湿地及湿地污水处理系统(第二部分)

1 人工湿地污水处理系统

1.1 人工湿地的基本构成

基质：提供植物与微生物生长，并对污染物起过滤、吸收作用的填充材料。 植物：高等维管束植物，包括浮水植物、挺水植物和沉水植物。

微生物、微型生物：植物根系周围的区系微生物、基质表面生物膜及周边的微生物。

人工湿地污水处理系统所针对的污染物（环境影响主力因子）主要为氮、磷、悬浮物（SS ）、有机物（BOD 、COD ）、重金属等。

1.2 人工湿地的种类

人工湿地是近年来国内外研究较多的新型污水处理技术，它具有处理效果好、氮磷去除能力强、运转维护管理方便、工程基建费用低、对负荷变化适应性强等优势，极为符合我国目前大多数中小城市的污水处理发展需要。

人工湿地污水处理系统以其独有的优越性越来越为人们所熟悉和重视——投资建设成本小、运行费用低、运行技术低、能够结合景观进行建设，具有景观美的效果。随着我国环境问题的日益突出，人工湿地亦越来越为更多的人接纳。然而人工湿地污水处理毕竟也是一门低龄学科，从概念提出至今不过40 年，引入我国不过20 年，结合我国实际情况进行工程化研究和应用亦不过10 年光景。我国人工湿地开始进行课题实验和规模化工程应用开始于2003年。

人工湿地按照污水在湿地床中流动的方式分为三种，表面流型人工湿地、水平潜流型人工湿地、垂直流型人工湿地。

人工湿地的处理流程

人工湿地生态处理

1.2.1 表面流型人工湿地

表面流湿地与地表漫流土地处理系统非常相似，不同的是：（1）在表面流湿地系统中，四周筑有一定高度的围墙，维持一定的水层厚度（一般为10~30cm）；（2）湿地中种植挺水型植物（如芦苇等）。

土地处理系统（land processing system）是利用土地及其中微生物和植物根系对污水（废水）进行处理，同时又利用其中水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长的工程设施。属于常年性污水处理工程，常用于中小城市污水二级污水处理之后代替高级处理。

表面流湿地的运作方式为：向湿地表面布水，水流在湿地表面呈推流式前进，在流动过程中，与土壤、植物及植物根部的生物膜接触，通过物理、化学以及生物反应，污水得到净化，并在终端流出。

系统示意

系统优缺点：与自然湿地极为类似，有较丰富的景观特性；然其污水直接暴露在大气中，易导致污水中的细菌等污染物散播到大气中而造成二次污染，同时其处理负荷小，处理效果差，运行受气候影响较大，在寒冷地区污水易结冰而影响处理效果，故一般不采用。

1.2.2 垂直流型人工湿地

污水从湿地表面纵向流向填料床底部，床体处于不饱和状态。O 2可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统。

该系统硝化能力较高，可用于处理氨氮含量较高的污水，但其处理有机物能力欠佳，控制复杂，夏季易滋生蚊蝇，建造要求高，故使用较少。

1.2.3 水平潜流型人工湿地

为地下水流湿地。废水通过布水管道以水平渗透或垂直渗透形式通过填料，在水床最低位运行，床体表面种植处理性能好、成活率高的水生植物(芦苇) ，净化后的水体经集水管道收集排放。床底铺防渗膜，可防止污染地下水。

BOD 、COD 等有机物和重金属的去除率高，受气候影响小，夏季无臭味、无蚊虫滋生，在寒冷地区也可以正常运行。

1.2.4 三种人工湿地系统比较

根据各类型人工湿地的特征，表面流湿地容易滋生蚊蝇，垂直流湿地造价高，建设难度大，目前均已较少采用，而潜流湿地优点较多，是现在人工湿地建设的主要选择，但是潜流湿地在对氮磷的处理方面相对薄弱，与其他类型人工湿地相配合，处理效果会更理想。

