（环境工程专业论文）filsys改进型潜流人工湿地在住区生态景观水体水质维持中的应用研究.pdf

摘要 以项目“上海金地格林世界高尔夫公园生态景观水体水质维持系统工程”为依托，建立 “f i l s y s 改进型潜流人工湿地”为核心的住区生态景观水体水质维持系统，进行1 = 程试验， 全面探讨“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”的技术特性和效果，并对其经济效益进行分析。 采用f i l s y s 改进型潜流人工湿地净化循环景观水，污染物净化效果随水力停留时间的 延长而逐渐提高。在进水c o d e r = 3 4 m g l 1 ，s s = 1 0 m g l - 1 ，t p = 2 7m g u 1 ，7 r n = 1 8 m g l 1 ， n h 4 + - n = 0 5n a g l 1 的情况下，当h 】盯= 4 h 时，出水c o d c ，低于2 4m g l 1 ，s s 低于3m g l 1 ， t p 低于0 4m g l - 1 ，i n 低于0 6r a g l 1 ，n 1 4 _ 4 + - n 低于0 2m g l 1 ，满足景观水水质标准。 在f i l s y s 改进型潜流人工湿地中，各类污染物浓度沿程下降。c o d c ，、s s 、t p 、n h 4 + - n 、 t n 等各类污染物质在第一级填料床中的去除率分别占总去除率的6 0 、3 3 3 、7 4 、6 0 和5 8 1 。在第二级填料床中深入降解各类污染物；而在第三级填料床中进一步强化有机物 和氮磷的去除，同时截留细小悬浮物。 通过在f i l s y s 改进型潜流人工湿地各级填料床布水区进行强制充氧，可使出水c o d c 。、 n h 4 + - n 、t n 去除率分别提高9 6 、1 2 、4 左右，但对污染物出水浓度的改变不明显。 分析表明，“f i l s y s 改进型潜流人工湿地具有占地少、与景观相容性好、受气温影响 小，运行稳定、处理水质效果好、消除短流、维护管理简单灵活等优点。与“生物接触氧化 + 物化”工艺相比，造价及运营费用更低，经济性更好，具有很好的推广应用前景。 关键词：生态景观水体；水质维持；f i l s y s 潜流人工湿地 a b s t r a c t b a s e do n t h es y s t e me n g i n e e r i n go ft h em a i n t e n a n c eo fe c o l o g i c a ll a n d s c a p ew a t e rq u a l i t y i ns h a n g h a ij i n d ig r e e nw o r l dg o l fp a r k ，t h es y s t e mi se s t a b l i s h e dt ok e e pt h ew a t e rq u a l i t yo f r e s i d e n t i a ld i s t r i c te c o l o g i c a ls c e n i cw a t e rb o d y , w i t ht h ek e yo ff d s y ss u b s u r f a c ec o n s t r u c t e d w e t l a n d r 1 1 忙t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n d a p p l i c a t i v ee f f e c to ff i l s y ss u b s u r f a c ec o n s t r u c t e d w e t l a n dw e r ed i s c u s s e da n di t se c o n o m i cb e n e f i tw a sa n a l y z e d r 1 1 l ep u r i f y i n ge f f e c to fh l s y ss u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n di sg r a d u a l l yi n c r e a s i n gw i t h t h ee x t e n s i o no fh r tt r e a t i n gc y c l i n gs c e n i cw a t e r 帆i l eh 灯= 4 ha n dt h ec o d e r , s s ，皿1 n a n dn h 4 + - no fi n f l u e n ta r e3 4 m g l 1 ，l o m g 。l 1 ，2 7m g l 1 ，1 8 r a g 。l - 1 ，0 5m g l - 1r e s p e c t i v e l y , t h e c o d c r , s s ，t et na n dn h 4 + - no fe f f l u e n ta l eb e l o w2 4m g l - 1 ，3m g 。l - 1 ，0 4m g l - 1 ，0 6m g 。