（园林植物与观赏园艺专业论文）污水处理型人工湿地规划设计研究.pdf

山东农业大学硕士学位论文 污水处理型人工湿地规划设计研究 摘要 湿地与人类的生存、繁衍和发展息息相关，是自然界最富生物多样性 的生态景观和人类最重要的生存环境之一，它不仅为人类的生产、生活提 供多种资源，而且具有巨大的环境功能和效益，在抵御洪水、调节径流、 蓄洪防旱、控制污染、调节气候、控制土壤侵蚀、促淤造陆、美化环境等 方面有其他系统不可代替的作用，被誉为“地球之肾”，受到全世界范围的 广泛关注。但随着人口的急剧增加，为解决农业用地的扩张和发展经济， 对湿地的不合理开发利用导致我国天然湿地日益减少，功能和效益下降； 捕捞、狩猎、砍伐、采挖等过量获取湿地生物资源，造成了湿地生物多样 性逐渐丧失；湿地水资源过度开采利用，导致湿地水质碱化，湖泊萎缩； 长期承泄工农业污水、生活污水，导致湿地水污染，严重危及湿地生物的 生存环境；森林资源的过度砍伐，植被破坏，导致水土流失加剧，江河湖 泊泥沙淤积等，使我国湿地资源已经遭受了严重破坏，其生态功能也严重 受损。 不合理利用湿地资源已经造成了天然湿地功能衰退，但天然湿地的水 质净化功能在历史上就已经广为应用，在一些地方至少存在1 0 0 年以上。 基于天然湿地的净化机理，也是保护天然湿地的目的，人工湿地污水处理 技术在2 0 世纪5 0 年代诞生于德国。进入6 0 年代，该技术开始用于处理 工业污水、江河水、地面径流和生活污水，目前已经在世界范围内得到广 泛研究和应用。 本文选取污水处理型人工湿地为主要研究对象，在对其进行了详细实 地调查的基础上，结合相关文献研究，分析了当前国内外人工湿地污水处 理的现状，并指出其存在的问题，探讨了相应的解决方法。人工湿地是一 项较新的污水处理技术，应用历史较短，在进行工程化时也存在认识上的 缺陷。本文提供了较为全面的相关背景知识，从机理、设计到维护和管理， 从研究成果到应用实践，详尽地归纳、总结和提高，以期对应用该技术的 认识起到借鉴作用，也希望进一步扩大人们对该技术的认识和认同。 全文共分为七部分，在第一部分绪论中简述了研究背景、目的和意义， 污水处理型人工湿地规划设计研究 研究方法和框架等，介绍了国内外关于污水处理型人工湿地的研究现状， 人工湿地的相关概念和分类；第二部分，阐述了人工湿地与常规生物处理 方法的区别，分析了人工湿地的优缺点；第三部分，介绍污水处理型人工 湿地的概况，从构建要素、净化机理、工艺流程、影响因素和景观营造等 方面详细进行阐述；第四部分是论文的理论核心，详细阐述了湿地处理系 统建设和运行管理；第五部分，对典型案例进行分析研究，提出其存在问 题及解决对策；第六部分，是将理论应用于德州城区人工湿地水资源综合 利用工程这一具体实践的应用过程，分别从现状分析、功能定位、工程技 术分析、种植技术分析、水系规划、与自然环境互动的美学设计、新型生 态净化技术的应用及植物选择和栽植方面详细阐述该人工湿地的运行过 程；第七部分，对全文的总结和归纳。 关键词：污水处理；人工湿地；景观；设计 2 山东农业大学硕士学位论文 t h es t u d yo ns e w a g et r e a t m e n ti nw e t l a n d s p l a n n i n ga n dd e s i g n - 1- a b s t r a c t w e t l a n d si s c l o s e l y r e l a t e dt oh u m a n s u r v i v a l ，r e p r o d u c t i o n a n d d e v e l o p m e n t i ti sl a n d s c a p ee c o l o g yo ft h em o s tb i o d i v e r s i t yi nn a t u r ea n di s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tl i v i n ge n v i r o n m e n t i ti sn o to n l yp r o v i d i n gaw i d e r a n g e o fr e s o u r c e sf o rt h e p r o d u c t i o no fh u m a nl i f e ，b u ta l s oh a v i n g t r e m e n d o u se n v i r o n m e n t a lf e a t u r e sa n de f f i c i e n c y , f o re x a m p l ei n a g a i n s t f l o o d s ，r e g u l a t i n gr u n o f f , f l o o da n dd r o u g h t , p o l l u t i o nc o n t r o l ，c l i m a t e r e g u l a t i o n ，s o i le r o s i o nc o n t r o l ，a n dp r o m o t i n gl a n da n db u i l ds i i t , b e a u t i f y e n v i r o n m e n t , i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ea st h e k i d n e y so ft h ee a r t h b yt h e w o r l d w i d ea t t e n t i o n b u tw i t ht h ed r a m a t i ci n c r e a s ei np o p u l a t i o n , i no r d e rt o a d d r e s st h ee x p a n s i o no fa g r i c u l t u r a ll a n da n dd e v e l o p i n gt h ee c o n o m y , t h e i r r a t i o n a l e x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o n o fw e t l a n d sl e a dt ot h ed e c r e a s eo f c h i n a sn a t u r a lw e t l a n d sa n dt h ed e c l i n eo ft h ef u n c t i o n a l i t ya n de f f i c i e n c y ； f i s h i n g ，h u n t i n g ，l o g g i n g ，e x c a v a t i o n , a n do t h e ro v e ra c c e s st ob i o l o g i c a l r e s o u r c e s ，r e s u l t i n g i nal o s so fw e t l a n d b i o d i v e r s i t y ；t h e u s eo f o v e r - e x p l o i t a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ，l e a d i n gt ot h ew a t e rq u a l i t yo fa l k a l i w e t l a n d sa n dt h es h r i n k i n go fl a k e ；t h el o n g t e r mi n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l w a s t ew a t e r , l e a d i n gt ow a t e rp o l l u t i o no fw e t l a n d sa n ds e r i o u s l ye n d a n g e rt h e s u r v i v a le n v i r o n m e n to ft h ew e t l a n db i o l o g i c a l ；t h ee x c e s s i v ef e l l i n go ff o r e s t r e s o u r c e s ，d e s t r u c t i o no fv e g e t a t i o n ，r e s u l t i n g i ni n c r e a s e ds o i le r o s i o n , s i l t a t i o no fr i v e r sa n dl a k e s ，a n ds oo n o u rw e t l a n dr e s o u r c e sh a ss u f f e r e d s e r i o u sd a m a g ea n di t se c o l o g i c a lf u n c t i o n sa l es e v e r e l yd a m a g e d u n r e a s o n a b l eu s eo fw e t l a n dr e s o u r c e sh a sr e s u l t e di nad e c l i n eo fn a t u r a l w e t l a n d , b u tt h en a t u r a lw e t l a n d so ft h ep u r i f i c a t i o no f w a t e rq u a l i t yi nh i s t o r y h a sb e e nw i d e l yu s e di ns o m ep l a c e s ，t h e r ea l ea tl e a s t10 0y e a r s b a s e do i lt h e n a t u r a lw e t l a n d so fp u r i f i c a t i o nm e c h a n i s m ，b u ta l s ot h ep r o t e c t i o no fn a t u r a l 3 污水处理型人工湿地规划设计研究 w e t l a n d si nt h ee n d ，t h ew e t l a n ds e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g yi nt h e19 