1.3 人工湿地净化污水的机理

1.3.1 悬浮物（SS ）的去除

污水中的悬浮物含有大量的污染物质，如有机物、氮磷、重金属和病原菌等，因此去除悬浮物可以提高污水的净化效率。

悬浮物（SS ）的去除主要通过基质的过滤、污泥沉淀及根系附着来完成。

为防止在进水口附近发生堵塞，进水前应设臵预处理以降低总固体浓度，一般设臵沉淀池即可。

1.3.2 有机物的去除

微生物在具有巨大比表面积的土壤颗粒表面形成一层生物膜，当污水流经土壤颗粒表面时，不溶性的有机物通过基质的沉淀、过滤和吸附作用被截留，然后被微小生物利用；可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及微生物的代谢过程而被分解去除。

污水中的大部分有机物最终被异养微生物转化为微生物体、CO 2、甲烷和水、无机氮、无机磷 。

1.3.3 氮、磷的去除

污水中的氮包括无机氮和有机氮。无机氮包括氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐；有机氮包括尿素、氨基酸、嘌呤和嘧啶。其去除途径包括基质的吸附、过滤、沉淀、挥发、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。

污水中的磷包括有机磷和无机磷。其去除途径主要包括微生物同化、基质吸附、植物吸收及污泥沉淀。工程实际及理论研究均表明，污水中磷的去除是以基质吸附及污泥沉淀为主 。

1.3.4 重金属的去除

金属离子去除机理主要有：植物的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀，人工湿地对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用的。

1.4 人工湿地污水处理系统工艺流程

按工程接纳的污水类型，基本工艺流程如下：

1. 当工程接纳城镇生活污水及与生活污水性质相近的其它污水时，基本工艺流程为:

2. 当工程接纳城镇污水处理厂出水时，基本工艺流程为

:

预处理的程度和方式应综合考虑污水水质、人工湿地类型及出水水质要求等因素。可选择格栅、沉砂、初沉、均质等一级处理工艺，物化强化法、AB 法前段、水解酸化、浮动生物床等一级强化处理工艺，以及SBR 、氧化沟、A ／O 、生物接触氧化等二级处理工艺。

后处理工艺也叫末端处理工艺。通常起到杀菌消毒、强化出水水质、改善景观效果等的作用。 常用的工艺主要包括表流湿地和好氧生物塘（水景塘） 造景、沙滤池过滤、紫外线消毒或配药消毒等。

1.5 人工湿地的启动与运行

1.5.1 启动运营

人工湿地污水处理系统的启动一般要经历5个阶段：

1. 系统调试阶段

2. 植物复活阶段

3. 根系发展不稳定阶段

4. 植物生长成熟阶段

5. 处理效果良好的稳定成熟阶段

在启动阶段，芦苇等植物栽种后即须充水。初期可将水位控制在地面下25mm 左右处。按设计流量运行3个月后，将水位降低至距床底O.2m 处，以促进芦苇等植物根系向深部发展。

待根系深入到床底后，再将水位调节至地表下0.2m 处开始正常运行。

进入稳定成熟阶段后，系统处于动态平衡，植物的生长仅随季节发生周期性变化，而年际间则处于相对稳定的状态，此时系统的处理效果充分发挥，运行稳定。

人工湿地系统从启动到成熟一般需2年时间。 对设计合理的人工湿地系统，在进水水质及水量变化不大时，一旦进入稳定成熟期，系统可自流运行，无须任何动力设备，也无须更多的维护。湿地中的植物一般可于冬季干枯时定期收割。

1.5.2 问题及措施

温度问题

低温时生物活性下降和植物的死亡。

对于表面流和垂直流湿地，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。处理措施可改用潜流人工湿地、采用适当的保温措施以及加强前处理单元效能。

占地面积问题

人工湿地净化的机理与特点使其与传统的污水处理工艺相比较需要较大的占地面积，一般认为大约是传统污水处理工艺的2～3倍左右。目前没有更好的解决办法，选址应尽量避开高密度的城市建设区域，或与城市功能性生态用地相结合，再有就是在工艺上采用组合工艺人工湿地，以减少占地面积。