l 1 ， 0 2m g l 1 r e s p e c t i v e l y n e p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e da l o n gt h el e n g t ho ff d s y ss u b s u r f a c ec o n s t r u c t e d w e f t a n d t h er e m o v a lr a t e so fc o d e r , s s 吧n h 4 + - na n d ，i ni nt h ef i r s tm e d i a - b e do ff i l s y s s u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n dr e a c h e d6 0 ，3 3 3 ，7 4 ，6 0 a n d5 8 1 o ft o t a lr e m o v a lr a t e i nt h es e c o n dm e d i a - b e d , a l lk i n d so fp o l l u t a n t sw e r ed e e p l yr e m o v e d n l eo r g a n i cm a u e r ， n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw e r er e i n f o r c e dr e m o v e da n d f i n es u s p e n d e dm a t t e rw a sk c ：p ti nt h e t h i r dm e d i a b e d f 1 1 r e m o v a lr a t e so fc o d c r , n i 丑+ - na n dt ni m p r o v e d9 6 ，1 2 a n d4 r e s p e c t i v e l yb y f o r c e d o x y g e n a t i o n i nw a t e rd i s t r i b u t i o n r e g i o nb e t w e e nm e d i a - b e do ff d s y ss u b s u r f a c e c o n s t r u c t e dw e t l a n d b u tt h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sh a dn oo b v i o u sc h a n g e t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ef i l s y ss u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n dh a dl e s sl a n do c c u p a t i o n ， b e t t e rc o m p a t i b i l i t yw i t hl a n d s c a p e ，l e s sr e l a t i o n s h i pw i t ht e m p e r a t u r e ，s t a b l eo p e r a t i o n ，g o o d t r e a t m e n te f f e c t , n os h o r t - f l o wa n das i m p l ef l e x i b l em a n a g e m e n t c o m p a r e dw i t h b i o l o g i c a l c o n t a c to x i d a t i o n + p h y s i c o - e h e m i c a l ”，f i l s y ss u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sl o w e rc o s t a n do p e r a t i o nf e e ，b e t t e re c o n o m ya n d p r o s p e c tf o rp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e c o l o g i c a ll a n d s c a p ew a t e r ；m a i n t e n a n c eo fw a t e rq u a l i t y ；f f l s y ss u b s u r f a c e c o n s t r u c t e dw e t l a n d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的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，除了文巾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过的研究 成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 肄 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的 内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文 的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 蚌导师签名，垒三兰! 