第三章 人工湿地与废水处理设计教材

第三章人工湿地与废水处理设计作为我们思考的结果，我们创造了世界。迄今为止，这世界产生的问题却使我们无法像创造世界那样容易解决。——阿尔伯特.爱因斯坦1主要内容一、废水处理目标：常规处理方法及人工湿地技术简述二、人工湿地的功能和局限性三、设计过程四、设计新的处理设施五、改造现有处理设施的设计六、设计工业、采矿业和农业废水处理系统七、暴雨径流和雨污合流处理系统的设计八、人工湿地的经济学问题2一、废水处理目标：常规处理方法及

人工湿地技术简述（一）环境卫生工程的发展史古罗马城：下水道系统。Cloaca

Maxima长900多m，高4.2m，宽3.2m317世纪，一些有创新思想的德国人认识到，若将未处理的污水引入一个大的人工湖，水体的自然净化机制将会起作用。原因：污水中的固体废弃物会在水流速度较缓慢的水塘中沉淀，从而出水清澈，一般没有气味。419世纪后期，英德的工程师和保健专家开创环境卫生工程（土木工程的分支），意识到下水道系统和废水处理对保护公众健康的必要性。一般程序：建立下水道系统收集废水，再采用沉淀池去除固体物，水再被排放到河流或海湾。实践应用：效果显著。原因：废水中需要处理的固体有机物含量不高。5未处理的生活污水的典型组成表(Tchbanoglous,1993)污染物单位低浓度中等浓度高浓度总固形物mg/L3507201200溶解性固形物mg/L250500850悬浮性固形物mg/L100220350生物需氧量mg/L110220400氮mg/L204085619世纪中叶，英国生化需氧量（biochemicaloxygendemand，BOD）：表示水中有机化合物等含量的一个综合指标，可反应水体污染的程度。指需氧微生物分解水中所含有机物为无机物或气体化时所需消耗的氧量。以毫克／升表示。20世纪初，科学家开始研究废水中有机固体物和可溶性化合物分解和处理的自然过程。720世纪70~80年代，大工程建设资助项目的建立带动了大型、复杂的废水处理系统的设计和建设。而节能、高效、低成本的应用技术未获得发展。主流思想：无需考虑生物技术也能将废水处理好。设计方法：固体絮凝沉淀，用高效的曝气设备尽可能快、多地在充满氧气的反应池中繁殖细菌，然后机械地进行残余污泥的脱水和浓缩，最终将它们堆在垃圾场或填入大海。870年代末，微生物学家和生态学家通过对废水处理的本质过程的研究，认识到自然系统，如水塘、沼泽和草地的生态系统，具有许多优势和重要的功能特点，这些生态系统在废水处理系统中的应用具有很大的发展潜力。自然系统的优势：可以自我维护、自我调节和自我组织；可利用太阳能或利用废水中存在于有机物内的化学能其复合生态功能可以处理和降解有毒的有机化合物和含金属的难降解的有机化合物；结构简单、容易建造，系统的运行和管理简单9(二）人工湿地简介目前，人工湿地广泛用于处理各种类型污水，如城市生活污水、酸性矿山废水、农业污水等，还被用于淡水回用水深度处理、净化富营养化水、自然保护、处理硝酸盐污染的地下含水层。在美国有600多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水，在丹麦、德国、英国各国至少有200处人工湿地(主要为地下潜流湿地)系统在运行。新西兰也有80多处人工湿地系统被投入使用。10北美2/3的湿地是自由表面流湿地，其中一半是自然湿地，其余为人工自由表面流湿地。北美的湿地主要对人口较多的地区进行高级处理。在欧洲应用较多的则是地下潜流系统，尤其在一些东欧国家应用较广泛。该系统中种植有芦苇、菖蒲、香蒲等湿地植物，为了保证潜流，绝大多数系统还采用砾石作为填料。此类系统趋向于对近1000人口当量的乡村级社区进行二级处理，但它在澳大利亚和南非则被用于处理各类废水。11中国1987年（“七五”）建立了第一个人工湿地系统后，在人工湿地净化机理、系统控制、设计及运行参数等方面均取得可喜的进展。近10年来，人工湿地技术在我国被广泛应用于农业面源污染控制及生活污水、垃圾场渗滤液、采油废水、啤酒废水、制浆造纸废水等的处理。20世纪末建成的成都活水公园展示了人工湿地污水处理新工艺用“绿叶鲜花装饰大地，把清水活鱼送还自然”的魅力。12随着研究逐渐深入，人工湿地还被用于改善饮用水源水质如利用人工湿地改善北京官厅水库水质，出水基本满足地面水Ⅲ类标准。目前，人工湿地还被广泛用于新兴领域，如利用人工湿地生态系统去除水体中的藻类效果显著，这说明人工湿地系统在污水深度处理或者在减少水体富营养化、抑制藻类疯长等方面都有其独特的作用。13二、人工湿地的功能和局限性（一）功能湿地是一种极有价值的生态系统类型，它具有各种生态系统的功能，是单位面积生态最高的陆地生态系统。人工湿地具有自然湿地生态系统同样的功能和效应。环境效应：增加大气湿度；净化污水；减灾和保护濒危动植物；人工湿地植物多样性和景观效应；美化市容景观、衬托建筑、增加艺术效果的功能；调节区域气候。经济效应：人工湿地的旅游环境和景观作用；人工湿地植物的药用价值；人工湿地植物的纤维作用。14（二）存在的问题及当前的解决措施温度问题：低温会导致处理效果显著降低。低温时生物活性下降和植物的死亡；低温时表面流和竖流湿地的表面会结冰，阻碍了大气的复氧过程,使生化水平降低,而且减少了有效水深,缩短了停留时间,影响处理效果。

