住宅小区人工湿地——水景观及其应用.pdf

往 斜挺2 0 0 3 年 第 10 期 HOUSI NG 8eI ENCE 住 宅小 区人工湿地 水 景观及 其应 用 Ar t i fic i a l W e t La n d W a t e r La n ds c a p e i n Re s i de nt i a l Di s t r i c t a n d Ap p l i c a tio n Th e r e o f 潘建 良P a n J i a n l i a n g 李道 棠L i Da o t a n g 李 望宝L i K u n b a o 赵敏 钧Z h a o Mi n j u n 上海 交通 大学生命 科学技 术学院2 0 0 0 3 0 S c h o o l o f L i f e S c i e n c e and T e c h n o l o g y S h ang h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y S h ang h ai 2 0 0 0 3 0 摘要介 绍 了人工湿地 污水处理的机理 以及 其基本类 型 论 述 了人 工湿地 应用 于住 宅小 区水 景观废 水处理 的条件与设计要 点 简要 分析 了住 宅小 区运 用此技 术的经济指标 关键词 人工湿地污 水处理环境设计 水景观经 济指标 Ab s t r a c t T h e me c h an i s m an d b a s i c p a t t e r n s o f s e wa g e t r e a t me n t fon a r t i fic i a l we t l an d i s i n t r o d u c e d Th e c o n d i t i o n s f o r t h e 印 p l i c a t i o n of a r t i fi c i al we t l an d wa t e r l an d s c a p e s e wage t r e a t me n t of r e s i d e n t i al d i s t ric t an d k e y p o i n t s of t h e d e s i g n a l e d i s c u s s e d an d e c o n o mi c i n d e x of u g i n g t h i s me t h o d i n r e s i d e n t i al d i s t r i c t i s b r i r f l y a n aly s e d Ke y W o r d s a r t i fic i a l we t l a n d s e wa g e t r e a t me n t e n v i r o nme n t d e s i g n wa t e r l an d s c a p e e c o n m i c i n d e x 近几 年来城市住宅 小 区建设发展迅 速 改善 了 市民的居住条件 人们在改善 居住条件 的同时 对住 宅周 围环境也提 出了相应 的要求 如绿化及水景 观 等 水景 观用水倘若采用 自来水 其运行 费用 比较 大 则 增加 了居 民的物业管理 费用 如果取 河道地表 水 和雨水 也需经过处理后 达到 再生水 回用景观水 体 的水 质标准 C J 9 5 另外 水景 观 的水经过数 次 循 环后也 同样需要处 理 通 常这类 水有机物浓度较 低 处理 水量稳定 处理程度 为三级 为 了使 污水 处 理设施 与周 围环境相适应 采用人工 湿地 这一 种新 型生态污 水处 理技术 不 失为适合 于处理 景观用水 的较好选 择 1 人工湿地 