人工湿地污水生态处理技术
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人工湿地污水生态处理技术
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暴雨径流人工湿地处理系统设计的几个问题
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0　引言 　　
大部分人工湿地被用来处理城市污水和工业废水，集中于有机物的去除，然而处理暴雨径流的系统的目标是处理氮磷和重金属。虽然许多基本理论是相同的，但是在几个重要的方面不同于处理城市污水，在设计时必须考虑。
　　(1)在处理暴雨径流和城市污水的湿地系统中，进水的化学特性和水文学特性是不同的。城市污水一般有稳定的流量和水质，可根据生物降解过程，确定并维持最佳处理效率。然而，暴雨径流是完全不同的，在降雨期间或降雨之后，会产生很大的流量，水质也有很大的变化。同时，暴雨径流还可能携带大量对生物有害的物质，对处理系统造成冲击。因此，处理暴雨径流的湿地中的生物群应具有较强的对多变情况的适应能力。
　　(2)在处理城市污水的湿地系统中，污染物的降解速率等于输入速率。在处理暴雨径流的湿地系统中，污染物的输入是偶然发生的。水中夹带的污染物不可能完全被去除。污染物必须首先被捕集，大部分降解发生在后期流量少或没有时。因此，设计暴雨径流处理湿地比污水处理湿地更多地强调保留污染物再后续降解。
　　(3)暴雨湿地系统实质上是作为一个间歇反应器运行的。湿地的水位在降雨前后发生变化。水位的变化导致湿地水位周期性的下降，使积累的有机物自然氧化，还可使氧气向填料中扩散，加强湿地内的硝化作用。
　　(4)总氮、水溶态氮、总磷、水溶态磷的输入浓度随降雨径流过程减小。总氮、总磷与径流量对地表的侵蚀能力成正相关，其输入浓度的递减规律多呈抛物线型，递减速度快。水溶态氮输入浓度基本上是线性分布，与总氮、总磷比较其递减变化幅度小。氮磷输入还与降水强度有关，强度大的降水侵蚀作用强烈，氮磷随水土流失量大。
　　由上可知，暴雨径流与城市污水、工业废水相比，在水文特性、化学特性等方面有很大差别，并且人工湿地的运行方式也不同。因此，暴雨径流人工湿地的设计与其他人工湿地也有所不同，本文将对其不同点进行论述。
1　水文因素
　　为保证湿地的长期效果，在设计中应考虑水文因素和湿地生态特点之间的关系［3］。水的来源、速度、体积以及洪水发生的频率都影响着湿地介质的物理、化学特性。反过来，介质影响着生物种类的多样性、初级生产能力、有机物的沉积和通量、营养物的循环。水文条件也影响污染物的沉积、氧化、生物转化和土壤吸附过程。因此必须对一些关键因素进行评价，如水的流速、深度和水位的涨落、停留时间、循环和分配因素、季节和天气的影响、地面水的状况和土壤的透水性。
　　湿地控制暴雨径流污染的设计关键是正确控制它们的水文体系。正确的水文体系需要考虑暴雨发生的频率和周期，从而确定湿地的储存容积和出水区的特点。湿地的最高水位和最低水位将决定湿地处理暴雨的体积容量、出水系统的结构和排水孔口的高度。水深和洪水周期能改变植物群落，它们将对湿地或污染物的去除效果造成有利或有害的影响。
2　水力因素
　　为了达到一定的处理效果
，必须有一定的水力停留时间。水力停留时间受湿地长度、宽度、植物、基底材料空隙率、水深、床体坡度等因素的影响。一般水力停留时间最大不超过 24
h。暴雨期间至少应有30 min的水力停留时间以保证处理效果，如果水力停留时间达10～ 15 h就可以达到很好的处理效果。 　　此外，水力负荷不应超过1
m3/(m2?d)，进水区的流速不超过0.3～0.5 m/s。当流速大于0.7 m/s时，水流会破坏植物的生长，导致处理效率降低。
3　雨季超高深度
　　在降雨时，水位会超过旱季的水位。因此，湿地植物必须避免长时间的被淹没。湿地植物被淹没的最大深度可用来确定湿地的表面积。实际上所有的湿地植物只要洪水时间不是太长都可生存，一般很难确定超高容积应设计成多大。虽然通常被设计排水大致需20