减小温度带来的影响可采取的措施：在工艺上可采用潜流人工湿地：在该工艺中表层土以及植物的落叶可起一定的保温效果，而且无表面结冰问题，因此受温度的影响较小。可以采用适当的保温措施。加强前处理单元,以减轻湿地的处理负荷。15占地面积问题：人工湿地净化的机理与特点使其需要较大的占地面积,约为传统污水处理的2～3倍左右。而当今，很多城市的土地资源非常宝贵，这就为应用该技术带来了很大的障碍。解决措施：由于自身处理过程的特殊性,人工湿地技术在占地上的问题很难完全解决。但可以采取适当的措施以减少占用有效的土地资源。选址时要考虑环境、经济效益综合最优化和规模化的因素,如可将工程选址在市郊区域，这样做还能减轻风沙等对市区的影响和破坏。另外,可采用组合工艺,以提高效率,减少占地面积。16出水污染物浓度回升问题：水生植物生长周期较短和补给水源水质等环境的变化会引起植株的衰竭和腐烂，腐烂的茎、叶容易消耗水体中的溶解氧使河床上升、底泥增多，其中释放出的有机物、氨氮等导致水体污染物回升，容易造成水体的二次污染。解决办法：及时收割调控，并将茎和叶移出水体，以便有效削减氮、磷并培育维护良好生态系统和促进健康水体的形成。17堵塞问题：随着时间推移,湿地中部分营养物质会逐渐积累,湿地中的微生物也相应繁殖,再加上植物的腐败,若维护不当,很容易产生淤积、阻塞现象。这种现象不仅会影响水的流速,而且会影响水的复氧,从而影响到微生物的活性进而影响到处理效果。解决办法:选择适当的填料，最好是多孔、质轻、不易板结的材质,采用合适的操作工艺,可以通过一定的间歇进水来恢复湿地的渗透速率,选择适当的植物密度并及时维护。18温度对碳素循环的影响作为自然周期一部分的碳素循环是湿地生态的一个基本要素。温度由10℃升至20℃时，微生物的活性可增加一倍。热带雨林土壤中的枯枝落叶远远少于植物地上部分的生物量。北极地区泥潭沼泽地上枯枝残叶到处可见1920温度对氮和磷的影响营养物氮和磷被湿地生态系统去除或利用是一个与温度有关的过程。这个过程主要是生物过程。其局限性就是有季节性，反映了植物的生长随温度升高而增长。2122三、设计过程（一）社区居民对问题的认识和分析（二）规划：成立规划组，做出预算，列出进度表，论证问题的性质和规模，然后进入公众参与的过程，选择设计废水处理厂的工程设计公司。23四、设计新的处理设施设计废水处理设施是工程师的职责。考虑到处理设施对周围环境的影响，以及处理后的污水可能回用以建立动植物生境或作为景观用水，设计组应有多学科的共同参与。如果可行性研究结果表明人工湿地是最有成本效益的选择，则设计中要考虑以下方面：24（一）估计废水流量

