南沙人工濕地設(shè)計(jì)方案.doc

華南環(huán)境科學(xué)研究所南沙工作站人工濕地設(shè)計(jì)方案人工濕地系統(tǒng)工程設(shè) 計(jì) 方 案伍 文 豪華南環(huán)境科學(xué)研究所南沙工作站 二O一二年十一月(設(shè)計(jì)規(guī)模：2m3 /d)目 錄1 綜述 3 1.1 項(xiàng)目名稱 3 1.2 工程概述 3 1.3 人工濕地凈化機(jī)理 32 設(shè)計(jì)的基本理論及參數(shù)選擇 4 2.1 設(shè)計(jì)選型 4 2.2 設(shè)計(jì)基本理論 4 2.3 設(shè)計(jì)參數(shù) 53 其他設(shè)計(jì)要素的確定 8 3.1 地址選擇 8 3.2 進(jìn)出水布置系統(tǒng) 8 3.3 植物選擇 9 3.4 填料選擇 10 3.5 預(yù)處理 124 工程費(fèi)用 135 污染物去除效果 14 5.1 對(duì)TSS去除效果 14 5.2 對(duì)COD去除效果 14 5.3 對(duì)BOD去除效果 14 5.4 對(duì)重金屬去除效果 156 人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)管理 16 6.1 防滲和堤防工程 16 6.2 堵塞問(wèn)題和解決方案 16 6.3 植物系統(tǒng)管理 177 施工圖紙 18 1 綜述1.1 項(xiàng)目名稱 華南環(huán)境科學(xué)研究所人工濕地系統(tǒng)工程1.2 工程概述 本項(xiàng)目人工濕地系統(tǒng)主要用來(lái)處理實(shí)驗(yàn)室排放的廢水和水力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的出水，此外還起到生態(tài)景觀和美化環(huán)境的作用。采用世界上最流行的濕地污水處理系統(tǒng)：水平潛流人工濕地。它是在挖掘的防滲池中填滿多孔介質(zhì)，這些介質(zhì)通常是砂子或礫石，水位被保持在稍微低于介質(zhì)的頂層，多孔介質(zhì)作為挺水植物根系的支持基質(zhì)。水平潛流人工濕地具有占地少，處理效果較好，負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)，工程基建和運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，對(duì)BOD，COD，SS，重金屬等污染指標(biāo)的去除效果好。 人工濕地系統(tǒng)剖面圖1.3 人工濕地凈化機(jī)理對(duì)SS：濕地系統(tǒng)成熟后，填料表面和植物根系將由于大量微生物生長(zhǎng)而形成生物膜，廢水流經(jīng)生物膜時(shí)，大量的SS被填料和植物根系阻擋截留。對(duì)有機(jī)物：有機(jī)物通過(guò)植物根際微生態(tài)環(huán)境吸附，經(jīng)同化及異化作用被除去。對(duì)N、P：植物根系對(duì)氧的傳遞釋放，使周圍環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧狀態(tài)，保證廢水中的氮磷不僅能夠通過(guò)植物和微生物作為營(yíng)養(yǎng)吸收，而且還可以通過(guò)硝化、反硝化將其去除。對(duì)重金屬：金屬離子可以與土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生螯合作用形成沉淀，微生物對(duì)重金屬也有吸收、吸附、解毒和轉(zhuǎn)化作用，另外還有超累植物的儲(chǔ)存和揮發(fā)作用。2 設(shè)計(jì)的基本理論及參數(shù)選擇2.1 設(shè)計(jì)選型為了保證出水能夠達(dá)到匯入市政管網(wǎng)的指標(biāo)，方案采取二級(jí)串聯(lián)式，工藝組合可以有回流式進(jìn)水和階梯式進(jìn)水。 回流式可稀釋進(jìn)水的有機(jī)物和懸浮物濃度，增加水中的溶解氧，并減少處理出水中可能出現(xiàn)的臭味問(wèn)題，出水回流還可以促進(jìn)床內(nèi)的硝化和反硝化脫氮作用。階梯式進(jìn)水可避免處理床的堵塞，使植物長(zhǎng)勢(shì)均勻。2.2 設(shè)計(jì)基本理論2.2.1 濕地面積潛流型人工濕地的流態(tài)滿足一級(jí)推流動(dòng)力學(xué)，可用以下方程： 式中：Ce出流BOD5（mg/L)； C0入流BOD5（mg/L)； KT與溫度有關(guān)的一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)（d-1)；T取20，K20=1.014 T水力停留時(shí)間（d) Q系統(tǒng)平均流量（m3/d）； d潛流深度(m)； n床層孔隙率； As系統(tǒng)表面積（m2)代入數(shù)據(jù)得： 2.2.2 水力坡度根據(jù)國(guó)家環(huán)保部人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范，本方案坡度為1%。