上海梦清园生态净化工艺设计与研究

　　苏州河是黄浦江较大的支流，横贯上海市区，是上海重要的自然水体。由于历史原因，大量未经处理的工业废水和生活污水排入苏州河，造成苏州河的水体功能被严重损害，影响了上海市内环境和沿岸居民生活。上海市政府1998～2002年实施了苏州河环境综合整治一期工程，通过支流截流合污、综合调水、底泥疏浚、河道曝气和污水就地净化等措施，实现了干流消除黑臭、水质得到明显改善、水生生态系统出现转机的阶段性成果。为了巩固一期工程的整治成果，进一步恢复苏州河的生态功能，2003年起上海市政府又实施了苏州河环境综合整治二期工程。梦清园生态净化工程就是二期工程的重要组成部分。
　　梦清园位于上海中心城区普陀区，是上海首个集环保教育、规划展示、休闲为一体的大型亲水公园。梦清园生态净化工程从苏州河上游方向取水，采取人工湿地＋水生植物塘组合工艺进行净化。出水部分用于园区水景、绿化灌溉、地下设施的冲洗等，其余再回流入苏州河。

1 水体生态净化技术
　　水体生态净化技术因其投资省、能耗和运行费用低、建设周期短、生态环境效益高、处理效果好等特点被许多国家所青睐，在发达国家常被优先采用。该技术是以生态学和环境学理论为基础，研究污水输入水生生态系统后，其各组分通过富集扩散、合成与分解、拮抗与协同等多种过程降解污染物的规律所形成的技术体系。其由人工湿地、土地处理、生态塘、水生养殖等技术单元组成。

2 工程概况
　　 该工程占地3550m2，日处理规模达1000m3。主要处理设施为芦苇湿地、伊乐藻塘、曝气区、苦草塘、空中水渠、清漪湖等。间歇式进水，白天进水10h，夜间不进水。
2.1 原水水质
　　 上海市环境监测中心在苏州河昌化路桥断面监测得出的梦清园原水主要水质指标如表1所示。

表1 梦清园原水水质指标

pH DO CODcr BOD5 氨氮 总磷 总氮 7.69 2.54 47.5 9.37 8.24 0.68 9.55

2.2 设计要求
　　 根据国家863项目要求，净化系统出水水质指标CODcr、BOD5和DO须达到地表水环境质量标准(GB3838-2002)IV类，即CODcr≤30mg/L，BOD5≤6mg/L，DO≥3mg/L；NH3-N达到V类，即NH3-N≤2mg/L。
2.3 工艺流程
　　工艺流程如下图所示。

