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人工湿地设计方案

人工湿地设计方案
人工湿地（CW—Constructed Wetland)污水处理技术是70年代末发展起来的一种污水处理新技术。它具有处理效果好、氮磷去除能力强，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等特点，比较适合于技术管理水平不很高，规模较小的城镇或乡村的污水处理。
人工湿地的净化机理：人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量的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收、同化及异化作用而被除去。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。

湿地处理系统的设计
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，尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地，一方面减少土石方工程、利于排水、降低投资，另一方面防止对周围环境产生影响。
2.确定系统组合形式根据场地特征、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 根据文献或经验而定。
4.选择植物根据湿地植物的耐污性能、生长能力、根系的发达程度以及经济价值和美观等因素来确定。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/m2。
5.计算表面积 As=Q/a：As—表面积；Q—进水流量；a—水力负荷。
6.确定长宽比
（1）表面流湿地：长宽比10：1或更大，根据地形来考虑，底坡降0%~1%。
（2）潜流湿地：根据达西定律Q=Ks*A*S
S—水力坡度；A—湿地床横截面积；Ks—潜流渗透系数。或厄刚公式As=5.2Q[LN（So-Se）]，So—进水BOD浓度；Se—出水BOD浓度；As—湿地床表面积。
7.结构设计
（1）进出水系统的布置：湿地床的进水系统应保证配水的均匀性，一般采用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根据对床中水位调节的要求，出水区的末端的砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内的水位。
（2）填料的使用：湿地床由三层组成表层土层、中层砾石、下层小豆石。表层土钙含量在2~2.5kg/100kg为好；砾石层粒径在5~50mm，铺设厚度0.4~0.7m。
（3）潜流式湿地床的水位控制：当接纳最大设计流量时，进水端不能出现雍水现象；当接纳最小流量时，出水端不能出现填料床面的淹没现象；有利于植物生长，床中水面浸没植物根系的深度应尽可能均匀。
8.编制施工计划
9.修改设计根据出现的问题对设计进行相应的修改。
10.施工
11.试运行
12.竣工交付使用

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。它是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益。
人工湿地去除的污染物范围广泛，包括N , P , SS , 有机物，微量元素，病原体等。有关研究结果表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对BOD5的去除率可达85％――95％，COD去除率可达80％以上，处理出水中BOD5的浓度在10mg/l左右，SS小于20mg/l。(2)废水中大部分有机物作为异样微生物的有机养分，最终被转化为微生物体及CO2 , H2O。
人工湿地面积可视情况而言，可在市郊结合部，也可在污水处理厂出水的附近建造。一些人工湿地属预处理型，在那些目前还不具备建造污水处理厂的城乡结合部建造人工湿地，将生活污水排入，利用所种植物对其进行处理，然后再排入自然水系，保护水体；还有些湿地属于加强型，在污水处理厂附近建造人工湿地，将污水处理厂处理过的水引入，再经过人工湿地的加强处理，提高其水质，然后排入自然水系，作为其补充水源。
三、人工湿地的分类
人工湿地污水处理技术经过多年的发展和研究，根据湿地中主要植物形式将人工湿地划分为：1、浮游植物系统; 2、挺水植物系统；3、沉水植物系统。其中沉水植物系统还处于实验室研究阶段，其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮游植物主要用于N , P去除和提高传统稳定塘效率。目前一般所指人工湿地系统都是指挺水植物系统。国内外学者从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同或水在系统中流动方式不同将人工湿地处理系统划分为以下几种类型：自由水面人工湿地处理系统；人工潜流人工湿地处理系统；垂直水流型人工湿地处理系统。
人工湿地污水处理系统（1）表面流湿地( Surface FlowConstructed Wetland) ,是一种污水从湿地表面漫流而过的长方形构筑物, 结构简单, 工程造价低; 但由于污水在填料表面漫流, 易滋生蚊蝇, 对周围环境会产生不良影响, 而且其处理效率较低。污水从湿地表面流过，如图1所示。在流动的过程中废水得到净化。水深一般0.3~0.5米，水流呈推流式前进。污水从入口以一定速度缓慢流过湿地表面，部分污水或蒸发或渗入地下。近水面部分为好氧生物区，较深部分及底部通常为厌氧生物区。表面流人工湿地中氧的来源主要靠水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用。但是由于传输能力十分有限，故人工湿地大部分采用潜流式湿地系统。

