我国部分大城市水质富营养化现象浅析

我国部分大城市水质富营养化现象浅析

城市居民区的水体不足，外部环境流动相对较快。在一定条件下，水体富营养化现象更加明显。一般来说，需要大量水资源来保持社区景观环境的效果，运营成本高。人工湿地净化技术采用生物净化方式可实现分级净化污水、改善景观水质,低成本、高效率降低水体富营养化程度,并使水质长期保持清澈和洁净状态(图01)。1潮时深水不超过6.6水域湿地是指陆地上常年或季节性积水和土壤过湿的地区,并与其生长、栖息的生物物种构成独特的生态系统,包括天然或人工、长久或暂时的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带,带有静止或流动、咸水或淡水、半咸水水体,低潮时水深不超过6m的水域。湿地不仅仅是我们传统认识上的沼泽,滩涂,还包括部分河流、湖泊、鱼塘、水库和稻田等。人工湿地技术大致包括自由表面流湿地和潜流人工湿地,自由表面流湿地占地面积大、水力负荷小、氧气含量不足,系统运行受气候影响大,而潜流人工湿地的水力负荷和污染负荷大,对降低BOD5(5日生化需氧量)、COD(化学需氧量)、SS(悬浮物)效果好,且少有恶臭和孳生蚊蝇现象。居住区人工湿地多采用潜流人工湿地,由人工建造和控制,以四大基本要素即水体、基质、水生植物和微生物组成,通过基质、水生植物、微生物以及三者之间的一系列物理、化学、生物的作用,完成对污染物的高效去除过程,形成独特的生态环境。2碧湖云溪人工湿地的应用2.1其他用水的水质受天气条件的影响,国内一些地区城市的水环境普遍存在水体富营养化现象,水质下降并散发难闻气味,通常采用补充水源或更换水体的方式改善水环境,据资料显示,以城市饮用水作为景观用水的水源,若换水量在300m³以上,景观换水没有了经济意义;若换水量在5000m³以上,采取更换水体更无现实意义。碧湖云溪居住小区水容量约为3600m³,是一个与外界没有联系的封闭水系,整体水环境生态阈值偏小,随着居住区投入使用,水质富营养化程度将明显增加,因而考虑采用人工湿地技术提高生态阈值。2.2菌床、浅和底泥系统碧湖云溪位于合肥市,总用地面积为28hm2,内有4个自然水系,项目分3期建设,此次设计范围为第1期建设用地,用地面积约8hm2,地形为西南高、东北低的缓坡,水系面积5000m²、水量为3600m³、平均水深0.7m,比较适合运用人工生态湿地技术。小区保留了湖区自然地形,利用水泵多次循环调水形成流动水环境,设置位于水底的菌床系统(由微生物和基质构成)降解水中有机污染物,种植抗污能力强、吸附效果好的水生植物,吸附和分解N、P等难溶有机物,通过基质—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物三重协调来实现对废水的高效净化(图02)。碧湖云溪人工湿地水系由基质,菌床、浅滩和底泥等四个系统构成(图03)。菌床系统1位于小溪的上游和中游部分,水深较浅,水流速度相对平缓,设计长度100m,铺设20cm卵石生物填料(图04);菌床系统2位于小溪的下游部分,设计长度50m,宽度3m,卵石生物填料厚度1m,采用卵石或者块石分3层铺设;浅石滩面积为菌床系统1的0.5倍,是菌床系统2面积的6倍,与底泥交接处自然过渡(图05);底泥系统采用多年荒芜且有一定肥力的水稻土,通过生物作用达到良好的水质标准。根据水系水质条件和水流流速要求,设计了相应的人工湿地基质参数,规定了基质大小和基质缝隙,以满足菌床系统的过滤净化要求(表01)。2.3水体净化设计潜流人工湿地技术要求水体在水下基质缝隙间缓慢流动,以实现潜流净化目的,景观园林设计过程中结合这些相关技术要求,在水溪沿线建造若干堰坝,使水体经堰坝钢丝网下潜流动,经水下菌床吸附和过滤作用后,完成净化过程(图06-07)。结合跌级瀑布或通过水中汀步设计,多种形式使水体连续数次完成潜流过程,并实现多级过滤净化和曝气充氧,提高水体质量(图08)。在雨季时,启用水位的调节阀门以增加存水容量,通过提高阀门存储收集雨水,将雨水运用于水系的主要水源。雨水为小区节约了大量的水资源和管理成本,使小区在枯水季节有足够水量维持景观水景效果,调节和改善的小气候环境,增加水中鱼类活动范围和扩大食物来源。从景观效果来看,提高岸线的做法,利用高低不同的水面,可形成出多样的、有趣的岸线景观(图09-10)。2.4低水位预处理和自然湿地相比,碧湖云溪水系是一个与外界缺少循环、生态系统比较脆弱、需要人为辅助管理的水循环系统。