3 主要单元技术分析
3.1 芦苇湿地
　　人工湿地对污水的净化原理是利用自然生态系统中植物、微生物、基质的物理、化学和生物的共同作用来实现对污染物的截留、吸收、转化或分解。在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料混合组成填料床，污水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动(潜流)，或在床体表面流动(自由表面流)。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的植物如芦苇等，形成一个独特的动植物生态环境，对污水进行处理。其显著特点是对有机污染物和SS具有较强的降解能力。污水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留进而被微生物利用；而可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解去除。这种处理技术的出水质量好，可以结合景观设计进行景观水处理，在附近种植观赏植物如美人蕉等，增强景区美感。其造价及运行费远低于常规处理技术。
　　梦清园采用芦苇自由表面流湿地。湿地水面面积800m2，水深0.8m。填料床分五层，自上而下为供芦苇扎根的900mm厚土壤底泥层、膨润土膜隔水层、50mm细砂层、100mm碎石层、素土夯实层、自然土层。苏州河水经过细格栅前处理，去除了漂浮物和大颗粒的悬浮物，再进入一级曝气区，区内布设多根曝气管，使溶解氧增加了40％～60％。一级曝气区的出水经过布水管道均匀进入湿地，另在一级曝气区出水口设一直径300mm的PV管作为超越管，可使出水不进入湿地直接进入伊乐藻塘，以保证湿地定期晾晒和芦苇种割之需。
3.2 伊乐藻塘
　　水生植物塘是兼有稳定塘和水生养殖优点的生态净化技术。稳定塘是通过菌藻共生系统对污水进行生态处理的工程设施。其按净化机理可分为好氧塘、厌氧塘、兼性塘、曝气塘和综合生物塘等。不同类型的塘串联组成的塘系统，往往具有更好的处理能力。水生养殖是以太阳能为初始能源，通过在污水生态系统中种植水生作物，进行水产和水禽养殖。在太阳能的推动下，通过系统中多条食物链的物质和能量转化、传递，将污水中的污染物进行降解和转化，最后不仅去除了污染物，而且还以水生作物和净化水作为资源回收，使污水处理与利用结合起来。在水生植物塘中种植水生植物如浮叶植物睡莲、挺水植物荷花等或放养水生动物，可有效抑制塘内藻类生长，除去水中的有机物及营养物质，还可利用收获的作物获得一定的经济效益。
　　梦清园伊乐藻塘水面面积1905m2，水深1.1m，塘底与芦苇湿地填料床结构近似，不同的是土壤底泥层厚400mm，设计停留时间为41.91h。其与人工湿地交界处设堆石跌式溢流，起布水、自然曝气、控制水位的作用。塘前端有175m2的狭长型曝气带，由砾石层和两根平行曝气管组成。空气由一回转式鼓风机提供，风机风量2.82～2.5m3/min，功率4kW，压力0.1～0.5kgf/cm2。空气从砾石间隙中溢出，主要起进一步增加溶解氧和吹脱VOC的作用。塘中央安放环形曝气管，利用太阳能和风能工作，起到清洁能源示范的作用。横跨塘为一折桥，供行人走路，安放了显示仪、控制设备等。塘左端并联有小块水葱床、菖蒲床和睡莲塘，与伊乐藻塘成为一体，起美观和改善水质的作用。塘内物种以沉水植物伊乐藻为主，种植面积达1310m2，其它物种包括挺水植物荷花、水葱、菖蒲、水烛、千屈菜等，沉水植物菹草、金鱼藻、马来眼子菜等，浮叶植物睡莲，水生动物鱼、蚌、螺蛳、河砚、蛙等。繁杂多样的物种形成强大的生物链，可有效改善水体水质。
3.3 苦草塘
　　苦草塘起进一步净化水质，稳定出水的作用。塘水面面积845m2，水深1.0m，设计停留时间为16.9h。塘底结构与伊乐藻塘相同。塘内物种以沉水植物苦草为主，种植面积达845m2，还包括少量菹草、狐尾藻、金鱼藻等，数量取决于种群竞争。塘内还生存着大量的底栖生物，如鱼类，这些物种均有改善水质的作用。苦草塘与伊乐藻塘交界进水处设有堆石跌式溢流。苦草种植密度为种量0.1～0.2g/m2，在4月播种，晒种一天，浸泡五天。将种子用半干半湿细泥土拌均洒播，播种水位保持在10cm左右。通过泵压作用，苦草塘出水被提升形成一个水帘洞景观，由空中水渠再次吸进大量氧气，对水质进行二次物理净化，最后出水再流向清漪湖，通过水生植物、鱼类等动物、微生物等共同作用完成最后一次生态净化。

4 系统的效益分析
4.1 环境生态效益
　　该示范工程于2004年7月试运行。从2004年12月初起至2005年4月底已进行为期五月跨覆晚秋、冬、春的监测评估。自苏州河水经细格栅预处理后进入系统入水口起至清漪湖出水口(系统最终出水口)布设11个采样点，芦苇湿地、二级曝气区、伊乐藻塘、苦草塘出水断面左右有明显水流处布设一个点，进水、一级曝气区、清漪湖出水各布设一个点。采样和分析方法参照国家标准方法。据五个月监测均值(表2)来看，各项指标呈逐级有规律下降趋势，出水达到或接近设计要求，取得了较好的处理效果，但系统还存在一定程度的不稳定性。监测期间水温为6～24℃，pH平均为7.6，出水DO达到地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅰ类，TP达到V类，CODcr达到IV类，BOD5接近IV类、NH3－N 接近V类。系统对SS的去除效率最高，且不受气温的影响。由于密集型的芦苇杆可有效减缓水流，增强了SS的自然沉降效果，所以芦苇湿地去除了绝大部分SS。有机污染物的去除主要依靠微生物的代谢、吸附沉淀作用，两级人工曝气大大强化了系统的溶解氧水平，加上植物光合作用，整个系统的溶解氧浓度维持在6mg/L以上，系统有充足的溶解氧保证好氧微生物对有机污染物的降解。系统中氮的去除主要通过微生物的硝化和反硝化、水生植物吸收以及氮的挥发等途径。系统对氨氮的的去除率达74%，但总氮的去除率只有26%。这说明由于曝气使系统溶解氧大幅度增加，提高了微生物的硝化作用，但同时又抑制了厌氧条件下的反硝化作用，导致了总氮的去除效果不明显。磷的去除可通过微生物分解、植物吸收及吸附沉淀等途径。在该系统中，磷和SS的去除呈现一定的相关性，它们都是在芦苇湿地中去除量最大，磷主要靠吸附沉淀去除。总之，各污染物的去除是系统综合作用能力的反应，只有人为地不断优化条件，才能取得良好的环境效益。