图1表面流人工湿地示意图
人工湿地污水处理系统（2）潜流湿地( Subsurface Constructed FlowWetland) ,污水在填料缝隙之间渗流,可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及其他作用处理污水, 出水水质好。由于水平面在覆盖土层或细砂层以下, 卫生条件较好, 故被广泛采用。潜流式湿地一般由两级湿地串联，处理单元并联组成。与表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大，对BOD、COD、TSS、TP、TN、藻类、石油类等有显著的去除效率。潜流湿地一般设计成有一定底面坡降的、长宽比大于3 且长大于20 m 的构筑物, 污水流程较长, 有利于硝化和反硝化作用的发生, 脱氮效果较好。或方形构筑物, 污水的流程较短, 反硝化作用较弱, 且工程技术要求较高。由于垂直流湿地可方便地采用工程手段来改善系统的供氧状况, 提高布水均匀性, 营造更加有利于硝化和反硝化发生的系统环境, 故越来越受到人们的重视。
人工湿地污水处理系统（3）垂直流湿地(Vertical Flow Constructed Wetland),污水沿垂直方向流动, 氧供应能力较强, 硝化作用较充分, 占地面积较小, 可实现较大的水力负荷长期运行。垂直潜流人工湿地的硝化能力高于水平潜流人工湿地，对于氨氮含量较高的污水废水有较好的处理效果。垂直流湿地一般设计成高约1 m 左右的圆形或方形构筑物如图2 所示，污水的流程较短, 反硝化作用较弱, 且工程技术要求较高。由于垂直流湿地可方便地采用工程手段来改善系统的供氧状况, 提高布水均匀性, 营造更加有利于硝化和反硝化发生的系统环境。垂直流湿地的缺点是对于污水中的有机物的处理能力不足，控制相对复杂，夏季有滋生蚊蝇的现象。具体参见更多相关技术文档。

图2垂直流人工湿地示意图
人工湿地污水处理系统（4）复合流式潜流人工湿地（Composite streaming undercurrents artificial wetland）
沈阳环境科学研究院的专有及专利技术复合流式潜流人工湿地技术(以水平流为主与上升式垂直流结合)，示意图如图6。与其它类型人工湿地相比，复合流式潜流人工湿地的水力负荷大，对BOD5、CODCr、SS、氮磷等污染指标的去除效果好，而且没有恶臭和孳生蚊蝇现象，特别是能有效解决北方寒冷地区的冬季运行问题，同时解决了湿地项目的尖端难题，即通过设置倒膜系统、各种级配的填料，解决湿地的堵塞问题。

人工湿地污水处理的优缺点
人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统，具有如下优点:
①建造和运行费用便宜;
②易于维护,技术含量低;
③可进行有效可靠的处理;
④可缓冲对水力和污染负荷的冲击;
⑤可提供和间接提供效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、和。
但也有不足:
①占地面积大;
②易受病虫害影响；
③生物和水力复杂性加大了对其处理机制、工艺动力学和影响因素的认识理解，设计运行参数不精确，因此常由于设计不当使出水达不到设计要求或不能达标排放，有的人工湿地反而成了污染源。
另外，据已有数据,当上下表面植物密度增大时, 人工湿地系统处理效率提高,在达到其最优效率时,需2~3个生长周期，所以需建成几年后才达到完全稳定的运行。因此，目前人工湿地技术最大问题在于缺乏长期运行系统的详细。
总得来说, 人工湿地污水处理系统是一种较好的处理方式，特别是它充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳效益，因此具有较高的环境效益、经济效益及社会效益,比较适合于处理水量不大、水质变化不很大、管理水平不很高的城镇污水,如我国农村中、小城镇的污水处理。人工湿地作为一种处理污水的新技术有待于进一步改良，有必要更细致地研究不同地区特征和运行数据以便在将来的建设中提供更合理的参数。

