人工湿地介绍与设计

1人工湿地技术介绍2“湿地”一词源自英文wetland，是包括天然或人工、长久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，包括或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体的水域，一般指低潮时水深不超过6米的水域。——摘自1971年湿地公约湿地的定义3湿地的类型从人类干扰的角度自然湿地人工湿地从水分含盐量的角度淡水湿地半咸水湿地咸水湿地从系统的分类角度沼泽湿地湖泊湿地河流湿地浅海滩涂湿地人工湿地4全球湿地概况占地球陆地面积的6％，其中湖泊占2％藓类沼泽占30％草本沼泽占26％森林沼泽占20％洪泛平原占15％世界红树林的面积约24万km2，珊瑚礁约60万km2湿地构成绝大多数人工湿地由五部分构成：①基质，具有透水性，如土壤、砂、砾石；②水体（在基质表面上或下流动的水）；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。56中国湿地概况中国湿地面积约6594万公顷（其中还不包括江河、池塘等），占世界湿地的10％，位居亚洲第一位，世界第四位。7湿地的生态、经济及社会效益维持生物多样性调蓄水量和调节气候降解有毒物质保护堤岸，防止盐水入侵提供丰富的动植物产品在输、储和供水等方面发挥巨大作用提供矿物资源可为人们提供旅游、娱乐的场所为教育和科学研究提供了对象、材料和试验基地——1公顷湿地生态系统每年创造的价值高达1万多美元，是热带雨林的7倍，是农田生态系统的160倍!8人工湿地简介9人工湿地的定义人工湿地(ConstructedWetlands)，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。10物理作用过滤和沉淀－能除去含有C、N、P的有机及无机颗粒物和悬浮固体微生物作用氧化－还原反应吸收降解化学作用植物作用吸附和絮凝－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)气体运输作用植物吸收根系有利于微生物繁殖人工湿地净化废水的原理11人工湿地与传统系统的比较人工湿地传统系统特点比较占地面积大能耗高使用微生物使用植物使用化学药品土壤钢筋混凝土结构输入能量少建造费用$3,664,00$4,112,000使用和维修费用$45,000/年$152,000/年备注兼性氧化塘和人工湿地带硝化功能的传统活性污泥法的二级水处理厂废水=1MGD/3786(m3/D)12人工湿地的分类表面流湿地(SurfaceFlowWetlands缩写为SFW)潜流湿地(SubsurfaceFlowWetlands缩写为SSFW)垂直流湿地(Vertica1FlowWetlands缩写为VFW)人工湿地（ConstructedWetlands)，它分为13141516设计人工湿地的技术参数概论进水布置及组合方式构造设计填料及其构成植物17地点的选择气候土壤生物环境相似牺息地的替代位置和地形对地下水的污染污水的性质污水的处理量污水的可降解性18设计目标污水的处理洪水的控制暴雨的截留提高附近水体的质量为各种水陆生生物提供生长和繁衍地19处理目标达到受纳水体要求的水质标准满足循环用水或深度处理要求预处理要求观光用湿地20土地场所的要求宽度和深度水力负荷的比率滞留时间填料的选用21植物的类型水上植物、水底植物、浮游植物大型挺水植物(如芦苇)植被22选择标准耐污能力和抗寒能力强，又宜于本乡土生长，最好以本乡土植物为主根系发达，茎叶茂密抗病虫害能力强有一定的经济价值北美人工湿地常用的植物有芦苇、香蒲、灯心草、水葱、竹等23在湿地植物根系表面生长的生物膜24人工湿地工艺进水布置方式人工湿地系统组合方式2进水布置及组合方式技术要求随着环境保护的迅速发展，人们对湿地功能也有了广泛的认识。湿地作为地球之肾，担负着对地球自然水体的净化和处理功能。由于城市中天然湿地的逐渐减少和消亡，因此人工湿地以其独到的优越性受到了越来越多的关注和发展。25人工湿地系统水质净化技术作为一种新型生态污水净化处理方法,其基本原理是在人工湿地填料上种植特定的湿地植物，从而建立起一个人工湿地生态系统。当污水通过湿地系统时，其中的污染物质和营养物质被系统吸收或分解，而使水质得到净化。人工湿地系统水质净化的关键在于工艺的选择和对植物的选择及应用配置。如何选择和搭配适宜的湿地植物，并且将其应用于不同类型的湿地系统中成了我们在营建人工湿地前必须思考的问题。261．人工湿地污水处理系统植物的选用原则（1）（2）1.1植物在具有良好的生态适应能力和生态营建功能；管理简单、方便是人工湿地生态污水处理工程的主要特点之一。若能筛选出净化能力强、抗逆性相仿,而生长量较小的植物,将会减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多麻烦。一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植物。1.2植物具有很强的生命力和旺盛的生长势；27①抗冻、抗热能力由于污水处理系统是全年连续运行的,故要求水生植物即使在恶劣的环境下也能基本正常生长,而那些对自然条件适应性较差或不能适应的植物都将直接影响净化效果。②抗病虫害能力污水生态处理系统中的植物易滋生病虫害,抗病虫害能力直接关系到植物自身的生长与生存,也直接影响其在处理系统中的净化效果。28③对周围环境的适应能力由于人工湿地中的植物根系要长期浸泡在水中和接触浓度较高且变化较大的污染物,因此所选用的水生植物除了耐污能力要强外,对当地的气候条件、土壤条件和周围的动植物环境都要有很好的适应能力。1.3所引种的植物必须具有较强的耐污染能力；水生植物对污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附着生长在根区表面及附近的微生物去除的,因此应选择根系比较发达，对污水承受能力强的水生植物。