5 0 s w a sb o r ni ng e r m a n y i n t ot h e6 0 s ，t h eb e g i n n i n go ft h et e c h n o l o g yu s e dt o t r e a ti n d u s t r i a lw a s t ew a t e r , f i v e rw a t e r , s u r f a c er u n o f fa n ds e w a g e a tp r e s e n t , i th a sb e e ne x t e n s i v er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nt h ew o r l d t h i sa r t i c l es e l e c t e ds e w a g et r e a t m e n tw e t l a n d sf o rt h em a i ns t u d y , i t p r o v i d e sam o r ec o m p r e h e n s i v eb a c k g r o u n dk n o w l e d g e ，f r o mt h em e c h a n i s m a n dd e s i g nt ot h em a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t ，f r o mt h ea p p l i c a t i o no f r e s e a r c hr e s u l t st o p r a c t i c e ，s u m m a r i z e d i n d e t a i l ，w i t h av i e wt ot h e a p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g i e si nd r a w i n g , b u ta l s oh o p e st oe x p a n dt h e t e c h n i c a lk n o w l e d g ea n di d e n t i t y t h ef u l lt e x ti sd i v i d e di n t os i xp a r t s ，t h ef i r s tp a r tb r i e fi n t r o d u c et h e b a c k g r o u n d ，p u r p o s ea n dt h er e s e a r c hm e t h o d o l o g ya n df r a m e w o r k , a th o m e a n da b r o a do nt h es e w a g et r e a t m e n tw e t l a n dt y p eo fr e s e a r c h , a r t i f i c i a l w e t l a n d s - r e l a t e dc o n c e p t sa n dc a t e g o r i e s ；t h es e c o n dp a r t ，c o m p a r eb e t w e e n t h ew e t l a n d b i o l o g i c a l a n dc o n v e n t i o n a lm e t h o d sa n da n a l y s i so ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fw e t l a n d ；t h et h i r dp a r t ，i n t r o d u c es e w a g e t r e a t m e n tw e t l a n d s p r o f i l e ，e l a b o r a t e i n d e t a i lf r o mt h e c o n s t r u c t i o no f e l e m e n t s ，t h em e c h a n i s mo fp u r i f i c a t i o n , p r o c e s s ，t h ei m p a c ta n dc r e a t ea l a n d s c a p e ；t h ef o u r t hp a r ti st h ef u l l t e x to ft h ec o r et h e o r y , i n t r o d u c et h e w e t l a n dt r e a t m e n ts y s t e ma n do p e r a t i o nm a n a g e m e n t ；t h ef i f t hp a r t , a n a l y s i s t h et y p i c a lc a s es t u d y , p u tf o r w a r dt h e i rp r o b l e m sa n ds o l u t i o n s ；t h es i x t hp a r t o ft h ep a p e ri st