2.2.3 長(zhǎng)寬比根據(jù)國(guó)家環(huán)保部人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范，潛流人工濕地長(zhǎng)寬比控制在3:1以下，本方案選寬為2.2m，長(zhǎng)為5.6m，長(zhǎng)寬比2.55，平均分為兩級(jí)系統(tǒng)。2.2.4 水力停留時(shí)間 代入數(shù)據(jù)得，一級(jí)人工濕地t1為0.539； 二級(jí)人工濕地t2為0.323。2.2.5 水力負(fù)荷 式中HLR水力負(fù)荷（m2/d）；代入數(shù)據(jù)得， 2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)2.3.1 BOD負(fù)荷人工濕地中控制BOD5負(fù)荷有兩個(gè)理由：首先為反硝化提供碳源，碳源不足將導(dǎo)致脫氮效率下降；其次用于防止因有機(jī)物負(fù)荷過(guò)高而使?jié)竦刂械闹参镆子谒劳?。同時(shí)，有機(jī)負(fù)荷的控制對(duì)維持系統(tǒng)好氧狀態(tài)以及防蚊蟲非常重要。濕地中通?？捎枚帱c(diǎn)進(jìn)水及回流等措施控制有機(jī)負(fù)荷，BOD最大負(fù)荷率為75kghm-2d-1 可用氧傳遞能力建立SFS系統(tǒng)有機(jī)物負(fù)荷的數(shù)學(xué)模式，計(jì)算步驟為：首先計(jì)算需氧量，然后計(jì)算濕地設(shè)計(jì)面積的可利用氧量。 式中，Tro2 為植物的氧傳遞速率，通常取20g/(m2d),此時(shí)BOD5 為133kgBOD5/(had)。2.3.2 幾何尺寸人工濕地的長(zhǎng)寬比應(yīng)控制在3:1以下。長(zhǎng)寬比不滿足條件時(shí)，可用分置單元的措施處理。床深一般必須根據(jù)水位確定，以保證濕地中植物的生長(zhǎng)及必要的好氧條件。床橫截面積與溫度、有機(jī)負(fù)荷無(wú)關(guān)，只受填料的水力學(xué)特性影響。借鑒經(jīng)驗(yàn)有橫截面的平均流速Q(mào)/A以不超過(guò)8.6m/d為宜。床底坡度一般取1%8%。經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)有效尺寸：一級(jí)28022075cm3，填料深度50cm，坡度1%二級(jí)28022050cm3，填料深度30cm，坡度1%2.3.3 水力因素 水力負(fù)荷濕地的水力負(fù)荷與建造地點(diǎn)的水文因素以及處理水的有機(jī)負(fù)荷密切相關(guān)。水文因素包括當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼寥罈l件和植物種類。水力負(fù)荷一般為150500m3/ha.d。有試驗(yàn)顯示，當(dāng)水力負(fù)荷為200m3/had時(shí)，濕地處理效果最佳。水位SFS系統(tǒng)對(duì)水位控制要求較高，須注意以下幾點(diǎn)：在系統(tǒng)接納最大設(shè)計(jì)流量時(shí)，濕地進(jìn)水端不出現(xiàn)雍水，防止發(fā)生表面流；在系統(tǒng)接納最小設(shè)計(jì)流量時(shí)，出水端不出現(xiàn)填料床面的淹沒(méi)；為了利于植物的生長(zhǎng)，床中水面浸沒(méi)植物根系的深度盡量均勻。水力停留時(shí)間（濕地容積/填料孔隙率）水力停留時(shí)間受濕地長(zhǎng)度、寬度、植物、基底材料孔隙率、水深、床體坡度等因素的影響。停留時(shí)間太短會(huì)使污染物降解不夠充分，同時(shí)流速大破壞植物生長(zhǎng)；停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成水流停滯和大面積厭氧區(qū)，影像處理效果和出水。考慮到人工濕地作為廢水處理工程的后續(xù)處理，假設(shè)前一階段的出水為2m3/d，加上植物的蒸發(fā)、蒸騰作用，池體應(yīng)預(yù)留一定的幾何體積。2.3.4 出水水質(zhì)要求人工濕地的前階段處理為污水處理工程，出水符合第二時(shí)段三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。具體指標(biāo)見(jiàn)表2-1序號(hào)污染名稱單位排放濃度備注1pH692色度倍403SSmg/L4004CODmg/L5005BOD5mg/L3006氰化物mg/L1.07六價(jià)鉻mg/L0.58總汞mg/L0.059總銅mg/L2.010LAS表面活性劑mg/L20本項(xiàng)目處理后直接排入城市市政管網(wǎng)，完全執(zhí)行CJ343-2010 污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。