的概念 机理与 基本类型 1 1人工 湿地 的概 念 湿地 一般 指沼 泽地 湿原 泥 炭地或 水域 地带 或静止 或 流动 低潮 时水 深不 超过 6 m 的水域 湿 地能净化 污水 是 自然环 境 中净能力很 强 的区域之 0 人工湿地 系统 于 2 0世 纪 7 0年 代提 出 在 2 0世 纪 8 0年代得到迅 速发 展 2 0世 纪 9 0年代初 在 美 国和英 国相继 召开了人工湿地 的有关机理 和一些可 供 参考 的设计规 范和数据 标 志着人工湿地 系统作 为一种独特 的污水处理技术方 式进入环境科 学技术 领域 我 国湿地处理废 水在 2 0世纪 8 0年代开 始研 究及 应用 近期有人 工湿地污水处 理系统应用 于公 园 住宅 区的废水处理 的相 关报道 有关研究结 果表 明 在进 水浓 度较 低 的条件 下 人工 湿地 对 的 B OD 5 去 除 率可 达 8 5 9 5 C O Dc r的去 除 率 可 达 8 0 以上 处理 出水 中 B OD 5 浓 度在 1 0 m s L左右 S S小 于 2 0 ms L 湿地对 N P去 除率 可分别为 6 0 9 O 以上 而城 市 二级 污水 处 理厂 对 N P去 除率 仅 达 2 0 4 0 1 2人工湿地 的净化机理 一 般认 为人工湿地成 熟 以后 填 料表面吸 附了 许多微生 物形成 的大量 生物膜 植物 根系分布 于池 中 于 自然生 态 中通 过物理 化学 生物 三者 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 l 1 1 2 1 物理作 用 主要是 过滤 沉 淀作用 土壤一植物 是一个活 的 过滤器 污水进 入湿地 经 过基质层 及密集 的植物茎 第 一作 者潘建 良 1 9 8 8年毕 业 于 同济 大 学 工程 师 41 维普资讯 2 0 0 3年 第 1 0期 叶和根 系 可 以过滤 截流 污水 中 的悬 浮 物 并沉 积 在 基 质 中 1 2 2化 学 反 应 由于植物 土壤一 无机胶体 土壤微 生物 区系及 酶 的多样性 人工湿地 中可 以发生各 种化学反应 过 程如化学沉 淀 吸附 离 子交换 氧化还源 反应等 这 些化学反应 的发生 主要 取决 于所选 择 的基质 类型 1 2 3生 化 反 应 对 于去除有 机污染物 主要依赖 于系统 中的微生 物 首先 所有人 工湿地都类 似于 附着 生物膜 的反应 器 有机 物质被填料 吸附后 可 以通 过生物 的同化 吸 收和异化分解 去除 根 据有关学者 提 出的根 区法理 论 由于 生长在 湿地 中 的挺水植 物 对氧 的运 输 释 放 扩散 作用 将 空 气 中的氧转 运 到根部 再经 过植 物根 部的扩散 在植物根须 周 围微环境 中依次 出现 好 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 或断键成 简单分子 小分 子 提 高对生物难 降解有机 物 的去除效果 因而生化反 应对净化污水 起重要作 用 1 3人工湿地 的基 本类 型 人工湿地 污水处理 工艺系统 包括水面式人 工 湿地 简称 珊 s 和渗 滤潜 流 型 人工 湿 地 简 称 s r s 等两种类 型 1 3 1 水面式人工 湿地 v ws 水 面式人工 湿地 的特点 湿地 具有一定 的坡 度 表 面 经 常 保 持 比较 均 匀 的 薄 水 层 一 般 在 0 1 0 6 m 待 处理 水 沿 着湿 地 床表 面 均匀 推流 水 面 与 空气 之间可发 生快速 的空气交换 土壤表层 由气 生 根 水 生根和枯枝 落叶等形 成根毡层 并与水 体 中植 物茎 叶为微 生物提供 附着生长表 面 参与 污染物去 除 水体 中氧气来 源主要是 污水流动 时空气 中氧气 扩散 