（环境工程专业论文）北方生态小区水环境生态循环处理模式与设计.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 水环境在住宅小区中占有重要地位，是生态小区建设的灵魂，是我国厉行节约的战 略之一，是实现水资源的可持续发展、改善住宅小区生态环境的重要环节。开展生态小 区水环境研究的目的是探索生态小区如何实现水资源的健康循环。建设生态住宅小区， 强化和提升水的循环，是解决城市用水供需矛盾的根本途径，也是城市生态环境建设的 有力保障。 具体研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 从生态学角度出发，以可持续发展的思想为指导，提出建立小区水生态循环利 用模式，建设雨水、污水以及中水回用等资源的收集、回收与综合处理系统，实现生态 小区水资源的循环利用； ( 2 ) 对生态小区建设屋顶湿地和人工湿地等生态处理的关键技术进行了探讨分析， 表明屋顶湿地和人工湿地的建设具有技术可行性； ( 3 ) 以大连市某生态小区为例，经过水量平衡计算，对小区水生态循环利用模式进 行应用设计和技术经济分析，说明利用生态技术手段开发水生态循环处理系统，在技术 上是可行的，经济上是合理的，具有一定的环境和社会效益。 关键词：生态小区；水环境；水循环系统；生态处理技术；屋顶绿化；人工湿地 北方生态小区水环境生态循环处理模式与设计 s t u d ya n dd e s i g no nw a t e rc y c l i n gm o d e l i na ne c o l o g i c a lr e s i d e n t i a l a r e ao fn o r t hc h i n a a b s t r a c t w a t e ri sak e ye l e m e n ti nt h ee c o l o g i c a lr e s i d e n t i a la r e a ；i ti sa l s oo n eo ft h es t r a t e g i e s f o rw a t e rs a v i n gi nc h i n a , w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ef o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e to fw a t e r r e s o u r c ea n di m p r o v i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e s i d e n t i a la r e a s t h em a i np u r p o s ef o rs t u d y t h ew a t e rc y c l i n gm o d e li ne c o l o g i c a lr e s i d e n t i a la r e a si st op r o m o p tt h eh e a l t h ya n d r e a s o n a b l ew a t e rr e u s e t h i sw i l lh e l pf o rs o l v i n gt h ep r o b l e m so fw a t e rd e m a n da n dw a t e r s h o r t a g e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sb e l o w ： 1 f r o mt h es t a n d p o i n to fe c o l o g y ，a n db yt h eg u i d a n c eo ft h et h e o r yo fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ee c o l o g i c a lr e c y l i n gm o d e lo fw a t e ri ne c o l o g i c a l r e s i d e n t i a la r e a s t h ep a p e rp r o p o s e st h a tc o n s t r u t i o n so fac o l l e c t i n gs y s t e mo fr a i nw a t e r , s e w a g ea n dr e u s eo fw a t e ri nt h em i d d l em a n a g e m e n tp r o c e s s e s ，a n dam a n a g e m e n ts y s t e m c a na c h i e v ew a t e rc i r c u l a t i n gu s e a g ei nad i s t r i c t 2 d i s c u s s i o no nt h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sr