塾e l 期： 东南大学t 程硕l 学位论文 第一章绪论 1 1 住区生态景观水体的特征和水质维持要求 根据水景喷泉工程技术规程( c e c s2 1 8 ：2 0 0 7 ) 的规定，住区生态景观水体水质 应达到地表水环境质量标准( g 】b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中规定的类标准( 非全身性接触的娱乐 性景观水体) 或v 类标准( 非直接接触的观赏性景观水体) 。 住区生态景观水体水质效果特征：清澈度不小于0 6 米、不发绿、无异味、可种植水生 植物、可养鱼。 住区生态景观水体不同于一般自然水体，其生态系统的主要特征是：系统不完善、自身 修复能力弱。住区生态景观水体中可以有水生动植物，但其数镀、种类及所处位置只是为了 满足人们对环境景观的需要，这就决定了住区生态景观水体难以形成一个完善的生态系统。 住区景观水体体量小，“环境容量”小；“食物链”简单，其生态系统的自身修复能力弱。住区 人员密集，活动频繁，不可避免地给景观水体带入大量污染物。随着外界污染物的不断进入， 水体无法建立生态“食物链”的平衡，当水体中污染物的积累超出其“环境容量”后，水体的自 身修复能力将遭受严重破坏甚至彻底丧失，最终导致水体恶化【m l 。 针对住区景观水体的特征，必须建立针对性强的“住区生态景观水体水质维持系统9 9 ：以 维持景观水体水质在适度范围内达到动态平衡；外在表现为景观水体的感官效果始终保持 在水景设计效果的可接受状态；并与景观水体的循环流动、造景充氧有机结合，以弥补景 观水体生态系统自身的不足。 1 2 目前住区生态景观水体水质维持的工艺原理及存在问题 1 2 1 物理化学法 本法主要用于建筑水景和水景泳池 利用投加混凝剂使杂质和有机物形成絮状物，再以过滤或气浮加以去除，最后进行消 毒( 投加消毒剂) 。该工艺净化效果好，系统稳定，操作管理方便，但造价和运行费用高。 1 2 2 机械曝气法 本法主要用于改善河流和湖泊的水质状况。 利用机械充氧设备，向景观水体中持续充氧，以保持水中溶解氧的含量，激活水中微 生物，强化水体自净能力，降解营养物，防止水体厌氧发臭，从而维持水质稳定的方法。这 是一个相对简单易行的方法，但并不能保证系统完整地解决问题。 第1 页 东南人学工程硕士学位论文 1 2 3 生物菌法 本法主要用于鱼塘和水产养殖池。 高效复合微生物菌群( 含有光合细菌、醋酸杆菌、放线菌、乳酸菌、酵母菌等五人类) 生物菌种投加法。通过定期定量向水体中投加生物菌，利用生物菌来降解去除水中过多的n 、 p 等营养物，从而保持水质稳定。 1 2 4 水生生态法 本法主要用于城市湖泊的生态修复。 以仿生态学原理为基础，通过在水体中栽种和养殖水生动植物的方法，使水体内形成 一个接近完整的食物链系统。直观地说就是利用水体中的生产者，即藻类和水生植物，吸收 水中n 、p 等营养物，通过收割水生植物从而去除部分营养物；同时利用消费者即以藻类为 食的水生动物去除藻类。这样使水体中n 、p 营养物控制在一定量，使水体中藻类不会过度 繁殖，从而维持水质平衡。 1 2 5 生物接触氧化+ 物化法 本法主要用于城市水体和住区景观水体的水质维护。 生物接触氧化床填料表面生长着大量的细菌共生体( 生物膜) ，含污染物的水充氧后 依次流经富氧、缺氧生化床，低密度富氧生化床截留大颗粒杂质，高含氧量使微生物非常活 跃，消耗了水中的有机物、氮、磷等，并将有害的氨转变为硝酸盐；高密度缺氧生物床截留 微小杂质，缺氧微生物将水中营养素进一步减至控制的要求，并将过量的硝酸盐转变为无害 的氮气。磷被生物膜富集后随生物膜残体和悬浮藻类一起通过物化装置去除，排出系统。 1 2 6 人工湿地法 本法主要用于城市水体和住区景观水体的水质维护。 人工湿地技术分为二种：“表面流”和“潜流式 1 6 1 。详见本文1 3 1 节。 表面流人工湿地因为效率低、占地面积大、负荷低、易滋生蚊蝇的缺点，在住区景观 水体的水质维护中不宜人面积采用。 潜流式人工湿地对地表环境影响小，管理简便，运行成本低，不需要设备间。 两种人工湿地在住区景观水体的水质维护应用中的共同缺点是占地面积较大。 1 2 7 存在问题 住区生态景观水体水质维持通常采用独立的水处理工程方法或水生生态法。水处理工 程方法主要关注于常规的水质指标，可控性强但管理复杂、投资大、运行费用高，难以满足 景观效果和物业管理的要求。水生生态法通过在水体内建立水生生态系统来控制水质，投资 低、能耗低但可控性和重复性差，同样难以满足景观效果和物业管理的要求。基于此，本文 提出并开发了“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”作为住区景观水体水质维持的核心工艺。 