根据水系条带状形式,水循环采用了串联式形制,即在低水位区域设置入水口,水体被调往上游高水位区域后,以景观涌泉曝气充氧作为出水形式,在微重力状态下向下游浅滩系统和泥塘系统区域流动,完成在低水位调水,高水位潜流过滤过程,多次调水作用,水质逐步由浑浊变清澈(图11)。结合景观溪流和瀑布的水形和水声效果,考虑以5天一次水净化的周期,计算水流量为30m³/h,因景观设计日夜流量的差别,循环泵工作实际流量为70m³/h,从现场景观效果和湿地运营来看,水流设计可满足净化要求。2.5底泥系统设计水生植物在生长过程中能吸收污水中的无机氮、磷等营养物质,污水中氨氮可以被植物直接摄取,合成植物有机氮;污水中的有机氮通过系统中微生物来降解;无机磷在植物吸收及同化作用下可转化为植物的ATP、DNA、PNA等有机成分,最终通过植物的收割而从湿地系统中去除。水生植物对净化水体有明显作用,但相对人工湿地技术而言,由于存在水流因素影响,其设计与普通水景有所区别。碧湖云溪水系把水生植物的抗污染特性作为主要评价指标,结合植物的光合作用、蒸腾作用、吸收污染物特性等测定指标,选择适应水流作用的水生植物种类,以形成抗性较强的植物群落和水质分级净化的复层植物群落。底泥系统是整个湿地水系中最深部分,重点选用了水鳖科、金鱼藻科、茨藻科和眼子菜科等类别植物,这些植物能适应水体流速,对吸收水中的重金属离子,降低水体的COD值效果明显。底泥周围的浅石滩附近的进水口处,选用了黑藻(Hydrillaverticillata)、苦草(Andrographispaniculata)、马来眼子菜(Potamogetonmalaianus)等能适应较强流速水环境等植物;而狸藻(Utriculariavulgaris)、茨藻(Najasmarina)、小茨藻(Najasminor)、菹草(Potamogetoncrispus)等沉水植物则更加适合于静水或者缓流环境(图12)。除了水流因素外,水温和光照面积是影响菌床净化效果的条件之一,碧湖云溪菌床平均水深为20cm,夏季和冬季气温差别比较大,为避免水温影响净化效果,通过采取控制湿地植物垂直投影遮荫面积达到调节水体温度的方式,保证菌床菌种生长。结合垂柳(S.babylonica)、毛白杨(Populustomentosa)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、落羽松(Glyptostrobuspensilis)等岸边喜水植物,和美人蕉(Cannaindica)、鸢尾(Iristectorum)等水陆两栖的湿地植物,以及挺水、浮水、沉水植物形成从陆地到水中的复层植物群落(图13)。相对于水生植物而言,陆生植物对湿地水体水质变化的敏感程度较低,设计时则以抗性强的乡土树种为主,结合抗污性强的新优植物,达到适度粗放管理的要求,提高植物成活率,并有效降低绿化养护成本,在后期运营过程中还加入动物养殖,在水中放养鱼、虾等动物。从现场效果来看,人工湿地水系模拟自然水环境取得预期效果,栽种的水生植物生长茂盛,季相搭配合理,挺水植物、浮水植物、沉水植物形态特点明显,居民普遍对水生植物满意度很高。3潜流水处理效果人工湿地系统达到最优净化处理效率需2～3个生长周期,碧湖云溪人工湿地技术投入使用至今已有3年,在进水浓度较低的条件下,人工湿地对BOD5的去除率可达85%—95%,COD去除率可达80%以上,处理后水样本的BOD5的浓度在10mg/l左右,SS小于20mg/l,水中大部分有机物作为异样微生物的有机养分,最终被转化为微生物体及CO2、H2O,可达到国家城市景观水质五类水质标准(图14),采用人工湿地潜流技术具体解决了下面几个问题:(1)水清问题,运用人工湿地技术模拟自然水景生态系统,提高水体抗污染荷载能力,可使水体长期保持清澈和无异味的状态;(2)水美问题,通过养种水生动植物(如鱼虾、水草等),营造多样有趣的水景景观;(3)维护问题,人工湿地生态系统具有高效净化、高效过滤和自我恢复能力,在一定的污染荷载下,可以保证水质长期稳定,日常维护成本低。4人工湿地技术中面临的几个问题节约用水将是我国社会发展的主题,随着国家有关城市景观水质标准的出台和景观用水规范的实施,人工湿地技术已逐渐为人们所重视,并开始运用到城市相关设计中,潜流型人工湿地处理城市居住区景观水环境处理有许多优点,但要推广应用尚存在一些不足,包括以下几个方面:(1)土地问题:以往经验表明,人工湿地处理1m³生活污水需要占地5-10m²。即使是水污染程度较低的景观水净化处理,土地实际需要量仍然很大,潜流型人工湿地技术仅适合用于占地面积较大、容积率较低的水体净化项目,高效菌种的研究有待提高。(2)净化问题:人工湿地技术难以去除污水中的氯化物、高浓度氮氨、色度