湿地设计方案分解

1、18 / 20湿地处理城市生活污水初步设计方案1.湿地概况 1.1 湿地的概念湿地是指不问其为天然的或人工、 长久或暂时性的沼泽地、 泥炭 地、水域地带，静止或流动的淡水、半咸水、咸水，包括低潮时水深 不超过 6m 的海水水域。湿地是一类既不同于水体，又不同于陆地的 特殊过渡类型生态系统， 是水生、 陆生生态系统界面相互延伸扩展的 重叠空间区域。1.2 湿地的作用湿地是地球上具有多种独特功能的生态系统， 它不仅为人类提供大量食物、原料和水资源， 而且在维持生态平衡、保持生物多样性和珍稀物种资源（被称为生物超市 ”）以及涵养水源、蓄洪防旱、降解污染调节气候（被称为大地之肾 ”）、补充地下水、控制

2、土壤侵蚀等方面均起到重要作用。1.3 湿地的分类：湿地类型多种多样，通常分为自然和人工两大类。 自然湿地包括沼泽地、泥炭地、湖泊、河流、海滩等；人工湿地主要有水稻田、水 库、池塘等。2 湿地组分在污水净化中的作用及机理：2.1 湿地植物在污水降解中的作用及机理2.1.1 植物在污水净化中的机理植物在生长过程中能吸收污水中的无机氮、 磷等营养物质， 供其生长发育。污水中氨氮可以被植物直接摄取，合成植物有机氮，然后 通过收割植物去除。 而污水中的有机氮多通过系统中微生物的降解来 达到去除的目的。 污水中无机磷在植物吸收及同化作用下可转化为植 物的、 等有机成分，然后通过植物的收割而从系统中去除。目

3、前， 通常的污水二级处理工艺对污水中氮、 磷的去除效率不高， 仅能达到2040，而用于污水处理的湿地植物通常都具有生长快、生物量大和吸收能力强的特点， 因此它们在生长的过程中可以通过吸收而去 除大量的氮、磷等营养元素，从而成为去除污水中氮、磷等营养元素 的一个简单有效且费用低廉的工具。 例如，研究表明香蒲每年每公顷 可吸收 2630 氮、 403磷和 4570 钾。除营养元素外 ,大型水生植物还可吸收铅、镉、砷、汞和铬等重金属，以金属螯合物的形式蓄积于植物体内的某些部位， 达到对污水 和受污染土壤的生物修复。湿地植物可以将重金属积累在植物组织 内。重金属在一般植物中的积累量为 0.1100卩，

4、但也有一些特殊植物超量积累重金属。 植物对污水中重金属的去除作用还表现在植物的产 氧作用使根区含氧量增加，促进了污水重金属的氧化和沉降。污染物中有机物和氮的降解所需的两个重要因素是微生物和氧， 生长在湿地中的挺水植物能够对氧进行运输、 释放和扩散作用。 植物 可将空气中的氧转运到根部， 在植物根区周围的微环境中依次出现好 氧区、兼氧区和厌氧区，有利于硝化、反硝化反应和微生物对磷的过 量积累作用 ，达到除氮、磷的效果，另一方面通过在厌氧条件下有 机物的降解、或开环、或断成简单分子、小分子，提高对生物难降解有机物的去除效果。 湿地植物还具有过滤和抑藻等效应。 湿地植物的 这些独特作用使得它对污水中

5、许多污染物都有很好的去除效果， 针对 不同的污染物种类其去除机理也不尽相同。2.1.2 植物在污水净化中的作用湿地植物对氮的去除作用主要是：氨的挥发作用、 4+的阳离子交换作用、吸收、 硝化和反硝化作用等。植物通过根部根毛周围充满氧气的液体薄膜中的好氧微生物的硝化作用，可将4+转化成气体，释放到大气中。除此之外，植物本身也可以吸收一部分 4+，4+进入植物后通过氨化反应将其去除，消除其对植物的毒害作用湿地植物对氮的去除作用： 地植物对磷化物的处理除作为营养成 分吸收外，还可以通过在苗床基质中的吸附、 络合和沉淀反应来去除。般认为人工湿地系统对磷的去除途径主要是基质的吸附沉淀作用。人工湿地系统中

