我國部分大城市水質(zhì)富營養(yǎng)化現(xiàn)象淺析

我國部分大城市水質(zhì)富營養(yǎng)化現(xiàn)象淺析

城市居民區(qū)的水體不足，外部環(huán)境流動相對較快。在一定條件下，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象更加明顯。一般來說，需要大量水資源來保持社區(qū)景觀環(huán)境的效果，運營成本高。人工濕地凈化技術(shù)采用生物凈化方式可實現(xiàn)分級凈化污水、改善景觀水質(zhì),低成本、高效率降低水體富營養(yǎng)化程度,并使水質(zhì)長期保持清澈和潔凈狀態(tài)(圖01)。1潮時深水不超過6.6水域濕地是指陸地上常年或季節(jié)性積水和土壤過濕的地區(qū),并與其生長、棲息的生物物種構(gòu)成獨特的生態(tài)系統(tǒng),包括天然或人工、長久或暫時的沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶,帶有靜止或流動、咸水或淡水、半咸水水體,低潮時水深不超過6m的水域。濕地不僅僅是我們傳統(tǒng)認(rèn)識上的沼澤,灘涂,還包括部分河流、湖泊、魚塘、水庫和稻田等。人工濕地技術(shù)大致包括自由表面流濕地和潛流人工濕地,自由表面流濕地占地面積大、水力負(fù)荷小、氧氣含量不足,系統(tǒng)運行受氣候影響大,而潛流人工濕地的水力負(fù)荷和污染負(fù)荷大,對降低BOD5(5日生化需氧量)、COD(化學(xué)需氧量)、SS(懸浮物)效果好,且少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象。居住區(qū)人工濕地多采用潛流人工濕地,由人工建造和控制,以四大基本要素即水體、基質(zhì)、水生植物和微生物組成,通過基質(zhì)、水生植物、微生物以及三者之間的一系列物理、化學(xué)、生物的作用,完成對污染物的高效去除過程,形成獨特的生態(tài)環(huán)境。2碧湖云溪人工濕地的應(yīng)用2.1其他用水的水質(zhì)受天氣條件的影響,國內(nèi)一些地區(qū)城市的水環(huán)境普遍存在水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象,水質(zhì)下降并散發(fā)難聞氣味,通常采用補充水源或更換水體的方式改善水環(huán)境,據(jù)資料顯示,以城市飲用水作為景觀用水的水源,若換水量在300m3以上,景觀換水沒有了經(jīng)濟意義;若換水量在5000m3以上,采取更換水體更無現(xiàn)實意義。碧湖云溪居住小區(qū)水容量約為3600m3,是一個與外界沒有聯(lián)系的封閉水系,整體水環(huán)境生態(tài)閾值偏小,隨著居住區(qū)投入使用,水質(zhì)富營養(yǎng)化程度將明顯增加,因而考慮采用人工濕地技術(shù)提高生態(tài)閾值。2.2菌床、淺和底泥系統(tǒng)碧湖云溪位于合肥市,總用地面積為28hm2,內(nèi)有4個自然水系,項目分3期建設(shè),此次設(shè)計范圍為第1期建設(shè)用地,用地面積約8hm2,地形為西南高、東北低的緩坡,水系面積5000m2、水量為3600m3、平均水深0.7m,比較適合運用人工生態(tài)濕地技術(shù)。小區(qū)保留了湖區(qū)自然地形,利用水泵多次循環(huán)調(diào)水形成流動水環(huán)境,設(shè)置位于水底的菌床系統(tǒng)(由微生物和基質(zhì)構(gòu)成)降解水中有機污染物,種植抗污能力強、吸附效果好的水生植物,吸附和分解N、P等難溶有機物,通過基質(zhì)—微生物—植物這個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)調(diào)來實現(xiàn)對廢水的高效凈化(圖02)。碧湖云溪人工濕地水系由基質(zhì),菌床、淺灘和底泥等四個系統(tǒng)構(gòu)成(圖03)。