o o f t o pw e t l a n da n dw a t e r s i d ew e t l a n d r e s u l t ss h o wt h a t t h ee c o t r e a t m e n ti sf e a s i b l e 3 b a s e do nw a t e rq u a n t i t yb a l a n c ea n a l y s i s ，a ne c o r e c y c l i n gw a t e rt r e a t m e n ts y s t e mi n ar e s i d e n t i a la r e ai nd a l i a ni sd e s i g n e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a la sw e l la s e c o n o m i c a la n a l y s i si sp e r f o r m e d c a s es t u d yd e m o n s t r a t e st h a ti ti sf e a s i b l ea n de c o n o m i c a l t ob u l i da ne c o l o g i c a lw a t e rc i r c u l a t i n gs y s t e mb yt h er o o f t o pw e t l a n d si ne c o l o g i c a l r e s i d e n t i a la r e a s i ta l s ow i l lb r i n gc o n s i d e r a b l eb e n e f i t st ow a t e rc o n s e r v a t i o n , s o c i e t y ， e c o l o g ya n de n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：e c o r e s i d e n t i a la r e a ；w a t e rs y s t e m s ；w a t e rc i r c u l a t i n gs y s t e m ；e c o - t r e a t m e n t t e c h n o l o g y ；g r e e nr o o f ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大 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，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：遭尘墨蒸 新虢! 童避些 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 生态小区水环境研究 1 1 1 水资源状况 水资源是自然资源的重要组成部分，是人类社会发展的重要物质基础。水是人类赖 以生存的主生命线，也是2 l 世纪可持续发展的命脉。联合国大会于2 0 0 3 年1 2 月宣布， 2 0 0 5 年至2 0 1 5 年为“生命之水”国际行动十年。如何为世界上所有人提供安全、清洁的 水，如何更好地管理世界水资源，是摆在世界各国面前的急迫问题。 随着经济的发展与人口的增长，水污染现象日益严重，资源性缺水、区域性缺水、 时空性缺水、水质性缺水等问题越来越突出。2 0 0 6 年全国水资源总量2 5 5 0 0 亿m 3 ，人 均水资源1 9 4 5 m 3 ，比上年减少9 6 ，约为世界人均水平的l 4 ；全年平均降水量6 0 5 m m ， 比上年减少6 2 。而全年总用水量5 6 7 0 亿m 3 ，全国人均用水量4 3 2m 3 ，比上年增长 o 7 【l 】。 全国6 6 0 多个城市中已有4 0 0 多个城市缺水，其中大部分属于因污染导致的水质型 缺水。北方水短缺现象日益严重，部分流域和地区水资源开发利用程度已接近或超过水 资源和水环境承载能力。2 0 0 0 年全国城镇化水平已经从1 9 4 9 年的1 0 6 提高到3 6 ， 预计我国2 0 2 0 年的城镇化水平将达到5 0 左右，城镇总人口越7 5 亿，今后城市发展 和城镇化的加快必然将进一步加剧缺水危机 2 1 。 我国可开采水资源总量的5 8 已经被使用，其中大部分用于农业，灌溉尾水挟带着 大量化肥、农药回归水体，而城市的大量污水大部分又直接排放，只有很少一部分进行 了处理。与发达国家9 0 以上的污水处理率相比，我国城市污水处理率很低，根据( 2 0 0 6 年国民经济和社会发展统计公报报道，污水处理率为5 6 ，但实际污水处理率可能远 远低于此值，2 0 0 6 年大连市污水处理率也仅为7 3 t 3 。到2 0 5 0 年，预计我国城市污水 仍有较大增长，其中生活污水增长量将占据增长量的较大份额。届时城市污水排放的污 染物负荷将对城市排水设施提出严峻的挑战。如果污水处理设施的不能快速普及，污水 处理率、再生水回用率得不到迅速提高，未来水环境状况将更加严峻。 