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4.3.4.人工湿地
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4.3.4.人工湿地

概要:
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  人工湿地 (CW)

  人工湿地是经设计和建造的湿地,利用湿地植被、土壤及其相关微生物组合,自然地处理污水或其他水源。

 

  处理过程:

  在人工湿地中,水从进水口缓慢流向出水口,水中的有机物和营养物质在与水生植被和微生物接触的过程中发生降解。人工湿地的底部有防渗层,以防止污水浸入周围的土壤和/或地下水中。人工湿地通常有两种类型:表面流人工湿地和潜流人工湿地。

  表面流人工湿地(FWS-CW):水从进水口到出水口水平流动,水面暴露在大气和阳光下。土壤层位于湿地底部,作为水生植物的生根介质。微生物附着在水生植物的根或茎上,以吸附营养物质和降解水中的有机物。表面流人工湿地通常用于实现有机物、悬浮固体和营养物质的高去除率,尤其是氮。

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图4.11表面流人工湿地示意图

(来源:Tilley 等人,2014 年)

 

  潜流人工湿地(SF-CW) :在湿地底部填充一层多孔介质,通常由岩石或砾石或沙子组成。它不仅为挺水植物的根部结构提供支撑,而且还作为大表面积的过滤器,通过附着的微生物去除污染物。水位保持在床中岩石或砾石介质的表面以下。

  根据水流路径的方向,潜流人工湿地可进一步分为水平流和垂直流。垂直流为生物降解过程创造了好氧条件,而厌氧条件在水平流人工湿地中占主导地位。

图4.12水平潜流人工湿地示意图

(来源:Tilley 等人,2014 年)

 

  进水水质:

人工湿地类型

BOD 5
(mg/L)

COD
(mg/L)

SS
(mg/L)

NH3 -N
(mg/L)

TP
(mg/L)

表面流人工湿地

≤ 50

≤ 120

≤ 100

≤ 15

≤ 3.5

潜流人工湿地

≤ 80

≤ 200

≤ 70

≤ 25

≤ 5.0

  资料来源:污水自然处理工程技术规范(CJJT 54-2017)。

  处理效率:

人工湿地类型

BOD5

CODcr

SS

NH3-N

TP

表面流人工湿地

40-70%

50-60%

50-60%

20-50%

35-70%

水平潜流人工湿地

45-85%

55-75%

50-80%

40-70%

70-80%

垂直潜流人工湿地

50-90%

60-80%

50-80%

50-75%

60-80%

  资料来源: 《污水处理工程人工湿地技术规范》 (HJ 2005-2010)。

  设计标准

标准

表面流人工湿地

潜流人工湿地

长宽比

3:1 至 5:1

1:1 到 5:1

底坡

0.4 至 0.5%
顶部坡度应接近水平

0.5 至 1.0%
顶部坡度应接近水平

池塘配置

至少两个池塘串联

至少两个池塘并联

植被

挺水植物和沉水植物

挺水植物

  表面流人工湿地:

  • 要达到减少有机物和氮的目的,湿地水力停留时间最短应为 7 天。

  • 湿地底部应衬有粘土或化学合成防渗层,以防止污水渗漏。防渗层厚度不应少于 30毫米。

  • 湿地路堤坡度:水平与垂直比不应超过 2:1。

  • 当湿地水位满时,应保持至少0.6 m的自由空间。

  • 应在防渗层上方更换至少0.5 m的土壤以支撑湿地植物的根部。

  • 湿地应配置浅水(0.5至0.9 m)和深水(1.2至1.5 m)区。浅水区宜种植挺水植物,深水区宜种植沉水植物。浅水区与深水区的比例应为 1:1。

  • 第一个浅水区的大小应能提供2天的水力停留时间,以促进液固分离。为减少开阔水域藻类的过度生长,深水区的水力停留时间应保持在2至3天之间。

  • 湿地的进出水管应与安装在湿地底部的穿孔管汇连接。管汇由直径为100毫米至150 毫米的穿孔 PVC 管制成。管汇的宽度应等于湿地两端的宽度。

  • 湿地的出水管应联接水位控制结构,如小堰箱。堰箱用于调节湿地水位。出口堰的尺寸应保持堰溢流率低于200 m 3 /m d。

  • 应选择根系宽而深的当地水生植物。常见的挺水植物是香蒲或三棱蔗草。常见的沉水植物包括眼子菜和伊乐藻。

  • 应选择周围没有树木的地方,因为树根可能会损坏防渗层。

  • 如果需要,植物可以每3到5年收获一次。

  潜流人工湿地:

  • 湿地各断面上均匀的水流对于保证处理效率很重要。

  • 小的、圆形的、大小均匀的砾石最常用于填充深度为0.5至0.6 m的床层。介质应耐压碎或破损。

区域

介质直径

进水区(前 2 米)

40 – 80 毫米

处理区

20 – 30 毫米

出水区(最后一米)

40 – 80 毫米

种植介质(顶部 10 厘米)

5 – 20 毫米

  • 水平潜流人工湿地的推荐水深为0.6-1.6米,垂直潜流人工湿地为0.8-2.0米。水位应保持在地表以下 5至15厘米,以确保地下流动。

  • 应保持至少0.3 m的自由区域。

  • 湿地的最小长度应为15米。

  • 穿孔管应均匀分布在介质层的表面或底部。穿孔管中的流速应为1.5 m/s至 2.0 m/s。孔径应为5 mm至10 mm,流速不小于1m/s。

  • 使用具有平衡流量和控制湿地水位的可调节进出水装置。

  关键设计参数:

  设计参数应根据当地气候条件、试验数据分析或其他类似人工湿地的运行经验确定。以下五个表格列出了不同温度下人工湿地关键参数的参考数据。

表4 . 5严寒地区人工湿地关键设计参数

(一月平均气温≤ -10 ℃ ,七月平均气温≤25 ℃

年日平均气温≤5 ℃的日数 ≥145天)

设计参数

表面流人工湿地

水平潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地

水力停留时间
(d)

3.0-20.0

2.0-5.0

1.5-4.0

表面水力负荷
(m3 /m2 d)

0.01-0.1

0.2-0.5

0.3-0.8

COD污染削减负荷
(g/(m2d)

0.1-5.0

1.0-10.0

1.5-12.0

NH4 -N污染削减负荷
(g/(m2d)

0.01-0.20

0.5-2.0

0.8-3.0

总氮污染削减负荷
(g/(m2d)

0.02-2.0

0.4-5.0

0.6-6.0

总磷污染削减负荷
(g/(m2d)

0.005-0.05

0.02-0.2

0.03-0.2

  资料来源: 《人工湿地污水处理技术导则》,生态环境部于2021年4月发布。

  表4.6 寒冷地区人工湿地关键设计参数

  (平均气温:1月-10 ℃ -0 ℃ ,7月18 ℃ -28 ℃

  日平均气温≥25 ℃的天数: < 8 0天

  日平均气温≤5 ℃的天数: 90-145天)

设计参数

表面流人工湿地

水平潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地

水力停留时间
(d)

2.0-12.0

1.0-4.0

0.8-2.5

表面水力负荷
(m3 /m2d)

0.02-0.2

0.2-1.0

0.4-1.2

COD污染削减负荷
(g/(m2d)

0.5-5.0

2.0-12.0

3.0-15.0

NH4 -N污染削减负荷
(g/(m2d)

0.02-0.30

1.0-2.0

1.5-4.0

总氮污染削减负荷
(g/(m2d)

0.05-0.5

0.8-6.0

1.2-8.0

总磷污染削减负荷
(g/(m2d)

0.008-0.05

0.03-0.1

0.05-0.12

  资料来源:生态环境部2021年4月发布的《人工湿地污水处理技术导则》。

表4.7 夏热冬冷地区人工湿地关键设计参数

(平均气温:1月0 ℃ -10 ℃ , 7月25 ℃ -30 ℃

日平均气温≥2 · 5 ℃的天数: 40-110天

日平均气温≤5 ℃的天数: 0-90天)

设计参数

表面流人工湿地

水平潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地

水力停留时间
(d)

2.0-10.0

1.0-3.0

0.8-2.5

表面水力负荷
(m3 /m2d)

0.03-0.2

0.3-1.0

0.4-1.2

COD污染削减负荷
(g/(m2d)

0.8-6.0

3.0-12.0

5.0-15.0

NH4 -N污染削减负荷
(g/(m2d)

0.04-0.5

1.5-3.0

2.0-4.0

总氮污染削减负荷
(g/(m2d)