以及水生根传 输 的部分 氧气 水面式人工 湿地 的工艺 性能 水 面湿地水力 负 荷 小 水力 路径 以地 表推流 为主 在 处理 湿地 系统 前 端 显著去 除 B OD等 去除率 可达 3 0 5 0 但 由于 冬 季温度 的下降和湿 地植 物 的枯 萎 净 化功能降低 1 3 2 渗滤 潜流 型人 工湿地 S F S 渗滤潜 流型人 工湿地 的特 点 污水在 湿地床 的 表面下 经水平 和垂 直方 向渗 滤流动 通过植 物传输 到根 际的氧气有 助于污水 的好 氧处理 并可 以充分 利用填 料表面 生长 的生物膜 丰 富的植 物根系及 表 42 雹 斜挺一 H OU S I N G s 6 I E N CE 层 土 和 填 料 进 行 土 壤 的 物 理 化 学 和 土 壤 微 生 物 的 生化作用 等 提 高处理 效果和处理 能力 另一方 面 由 于水 流在 地表 下流动 保温性 好 处理 效果 且卫 生 条件较 好 是 目前 国际上较 多研究 和应用 的一 种湿 地处理 系统 渗滤潜 流型人工湿 地 的工艺性 能 容 纳 的水力 负荷较大 受气候 影响小 冬季可 安全运行 由于渗 滤湿地 的水力路径 以垂直 和水平 入渗 为主 因此过 高 负荷 的 S S会 影响 土壤的渗滤 速率 减 少渗滤湿地 的收水 能力 不利 于长期稳定运 行 2住 宅 小 区人 工 湿 地 的应 用 2 1 应用条 件 水景 观作为第 四代住宅建 筑的基本设 计理念 已 经被建 筑设 计单位 和开发商 的认可 并 深受用户 的 青 睐 尤 其在邻近河道 的房地产 开发时 将 河水作 为 水 景观水源经 过处理后作 为水景观用 水 当然在 取 河 水 时 其进 水 水 质 中 的有 机 物 的浓 度 不 宜 过 高 B OD 一般 在 I O ms L以下 适 用 于 地 面 水 环境 质 量标 准 GB 3 8 3 8 8 8 中四类 或五类 水 的水 质 以及 生活杂用 水水质 标准 C J 2 5 1 8 9 水 质 其原 因是 用人 工湿地处理 废水所 占面积与其处理 有机物 的浓 度 成正 比 河 水经一级 处理后 进入水 面湿地 和渗 滤 湿 地处理后 其水质 可 以达到 再 生水 回用景 观水 体 的水质标准 C J 9 5 就 可 以作为水 景观用水 在 人工 湿地一 水 景观设 计 时 可 以将 水 景 绿 化 人文景 观相 协调 人工湿地 应根据住宅 小 区的地 形设 置数块 湿地 每个 人工 湿地长 度控 制在 5 0 m之 内 湿地之 间用 管道连接 形成 串联式 人工湿地 系 统 并在 几个湿地之 间设 置人工 喷泉或瀑布 使 空气 中氧气能进入 水体之 中 从 而使整个 人工湿 地系统 处于好氧 和缺氧状态 为 除磷脱 氮提供 有利条件 人 工湿地在住 宅 区的应用需 要对水 生植物 的选 择作周 密考虑 根据有关 材料 在选择湿地植 物物种 时 可 根据 耐污性 生长适应 能力 根 系 的发达 程度和景 观 要 求确定 因地制 宜 可考 虑运 用 花 叶芦苇 花 叶水 葱 菖蒲 水 鳖 大漂 千 屈 菜 伞 草 睡 莲 等 湿地植 物 使人工 湿地 一年 四季植 物 生长茂 盛 郁 郁 葱葱 以取得景 观与净化水 质兼得 的效 果 在住宅 小 区布 置一些 喷泉 瀑 布 涓涓小溪 以增强 水 的充氧 能力 使水处理处 于好 氧状 态 在 建筑景 观设 计时 可 以设 计诸 如 石径 花 圃 中庭绿 茵 凌波双亭 原 木 忱 桥 盘石 栈道 等 使 水 脉 绿 脉 文脉 合 维普资讯 雹 斜挺2 o 0 3 年 第 o HOU8I NG SCI ENCE 为 一体 使 都市人 的 回归 自然 的美 好愿 望 真正 能 在 生态住宅 中体 现 2 2设 计 要 点 住宅 小 区人 工 湿 地 