h ec o r ep a r to ft h et h e o r y , i ti st h ec o n c r e t ep r a c t i c eo ft h e a p p l i c a t i o no f t h ep r o c e s si nt e x a sc i t yw e t l a n dw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o no f t h i sp r o j e c t ，d e t a i l so ft h ew e t l a n d so p e r a t i o nf r o ma n a l y s i so ft h es t a t u sq u o ， t h ef u n c t i o n s ，e n g i n e e r i n ga n a l y s i s ，c u l t i v a t i o nt e c h n i q u e s ，w a t e rp l a n n i n g ， i n t e r a c t i o nw i t ht h en a t u r a le n v i r o n m e n to ft h ea e s t h e t i cd e s i g n , t h en e w e c o p u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dp l a n ts e l e c t i o na n dp l a n t i n ga r e a ；t h es e v e n t h p a r t ，t h ef u l lt e x to ft h es u m m a r ya n ds u m m a r i z e d k e yw o r d s ：s e w a g et r e a t m e n t ，w e t l a n d ，l a n d s c a p e ，d e s i g n 4 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究所 取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个 人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同 意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，同时授权中国科学技术 ， 信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并向 社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 导师签名： 日期： 山东农业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景、目的和意义 随着人类对水资源开发利用的不断增加和水资源的日益短缺，水资源 再利用也日益显示出它的重要性。探索高效、低耗、低成本、易管理、可 持续的污水处理技术是世界各国环境治理的一个重要方向，对于我国这样 的发展中国家具有更加重大的意义。湿地在水资源安全和生态安全中的重 要价值正逐渐受到重视，人工湿地的建设可谓如火如荼。用于污水处理的 人工湿地已经在发达国家成为水环境处理的重要法宝。 我国城市污水再生利用的有效途径是建立水循环新模式，保障人体健 康安全和环境安全，把污水再生利用的内容纳入到城市水资源开发与利用 规划中去，把污水再生利用项目系统化地纳入到城市水环境建设中。随着 老工业基地振兴战略计划的逐步实施，水资源的再生利用将成为各个工业 城市和乡镇的重要问题。利用天然或人工湿地处理生活和工业污水，在华 北以南的广大区域已经发挥了人工湿地净化城市污水效率及其机理研究 的巨大作用。但是，由于人工湿地污水处理系统尚处于开发和应用研究阶 段，尤其是在我国还缺乏比较成熟的设计参数，其工艺设计也还处于经验 阶段。 本论文围绕湿地水环境功能问题，揭示人工湿地净化污水的效率及其 制约因素，提供污水处理型人工湿地的规划设计方法和改进思路，为生态 城市建设提供理论和方法，为用于污水处理的天然湿地改造工艺和管理提 供科学依据，对发展人工湿地污水处理系统提供有益的借鉴。 1 2 人工湿地污染净化研究进展 1 2 1 人工湿地处理污水研究历史 人工湿地污水处理技术的发展最早可追溯到1 9 0 3 年，英国约克郡 e a r b y 州建立了世界上第一个用于处理污水的人工湿地，并连续运行到 1 9 9 2 年，而人工湿地污水处理工艺在世界各地受到重视并被较广泛应用 始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 5 3 年，德国著名的k a t h es e i d e l 博士在研究中发 现，芦苇及其他高大植物能从污水中去除重金属和碳水化合物。其后，这 5 污水处理型人工湿地规划设计研究 些实验室观察推广至许多大规模试验，并用以处理工业污水、江河水、地 面径流和生活污水i ，同时，s e i d e l 开发出“m a x p l a n c ki n s t i t u t e - p r o c e s s 系统，该系统由四或五级组成，每级由几个并联并载有挺水植物的池子组 成【2 1 。