出水污染物浓度回升问题

水生植物生长周期较短和补给水源水质等环境的变化会引起植株的衰竭和腐烂，腐烂的茎、叶容易消耗水体中的溶解氧使河床上升、底泥增多，其中释放出的有机物、氨氮等导致水体污染物回升，容易造成水体的二次污染。解决办法：及时收割调控，并将茎和叶移出水体，以便有效削减氮、磷并培育维护良好生态系统和促进健康水体的形成。

堵塞问题

随着时间推移，湿地中的微生物也相应繁殖，再加上植物的腐败，若维护不当，很容易产生淤积、阻塞现象。这种现象不仅会影响水的流速，而且会影响水的复氧，从而影响到微生物的活性进而影响到处理效果。解决办法为: 选择适当的填料，最好是多孔、质轻、不易板结的材质, 采用合适的操作工艺, 可以通过一定的间歇进水来恢复湿地的渗透速率, 选择适当的植物密度并及时维护。

1.6 人工湿地基质的选择

目前广泛应用的人工湿地基质以沙粒、沙土、土壤、石块为主，基质的选择以其水力传导能力、吸附能力和化学特性原则进行。有研究认为沸石有利于N 的分解而砾石有利于P 的吸附，因为后者有大量的Ca2+和P 结合，也有研究者用煤灰或煤渣。研究发现加入人工湿地系统中的磷70%～80%通过沉淀或吸附作用存留在基质中，基质对无机磷的去除作用因填料不同而存在差异, 若土壤中含有较多的铁、铝氧化物, 有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝, 使土壤固磷作用大大增加；若以砾石为填料的湿地, 砾石中的钙可以生成不溶性磷酸钙而在废水中沉淀。花岗石和粘性土壤为主要介质的人工湿地对污水中磷的去除率达90%以上。如何选择合适的基质类型对去除污水中的磷显得十分重要。另外, 基质内孔隙直径大小也影响污染物的吸附和去除。

潜流人工湿地基质层的初始孔隙率宜控制在35%～40%。

1.7 人工湿地的植物选择

1.7.1 基本原则

人工湿地植物筛选和配臵的一般原则：

（1）首先考虑选择在污水中生长或经污水驯化过的植物，它们比在其他环境中生长的植物对人工湿地环境更有适应性；

（2）尽量避免选择一些茎叶匍匐于基质表面的植物，以免在运行过程中因人为控制原因导致植株死亡；

（3）植物配臵前，必须首先了解各植物的生长规律及其生态学特征，使不同层次、不同功

能的植物能充分搭配并合理利用各种资源，避免不同植物之间的竞争；

（4）作植物配臵时，在保证植物生物量和覆盖度的前提下，将不同层次植物搭配起来，增强人工湿地的景观效果。

1.7.2 植物配臵推荐

不同生长型植物人工湿地特点

大型浮水植物：系统以浮水植物为主，植物繁殖能力强，可通过光合作用由根系向水体释放氧气，可通过植物吸收有效去除N 、P 及重金属等污染物，浮水植物目前主要用于N 和P 的去除和提高稳定塘的效率；

大型挺水植物：系统以挺水植物为主，植物根系发达，可通过根系向基质送氧，使基质中形成多个好痒、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖，便于污染物的多途径降解，目前人工湿地主要指挺水植物系统；

沉水植物：系统以沉水植物为主，该系统还处于试验阶段，主要用于初级处理和二级处理后的精处理。

表面流型人工湿地

有相关试验表明，混合分段种植不同生长型植物的人工湿地在污水综合处理效率方面要远高于单一生长型植物配臵的人工湿地。表流人工湿地可选择菖蒲、灯芯草等挺水植物；凤眼莲、 浮萍、睡莲等浮水植物；伊乐藻、茨藻、金鱼藻、黑藻等沉水植物。挺水植物的种植密度宜为9 株/m2～25株/m2，浮水植物和沉水植物的种植密度均宜为3 株/m2～9 株/m2。

