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1、水资源保护人工湿地设计,讲授：刘少敏 2010.12,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达到环保处理效果，模仿自然湿地而人工设计的复杂的具有渗透性能的地层生态结构，包括有浮现性、浸没式植物、动物和水体等不同的组成部分。,人工湿地分为表面流湿地、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部分构成：基质，具有透水性，如土壤、砂、砾石；水体（在基质表面上或下流动的水）；植物，适于在饱和水和厌氧基质中
2、生长，如芦苇；无脊椎或脊椎动物；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、营养盐、原生动物、金属离子和其他物质处理达到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。人工湿地中的流态采用推流式、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周围的土壤，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复
3、杂污染物的能力。大部分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、磷等依赖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，填料表面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收、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，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，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。,天然湿地通常是脆弱的生态系统，污染物会使其不堪重负，我们设计时应根据废
4、水处理的目的来建造湿地。这些系统被称为人工湿地或芦苇床。三个组成部分：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提供了家园。人工湿地有很好的耐冲击负荷能力，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，系统以最佳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
5、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。根据设计规程或经验而定。4.选择植物 根据湿地植物的耐污性能、抗寒能力、生长能力、根系的发达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13株/。5.计算表面积AsQ/a As表面积；Q进水量；a水力负荷。,6.确定长宽比（1）表面流湿地：长宽比10：1，根据地形，底坡降01。（2）潜流湿地：根据达西定律QKsAS S水力坡度；A湿地床横截面积；Ks潜流渗透系数。7 结构设计。
6、（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水位调节的要求，出水区的末端砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内的水位。（2）填料：湿地床由三层组成 表层土层、中层砾石、下层小豆石。表面土钙含量在22.5kg/100kg；砾石层粒径在550mm，铺设厚度为0.40.7m。（3）潜流式湿地床水位控制：接纳最大设计流量时，进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均匀。,人工湿地是利用与自然生态系统相似的物理、化学、生物的三重协同作用来实现对
7、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,微生物作用氧化还原反应吸收降解,气体运输作用植物吸收根系有利于微生物繁殖,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，它将湿地中发生的所有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，基质净化磷素的能力越强。,煤灰渣基质对有机污染物的处理效果较好。C
8、OD和BOD 的去除率分别达7188和8089。设计时应根据污水所含污染物配置合适的基质。,进、出水区的基质，一般采用粒径60100mill的砾石，分布于整个床宽。处理区常选用粒径为816 mm 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60 cm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控制；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采用理论值的4O80。,水力坡度
9、：表面流人工湿地采用0.5 或更小,潜流人工湿地采用0.52。,湿地床体的长度：L=AsW,潜流湿地的宽度：W=Q AS/(K dh DW),表面流湿地进水区BOD负荷率为100kg(hm d)，潜流湿地设计BOD负荷率为80120 kg(hm d)。,As面积，m,1/2,湿地床长度通常为2O50 m。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，使水位难于调节，不利于植物生长。系统的长宽比宜采用2：1。,表面流湿地的水深在10200 cm，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，采用碎石作基质。原
10、水先流经一、二级碎石床，对有机物进行降解，再进入第三级兼性塘，最后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，所以水位在基质表面之上，废水在基质上面流动，通过稠密的植物，模拟天然湿地的水流。它的建造费用较低。,潜流湿地 设计废水流过基质，且水位保持在基质表面之下。潜流系统适于寒冷的气候，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。
11、通常在潜流系统前设置沉淀池，去除悬浮固体。设计中常采用多个进口，尽可能均匀地分散悬浮固体，避免堵塞。,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。,湿地不可能总是最有效地运行。因为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)，不可能达到最高的去污效率。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
12、季植物会死亡或休眠，但微生物在植物根上仍保持活跃状态，系统继续运行，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，尤其在平流床情况下。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,1,2,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部分。人工湿地净化污水
13、过程中,植物的作用可以归纳为3个重要的方面:回收利用污水中可利用态的营养物质,吸附、富集重金属和一些有毒有害物质;为根区好氧微生物输送氧气;增强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3个并联运行,氧化塘3个并联运行,潜流湿地，种芦苇，茫荼3个并联运行,出水,低温时生物活性下降和植物的死亡；对于表面流和竖流湿地,低温时表面会结冰，冰层覆盖不仅阻碍了大气的复氧过程,使生化水平降低,而且冰层的存在减少了有效水深,从而缩短了停留时间,进而对处理效果产生影响。因此,低温会导致处理效果的显著降低。目前,湿地温度带来的问题还没有完全解决,但可以采取一些措施适当的降低温度带来的影响。,低温影响,
