■周 玮，朱 鹏 ■武汉工程大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430073

1 引言

湖泊是地表水载体，城市内湖作为“城市之肾”，对净化城市水源具有重要的作用。据统计，我国75%的湖泊、90%的城市河流和50%的地下水都受到不同程度的污染。［1］中心城区内湖泊富营养化问题日趋严重，主要表现在湖泊萎缩、水量锐减、水质恶化(多为V 类甚至劣V 类)、景观效果严重削弱等。

黄石市境内湖泊众多，仅中心城区就拥有磁湖、青山湖两大天然湖泊，形成“半城山色半城湖”的独特景观。其中磁湖是黄石市城区最主要水体，被列为湖北省的环保重点区域，以其命名的磁湖风景区是省级风景名胜区。黄石在国内较早开始现代工业化进程。在建国初期，钢铁、水泥就已经成为2 大支柱产业。［2］进入21 世纪后，黄石的工业化进程更加迅速，工业废水也急剧增加。人口的增加、商业的繁荣使得居民生活污水排放量也急剧增加。2009 年3 月，黄石市被确定为中国资源枯竭型城市，城市转型发展迫在眉睫。然而磁湖水环境的逐渐严重制约了黄石市的发展转型，因此改善磁湖的水质污染问题具有重大意义。

磁湖作为城区内湖具有相对封闭的景观、周边建筑密度与人口密度都较大、工程用地极少、湖内的淤积严重，因此采取以湖内水生植被恢复与水生态系统重建为核心、以湖滨生态工程为主的工程措施来有效的改善水质是最优措施。

2 磁湖的基本情况

2.1 磁湖的污染概况

磁湖的面积为10.5km2，平均水深1.75m，平水期湖泊容积为1748万m3，具有水浅、流动性差、底泥污染严重等城市浅水型湖泊的共同特点。［3］根据水环境功能区划，磁湖的使用功能为观光游览、防洪调蓄、生态调节、水上运动，属Ⅲ类水体。磁湖综合水质为V 类，现已不能达到相应水质要求。超标项目有总磷、总氮、溶解氧、石油类、和五日生化需氧量等五项，其中总磷、五日生化需氧量的超标率分别为100%、85.7%，湖水水质呈现中度富营养化，具体的水污染物浓度见表1(1 号监测点为理工学院对面湖区、2 号监测点为李家坊立交桥下的湖区、3 号监测点为桂花广场湖区、4 号监测点为团城山公园湖区、5 号为泉塘湖区)。鉴于水体污染情况严重，且湖体位于市中心，湖水的水质情况会直接影响城市的生态景观，甚至会影响人们的生活质量，所以现在解决水体污染问题是政府部门及环境保护部门的首要任务。

表1 2013年磁湖各监测点污染浓度现状值

2.2 磁湖水环境存在的主要环境问题

2.2.1 水体污染严重

由于黄石市市区人口增加，消费水平提高，无形之中增加了生活废水的复杂程度。并且重工业发展较快，工业废水中重金属含量较高。再者污水处理厂处理水平有限，严重影响了出水水质，处理未达标的工业废水、生活污水和雨水径流直接入湖，导致湖泊污染日趋严重。［4］

2.2.2 湖泊面积缩小，防洪调蓄能力变小

磁湖位于城市中心地带，为了便利交通在湖中心地带填出一条路(杭州路)把湖一分两半，减小湖泊面积，严重地影响了磁湖原有的稳定性及水体的自净能力。近年人们围湖用于养鱼种植的行为日渐增多，对湖泊的蓄水能力影响很大。加之近年洪涝灾害情况频繁，极洪致涝使得湖泊的部分区域接近干涸。

2.2.3 过度使用水资源，水环境容量变小，水体自身的自净能力变弱

由于20 世纪80 年代黄石市大力发展钢铁行业，大量的不达标甚至未处理的工业废水、生活污水和地表径流雨水进入湖泊，完全超出了磁湖自有的水环境容量，磁湖水体已经丧失了纳污能力。恶劣的水环境导致许多生物在湖中无法生存，降低了湖泊生态系统的生物多样性。

