人工湿地设计(刘少敏)概要

水资源爱护

人工湿地设计讲授：刘少敏2023.12湿地是地球上一种重要的生态系统。它处于陆地生态系统〔如森林和草地〕与水生生态系统〔如深水湖和海洋〕之间。湿地是陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡带。湿地概述人工湿地是一种为了到达环保处理效果，仿照自然湿地而人工设计的简单的具有渗透性能的地层生态构造，包括有消失性、浸没式植物、动物和水体等不同的组成局部。人工湿地分为外表流湿地、潜流湿地、垂直流湿地三大类，是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统。绝大多数人工湿地由五局部构成：①基质，具有透水性，如土壤、砂、砾石；②水体〔在基质外表上或下流淌的水〕；③植物，适于在饱和水和厌氧基质中生长，如芦苇；④无脊椎或脊椎动物；⑤好氧或厌氧微生物种群。湿地构成人工湿地系统人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。通过合理设计可将BOD5、SS、养分盐、原生动物、金属离子和其他物质处理到达二级和高级处理水平。预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。构筑物包括双层沉淀池、化粪池、稳定塘或初沉池。人工湿地中的流态承受推流式、回流式、阶梯进水或综合式。人工湿地是由基质、水体、植物、动物和微生物组成的生态系统。生活在土壤中的微生物〔细菌和真菌〕在有机物的去除中起主要作用，湿地植物的根系将氧气带入四周的土壤，但远离根部的环境处于厌氧，形成处理环境的变化带，这就加强了人工湿地去除简单污染物的力量。大局部有机物的去除是靠土壤中的微生物，但某些污染物如重金属、硫、磷等依靠于土壤和植物的作用。净化废水的机理通俗地说，人工湿地对废水的处理综合了物理、化学、生物的三种作用。实地系统成熟后，填料外表和植物根系将因大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量SS被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸取、同化及异化作用而被去除。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其四周的环境中依次消失好氧、缺氧、厌氧状态，通过硝化、反硝化作用将其除去，最终湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。

自然湿地通常是脆弱的生态系统，污染物会使其不堪重负，我们设计时应依据废水处理的目的来建筑湿地。这些系统被称为人工湿地或芦苇床。三个组成局部：植物、微生物、基质。耐水的植物扎根于土壤或砂砾基质，系统浸满着水，基质支持着植物，而植物的根则为各种微生物供给了家园。人工湿地有很好的耐冲击负荷力量，缺点是需要大量的土地。人工湿地的预期寿命问题至今尚未解决，系统以最正确速率去除污染物的寿命究竟能持续多长时间，还是一个“老大难”！人工湿地一般适用于小城镇、乡村废水的二级处理。人工湿地工程设计工程设计步骤

1.选址考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关法律及公众意见。应因地制宜，尽量选择有肯定自然坡度的凹地或经济价值不高的荒地，一方面削减土石方工程、利于排水、降低投资，另一方面防止对四周环境产生影响。

2.确定系统组合形式。依据场地特征、处理要求和所处理污水的性质来确定单一式、并联式、串联式、综合式。

3.确定水力负荷。依据设计规程或阅历而定。4.选择植物依据湿地植物的耐污性能、抗寒力量、生长力量、根系的兴旺程度以及经济价值和美观等因素确定。一般有芦苇、席草、大米草、水葫芦、水花生等，最为常用的是芦苇，插植密度为1～3株/㎡。5.计算外表积As＝Q/aAs－外表积；Q－进水量；a－水力负荷。6.确定长宽比〔1〕外表流湿地：长宽比10：1，依据地形，底坡降0～1％。〔2〕潜流湿地：依据达西定律Q＝Ks×A×SS－水力坡度；A－湿地床横截面积；Ks－潜流渗透系数。7．构造设计。

〔1〕进水系统的布置：湿地床的进水系统应保证配水均匀性，一般承受多孔管和三角堰等配水装置。进水管应比湿地床高出0.5m。湿地的出水系统一般依据水位调整的要求，出水区的末端砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和掌握阀门以调整床内的水位。