6、 787%的磷是通过基质的吸附沉淀作用而被去除的 。2.2 湿地土壤（基质）在污水降解中的作用及机理湿地土壤（基质）是湿地植物的直接支撑者，湿地土壤的类型、 结构和肥力状况直接决定湿地植物的类型、 数量和质量， 并通过食物 链影响湿地动物的类群、 生长和发育， 最终影响湿地生态系统的物质 生产。同时湿地土壤（基质）也是湿地微生物、湿地土壤动物的生活 场所，是土壤微生物和土壤动物生活的 “基质 ”。湿地土壤（基质）通 过影响植物和微生物来影响污水的净化。2.2.1 湿地土壤（基质）在污水净化中的机理湿地土壤是湿地化学物质转化的介质， 也是湿地植物营养物质的储存库。湿地土壤的有机质含量很高， 有较

7、高的离子交换能力， 因此， 土壤可通过离子交换转化一些污染物， 并且可以通过提供能源和适宜 的厌氧条件加强氮的转化。 对于磷而言， 土壤颗粒对磷酸盐的吸收是 一个重要的转化过程，吸收能力依赖于黏土矿物中铁、铝、钙的表现 或对土壤有机质的束缚。除了吸收过程外，磷酸盐也可以同铁、铝和 土壤组分一起沉降， 这些过程包括磷酸盐在黏土矿物中的固定以及磷 酸盐同金属的复合。湿地土壤对有毒物质的 “净化 ”机理，主要是通过 沉淀作用、吸附与吸收作用、离子交换作用、氧化还原作用和代谢分 解作用等途径实现的。2.2.2 湿地土壤（基质）在污水净化中的作用湿地土壤的类型、结构和肥力状况同样会对湿地土壤微生物和动

8、物的类群、数量产生深刻的影响。湿地土壤具有 “养分库 ”功能，它可 以提供湿地植物生长发育所需要的全部养分元素。 不仅如此， 湿地土 壤和其土 （泥） 水界面的物理化学反应机制影响养分元素的形态和数 量。研究表明， 湿地土壤缺氧具有不均一性，在与含氧水相接触的几毫米表层中氧的浓度仍较高， 表层中的化学和微生物状况类似于好气土壤，而表层下面氧的浓度几乎为零。氧化表层中3+、4+、氢氧化物的存在，意味着湿地土壤能吸收和保留存在于表面水中或从还原层下 面扩散到表层中的磷酸盐、二氧化硅、锰、钴、镍和锌。因此，氧化 层累积有磷、硅、锰、钴、镍和锌。反之，含硫化氢的永久还原性的 湿地土壤趋于积累铜、汞、铀

9、、钼和磷灰石。可见，湿地土壤 “养分 库”在提供和蓄留某些养分元素的功能方面具有极其重要的生态意 义。2.3 湿地微生物在污水净化中的作用及机理湿地微生物只要有菌类、藻类、原生动物和病毒。微生物在湿地 养分的生物地球化学循环过程中往往起核心作用， 湿地中的微生物是 其生态系统中的重要组成部分，在净化污染物方面发挥着重要的作 用。污水中有机物的讲解和转化主要是由湿地微生物来完成的。 湿地 微生物还具有吸附作用， 在微生物生长过程中， 需要吸收一些营养元 素和重金属元素以保证生长和代谢， 他们分泌的高分子聚合物， 对重 金属由较强的络合力。湿地植物根区的细菌总数与 5去除率之间存在显著的相关性；

10、氨氮的去除率与根际硝化细菌和反硝化细菌数量的相 关性极显著。湿地微生物具有吸附作用，在微生物生长过程中，常常 要吸收一些营养元素和重金属元素以保证微生物的生长和代谢， 它们 能分泌高分子聚合物， 对重金属有较强的络合力。 如曲霉属生物体可 有效地吸附，枯草杆菌可有效地吸附、 和 等。有些微生物是重金属 污染物的良好吸附剂。2.4 湿地动物在污水净化中的作用及机理人工湿地中的水生动物有提高土壤通气透水性能和促进有机物 的分解转化的生态功能底栖动物螺蛳、螃蟹、小型软体动物、摇蚊 幼虫、水蚯蚓、贝壳等和淡水鱼虾形成湿地生态系统食物链的消费 者水中的浮游生物是鱼类的饵料， 通过改变鱼类的数量结构来操纵