0.08-1.0

1.2-6.0

1.5-8.0

总磷污染削减负荷
(g/(m2d)

0.01-0.1

0.04-0.2

0.06-0.25

  资料来源:生态环境部2021年4月发布的《人工湿地污水处理技术导则》。

表4.8夏热冬暖地区人工湿地关键设计参数

(平均气温: 1月> 10℃ , 7月25℃ -29℃

日平均气温≥25℃的天数: 100-200天)

设计参数

表面流人工湿地

水平潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地

水力停留时间
(d)

1.0-5.0 _

1 .0-3.0

0 .6-2.5

表面水力负荷
(m3 /m2d)

0 .1-0.5

0 .3-1.0

0 .4-1.5

COD污染削减负荷
(g/(m2d)

1 .2-6.0

5 .0-12.0

6 .0-15.0

NH4 -N污染削减负荷
(g/(m2d)

0 .08-0.5

2 .0-3.5

2 .5-4.5

总氮污染削减负荷
(g/(m2d)

0 .1-1.5

2 .0-6.0

2 .0-8.0

总磷污染削减负荷
(g/(m2d)

0 .012-0.1

0 .05-0.2

0 .07-0.25

  资料来源:生态环境部2021年4月发布的《人工湿地污水处理技术导则》。

表4.9温暖地区人工湿地关键设计参数

(平均气温:1月0℃-13 ℃ , 7月18℃-25℃

日平均气温≤5℃的天数: 0-90天)

设计参数

表面流人工湿地

水平潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地

水力停留时间
(d)

1.2-6.0

1.0-3.0

0.6-2.5

表面水力负荷
(m3 /m2d)

0.1-0.4

0.3-1.0

0.4-1.5

COD污染削减负荷
(g/(m2d)

1.2-5.0

5.0-10.0

6.0-12.0

NH4 -N污染削减负荷
(g/(m2d)

0.1-0.5

2.0-3.0

2.5-4.5

总氮污染削减负荷
(g/(m2d)

0.15-1.5

2.0-5.0

2.0-7.0

总磷污染削减负荷
(g/(m2d)

0.015-0.1

0.05-0.2

0.06-0.2

  资料来源:生态环境部2021年4月发布的《人工湿地污水处理技术导则》。

  操作和维护:

  • 污水进入人工湿地前应进行预处理,以免固体过多堆积,造成湿地堵塞。

  • 新建湿地的第一个生长季杂草会侵害湿地植被,要及时清除杂草。夏季和春季可以通过水位控制,让水淹没过杂草,以促进前三个月湿地植被的成长。

  • 需要定期在人工湿地中收获水生植物。如果原设计的植物表现不佳,运营方应根据需要调整植物的种类,以及相应的水位。

  • 定期检查湿地出水口,避免被倒下的树枝或垃圾堵塞。

  • 定期清洗污水分配管,避免堵塞。

  • 潜流人工湿地的维护重点,是定期检查滤床上的污水分布情况,并根据需要及时更换堵塞的滤料(岩石或砾石)。

  • 良好的系统设计和管理,可以有效避免或控制表面流人工湿地中的蚊子。

  建设成本和运维成本:

  • 建设成本取决于可用土地和防渗层安装的价格。地质条件和基础材料的选择会影响防渗层的安装成本。

  • 运维成本包括重新种植水生植物、清除杂草和清理滤床上的沉积物。

  • 需要专家设计和施工监督。

  • 不需要高技术水平和专业的操作员来管理系统。

  • 垂直流动系统比水平流动系统的空间要求更小。潜流人工湿地中清洁滤床(岩石和砾石)的成本相对昂贵。

  适用性

  • 不适用于未经处理的生活污水(例如黑水)。

  • 如果能有可用的土地而且比较便宜,这是一个不错的选择。

  • 水平潜流人工湿地适用于单一家庭和农村社区,而垂直潜流人工湿地和表面流人工湿地适用于农村社区。

  • 对于氨浓度高的污水,垂直潜流人工湿地比较合适,因为它可以促进硝化反应的进行。

  • 最适合温暖的气候,但也可以通过设计,让湿地短期忍受冰冻和生物活性较低的阶段。不建议在年平均气温低于0 ℃的地区连续使用人工湿地6个月以上。

 

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