〔2〕填料：湿地床由三层组成表层土层、中层砾石、下层小豆石。外表土钙含量在2～2.5kg/100kg；砾石层粒径在5～50mm，铺设厚度为0.4～0.7m。

〔3〕潜流式湿地床水位掌握：接纳最大设计流量时，进水端不能消失填料床面的漂浮现象，有利于植物生长，床中水面浸没植物根系的深度均匀。

人工湿地是利用与自然生态系统相像的物理、化学、生物的三重协同作用来实现对污水的净化技术。物理作用过滤和沉淀除去含有C、N、P的有机及无机颗粒物和悬浮固体化学作用吸附和絮凝可溶性的有机化合物阴离子（PO43-）和阳离子（重金属阳离子）挥发作用挥发性有机物(VOC)微生物作用氧化－复原反响吸取降解气体运输作用植物吸取根系有利于微生物生殖植物作用功能人工湿地工艺流程设计人工湿地组合形式设计在设计湿地系统时．基质是植物的载体，是微生物生长介质，它将湿地中发生的全部处理过程连成一个整体，通过沉淀、过滤和吸附等作用去除污染物。设计基质的配置，主要考虑基质的种类、粒径、深度及除磷效果。矿渣、粉煤灰对磷去除效果好。基质中游离氧化铁、氧化铝和胶体氧化铁、氧化铝含量越高，其固定形成的磷酸铁盐和磷酸铝盐数量越多，基质净化磷素的力量越强。煤灰渣基质对有机污染物的处理效果较好。COD和BOD的去除率分别达71～88％和80～89％。设计时应依据污水所含污染物配置适宜的基质。进、出水区的基质，一般承受粒径60～100mill的砾石，分布于整个床宽。处理区常选用粒径为8～16mm基质，水力传导性好，适宜植物生长，处理效果好。设计要点及技术参数潜流湿地的基质厚度约60cm左右。人工湿地的构造与工程参数是人工湿地工艺设计的核心，包括水力学特性、湿地床构型和配套设施的构筑三方面。水力学特性包括水力停留时间、水力负荷；湿地床构型设计包括水力坡度、湿地床的长宽比和水位掌握；配套设施的构筑包括进出水装置、隔板装置和防渗设施。设计中实际水力停留时间承受理论值的4O～80％。水力坡度：外表流人工湿地承受0.5％或更小,潜流人工湿地承受0.5～2％。湿地床体的长度：L=As／W潜流湿地的宽度

：W=[Q·AS/(K·dh·DW

)]外表流湿地进水区BOD负荷率为100kg／(hm·d)，潜流湿地设计BOD负荷率为80～120kg／(hm·d)。As面积，m1/2湿地床长度通常为2O～50m。过短，则有效处理面积过小，不能保证净化效果；湿地过长，易造成死区，使水位难于调整，不利于植物生长。系统的长宽比宜承受2：1。外表流湿地的水深在10～200cm，挺水植物区域水深60cm沉水植物区域水深120cm左右。处理池宜并联，种植芦苇、茳芏、席草、大米草等水生植物，承受碎石作基质。原水先流经一、二级碎石床，对有机物进展降解，再进入第三级兼性塘，最终经过第四级碎石床变成洁净的水排出。典型工艺人工湿地的配套设施人工湿地系统有两种：表流湿地、潜流湿地。潜流系统可分为平流湿地和垂直流湿地。表流湿地表流湿地通常是衬有不透水材料层的浅蓄水池，填有土壤或砂砾基质，栽种露出水面的植物。设计成水淹型，所以水位在基质外表之上，废水在基质上面流淌，通过稠密的植物，模拟自然湿地的水流。它的建筑费用较低。潜流湿地设计废水流过基质，且水位保持在基质外表之下。潜流系统适于严寒的气候，可防止在零下气温时结冰。潜流系统不像表流系统易产生臭味或蚊子，可处理较高负荷的废水。但有机负荷太高，易堵塞。通常在潜流系统前设置沉淀池，去除悬浮固体。设计中常承受多个进口，尽可能均匀地分散悬浮固体，避开堵塞。潜流系统可设成平流或垂直流。垂直流人工湿地平流人工湿地设计时让废水先通过垂直流系统，再通过平流系统，有较好的处理效果。垂直流系统中的需氧细菌将氨硝化为硝酸盐，适应了平流系统缺氧条件的细菌将硝酸盐反硝化为亚硝酸盐和氮气。废水在垂直流系统中的滞留时间短，要有效地去除病原体，须使废水在平流系统中停留更长的时间。湿地不行能总是最有效地运行。由于它依靠植物和微生物作用，在植被完全建立之前(需要几个季节)，不行能到达最高的去污效率。在温带气候条件下，湿地在冬季的运行效果不如夏季，尤其是除氮方面。冬季植物会死亡或休眠，但微生物在植物根上仍保持活泼状态，系统连续运行，效率降低。系统中最常见的问题是如何使土壤保持充气状态，尤其在平流床状况下。湿地超负荷或水太深，会缺氧，致植物生长不良，氨的去除率下降。人工湿地设计土地的选场宽度和深度水力负荷的比率滞留时间填料的选用植物的类型水上植物、水底植物、浮游植物、大型挺水植物(芦苇〕人工湿地北戴河湿地12工业废水处理系统的性能人工湿地污水处理系统主要由植物、微生物、基质、水体及动物组成,各组成成分分别起着不同的作用,并且相互协同,使得整个湿地生态系统平衡运转,发挥良好的净化功能.植物植物是人工湿地的重要组成局部。人工湿地净化污水过程中,植物的作用可以归纳为3个重要的方面:①回收利用污水中可利用态的养分物质,吸附、富集重金属和一些有毒有害物质;②为根区好氧微生物输送氧气;③增加和维持介质的水力传输。日处理量3100t/d废水工程实例潜流湿地，种茫荼，芦苇2个并联运行水格栅潜流湿地，种芦苇，大米草