她的研究成果，激发了对于欧洲人工湿地处理污水的研究，并带动 了欧洲和世界处理污水的人工湿地建设。 2 0 世纪6 0 年代中期，s e i d e l 与k i c h u t h 合作并由k i c h u t h 于1 9 7 2 年 开发出“根区法”，进一步推动了对湿地污水处理技术的试验研究，掀起了 人工湿地研究与应用的热潮。 1 9 7 5 年，s e i d e l 作为顾问应邀到费城参与湿地净化污水系统的设计。 紧接着，在费城大学组织召开了第一次污水生物处理方法国际会议，费城 大学出版社出版了会议文集水体污染的生物控制。这是有史以来第一 部关于人工湿地处理污水系列性的文献例。 1 9 7 6 年以后，这项研究工作迅速开展起来，w i s c o n s i n o s h k o s h 大学 的教授们在中试规模的试验中得出结论：用人工草丛沼泽处理系统来替代 烂泥塘具有一定的潜力【4 j 。 之后，关于寒冷气候区人工湿地功能发挥的能力问题引起重视。1 9 7 9 年，在安达略l i s t o w e l 建成人工湿地，1 9 8 0 1 9 8 4 年的检测资料显示，即 使在最冷的月份，尽管其速率减小，但系统仍然保持一定的清除率【5 j 。 8 0 年代中期，美国田纳西州流域管理局启动一系列的中试和全方位 沼泽处理系统的建设，进一步研究了湿地处理污水系统的结构和效益1 6 】。 1 9 9 3 年，美国专家在新奥尔良召开了一个为期两天的研讨会，提交 了一个报告【7 】，对潜流湿地的设计、建设、操作和保持达成共识，这个报 告界定了一些尚需进一步研究的领域。 目前，人工湿地已在欧美得到较广泛的应用。截至2 0 0 6 年，欧洲建 有一万多座人工湿地，北美有近两万座人工湿地。据统计，1 9 9 0 年，美 国亚利桑那州仅有4 座人工湿地处理生活污水，到1 9 9 7 年，数量增加到 5 0 座，可见人工湿地在污水处理中的应用潜力i s 。亚洲、澳洲、拉丁美洲 也有越来越多的人工湿地污水处理系统建成和投入运行。 6 山东农业大学硕士学位论文 1 2 2 人工湿地净化污水的研究进展 ( 1 ) 关于湿地处理污水效率 人工湿地的建设发展到今天，其去污效率已经显而易见，单纯的去污 效率研究已经不再是研究的热点【9 】【1 0 1 。但是，任何一个拟建或已建的人工 湿地都具有与其它湿地不同的环境特点。除污效率主要受到环境条件和人 工湿地填料、水力负荷和植物种类的控制。因此，污水处理效率仍然是检 验湿地结构合理性和人工湿地建设的重要依据。大量的观测表明，处理湿 地净化污水的效果是显而易见的【i l 】【1 2 】。例如，k n i g h t 等对1 3 0 0 多条已 报道的数据进行分析，人工湿地对饲养家畜排放水的净化效率平均为： b o d 5 ，6 5 ；t s s ，5 3 ；t n ，4 2 和t p ，4 2 。来自美国环保机构的 数据库资料显示出了更高的处理效率【1 3 】【1 4 】，齐齐哈尔大型人工污水处理 湿地，其c o d e r 和b o d 5 的净化效率最高值分别为8 2 5 和8 6 4 t 1 5 】。可 见，人工湿地对于污水污染物的去除效果良好。 ( 2 ) 关于除污植物的选择和净化机制 提高湿地处理效率研究方面一个很重要的内容是如何选择合适的植 物种类。漂浮植物是人工湿地中常用的一类植物，其中水葫芦的净化效果 最好，污水滞留2 7 5 h 就可有效去除b o d 5 ，c o d c r ，n i - g - n ，p 0 4 p 和肠 细菌。但由于它繁殖速度过快，目前已给很多国家带来了许多问题，如侵 占水体，阻塞河道，强烈的蒸腾导致大量水分损失和水位下降，蚊子等害 虫在其中大量繁殖等。尽管存在较多的负面影响，但只要处理得当，水葫 芦仍可以获得理想的结果【1 4 1 。不同的物种或同一物种在不同的湿地环境中 的净化效率都会有较大差异。黄时达等通过静态试验，研究了芦苇、香蒲 和灯心草等植物的净化效率，得出结论在四川灯心草对c o d 和p n 的处 理效果优于芦苇和香蒲。成水平等的研究表明：香蒲、灯心草对于污染物 的去除效率不低于蔗草、水葱和芦苇【1 6 1 。辛晓芸等的研究表明：凤眼莲的 根对重金属的富集能力大于茎叶，浮萍对p b 富集能力大于凤眼莲【1 7 1 。能 否有效处理污水的一个重要因素是选择种植合适的植物种类。目前，全球 发现的湿地高等植物多达6 7 0 0 余种，而已被用于处理湿地且产生效果的 不过几十种【1 4 1 ，所以用于处理污水的湿地植物种具有巨大的潜力。 ( 3 ) 关于净化效率的影响因子 7 污水处理型人工湿地规划设计研究 湿地净化效率的影响因子是设计和管理湿地处理系统必须考虑在内 的参数。这方面的研究多数是在室内模拟的基础上，从湿地的几何构形( 长 宽比) 、植物群落类型、基质类型、水文特征参数和污水负荷比等入手的。 除此之外，环境条件，特别是温度也是限制处理效果的重要因素。不同地 带的人工湿地除污效应，由于温度和季节变化等原因，存在明显的差异。 我国北方人工湿地的除污效率明显高于南方亚热带地区。 ( 4 ) 关于湿地净化污水的动力学模型 湿地设计通常采用的是一级动力学模型，其基本设计方程被澳大利 亚、欧洲、美国广泛应用子湿地的设计和对湿地污染物去除效果的预测! 