南沙人工湿地设计方案.docx
《南沙人工湿地设计方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《南沙人工湿地设计方案.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
南沙人工湿地设计方案
二O一二年十一月
1综述3
1.1项目名称3
1.2工程概述3
1.3人工湿地净化机理3
2设计的基本理论及参数选择4
2.1设计选型4
2.2设计基本理论4
2.3设计参数5
3其他设计要素的确定8
3.1地址选择8
3.2进出水布置系统8
3.3植物选择9
3.4填料选择10
3.5预处理12
4工程费用13
5污染物去除效果14
5.1对TSS去除效果14
5.2对COD去除效果14
5.3对BOD去除效果14
5.4对重金属去除效果15
6人工湿地系统的运行与维护管理16
6.1防渗和堤防工程16
6.2堵塞问题和解决方案16
6.3植物系统管理17
7施工图纸18
1综述
1.1项目名称
华南环境科学研究所人工湿地系统工程
1.2工程概述
本项目人工湿地系统主要用来处理实验室排放的废水和水力学物理实验的出水，此外还起到生态景观和美化环境的作用。
采用世界上最流行的湿地污水处理系统：
水平潜流人工湿地。
它是在挖掘的防渗池中填满多孔介质，这些介质通常是砂子或砾石，水位被保持在稍微低于介质的顶层，多孔介质作为挺水植物根系的支持基质。
水平潜流人工湿地具有占地少，处理效果较好，负荷变化适应能力强，工程基建和运行费用低等特点，对BOD，COD，SS，重金属等污染指标的去除效果好。
人工湿地系统剖面图
1.3人工湿地净化机理
对SS：
湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物生长而形成生物膜，废水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留。
对有机物：
有机物通过植物根际微生态环境吸附，经同化及异化作用被除去。
对N、P：
植物根系对氧的传递释放，使周围环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证废水中的氮磷不仅能够通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化将其去除。
对重金属：
金属离子可以与土壤有机质发生螯合作用形成沉淀，微生物对重金属也有吸收、吸附、解毒和转化作用，另外还有超累植物的储存和挥发作用。
2设计的基本理论及参数选择
2.1设计选型
为了保证出水能够达到汇入市政管网的指标，方案采取二级串联式，工艺组合可以有回流式进水和阶梯式进水。
回流式可稀释进水的有机物和悬浮物浓度，增加水中的溶解氧，并减少处理出水中可能出现的臭味问题，出水回流还可以促进床内的硝化和反硝化脱氮作用。
阶梯式进水可避免处理床的堵塞，使植物长势均匀。
2.2设计基本理论
2.2.1湿地面积
潜流型人工湿地的流态满足一级推流动力学，可用以下方程：
式中：
Ce——出流BOD5（mg/L）；
C0——入流BOD5（mg/L）；
KT——与温度有关的一级反应速率常数（d-1）；T取20，K20=1.014
T——水力停留时间（d）
Q——系统平均流量（m3/d）；
d——潜流深度（m）；
n——床层孔隙率；
As——系统表面积（m2）
代入数据得：
2.2.2水力坡度
根据《国家环保部人工湿地污水处理技术规范》，本方案坡度为1%。
2.2.3长宽比
根据《国家环保部人工湿地污水处理技术规范》，潜流人工湿地长宽比控制在3:
1以下，本方案选宽为2.2m，长为5.6m，长宽比2.55，平均分为两级系统。
2.2.4水力停留时间
代入数据得，一级人工湿地t1为0.539；
二级人工湿地t2为0.323。
2.2.5水力负荷
式中HLR——水力负荷（m2/d）；
代入数据得，
2.3设计参数
2.3.1BOD负荷
人工湿地中控制BOD5负荷有两个理由：
首先为反硝化提供碳源，碳源不足将导致脱氮效率下降；其次用于防止因有机物负荷过高而使湿地中的植物易于死亡。
同时，有机负荷的控制对维持系统好氧状态以及防蚊虫非常重要。
湿地中通常可用多点进水及回流等措施控制有机负荷，BOD最大负荷率为75kg·hm-2·d-1可用氧传递能力建立SFS系统有机物负荷的数学模式，计算步骤为：
首先计算需氧量，然后计算湿地设计面积的可利用氧量。
式中，Tro2为植物的氧传递速率，通常取20g/（m2·d）,此时BOD5为133kgBOD5/（ha·d）。
2.3.2几何尺寸
人工湿地的长宽比应控制在3:
1以下。
长宽比不满足条件时，可用分置单元的措施处理。
床深一般必须根据水位确定，以保证湿地中植物的生长及必要的好氧条件。
床横截面积与温度、有机负荷无关，只受填料的水力学特性影响。
借鉴经验有横截面的平均流速Q/A以不超过8.6m/d为宜。
床底坡度一般取1%~8%。
经过初步设计有效尺寸：
一级280×220×75cm3，填料深度50cm，坡度1%
二级280×220×50cm3，填料深度30cm，坡度1%
2.3.3水力因素
①水力负荷
湿地的水力负荷与建造地点的水文因素以及处理水的有机负荷密切相关。
水文因素包括当地的气候、土壤条件和植物种类。
水力负荷一般为150~500m3/ha.d。
有试验显示，当水力负荷为200m3/ha·d时，湿地处理效果最佳。
②水位
SFS系统对水位控制要求较高，须注意以下几点：
在系统接纳最大设计流量时，湿地进水端不出现雍水，防止发生表面流；在系统接纳最小设计流量时，出水端不出现填料床面的淹没；为了利于植物的生长，床中水面浸没植物根系的深度尽量均匀。
③水力停留时间（湿地容积/填料孔隙率）
水力停留时间受湿地长度、宽度、植物、基底材料孔隙率、水深、床体坡度等因素的影响。
停留时间太短会使污染物降解不够充分，同时流速大破坏植物生长；停留时间过长，造成水流停滞和大面积厌氧区，影像处理效果和出水。
考虑到人工湿地作为废水处理工程的后续处理，假设前一阶段的出水为2m3/d，加上植物的蒸发、蒸腾作用，池体应预留一定的几何体积。
2.3.4出水水质要求
人工湿地的前阶段处理为污水处理工程，出水符合第二时段三级标准。
具体指标见表2-1
序号
污染名称
单位
排放浓度
备注
1
pH
——
6～9
2
色度
倍
40
3
SS
mg/L
400
4
COD
mg/L
500
5
BOD5
mg/L
300
6
氰化物
mg/L
1.0
7
六价铬
mg/L
0.5
8
总汞
mg/L
0.05
9
总铜
mg/L
2.0
10
LAS表面活性剂
mg/L
20
本项目处理后直接排入城市市政管网，完全执行《CJ343-2010污水排入城镇下水道水质标准》。
具体指标见表2-2
序号
污染名称
单位
排放浓度
备注
1
pH
——
6～9
2
色度
倍
80
3
SS
mg/L
150
4
COD
mg/L
150
5
BOD5
mg/L
100
6
氰化物
mg/L
0.5
7
六价铬
mg/L
0.5
8
总汞
mg/L
0.05
9
总铜
mg/L
2.0
10
LAS表面活性剂
mg/L
10
11
氨氮
mg/L
25
12
磷酸盐
mg/L
1.0
3其他设计要素的确定
3.1地址选择
与传统二级生物处理工艺相比，单位体积污水处理量所需人工湿地面积约为前者的2～3倍。