确定人均废水量和每户的平均流量：参考资料+该地区类似处理系统的结果。估计在系统的使用寿命期内可能增加的新家庭户数。通常，系统的设计寿命为20年，而新增户数一般参考该社区过去的人口增长率。25（二）验证废水的性质设计者需要估测欲处理废水生物需氧量、总固体悬浮物、总氮、总磷的含量，这些数据与社区的特点以及商业机构、工厂和餐馆的数量有关。如果收集系统适当，检测一周的废水样品将能提供废水水质参数的精确数据。26（三）排放许可标准1996年，《污水综合排放标准》(GB8978-96)2002年，《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-20022006年，《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）修改单。27（四）初步选址的评估选择一个新的废水处理厂址时，需要使用包括整个社区的地图，同时结合土壤保护地图来确定可供选择的地点。然后按适合性排列出点的顺序。28（五）所选地点的地形初步选址后，应该获得一张最可能选定的地点的地形图。要能确定所选地点边界状况、现存的构筑物、水井、公用事业以及其他相关的构筑物。地形图上的等高线之间的间隔应为30~60cm。29（六）所选地点的土壤和地下水情况应取得至少三个地点、钻孔深度至少1.5米的土壤钻孔资料。土壤应该按其类型和渗透性分类。确定渗透性要用至少7m2的水池试验。地下水的深度：考虑用地下渗透、渗透池或土地用作最终处理，应该取得地下含水土层的水质资料，还应该分析地下水的水质特性。30（七）气候废水处理要受到水温的影响。以下信息很重要：1、月均气温，尤其是1月份；2、降雨量，包括24h暴雨事件3、蒸发蒸腾量4、75cm深处的土壤温度5、太阳辐射另外，还要考虑到地方小气候。31（八）下水道系统现存的下水道可能对处理的废水的流量和水质有很大的影响。如果是流入和渗透量都很大，则可能需要改造该系统。新的污水收集系统一般没有显著的渗透和流入问题，废水的流量远低于传统的下水道系统。而相应的污染物浓度较高，可考虑已有的化粪池的作用。32（九）设计举例1、科罗拉多州Ouray市已有下水道系统，需要全新的废水处理系统。20世纪80年代，Ouray市经济增长快速，老的处理系统被污泥填满，机械曝气设备也需要更换，下水道系统基本能用。Ouray市位于峡谷中，河边可利用土地有限，不可用土地处理。考虑的方法包括曝气塘、活性污泥法、氧化沟。设计：选用成本低的曝气塘法，再用表面人工湿地对生物需氧量和总固体悬浮物去除。3334352、新墨西哥州的卡普廷村（1）项目介绍：卡普廷村是一个小社区，原有的污水氧化塘已被污泥填满。需要新的处理系统处理现有废水和适应预期的人口增长。a.设计流量=85000加仑/天b.用土地应用方法实现零排放c.冬季温度-15℉，夏季温度95℉d.为美国的鱼类和野生动物提供生境36（2）有限资金：需要投资成本和运行成本较低的系统。投资成本为304000美元。（3）技术：采用竞标方式聘用有合适经验和资质的工程公司。（4）设计目标：建立一个能处理85000加仑/天的具有成本效益的系统，并以湖和沼泽的形式为社区提供一个美观的休闲场所。37383、内布拉斯加州的汉森湖（1）项目介绍：该地区地下水的水位相当高，水可在沙质壤土层中自由流动。土地过滤系统和水井设置得很近，导致地下水质污染。该地区未建立过湿地，且资金有限。（2）解决方案：社区对4种不同的设计方案进行评估，选择了人工湿地方案。39404、墨西哥特拉斯卡拉的基尔塔拉镇（1）项目介绍：约4000居民，有下水道系统，无废水处理系统。该镇废水的生物需氧量是美国城市废水标准的4~8倍，政府需要一个成本低、容易维护和运行的处理系统。资金有限。（2）设计目标：当地土壤紧实，地貌多山，选址和施工困难。