第2 页 东南 学l = 裎顾l ：学位恐史 1 3f 1 l s y s 改进型潜流人工湿地的工艺说明及原理 1 3 1 人工湿地的概念、分类、净化机理 1 3 1 1 概念 人l ：湿地( c o m m j c l e dw 叫a n d ) 是在一定长宽比和底面坡度的洼地中充填士壤和填料 ( 如砾石等1 ，洮台组成填料床。，1 在床体表面种植且宵性能好、成活率商、抗水性强、生氏 周期长、美观及具钉经济价值的水生 f f 物，形成一个独特的f ：壤 i ：【物一微生物生态系统 7 1 。 水在床体的填料缝隙中甜l 动或在床体表呵流动，通过填料、机物、微牛物的协同作用，对水 进行处理h 。 涅地植物 q 阱防；铺层橐水t 水位调节 图1 1 人工湿地构造 1 3 1 2 分类 根据水在泓地中水面位置的小蚓，可分为表面流人i 槛地和 f 流人j ：湿地两夫类1 6 1 ( 1 ) 表面流人工湿地( f w s ) 表面流人i ：湿地根据植物种类的不同义可分为挺水斑、浮叶型、漂浮型、沉水型植物 人1 湿地。擂水从湿地表面流过j 有投资省、撵作简便、运行赀j j 低等优点但占地面积 火，水力负荷低，七“能力有限。氧上要来源于永体袭面扩敞、植物根系的传输，但传输能 力p 分有限。湿地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h 。 ( 2 ) 潜流塑人工湿地( s 碍) 清流型人工湿地的水面位于填料层下。这种湿地系统是口前广泛研究及麻州的湿地处理 系统，1 9 7 3 年首先由德国f c s s c l 大学的k i c k m h 教授研究开发成功【枷。清流型人_ l 湿地 般由上f 两层维成，上崖为土壤，f 层为易于使水流通过的介质组成昀根系层，如粒释较人 的砾t i ，炉溃或砂层锋在上层十壤层中种植芦苇等耐水植物。潜流型湿地的优点枉1 + 充分 利川了湿地空间，发挥了系统问的协同作川此在相同而积f 处理能力比f w s 型系统得 到人幅度提高。污水基本在地而f 流动，保温效果好，卫生条件好，这也是近儿年被大最虎 痢3 撕 东南火学工程硕上学位论文 用的原因。其缺点是建造费用比f w s 型湿地高。 根据湿地中水流的状态还可将其分为水平流人工湿地、垂直流人工湿地和复合流人工 湿地【1 l 。1 5 1 。水平流人工湿地其水流从进口起在湿地中沿水平方向缓慢流动；垂直流人工湿地 的水流方向和根系层呈垂直状态，这种床体形式的主要作用在于提高氧向污水及填料中的转 移效率；复合流人工湿地是其中的水流既有水平流，也有竖向流。 1 3 1 3 净化机理 人工湿地净化过程是通过湿地生态系统中的植物、填料、微生物所发生的物理、化学、 生物的协同效应来实现。主要包括吸附、沉淀、过滤、分解、离子交换、络合、硝化反硝化、 植物的摄取以及生物代谢活动等。 ( 1 ) 对有机物的去除 水中的有机物分为可溶性有机物和不溶性有机物。不溶性有机颗粒通过在湿地填料中的 沉积、过滤作用，很快被截留进而被湿地中的微生物分解或利用。可溶性有机物则通过植物 根系生物膜的吸附、吸收及厌氧、好氧生物代谢过程而被分解去除。 有机物在湿地中的生物降解过程主要包括好氧降解和厌氧降解。当采用湿地处理生活污 水时，植物供氧不足，湿地系统内为缺氧、厌氧环境，有机物主要通过厌氧降解去除。当处 理类以下地表水时，由于污染负荷较低，根系泌氧和水中携氧可使湿地系统内部为好氧 环境，d o 浓度可以满足好氧微生物的需要，有机物主要通过好氧微生物降解去谢1 6 1 。人工 湿地对有机物的去除效果与系统的停留时间、进水水质等因素有关，一般对生活污水的去除 率在8 0 - 9 0 ，而对低有机物浓度的富营养化水体的去除率较低，在6 0 左右【1 7 1 。 ( 2 ) 对氮的去除机理 通过生物、物理和化学反应等多方面的协同作用，人工湿地将污水中各种形态的氮去除。 在防渗湿地系统中，忽略湿地和周围水体氮的交换量，氮的去除主要包括挥发、氨化、硝化 反硝化、植物吸收和填料吸附等途型1 8 1 。其中，当湿地水体p h 值低于8 o 时，湿地通过挥 发去除的氨氮可以忽略。而人工湿地中含氮物质主要通过微生物作用去刚1 9 1 。 ( 3 ) 对磷的去除机理 在水中，磷以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷的形态存在。人工湿地对磷的去除是微生 物的氧化分解、植物的吸收以及填料的物理化学反应共同作用的结果。填料的物理化学作用 包括填料对有机磷、无机磷的拦截、沉淀和蓄留作用以及填料直接吸附磷等过程。同时，无 机磷也是湿地植物所必需的养分。此外，湿地中附着在填料表面和植物根际的各种微生物， 在生长繁殖过程中也可以直接吸收利用污水中的无机磷酸盐。虽然直接通过微生物作用去除 的磷量较少，但废水中的磷化合物，有机磷及溶解性较差的无机磷酸盐都不能直接被湿地植 物吸收利用，必须经过磷细菌的代谢活动将有机磷化合物转变成磷酸盐，将溶解性差的磷化 合物溶解，才能被湿地植物或填料吸附利用，从而通过湿地植物的收割以及填料的吸附而将 磷从废水中带走，达到有效除磷的目的【2 0 l 。 第4 页 东南大学工程硕七学位论文 1 3 2 人工湿地的国内外研究现状 2 0 世纪7 0 年代以前，人工湿地系统大都利用原有的天然湿地进行一些改造，而且常将 湿地系统与氧化塘系统结合起来以提高氧化塘的处理效果。