】8 】。 这些一级动力学模型有的采用体积速率常数来确定湿地所需的体积，有的 采用面积速率常数来确定湿地所需的面积，前者多用于潜流型人工湿地 中，而后者在表面流人工湿地中应用更多。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外人工湿地建设和应用 人工湿地污水处理技术在2 0 世纪5 0 年代诞生于德国。世界上第一个 完整的人工湿地试验始于1 9 7 4 年，是在德国的o t h 丘e n s e n 进行的【1 9 j 。近 年来，国外对人工湿地系统的研究日益重视，并已召开过四次国际会议， 总结各国的经验，提出一些有关的机理和参考设计规范及数据。1 9 9 6 年9 月在维也纳召开的第四次国际研讨会，标志着人工湿地作为一种独具特色 的新型污水处理技术已正式进入水污染控制领域。在国外，人工湿地已成 功地处理了生活污水、暴雨污水、农田径流污水、食品加工、矿山酸性污 水等工业污水及垃圾渗滤液等。目前欧洲已有数以百计的人工湿地投入运 行，规模大小差别很大，最小的仅为一家户排放污水的处理，面积约 4 0 l n 2 ，大的有占地数十亩至上千亩，可处理万人以上村镇的生活污水【2 0 l 。 墨西哥的一处人工湿地用于处理1 0 万人的生活污水，人工湿地在北美通 常用来为较大城市的二级处理出水提供三级处理，欧洲一般用于小城镇和 村庄的污水二级处理，而澳大利亚与非洲则用于处理各类污水。目前，各 国的研究集中在改良人工湿地的技术上，垂直流湿地采用合理介质使得处 理效率提高，日益受到人们的重视。 8 山东农业大学硕士学位论文 1 3 2 国内人工湿地建设和应用 我国进行人工湿地处理系统研究较晚，“七五”期间才开始人工湿地的 研究。随后4 0 年研究与探讨建立了示范工程，首例采用人工湿地处理污 水的研究工作始于1 9 8 7 年，由天津市环境保护研究所建成占地6 0 0 0 0 m 2 、 处理规模1 4 0 0 m 3 d 的芦苇湿地工程【2 1 1 。 1 9 8 9 年北京市环科所在北京昌平建立了自由水面人工湿地，处理量 为5 0 0m 3 d 的生活污水和工业污水，占地2 h m 2 ，水力负荷4 7 c m d ，水力 停留时间4 3 d ，b o d 负荷5 9 k g ( h m 2 d ) ，处理水解池或原污水。处理效果 良好，优于传统的二级处理工艺 2 2 1 。 华中农业大学李科德采用人工模拟芦苇床处理生活污水，对其净化机 理进行了研究团j ，结果表明，芦苇根际具有较高的氧化还原电势，为好氧 微生物的活动创造了有利条件。芦苇床内根际微生物数量与污染物去除率 具有明显相关性。中科院植物研究所唐述虞采用人工湿地系统处理酸性铁 矿污水，结果表明，系统对各种金属离子的去除率较高，运行费用低廉例。 19 9 0 年7 月，国家环保局华南环保所在深圳建成自泥坑人工湿地示 范工程1 2 5 1 ，占地8 4 0 0 m 2 ，处理4 5 0 0m 3 d 的城镇综合污水，处理结果优于 二级处理标准，有较高且稳定的脱n 除p 效果，季节性差异也较小阎。 中国环境科学研究院刘文祥在1 9 9 4 1 9 9 5 年，采用由漂浮植物、沉水 植物、挺水植物及草滤带组成的人工湿地对控制农田径流污染进行了研 究，占地1 2 5 7 m 2 ，采用低洼弃耕地改造而成。山东胶南市在建一日处理6 万吨人工湿地系统，占地1 0 0 0 亩，此系统利用海边盐碱地【2 6 】。 接着又在东莞市雁田工业区建成一个人工湿地污水处理系统。此后， 国家环保局和各科研院所相继采用人工湿地处理污水进行过一系列的试 验，如内蒙古赤峰、沈阳满堂河人工湿地工程，对人工湿地的构建和净化 功能进行了研究。2 0 世纪末建成的成都活水公园更展示了人工湿地污水 处理新工艺“绿叶鲜花装饰大地，把清水活鱼送还自然”的魅力【2 7 1 。 2 0 0 4 年建设部批准山东荣成市桑沟湾城市湿地公园：2 0 0 5 年5 月批 准北京市海淀区翠湖城市湿地公园等9 个城市湿地公园；2 0 0 7 年2 月批 准武汉市金银湖湿地公园等1 2 个城市湿地公园，6 月又批准江苏南京市 绿水湾城市湿地公园等4 个城市湿地公园。 9 污水处理型人工湿地规划设计研究 人工湿地在城市生活污水处理中成功应用的实践表明，人工湿地系统 是一种正在不断得到研究、应用和发展的污水处理新技术，其基建投资低、 处理效果好、操作运行简单，具有传统技术不可比拟的巨大的综合效益， 十分符合我国的经济发展、生态要求以及民族心理和传统文化，尤其适合 广大小城镇和居民小区的生活污水处理。 1 4 人工湿地的概念和分类 1 4 1 概念 人工湿地生态系统是一种相对较新的技术。尽管在历史上人类也偶然 利用和改造湿地，但有目的地建设湿地用以生物的栖息地和进行水质净化 始于2 0 世纪7 0 年代的环境保护运动【2 6 。，在保护生态环境、节约能源和投 资等方面比较适合。 人工湿地主要是环境科学研究的对象。环境科学中关于人工湿地的定 义，目前存在着如下几种具有代表性的表述： ， 美国著名的湿地研究设计与管理专家h a m m e r 将人工湿地定义为：一 个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基 质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体。