11、 植食性浮游动物的群落结构，促进滤食效率高的植食性浮游动物生长，进而降低藻类生物量，改善水质蚌类的增多可使水质变清，从 而为轮藻类植物的大量生长提供有利条件，为草食性水禽提供食物， 扩大水禽的数量及停留时间。3. 湿地在工程上的应用目前研究和应用的湿地生态工程主要包括人工湿地、 蚯蚓生态滤 池，生物栅与生物浮岛技术、 生态砾石床和人工水草净化技术等生态 工程污水处理技术。 人工湿地生态工程技术可有效改善和恢复水域生 态环境，并具有投资、 维护和运行费用低廉， 管理渐变，处理效果好， 回收资源和能源以及收获经济植物等优点， 是一种有效的污水处理新 途径。3.1构建负荷人工湿地系统人工湿地净化污水

12、是基质、 植物、微生物共同作用的结果。 目前， 人工湿地污水处理生态工、 程技术， 按水流形式可分为表面流和潜流 人工湿地， 其中在潜流基础上又改造成了垂直流、 波形潜流人工湿地 系统等。表面流人工湿地， 依靠植物根茎的拦截作用以及根茎上形成 的生物膜的降解作用去除污染物，去除 5，效果较好，但不能充分利用基质及植物根系作用，容易产生异味、孳生蚊蝇等不良效果口 。潜流人工湿地系统， 可以充分利用湿地中基质， 相对表面流人工湿地 卫生条件及保温效果好，受气候影响小，被欧洲、澳大利亚和南非等 国广泛接受， 并应用于许多工程 垂直流人工湿地是结合表面流与潜 流人工湿地的特点而成，但易孳生蚊蝇，操作、

13、管理不便。波形流人 工湿地增加水流的曲折性， 使污水以波形的流态多次经过湿地内部基 质，在传统潜流湿地内部增设导流板，将布水方式设计成波形流动。相对于传统湿地， 波形流湿地在垂直方向上的处理更加优越 有研究 指出，复合人工湿地能取得较好的处理效果。3.2蚯蚓生态滤池在土壤中引入一定量的适合的蚯蚓种类而形成 “蚯蚓床 ”，再引入 污水进行处理，由于蚯蚓具有增加过滤层通透性和清除未完全分解堵 塞的有机物沉淀功能， 使得污水的物理性过滤处理过程和有机物的分 解处理过程得以分开进行， 大大降低了蚯蚓生态滤池所需要的体积和 处理的时间，极大地提高了滤池的处理效率，降低了成本。在处理过 程中，污水养殖了蚯

14、蚓，蚯蚓改良了土壤，通过蚯蚓的生命活动，把 原本对环境有害的有机污染物和植物营养元素重新转化为土壤中的 肥力和蚯蚓机体的组成部分， 而蚯蚓本身则可成为一种高蛋白饲料的 来源，实现了资源的良性循环和再生。上海的中试结果表明，蚯蚓生 态滤池去除率达 8388，5去除率达 9 196， 去除率达 85 92，氨氮去除率达 55 65，总磷去除率 3565，污泥总产率为 02 L。3.3生物栅与生物浮岛生物栅、生物浮岛均是在水中为参与水体污染物净化的微生物、 原生动物、 小型浮游动物等提供附着生长条件的设施。 生物栅是在固 定支架上设置绳状生物接触材料， 使大量参与污染物净化的生物附着 生长，由于其固

15、着生长，不易被大型水生动物和鱼类吞食，使单位体 积的水体中生物数量呈几何级数增加， 净化能力得以强化。 生物浮岛技术是将高等水生植物或改良的陆生植物种植到富营养化水域水面 上，通过植物根部的吸收、 吸附作用和物种竞争相克机理，消除富集 在水体中的氮、磷及有害物质，从而达到净化水质的效果。在选用有 一定经济价值的浮床植物作为植物材料， 能在净化水质的同时收获农 产品，使原来有害于水体的营养物质 N、P元素变为具有实用价值的经济作物的养分来源，还能在一定程度上重建并恢复水生生态系统， 创造生物 （鸟类、鱼类 ）的生息空间，改善景观，并且具有一定的消波效果，可对驳岸进行保护。3.4生态砾石床技术生态

16、砾石床处理技术是将污染水体导人由砾石材料制成的生态 滤床进行处理的方法。 污水中的磷和悬浮性污染物由土壤及砾石的吸 附作用去除，微生物在砾石表面形成的生物膜进行硝化反硝化作用对 氮进行去除。该技术具有造价和运行费用低、水力负荷高的特点，是 治理低污染环境水体的重要方法， 在日本的河湖治理中已经得到了广 泛应用，净化效果好， 5、氨氮及总磷除去率为 50、 60，悬浮物去除率为 7585，实现了微污染水体 （水体深度 ）净化的目的。3.5人工水草生态净化技术人工水草是美国研制成功的一种有着水草形状的人造聚合物， 具 有巨大的生物附着表面积，其上能吸附大量微生物、原生动物、后生 动物，成为鱼、虾良

