1、 1 人工湿地设计 1、人工湿地技术 人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水进行处理的技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用吸收养分。 人工湿地对有机污染物有较强的降解能力。废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；废水中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而被分解去除。随着处理过程的不断进行，湿地床中的微生物也繁殖生长，通过对湿地床填料的定期更换及对湿
2、地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。人工湿地系统的出水质量好，可使污水资源化，实现中水回用于绿化，种植具景观价值的湿生植物可改善生态住宅小区的景观状况。 人工湿地由五部分组成： A、具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石； B、适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇、美人蕉、旱伞草、菖蒲等； C、水体(在基质表面上或下流动的水)； D、好氧或厌氧微生物种群和微型动物。 人工湿地组成 2 其中湿地植物在湿地系统中具有三个间接的重要作用： A、显著增加微生物的附着(植物的根、茎、叶)； B、湿地植物可将大气氧传输至根部，使根在厌氧环境中生长； C、增加或稳定土壤的透水性。 一般人工湿地系
3、统都具有如下特点： A、建造和运行费用便宜； B、易于维护，技术含量低； C、可进行有效可靠的废水处理； D、可缓冲对水力和污染负荷的冲击； E、可产生效益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动植物栖息、娱乐和教育。 人工湿地的污染物净化过程涉及物理、化学和生物多方面的综合作用，净化主要经过以下几个途径： A、过滤、截留去除颗粒物：除去含有C、N、P的有机及无机颗粒物和悬浮固体； B、通过湿地介质的吸附、络合和离子交换等作用去除磷和金属离子； C、通过湿地微生物的作用（氧化还原反应、吸收降解），降解有机污染物，并去除水体中的氮； D、通过植物生长吸收去除水体中的氮磷，富集金属离子。 人工
4、湿地脱氮系统 3 磷在湿地基质中的转化 人工湿地中磷的去除路径 人工湿地的效能受湿地水流流态、水力负荷、植物种类和数量、温度、pH、填充介质类型、运行方式等因素的影响，人工湿地一旦建成并调试成功后，其水处理运行效果相当稳定，不需专人管理。 4 人工湿地系统 湿地处理的最终效果： l 悬浮固体到滞水底部，或被湿地植物过滤； l 有机物质被植物根部的微生物分解； l 硝酸盐可以被脱氮菌转化为氮气，或被植物吸收； l 氨被细菌转化为硝酸盐； l 磷随钙、铁和铝化合物沉淀，通过沉积和吸附于土壤以及植物吸收而被去除； l 金属和有毒化学物质通过氧化、沉淀和植物吸收来去除； l 病原体在不适宜生存的环境中
5、逐渐死去并被其它生物所摄取，或被抗菌化合物杀死。 人工湿地处理系统主要分为两类：表面流湿地、水平潜流湿地和垂直潜流湿地。 2、表面流湿地 表面流人工湿地，水力路径以地表推流为主，在处理过程中，主要通过植物径叶拦截、土壤吸附过滤和污染物自然沉降来达到去除污染物的目的。通常由一个或几个池体或渠道组成，池体或渠道间设隔挡墙分隔。池中填有合适的介质过滤材料（碎石、砾石、沸石或陶粒）、土壤、砂等供水生植物固定根系。水流缓慢，通常以水平流的流态流经各个处理单元。水位较浅，一般为0.1-0.6m，水面处于土面之上，暴露于空气中。它与5 自然湿地较为接近，绝大部分有机物的去除由长在植物水下茎、杆上的生物膜来完
