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a人工湿地技术的设计方案与应用分析


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人工湿地技术的设计方案与应用分析
邵文熙

戴起旦

1人工湿地概述
概念:人工湿地是指人工建造和监督控制的,类似于沼泽的地面

,其设计是通过对湿地自然 生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合,利用这3种作用的协调关系来实现污水的净 化作用。人工湿地能净化污水,是自然环境中净化能力很强的区域之一。在进水浓度较低的条件 下,人工湿地处理能力见下表。
BOD5 CODcr N 60% P 90%

SS 70%

人工湿地去除率

85%一90%

80%

净化机理:人工湿地系统是在一定长宽比及底面坡度的洼地中。由土壤和填料混合组成填
料床,废水在床体的填料缝隙或床体表面流动,并在床体表面种植具有处理性能好、成活率高、 抗水性强、生长周期长、美观且具有经济价值的水生植物,形成一个独特的动、植物生态系统,对
废水进行处理。

人工湿地中的不溶性有机物主要是通过湿地的沉淀、过滤作用被截留在湿地中;可溶性游 击区则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解过程而被分解去除。生物降解过程主要是 通过好氧和厌氧代谢使污水中的BOD和COD得到降低。 类型:根据湿地中主要植物的类型,人工湿地可分为浮水植物系统、挺水植物系统、沉水植 物系统。由于浮水植物主要用于N、P的去除和提高传统稳定塘的效率;沉水植物系统还处于实 验室阶段,其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理,故目前一般所指人工湿地系 统都是指挺水植物系统。挺水植物系统可根据污水在湿地中流动的方式不同分为三种类型:即 地表流人工湿地(SurfaceFlow Wetlands,SFW)、潜流式人工湿地(Subsurface FlowWetlands,SS
FW)、垂直流人工湿地(Vertical
Flow

Wet?lands,VFW)。

2人工湿地处理系统的设计
2.1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。 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,BOD一般在10rag/L以下,适用于《地 面水环境质量标准))(GB3838.88)中四类或五类水的水质,以及《生活杂用水水质标准)(CJ25. 1-89)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

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级处理后进入水面湿地和渗滤湿地处理后:其永质可以达到《再生水回用景观水体的水质标准》 (C1/95)就可以作为水景观用水。

20确定系巍组合形武根据场地特征、处理要求和所处理污水的性质来确定。单一武、并联武、
串联武、综合武。 在住宅小区可以将水面涅地(Fws)和渗满湿地(SFS)串联应用。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20-50m之内.湿地的长宽比【/w也不应过大,建议控制在3:l左右。 康深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 7m。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,为除磷脱氨提供有利条件。

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2.3选择植曲

人工湿地在住宅区的应用需要对永生植物的选择作周密考虑。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,园地制宜,可考虑运用花叶芦 苇、花叶水葱、首蒲、水鳖、大溧、千屈菜、伞草、睡莲等温地植物,最为常用的是芦苇,插植密度为 1≈株/m:。使人工涅地一年四季植物生长茂盛,郁郁葱葱,取得景观与净化水质兼得的效果。

2.4计算袁面积A|一l汕
As——表面积;Q——进水流量;a——水力负荷。
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。

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2.5确定长宽比 2.5.1表面流湿地:长宽比10:1或更大,根据地形来考虑,底坡降00/旷1%。 2.5.2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。
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6.8m/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%。

2.6结构设计
2.6.1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。 2.6.2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5~50ram,铺设厚度0.舢加.7m。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10%.15%。 2.6.3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。 2.6.4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0.5.1.0mm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。 结构层
钙含量2%的混合土

5-10mm的石灰石
由上到下 60—100mm砾石或花岗岩碎石 细砂

1501250mm 400.700ram

高密度聚乙烯树脂或油毛粘密封铺轨

O.5.1.0ram

3处理费用
人工湿地处理污水的运行成本大约是传统二级处理的一半,基建投资大约是传统二级污水 处理厂建设成本的2/3。传统的污水处理厂处理每吨污水需用0.7元左右,而利用人工湿地技术 处理污水,直接运行成本每吨只需0.2 ̄0.3元。同时,湿地植物还可以作为工业原料和生活资源。 如江苏省盐城市双灯纸业有限公司利用沿湖滩涂种植了3.4万亩芦苇,用造纸废水进行