a.达到或超过墨西哥的废水排放标准。

b.用本地的材料和劳工。使设备和电耗减至最少。

c.建立一个美观的没有气味的处理系统，运行和管理维护简单。41421990年7月建起我国第一个人工湿地污水处理工程――深圳白泥坑人工湿地处理系统。白泥坑人工湿地污水处理系统位于深圳市宝安县百泥坑村南500m处。水系沿山角流向海湾属海洋性气候。占地面积189亩，日处理量3100m3/d废水。其处理流程见下图：5、深圳白泥坑人工湿地处理系统

43深圳白泥坑人工湿地处理流程图

44人工湿地及氧化塘系统各单元的设计参数见表1：45经过近两年的试验运转，出水效果较好。除氨氮指标效果不明显外，其余指标均能达到国家规定的二级处理排放标准。该工程无动力消耗，管理较方便，除每月作一次水质监测外，平时无需其它管理。从外观看，进水水质略显浑浊，但无色无臭，是一个村镇排出的生活污水及少量村办企业的废水汇合而成。其运行费用为0.02元/m3仅为传统活性污泥法的10％。466、山东胶南市污水处理厂

胶南市位于山东半岛西南部，其市区三面环山，一面临海。其排水系统多采用雨污分流制，工业废水与生活污水量之比为1：4，工业废水主要来源于造纸，化工，印染，纺织，食品加工，酿造，橡胶，热电等企业。

以处理污水量61x104m3/d计，在建造污水处理厂前对各种处理流程进行了经济技术比较，见下表

475种污水处理工艺技术经济比较表48山东胶南市污水处理厂工艺流程

49五、改造现有处理设施的设计改造现有处理设施的设计通常包括添加附加处理工艺或设计全新的设施取代旧的设施，以使现有的设施满足新的要求。估计最终的流量是一个主要的设计难点，通常也是最关键的问题。在任何一种情况下，人工湿地对小社区都是一个好选择，因为现有处理设施可以与湿地联用。可以以现有的氧化塘作为初级处理单元，而在湿地系统中进行二级或三级处理。50六、设计工业、采矿业和农业废水

处理系统难点和重点：如何准确估测废水的流量和分析废水的特性。废水性质分析需要毒物学家的建议。由于废水中可能缺乏营养，还可能需要微生物学家的参与。设计理念：几乎所有的工业污染物都可以利用细菌、植物和真菌的作用进行生物修复，而创造生物修复过程的理想条件的最佳环境就是湿地。51设计中的一般规则创造生物条件改变pH值至中性；保证所有营养物以适当的比例存在；不断添加微量营养素；筛选分解力强的细菌接种到湿地；选择适合于这一地区水质的植物；咨询相关专家获得帮助52七、暴雨径流和雨污合流处理系统的设计雨水径流的特点：水流量间歇、不均匀，季节变化性很大；水质参数的可变性：初期的主要污染物是金属和石油烃类化合物，随后污染物浓度下降。53设计方案

确定要处理的径流水量：对不同的暴雨事件造成的径流采样。调查可能建立处理设施的场地。构建人工湿地：采用表面流湿地去除挥发性有机物、特别是石油烃类物质效果好要有合适预防措施来防止沉积物和垃圾的堆积或堵塞54八、人工湿地的经济学问题（一）潜流系统（SubsurfaceFlowSystems）

影响处理废水的湿地成本的因素：（1）水流滞留时间（2）处理目标（3）介质深度（越深的系统需要的隔水衬垫越少）（4）预处理的类型（5）处理单元的数目（单