随着社会发展和人民生活水平提高，对水资源的需求呈增长趋势，而水资源开发利 用和江河治理的难度越来越大，有限的水资源在被利用过程中，由于不当的城市建设等 人为活动，会造成严重的水资源浪费以及水土流失，水资源短缺问题将不断加剧。为确 保水资源安全和可持续利用，水资源管理必须要有新的发展战略。循环经济策略则是实 北方生态小区水环境生态循环处理模式与设计 现我国人口、资源与环境可持续发展的重要途径和有效措施，是我国水资源新战略的理 想选择。 大连地处辽东半岛南端，地表水的补给来源主要是大气降水，而降水量的地区分布、 年际变化及年内分配很不均匀，使得各地区水资源丰枯程度不同。大连市人均水资源 7 0 1 m 3 ，相当于全国平均水平的1 3 ，处于警戒线以下；按水资源拥有量划定的类型，其 人均占有水资源量属极低水平，城区人均水资源只有2 0 9m 3 ，仅是全市人均水量的1 3 ， 是全国平均水平的1 1 0 t 4 ，5 j 。 大连中心城区供水基本上靠境外引水，特别是“引碧 三期工程的实施，目前虽解 决了水量短缺问题，但从社会经济和环保角度出发，更应该充分利用本地传统和非传统 水资源。随着大连市建设现代化国际城市目标的实现，用水需求必然会出现进一步增长， 水资源短缺及区域分布不均与社会经济发展的不协调性将日趋严重，因而水资源的合理 开发和利用将是一项长期的战略任务。 1 1 2 生态小区水环境 ( 1 ) 生态住宅和小区 2 0 世纪中叶以来，在可持续发展的理论指导下，城市的建设也进入了新的阶段，结 合生态学、环境科学的新发展，规划建设良好的城市生态系统，维护城市的可持续发展， 由此也产生了生态导向的居住区整体规划设计思路，生态型居住小区即“生态小区 应 运而生。 生态住宅又称绿色建筑、可持续住宅等，是按生态学原理规划、设计、建设和管理 的，具有较完整的生态代谢过程和生态服务功能，人与自然协调、互惠互利、可持续发 展的人居环境【6 1 。其核心是为人们提供更健康、舒适和经济的居住条件和环境，实施住 宅的可持续发展战略。 生态住宅遵循以人为本、循环经济的科学发展观，以生态学为基础，以人与自然的 和谐统一为核心，在住宅建设和使用过程中，科学有效地利用自然资源和高新技术成果， 使建筑物在全生命周期中对资源和能源的消耗及对环境的污染降低到最低限度并尽可 能再生利用，为人类营造自然、舒适、健康、安全、优美的居住、工作和活动的内外空 间区域。生态住宅是一种高效、低耗、无废、无污染、生态平衡的居住环境，是人与自 然和谐可持续发展的最高形式，而不仅仅是住宅加绿化。 随着经济的发展和环境意识的增强，人们对居住环境和质量的要求越来越高。城市 住宅不仅要体现科技进步，更要实现人居环境的可持续发展。生态住宅小区的建设成为 当前我国房地产开发的热点，有关生态建筑的研究也越来越多。保持生态系统内相对稳 大连理工大学专业学位硕士学位论文 定和平衡的生态住宅小区成为人们住宅建设的发展趋势和潮流【_ 7 1 。人们关注的焦点从最 开始的面积、地段、房型、环境，转变为现在的绿色生态健康性，这从根本上反映了人 们居住水平的提高，以及在此基础上对以人为本、回归自然的渴望。但是目前国内不少 建筑是先建楼后造景，在小区内设置大面积的人工环境，如大型的铺地广场、硬质的道 路地表等，这种人为片面地追求环境景观的气势和新意的做法，并不利于小区内水环境 的正常循环，反而会增加日后环境的护养管理费用。建设生态住宅，一定要注重研究小 区内植被、微生物、动物和人之间的关系，强调自然对人的影响，强调各种生物之间是 共生共荣、强调人与自然的和谐统一，从而实现人居环境和自然系统良性互动的循环关 系。 全国工商联住宅产业商会参照美国绿色建筑评估体系制定出绿色生态住宅的技 术、经济标准，推出了中国生态住宅技术评估手册。手册在小区环境规划设计、能 源与环境、室内环境质量、小区水规划、材料与资源等5 个方面进行量化。建设部颁布 的绿色生态居住区建设要点与技术导则和绿色建筑评价标准中也制定了绿色生 态住宅的建设和评价标准。 ( 2 ) 生态小区水环境 生态小区水环境系统( w a t e rs y s t e m s ) ，是指满足小区内居民水量，水质要求的前提 下，将水资源综合利用技术集成一体的水环境系统。它由给排水系统、污水处理与中水 回用、雨水收集利用、绿化与景观用水等几个方面组成。生态小区水环境应实行低质低 用高质高用的用水标准，最大限度地提高水循环利用率和用水效率，减少小区污水排放 量，实现小区用水的良性循环，节水率不低于8 ，非传统水源利用率不低于l o 。 小区水环境系统设计中给排水子系统的设计是核心【8 】，在生态住宅小区中，节约用 水和水的循环使用是生态小区水环境系统设计的重要内容。在过去的城市小区建设中， 小区的给排水只是从工程角度的给排水，水从城市管网中来，或从其他自然环境中来， 把好水引进建筑，把污水排放到城市管网，让城市去承担污水，这样既不利于节水和水 资源的循环利用，也不利于水污染的控制，不是生态住宅小区水环境发展的方向。作为 生态住宅小区的给排水系统应靠生态功能来解决【9 】，让好水进入建筑，排出去的也应是 好水而不污染环境。 “生态型小区 很重要的一个衡量标准，就是能否解决好水的循环利用。