采用人工湿地处理污水时，应尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地，一方面可减少土方工程量，利于排水，降低投资，另一方面可减少对周围环境的污染。
人工湿地工程用地的估算公式为
式中：
A——人工湿地面积（m2）
K——系数，取6.57×10-3d/m
Q——设计流量（m3/d）
以上估算方法仅使用于选址中的用地面积，而不可以作为工程设计中的土地面积。
3.2进出水系统布置
湿地床进水系统的设计应尽量保证配水的均匀性，一般采用多空管或者三角堰等。
多孔管可设于床面上方或者埋于床面以下，埋于床面下的缺点是配水调节较为困难。
多孔管设于床面上方时，应比床面高出，以防淤泥和杂草积累而影响配水。
系统的进水流量可通过阀或闸板调节，过多流量时应有溢流、分流措施。
湿地出水系统的设计可采用沟排、管排、并排等方式，设计时应考虑水体的特点、湿地系统的布置及场地原有条件。
为了有效控制水位，在填料层的底部设穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门。
进水管布置形式立面图
出水管布置形式图
3.3植物选择
人工湿地系统设计中，应尽可能增加生物多样性，以提高湿地的处理能力延长寿命。
植物可以直接吸收、利用污水中可以利用态的营养物质，吸附和富集重金属及一些有毒有害物质；根系能为细菌提供生存环境和输送氧气；根系生长能增强和维持介质的水力传导；此外植物还可以作为人工湿地所受污染程度的指示物，具有美观欣赏性，改善景观生态环境。
选择植物物种时，可根据耐污性、生长适应性、根系发达程度及经济价值和美观要求确定。
对于潜流型人工湿地，种植具有浓密和较长根系的植物较为理想。
（1）深根丛生型的植物，其根系的分布深度一般在30cm以上，分布较深而分布面积不广。
植株的地上部分丛生，如皇竹草、芦竹、旱伞竹、野茭草、薏米、纸莎草等。
由于这类植物的根系入土深度较大，根系接触面广，配置栽种于潜流式人工湿地中更能显示出它们的处理净化性能。
（2）深根散生型植物根系一般分布于20～30cm之间，植株分散，这类植物有香蒲、菖蒲、水葱、藨草、水莎草、野山姜等，这类植物的根系入土深度也较深，因此适宜配置栽种于潜流式人工湿地。
（3）浅根散生型的一些植物如美人蕉、芦苇、荸荠、慈姑、莲藕等，其根系分布一般都在5～20cm之间。
由于这些植物的根系分布浅，而且一般原生于土壤环境，因此适宜配置于表流式人工湿地中。
但是本项目中填料深度达到50cm，因此可以考虑选择性选用。
3.4填料选择
在构建人工湿地时，选择适宜的填料是十分重要的。
一般来说，应选用比表面积大、孔隙率高并有一定机械强度的材料，这样有利于微生物的生长和生物附着，保持较多的生物量，而且有利于生物代谢过程中氧气和营养物质的传质过程另外，填料的粒径选择也十分重要，粒径小的填料容易堵塞，粒径大的填料往往又达不到预期的处理效果。
一般来说，采用的填料粒径规格在5～60mm的范围内。
填料在人工湿地中的作用主要表现在以下几个方面：
①为微生物的生长提供稳定的附着表面；②为水生植物提供载体和营养物质，并通过一些物理和化学途径净化污水；③为人工湿地中的磷和部分金属离子的除去提供条件。
人工湿地填料的选择需要遵循以下几条原则：
第一是填料中铁、镁、钙、铝等活性物质的含量要高；第二是填料表面粗糙，内部孔隙发达，比表面积大；第三是因地制宜，就近取材，选取来源广泛、价格低廉的材料作基质，以降低人工湿地的成本；第四是坚持以废治废，合理利用资源的原则，对吸附能力强，环境危害小的工业副产物加以利用。
目前用于污水处理的人工湿地填料包括碎石、页岩、煤灰、矿渣、陶粒、石灰石、沸石等。