垂直流型人工湿地

下行植物床：象草、艾蒿、血苋、水芋、海芋、野芋、薏苡、石芒草、白姜花、宽叶香蒲、黄苞蝎尾蕉、水鬼蕉、芒草、叠穗莎草、黄花蔺、轮叶狐尾藻、水芹、水蓼等；

上行植物床：水芋、海芋、野芋、薏苡、象草、白姜花、宽叶香蒲、黄苞蝎尾蕉、水鬼蕉、叠穗莎草、黄花蔺、轮叶狐尾藻、水芹、水蓼等；

在这些植物中，象草、水芋、海芋、野芋、薏苡、石芒草、白姜花、宽叶香蒲、黄苞蝎尾蕉、水鬼蕉、芒草、叠穗莎草等都生物量大、根系发达，是人工湿地的首选植物。相对的，艾蒿、血苋、黄花蔺、轮叶狐尾藻、水芹、水蓼等植物生物量小、根系浅，但具有较好的景观效果

或具有植物芳香味，适宜用作人工湿地搭配植物。

垂直流——水平潜流复合人工湿地

系统中水平潜流湿地池种植下述植物的任意一种或几种组合：芦苇、美人焦、桃金娘、蜈蚣草、商陆、李氏禾、风车草、印度芥菜；

垂直流湿地池种植下述植物的任意一种或几种组合：灯芯草、千屈菜、东南景天、天蓝遏蓝菜、黑麦草、桃金娘、蜈蚣草、商陆、李氏禾、风车草、印度芥菜；

所述垂直流湿地池与水平潜流湿地池中种植植物的数量比例为１∶１．５～２； 待蓄水后，在垂直流湿地池的水面上种植浮水植物睡莲和／或凤眼莲。 本植物配臵所用成本低、处理效率高、易生长、景观效果好。

2 人工湿地场地设计

2.1 人工湿地规模

按照设计污水处理能力将人工湿地分为小型、中型、大型三类。

小型人工湿地污水处理工程的日处理能力＜3000m 3/d；

中型人工湿地污水处理工程的日处理能力3000m 3/d～10000m 3/d； 大型人工湿地污水处理工程的日处理能力≥10000m 3/d。 注：下限值含该值，上限值不含该值。

2.2 人工湿地的处理效力

当工程接纳城镇生活污水时，其设计水质可参照GB50014 中的有关规定；接纳与生活污 水性质相近的其它污水时，其设计水质可通过调查确定；

当工程接纳城镇污水处理厂出水时，其设计水质应按GB18918 中的规定取值；

其进水水质应满足下表要求：

处理效率如下：

通常情况下，人工湿地污水处理系统出水水质在《地面水环境质量标准（GB3838）》所述II~IV类水之间。

链接：依据地面水水域使用目的和保护目标将其划分为五类： I 类 主要适用于源头水、国家自然保护区。

II 类 主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场等。 III 类 主要适用于式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区。 IV 类 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区。 V 类 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。

2.3 人工湿地工程项目构成

工程项目主要包括：污水处理构（建）筑物与设备、辅助工程和配套设施等。

污水处理构（建）筑物与设备包括：预处理、人工湿地、后处理、污泥处理、恶臭处理等 系统。

预处理装臵的设臵要求：

污水的BOD 5/CODCr 小于0.3 时，宜采用水解酸化处理工艺。

污水的SS 含量大于100mg/L 时，宜设沉淀池。 污水中含油量大于50mg/L，宜设除油设备。 污水的DO 小于1.0mg/L时，宜设曝气装臵。

辅助工程包括：厂区道路、围墙、绿化、电气系统、给排水、消防、暖通与空调、建筑与 结构等工程。

配套设施包括：办公室、休息室、浴室、食堂、卫生间等生活设施。

人工湿地系统可由一个或多个人工湿地单元组成，人工湿地单元包括配水装臵、集水装臵、 基质、防渗层、水生植物及通气装臵等。

2.4 人工湿地的选址

应符合当地总体发展规划和环保规划的要求，以及综合考虑交通、土地权属、土地利用现 状、发展扩建、再生水回用等因素。

应考虑自然背景条件，包括土地面积、地形、气象、水文以及动植物生态因素等，并进行 工程地质、水文地质等方面的勘察。

应不受洪水、潮水或内涝的威胁，且不影响行洪安全。

宜选择自然坡度为0%～3%的洼地或塘，以及未利用土地。

2.5 人工湿地的面积

根据水力负荷设计湿地的面积，计算公式如下： A=Q／q hs

式中 A ——人工湿地的面积，m 2； Q ——人工湿地设计水量，m 3/d； q hs ——水力负荷，m 3/(m2.d)

