人工湿地设计(刘少敏)

1、水资源保护水资源保护人工湿地设计人工湿地设计讲授：刘少敏讲授：刘少敏 2010.122010.12 湿地是地球上一种重要的生态系统。它处于陆地湿地是地球上一种重要的生态系统。它处于陆地生态系统（如森林和草地）与水生生态系统（如深水生态系统（如森林和草地）与水生生态系统（如深水湖和海洋）之间。湿地是陆生生态系统和水生生态系湖和海洋）之间。湿地是陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡带。统之间的过渡带。湿湿 地地 概概 述述 人工湿地是一种为了达到环保处理效果，模仿自人工湿地是一种为了达到环保处理效果，模仿自然湿地而人工设计的复杂的具有渗透性能的地层生态然湿地而人工设计的复杂的具有渗透性能的地层生态

2、结构，包括有浮现性、浸没式植物、动物和水体等不结构，包括有浮现性、浸没式植物、动物和水体等不同的组成部分。同的组成部分。 人工湿地分为表面流湿地、潜流湿人工湿地分为表面流湿地、潜流湿地、垂直流湿地三大类，是一个独特的地、垂直流湿地三大类，是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统。土壤、植物、微生物综合生态系统。 绝大多数人工湿地由五部分构成：绝大多数人工湿地由五部分构成： 基质，具有透水性，如土壤、砂、砾石；基质，具有透水性，如土壤、砂、砾石； 水体（在基质表面上或下流动的水）；水体（在基质表面上或下流动的水）； 植物，适于在饱和水和厌氧基质中生长，如植物，适于在饱和水和厌氧基质中生长，如芦

3、苇；芦苇； 无脊椎或脊椎动物；无脊椎或脊椎动物； 好氧或厌氧微生物种群。好氧或厌氧微生物种群。湿湿 地地 构构 成成 人工湿地系统人工湿地系统 人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。通过合理设计可将人工湿地单元组成。通过合理设计可将BOD5BOD5、SSSS、营养盐、原生动物、金属离子和其他物、营养盐、原生动物、金属离子和其他物质处理达到二级和高级处理水平。质处理达到二级和高级处理水平。 预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。构筑物包括双层沉淀池、化粪池、稳定塘或构筑物包括双层沉淀池、化粪池、稳定塘或初沉池。初沉

4、池。人工湿地中的流态采用推流式、回流式、阶人工湿地中的流态采用推流式、回流式、阶梯进水或综合式。梯进水或综合式。人工湿地是由基质、水体、植物、动物和微生物人工湿地是由基质、水体、植物、动物和微生物组成的生态系统。生活在土壤中的微生物（细菌组成的生态系统。生活在土壤中的微生物（细菌和真菌）在有机物的去除中起主要作用，湿地植和真菌）在有机物的去除中起主要作用，湿地植物的根系将氧气带入周围的土壤，但远离根部的物的根系将氧气带入周围的土壤，但远离根部的环境处于厌氧，形成处理环境的变化带，这就加环境处于厌氧，形成处理环境的变化带，这就加强了人工湿地去除复杂污染物的能力。大部分有强了人工湿地去除复杂污染物

5、的能力。大部分有机物的去除是靠土壤中的微生物，但某些污染物机物的去除是靠土壤中的微生物，但某些污染物如重金属、硫、磷等依赖于土壤和植物的作用。如重金属、硫、磷等依赖于土壤和植物的作用。净化废水的机理净化废水的机理 通俗地说，人工湿地对废水的处理综合了物通俗地说，人工湿地对废水的处理综合了物理、化学、生物的三种作用。实地系统成熟后，理、化学、生物的三种作用。实地系统成熟后，填料表面和植物根系将因大量微生物的生长而形填料表面和植物根系将因大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量成生物膜。废水流经生物膜时，大量SSSS被填料和被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的植物根系阻挡

6、截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被去除。湿地系统中因吸收、同化及异化作用而被去除。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，通过硝化、反硝次出现好氧、缺氧、厌氧状态，通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统更换填料或收割化作用将其除去，最后湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。栽种植物将污染物最终除去。 天然湿地通常是脆弱的生态系统，污染物会使其不堪重负，天然湿地通常是脆弱的生态系统，污染物会使其不堪重负，我们设计时应根据废水处理的目的来建造湿地。这些系统被称为我们设计时应根据废水