我国单 位工业产值的水耗是发达国家的3 5 倍，工业用水的重复使用率低，而生活用水的重复 使用率几乎为零，从污水处理走向中水回用，乃至实现一定地域内水资源的良性循环， 污水的就近处理、就地消化将是必然的趋势【l o l 。在水资源紧缺的现实下，将污水进行深 一3 一 北方生态小区水环境生态循环处理模式与设计 度处理后作为再生水资源是必然的发展趋势，污水资源化利用技术的推广及应用势在必 行。 中水回用是实现城市住宅小区污水资源化的重要方式，居住小区采用中水系统后， 小区用水量将节省3 0 5 0 t 1 1 】。小区污水回用开辟了第二水源，降低了小区自来水取 用量，经处理后的污水回用于小区，减少了污水的排放量，减轻了受纳水体的污染，也 减少了治理环境污染的投资。所以污水回用既节约了水资源，也消除了环境污染，具有 多重效益。一般而言，宾馆建筑设置中水处理系统可节水6 0 ，办公楼可节水4 0 ，民 用住宅小区可节水2 0 。 中水优先用于小区绿化和杂用，水量多余时储存起来备用或直接排入雨水管道，不 再收集到城市的污水厂集中处理，从而减轻污水集中处理的负担和节省部分污水收集管 道的建设费用，小区的污水得到原位再生处理。 中水回用的经济性是决定其能否广泛应用的关键因素之一，中水回用的成本由污水 收集、污水处理、回用供水、污泥处理、运行费用等组成。中水回用，实现污水资源化， 是目前解决节水治污两大问题的最有效的途径之一，在水资源严重短缺的当今社会有着 重要意义。 水是生态住宅小区的基础，水资源的有效循环利用在生态小区建设中占据着十分重 要的地位，水资源的“开源”是实现小区资源利用的首要环节，开发生态小区水循环利 用系统1 1 2 1 ，是生态小区水环境系统的重要研究方向。 1 1 3 屋顶绿化研究状况 屋顶绿化是在有限的城市空间里，提高绿地率最有效的方式，有利于保护生态、调 节气候、净化空气、美化城市、降低室温【1 3 1 和城市热岛效应1 4 】，对提高城市环境质量有 着积极的作用。虽然每幢楼房的屋顶面积十分有限，但成千上万座高楼大厦的面积相加 起来，就是一个十分可观的数字。据估计，一个城市居住区的屋顶面积，大约为居住区 占地面积的的1 5 1 4 。实践充分证明，屋顶绿化是节约土地，开拓城市空间的有效办 法【1 5 】，是建筑与绿化艺术的合璧；是人类与大自然的有机结合。 ( 1 ) 屋顶绿化相关技术 屋顶绿化类型 屋顶绿化通常分两类：一种是简式轻型的绿化，以草坪为主，配置多种地被植物和 花灌木等植物，讲求景观色彩。用不同品种植物搭配、结合步道砖铺装出各种图案，屋 顶净荷载应在2 5 0k g m 2 以上。 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 另一种是花园式复合型绿化，这种绿化通常采用通行的新技术，铺设阻根防水层、 蓄排水层、轻型营养基质，选用耐干旱、绿期长、浅根系、生长缓慢的植物种类，乔灌 花草、亭廊榭合理布置，其间可点缀园林小品，犹如地上的花园一般。但这种绿化硬铺 装不宜多，而且要严守结构设计荷载允许的原则，屋顶净荷载应在5 0 0k g m 2 以上。 种植屋面构造 种植屋面构造层次由上到下多为：种植土、过滤层、保护层、耐根穿刺防水层、普 通防水层、保温层和结构层，以上各层可根据气候、地域、建筑形式来取舍。 种植土厚度和荷载 屋顶绿化的种植土关系到植物能否健壮生长和房屋结构承重等问题。为了使花木旺 盛生长并尽量减轻屋顶上的附加荷载，种植土要选用经过人工培植的新型基质，应满足 重量轻、持水量大、通风排水性好、营养适中、清洁无毒、材料来源广且价格便宜等要 求。目前，国内外用于屋顶绿化的人工培植的种植土种类很多，主要有无机复合土、改 良土和田园土等，其湿容重多在7 0 0 1 8 0 0k g m 3 范围内【1 6 1 。 荷载大小左右承载结构的造价。荷载受植被的制约，地被植物种植土2 0 c m 厚，种 植乔木至少8 0 c m 厚的土，相应种植屋面的荷载大小悬殊，小至2 0 k n m 2 ，大至2 0 0k n 1 m 二。 在混凝土表面直接铺土，草不枯死需要的土层厚度，在浇水情况下，土层有3 - 5 c m ： 在平时降水的条件下，需有1 0 c m 厚；当土层有2 0 3 0 c m 厚时，矮草长势就会很好【1 7 】。 排水层 排水层有凹凸塑料排水板，卵石、陶粒等，为了减轻屋面荷载，降低结构的造价， 尽量采用较轻的材料，多采用凹凸塑料排水板。 建筑形式 在高层建筑的屋顶上进行绿化，从技术和效益上都不如多层建筑的屋顶绿化【l 引。首 先，高层建筑的每层建筑面积均较小，从建筑结构上分析，楼层越高顶层荷载传递的层 次越多，而且对抗震也愈加不利。其次高层建筑的屋顶供水和排水也要比多层建筑困难 很多，同时高层建筑屋顶风力很大，只能种植浅根植物，且夏季的干热风对植物的影响 也更为严重。 坡屋顶做种植屋面有许多困难，首先坡屋顶绿化不能做人的散步休闲地；第二种植 土和保温材料防滑措施构造困难；第三维护管理不方便：第四坡度大、排雨水快、土层 易干燥，要保证植物生长需常浇水，浪费水资源。 坡屋顶在坡度较小时可种植，或在结构板上设挡墙，呈阶梯式种植。 ( 2 ) 屋顶绿化研究进展 一5 一 北方生态小区水环境生态循环处理模式与设计 屋顶绿化的建设已有了2 0 0 0 多年的历史。