h，但这并不意味着收集容积区总是空的，因为一系列频繁的降雨，将使其长时期被充满。　
　　雨季淹没的最大深度应保证大部分植物能够生存并发挥其功能。在一定程度上，超高深度取决于被种植的水生植物的种类，因为有一些植物长得很高。一般地，如果栽种挺水植物，
0.3～0.6 m的超高是相对安全的。
　　实际上，暴雨径流湿地系统为水生植物提供了一个苛刻的生活环境。只有生命力强的植物才能生长茂盛。如香蒲、NB337草、芦苇，在高于上述超高深度时亦可生长得很好。
4　湿地容积
　　在美国、加拿大、欧洲，湿地体积大致等于来自不透水地面13 mm的径流量，大约能收集8 0%～90%的径流量。
　　一些权威建议，计算湿地表面积不需要考虑它的收集容积，而是用汇水面积的百分数来计算。通常是支流汇水面积的1.5%～3.0%［6］。使用固定的表面积可能不太合适，因为当暴雨径流量少于25.4
mm时，暴雨径流量和汇水区的不透水面积成比例［6］。有较多的不透水面积的汇水流域比较少不透水面积的汇水流域会产生更多的径流量。例如，人口密度小的居住区有较少的不透水面积，而商业发达的地区则具有较大的不透水面积。在第一种情况下，几乎没有径流，而在第二种情况下，大部分降雨落在铺砌的路面，形成地表径流。
　　湿地的最佳储存容积应当是使汇水区达到13
mm水位的容积［6］。有效去除的最小储存容积是使汇水区达到6mm水位的容积。储存容积可用式(1)计算［7］： 　　V=C×y×Aws(1) 式中V--暴雨湿地的储存容积，m3； C--系数，取10；
y--汇水区的设计水位，mm； Aws--汇水区的表面积，hm2。 5　水生植物
　　暴雨径流湿地系统要求水生植物对各种高浓度的污染物有一定的承受能力。暴雨径流可能改变植物群落。因为新的优势种可以更有效地利用多余的营养物，或更能忍受污染物，植物的改变对污染物的去除是有利的。
　　不同的生长环境，适宜的湿地植物是不同的。但所选择的湿地植物通常应具有下列特性： 　　(1)能忍受较大变化范围内的水位、含盐量、温度和pH值；
　　(2)在本地适应性好的植物，最好是本地的原有植物； 　　(3)被证实对污染物有较好的去除效果； 　　(4)有广泛用途或经济价值高。
　　人工湿地中使用最多的水生植物为香蒲、芦苇、灯心草、宽叶香蒲和簏草。所有这些植物都广泛存在并能忍受冰冻。植物根系的深度决定了湿地的深度。香蒲在水深0.15
m的环境中生存占优势；灯心草为0.05～0.25 m；芦苇生长在岸边和1.5 m的水深中，在潜水中是弱竞争者；
NB337草通常出现在岸边。香蒲和灯心草的根系主要在0.3 m以内的区域，芦苇的根系达 0.6 m，NB337草和宽叶香蒲则达到0.76 m［8］。芦苇、簏草和宽叶香蒲常被用在潜流型湿地中，它们较深的根系可扩大污水的处理空间。
　　暴雨径流湿地系统中，多选用芦苇、香蒲和簏草。簏属能忍受很高的氨浓度( 160～170
mg/L)［9］。芦苇和簏草抵抗病灾和昆虫的能力很强，香蒲则较差。 6　填料
　　暴雨径流湿地系统多采用砾石作为填料，由于砾石缺乏营养，需在上面覆盖15～20
cm的有机土壤。根区填料表层土壤可就近采用当地表层土，宜用钙含量达2～2.5 kg/100 kg土壤为好［10］，厚度为150～250
mm。一般，填料本身成分对生物处理影响不大，但对含磷和重金属离子废水，含钙、铁、铝等成分的填料有利于离子交换。通过离子交换可将暴雨径流中的污染物截留再后续降解。粘土虽含很高的铝，但由于其kf值很低，不宜单独采用，但也可和其他填料混合使用。 　　湿地中填料的选择对磷的去除有很大的影响
，尤其是在运行初期。这主要是填料中的钙、镁和磷作用形成沉淀。但随着时间的推移，填料中磷会达到饱和，湿地除磷能力便有明显下降。因为初期湿地中植物还没有形成较稳定的生物群，所以为了加强湿地初期的除磷能力，在湿地建造中可选择含钙、镁丰富的介质作为填料。
7　维护管理
