料介质更新较难、容易发生堵塞、单位面积/ 体积造价相对较高的不足，适宜在水源地污染净化中开展规模性的工程应 用；人工湿地保持了原来的城市绿地规划和功能，并且水塘、沟壕、湿地、 湖泊等增加了城市景观，形成绿草百花争艳、沟壕纵横交错、湖水碧波荡 漾的湿地公园，发挥着净化原水水质、贮水缓冲应急、绿地清新空气、为 很多物种提供栖息地、改善生物多样性、景观美化、形成市民休闲场地、 提升区域宜居舒适度等多重生态服务功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的工艺流程示意图。

图2是本发明的一个实施例的工程应用的总体平面图。

图3是本发明的另一个实施例的湿地植物床—沟壕—根孔结构系统和 闸口控制的剖面构造示意图。

图4是本发明的又一个实施例的湿地植物床—沟壕—根孔结构系统和 卡口设置的平面示意图。

图5是本发明的又一个实施例的湿地植物床—沟壕—根孔结构系统和 卡口设置的剖面构造示意图。

图6是本发明的又一个实施例的卡口设置和砾石床的平面示意图。

图7是本发明的又一个实施例的卡口设置和砾石床的剖面构造示意 图。

附图中主要标记符号：

1预处理区，2水位提升和曝气充氧区，3湿地根孔生态净化区，4深 度净化区，5达标引水区，6北郊河，7新塍塘，8义庄河，9320国道， 10东升西路，11昌盛路，12桥，13义庄河闸6m×1，14双水源闸4m×1， 15北郊河闸4m×1，16泵站边闸6m×1，17溢流堰边闸6m×1，18东升 桥闸6m×2，19北亭湖闸6m×1，20亭子桥闸，21预处理塘，22顶管接 收池，23沉淀池，24雁泾港，25清冽湖，26北亭湖，27南亭湖，28泵 站，29溢流堰，30管理房，31水位监测点，32水质监测点，33摄像机， 34大沟，35小沟，36湿地植物床，37闸口，38卡口，39堵头，40砾石 床。

具体实施方式

在具体实施例之前首先对本发明实施方式的总体情况进行阐述。

本发明提供一种使用人工湿地净化污水的系统，以及一种使用人工湿 地净化自来水厂污染源水的系统方法，针对微污染的水源地，在自来水厂 进水口之前构建规模性的生态型水质净化湿地系统，该系统包括预处理 区、水位提升和曝气充氧区、湿地根孔生态净化区、深度净化区和达标引 水区，采用水力调控等手段驱使水流逐次通过各功能区，以实现分区分步 净化的目标。人工湿地的各主要功能区及其功能如下：

①预处理区：由深水区和浅水区组成串联的塘系统。水流进入预处理 区后，由于过水面积突然扩大，水流流速降低，起到了沉砂和缓冲作用， 悬浮性固体颗粒物(SS)和油脂都可以减少，并阻挡垃圾和漂浮物进入湿 地。

②水位提升和曝气充氧区：通过水泵提升水位和两级跌水曝气，把水 提升达到湿地处理的功能水位，同时曝气使污染源水的溶解氧浓度提高， 部分氨氮挥发，使湿地水位每日经历两次提升和下落，增加湿地孔隙中水 和空气与土壤介质的界面流动，增强净化效能，为其他功能区的进一步净 化提供条件。

③湿地根孔生态净化区：本区由湿地植物床系统和大小沟壕系统进行 多级串联和并联组合而成。主要利用湿地植物、土壤根孔和土壤基质，在 湿地区水位变幅作用下，通过土壤吸附、截留、交替氧化还原、微生物降 解等措施，为多种生物提供了栖息繁育地从而培育生物多样性，使水质进 一步净化，氨氮等明显去除。

④深度净化区：由浅水区和深水区组成串联的湖系统。利用大面积水 体使固体悬浮物沉降，水质进一步得到净化和在此区稳定化，同时起到储 存水体、保障水厂供水安全、美化环境等作用。经过本区，可使SS减少， COD_Mn继续降低，并增加生物多样性。

⑤达标引水区：主要依靠砾石床、生物膜的深度净化和河道的自净功 能来净化和稳定湿地出水的水质，并从此区引水至水厂。

在上述各功能区均考虑到景观美化设计，除了从地形地貌上进行美学 设计外，在各功能区的边缘地带以及湿地与陆地相毗邻的缓冲区采用少量 的水生、湿生和陆生景观植物或花卉搭配构建。这些要素组成了人工湿地 的景观美化系统。