此定义着重指出了人工 湿地的组成。 白晓慧、王宝贞( 1 9 9 9 ) 等从人工湿地净化原理方面给出定义：人工 湿地就是由人工建造和监督控制，充分利用湿地系统净化污水能力的特 点，利用生态系统中物理、化学和生物三重协调作用，通过过滤、吸附、 沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。 夏汉平( 2 0 0 2 ) 认为：人工湿地是指通过模拟天然湿地的结构与功能， 选择一定的地理位置和地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地。 于少鹏等( 2 0 0 3 ) 根据人工湿地的发展，将其定义为：根据湿地的功 能、特点，由人工建造并控制运行的湿地的总称。 安树青( 2 0 0 3 ) 将其定义为：为污水处理筑造的湿地工程，采用适宜 的形状和尺寸以及进、出水和布水系统以保证良好的水力流态和较大的利 用率，通常筑有围堤。 一般的看法是：人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) ，是在天然湿地的净 化功能基础上，由人工将砾石、砂、土壤、煤渣等介质按一定比例构成的 1 0 山东农业大学硕士学位论文 底部封闭并有选择性的植入水生植物的污水处理系统。人工湿地是一种由 人工建造和监督控制的，与沼泽具有相似生态结构的生态系统。它利用自 然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、共 沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。同时， 通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增 产，实现污水的资源化与无害化。 污水处理型人工湿地是以人工湿地( 床和塘系统) 处理为主的包括前 处理和后处理的污水处理工艺。前处理单元包括各种预处理工艺，如格栅、 沉砂池、沉淀池、调节池、化粪池等；后处理单元即人工湿地单元主要是 人工建造的多级植物床、植物塘组合的湿地单元及水流控制设施。在实际 运用中，人工湿地可由单一或多个植物床( 具有一种或多种植物、一种或 多种基质及一种或多种水流方式构成) ，又可是一个或多个植物床和植物 塘或兼性塘、氧化塘等多种类型湿地单元组合而成。 1 4 2 分类 人工湿地根据不同的功能作用可以有以下几种分类方式： ( 1 ) 按照污水在湿地床中的不同流动方式，可分为4 类： a 表面流人工湿地0 7 w s ) 图i - 1 表面流人工湿地结构示意图 f i g 1 - 1s u r f a c ef l o ww e t l a n ds t r u c t u r ed i a g r a m 污水在湿地的土壤表层流动，氧通过水面扩散补给( 图1 1 ) 。进水中 所含的溶解性和颗粒性污染物与系统介质和植物根系接触 2 7 1 。水深多在 o 1 0 6 m 之间，这种系统与自然湿地最接近。污水中的有机物去除主要依 污水处理型人工湿地规划设计研究 靠生长在植物水下部分的茎、杆上的微生物完成，难以利用填料表面和生 长丰富的植物根系对污染物的降解作用。常用的植物包括；香蒲、芦苇、 慈菇、莎草等。 优点是投资低、操作简单，缺点是负荷低，去污能力有限，北方地区 冬季水体表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇，散发臭味，系统的处理效果受温 差变化影响较大，因而在实际工程中应用较少。 b 潜流人工湿地( s s f ) 污水从进口经由砂石等系统介质，以近水平流方式在湿地床的表面下 流动，基质通常由矿石和粗砂组成，从而能提供较多的孔隙以使污水能迅 速渗漏到整个基质床【1 9 1 。一方面可以充分利用填料截留、过滤等作用，充 分利用植物根系周围的微生物群落，提高处理效果和处理能力；另一方面 由于水流在地表以下流动，保湿性较好，处理效果受气候影响较小，占地 较少，而且卫生条件较好。介质通常选用水力传导性良好的材料，氧主要 通过植物根系释放。 一般情况下，这种人工湿地的出水水质优于传统的二级生化处理。但 是它较表面流湿地建设成本高、控制也相对复杂，脱氮、除磷效果不如垂 直流湿地。目前欧洲国家大多采用这种设计类型，主要应用芦苇，因此又 称芦苇床处理系统。香蒲也是常用的湿地植物( 图1 2 ) 。 芦j e 图1 2 潜流人工湿地结构示意图 f i g 1 2s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n ds t r u c t u r ed i a g r a m c 垂直流人工湿地( v f w ) 垂直流人工湿地系统水流方式综合了f w s 和s s f 的特点。污水在填 料中基本呈上下垂直流动，水流流经床体后被铺设在出水端的集水管收集 1 2 山东农业大学硕士学位论文 而排出系统。其输氧效果好，有利于硝化反应的进行，可用于处理较高浓 度氨氮的污水，并实现较大的水力负荷长期运行，但污水的流程较短，反 硝化作用较弱。由于通过工程措施可以改善供氧情况，提高布水均匀性， 对污水中营养物质的去除效果具有更大的优越性。 d 潮汐流湿地 ( 2 ) 按照人工湿地的作用可分为4 类【2 8 】： a 。