被称为“世界七大奇迹之一”的著名的 巴比伦“空中花园”，其意义不仅在于园林艺术上的成就，而且是古代文明的佳作。 欧洲是最早发起屋顶绿化的地区，大部分欧洲国家对“生态屋顶环保效果和经济 效应都有充分的认识【1 9 】。德国和瑞士等国都颁布专门法规推广屋顶绿化，明确规定哪些 情况下应进行屋顶绿化，来扩大城市的绿色植被面积。美国虽然起步较晚，但却在快速 发展。美国大部分建筑商和业主对住宅的环保要求从6 0 提高到了8 0 ，消费者愿意为 改善整体社会环境而多投入修建“生态屋顶”的费用。一向重视绿化的日本，在建筑屋 顶绿化上达到了相当高的水平，东京市规定新建建筑占地面积只要超过1 0 0 0 m 2 ，屋顶 的1 5 必须为绿色植物所覆盖。 我国自2 0 世纪6 0 年代才开始研究屋顶绿化技术，起步相对较晚，主要为南方的省 市有所发展和建造。近两年，北京、郑州等市的屋顶绿化也得到了快速的发展。为推动 屋顶绿化工作的开展，郑州市园林局、财政局、规划局联合下发了关于推进郑州市屋 顶绿化工作的通知，通知要求新开发的居住小区，要积极开展屋顶绿化美化工作。建 设项目实施屋顶绿化，可按其实有面积的l 5 计入该工程的绿化用地面积指标；对于申 请房顶绿化的单位或个人，验收合格后，原则上每绿化一平方米，财政补贴5 0 元至1 0 0 元。 上海将强制要求屋顶绿化，屋顶绿化2 0 0 9 年有望纳入上海绿化管理条例，届时， 新建住宅和商务楼将可能被要求进行屋顶绿化。 2 0 0 8 年沙河口区城建局将在大连市率先尝试楼顶绿化，据介绍此项工程首先在西安 路周边启动，除一些规模较大、具备屋顶绿化条件的商场外，相关部门还准备利用校舍 全面改造的机会在部分学校实施屋顶绿化。 1 1 4 人工湿地研究状况 生态处理技术不同于常规污废水处理工艺技术，它是利用土壤、水、细菌、高等植 物水生( 或旱生) 和阳光为基础的处理系统，在不大量使用化学品和不产生有害副产物 的情况下，达到或超过常规系统的处理程度【2 0 1 。生态处理技术在处理工艺上与常规处理 流程也相同，如沉积、过滤、吸附、离子交换、化学氧化与还原、生物转换和生物降解 等，另外还采用光合作用、光氧化合植物吸收来去除污染物，这些过程常常以“自然 速度来进行。 生态处理技术包括以土壤为基础的土地生态处理系统和水生植物处理系统，这些系 统可单独使用，也可结合成联合处理系统。人工湿地属于水生植物处理系统的一种，植 物主要为挺水植物。 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 污废水处理因地制宜的采用生态技术方法处理可达到排放标准，其去除生化耗氧量 ( b o d ) ，悬浮固体( s s ) ，磷( p ) ，氮( n ) 效果好，此外对病原体，寄生虫卵，病毒都能得到 有效去除的效果。生态处理技术的缺点是通常需要更多的时间和空间，这对土地宝贵的 城市较为不利，而对中小城镇是可采用的。 ( 1 ) 人工湿地类型及特点 湿地系统一般分为天然湿地和人工湿地，人工湿地的设计建造是通过对湿地自然生 态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来实现对废水的有效处理，植物类型主要 为挺水植物。 人工湿地系统是由一些适合在污染环境条件下生存的以大型水生植物为主的高、低 等生物和处于水饱和状态的基质组成的水土复合体生态系统。相对天然湿地来说，其生 态系统的群落结构和种群结构要简单得多，但处理污水的功能却更强。人工湿地系统在 各种生物的共同参与下，将进入湿地系统的污染物质，同时也是湿地生物的营养物质， 经过系统内各环节的新陈代谢，进行分解、吸收、转化、利用，通过湿地自然生态系统 中的物理、化学和生物作用的优化组合来实现对废水的有效处理。人工湿地技术不仅能 去除水中b o d ，c o d ，s s ，而且可去除一定的n 和p 等营养盐。随着湖泊、水库、河流 的富营养化程度不断加剧，它将日益成为富营养化水体修复【2 1 】的重要技术之一。 人土湿地系统在世界各地逐渐受到重视并被运用，是在2 0 世纪7 0 年代德国学者 k i c k u t h 提出根区法( t h er o o t z o n e m e t h o d ) 理论之后开始的。根区法理论强调高等植物 在湿地污水处理系统中的作用，首先是它们能够为其根周围的异养微生物供应氧气，从 而在还原性基质中创造了一种富氧的微环境。微生物在水生植物的根系上生长，与较高 级的植物建立了共生合作关系，增加废水中污染物的降解速度。在远离根区的地方为兼 氧和厌氧环境，有利于兼氧和厌氧净化作用；另一方面，水生植物的根的生长有利于提 高床基质层的水力传导性能【2 引。 由于水环境的不断恶化及城市污水量的增加，采用经济、高效的污水处理技术己成 为现实所需。由于人工湿地具有投资少、运转费用低、维护技术水平低和耗能少等特点， 较适合当前我国的国情。由于小城镇的不断崛起，其污水量不断增加，而且又往往缺乏 污水处理设施的建设资金，人工湿地是符合其小型化和分散型的污水处理方式。目前， 欧美许多国家建立了很多芦苇湿地处理系统，应用于城镇污水处理【2 3 洲。 