6、成。通过植物来吸收大量的氨氮，此类型湿地对氨氮有良好的去处效果，去除率90%。污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以较快的截流而被微生物利用；可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢过程而被分解去除。资料表明，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%，对COD的去除率可达80%以上，脱氮效率50%，湿地出水中总P含量一般小于1mg/L。 典型的表面流人工湿地如图所示。 表面流人工湿地处理系统示意图 表面流人工湿地实景（东方体育中心） 6 表面流人工湿地实景 表面流人工湿地实景（后滩湿地公园） 表面流湿地植物配植： 植物，是湿地生态系统的基本
7、成分之一，也是景观视觉的重要因素之一，因此植物的配植设计是湿地系统景观设计的重要环节。对湿地景观进行生态设计，在植物的配植方面，一是应考虑植物种类的多样性，二是尽量采用本地植物。 多种类植物的搭配，不仅在视觉效果上相互衬托，形成丰富而又错落有致的效果，7 对水体污染物处理的功能也能够互相补充，有利于实现生态系统的完全或半完全（配以必要的人工管理）的自我循环。 表面流湿地植物净化原理： 水生植物能大量吸收水中和底质土壤中的N、P等营养物质。 给水体高效供氧，所有沉水植物通过光合作用，使水中溶解氧快速增加。沉水植物生长丰茂的水域，水中溶解氧常常过饱和，这有助于水质的改善，特别有利于氨的硝化、BOD
8、5的去除、生物多样性的提高和黑臭的根治。 由于水生植物覆盖于泥面，从而减轻引水、风浪对底泥的翻搅程度。水生植物枝叶表面积很大，能有效吸附和促沉由地表径流引入的泥土等悬浮物，从而有助于湖水透明度的提高，有效消除悬浮物组分的污染特别是无机磷的污染，使水体清澈碧透，形成水系水景和水下森林景观。 水生植物能分泌出对藻类生长有抑制作用的化感物质，从而抑制了藻类的发展。 水生植物能为许多生物特别是微生物提供良好的附着生境，从而提高水域生态系统的生物多样性。 以上事实充分说明了水生植物能在水质改善与景观系统构建中占据极其重要的作用。因此，为了构建健康的湿地水生态系统，降低水体 N、P 等营养元素含量，提高湖
9、水体透明度，净化水体水质。 表面流湿地氮循环示意图 3、垂直潜流湿地 湿地中往往填有大量的碎石、卵石、砂或土壤水在填料表面下渗流，因而可充分利8 用填料表面及植物根系上的生物膜及其他各种作用来处理污等多孔介质材料。基质表面栽种植物。污水在介质间渗流，水面低于介质面，因此呈潜流状态。人工潜流湿地置于绿化地下，不会对周围景观和环境造成不良影响。 垂直潜流湿地纵向剖面图 潜流湿地主要设施、材料和构筑物： 进水区：由地下进水室、布水系统和填料组成。进水室上安装有检查口，便于观测和排堵作业。该区为处理系统的布水和初沉区域，主要去除较大颗粒的悬浮物质，也具一定的生化作用。 处理区：为处理系统的主床体。底部
10、和四周衬有不透水的 PVC 防渗膜或其它防渗材料，床体内填有河卵石和砾石。床体上部铺有渗水隔离层，将表面绿地土壤与砾石分离，防止土壤进入砾石床层，造成堵塞。隔离层用渗水材料制成，绿地雨水可渗入湿地；绿地草根也可通过隔离层向砾石层发展，以获得营养。该区为湿地系统的主处理区域，水质净化主要的物理化学过程和生化过程在该区域完成。处理区后半下部设有集水管道，用于收集处理过的水。处理区内设有自然曝气通气或动力曝气管路，必要时对处理系统的不同区段不同深度进行曝气。 出水区：由地下出水室，出水系统组成。出水室可以作为进水井，也可以视出水要求安装深度处理设施或填料。出水室上部安装由检查口，便于观测和其他作业。
11、出水流9 量可控水位可调，适应不同季节不同处理量的变化。 水平潜流湿地实景（上海辰山植物园） 4、水平潜流湿地 水平潜流人工湿地，因污水从一端水平流过填料床而得名，它由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层，防止污染地下水，与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大和污染负荷大，对 BOD、COD、SS、重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和滋生蚊蝇现象。目前，水平潜流人工湿地己被美国、日本、澳大利亚、德国、瑞典、英国、荷兰和挪威等国家广泛使用。这种类型人工湿地的缺点是控制相对复杂，脱P、除N的效果不如垂直潜流人工湿地。 水平潜流湿地剖面图 10 5、湿地参数计算