表2 梦清园生态净化系统监测均值

NH3—N
(mg/L) TN
(mg/L) TP
(mg/L) 透明度
(cm) SS
(mg/L) DO
(mg/L) BOD5
(mg/L) CODcr
(mg/L) 系统入水 8.45 11.31 0.667 16.7 160.5 3.28 9.7 35.9 一级曝气 7.62 10.46 0.579 19 129 6.76 8.02 30.4 芦苇湿地 7.24 10.37 0.472 34.8 25.1 7.48 7.54 28.2 二级曝气 6.69 10.16 0.487 49.1 20.1 8.87 7.7 27.2 伊乐藻塘 5.92 9.87 0.479 53.9 14.5 8.86 7.05 26.1 苦草塘 4.9 9.46 0.438 67.1 10.6 9.63 7.54 26.6 系统出水 2.23 8.35 0.379 77.9 7.8 9.2 7.43 27 设计要求 ≤2.0 - - - - ≥5 ≤6 ≤30

　　此外，生态净化系统与常规处理系统的主要差别是具有生物种群多样性的特点，从高等水生植物群落到低等藻类，从水生动物到微生物，层次迭落，相互依存，组建了健康的食物链，实现了物流、能流的循环，达到了污染物质的去除目的，具有显著的生态效应。
4.2 社会效益
　　以芦苇湿地＋水生植物塘系统处理污水的生态过程为载体，蕴含多项先进的环境科学技术，如曝气、清洁能源的使用等，增加了梦清园的科学与文化内涵，可使游人在娱乐中收获科学知识；展示了生态系统的植物、鱼类、蛙类、蚌类等多种野生动植物及其随季节变化的群落演替，增强了游人对生态环境知识及物种多样性的了解；展示了污水变清及处理后水继续回用资源化的过程，使游人懂得爱水惜水，进而节约用水。
4.3 经济效益
　　生态净化的土建施工比较简单，且正常情况下耗能不大，工程造价为195.94万元，运行管理费用主要由电费1.5万元/年和设备维护费2.8万元/年组成。因此，其造价和运行费用远比传统物理、生物处理工艺低，约为传统工艺的1/10～1/5。此外，生态净化系统还可以收获水生作物，获取一部分额外利润，进一步降低处理成本。
　　在世界各国，水景主题公园已被购房者认同为居住环境品质的重要指标。生态系统的建立吸引了众多购房者选择在梦清园附近定居，带动了附近房地产价格的大幅度提升，从而进一步推动了房地产业的发展，为城市经济发展和地区的繁荣提供了有利条件。
5 小结
　　梦清园生态净化工程高度实现了自然和人的和谐统一，在“以人为本”的基础上，利用了自然条件和人工手段创造有利于污水净化、人民健康生活的生态净化系统，不仅改善了苏州河两岸的环境，展示和总结了苏州河的整治效果，而且还通过科普演示提高了广大市民的环保意识。

Technical Design and Study on Eco-puri?cation of Shanghai Meng Qing Garden
JI Bing1, ZHANG Ming-xu2, SUN Cong-jun3, CHEN Man-man3
(1.School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 200051;2.Shanghai Environmental Monitoring Centre Shanghai 200030;3.Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China)

Abstract: An assembled technology of man-made wetland and hydrophyte pool is applied in the construction of Meng Qing Garden. The project constructs one set of complex eco-system in purifying the river water of Su Zhou River. It shows evident results and meanwhile good economic and social bene?ts are attained.
Keywords: Su Zhou River; eco-puri?cation; Meng Qing Garden