有关研究结果表明，生态处理技术在进水浓度较低的条件下，具有较强的脱氮除磷 功能，氮去除率可大于9 0 ，磷去除率可大于6 0 ，高于传统的生物处理技术【2 5 1 。将再 生水的生态处理纳入小区景观建设，用人工湿地等生态处理技术弥补生物、物化等深度 北方生态小区水环境生态循环处理模式与设计 处理工艺在脱氮除磷方面的不足，不仅与小区环境具有高度协调性，而且达到净水、节 地和生态的目的。 1 9 9 0 年国家环保局在深圳白泥坑建造了第一个规模较大的人工湿地作为城市污水 处理试验场，1 9 9 9 年在中试的基础上设计修建了“洪湖人工湿地系统 来进行湖水净化。 沈阳市于2 0 0 3 年采用人工湿地治理城市污水，已全面达标并通过验收。上海梦清园、 成都活水公园等将该技术用于景观水处理，取得显著的环境效益与经济效益。 ( 2 ) 人工湿地的分类 根据污水在人工湿地中的流动方式，人工湿地分为表面流人工湿地和潜流人工湿地 2 6 1 o 表面流人工湿地 表面流人工湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) 根据植物种类的不同又可分为挺水型、浮叶 型、漂浮型植物人工湿地。污水从湿地表面流过，具有投资省、操作简便、运行费用低 等优点，但占地面积大，水力负荷小，去污能力有限。氧气要来源于水体表面扩散、植 物根系的传输，但传输能力十分有限。系统运行受气候影响较大，夏季有孽生蚊蝇的现 象，产生不良气味，冬季容易结冰等缺点。 潜流人工湿地 潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) 是目前研究和应用较多的一种人工湿地系统，污 水在湿地床的表面下流动，处理效果好，受气温的影响相对较小，卫生条件也较好，但 该系统比表面流人工湿地系统的造价高。 潜流人工湿地根据污水的流动方式又分为水平流人工湿地和垂直流人工湿地： 水平流人工湿地( h o r i z o n t a l f l o ws y s t e m ) 污水从一端水平流过基质床而得名。床体 设有防渗层，防止污染地下水。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力 负荷大，对b o d ，c o d ，s s ，重金属等污染物的去除效果好，而且很少有恶臭和孽生蚊蝇 现象，但其脱氮除磷效果不如垂直潜流人工湿地。 垂直流人工湿地( v e a i c f lf l o ww e t l a n d ) 与水平流人工湿地相比，供氧效果较好，系 统硝化能力较强，对n h 4 + - n 和t n 的去除效果较好【2 7 1 ，但构造比较复杂，且对s s 的去 除率不高，所以往往在其后连接潜流湿地的效果较好。垂直流人工湿地长期运行稳定， 具有一定的实际应用价值。 ( 3 ) 人工湿地系统特征 与传统污水处理技术比较，人工湿地污水处理系统具有下例特征： 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 适用面广，污水净化效果好。人工湿地对各类浓度污废水都有较好的净化效果， 具有很强的适应性。人工湿地污水处理系统能在有效地处理污水的同时，还具有增加绿 地面积、改善大气质量、净化空气、降低噪声、改善和美化环境等生态功能。 人工湿地建设、运行和维护费用低。投资成本远低于常规技术且运行管理方便， 与同等规模污水处理厂相比，人工湿地的建设费、运行费仅只需i 5 一l 2 。 对负荷变化适应能力强。人工湿地的稳定结构决定了它对水力负荷变化的承受 能力较强，即使在遭遇大流量冲击而导致去除率下降后也能很快恢复。 虽然人工湿地的去除效果受到气候和季节的影响，但在冬季采用保温防冻措施 后，人工湿地可同其他污水处理工艺一样全年运行。 污水和污泥可同时进行处理，不仅避免了单独处理污泥的麻烦，也节省费用和 防止二次污染。 污水处理与生态建设紧密结合，处理污水的同时，营造生态景观。 缺点是占地面积较大。土地是制约人工湿地利用的一个主要因素，但可一次规 划，分段建设。在一些市郊住宅小区，其污废水很难都汇入污水厂，人工湿地则更能体 现其应用优势。 ( 4 ) 人工湿地在北方的应用 在我国北方，冬季时间长，气候寒冷，植物生长期短，利用人工湿地虽然受到一定 限制，但通过隔离保温措施，人工湿地仍然具有较好的污水处理能力。在北方广大地区， 在城郊、农村、河流等地建立人工湿地来治理生活污废水、富营养化地表水等，将会取 得显著的效果。目前，在北京、沈阳两市已有实际工程实例开始利用人工湿地处理生活 和生产污水，并且都达到了相关处理标准。 沈阳市浑南新区规划设计研究院根据人工湿地的特点，引进、消化和吸收了目前国 际上在寒冷地区人工湿地建设先进技术，在沈阳市浑南新区中心区规划的绿地内，组织 设计和实施了人工湿地生态示范工程【z m 。该工程包括雨水湿地生态工程、污水湿地生态 工程、污泥矿化床湿地工程三部分，创造了污水处理和雨水净化相结合的人工湿地生态 系统，实现了城市前期雨水和污水的净化，做到了水资源的再利用。在水质净化、城市 园林景观、水资源再利用和调节城市小气候等方面取得显著的综合效益。 人工湿地在寒冷地区的应用虽然面临许多问题，但在湿地植物选择、水力负荷选定、 保温措施等方面采取合理的应对措施后，在我国北方可以更大范围的推广应用。 