12、 人工湿地的设计受三大因素控制：污染物出入流浓度、污水入流量、人工湿地面积。其中污染物出入流浓度已知。 面积与流量的关系，由反应速率常数及水力停留时间两个参数控制。 1）、水力停留时间（hydraulic retention time，HRT） avn QVt e= 式中：tn名义水力停留时间，d； V湿地容积，m3； 湿地空隙率； Qav平均流量，m3/d。 由于随时间变化而变化，HRT很难确定。根据历史资料和经验得，实际HRT 通常是理论值的 40-80%。潜流湿地本身的厌氧条件正适于系统反硝化作用脱氮，当 HRT达到 2-4d时，发生强烈反硝化脱氮作用。实践表明表流湿地的HRT以4-8d
13、为佳。 2）、水传导 水力坡度s 表流湿地：修改的曼宁公式。 3221)1( hnvs = 式中：v平均流速，m/s； n曼宁阻力系数，水深及其它表面阻力因素的函数，m/s1/3； h平均水深，m。 潜流湿地：达西定律原始模式。 )/( dLdhKWDsKAQ wc = 式中：Ac水流横断面积，m2； K水力传导系数，m3/(m2d)； Dw水深，m； W潜流湿地宽度，m。 为了施工和排水的方便，潜流湿地水力坡度取0.5-1%。表流湿地水力坡度0.5%。需要根据填料性质及湿地尺寸加以校正，砾石为填料床时，水力坡度取2%。 11 孔隙率 各文献中值差异大，需要根据实际经验估算。美国国家环保局建议
14、，表流湿地密集植被区域设计采用为0.65-0.75，开阔自由水域采用为1.02。 3）、表面负荷率ALR 单位面积湿地对特定污染物所能承受的最大负荷。 ALRQCAs0= 式中：As湿地处理面积； C0入流污染物浓度。 表流湿地进水区BOD表面负荷率可达100kg/(had)；潜流湿地 BOD 表面负荷率为80-120kg/(had)。 4）、系统深度Dw 为了在最小单位面积湿地内达到最好的效果，HRT一定的条件下，越深越好。但为了保证湿地中DO浓度及植物根系，Kim Eastlick推荐潜流湿地水深30-90cm。美国水污染控制委员会（WPCF）要求，表流湿地水深在50cm以内。 5）、处理
15、单元长宽及比例 湿地长度L WAL s= 湿地宽度 潜流湿地：wsDdhKQAW)(= 式中：dh水流阻力导致的水头损失，m。 长宽比R在1:1 - 90:1不等。东南大学王薇建议，R应控制在3:1以下。 6）、湿地面积 此部分的目的是通过计算粗略估计所需的湿地面积，以及能够达到目标水质。设计过程中，每一污染物参数达标都会引起所需湿地面积的增加，取用的面积应该是各参数达标所需的最大面积。 基于kc*模型的计算如下： 12 式中：Ce为目标出水浓度，m/L； Ci为进水浓度，m/L； C*为背景值，人工湿地无法去除或产生的部分，取C*=0.153Ci，m/L； k为一级反应速率常数， m/年；
16、q为水力负荷率，m/年。 对于某一特定的污染物达标所需的湿地面积： 式中A为所需湿地面积，ha；Q为污水流量，m3/d。 反应系统宽度： wDAW /= 湿地长度，由长宽比推算 7）、进出水口 进出系统的水流，利用穿孔的 PVC 管，确保布水均匀，沿湿地宽度布置，均匀穿孔，穿孔大小与进水流量、水质、HRT等有关，最大孔间距为湿地宽度的10%。 6、湿地取样口设计 根据试验内容需要，对于潜流湿地，要对 COD 和不同形态的氮素在各个不同的基质层中的转化进行研究，因此，要在潜流湿地中填料层变化的位置设置取样口以进行试验结果的分析。取样管连接在PVC穿孔管上，同样用塑料纱布将PVC管包住。取样管用止水夹夹住，取样时打开止水夹，先排出一部分水再进行取样。 取样点布设： 整个系统进出水口各设1个取样点，研究系统的处理效果，小计2个取样点。 垂直流湿地每层填料设1个取样点，研究填料级配对处理效果的影响。 表流湿地，长宽比为 1:1、2:1处设取样点，研究湿地不同长宽比对处理效果的影响。 文档由上海水源地水环境工程公司供稿 13
