湿地处理城市生活污水处理项目设计方案

1 湿地处理城市生活污水 处理 项目设计方案 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。 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、控制土壤侵蚀等方面均起到重要作用。 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 地植物在污水降解中的作用及机理 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 有机成分，然后通过植物的收割而从系统中去除。目前，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 20 40 ，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、 403和 4570 。 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 00g/g，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 3 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。 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、 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 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 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。一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 7%87%的磷是通过基质的吸附沉淀作用而被去除的 。 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 4 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。 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。 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 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 5 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、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。 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 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 草杆菌可有效地吸附 。有些微生物是重金属污染物的良好吸附剂。 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 6 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。 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。 人工湿地净化污水是基质、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 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 7 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、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。 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 3 88， 1 96， 去除率达 85 92，氨氮去除率达 55 65，总磷去除率 35 65，污泥总产率为 02 L。 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 8 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、 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 。 生态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， 氮及总磷除去率为 50、 60， 悬浮物去除率为 75 85 ，实现了微污染水体 (水体深度 )净化的目的。 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 9 动物，成为鱼、虾良好的栖息地，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。 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。 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： 00250mg/l； 00150 mg/l； 00150 mg/l; 10 N 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 1 8 41 0 4/1 8 4 0 0 01 0 4 0 0 0 0)2 3 01 3 0( 3m a x ）（取中间值 144m3/d）； d /1 3 680/1 3 6 0 0 08 0 0 0 0 0)1 7 01 0 0( 3 （取中间值 108m3/d）； 出水水质参考集成式生物化粪池出水： L； 6L； ; 7， 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 主要控制指标处理效率 : 11 （ 1） 除 效率： %0056 1056 ； （ 2） 除 效率： %00108 50108 ； （ 3） %00125 10125 ； （ 4） %0027 527 ； （ 5） %005 。 采用负荷人工生态系统对该区污水进行处理。 因处理水量不大， 故不设置水量调节构筑物，只设置格栅间、集水井。污水中 了避免堵塞，可设置多孔管和三角堰，将填料定期取出清洗即可。 处理工艺见图 人工湿地污水处理工艺流程图 计算 公式： )ln( A 湿地面积， Q 最大日最大时流量， m3/d； 进水 ； 出水 ； 格栅 表面流人工湿地 潜流人工湿地 出水 化粪池出水 12 与温度相关的速率常数 ， （ T 20） ，5，则 d 介质床的深度，一般取 .计取 n 介质的孔隙度 ， 一般从 10 40不等。 表 5 1 人工湿地面积计算表 孔隙度 10 20 30 40 湿地面积（ 1525 762 508 381 可见，填料床 孔隙度 的大小对人工湿地面积的影响较大。 本项目设计孔隙度取 30%，则人工湿地面积约为 508中 水平湿地面积为 350流式 潜流 湿地面积为 158 指污水在人工湿地内的平均驻留时间。 计算公式：式中 t 水力停留时间， h； V 池子容积 积为 50810 湿地孔隙度，湿地中填料的空隙所占池子容积的比值，需实验测定；本设计按 30%记； 则 30610 水力负荷计算 指每平方米人工 湿地在单位时间锁能接纳的污水量。 计算公式： 13 指每平方米人工湿地在单位时间去除的五日生化需氧量。 计算公式： 0 8 1010561 4 43 m2d 式中 进水 ； 出水 ； 计算公式： 2式中 V 管道的流量， m3/d； D 管道的直径， m。 S 管道中水流速度，设计取 s； 计算得， D=用 管管道 ，也可用 （ 1）水平潜流湿地 表面流人工湿地单元的长宽比宜控制在 3:15:1之间，当区域受限，长宽比 10:1，需要计算死水曲线。 设计 水平表面流湿地长宽比为 4:1，而水平湿地面积约为 350 B=4BB=350 =设计取 B=L=计取 L=37m； 校核长宽比： L，符合要求； B=37m350 （ 2）潜流湿地 14 潜流湿地面积约为 158 用下式计算： Q(0e) / ( n) 但由于整个湿地系统是按照整体计算，无法用 潜流人工湿地单元的长宽比宜控制在 3:1以 下。 考虑场地布局实际情况，设计取 B=2m；则 L=79m。 B=279=158 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 %1001） 水平流人工湿地 水深宜为 计取 力坡度宜小于 设计水平流水力降 H %i 符合要求； （ 2）潜流人工湿地水深宜为 计取 力坡度宜为 1%。设计潜流人工湿地水力降 H %0079 i ，符合要求。 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 10s，设计 采用厚度为 制 的油毡 或土工布， 也可采用厚度为 15 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 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。 水平表面流湿地床 由 两 层组成 ， 表层土层 ，厚 砾石层铺设厚度 厚度 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 200土层 砾石层铺设厚度 层 铺设厚度 厚度 工湿地填料主要组成、厚度及粒径分布见表 5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 径 26英砂，厚 径 26间层 砾石，厚 径 58石，厚 径 58层 / 碎石，厚 径 810（ 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。 16 （ 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 N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 ,可以考虑其综合利用。 （ 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 17 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的强化稳定植物加以应用，以提高出水水质。 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。 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 18 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。 应力分析 一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平表面流 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