1 9 7 2 年，k i c k u t h 提出了根区理 论，推动了采用人工湿地处理污水的试验研究【2 1 1 。随着以该理论为基础的潜流湿地在德国 的成功运用，掀起了人工湿地研究与应用的热潮1 2 2 1 。 进入7 0 年代，人工湿地的研究迅速兴起。在北美，开始了对不同类型人工湿地的广泛 试验，对1 0 4 座渐流湿地和7 0 座自由表面流湿地的运行情况进行数据统计，结果显示，人 工湿地可有效去除t s s 、b o d 和病原微生物，也可以去除部分氮磷污染物【2 3 l 。但7 0 年代的 湿地污水处理系统大都利用原有的天然湿地，即保持了天然湿地的结构，大都以泥泽的形式 出现，由于未对死亡植物进行收割处理，湿地系统很快达到营养饱和状态。致使湿地系统的 生物种类组成、种群结构功能及总体价值受到显著影响。 8 0 年代后期，人工湿地发展到由人工建造的、以不同粒径砾石为填料、种植有净化能 力的水生植物的处理系统，开始逐步由实验室规模走向中试，乃至实际应用阶段。8 0 年代 末和9 0 年代初，在美国相继召开了人工湿地研讨会，提出了人工湿地除污的有关机理和一 些可供参考的设计规范和数据。1 9 9 6 年，在奥地利召开了第4 届国际湿地研讨会，标志着 人工湿地作为一种独特的新型污水处理技术，正式进入水污染控制领域。 9 0 年代斤期，中国与欧洲同行合作，研制开发出新犁复合垂直流湿地系统，湿地净化 污水的同时还可与园林景观结合，产生良好的生态效益和经济效益。另外，研究者提出波式 潜流人工湿地、水平、垂直折向流人工湿地等新的构型 2 , t , 2 5 1 ，并对湿地填料、植物进行筛选、 优化组合，同时采取各种措施提高湿地供氧能力，以改善氮磷的去除效果，延长湿地运行年 限 2 6 , 2 7 1 。同时，人工湿地的应用也逐渐由单一湿地处理向不同类型湿地组合形式发展。 我国对人工湿地处理系统研究开始于“七五”期间，主要用于处理生活污水和工业废水。 随着研究的逐渐深入，人工湿地也逐渐应用到富营养化水体治理与水质维护。1 9 9 8 年，在 四川成都建成的活水公园，是世界第一座以水为主题，集水环境、水净化和水教育为一体的 公园，体现了人工湿地污水处理功能与美化环境功能的完美结合。2 0 0 1 年，浙江杭州( 1 6 0 m 3 d ) 和云南玉溪( 1 0 0 0 i 】瞳伯) 分别建成人工湿地系统，用于处理植物园观鱼池水和星云湖湖水。2 0 0 3 年，在上海交通大学校区内建成三级潜流湿地，用于净化富营养化景观水体，日处理水量 1 2 0 m 3 ，研究发现具有较好的脱氮除磷效果，对浊度和蓝绿藻均有较好的玄除效果。2 0 0 4 年，在广东东莞建成设计水量为6 5 n 1 3 h 的人工湿地，用于处理居住小区景观水体，同年， 上海建成处理水晕为1 0 0 0 m 3 d 芦苇人工湿地，对污染河水达到良好的净化效果。随着研究 的逐渐深入，为提高湿地净化富营养化水体的效果和稳定性，湿地多种填料组合以及不同植 物的筛选应用也逐渐成为研究的热点和重点。 第5 页 东南人学工程硕 ：学位论文 1 3 3f i l s y s 改进型潜流人工湿地的构造说明 图1 2 “f i l s y s 改进型潜流人工湿地 构造示意图 第6 页 东南人学工程硕士学位论文 “珊l s y s 改进璎潜流人工湿地”构造示意如图1 2 。按水流方向从前向后依次为：进水 充氧区、一级布水区、级混合填料床、二级布水充氧区、二级混合填料床、三级布水充氧 区、三级混合填料床、出水区。三级混合填料床均采用水平流形式，将各单一填料区按功能 要求沿水流方向设置，填料床高度为2 米；每级混合填料床总长宽比不大于1 ，内部各单一 填料区宽度相同，单一填料区填料种类、尺寸及填料床长度按功能要求确定。景观水由水泵 提升，充氧后经布水区均匀通过各填料区，三级混合填料床串联运行，最后汇入出水区，流 回景观水体。根据项目场地要求，“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”上部地表可设计为草坪、 地被植物、人行道路、小型车停车场等，与住区景观具有很好的相容性。 1 3 4f i l s y s 改进型潜流人工湿地的工艺原理 根据水景喷泉工程技术规程( c e c s2 1 8 ：2 0 0 7 ) 的规定，住区生态景观水体水质 应达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中规定的类标准( 非全身性接触的娱乐 性景观水体) 或v 类标准( 非直接接触的观赏性景观水体) 。 表1 1 地表水环境质量标准基本项目标准限值( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 单位：m g l 第7 页 东南大学工程硕上学位论文 “住区生态景观水体水质维持系统”的要求是：内在维持景观水体水质在适度范围内达到 动态平衡；外在表现为景观水体的感官效果始终保持在水景设计效果的可接受状态。 以“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”工艺为核心的“住区生态景观水体水质维持系统”主要 由 f i l s y s 改进型潜流人工湿地”、景观水体生态系统、景观水体水循环和充氧系统、景观 水体边界截污系统共四个部分组成。 