的 处 理水 量 和 处 理水 质 是 确定 湿地 规模 的主要 因素 按照 小 区水景 观三 天循 环一 次来考虑人 工湿地 的处 理水量 在 住宅 小 区可 以将水 面 湿地 F WS 和渗漏 湿 地 S F S 串联 应用 在 工程设计 中 处理前 一段 约 2 0 0 3 o o 各湿地 床单元用水 面湿地 的工程 结构 处理后 一 段 直 到 出水 口 采用渗 滤湿 地工 程结构 这 是 利 用 水 面湿地前段 S S沉 降效 果 明显 的工艺 特性 与 渗 滤 湿 地 水力 负 荷较 大 净 化 效果 好 可 安全 过 冬 的 工艺性 能优化组合设计 这种优 化组合方式具 有处 理效 果稳 定 水力 负荷 大 节省 工程 投资 减少 运行 费 用 的优 势 有 利 于 污水 处 理 工程 的长 期 稳定 运 行 水 面湿 地 F WS 系统 的有 机负 荷 随污水性 质 和 条件变化很 大 其范 围在 1 8 1 l O k g B O D h a d 水力 负荷可 达 1 5 0 5 0 0 ma 0 m d 在确 定水力 负荷 的 同 时应 考 虑 气候 土壤 状 况 渗透 系 数 和植 被类 型 等 场 地条 件 还 应考 虑 接 纳 水体 的水 质要 求 尤 其 注 意 由于蒸发 的失水量对 夏季处理 的影 响 渗 滤 湿 地 S F S 系统 中 水 流有 两 种基 本 流 态 即层 流 与紊 流 当 湿地 床 中所 用 的填料 的粒 径 不 大 污水 充满 填料缝 隙并 处 于饱 和状 态时水 流 为层 流 此 时可用 D a r c y公式 计算 当 尺e 1 1 O时 水流 变为紊 流 此 时可用 E r g u m公式计 算 湿 地床长 度 通 常定为 2 0 5 0 m 过长 易造成 湿 地 床 中 的死 区 且 使 水 位 难 于调 节 不利 于 植 物 的栽 培 此外 湿地 的长 宽 比 L W 也不应 过大 建议 控制在 3 l 左右 床深 D一般 须根据 所栽 种植 物的 种类及 根 系 的生长深 度确定 以保 证 湿地 床 中必要 的好氧 条件 对 于芦苇湿地 系统 处 理生活 污水 时 D一 般 取 0 6 0 7 m 床 横 截 面 面积 与温 度 有 机负 荷 无 关 只 受填 料 的水力 学 特性影 响 根 据 有关 经验 通过填 料横 截 面的平 均流 速 Q A 以不超 过 6 8 m d为宜 以避 免对填料根 茎结构 的破 坏 湿地床底坡 一般取 1 8 对 以砾石 为填 料 的湿地 床一般取 2 湿地 进 出 口系统 的填料 可选用 6 0 l O O mm粒径 的砾 石 铺 设 整个 床宽 填 料 表层 可 优先 选 用 钙含 量 为 2 左 右 的混合 土 以提高脱磷效 果 表层之 下 以 5 1 0 mm粒径 石灰石掺 和适量土壤 铺 设厚度 为 1 5 0 2 5 0 ram左右 下 面再铺设 5 1 0 m m 粒 径石 灰石 填料 或 用不 同级 配砾石 花 岗岩 碎石铺设 由于表 面土壤在浸 水后会部 分下沉 因此在建造 时填料表 层标高应适 当高 出设 计值约 1 0 1 5 人 工湿地床 的水位控制 通常湿地 进水 的水位 是不 变的 为使污水在 床体 内以推流式 流动 须对床 层 的水位加 以控制 使湿地进 出水端不 出现表 面流 为了利 于植 物的生长 床 中水 面浸没植物根 系 的深 度应尽量 均匀 还需使水 面坡度与底坡 基本一致 人 工湿地 的环 境保护要求 为 防止湿地 系统 因 渗漏 而造成地 下水污染 要 求在工程 尽量保持 原土 层 并在 原土层上设 置防渗层 防渗 层 的设置方 法有 多种 如 采用 厚度为 0 5 1 0 mm 的高密度聚 乙烯树 脂 或油毛粘 密封铺轨等 为 防止床体填料尖 角对薄 膜 的破 