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  人工湿地概述

  人工湿地是一种通过人工设计、改造而成的半生态型污水处理系统,主要由土壤基质、水生植物和微生物三部分组成。

  人工湿地的优点:投资费用省,运行费用低,维护管理简便,水生植物可以美化环境,调节气候,增加生物多样性。

  人工湿地的不足:污染负荷低,占地面积大,设计不当容易堵塞,处理效果受季节影响,随着运行时间延长除磷能力逐渐下降。

  人工湿地的适用范围:适用于资金短缺、土地面积相对丰富的农村地区,不仅可以治理农村水污染、保护水环境,而且可以美化环境,节约水资源。

  类型和结构

  人工湿地按水流特征,可分为表面流人工湿地(图3-8)、潜流人工湿地(图3-9)、垂直流人工湿地(图3-10)。表流人工湿地建造费用较省,但占地面积大于潜流和垂直流人工湿地,且冬季表面易结冰,夏季易繁殖蚊虫,并有臭味。
表面流人工湿地

  图3-8表流人工湿地示意图

潜流人工湿地

  图3-9潜流人工湿地示意图

垂直流人工湿地

  图3-10垂直流人工湿地示意图

  设计事项

  人工湿地的设计可参考《人工湿地污水处理技术导则》(RISN-TG006-2009)。应当根据实际情况因地制宜进行设计和运行。设计时首先确定污水的水量和水质,并根据当地的地质、地貌、气候等自然条件选择合适的人工湿地类型,然后根据相应的湿地类型进行设计。设计主要涉及以下几个方面:污染负荷、湿地面积、湿地床结构、基质材料选择、植被选择、水力状况、进水和排水周期等。

  1)污染负荷

  相对生物接触氧化池和氧化沟等好氧生物技术,人工湿地污染负荷低,其进水污染物浓度特别是悬浮物SS浓度不能太高,建议不超过50mg/L,否则容易堵塞。不同类型人工湿地污染负荷取值范围变化较大。

  2)湿地面积

  人工湿地的设计面积根据拟处理的水量确定,包括常规的污水的水量和汇流区域内的暴雨径流量,可以按下面的公式近似估算:

  S=(污水量+径流量)/A

  式中:S-湿地的最大占地面积

  A-水力负荷

  3)湿地床结构

  湿地床的构型对湿地系统的水力状况有着重要影响,构型参数包括长宽比、坡度、深度等。据工程经验,人工湿地系统的坡度宜为0.5%~1%,长宽比应大于2,深度一般在0.2~1.2m。

  人工湿地设计时应尽量采用重力流的布水方式,以保证排水顺畅,节省能源。另外,湿地的出水口应设计为可调的,以便使整个湿地床体的水位可以人为调控。

  人工湿地的水力负荷根据污水量和湿地类型的不同差异比较大,一般来说潜流湿地的水力负荷大于表面流湿地的水力负荷。国内外人工湿地的水力负荷一般为10~20cm·d-1,水力停留时间为0.5~7d。

  4)基质材料选择

  人工湿地系统多采用碎石、沙子、矿渣等基质材料作为填料。对于缺乏养分供给的基质或者孔隙过大不利于植物固定生长的基质,需在基质上方覆盖15~25cm厚的土壤,作为植物生长的基质。

  不同类型的基质对湿地的影响不同。中性基质对生物处理影响不大,但矿渣等偏碱性的基质则在一定程度上会影响微生物和植物的生长活动,因此,应用时需采用一定的预处理,如充分浸泡等措施。

  基质对废水中磷和重金属离子的净化影响最大,含钙、铁、铝等成分的填料有利于离子交换。钙、镁等成分和污水中的磷、重金属相互作用形成沉淀物;铁、铝等离子通过离子交换等作用将磷、重金属吸附于基质上。但随着时间的推移,基质对磷和重金属的吸附会达到饱和,湿地除磷和重金属能力便有明显下降。

  在确定选择的基质材料种类后,还应确定基质的粒径,以调整湿地的水力传导率和孔隙率。一般来说,小粒径基质具有比表面积大、孔隙率小、植物根及根区的发展相协调、水流条件接近层流等优点。但目前人工湿地的基质一般倾向于选择较大粒径的介质,以便具有较大的空隙和好的水力传导,从而尽量克服湿地堵塞问题。