人工生境湿地，协助天然湿地用于生物多样性的保护。 b 人工抗洪湿地，用于控制洪水或泄洪。 c 人工水产湿地，用于农业生产与水产养殖。 d 人工处理湿地，用于污水污物处理。 目前提及的人工湿地污水净化系统通常是指处理湿地，而且已有许多 将不同类型湿地组合起来，使之成为多功能型人工湿地的实践。 在这几种分类方式中，第一种方式最为常见。另外，根据湿地中的主 要植物形式可分为：挺水植物系统、浮水植物系统和沉水植物系统。 1 5 研究方法和基本框架 1 5 1 研究方法 本研究通过实地调研、文献分析，将理论与实践相结合，研究与探讨 污水处理型人工湿地的规划设计。 ( 1 ) 实地调研法 对北京、上海、苏州、杭州以及山东多个污水处理型人工湿地进行了 详细的调查，对湿地公园的净化机理、工艺流程、景观营造等方面进行研 究，在研究过程中，主要运用实例照片、绘图、观察、统计等多种方式进 行实地调查，收集第一手的基础资料。 ( 2 ) 文献分析法 通过查阅大量的国内外文献，以及相关领域的研究动态和成果，采用 归纳总结、综合分析和比较等方法获得污水处理型人工湿地规划设计的理 论知识。旨在为本文研究实例的分析提供理论依据。 ( 3 ) 实践和理论创新 在查阅文献、收集资料的基础上，对污水处理型人工湿地的设计理论 1 3 污水处理型人工湿地规划设计研究 已经有了比较全面的了解。在理论的指导下，应用到具体的设计实例，通 过实践工程的思考和对具体问题的解决方案，达到理论和方法上的创新。 1 5 2 技术路线 污水处理型人工湿地规划设计研究 实地调查研究文献分析与综合 土上土土 人工湿地概污水处理型污水处理型人工湿地处 念的评述与人工湿地的人工湿地的理系统的建 界定优缺点概况设和运行 案例分析与研究 上 具体实践 德州城区人工湿地水资源综合利用工程详细规划 上 塑造具有生态性、整体性、开放性 与艺术性的人工湿地系统 1 4 山东农业大学硕士学位论文 2 人工湿地与常规生物处理法的对比 2 1 我国城市污水处理工艺与运行现状 我国现有城市污水处理厂8 0 以上采用的是活性污泥法，其余采用的 是一级处理、稳定塘( 氧化塘) 及土地处理法等。 纵观国内现已建成运营的城市污水处理厂，其运营状况不容乐观，污 水处理厂年污水处理量低于设计能力2 0 的情况较普遍，甚至有较大比例 的污水处理厂处于半开半停的局面。污水处理厂不能满负荷运营，一方面 必然造成部分污水的直接排放；另一方面，长期低负荷运行，污水处理厂 污染物去除率受到较大影响，使污水处理工程的环境效益降低，从而造成 国家投资的巨大浪费。 城市污水处理厂难以正常运营的原因：进水水质监控手段弱，运行处 理费用不到位，运行管理亟待规范，监控体制不健全等。此外，城市公用 环保设施如纳污管网建设滞后，错误的利益观驱动，也是城市污水处理厂 难以正常运转的重要因素【2 9 】。 2 2 人工湿地与常规生物处理法的对比分析 2 2 1 处理效果 目前，我国绝大部分常规生物污水处理技术处理效果良好，可有效去 除有机污染物，各种改进的活性污泥法对n 、p 去除率也很高，处理后污 染物排放浓度满足国家污水排放标准要求。 人工湿地对有机污染物以及s s 均有较高的净化效率，同时，对于n 、 p 也有较大的去除率，出水水质良好，也能满足国家污水排放标准要求。 从污染物去除效率和净化效果来看，人工湿地可以与常规生物处理法相媲 釜 ，o 2 2 2 建设投资 采用常规生物处理方法处理城市污水，投资较高，根据我国已投入运 行的人工湿地处理系统来看，表面流人工湿地吨水投资为3 5 0y r m 3 3 0 1 ， 潜流人工湿地吨水投资为5 0 0 6 0 0 元m 31 3 1 1 。 常规二级生化处理吨水投资取“十五”期间“三河三湖”流域规划新建 1 5 污水处理型人工湿地规划设计研究 的城市污水处理厂的平均值，即吨水投资为2 2 0 0 元m 3 ，则人工湿地投资 约为其1 6 1 3 。 2 2 3 运行费用 按照目前城市污水处理厂工艺水平，常规生物处理法单位水量处理成 本为0 3 5 0 。8 0 元m 3 【2 9 1 。国家城市给水排水工程技术研究中心认为：对于 二级生化污水处理厂，实现污水厂“保本”的经营目标，污水处理费用至少 应为0 6 0 0 8 0 元m 3 ，加上管网至少应0 8 0 1 o o 元m 3 3 2 1 。 山东胶南表面流人工湿地处理厂运行费用为o 0 8 元m 3 3 0 1 ，深圳沙田 潜流人工湿地处理厂运行费用为0 1 4 元m 3f 3 u 。 若常规二级生物处理运行费用按o 6 0 元m s 计，则人工湿地运行费用 仅为其1 7 1 4 。若常规二级生物处理运行费用按o 8 0 元m 3 计，则人工湿 地运行费用仅为其1 1 0 1 6 。 2 2 4 占地面积 全国2 0 5 座城市污水处理厂用地为0 5 1 9 m 2 m 3 ，平均值为0 8 8 7 m 2 m 3 。山东胶南表面流人工湿地处理厂占地为1 2m 2 m 3 ，深圳沙田潜流 人工湿地处理厂占地为4 m 2 柑。 由此可见，人工湿地占地面积较大，约为常规二级生化污水处理厂面 积的4 6 倍。 综上所述，我国大部分常规生化污水处理技术处理效果好，城市污水 处理仍将以各种类型的活性污泥法为主流，但其耗能多、投资和运行费用 高、管理水平要求也较高。 人工湿地系统形成了内部的良好循环并