人工湿地的五个功能区之间是串联的，在每个湿地根孔生态净化区中 小沟和植物床彼此之间是并联的，大沟蜿蜒曲折，贯穿于湿地之中，大沟 与小沟或植物床之间是既有并联又有串联的，这主要取决于大沟在湿地中 所处的位置。这样的串并联相结合的优点主要在于增加湿地水和土壤接触 的边缘区面积，充分发挥湿地净化的边缘效应，在一个区内未得到完全净 化的水会流到下一个区进一步发生净化，从而使得湿地的总净化率得以显 著提升。湿地根孔生态净化区的主要构成单元——大沟、小沟、湿地植物 床的宽度分别为12-25m，3-10m，10-30m。这样的宽度范围有利于 水流在大沟、小沟之间的分配，以及水流在植物床根孔结构系统中的传输 和过滤。大沟、小沟组成了湿地的沟壕，沟壕和湿地植物床耦合，组成“植 物床—沟壕—根孔结构系统”。由大小沟壕等“洼陷”结构和植物床等“隆 起”结构组成一个空间上相连续和水力上相通连的镶嵌景观，其中纵横交 错的小沟和大沟等组成蜿蜒曲折的宏观水力传输系统，在植物床中的根孔 结构系统成为湿地的微观潜流过滤系统。二者相辅相成，共同承担着人工 湿地生态系统的生态净化功能。该技术中的大沟、小沟组合要有2-15组。 组数过少，不利于根孔区生态净化功能的实现；组数过多，在满足湿地净 化功能需求的同时，会增加湿地的建设成本。

本发明中的生态型水质净化湿地系统的核心创新技术是人工构筑湿 地根孔技术，即在植物床内构建了以人造根孔和自然根孔相结合的半潜流 湿地净化系统。人造根孔是将粗细秸秆按一定比例混合，埋入湿地地表下 0.2-1.5m的亚表层，让其自然腐烂形成人造根孔。在埋有秸秆的土地上 种植能形成自然根孔的水生和/或湿生植物，如芦苇、香蒲、菰等。人工湿 地构建初期导水以人造根孔为主，随着水生植物生长自然根孔逐渐成主 导。其优点为处理的水大部分通过根孔区，得到深度净化；随着新根孔的 不断生成，此构建的湿地可长期运行、不堵塞。新构建湿地根孔加速生成 的技术创新主要体现在：①“双结合”思路，即人工强化与诱导恢复相结 合，构造根孔与自然根孔相结合；②突破促使天然湿地净化功能在三年左 右时间内形成的关键技术。该技术的具体细节详见另外一个发明专利申 请：一种人工构筑湿地根孔的方法。

在人工湿地建设时从整个系统的前端至后端设计一定的梯级地势差， 通过水力调控，驱使水流逐次通过各个功能区。根据外河床水位的季节时 段变化调整湿地水力运行调度方案。湿地工程运行采用5种模式，分别为： 正常运行模式，高水位运行模式，自流运行模式，水质异常更换水体模式， 冬季维护运行模式。通过每日两次10-50cm的水位变幅，使水和土壤较 充分接触净化。在湿地中通过闸口控制、卡口设置和堵头阻隔等调控手段， 实现水分在根孔区的过流效应。具体为：在湿地中通过闸口的开闭或中间 状态来调节湿地水流从一个功能区到另一个功能区的过流时间和过流量， 并实现湿地的水位日变幅；通过在大沟中设置卡口，来调节湿地水流在大 沟和小沟之间的水量有效分配，其中大沟过水量占总水量的百分比为25 -40％；在湿地中多条平行的小沟和植物床结构的两端交替设置由砾石床 和不透水土工织物构建的堵头阻隔，堵头纵向宽度为1-6m；在闸口控制 和卡口设置的双重调控下，使湿地植物床两侧相邻小沟之间形成水位差， 通过大沟的水流调控把源水平均分配到高位小沟，然后通过植物床根孔流 向低位小沟。在湿地中采取跌水曝气、微孔曝气或风能曝气增氧等方式来 实现水体的充氧过程，使溶解氧浓度达到3-6mg/L。在饮用水源地具 有多水源供水的情况下，通过开关湿地中的不同入水闸口，实现湿地入水 水源的选择性，一旦某一水源出现水质安全等问题，即可开启另一水源或 备用水源。人工湿地本身可贮存较多水量，其中部分水量可以通过重力流 实现为水厂供水。如上游突发环境灾难，在外来水源不可用条件下，人工 湿地可贮存自来水厂24-96小时的城市供水备用原水，保持社会生产、 生活的稳定。在湿地进出口处，布设水位、溶解氧、pH和浊度等在线探 头，借助在线水样自动监控系统和控制室实时监控，为应对水质污染突发 事件提供宝贵的预警机制。