人工湿地布水的一般原则
湿地污水传输系统一般包括管线和泵站，水控制结构如分离器、溢流堰和水槽，以及砾石收集装置等。
输水系统可以建于湿地外，通过管道输入到湿地；也可以完全建于湿地内。污水向湿地处理系统的输送主要有两种：一种是通过压力管线或重力管线输送；另一种是通过明渠输送。利用水的重力自然流的方案比用泵的方案的要好。
3.人工湿地进出水系统的一般设计
3.1进出水系统布置
人工湿地进水系统的设计应尽量保证配水的均匀性，一般采用多孔管或三角堰等。多孔管设于土壤表面上或埋于土壤表面以下，埋于土壤表面下的缺点是配水调节较为困难。多孔管设于床面上方时，应比床面高出0.5ｍ左右，以防床面淤泥和杂草积累而影响配水。同时应定期清理沉淀物和杂草等，保证系统配水的均匀性。系统的进水流量可通过阀门或闸板调节，并采取溢流、分流措施应对突发性的流量变化应有溢流、分流措施。人工湿地出水系统采用沟排、管排、井排等方式，合理的设计应考虑受纳水体的特点、湿地系统的布置及场地的原有条件等因素。
为有效地控制湿地水位，一般在填料层底部设穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门。对严寒地区，进、出水管的设置须考虑防冻措施，并在系统的必要部位设置控制阀和放空阀。
3.2水位控制
为了保证湿地的处理效率，需要对湿地的进水水位进行控制，为有效地控制湿地水位，一般在填料层底部设穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门。通常，潜流和垂直流人工湿地对水位的控制有几点要求：①在系统接纳最大设计流量时，湿地进水端不出现雍水，以防发生表面流；②在系统接纳最小设计流量时，出水端不出现填料床面的淹没，以防出现表面流；③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，并尽量使水面坡度与底坡基本一致。
3.3围堰
处理湿地的围堰设计需要从水力学和地质学角度考虑。设计围堰的目的是使水流在预定的区域内沿预定的渠道布水。为了保证水的流量均匀分布，还可以通过在进水端建一个堰，将湿地分成细小单元，然后在另一个溢流口收集出水来解决问题。下面的设计（见图1）是将整体分割成10个独立的单元，这些单元被安置在10个不同点上，互相不连通。湿地单元的数量可根据实际确定。这种特别的方法在新增单元设计，或是为一个增长迅速的社区设计时非常有用，因为处理湿地单元可根据需要而扩建[1]。
100
10
堰
10
10
图1堰使水量均匀分布的示意图

4.几种常见人工湿地类型的布水
4.1表面流人工湿地的布水及进出水装置
表流人工湿地，与自然湿地最为接近，污水在湿地表面流动，水位较浅，多在0.1m～0.9m之间。表面流人工湿地处理系统在运行过程中可能出现的最大问题是“沟流”，这会降低湿地的有效处理面积。通过控制底面平整性及植物密度可以防治布水不均，因此对原有的沟渠、道路围堰进行平整可以减少短流。同时，也可以采用类似折板的围堰或横向的深水沟进行重新布水，以达到均匀布水的目的。表面流湿地中的这些横沟可以使水流横向通畅流动，并保持恒定水头，增加停留时间，提高面积效率[2]。
a)最不利情况（短流）

b)不利情况（存在死角）

c)布水较好

d)布水好（布水横沟）

图2 不同进水方式下的布水效果

图2形象的展示了不同进水方式下的布水效果。
进水管渠是向人工湿地中输送污水的装置，布水时应尽量均匀。进水装置还可用于调控流量。进水可靠重力流，也可以靠压力流。重力流布水方式节省能量和运行维护费用，但需要大管径的进水管以减少水头损失。
对于布水管，需要在一端设清洗法兰，以便周期去除积存的固体。同时在可能出现气体积累的地方设排气阀。
进水方式可采用单点布水、多点布水和溢流堰布水（见图3）。如果湿地进水区较窄或湿地呈狭长形（长宽比很大），可采用单点进水。如果进水区较宽，宜采用多点进水。采用溢流堰进水就是在湿地进水前设一低地，低地出口也即湿地进口可设多个，但需处于同一标高位置，出水口设溢流堰进行均匀布水。
b）多点布水
a）单点布水
c）溢流堰布水
图3 不同进水方式示意图

湿地出水口设计对均匀布水、控制水位和监控水量水质都是非常重要的。但为降低投资、运行和维护费用，出水口设计应尽可能简单。图4所示为几种常见的出水口形式。第一种为存在死区的单一出口，由于存在死区，水力停留时间缩短。第二种为多出口形式，可有效增加水力停留时间。第三种是在出水口侧设计深水沟，水收集后经出水堰流出。显示后两种出口形式效果较好。出水口大小应考虑传输最大日均流量或最大周均流量，在加上湿地面积上的降雨量。
出水口的重要功能之一是控制湿地水位。水位的确定需要考虑植物生长的需要、水力停留时间和湿地单元的维护等因素。
c）出水堰
图4常见出水口形式
b）多出口
a）单一出口