设计水量Q 的确定

根据水体的水力停留时间（指污水在人工湿地内的平均驻留时间）设计每天需要处理的水量，计算公式如下： Q=V/T

式中Q —设计水量，m3／d ；V －景观水体中的水量，m3；T －循环周期，d 。

当水温>25℃时，人工湿地水体的循环周期不宜超过2－3d ，当水温

2.6 人工湿地的平面布局

2.6.1 表面流人工湿地

表面流人工湿地几何尺寸设计，应符合下列要求：

a ) 表面流人工湿地单元的长宽比宜控制在3:1～5:1，当区域受限，长宽比＞10:1 时，需 要计算死水曲线；

b ) 表面流人工湿地的水深宜为0.3m ～0.5m ； c ) 表面流人工湿地的水力坡度宜小于0.5%。

2.6.2 潜流人工湿地

潜流人工湿地几何尺寸设计，应符合下列要求：

a ) 水平潜流人工湿地单元的面积宜小于800m 2，垂直潜流人工湿地单元的面积宜小于 1500m 2；

b ) 潜流人工湿地单元的长宽比宜控制在3:1 以下；

c ) 规则的潜流人工湿地单元的长度宜为20m ～50m 。对于不规则潜流人工湿地单元，应 考虑均匀布水和集水的问题；

d ) 潜流人工湿地水深宜为0.4m ～1.6m ； e ) 潜流人工湿地的水力坡度宜为0.5%～1%。

2.6.3 通过计算确定湿地平面

① 湿地宽度的设计

湿地的宽度可以根据下式计算： W=Q/(K×N×D)

式中 W —湿地的宽度，m Q —处理的水量，m3/d

N —水力坡度，一般取0.005—0.01 K —填料的透水系数，m/d

D —处理区填料厚度，一般取0.4-0.7m

在运行过程中，由于悬浮污染物的截留以及生物膜的积生，填料的透水系数会不断下降，因此在实际设计时通常取清洁填料透水系数的10％作为设计标准。

若湿地单元宽度过大则对布水均匀不利，容易造成短流，通常以湿地单元宽度≤60m为宜 。当计算得到的宽度>60m时可将湿地分为若干个宽度≤60m的单元，并联运行。

② 湿地长度的设计 L=A/W

式中 L 一湿地的长度，m W —湿地的面积，m2

湿地长度过短时难以保证布水均匀，但长度过大时会造成工程量增加，另外还会造成进出口

之间水位差增大，使水位调节困难并且不利于植物的成活。通常湿地单元的长度以15—50m 为宜。当计算得到的长度>50m时可将湿地分为若干个长度≤50m的单元，串联运行。

2.7 地表径流汇入自然湿地的前处理

以平顶山沿湖城市设计为例（浮岛）：

3 人工湿地的经济分析

根据相关研究，表面流湿地在同等处理能力下占地约为潜流湿地的10倍之多。

通过具体案例对比分析，了解人工湿地的经济性。

深圳白泥坑人工湿地系统（潜流湿地）与其他污水处理厂的经济比较

4 城市雨水收集和处理

4.1 城市雨水污染的基本特征

城市初期雨水污染主要指降雨初期, 由于雨滴在淋洗大气, 冲刷城市路面、建筑物、废弃物等之后, 携带氮氧化物、重金属、有机物以及病原体等污染物质进入地表水和地下水, 加重城市水源的污染。

雨水径流存在污染物冲刷规律：初期20%雨水径流中的污染负荷占整场降雨污染的80%。