在人工湿地运行保障过程中实现了用生态方法抑制蓝藻水华和防治 病虫害的目标。源水经过湿地净化后其中污染物浓度减少，但氮磷浓度仍 高，水力停留时间最长为10天，蓝藻水华发生的最大风险可能发生在深 度净化区。通过采取湿地各分区环境差异性、沟壕捕获蓝藻技术、根孔过 滤藻种、深度净化区表层水停留时间缩短、植物浮床和漂浮植物遮光等综 合技术，实现了湿地中没有水华发生的目标。在水源净化湿地系统中如有 病虫害无法喷洒农药。用生物多样性相互制约技术使得湿地中不使用农药 仍保证无病虫害，两年来使病虫害根本不发生，湿地中没有蚊虫。通过在 湿地中选择种植不以叶为主、腐烂较慢的植物，秋季收割外运，避免植物 腐烂释放影响出水水质。在湿地中放养除草鱼以外的鱼种和螺蚌等软体动 物，放养动物必须是当地物种，整个养殖过程不投饵料。

实施例1

图2是本发明的实施例1，即一个代表性的水厂水源生态湿地治理工 程的总体平面图。该工程采用了本发明提出的使用人工湿地净化自来水厂 污染源水的系统方法。该项目利用城市楔形绿地，规划总面积2.59平方公 里(合3878亩)。整个项目包含河道生态修复区，湿地公园核心净化区与 湿地绿化景观区，以及科普实践区等部分，其中湿地公园核心净化区2138 亩，湿地绿化景观区1740亩。包括有：泵站281座；控制闸8座(出水 河道处6m×2倒卧门闸，泵站边、东区湿地与北亭湖之间及北郊河西预处 理区各设置1座规模6m×1倒卧门水闸，北郊河东、西各设置规模4m×1 直升门水闸，并在原顶管2个沉井上各增加1座4m×1直升门水闸)；溢 流堰291座；箱涵4处；改造水闸1座；管理用房3处。经计算，生态湿 地可贮存120万吨原水，其中可重力供流60万吨，目标水厂日需水量16 -24万吨。如遇特殊紧急情况，湿地可支持自来水厂60-90小时的城市 供水备用原水。

实施例1的生态湿地工程各单元的主要参数统计见下表1。

表1实施例1的生态湿地工程各单元主要参数统计表

  分区   面积   (亩)   单元   面积   (亩)   亚单元   面积   (亩)   归类   备注   北郊河以西   (西区)   406.0   预处理   塘   63.0   水域   预处理区   湿地根   孔区   250.0   植物床   154.3   水域   湿地根孔生态净化区   大沟   39.0   水域   湿地根孔生态净化区   小沟   56.7   水域   湿地根孔生态净化区   陆地   93.0   陆地   义庄河   30.6   水域   长度1.2km   北郊河以东   东升西路以北   (北区)   256.0   湿地根   孔区   90.9   植物床   34.0   水域   湿地根孔生态净化区   大沟   30.3   水域   湿地根孔生态净化区   小沟   26.6   水域   湿地根孔生态净化区   陆地   144.9   陆地   清冽湖   20.2   水域   北郊河以东   东升西路以南   主湿地区   (南区)   504.6   顶管接   收池   5.3   水域   水位提升和曝气充氧   区   沉淀池   6.6   水域   水位提升和曝气充氧   区   湿地根   孔区   264.0   植物床   115.7   水域   湿地根孔生态净化区   大沟   81.9   水域   湿地根孔生态净化区   小沟   66.4   水域   湿地根孔生态净化区   陆地   228.7   陆地   北郊河东   东升西路南   二湖区   (东区)   463.4   北亭湖   水面   99.3   水域   深度净化区   分区   面积   (亩)   单元   面积   (亩)   亚单元   面积   (亩)   归类   备注   南亭湖   水面   136.0   水域   深度净化区   陆地   228.1   陆地   新塍塘   107.8   水域   达标引水区   长度1.7km   合计   1768.4   水域：1073.7亩   陆地：694.7亩