7、处理的目的来建造湿地。这些系统被称为人工湿地或芦苇床。人工湿地或芦苇床。 三个组成部分：植物、微生物、基质。三个组成部分：植物、微生物、基质。 耐水的植物扎根于土壤或砂砾基质，系统浸满着水，基质支耐水的植物扎根于土壤或砂砾基质，系统浸满着水，基质支持着植物，而植物的根则为各种微生物提供了家园。持着植物，而植物的根则为各种微生物提供了家园。人工湿地人工湿地有很好的耐冲击负荷能力，缺点是需要大量的土地。有很好的耐冲击负荷能力，缺点是需要大量的土地。 人工湿地的预期寿命问题至今尚未解决，系统以最佳速率人工湿地的预期寿命问题至今尚未解决，系统以最佳速率去除污染物的寿命究竟能持续多长时间，还是一个去除污

8、染物的寿命究竟能持续多长时间，还是一个“老大难老大难”！ 人工湿地一般适用于小城镇、乡村废水的二级处理。人工湿地一般适用于小城镇、乡村废水的二级处理。人工湿地工程设计人工湿地工程设计工程设计步骤工程设计步骤 1.1.选址选址 考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关法考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关法律及公众意见。应因地制宜，尽量选择有一定自然坡度的洼律及公众意见。应因地制宜，尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地，一方面减少土石方工程、利于排地或经济价值不高的荒地，一方面减少土石方工程、利于排水、降低投资，另一方面防止对周围环境产生影响。水、降低投资，另一方面防

9、止对周围环境产生影响。 2.2. 确定系统组合形式。根据场地特征、处理要求和所处理确定系统组合形式。根据场地特征、处理要求和所处理污水的性质来确定单一式、并联式、串联式、综合式。污水的性质来确定单一式、并联式、串联式、综合式。 3.3.确定水力负荷。根据设计规程或经验而定。确定水力负荷。根据设计规程或经验而定。 4.4.选择植物选择植物 根据湿地植物的耐污性能、抗寒能力、生长能力、根系根据湿地植物的耐污性能、抗寒能力、生长能力、根系的发达程度以及经济价值和美观等因素确定。一般有芦苇、的发达程度以及经济价值和美观等因素确定。一般有芦苇、席草、大米草、水葫芦、水花生等，最为常用的是芦苇，插席草、大

10、米草、水葫芦、水花生等，最为常用的是芦苇，插植密度为植密度为1 13 3株株/ /。5.5.计算表面积计算表面积AsAsQ/a AsQ/a As表面积；表面积；Q Q进水量；进水量；a a水力负水力负荷。荷。 6.6.确定长宽比确定长宽比（1 1）表面流湿地：长宽比）表面流湿地：长宽比1010：1 1，根据地形，底坡降，根据地形，底坡降0 01 1。（2 2）潜流湿地：根据达西定律）潜流湿地：根据达西定律Q QKsKsA AS SS S水力坡度；水力坡度； A A湿地床横截面积；湿地床横截面积；KsKs潜流渗透系数。潜流渗透系数。 7 7 结构设计。结构设计。 （1 1）进水系统的布置：湿地床

11、的进水系统应保证配水均匀性，）进水系统的布置：湿地床的进水系统应保证配水均匀性，一般采用多孔管和三角堰等配水装置。进水管应比湿地床高出一般采用多孔管和三角堰等配水装置。进水管应比湿地床高出0.5m0.5m。湿地的出水系统一般根据水位调节的要求，出水区的末。湿地的出水系统一般根据水位调节的要求，出水区的末端砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制端砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内的水位。阀门以调节床内的水位。 （2 2）填料：湿地床由三层组成）填料：湿地床由三层组成 表层土层、中层砾石、下层小表层土层、中层砾石、下层小豆石。表面土钙含量在豆石。表面土

12、钙含量在2 22.5kg/100kg2.5kg/100kg；砾石层粒径在；砾石层粒径在5 550mm50mm，铺设厚度为，铺设厚度为0.40.40.7m0.7m。 （3 3）潜流式湿地床水位控制：接纳最大设计流量时，进水端）潜流式湿地床水位控制：接纳最大设计流量时，进水端不能出现填料床面的淹没现象，有利于植物生长，床中水面浸不能出现填料床面的淹没现象，有利于植物生长，床中水面浸没植物根系的深度均匀。没植物根系的深度均匀。 人工湿地是利用与自然生态系统相似的物理、人工湿地是利用与自然生态系统相似的物理、化学、生物的三重协同作用来实现对污水的净化技术。化学、生物的三重协同作用来实现对污水的净化技术