291.4植物的年生长期长，最好是冬季半枯萎或常绿植物；人工湿地处理系统中常会出现因冬季植物枯萎死亡或生长休眠而导致功能下降的现象，因此，应着重选用常绿冬季生长旺盛的水生植物类型。1.5所选择的植物将不对当地的生态环境构成隐患或威胁，具有生态安全性；1.6具有一定的经济效益、文化价值、景观效益和综合利用价值。30若所处理的污水不含有毒、有害成分,其综合利用可从以下几个方面考虑:①作饲料,一般选择粗蛋白的含量20%(干重)的水生植物；②作肥料,应考虑植物体含肥料有效成分较高,易分解；③生产沼气,应考虑发酵、产气植物的碳氮比,一般选用植物体的碳氮比为25～30.5/1；④工业或手工业原料，如芦苇可以用来造纸，水葱、灯心草、香蒲、莞草等都是编制草席的原料。由于城镇污水的处理系统一般都靠近城郊,同时面积较大,故美化景观也是必须考虑的。31然而在实际工作中，很多人工湿地的工艺设计者和建设者考虑得最多的是植物的独有性和观赏价值等表在因素，没有考虑到栽种该植物后的植株生长效果、湿地的运行效果、生长表现以及对生态的安全性等，导致人工湿地在运行一段时间后功能骤降或运行费用剧增，最后导致系统瘫费或闲置。322．人工湿地植物特性的研究及植物配置分析2．1根据植物类型分析2．1．1漂浮植物2．1．2根茎、球茎及种子植物2．1．3挺水草本植物类型2．1．4沉水植物类型2．1．5其它类型的植物332．2根据植物原生环境分析根据植物的原生环境分析，原生于实土环境的一些植物如美人蕉、芦苇、灯心草、旱伞竹、皇竹草、芦竹、薏米等，其根系生长有一定的向土性，配置于表面流湿地系统中，生长会更旺盛。但由于它们的根系大都垂直向下生长，因此，净化处理的效果不及应用于潜流式湿地中；对于一些原生于沼泽、腐殖层、草炭湿地、湖泊水面的植物如水葱、野茭、山姜、藨草、香蒲、菖蒲等，由于其生长已经适应了无土环境，因此更适宜配置于潜流式人工湿地；而对于一些块根块茎类的水生植物如荷花、睡莲、慈姑、芋头等则只能配置于表面流湿地中。342．3根据植物对养分的需求类型分析根据植物对养分的需求情况分析，由于潜流式人工湿地湿地系统填料之间的空隙大，植物根系与水体养分接触的面积要较表流式人工湿地湿地广，因此对于营养生长旺盛、植株生长迅速、植株生物量大、一年有数个萌发高峰的植物如香蒲、水葱、苔草、水莎草等植物适宜栽种于潜流湿地；而对于营养生长与生殖生长并存，生长相对缓慢，一年只有一个萌发高峰期的一些植物如芦苇、茭草、薏米等则配置于表面流湿地系统。352．4根据植物对污水的适应能力分析不同植物对污水的适应能力不同。一般高浓度污水主要集中在湿地工艺的前端部分。因此，在人工湿地建设时，前端工艺部分如强氧化塘、潜流湿地等工艺一般选择耐污染能力强的植物品种。末端工艺如稳定塘、景观塘等处理段中，由于污水浓度降低，因此可以更多考虑植物的景观效果。363．小结一个人工湿地系统的建立，植物的选择和配置是很重要的考虑因素。在系统建立和植物栽种配置时要将系统的主要功能与植物的植物学特性充分结合起来考虑。只有这样，才能充分发挥不同植物各自的优势，达到更好的处理净化效果。湿地植物的栽种配置要根据具体的应用环境和系统工艺来确定，对于一些应用工艺范围较广的植物类型，要充分考虑其在该工艺中的优势，能使其充分发挥自己的长处而居于主导地位。37为达到全面的处理和利用效果，应进行有机的搭配，如深根系植物与浅根系植物搭配，丛生型植物与散生型植物搭配，吸收N多的植物与吸收P多的植物搭配，以及常绿植物与季节性植物的季相搭配等。在进行综合处理的一些工艺或工艺段中，切忌配置单一品种，以避免出现季节性的功能下降或功能单一。作为湿地公园规划建设的人工湿地还要考虑景观搭配。3839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403、CW的构造设计41（1）场地的选择与外形42（2）进出水的构造43（3）地下防渗措施4445464.CW系统的填料及其构成475、CW系统的植物水上植物、水底植物、浮游植物、大型挺水植物(芦苇）485、CW系统的植物灯芯草鸢尾香蒲黑三菱49单户家庭的湿地系统设计表面流湿地k-C*（模型）设计流量0.785m3/d长度7.5m产生污水量157L/人/天宽度3m等价污染量5人深度0.55m水力停留时间5.5天面积22.5m2建议建一个7.5mx3m的湿地系统倾斜度0.73%流入浓度估算(mg/L)CODBOD1TSSFColi1TN1NH4+NO3-OrgN1流入浓度预计(mg/L)1569.2400.0406.1105162.980.5125.882.4预测量降解比率%173.924.740.268132.366.730.661.873.093.890.199.918.817.175.725.050表面流湿地k-C*（模型）设计流量460m3/d长度100m产生污水量157L/人/天宽度80m等价污染量2930人深度0.55m水力停留时间3.3天面积0.8ha建议各建一个100mx40m的湿地系统倾斜度0.005%流入浓度估算(mg/L)CODBOD1TSSFColi1TN1NH4+NO3-OrgN1流入浓度预计(mg/L)643.1400.064.410570.053.249.116.8预测量降解比率%173.924.816.5109261.847.520.814.373.093.874.498.911.710.857.614.8大型湿地系统的设计5152人工湿地5354北戴河湿地5556575812工业废水处理59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营养物质,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增强和维持介质的水力传输。60日处理量31