坏 施 工时在塑料 薄膜上预铺 一层细砂刚 住 宅小 区人 工湿地工程 实例 海南 省海 口市 望 海狮 城生态 小区生活污水经 生化处理 后达到 国标 生 活 污水 排 放 标 准 G B 8 9 7 8 8 8 然 后 将 南 区 8 0 0 m3 的污水 进入 三级 土地一 植物 系统 S F s人 工湿 地 系 统 设 计 湿地 面积 为 2 2 0 0 3 0 0 0 m2 处 理 系统 沟槽 深度 1 5 m 底部 为碎 石 自径 l O 1 5 c m 砾石 及 土壤 组成 的通透 性混合 材料 污水 渗透速率 为每 小时 3 4 e ra 污水停 留时间 2 3 d 表面覆 盖土壤 种植沼 生植 物 及花卉 等 这样 即可 以形成很 好 的景 观 同时起到 净 化污水 的作用 3住宅小 区人工湿地 的运行及主 要技术经 济指标 3 1 住宅 小 区人 工湿 地 的启 动与运行 住 宅小 区人 工湿地 污水处理系统 的启动一般 要 经历两个 阶段 即 系统调试 植 物复 活 根 系发展 不 稳定阶段 和植 物生长成熟 处理效 果 良好 的稳 定成 熟 阶 段 在启 动阶段 芦苇等植 物载种后 即须充水 初期 可将水 位控制在地 面 以下 2 5 mm左右 按设 计流量 运行 3个 月后 将 水位 降低 至距 床地 0 2 m 处 以促 进芦 苇等植物 根系 向深部 发展 待根 系深入到床 底 后 再将 水位调节 至地表下 0 2 m处开 始正常运行 进入稳 定成熟 阶段 后系统处 于动态平衡 植物 的生长仅 随季节发生 周期行变化 随后 经过一年 的 运行 系统处 于相对稳定 阶段 此时系统 的处理效 果 充分发 挥 运 行稳定 人工湿 地系统从 启动到成熟 一 般需 1 2年的时 间 对设计合 理 的人工湿 地系统 在 下转 第 4 6页 43 维普资讯 2 0 03年 第 1 0期 源贫 乏 但雨 季时大 量 的雨水 却 白 白流 进下 水道 加 重 了城 市排 水管 网的负 担 因此 应在 屋顶 路 面 等部 位设 计 收 集雨 水 系统 将 雨 水 收集 贮 存 经 处 理后加 入到 中水 系统 中 也 可 直接 用来 作为 绿化 用 水 3 2垃 圾 回 收 物质极 大 丰富是 现代 社会 生活 的特 点 然 而 消耗 大量商 品的同时会排 出大量垃圾 这是一个令 现代社会头 痛的问题 而 日本 在城 市 垃 圾 的处 理 方 面 有许 多 经 验 值 得我们在 发展生态住 宅时常学 习与借鉴 图 1 3 3开发利 用其 它无污染 能源 利用 可再 生 的洁净 能 源 太 阳能 地 热 等 加强 对 太 阳能 的 利用 设 计 方 案 尽量 采 用 南 向 窗 户 设置 收集太 阳能 的装 置 如在 屋顶 南侧 阳 台上 设 置 利 用 太 阳能 制 冷 与蓄 存 技术 利 用 太 阳能 提 供热水 等 使 太 阳能尽 可能多 的代替 其它能源 可燃 垃 圾 焚烧 雹 舛挺一 焚烧后 的灰烬 固体化 资源化 不 可燃 垃圾 粉 碎 剩 大垃 圾 修 再 资 源垃圾 人 工 选别 资 有 害垃 圾 委托 企业 处理 有 机垃 圾 部 分堆 肥化 处 理 塑 料 垃 圾 1 分 别 回 II 殳 再 生 利 用 圈 1 日本城 市垃 圾 的处理 方 法 高情感 相结合 时代感 与历史感并 重的居住 环境 使 生活在 现代快节 奏中 的人们 在生理上 心理上得 以 平衡 与满足 同时为适应 当今社 会发展 的特点 居住 生 活更趋 向于多层 次 多风 格 而 不 同层 次 不同 风 格 的居住环境 都将更 重视人们在 室 内空 间 中的精神 需要和环境 的 内涵 4 居住 概念 主张 以人 为 创 造高科 技 和 收稿 日期 2 0 0 3 0 9 0 5 现代 居住 概念 主张 以人 为本