13、。物理作用物理作用过滤和沉淀过滤和沉淀除去含有除去含有C C、N N、P P的有机及无机颗粒的有机及无机颗粒物和悬浮固体物和悬浮固体 化学作用化学作用吸附和絮凝吸附和絮凝可溶性的有机化合物可溶性的有机化合物阴离子（阴离子（ POPO4 43-3- ）和阳离子）和阳离子（重金属阳离子）（重金属阳离子）挥发作用挥发作用挥发性有机物挥发性有机物(VOC)(VOC)微生物作用微生物作用氧化还原反应氧化还原反应吸收降解吸收降解气体运输作用气体运输作用植物吸收植物吸收根系有利于微生物根系有利于微生物繁殖繁殖植物作用植物作用功功 能能人工湿地工艺流程设计人工湿地工艺流程设计人工湿地组合形式设计人工湿地组合形

14、式设计 在设计湿地系统时基质是植物的载体，是微生物生长在设计湿地系统时基质是植物的载体，是微生物生长介质，它将湿地中发生的所有处理过程连成一个整体，通过介质，它将湿地中发生的所有处理过程连成一个整体，通过沉淀、过滤和吸附等作用去除污染物。设计基质的配置，主沉淀、过滤和吸附等作用去除污染物。设计基质的配置，主要考虑基质的种类、粒径、深度及除磷效果要考虑基质的种类、粒径、深度及除磷效果。 矿渣、粉煤灰对磷去除效果好。基质中游离氧化铁、氧矿渣、粉煤灰对磷去除效果好。基质中游离氧化铁、氧化铝和胶体氧化铁、氧化铝含量越高，其固定形成的磷酸铁化铝和胶体氧化铁、氧化铝含量越高，其固定形成的磷酸铁盐和磷酸铝盐

15、数量越多，基质净化磷素的能力越强。盐和磷酸铝盐数量越多，基质净化磷素的能力越强。 煤灰渣基质对有机污染物的处理效果较好。煤灰渣基质对有机污染物的处理效果较好。CODCOD和和BOD BOD 的的去除率分别达去除率分别达71718888和和80808989。设计时应根据污水所含。设计时应根据污水所含污染物配置合适的基质。污染物配置合适的基质。 进、出水区的基质，一般采用粒径进、出水区的基质，一般采用粒径6060100mill100mill的砾石，的砾石，分布于整个床宽。处理区常选用粒径为分布于整个床宽。处理区常选用粒径为8 816 mm 16 mm 基质，水力基质，水力传导性好，适宜植物生长，处

16、理效果好。传导性好，适宜植物生长，处理效果好。设计要点及技术参数设计要点及技术参数潜流湿地的基质厚度约潜流湿地的基质厚度约60 cm60 cm左右。左右。 人工湿地的构造与工程参数是人工湿地工艺设计的核心，人工湿地的构造与工程参数是人工湿地工艺设计的核心， 包括水力学特性、湿地床构型和配套设施的构筑三方面。水力包括水力学特性、湿地床构型和配套设施的构筑三方面。水力学特性包括水力停留时间、水力负荷；湿地床构型设计包括水学特性包括水力停留时间、水力负荷；湿地床构型设计包括水力坡度、湿地床的长宽比和水位控制；配套设施的构筑包括进力坡度、湿地床的长宽比和水位控制；配套设施的构筑包括进出水装置、隔板装置

17、和防渗设施。出水装置、隔板装置和防渗设施。设计中实际水力停留时间采用理论值的设计中实际水力停留时间采用理论值的4O4O8080 。水力坡度：水力坡度：表面流人工湿地采用表面流人工湿地采用0.50.5 或更小或更小, ,潜流人工湿地采潜流人工湿地采用用0.50.52 2。湿地床体的长度湿地床体的长度 ： L = AsL = AsW W 潜流湿地的宽度潜流湿地的宽度 ： W = Q AS /(K /(K dh Ddh DW W ) 表面流湿地进水区表面流湿地进水区BODBOD负荷率为负荷率为100kg100kg(hm d)(hm d)，潜流，潜流湿地设计湿地设计BODBOD负荷率为负荷率为8080

18、120 kg120 kg(hm d)(hm d)。As面积，m1/2湿地床长度通常为湿地床长度通常为2O2O50 m50 m。过短，则有效处理面积过小，。过短，则有效处理面积过小，不能保证净化效果；湿地过长，易造成死区，使水位难于调不能保证净化效果；湿地过长，易造成死区，使水位难于调节，不利于植物生长。系统的长宽比节，不利于植物生长。系统的长宽比宜宜采用采用2 2 ：1 1 。表面流湿地的水深在表面流湿地的水深在1010200 cm200 cm，挺水植物区域水深，挺水植物区域水深60cm 60cm 沉水植物区域水深沉水植物区域水深120cm120cm左右。左右。处理池宜并联，种植芦苇、茳芏、席