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灌溉,在解决污水治理的同时,每年可收割大量的芦苇,有效地解决了造纸原料供应问题。 潜流型人工湿地工程造价和运行费用是人们在选择和设计污水处理工艺时必须考虑的问 题。美国分析了37个湿地污水处理系统的造价,其中19个自由衷面流湿地的平均造价为 55000美元/h1]f12,18个潜流型系统的平均造价为215000美元]hi/12?,因为需要额外的岩石供应 和填筑费用,所以潜流型系统的造价比自由表面流系绕高,但是就负荷计算,潜流型系统显示出 优越性,潜流系统的造价为163美元/m3,自由表面流系统为206美元/m3。国内一些专家估 算,潜流型人工湿地污水处理系统的占地面积大约是自由衷面流人工湿地系统的十分之一,建 造费用大约在130-150元/m2。

4功能价值评估方法及预测 4.1减少荒地
运用市场价值法,机会成本法和影子工程法计算因土壤侵蚀而导致的营养物质流失、土地 废弃和泥沙淤积灾害所造成的损失,也即土壤保持价值。原理为:土壤侵蚀造成的土壤荒地面 积和程度,及其土壤有机质、N、P、K等养分流失量的经济价值来表示: Ps(t)=∑Sj(t)Psj(t)+∑N P k(t) 式中P。为水土保持价值;j为土壤类型;S;为第J类土壤类型的面积;P5;为第J类土壤类型


单位面积恢复因土壤侵蚀而荒废的经济价值;k为营养元素的种类;N。为单位面积k类营养元 素因无植被的流失量;P。为k类营养元素单位重量的化肥价值。
荒地的流失指标
地类 土壤流失量 (tm-2a。1)
26.6

土壤流失程度土壤养分含量(30cm土层平均值)
有机质(%)
0.5

全氮(%)
0.02

全磷(%)
0.043

速效钾(mgk91)


荒地

4.2净化功能 人工湿地净化水体有巨大的白净功能,能使排入水体的污染物迁移、转化和毒性降解。采 用防治成本法测算水体的污染净化功能的经济价值,因为湿地处理生活废水的单位处理价格比 一般的污水处理技术单位处理价格都要低,因此净化功能总价值为: 生活污水净化价值V a=Wx
px P

W为人均产生的生活废水量;P为总人口数;Pw为一般污水处理技术处理生活废水处理价 格。 4.3植物固碳价值 人工湿地生态系统有机物质生产为基础,根据光合作用反映方程式推算每形成19干物质, 需要1.629 C02,释放1.29 02。 植物的固碳价值,目前国际通常采用碳税法进行评估,这一值对于我国来说无疑是偏高的, 所以本研究采用我国的造林成本法进行计算,根据单位面积植物年碳素的净增长量和造林成本

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以及湿地植物面积总数,三者乘积计算湿地植物固碳价值。我国的造林成本为260.9元/t(c)。

4.4水分调节价值
失地的总水分调解量Q,可以根据如下公式求得: Q=∑S D。 式中为第种土地利用类型的面积,为第种土地利用类型的蓄水深度。


水分调节价值利用影子工程法进行计算。通过建立蓄水量It水库影子工程的费用来估算 涵养水源的价值。水分调节功能总价值为总水分调解量与单位蓄水量的库容成本二者的乘积, 单位蓄水量的库容成本以1988~1991年全国水库建设投资计算,以每年新增投资量除每年新增 库容量,计算出每建设lm3库容需投入成本0.67元,目前在此方面的研究多采用此数据。


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人工湿地技术的设计方案与应用分析
作者: 作者单位: 邵文熙, 戴起旦

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