菌床系統(tǒng)1位于小溪的上游和中游部分,水深較淺,水流速度相對平緩,設(shè)計長度100m,鋪設(shè)20cm卵石生物填料(圖04);菌床系統(tǒng)2位于小溪的下游部分,設(shè)計長度50m,寬度3m,卵石生物填料厚度1m,采用卵石或者塊石分3層鋪設(shè);淺石灘面積為菌床系統(tǒng)1的0.5倍,是菌床系統(tǒng)2面積的6倍,與底泥交接處自然過渡(圖05);底泥系統(tǒng)采用多年荒蕪且有一定肥力的水稻土,通過生物作用達(dá)到良好的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)水系水質(zhì)條件和水流流速要求,設(shè)計了相應(yīng)的人工濕地基質(zhì)參數(shù),規(guī)定了基質(zhì)大小和基質(zhì)縫隙,以滿足菌床系統(tǒng)的過濾凈化要求(表01)。2.3水體凈化設(shè)計潛流人工濕地技術(shù)要求水體在水下基質(zhì)縫隙間緩慢流動,以實現(xiàn)潛流凈化目的,景觀園林設(shè)計過程中結(jié)合這些相關(guān)技術(shù)要求,在水溪沿線建造若干堰壩,使水體經(jīng)堰壩鋼絲網(wǎng)下潛流動,經(jīng)水下菌床吸附和過濾作用后,完成凈化過程(圖06-07)。結(jié)合跌級瀑布或通過水中汀步設(shè)計,多種形式使水體連續(xù)數(shù)次完成潛流過程,并實現(xiàn)多級過濾凈化和曝氣充氧,提高水體質(zhì)量(圖08)。在雨季時,啟用水位的調(diào)節(jié)閥門以增加存水容量,通過提高閥門存儲收集雨水,將雨水運用于水系的主要水源。雨水為小區(qū)節(jié)約了大量的水資源和管理成本,使小區(qū)在枯水季節(jié)有足夠水量維持景觀水景效果,調(diào)節(jié)和改善的小氣候環(huán)境,增加水中魚類活動范圍和擴大食物來源。從景觀效果來看,提高岸線的做法,利用高低不同的水面,可形成出多樣的、有趣的岸線景觀(圖09-10)。2.4低水位預(yù)處理和自然濕地相比,碧湖云溪水系是一個與外界缺少循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱、需要人為輔助管理的水循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)水系條帶狀形式,水循環(huán)采用了串聯(lián)式形制,即在低水位區(qū)域設(shè)置入水口,水體被調(diào)往上游高水位區(qū)域后,以景觀涌泉曝氣充氧作為出水形式,在微重力狀態(tài)下向下游淺灘系統(tǒng)和泥塘系統(tǒng)區(qū)域流動,完成在低水位調(diào)水,高水位潛流過濾過程,多次調(diào)水作用,水質(zhì)逐步由渾濁變清澈(圖11)。結(jié)合景觀溪流和瀑布的水形和水聲效果,考慮以5天一次水凈化的周期,計算水流量為30m3/h,因景觀設(shè)計日夜流量的差別,循環(huán)泵工作實際流量為70m3/h,從現(xiàn)場景觀效果和濕地運營來看,水流設(shè)計可滿足凈化要求。2.5底泥系統(tǒng)設(shè)計水生植物在生長過程中能吸收污水中的無機氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),污水中氨氮可以被植物直接攝取,合成植物有機氮;污水中的有機氮通過系統(tǒng)中微生物來降解;無機磷在植物吸收及同化作用下可轉(zhuǎn)化為植物的ATP、DNA、PNA等有機成分,最終通過植物的收割而從濕地系統(tǒng)中去除。水生植物對凈化水體有明顯作用,但相對人工濕地技術(shù)而言,由于存在水流因素影響,其設(shè)計與普通水景有所區(qū)別。碧湖云溪水系把水生植物的抗污染特性作為主要評價指標(biāo),結(jié)合植物的光合作用、蒸騰作用、吸收污染物特性等測定指標(biāo),選擇適應(yīng)水流作用的水生植物種類,以形成抗性較強的植物群落和水質(zhì)分級凈化的復(fù)層植物群落。底泥系統(tǒng)是整個濕地水系中最深部分,重點選用了水鱉科、金魚藻科、茨藻科和眼子菜科等類別植物,這些植物能適應(yīng)水體流速,對吸收水中的重金屬離子,降低水體的COD值效果明顯。