北方生态小区水环境生态循环处理模式与设计 1 2 课题研究目的、内容及意义 1 2 1 课题研究目的 ( 1 ) 建立水环境的生态循环利用模式； ( 2 ) 探讨屋顶人工湿地等生态水处理技术的可行性； ( 3 ) 尽可能节约、回收、循环使用水资源，提高水资源利用率； ( 4 ) 减少污废水排放对环境的污染，实现水资源的持续利用。 1 2 2 课题研究内容 本研究以生态小区的水环境为研究对象，主要利用生态循环技术原理对居住区内可 利用的水源( 包括自来水、雨水、排水等) 和居住区建设发展需要的水( 包括居民生活用水、 绿化用水、洗车用水、景观用水等) 进行资源的优化整合，调节水环境各个系统之间的 关系，建设可以实现水资源可持续利用的配置模式，提高水资源转化和利用效率，实现 资源的良性循环。 本论文具体研究内容如下： ( 1 ) 从生态学角度出发，以可持续发展的思想为指导，提出建立小区水生态循环利 用模式，建设雨水、污水以及中水回用等资源的收集、回收与综合处理系统，实现生态 小区水资源的循环利用。 ( 2 ) 对生态小区建设屋顶人工湿地等生态处理的关键技术进行了探讨分析，表明屋 顶湿地的建设具有技术可行性。 ( 3 ) 以大连市某生态小区为例，经过水量平衡计算，对小区水生态循环利用模式进 行应用设计和技术经济分析，探讨了屋顶湿地等生态处理系统建设的技术和经济可行 性，并做了相关经济效益和环境效益分析。 1 2 3 课题研究意义 水资源短缺与水质污染是生态小区建设所面临的严重危机，它制约着人类经济的发 展，影响了人类的生存环境，开展这项研究是人类生态小区建设的一个非常重要内容， 也是生态小区建设的要求。 小区水生态循环利用模式是一个技术与自然充分融合，水资源利用最有效的人工复 合系统。在这个模式中，不仅实现了各类水资源“分质供水，优质优用，低质杂用 的 要求，还做到废水再生回用，实现了居住小区水资源可持续利用。实现生态住宅小区水 环境生态化有着极大的现实作用和意义，它是实现城市住宅小区节水的重要途径，能取 大连理工大学专业学位硕士学位论文 得显著的经济效益，而且能在一定程度上缓解城市用水供需矛盾，减少污水排放量，保 护环境，取得较好的社会效益和环境效益。 1 2 4 研究路线 本论文的技术研究路线如图1 1 所示： 广 构 i 建 i 生 水 态 环 i 循 境 i 环 生叫 原 态 i 循 理i 环 模 式 i 厂一一 i 查堕墼垫查丕堑iil 1 ii llr l 丽酬! ! 一 图1 1 技术研究路线 f i g 1 1 t h er o u t eo fr e s e a r c h 北方生态小区水环境生态循环处理模式与设计 2 生态小区水环境生态循环处理模式的建立 2 1 水环境生态循环模式建立的理论基础和原则 ( 1 ) 水资源生态循环使用的要求 生态学是研究生物和人与其赖以生存的环境相互作用、相互联系的- f - 系统科学【1 4 j 是人类认识环境、适应环境、改造环境的一种世界观和自然哲学，也是人类模仿自然、 设计环境的- i - j 美学和工艺学，是人们认识社会、顺应自然、寻求发展的指导思想与方 法论基础。研究生态学的目的是指导人与生物圈( 即自然、资源与环境) 的协调发展， 寻求的是经济效益、生态效益和社会效益的统一，最终实现人类的可持续发展。生态技 术是通过所包含的物质循环利用技术、污染治理技术、废物资源化利用技术、生物控制 技术、生态恢复与重建技术及生态学原理指导下的其他技术的有机组合，是为可持续发 展理论的实施提供的技术支持。 生态学的基本原则概括为“整体、协调、循环、再生 八个字1 2 9 1 ，同样适用于城市 小区水环境的建设。生态工程是可持续发展的有效途径，生态建设既要立足于生态环境 保护，又要照眼于经济和社区的可持续发展，将自然、社会、经济系统调节统一、充分 融合，创造一个社会、经济发展的人居环境。 循环经济就是把清洁生产和废弃物的综合利用融为一体的经济，本质上是一种生态 经济，是按照生态规律利用自然资源和环境容量，实现经济活动的生态化转化。“循环 经济”是美国经济学家波尔丁在2 0 世纪6 0 年代提出的；在7 0 年代时，循环经济的思 想也只是一种理念，当时人们关注的主要是对污染物的无害化处理；8 0 年代，人们认识 到应采用资源化的方式处理废弃物；9 0 年代，特别是可持续发展战略成为世界潮流的近 些年，环境保护、清洁生产、绿色消费和废弃物的再生利用等才整合为一套系统的以资 源循环利用、避免废物产生为特征的循环经济战略。 水循环经济是一种先进的水资源经济发展模式，它是建立在社会水循环系统分析的 基础上，遵循循环经济的思想，按照水资源节约、水环境友好的原则，人们在生产和生 活过程中，在水资源开发利用的各个环节，始终贯穿“减量化( r e d u c e ) 、再利用( r e u s e ) 、 再循环( r e c y c l e ) 的3 r 原则，重视采用新技术、新材料、新工艺，并以完善的制度建 设、管理体制、运行机制和法律体系为保障，提高水的利用效益和效率，最大限度地减 轻和降低污染，来实现水资源利用的最终可持续性。