17、好的栖息地， 营造出适宜各种生物的生态微环境， 将水中无机和有机污染物进行高效降解和净化。据报道，中国广州、 中山等城市利用这种人工水草治理景观水体， 使水体的生态系统功能很快得以恢复，浮游藻类消失，水体腥臭味也得到消除，水体变得清 澈透明，水中鱼类健康生长。4. 化粪池概况化粪池是对生活污水分格沉淀， 及对污泥进行厌氧消化的处理构 筑物。其原理是固化物在池底分解，上层的水化物体进入管道流走， 防止管道堵塞，给固化物题（粪便等垃圾）有充足的时间水解。目前常用的化粪池有砖砌池、 钢混池和玻璃钢化粪池。 砖砌池和 钢混池在建筑过程中要特别注意防渗，如有渗漏，则会丧失作用；而 玻璃钢化粪池解决了传统

18、砖砌池和钢混池不耐腐蚀、 污水处理效果不 好和寿命短的缺点，并且其整体成型好，便于工厂化生产，大大降低 了工程施工的难度，占地面积小、安装方便，所以很受环保部门和建 筑商的欢迎。但是化粪池出水水质、 杂质去除率、 处理效果的实测资料不如给 水与排水处理设施的测试资料齐全。因此，可参考同一地区，相似化 粪池出水水质进行相关设计计算。5. 污水概况 5.1污水水质按照农村地区生活污水水质一般范围， 可认为该区生活污水水质 状况如下： 200250； 100150 ； 100150 ; 3N 2025 ，P 38；水量按照三区居住区综合用水定额的 80%计算，该区有 1000人，水量Qmax (13

19、0 230) 1000 0.8 104000 184000 L / d 104 184m3 / d )(取中间 值 144m3);Qd (100 170) 1000 0.880000 136000L/d80 136m3/d (取中间值 108m3);5.2出水要求出水水质参考集成式生物化粪池出水：108 L； 5 56 L； 25; 3 27,P 5。化粪池出水经生态湿地后，处理出水达到城镇污水处理厂污染物 排放一级啊标准。出水标准见表5.1。GBlfil2002I单吨.LAl圣4；控制顶H提，刍允许挿肢液厦(IlbjfA)里本控制坝H一级杯带-级林淮二级和推A标准B皈准1化学斋锁嶽MOD)5

20、060100牛牝滿賓 f BOD, 10?0soeo1 JiA浮轲10203050动植物油13313156閑离子去面活杵制0. C1n571520-S迪氮1：! 计)53 !2=(301一9心嶙200丘T1二月J】HiT建说的11 53= AULP计J二0閃年1 M 1建世的0. a13510包厦 稱解信救30304050L1pH6-9L：洗人馬蔺打敲f牛1)1L1lbL0*-注；”戶利帖说卜?1上|：皇橫尿眞厅： i ssOubIM,丿；赊*嵐k rec备 MD t T 俺Otag/L IfJ,fS：爭嵯XT 5 350 m2。(2) 潜流湿地潜流湿地面积约为158 m2,可用下式计算:2

21、= Q2X79=158 m2。545水力坡度指污水在人工湿地内沿水流方向单位渗流路程长度上的水位下 降值。计算公式i 100%L(1)水平流人工湿地水深宜为0.30.5m,设计取0.4m;水力坡度宜小于0.5%。设计水平流水力降 H 0.15m,则i 015 100% 0.38% 0.5%，符合要求；37(2)潜流人工湿地水深宜为0.41.6m,设计取0.6m;水力坡度宜为0.51%。设计潜流人工湿地水力降H 0.4m,则i 0.4 100%0.506%，符合要求。79546防渗层人工湿地应在底部和侧面进行防渗处理，防渗层的渗透系数不大 于10-8m，设计采用厚度为0.600.65用无碱或中碱

22、玻璃纤维布机制的油 毡或土工布，也可采用厚度为0.30.6的深色聚氯乙烯塑模。6.结构设计 6.1出水系统的布置湿地床的进水系统应保证配水的均匀性， 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0.5m。湿地的出水系统一般根 据对床中水位调节的要求，出水区的末端的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。6.2填料的适用水平表面流湿地床由两层组成，表层土层，厚 0.4m，砾石层铺设厚度0.2m，总厚度0.6m；潜流湿地床由三层组成表层土层、中层砾石、 下层小豆石(碎石)，钙含量在22.5100为好；土层0.4m，砾石层铺设厚 度0.5m。下层铺设厚