  此外,基质的选择上还应考虑便于取材、经济适用等因素。

  5)植被选择

  湿地水生植物主要包括挺水植物、沉水植物和浮水植物。不同的区域,不同的生长环境,适宜生长的湿地植物种类是不同的。人工湿地一般选取处理性能好、成活率高、抗污能力强且具有一定美学和经济价值的水生植物。这些水生植物通常应具有下列特性:

  能忍受较大变化范围内的水位、含盐量、温度和pH值;

  在本地适应性好,最好是本土植物。植物种类一般3~7种,其中至少3种为优势物种;

  对污染物具有较好的去除效果;

  成活率高,种苗易得,繁殖能力强;

  用途广泛或经济价值高。

  人工湿地中使用最多的水生植物为香蒲、芦苇和灯心草,这些植物都广泛存在并能忍受冰冻。不同种类的水生植物适宜生长的水深不同,香蒲在水深0.15m的环境中生存占优势;灯心草为0.05~0.25m;芦苇适宜生长在岸边和浅水区中,最深可生长于1.5m的深水区域。香蒲和灯心草的根系主要在0.3m以内的区域,芦苇的根系达0.6m,宽叶香蒲则达到0.8m。

  在潜流型湿地中,一般选用芦苇和香蒲,它们较深的根系可扩大污水的处理空间。而对于处理暴雨径流污染为主的人工湿地,要求湿地植物有很强的适应能力,既能抗干旱又能耐湿,而且还应具有抗病灾和昆虫的能力,一般选用芦苇和藨草。

  6)水力状况

  表流人工湿地水位一般为20~80cm,潜流人工湿地水位则一般保持在土壤表面下方10~30cm,并根据待处理的污水水量等情况进行调节。

  需重点考虑造成湿地堵塞的各种影响因素。湿地堵塞多发生在系统床体前端25%左右的部分,造成堵塞的物质大部分为无机物,这表明污水中的颗粒物在湿地床中的沉淀是造成湿地堵塞的主要原因。此外,植物根系及其附着物等也是湿地堵塞的一大诱因。

  施工事项

  人工湿地在建设过程中涉及的建筑材料主要包括砖、水泥、卵石、碎石、砂子、土壤等。人工湿地的施工主要包括土方的挖掘、前处理系统的修建、土工防渗膜的铺装、布水管道的铺设、基质材料的填装、土壤的回填和植物的种植。在施工过程中要合理安排施工顺序,严格按照湿地设计中配水区、处理区和出水集水区中各种基质材料的粒径大小,分层进行施工,详情见人工湿地基质材料组成剖面图(图3-11)。

人工湿地基质材料组成剖面图

  图3-11人工湿地基质材料组成剖面图

  人工湿地表层一般种植喜阳的水生植物,因此应建设在能被阳光直射的空旷的地方。在山区或丘陵可建成多级呈阶梯状的人工湿地,采取多级跌水充氧,与植物复氧一起,共同为湿地补充溶解氧。

  造价指标

  综合国内外的研究实践经验,人工湿地的投资和运行费一般仅为传统的二级污水厂的1/10~1/2,具有广泛应用推广价值,尤其适用于经济发展相对落后市郊、中小城镇及广大的农村地区。具体的投资费用视地理位置,地质情况以及所采用的湿地基质而有差别,一些工程统计表明,表流人工湿地建设投资费用约150~400元/m2,潜流人工湿地建设投资费用约200~600元/m2。

  运行管理

  人工湿地的维护包括三个主要方面:水生植物的重新种植、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。植物种类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;杂草的过度生长也给湿地植物的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,阻碍了水生植株幼苗的生长。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,人工湿地的植被种植完成以后,就开始建立良好的植物覆盖,并进行杂草控制是最理想的管理方式。在春季或夏季,建立植物床的前三个月,用高于床表面5cm的水深淹没可控制杂草的生长,当植物经过三个生长季节,就可以与杂草竞争。由于污水中含有大量的悬浮物,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,以保持稳定的湿地水文水力及净化效果。

  

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