水循环经济的模式为“资源一产品 一再生资源 ，通过“低开采、高利用、低排放 ，实现“水资源投入一水资源产出一 水资源再生利用”这一循环往复的系统过程，实现水资源从最初利用到最后再生这一过 大连理工大学专业学位硕士学位论文 程，以提高水的利用效益和效率，最大限度地减轻和降低污染，最终形成水资源合理和 持久的利用，为人类提供健康的水资源生存环境。 ( 2 ) 水资源可持续发展的要求 可持续发展( s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ) 是人类在总结自身发展历程之后提出的新的 发展模式。1 9 8 7 年世界环境与发展委员会在我们共同的未来报告中提出了“既满足 当代人的需求又不损害后代人满足其需求的能力 的概念，1 9 9 2 年的联合国环境与发展 大会上它被广泛接受并成为总体战略【3 0 】。可持续发展主要包括自然资源与生态环境的可 持续发展、经济的可持续发展和社会的可持续发展三方面。它是经济、社会和生态问题 三者的综合体，体现在人类在不超越资源与环境承载能力的条件下，促进经济发展、保 持资源永续利用，提高生活质量。 在人类生态环境日益恶化、资源日益短缺的今天，全球的生态环境形势日趋严峻， 对人类生存威胁极大，主要表现是水资源短缺、森林消失、沙漠化和水土流失等方面， 实施可持续发展战略无论对现在还是未来都具有非常重要的意义。走可持续发展的道 路，促进人与自然的和谐是人类总结历史得出的深刻结论和正确选择。 水是构成生态环境的基本要素，也是人类生存与发展不可替代的主要资源。缓解水 资源危机的根本出路在于实施可持续水管理，将水资源的开发、利用与管理纳入社会经 济一水资源一生态环境复合系统中加以全面考虑，并从协调社会经济、水资源和生态环 境的相互关系入手，寻找水资源可持续利用的具体途径。可持续水管理就是充分利用水 资源的可恢复性和可再生性特征，通过综合手段，加强科学管理，最大程度地降低或消 除因水资源固有的脆弱性带来的不利影响，使有限的水资源得到合理开发和利用，以满 足不断提高的用水需求并产生最大的资源效益、环境效益、经济效益和社会效益。 当今的生态小区建设应以可持续发展的思想为指导，提倡节水和水的健康循环利 用，使小区的水环境综合系统达到最优，其关键是使小区水的循环利用率达到最大和污 水的排放量达到晟小。健康的水循环首先应该体现在其正常的水体组分、健全的水体功 能和循环过程的完整性上，其取水、供水、用水、排水及相应的节水、中水利用、水处 理环节应是相辅相成，互为前提的，同时在循环过程中水体应能保持良好的自我调节、 净化和恢复能力。 ( 3 ) 水环境生态循环建立的原则 实用性原则。模式应能够最大限度地满足实际用水要求，选择优化的工艺系统 和运行参数，在不同水质水量条件下能指导实际水循环处理系统的运行解决方案。 可靠性原则。确保模式中的系统在较高的保障率下，满足模式的目标要求。 先进性原则。模式所采用的工艺系统先进。 北方生态小区水环境生态循环处理模式与设计 经济性原则。在满足系统水质需求和管理的前提下，通过对水环境的多个单元 技术集成达到系统的最优，并实现投资合理和运行经济。 2 2 生态小区水环境生态循环处理模式 随着世界各国有关生态住宅研究的不断发展，建立良好、健康的居住区水环境系统 已成为小区建设不可或缺的重要组成部分。生态住宅小区要求以可持续发展思想为指 导，提倡节水和水的循环处理利用，使水环境系统的综合效率达到最优。要达到这个目 标，关键是如何使系统水的循环利用率达到最大，同时污水的排放量达到最小，实现小 区水环境的生态良性循环。 生态小区水环境的建设不只能强调其中某一局部，顾此失彼，忽视其整体性，不仅 要考虑当前的利益，还应考虑到长远利益，应综合考虑，应用生态工程技术，整合小区 内各水环境的生活、社会、生态服务等多钟功能，形成健康的水系统，保障水资源良性 循环。尽可能节约、回收、循环使用水资源，提高水资源利用率，减少废水排放和对环 境的污染，实现水资源的持续利用。 2 2 1 一般小区水环境利用模式 一般小区内水环境的建设是直流式的，即“自来水一使用一污水排放，雨水一屋面、 地面径流排放”，如图2 1 所示。各小区基本上污水直接排到市政污水管网，雨水排 到市政雨水管，雨水收集利用措施几乎没有，很多可利用的淡水资源都白白排放到水体。 j 绿化用水 i 道路筒型水仃景观水 。 i 。 - 市政给水 f1丌排曲 1 l 1 1 竖 i雨丞筻网 排放 l一 i 污水管陧 一一 排放 图2 1一般居住小区水环境示意图 f i g 2 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fw a t e re n v i r o n m e n t a ls y s t e r mi ng e n e r a lr e s i d e n t i a la r e a 大连理工大学专业学位硕士学位论文 目前我国总体上水循环是一种粗放式、单向流的用水循环，即从流域上游或地下取 水，经过用户一次使用后，大部分排放至下游水体中。在整个水循环过程中，水只是一 次性得到利用，并没有形成负反馈机制。工农业发展和生活用水的增长全部依靠增加自 然水资源的开采量来得到满足，从而造成了取水量的需求不断加大，社会水循环量不断 增大，缺水压力愈加紧迫的严峻局面。在传统的用水习惯和以往城市建设中，我国的供 水和污水处理