3 人工湿地技术的简介

3.1 人工湿地的概念

人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，它是一种由人工建造和监督控制的类似沼泽的地面，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。人工湿地作为一种常用的生态处理技术，具有效率高、投资及能耗低、维护简单的特点，可以适应低浓度污染物去除的要求，将人工湿地处理系统作为常规生物处理工艺的补充，能够最大限度地削减受纳水体的污染物负荷。

绝大多数人工湿地是由三个部分构成的:(1)透水性基质:选择砾石、沸石、卵石、石灰石、土壤等基质，分级填配;(2)适于在饱和水和厌氧机制中生长的湿地植物:成活率高、处理性能好、抗水性强、根系发达、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物，如芦苇、茳芏等;(3)微生物:微生物是降解水体中的微生物的主力军，好样微生物将污水中的有机物氧化成二氧化碳和水，厌氧细菌将水体中的污染物质分解成二氧化碳和甲烷。

3.2 人工湿地主要污染物净化原理

3.2.1 BOD5 的去除

主要靠微生物的吸附与代谢作用，微生物将污水中的一部分有机物合成新的细胞，另一部分有机物分解后被微生物细胞合成自身生长所需的能量，其最终产物是CO2 和H2O 等稳定物质，所以人工湿地对BOD5 的去除率较高，可达85%～95%。

3.2.2 TP 的去除

人工湿地对磷的去除是通过微生物的积累、植物的吸收和碎石床的物理化学等几方面的协调作用共同完成的。无机磷被植物吸收并同化合成ATP、DNA 和RNA 等有机成分，另外湿地中存在的微生物也能同化吸收磷，将其合成微生物生长所必须的成分。一般情况下，人工湿地对TP 的去除率达70%～80%。

3.2.3 TN 的去除

污水中的氮一般以有机氮和氨氮形式存在，有机氮在人工湿地系统中被异养微生物首先转化为氨氮，而氨氮在硝化菌的作用下被转化为无机的亚硝态氮和硝态氮，而后一部分可被植物吸收，另一部分在厌氧条件下，通过反硝化菌的作用从系统中溢出。高水力负荷、水力同流时间短的人工湿地系统，一般没有厌氧条件，所以相当一部分氮仍留在系统水中。所以，人工湿地去除TN 能力不高，一般为30%～50%。

3.3 人工湿地的分类

人工湿地按污水在湿地床中流动的方式可分为地表流人工湿地、潜流人工湿地。

地表流人工湿地在地表湿地系统中，污水在湿地的表面流动，水位较浅，多在0.1～0.6m，其与自然湿地最为接近，污水中的绝大部分有机物的去除是由长在植物水下茎秆的生物膜来完成，这种湿地不能充分利用填料及丰富的植物根系，易孳生蚊蝇。在冬季或北方地区易发生表面结冰问题及系统的处理效果受温差变化影响大的问题，因而在实际工程中应用较少。

在潜流人工湿地中，污水在湿地床的内部流动，可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截流等的作用，以提高其处理效果，潜流人工湿地可以处理较高负荷的废水。在潜流湿地系统的运行过程中，污水经配水系统在湿地的一端均匀地进入填料床植物的根区，水位保持在基质表面之下。湿地植物具有非常发达的根系，可以深入到土表以下的0.6～0.7m 的砾石层中，并交织成网与砾石一起构成一个透水性良好的系统。一般情况下，这种人工湿地的出水水质优于传统的二级生物处理。

潜流系统又可设计为平流或垂直流。水平潜流人工湿地的水力负荷高，对BOD、COD、SS、重金属等污染物的去除效果好，且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象，是日前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统。垂直流人工湿地中污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统，该系统的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。其缺点是对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统。

通过分析各种人工湿地的优缺点以及磁湖水体有机物含量高的特点，选用水平潜流人工湿地作为本文探讨的人工湿地系统。对于潜流人工湿地，其长宽比应控制在3:1 以下，大多为1:1。湿地的长度一般为20～50m，长度过长以造成湿地床中的死区，而且会使水位调节变得困难，不利于植物的栽培。目前人工湿地水力负荷在0.2～0.5m3/(m2.d)。

3.4 人工湿地实际应用案例

武汉汉阳区桃花岛示范区采用水平潜流人工湿地，对桃花岛区域地表径流及墨水湖湖水进行处理。水平潜流人工湿地对各污染物的去除率分别为(%):COD、60.7～64.8;TP、73.4～75.6;TN、43.2～48.4;BOD5，58.6～60.8;NH3 -N，50.2～53.9。