底泥周圍的淺石灘附近的進水口處,選用了黑藻(Hydrillaverticillata)、苦草(Andrographispaniculata)、馬來眼子菜(Potamogetonmalaianus)等能適應(yīng)較強流速水環(huán)境等植物;而貍藻(Utriculariavulgaris)、茨藻(Najasmarina)、小茨藻(Najasminor)、菹草(Potamogetoncrispus)等沉水植物則更加適合于靜水或者緩流環(huán)境(圖12)。除了水流因素外,水溫和光照面積是影響菌床凈化效果的條件之一,碧湖云溪菌床平均水深為20cm,夏季和冬季氣溫差別比較大,為避免水溫影響凈化效果,通過采取控制濕地植物垂直投影遮蔭面積達(dá)到調(diào)節(jié)水體溫度的方式,保證菌床菌種生長。結(jié)合垂柳(S.babylonica)、毛白楊(Populustomentosa)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、落羽松(Glyptostrobuspensilis)等岸邊喜水植物,和美人蕉(Cannaindica)、鳶尾(Iristectorum)等水陸兩棲的濕地植物,以及挺水、浮水、沉水植物形成從陸地到水中的復(fù)層植物群落(圖13)。相對于水生植物而言,陸生植物對濕地水體水質(zhì)變化的敏感程度較低,設(shè)計時則以抗性強的鄉(xiāng)土樹種為主,結(jié)合抗污性強的新優(yōu)植物,達(dá)到適度粗放管理的要求,提高植物成活率,并有效降低綠化養(yǎng)護成本,在后期運營過程中還加入動物養(yǎng)殖,在水中放養(yǎng)魚、蝦等動物。從現(xiàn)場效果來看,人工濕地水系模擬自然水環(huán)境取得預(yù)期效果,栽種的水生植物生長茂盛,季相搭配合理,挺水植物、浮水植物、沉水植物形態(tài)特點明顯,居民普遍對水生植物滿意度很高。3潛流水處理效果人工濕地系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)凈化處理效率需2～3個生長周期,碧湖云溪人工濕地技術(shù)投入使用至今已有3年,在進水濃度較低的條件下,人工濕地對BOD5的去除率可達(dá)85%—95%,COD去除率可達(dá)80%以上,處理后水樣本的BOD5的濃度在10mg/l左右,SS小于20mg/l,水中大部分有機物作為異樣微生物的有機養(yǎng)分,最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2、H2O,可達(dá)到國家城市景觀水質(zhì)五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(圖14),采用人工濕地潛流技術(shù)具體解決了下面幾個問題:(1)水清問題,運用人工濕地技術(shù)模擬自然水景生態(tài)系統(tǒng),提高水體抗污染荷載能力,可使水體長期保持清澈和無異味的狀態(tài);(2)水美問題,通過養(yǎng)種水生動植物(如魚蝦、水草等),營造多樣有趣的水景景觀;(3)維護問題,人工濕地生態(tài)系統(tǒng)具有高效凈化、高效過濾和自我恢復(fù)能力,在一定的污染荷載下,可以保證水質(zhì)長期穩(wěn)定,日常維護成本低。4人工濕地技術(shù)中面臨的幾個問題節(jié)約用水將是我國社會發(fā)展的主題,隨著國家有關(guān)城市景觀水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的出臺和景觀用水規(guī)范的實施,人工濕地技術(shù)已逐漸為人們所重視,并開始運用到城市相關(guān)設(shè)計中,潛流型人工濕地處理城市居住區(qū)景觀水環(huán)境處理有許多優(yōu)點,但要推廣應(yīng)用尚存在一些不足,包括以下幾個方面:(1)土地問題:以往經(jīng)驗表明,人工濕地處理1m3生活污水需要占地5-10m2。即使是水污染程度較低的景觀水凈化處理,土地實際需要量仍然很大,潛流型人工濕地技術(shù)僅適合用于占地面積較大、容積率較低的水體凈化項目,高效菌種的研究有待提高。(2)凈化問題:人工濕地技術(shù)難以去除污水中的氯化物、高濃度氮氨、色度