23、度0.3m，总厚度1.2m，人工湿地填料主要组成、 厚度及粒径分布见表5-2：人工湿地填料分析表潜流式湿地床的水位控制：床中水面浸没植物根系的深度应尽可 能均匀。表5 2人工湿地填料分析表填料层水平表面流湿地潜流湿地土壤层石英砂，厚0.4m，粒径2 6石英砂，厚 0.4m，粒径2 6中间层砾石，厚0.2m，粒径5 8砾石，厚0.5m，粒径5 8底层/碎石，厚0.3m，粒径8 107.植被选择7.1选用原则(1)植物在具有良好的生态适应能力和生态营建功能;筛选净化能力强、抗逆性相仿，而生长量较小的植物，减少管理上 尤其是对植物体后处理上的许多困难。 一般应选用当地或本地区天然 湿地中存在的植物。

24、(2)植物具有很强的生命力和旺盛的生长势; 抗冻、抗热能力 抗病虫害能力 对周围环境的适应能力(3) 所引种的植物必须具有较强的耐污染能力;水生植物对污水中的 5?主要是靠附着生长在根区表面及附近的微生物去除的， 因此应选择根系比较发达， 对污水承受能力强的水 生植物。4）植物的年生长期长。人工湿地处理系统中常会出现因冬季植物枯萎死亡或生长休眠 而导致功能下降的现象， 因此，应着重选用常绿冬季生长旺盛的水生 植物类型。5）所选择的植物将不对当地的生态环境构成威胁， 具有生态安全性；6）具有一定的经济效益、 文化价值、景观效益和综合利用价值。由于所处理的污水不含有毒、有害成分 ,可以考虑其综合利

25、用。7.2配置分析 7.2.1根据植物类型分析1）漂浮植物漂浮植物中常用作人工湿地系统处理的有水葫芦、 大薸、水芹菜、 李氏禾、浮萍、水蕹菜、豆瓣菜等。2）根茎、球茎及种子植物这类植物主要包括睡莲、 荷花、马蹄莲、 慈姑、荸荠、芋、泽泻、 菱角等。3）停水草本植物类型这类植物包括芦苇、 茭草、香蒲、旱伞竹、 皇竹草、藨草、水葱、 水莎草、纸莎草等，为人工湿地系统主要的植物选配品种。根据这类植物的生长特性，它们即可以搭配种植于潜流式人工湿地， 也可以种 植于表流式人工湿地系统中。(4) 沉水植物类型沉水植物一般原生于水质清洁的环境，其生长对水质要求比较 高，因此沉水植物只能用作人工湿地系统中最后

26、的强化稳定植物加以 应用，以提咼出水水质。7.2.2原生环境分析根据植物的原生环境分析，原生于实土环境的植物如美人蕉、芦 苇、灯心草、旱伞竹、皇竹草、芦竹、薏米等，其根系生长有向土性, 可配置于表面流湿地系统和潜流湿地土壤中；如水葱、野茭、山姜、 藨草、香蒲、菖蒲等，由于其生长已经适应了无土环境，因此更适宜 配置于潜流式人工湿地。723养分需求分析根据植物对养分的需求情况分析，由于潜流式人工湿地系统填料 之间的空隙大，植物根系与水体养分接触的面积要较表流式人工湿地 广，因此对于营养需求旺盛、植株生物量大、一年有数个萌发高峰的 植物如香蒲、菖蒲、水葱、水莎草等植物适宜栽种于潜流湿地；而对 于营养生长与生殖生长并存，生长缓慢，一年只有一个萌发高峰期的 一些植物如芦苇、茭草等则配置于表面流湿地系统。7.2.4适应力分析般高浓度污水主要集中在湿地工艺的前端部分。 因此前端工艺部分一般选择耐污染能力强的植物， 末端工艺由于污水浓度降低，可以考虑植物景观效果。表5-3水平表面流一一潜流复合型湿地植物选择及搭配表植物类型水平表面流型潜流型备注漂浮植物水葫芦、浮萍水葫芦少量根茎、球茎睡莲、荷花/挺水植物芦苇、美人蕉、灯心草芦苇、菖蒲、水葱、纸莎草主要植被沉水植物/7.3植被选择投资分析本项目采用水平表面流一一潜流复合型湿地系统，植被包