水平潜流人工湿地填料用3种填料：
页岩陶粒，石灰石，沸石。
页岩陶粒不仅具有优异的性能，比表面积大，吸附悬浮能力强，密度低，孔隙率高；并且耐磨，耐冲刷，微孔多，截污能力强，化学性能稳定。
白灰石主要矿物成分为方解石，表面平滑，呈小颗粒状。
沸石可以借水的渗滤作用，进行阳离子的交换，其成分中的钠、钙离子可与水溶液中的锂、镁等离子交换。
沸石中的水分可以跑出来，但这并不会破坏沸石内部的晶体结构。
因此它可以再重新吸收水或其他液体，还可以吸附某些污染物。
下面的粒径大，孔隙率就高，有利于水的通过，防治漫流现象的出现，上面的粒径小，很大部分原因是由于上面要种植植物，植物的根系要固定生长的话就要粒径小的填料，粒径大了植物就不容易存活。
表3-1填料的物理性质
填料名称
表面密度／（kg·m_3）
联通空隙率／%
比表面积／（m2·g_1）
外形特征
页岩陶粒
1470
6．5
4．7
粒径10～20㎜
石灰石
2700
1．2
—
粒径20～30㎜
沸石
2100
＞50
8．0
孔径0.3～1nm
表3-2填料对COD、TP、TN、NH3-N的去除率
填料名称
COD
TP
TN
NH3-N
页岩陶粒
74.6
36.3
40.6
69.0
石灰石
71.3
25.3
28.4
31.1
沸石
66.1
42.7
65.4
73.4
本项目中主要考虑去除污水中COD，对于脱氮除磷的要求不高，故从节约成本和处理效果的综合考虑，选用粒径较小的石灰石作为主要基质。
布设如下：
表层可以选用粗沙铺10cm，表层之下以20~30cm石灰质碎石，再往下是不同级配的卵石、花岗岩碎石铺设。
填料层分布图
3.5预处理
水平潜流人工湿地的预处理系统一般包括：
污水集水池、化粪池、提升设备、格栅、沉淀池、沉砂池、酸碱调节池和曝气池等。
一般应根据进水水源污染程度和固体悬浮物的含量来选择预处理设施。
考虑到该人工湿地系统是废水处理工程的后续处理，之前已经经过了氧化还原反应、调节了废水的pH值、经过过滤器，所以仅需要提升设备。
一般采用水泵，泵是将电能转换为机械能的动力设备，能达到提升或压送液体的目的。
在选择水泵时，首先应采用叶轮少、通道大的无堵塞泵，保证污水正常排放，目前通常有潜水泵和立式污水泵，采用潜水泵可节省地下空间的使用面积，其安装和维护均方便。
4工程费用
工程费用明细见表4-1
5污染物去除效果
5.1对TSS去除效果
在水平潜流湿地中相对低速的水流和大的接触面积使得系统中的TSS去除率相对较高。
大量植物根系和饱和状态的基质，使固体悬浮物被根系以及填料阻挡截留。
水平潜流湿地系统像一个水平重力过滤器，因此使TSS通过在填料和根区面的生物膜上的重力沉淀、渗透、吸附作用而被分离。
一般的，对于砾石介质潜流湿地输入、输出悬浮固体浓度关系有：
潜流湿地中，悬浮固体是较易去除的，一般出水值低于10mg/L，满足排放要求。
5.2对COD去除效果
水平潜流人工湿地对有机物有较强的处理能力。
不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤，可以很快地截留下来被微小生物加以利用；可溶性有机物则通过生物膜的吸附及微生物的代谢去除。
季节变化对潜流湿地对去除COD有一定的影响，夏季有机物的去除率较高，冬季明显降低。
由于原进水的COD浓度不高，并且人工湿地每天处理的水量少，水力停留时间长，出水基本上可以达到150mg/L要求。
5.3对BOD去除效果
BOD的去除主要包括好氧呼吸和厌氧消减。
进水和植物分解提供碳源，考虑到废水中BOD的有效去除，湿地中的碳循环有部分量的损失。
湿地中BOD出去很迅速，典型的出水BOD浓度约为10g/L,去除率可以达到90%，略高于COD。