在景观水体生态系统的建立初期以及每年的春季，主要依靠“f i l s y s 改进型潜流人- t 湿 地”维持水质感官效果，此阶段主要通过对水体中s s ( 含悬浮性藻类) 、有机物、氨氮、总 磷的去除，为水体中固着性生物相的生长创造良好条件，促进水体生态系统快速建立。 在景观水体生态系统相对稳定后，根据水体的感官效果要求和景观水体生态系统的季节 性需要，适时调整“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”的运行要求( 运行时间、水力停留时间) 。 “f i l s y s 改进型潜流人工湿地”弥补了应受水景设计效果制约而导致的住区生态景观水体生 态系统的缺陷，提高了景观水体生态系统的稳定性，在简单可控的条件下实现了景观水系效 果的可重复性。使“住区生态景观水体水质维持系统”达n - 可控性强、运行管理简单灵活、 投资低、运行费用低、与整体景观效果具有很好的相容性的目的。 针对住区生态景观水体水质特点和“住区生态景观水体水质维持系统的要求，“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”的工艺原理在常规“潜流人工湿地”基础上进行了以下改进： 1 、内部构造设计为三级混合填料床串联，并在每级布水区均设置强制充氧混合措施。 三级主要功能为： 第一级：截留去除有机物和氨氮、除磷( 化学法) ，同时截留大颗粒悬浮物； 第二级：强化脱氮，深度去除有机物； 第三级：截留细小悬浮物，确保出水满足观赏性景观水体水质要求。 2 、只利用三级混合填料床完成水质处理工作，地表植物和地表功能布局满足景观要求。 3 、单位流量需要去除的s s 、有机物的绝对值小，缩短了填料床的水力停留时间。 4 、采用沿水流方向的填料分区，填料床高度为2 米，使水流在填料床内均匀流动， 与填料充分接触。 5 、进水的s s 、有机物的绝对值较小( s s 约1 0m g l ，化学需氧量( c o d c r ) 曼4 0m g l ) ， 再加以季节性的休眠，使填料床的堵塞问题可以忽略。 1 4 研究目的与内容 以“上海金地格林世界“高尔夫公园”生态景观水体水质维持系统r 程”项目为依托，建 立以“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”为核心的住区生态景观水体水质维持系统，进行工程试 验。全面探讨“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”的技术特性和效果，为其进一步推广应用提供 理论依据和工程实证。 第8 页 东南大学工程硕士学位论文 第二章试验概况 2 1 上海金地格林世界“高尔夫公园一生态景观水体水质维持系统工程概况 2 1 1 项目简介 金地格林世界居住区总占地2 0 0 0 亩，地址为上海市嘉定区南翔镇。项目以欧洲风情 为主题，是上海规模最人的高档居住区。金地格林世界三期规划设计了占地3 4 0 0 0 m 2 “高尔 夫公园”。围绕高尔犬球场，景观设计营造了8 8 0 0 m 2 的环形生态景观水系，平均水深1 0 m ， 水体总容积8 8 0 0 m 3 。生态水系的景观设计效果要求为：清澈度大于0 6 m ，水系内种植水生 植物并养观赏鱼，达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中规定的v 类标准( 非直 接接触的观赏性景观水体) 。 项目的场地特征见图2 1 。高尔夫公园场地为东西长、南北短的长方形，公园中环行道 路标高为3 5 0l n 高尔犬球场环形生态景观水系水面标高：常水位2 5 0i n 排涝水位2 8 0m ， 场地东侧为高层建筑群的半地下车库，车库顶板上地面标高5 5 0i i l 高出高尔夫公园2m 。高 尔夫球场草坪下方设有集中排水管网，雨水和浇灌水从管网中流入环形生态景观水系，当水 系水位超过排涝水位2 8 0 m 后由雨水泵站自动启动排涝。高尔夫球场环形生态景观水系内 种植水生植物并养殖观赏鱼类，水系底部生长固着性的藻类。水系水流为顺时针循环流动， 每隔一段距离和造景结合设计各式喷泉或跌水对水体充氧，消除死区。 结合以上场地特征，设计将“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”设置于高尔夫公园东侧，抬 高本区域地面标高至4 0m ( 见总平面图) ；同时将高尔夫球场环形生态景观水系东侧段截 断，建成水面2 0 0 m 2 的中位水景池，水面标高为3 5 0m ，设出水管与潜流人工湿地的一级 布水区相连。在邻近中位水景池的j # 地下车库上，设计了水面3 0 0 m 2 的狭长形无边水景池作 为高位水景池，高、中位水景池之间的半地下车库墙体设计为长2 5m 的大跌水墙，跌水高 度1 8 5m 。高、中位水景池和大跌水墙构成了“f i l s y s 改进型潜流人工湿地”的进水充氧区。 景观水从环形生态景观水系的东北端经水泵提升后以喷泉形式进入高位水景池，水中 的泥砂等大颗粒物质沉积于池底定期排空，高位水景池溢流水在高尔夫公园东端形成壮观的 长2 5 m 的人跌水，景观水充分充氧后汇集在中位水景池，自流入潜流人工湿地。 “f i l s y s 改进犁潜流人工湿地”区域地面标高4 0m ，作为球场的发球区，地表为大面积 高尔大草坪，点缀少量灌木和乔木，球场环形道路从潜流人工湿地上部穿过。充氧后的景观 水从北向南流过“f i l s y s 改进型潜流人工湿地，经过潜流人工湿地处理后，自流入环形生 态景观水系的东南端，推动环形生态景观水系内水流按顺时针方向流动。如此，环形生态景 观水系内水的造景、循环、充氧、水质处理结合为一个有机整体，并巧妙融入本项目的景观 设计中，为景观设计效果“锦上添花”。 第9 页 东南 学t 程顿 岸位论文 图2 1 项目总平面图 第1 0 东南人学工程硕十学位论文 2 1 2 f i l s y s 改进型潜流人工湿地”试验装置的设计 “f i l s y s 改进型潜流人工湿地”( 见图2 3 、图2 4 ) 总长4 8 m ，总宽1 7m ，总面积8 1 6 m 2 ， 填料床高度2m ，空床总容积约1 6 0 0 m 3 。潜流人工湿地池体底板依水流方向从北向南放坡， 坡度1 5 ，填料床上部铺设厚度o 2 0m 的豆石和粗砂层，再覆盖种植土，覆土厚度为0 3 0 m - - o 7 5m ，从北向南逐步增大。景观水在潜流人工湿地内依次流经一级布水区、一级混合 填料床、二级布水区、二级混合填料床、三级布水区、三级混合填料床、出水区，自流入景 观水系。 “f i l s y s 改进型潜流人工湿地”工艺流程图如下： 叫景观水系l ( j 泵 i 高位水池l ( 充氧) i l 中位水池l 1 + 级布水区l 一级混合填料床 i 一_ 二级布水区l 二级混合填料床 i 叫三级布水区i i 兰级混合填料床 l 出水区i 东北角) 喷泉( 充氧) 圆( 东南角) 图2 2 “f i l s y s 改进型潜流人工湿地 工艺流程图 “f i l s y s 改进型潜流人工湿地”各处理单元和设备技术参数详述如下： 进水提升泵：潜水泵( q s l o m 7 - 3 型，o = l o o m 3 f a ，h = 7 m , n = 3 k w ) 共8 台，安装于 景观水系东北端底部泵坑内，泵坑边沿高出河底0 2 m ，以防淤泥进入。各台潜水泵独立手 动控制运行，总进水量1 0 0 8 0 0m 弧。试验时分别运行2 台( 2 0 0m ) 、3 台( 2 7 0m ) 、 4 台( 4 0 0m ) 、8 台( 8 0 0m 弧) ，对应于“f i l s y s 改进型潜流人工湿地，水力停留时间 为8 h 、6 h 、4 h 、2 h 。 第1 1 页 东南人学工程硕上学位论文 一级布水区：本区分为两级，前级长0 8 m 、宽l l m 、深2 0 m ，有效容积1 7 6 m 3 景观 水从d n 5 0 0 进水管进入前级后，沿l l mk 溢水堰均匀跌水进入后级。后级长0 7 2 m 、宽l l m 、 深2 0 m ，有效容积1 5 8 m 3 通过2 4 0 r a m 厚、高2 0 m 穿孔空心砖墙进行小阻力配水，使水均 匀流过一级混合填料床。 一级混合填料床：总长1 2 8 m 、宽1 1 5 - - 1 6 8 m 、深2 0 m ，有效容积3 6 3 m 3 。对应于 试验工况，本级水力停留时间为1 8 1 h 、1 3 4 h 、0 9 h 、0 4 5 h 。主要功能为截留玄除有机物和 氨氮、除磷( 化学法) ，同时截留大颗粒悬浮物。按功能要求分为5 个单一填料区，沿水流 方向依次为：天然沸石( m 4 0 m m ) ，长2 4 m 、宽1 2 1 m 、深2 0 m 、填料区体积5 8 m 3 ；石灰石 他1 5 r a m ) ，长2 5 m 、宽1 3 1 m 、深2 0 m 、填料区体积6 5 5 m 3 ；砾石( 0 1 0 - - - 1 5 m m ) ，长3 0 m 、 宽1 4 2 m 、深2 o m 、填料区体积8 5 2 m 3 ；石灰石( 1 5 衄) ，长2 5 m 、宽1 5 3 m 、深2 0 m 、填 料区体积7 6 5 m 3 ；粉煤灰( 0 4 0 r a m ) ，长2 4 m 、宽1 6 2 m 、深2 0 m 、填料区体积7 7 8 m 3 。 二级布水区：长0 8 2 m 、宽1 6 8 m 、深2 0 m ，有效容积2 7 6 m 3 。两侧均为穿孔空心砖 墙。本区底部安装了4 台潜水射流曝气机( q s b 5 5 型，进气量8 5n 舳，n = 5 5 k w ) ，依图中所 示布置，每台设备服务的范围为4 2 m x 0 8 m x 2 0 m , 潜水射流曝气机从地表吸取空气，对水充 氧的同时对服务区域起到均质的作用。 二级混合填料床：总长1 4 8 m 、宽1 6 8 m 、深2 0 m ，有效容积4 9 7 m 3 。对应于试验工 况，本级水力停留时间为2 4 9 h 、1 8 4 h 、1 2 4 h 、0 6 2 h 。主要功能为强化脱氮，深度去除有 机物。