19、草、大米草等水生植处理池宜并联，种植芦苇、茳芏、席草、大米草等水生植物，采用碎石作基质。原水先流经一、二级碎石床，对有物，采用碎石作基质。原水先流经一、二级碎石床，对有机物进行降解，再进入第三级兼性塘，最后经过第四级碎机物进行降解，再进入第三级兼性塘，最后经过第四级碎石床变成洁净的水排出。石床变成洁净的水排出。典型工艺典型工艺人工湿地的配套设施人工湿地的配套设施人工湿地系统有两种： 表流湿地、潜流湿地。潜流系统可分为平流湿地和垂直流湿地。表流湿地表流湿地 表流湿地通常是衬有不透水材料层的浅蓄水池，填有土壤或砂砾基质，栽种露出水面的植物。设计成水淹型，所以水位在基质表面之上，废水在基质上面流动，

20、通过稠密的植物，模拟天然湿地的水流。它的建造费用较低。潜流湿地潜流湿地 设计废水流过基质，且水位保持在基质表面之下。潜设计废水流过基质，且水位保持在基质表面之下。潜流系统适于寒冷的气候，可防止在零下气温时结冰。潜流流系统适于寒冷的气候，可防止在零下气温时结冰。潜流系统不像表流系统易产生臭味或蚊子，可处理较高负荷的系统不像表流系统易产生臭味或蚊子，可处理较高负荷的废水。但有机负荷太高，易堵塞。通常在潜流系统前设置废水。但有机负荷太高，易堵塞。通常在潜流系统前设置沉淀池，去除悬浮固体。设计中常采用多个进口，尽可能沉淀池，去除悬浮固体。设计中常采用多个进口，尽可能均匀地分散悬浮固体，避免堵塞。均匀地

21、分散悬浮固体，避免堵塞。潜流系统可设成平流或垂直流。潜流系统可设成平流或垂直流。垂直流人工湿地垂直流人工湿地平流人工湿地平流人工湿地 设计时让废水先通过垂直流系统，再通过平流系统，有设计时让废水先通过垂直流系统，再通过平流系统，有较好的处理效果。垂直流系统中的需氧细菌将氨硝化为硝酸盐，较好的处理效果。垂直流系统中的需氧细菌将氨硝化为硝酸盐，适应了平流系统缺氧条件的细菌将硝酸盐反硝化为亚硝酸盐和适应了平流系统缺氧条件的细菌将硝酸盐反硝化为亚硝酸盐和氮气。废水在垂直流系统中的滞留时间短，要有效地去除病原氮气。废水在垂直流系统中的滞留时间短，要有效地去除病原体，须使废水在平流系统中停留更长的时间。体

22、，须使废水在平流系统中停留更长的时间。 湿地不可能总是最有效地运行。因为它依靠植物和微生物湿地不可能总是最有效地运行。因为它依靠植物和微生物作用，在植被完全建立之前作用，在植被完全建立之前( (需要几个季节需要几个季节) )，不可能达到最高，不可能达到最高的去污效率。在温带气候条件下，湿地在冬季的运行效果不如的去污效率。在温带气候条件下，湿地在冬季的运行效果不如夏季，尤其是除氮方面。冬季植物会死亡或休眠，但微生物在夏季，尤其是除氮方面。冬季植物会死亡或休眠，但微生物在植物根上仍保持活跃状态，系统继续运行，效率降低。系统中植物根上仍保持活跃状态，系统继续运行，效率降低。系统中最常见的问题是如何使

23、土壤保持充气状态，尤其在平流床情况最常见的问题是如何使土壤保持充气状态，尤其在平流床情况下。湿地超负荷或水太深，会缺氧，致植物生长不良，氨的去下。湿地超负荷或水太深，会缺氧，致植物生长不良，氨的去除率下降。除率下降。人工湿地设计人工湿地设计土地的选场土地的选场宽度和深度宽度和深度水力负荷的比率水力负荷的比率滞留时间滞留时间填料的选用填料的选用 植物的类型植物的类型水上植物、水底植物、浮游植物、大型挺水植物水上植物、水底植物、浮游植物、大型挺水植物( (芦苇）芦苇）人工湿地人工湿地北戴河湿地北戴河湿地12工业废水处理工业废水处理系统的性能系统的性能 人工湿地污水处理系统主要由植物、微生物、人工湿地污水处理系统主要由植物、微生物、基质、水体及动物组成基质、水体及动物组成, , 各组成成分分别起着不同各组成成分分别起着不同的作用的作用, , 并且相互协同并且相互协同, , 使得整个湿地生态系统平使得整个湿地生态系统平衡运