　　维护包括三个主要方面：重新种植、杂草的去除和沉积物的挖掘。
　　当水生植物不适应生活环境时，需调整植物的种类，并重新种植。植物的调整需要变换水位。如果水位低于理想高度，可调整出水装置。
　　杂草的过度生长带来了许多问题。在春天，杂草比湿地植物生长的早，遮住了阳光，阻碍了植株幼苗的生长。杂草的去除将会增强湿地的净化功能和
经济价值。实践证明，当植物经过三个生长季节，就可以与杂草竞争。然而，一开始就建立良好的植物覆盖，并进行杂草控制是最理想的。在春季或夏季，建立植物床的前三个月，用高于床表面5
cm的水深淹没可控制杂草的生长。 　　由于暴雨径流含有大量的悬浮物，在湿地床的进水区易产生沉积物堆积。运行一段时间 ，需挖掘沉积物。
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人工湿地污水处理系统
发布时间： 17:10:56&&中国污水处理工程网
一、湿地是指天然或人工、常久或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水的水体。所谓人工湿地，就是指人为影响、施工形成的湿地系统。不论人工或天然，湿地都具有其十分强大的生态功能，具有相同的特点其表面常年或经常覆盖着水或充满了水，是介于陆地和水体之间的过渡带，其中生长着许多挺水、浮水和沉水植物。这些植物能够在其组织中吸附金属及一些有害物质，很多植物还能参与解毒过程，对污染物质进行吸收、代谢、分解，实现水体净化。因此湿地常常被称作“天然污水处理器”而且这个“天然污水处理器”几乎不需要添加化石燃料和化学药品。目前全世界至少有数千个人工与自然湿地用于污水处理， 每个面积从不足200平方到4000ha不等。
二、人工湿地的国内外现状
（1）人工湿地发展与20世纪七八十年代，自西德1974年首次建造人工湿地以来，各种不同的湿地在世界各地已被用来处理大量不同的废水。1996年9月在奥地利维也纳召开的第四次国际研讨会，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型废水处理技术已经正式进入水污染控制领域。目前,在美国有600 多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水, 400多处人工湿地被用于处理煤矿废水, 50多处人工湿地用于处理生物污泥,近40处人工湿地用来处理暴雨径流,超过30处人工湿地系统用于处理奶产品加工废水 ;在丹麦、德国、英国各国至少有200处人工湿地系统在运行 ,新西兰也有80多处人工湿地系统被投入使用。
我国用人工湿地处理污水发展较晚，“七五”期间开始进行机理性的研究，现在已发展到实际应用阶段，我国自“七五”开始对人工湿地的研究，已建成一些示范工程，并于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程DD白泥坑人工湿地处理系统。并且在全国多个省市建成多处不同处理规模的人工湿地处理工程。
（2）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％DD95％，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。
下面，我们就介绍一下人工湿地污水处理系统的分类。
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。
四、人工湿地污水处理系统的工艺流程
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、金属离子和其它物质处理达到二级和高级处理水平。预处理的目的主要是减少污水中的悬浮物,防止湿地填料堵塞,确保人工湿地生态系统的稳定性,增加湿地处理寿命和处理能力。其设施包括格栅、沉砂池、沉淀池、稳定塘等。人工湿地系统一般工艺流程如图：
污水→ 格栅→ 沉砂池→ 沉淀池→ 稳定塘→人工湿地→出水。