按功能要求分为5 个单一填料区，沿水流方向依次为：天然沸石 4 0 岫) ，长3 4 m 、宽 1 6 8 m 、深2 o m 、填料区体积1 1 4 m 3 ；砾石 1 5 m m ) ，长2 5 m 、宽1 6 8 m 、深2 0 m 、填料区 体积8 4 m 3 ；砾石 l o 1 5 咖) 长3 0 m 、宽1 6 8 m 、深2 0 m 、填料区体积l o l m 3 ；砾石 1 5 r a m ) ，长2 5 m 、宽1 6 8 m 、深2 0 m 、填料区体积8 4 m 3 ；粉煤灰( 0 4 0 m m ) ，长3 4 m 、宽 1 6 8 m 、深2 0 m 、填料区体积1 1 4 m 3 。 三级布水区：尺寸及构造与二级布水区相同。本区底部安装了4 台潜水射流曝气机 ( q s b 2 2 型，进气量3 5m ，n = 2 2 k w ) ，服务范围及功能与二级布水区内射流曝气机相同。 三级混合填料床：总长1 4 8 m 、宽1 6 8 m 、深2 0 m ，有效容积4 9 7 m 3 。对应于试验工 况，本级水力停留时间为2 4 9 h 、1 8 4 h 、1 2 4 h 、0 6 2 h 。主要功能为截留细小悬浮物，进一 步去除有机物，确保出水满足观赏性景观水体水质要求。按功能要求分为5 个单一填料区，沿 水流方向依次为：天然沸自 ( 0 4 0 m m ) ，长2 9 m 、宽1 6 8 m 、深2 o m 、填料区体积9 7 m a ；粉煤 灰( 4 0 m m ) ，长3 0 m 、宽1 6 8 m 、深2 0 m 、填料区体积1 0 1 m 3 ；砾石 15 衄) 长4 0 m 、宽 1 6 8 m 、深2 0 m 、填料区体积1 3 4 m 3 ；砾石 2 5 删呻，长4 0 m 、宽1 6 8 m 、深2 0 m 、填料 区体积1 3 4 m 3 ；天然沸石( 叭o 删n ) ，长0 9 m 、宽1 6 8 m 、深2 o m 、填料区体积3 0 m 3 。 第1 2 页 东南大学t 程硕上学位论文 出水区：长0 8 2 m 、宽1 6 8 m 、深2 0 m ，有效容积2 7 6 m 3 。穿孔空心砖墙均匀汇集三 级混合填料床处理出水，通过可调薄壁堰维持出水区水位标高不低于2 6 5 m , 水从出水堰跌落 后，通过d n 5 0 0 出水管流入景观水系东南端。 表2 1 f i l s y s 改进型潜流人工湿地 各单元尺寸和主要设备汇总表 第1 3 页 东南大学t 程硕上学位论文 图2 3 f i l s y s 改进型潜流人工湿地9 9 平面图 第1 4 页 东南人学工程硕士学位论文 图2 4 f i l s y s 改进型潜流人工湿地”剖面图 第1 5 页 东南大学工程硕士学位论文 2 2 试验概况 f i l s y s 改进型潜流人t 湿地建于上海地区户外自然环境中，装置运行气候条件为亚热 带季风气候：春季温暖，夏季炎热，秋季凉爽，冬季阴冷。 2 2 1 试验水质情况 f i l s y s 改进型潜流人工湿地迸水来自生态景观水系东北端。水质如表2 2 所示。由表 2 2 可知，景观水体各类污染物浓度较低，磷浓度略高。 表2 2n l s y s 改进型潜流人工湿地进水水质 2 2 2 运行方式 0 8 年4 月f i l s y s 改进型潜流人工湿地建成后，装置开始运行，每隔7 。1 0 天监测进出 水水质。待系统稳定后，在不同停留时间下连续进水连续出水，考察不同水力停留时间对污 染物去除效果的影响，并确定系统运行最佳停留时间。0 8 年8 月起，在最佳水力停留时间 下运行，分级取样，研究污染物的净化效果。0 8 年9 。1 0 月，对系统进行多级强制充氧，考 察各类污染物净化效果，并将其与充氧前对比。 2 2 3 常规监测项目及方法 水质检测在现场建设的水质化验室进行。日常分析测定的水质项目包括进、出水c o d c ，、 s s 、p h 及t n 、t p 、n i - 1 4 + - n 等。测定方法( 见表2 3 ) 均参照国家环境保护总局推荐方法。 表2 3 主要检测指标及方法 水质参数分析测试方法 重铬酸钾法 过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法 过硫酸钾氧化紫外分光光度法 纳氏试剂比色法 重量法 p hp h s 一3 c 精密p h 计 水温温度计 2 2 4 试验监测的主要技术参数 人工湿地的一、二、三级布水区和出水区的c o d ( h 、s s 、p h 及t p 、n h i + - n 等 人- 丁湿地的水力停留时间 2 2 5 试验操作控制参数 人工湿地的进水流量和二、三级布水区中潜水射流曝气机小时充氧量 第1 6 页 。 埘 n _ 4 铡口舭鼹 东南大学工程硕上学位论文 第三章“f il s y s 改进型潜流人工湿地 的 试验结果及分析 本项目f i l s y s 改进犁潜流人工湿地自0 8 年4 月开始投入运行，待8 月系统稳定后考 察了系统在不同运行工况下的处理效果，以及在最佳水力停留时间下的各级净化效果。 3 1 水力停留时间对污染物去除效果的影响 水力停留时间是影响湿地系统处理效果的关键设计参数，为考察不同水力停留时间对水 中污染物去除效果的影响，设计了4 种停留时间分别为2 h 、4 h 、6 h 、8 h ，对应的水力负荷 分别为8 0 0 、4 0 0 、2 6 7 、2 0 0 w h ，每一停留时间重复3 - 4 次试验，取多次进出水的平均值 作为最终试验结果。试验期间，进水水温在2 2 c 一2 5 1 2 左右，所以不考虑温度变化对污染物 去除效果的