系统水力负荷对COD和BOD的去除也有一定的影响，随着负荷的增加两者的去除率都有不同程度的降低。
5.4对重金属去除效果
土壤中的重金属可以分为五种形态，即交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、有机物结合态和残留态。
不同形态具有不同的生物活性和毒性。
在湿地生态系统中，土壤基质、植物、微生物等因子互相作用、相互影响，其内在机制高度复杂，这里不作详述。
对于低浓度进水，重金属经过人工湿地的处理后去除率可以达到很高水平。
美国学者Gersberg等人向加利福尼亚州的一处人工湿的地进水人工添加高浓度重金属Cu、Cd和Zn，并对其处理的效果进行为期一年的实验研究。
结果表明，Cu、Cd和Zn在人工湿地中具有显著的去除效果，去除率分别为99％、99％、97％。
等人在实验室进行小试实验，利用人工湿地处理暴雨径流，初步评估了重金属的去除效果。
研究结果表明，进水中Cu、Pb、Zn浓度低于20mg/L时，对重金属的去除率可达到99%。
对于实际的重金属去除率有待项目运行后的实验验证。
6人工湿地系统的运行与维护管理
6.1防渗和堤防工程
建造一个人工湿地，必须解决一些基本的工程问题：
（1）地基的准备，地基的准备是建造过程的一个重要部分，因为地基要被压实，如果地基中含有尖锐的石块或者粒径大的石块必须被清除，或者在地基上铺上沙子防止破坏防渗层。
挖掘地基时还要考虑土壤的承受压力问题。
（2）围堰，围堰是湿地建设中一个普通要素。
上坡围堰被用来转移表面径流，下坡围堰设计用来保持砾石床和维持湿地水位。
（3）衬垫，为防止湿地系统因渗漏而造成地下水污染，要求在工程实施中尽量保持原土层，并在其基础上设置防渗层。
防渗层的设置方法有很多种，如采用厚度为0.5～1.0mm的高密度聚乙烯树脂，或者油毛毡密封垫、黏土、混合麻织物等。
6.2堵塞问题和解决方案
水平潜流人工湿地堵塞后会形成表面流，从而使水力停留时间缩短。
主要原因是，堵塞后一部分污水不能进入填料层，直接经表面流出。
堵塞造成系统水流不畅，极易造成下行流池表面严重滞水。
积水层的存在，阻碍了空气中氧气进入基质层，造成系统好氧微生物活性降低，系统对有机物的去除率下降。
解决办法如下：
6.2.1水解酸化预处理
造成堵塞的原因是多方面的，当湿地被用于处理含有较多不易分解的SS时，容易堵塞。
部分地采用厌氧水解酸化作为预处理单元，实践证明效果显著。
一方面可去除和截留悬浮固体，另一方面可达到降解有机污染物，提高污水可生化性，减轻处理负荷的效果。
6.2.2间隙运行
长时间连续进水会使系统的基质一直处于还原状态，从而造成胞外聚合物的积累，导致逐渐堵塞。
人工湿地间歇运行和适当的干化期，对于避免系统堵塞也是必要的。
一般来说，间歇时间越长，基质处理能力恢复得越好，其渗透率也越大。
6.2.3曝气运行
实验证明低DO值污水的长时间渗透，会使好氧微生物的分解活动受到影响。
对污水进行曝气，可以提高湿地基质中的DO值，使微生物的分解作用得以更好的发挥，同时也可以防止土壤中胞外聚合物的蓄积。
6.3植物系统管理
在湿地系统中，植物管理对处理系统的成功运行是很重要的。
植物系统建立后由污水连续提供养分和水，保证植物多年的生长和繁殖。
植物在高浓度毒性物质的作用下易受损害。
如果在较长时间内土壤中需氧量超过植物的输氧量，植物会枯萎，如果植物发生死亡，必须及时补种恢复处理能力。
有些湿地系统要求定期收割，对于SFS系统中没有必要，因为植物释放的营养物质在系统中所占比例很小，而且在SFS系统中，地表上的枯枝烂叶不影响流动，还可以提供一定程度的隔热层，为系统冬季运行提供条件。
具体的处理措施可以根据实际情况而定。
7施工图纸
升级会员 