在图2中，在正常水位和水质情况下，生态湿地的工艺流程为：新塍 塘7源水或北郊河6源水→义庄河8→预处理塘21→北郊河以西湿地根孔 生态净化区3→顶管→顶管接收池22→沉淀池23→溢流堰29→北郊河以 东东升西路以南湿地根孔生态净化区3→北郊河以东东升西路以北湿地根 孔生态净化区3→清冽湖25→北亭湖26→南亭湖27→达标引水区5→石臼 漾水厂。在此实施例中，根据工程区的地形地貌特点和水系分布等，在预 处理区与水位提升和曝气充氧区之间增加了湿地根孔生态净化区，依靠自 流方式使义庄河8的水首先流经北郊河以西湿地根孔生态净化区3，经过 此区初步净化后水质得到一定改善的湿地水再经过水位提升和曝气充氧 区的作用进入下一个湿地根孔生态净化区。本发明提出湿地根孔生态净化 区的个数的合理范围为1-10个。由于湿地根孔生态净化区是生态型水质 净化湿地系统的核心净化区，所以其个数至少为1个，但若个数过多，则 在满足湿地净化功能需求的同时，会增加湿地的建设成本。实施例1中湿 地根孔生态净化区的个数为3个。在遇到特殊紧急情况如源水水位降低或 发生水质污染事故，可以通过调控义庄河闸13、双水源闸14、北郊河闸 15等闸口的组合开闭来选择湿地进水水源，保证湿地正常运行。

实施例1的生态湿地工程日处理自来水厂源水20-24万吨。定期采 集湿地中不同位点的水样，使用便携式水质分析仪原位测定水体温度、溶 解氧(DO)、浊度等。样品低温保藏(4℃)并尽快运回实验室进行室内 分析。采用分光光度法、容量法等常规方法测定水中主要指标。为期一年 多的监测结果表明，经湿地净化，实现了源水水质指标COD_Mn、NH₃-N、 TP、总铁等提高一个类别(地表水环境质量标准GB 3838-2002)的效果。 根据运行以来的多方监测结果，NH₃-N、浊度、总锰、总铁、TP、TN的 日净化率(中位数)分别为：28.3％、41.6％、24.3％、42.5％、26.8％、 14.1％。湿地运行初期主要指标的具体处理效果见表2。

表2实施例1的湿地运行初期主要指标的处理效果

注：多重比较分析采用用于Windows 9.x的SAS系统(英文)(The SAS System for Windows 9.x(English))进行，结果中具有相同字母者表示湿地出 水和湿地入水指标差异不显著。

实施例2

图3示出本发明的实施例2，其中，自湿地入水一端至湿地出水一端 设计有一定的地势差。在保证水位提升和曝气充氧区2泵房的进水泵持续 运行的前提下，通过控制闸口37的方式造成湿地水位的周期性波动，从 而进一步提高湿地根孔生态净化区3的过流量和净化效率。具体工程措施 为：在泵房进水泵开始进水时，将闸口37关闭，以抬高根孔生态净化区 的水位，待水位提升达到30-40cm时开启闸口37；在根孔净化区水位下 降到2cm时关闭闸口37。如此周而复始，营造水位波动和湿地内部的水 位差，较大幅度提升根孔区的过流份额和过流总量，可以使得氨态氮等营 养物质得到有效去除。

实施例3

图4至图7示出本发明的实施例3，其中，通过大沟34局部所设置的 卡口38和小沟35两端交错排布的堵头39来联合控制湿地根孔生态净化 区3中湿地植物床—沟壕—根孔结构系统的过流量。在工程中设计大沟34 的主要目的是：①增加湿地水力可调控性；②作为小型船只的临时通道， 进行湿地区的巡检或保洁；③方便收获季节船只或人员的通行，对湿地植 物进行刈割，必要时捕捞湿地区的渔获物。采用工程手段实现大沟34局 部卡口38两侧的设计水位差。具体工程措施为：①在卡口38处增加一个 浮动式竹排，必要时用不锈钢框架对竹排进行加固；②启用卡口38下方 的叠梁门装置，将其提升至一定高度。两个方案都可以使得大沟34行船。 通过这样的措施在湿地根孔生态净化区3内各分区营造8-10cm的水位 差，使每个湿地植物床36两侧水位差大致控制在6-8cm，促使根孔区过 流量得到提高，并且方向恒定，不产生回流。采用在卡口38两侧铺设卵 石或砾石组成砾石床40的方式增加湿地中的浅滩。这样的方式可以有效 地削减卡口38处的水流冲刷，随着时间的推移，可以在砾石床40上形成 生物膜，增加水体净化功能，创造适宜底栖动物的生长环境。