4 磁湖人工湿地生态修复模式探讨

本次可行性研究中选用水平潜流人工湿地系统作为净化湖泊水体的主要生态修复模式。人工湿地的设计流量为Q=10000m3/d，处理目标达到III 类水质标准。处理工艺流程为:水循环系统抽取湖水→布水系统→一级生物处理池→一级碎石床→二级生物池→二级碎石床→出水进入磁湖。由于磁湖的南半湖水质较北半湖较差，故把人工湿地的地点选在南半湖李家坊附近。

平面流人工湿地参数:湿地面积由As=5.2Q(In{So-Se})计算得出(4)。其中As 为湿地床表面积(m2);Q 为湿地系统的设计流量(m3/d);So、Se 分别为BOD5 的进、出口浓度(mg/L)。

人工湿地填料要求通透性好、比表面积大，具有较好的吸附能力，增加对各种有机物的吸收，以及为各种微生物提供更多的繁殖空间。通常可选取土壤、碎石、砾石、煤块、细沙、粗砂等一种或几种的混合物作为人工湿地系统的填料。

人工湿地的植物在人工湿地系统中占重要的地位，植物可直接吸收利用污水中的污染物作为供自身生长的营养物质;同时可通过光合作用为根区的好氧微生物输送氧气;此外还能与周围环境的原生动物、微生物等形成各种小环境，增强和维持介质的水力传输。潜流型人工湿地中使用的植物主要有香蒲、芦苇、灯芯草等。人工湿地剖面图如图1:

图1 潜流人工湿地刨面图

根据前述公式，代入BOD5 进、出水浓度分别为6.107mg/L、4mg/L(地表水Ⅲ类水体限值)，得出人工湿地系统总面积为38753.79m2，为便于设计取40000m2，则人工湿地水力负荷约为0.25m3/(m2.d)。湖泊的容积为1748 万m3，即完全净化一遍湖泊水体需58 个月，考虑到工程布置方便、有利于景观设计、便于调度运行，采用8 个5000m2的人工湿地系统单元组合，每个5000m2的人工湿地单元设计参数如表2:

表2 人工湿地单元设计参数

人工湿地隔水墙采用M6.5 水泥砂浆砌块石，集水池采用M6.5 水泥砂浆砌筑，用1:2 水泥砂浆抹缝。生物塘和植物碎石床底部铺设GCL 防水垫，上覆300mm 填土保护层，并采用人工压实。碎石回填碎石粒径要求为一级碎石:长90mm，宽50mm;二级碎石床:长60mm，宽40mm。湖水通过水循环系统经过人工湿地系统出水预测浓度可达到地表水环境质量标准Ⅲ类标准限值。磁湖人工湿地预期运行效果如表3 所示:

表3 磁湖人工湿地运行效果

根据桃花岛人工湿地对各种污染物的去除率，可以得出拟建立的磁湖人工湿地对磁湖湖水进行处理可以达到地表水环境质量标准(GB3838 -2002)中III 类水体对各种污染物的浓度限值。

5 结论

磁湖水体综合水质为V 类水体，水体呈中度富营养化，鉴于磁湖所处的地理位置及其周边环境可建立人工湿地以改善此现状并增强湖泊的景观功能。通过比较地表流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地的优缺点，选用去除有机物效果较好的平流潜流人工湿地作为此次可行性研究的湿地模型。拟建立40000m2的潜流人工湿地对湖水进行循环净化，每天可净化10000m2湖水，湖水经过人工湿地的物理、化学、生物三重协调作用之后，出水各污染物浓度均可达到地表水环境质量Ⅲ类水质标准限值。

［1］侯新.基于景观的水体生态修复模式设计——以重庆市内子口水库为例［J］.南方农业学报，2012，43(7):995 -999.

［2］黄石市城市污水专项规划(2008 -2020).

［3］肖文胜，秦永宏，盖希光，郭建林.引江入湖修复城市内湖生态环境—以磁湖为例［J］.环境科学与技术，2009(11).

［4］年夫喜，孙国荣，张祥菊.黄石市磁湖水生态系统保护与修复的初步研究［J］.水利建设与管理，2011(9).