图4 常见出水口形式
4.2潜流人工湿地的布水及常见设计
潜流湿地的进水布水系统设计与表面流基本相同，主要目的是均匀布水。一般进水先流经粗砾石填料区，其作用是强化在深度和宽度上的均匀布水[2]。
出水口一般用埋在出水口端粗砾石中的穿孔管集水，然后通过管道排出。出水管口高度可调，以调通过管道排出。出水管口高度可调，以调控水体水位，见图5。
可调出水口
穿孔管
图5潜流湿地出水口控制结构

潜流湿地一般要求表面平整，避免存在坡度，即使有坡度也是非常小的坡度，因为坡度会促动水在表面的流动，破坏潜流条件。同时，表面平整对植物移植培养所需的水力淹没条件也很有利。床体底面一般也没有坡度要求，通过调整出水口高度，可形成所需的潜流水力梯度。床深视植物的根系生长深度确定，一般30～60cm，但对于特定的低温和植物条件，有的床体深度可达1m。
图6和图7是潜流人工湿地的常见布水方式。
1％的倾斜度
多孔的布水管
出水口
图6潜流人工湿地的布水设计（一）

图6的设计是大型潜流人工湿地上面叠加一个小型的垂直流人工湿地，小型的垂直流人工湿地表面用多孔的布水管均匀布水，水直接下渗入潜流人工湿地，利用潜流的人工湿地的1%的坡度，利用重力流使处理过的水流向出水口。
0%坡度

进水管

太阳能片

上层出水管比进水管低5cm

阀门

出水口

图7潜流人工湿地的布水设计（二）

图7的设计是进水管在植物的根部，使污水经过植物的根部进行处理，出水口设两个，上层出水口比进水管低5cm，下层的出水管设在潜流湿地的靠近底部位置，具体视情况而定，此设计的目的是尽量减少潜流人工湿地的死水区，使整个潜流人工湿地都能发挥作用。出水口安装阀门可供调节，使在系统接纳最小设计流量时，出水端不出现填料床面的淹没，以防出现表面流。出水口连接太阳能片，可以利用太阳能加热出水，到达即环保又经济的目的。
4.3垂直流人工湿地的布水及常见设计
垂直流湿地的水流情况综合了表流湿地和潜流湿地的特性，水流在基质床中基本上呈由上向下的垂直流，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。
1)简单垂直流人工湿地
垂直流人工湿地，水经湿地表面下行，从底部排出[3]。此系统是较为简单的处理系统，表面布水，垂直向下流，然后底部排出（见图8）。

图8垂直人工湿地布水示意图
布水系统

蓄水池

水泵
阀 门
流量计
排水
给水管道

2)逆向垂直流人工湿地
逆向垂直流人工湿地，即水从湿地底面呈推流式上升[3]。此设计适合寒冷地区的人工湿地，从底部进水可以防止布水管的冻结和爆破（见图9）。
图9逆向垂直流人工湿地配水示意图
布水系统
排水

蓄水池

水泵
阀 门
流量计
给水管道
进水

3)复合垂直流人工湿地
复合垂直流人工湿地的优点在于它的去氮的效果较好，利用上行池硝化、下行池反硝化作用可以使氮的去除效率较高[4]。布水设计（见图10），上行池与下行池中间利用高差使水能够均匀分布。
图10复合流垂直人工湿地布水示意图（一）
下行池
上
行
池
布水系统
集水管

蓄水池

水泵
阀 门
流量计
排水
给水管道
高差

垂直流人工湿地处理系统的流程为：经沉淀池预处理的污水首先流入位于第一池填料表面中央的多孔布水管，使进水均匀分布在第一池整个表面上，随后污水垂直向下依次流过第一池填料层。由于整个系统底部有0.5%的倾斜度，污水自流进入第二池底部，并向上经过第二池的填料层，被位于二池表面的H型多孔集水管均匀收集，最后从二池填料底部流出系统该工艺独特的下行流一上行流水流方式有效的解决了其它类型湿地易出现的“短路”现象，而且形成了下行流池好氧、上行流池部分厌氧的复合水处理结构，促进了硝化与反硝化作用，会明显提高系统的脱氮效果[5、6](见图11)。
一池
二池
布水管
H型多孔集水管
二池
0.5％的倾斜度
出水
图11复合垂直流人工湿地布水示意图（二）