具體指標(biāo)見(jiàn)表2-2序號(hào)污染名稱單位排放濃度備注1pH692色度倍803SSmg/L1504CODmg/L1505BOD5mg/L1006氰化物mg/L0.57六價(jià)鉻mg/L0.58總汞mg/L0.059總銅mg/L2.010LAS表面活性劑mg/L1011氨氮mg/L2512磷酸鹽mg/L1.03 其他設(shè)計(jì)要素的確定 3.1 地址選擇與傳統(tǒng)二級(jí)生物處理工藝相比，單位體積污水處理量所需人工濕地面積約為前者的23倍。采用人工濕地處理污水時(shí)，應(yīng)盡量選擇有一定自然坡度的洼地或經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高的荒地，一方面可減少土方工程量，利于排水，降低投資，另一方面可減少對(duì)周圍環(huán)境的污染。人工濕地工程用地的估算公式為 式中：A人工濕地面積（m2) K系數(shù)，取6.5710-3d/m Q設(shè)計(jì)流量（m3/d）以上估算方法僅使用于選址中的用地面積，而不可以作為工程設(shè)計(jì)中的土地面積。3.2 進(jìn)出水系統(tǒng)布置 濕地床進(jìn)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保證配水的均勻性，一般采用多空管或者三角堰等。多孔管可設(shè)于床面上方或者埋于床面以下，埋于床面下的缺點(diǎn)是配水調(diào)節(jié)較為困難。多孔管設(shè)于床面上方時(shí)，應(yīng)比床面高出，以防淤泥和雜草積累而影響配水。系統(tǒng)的進(jìn)水流量可通過(guò)閥或閘板調(diào)節(jié)，過(guò)多流量時(shí)應(yīng)有溢流、分流措施。 濕地出水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可采用溝排、管排、并排等方式，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮水體的特點(diǎn)、濕地系統(tǒng)的布置及場(chǎng)地原有條件。為了有效控制水位，在填料層的底部設(shè)穿孔集水管，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)彎頭和控制閥門。進(jìn)水管分布區(qū)穿孔管分布區(qū)進(jìn)水管 進(jìn)水管布置形式立面圖 出水管布置形式圖3.3 植物選擇人工濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能增加生物多樣性，以提高濕地的處理能力延長(zhǎng)壽命。植物可以直接吸收、利用污水中可以利用態(tài)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，吸附和富集重金屬及一些有毒有害物質(zhì)；根系能為細(xì)菌提供生存環(huán)境和輸送氧氣；根系生長(zhǎng)能增強(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳導(dǎo)；此外植物還可以作為人工濕地所受污染程度的指示物，具有美觀欣賞性，改善景觀生態(tài)環(huán)境。選擇植物物種時(shí)，可根據(jù)耐污性、生長(zhǎng)適應(yīng)性、根系發(fā)達(dá)程度及經(jīng)濟(jì)價(jià)值和美觀要求確定。對(duì)于潛流型人工濕地，種植具有濃密和較長(zhǎng)根系的植物較為理想。（1） 深根叢生型的植物，其根系的分布深度一般在30cm以上，分布較深而分布面積不廣。植株的地上部分叢生，如皇竹草、蘆竹、旱傘竹、野茭草、薏米、紙莎草等。由于這類植物的根系入土深度較大，根系接觸面廣，配置栽種于潛流式人工濕地中更能顯示出它們的處理凈化性能。（2）深根散生型植物根系一般分布于2030cm之間，植株分散，這類植物有香蒲、菖蒲、水蔥、藨草、水莎草、野山姜等，這類植物的根系入土深度也較深，因此適宜配置栽種于潛流式人工濕地。（3）淺根散生型的一些植物如美人蕉、蘆葦、荸薺、慈姑、蓮藕等，其根系分布一般都在520cm之間。由于這些植物的根系分布淺，而且一般原生于土壤環(huán)境，因此適宜配置于表流式人工濕地中。但是本項(xiàng)目中填料深度達(dá)到50cm，因此可以考慮選擇性選用。3.4 填料選擇在構(gòu)建人工濕地時(shí)，選擇適宜的填料是十分重要的。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)選用比表面積大、孔隙率高并有一定機(jī)械強(qiáng)度的材料，這樣有利于微生物的生長(zhǎng)和生物附著，保持較多的生物量，而且有利于生物代謝過(guò)程中氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)過(guò)程 另外，填料的粒徑選擇也十分重要，粒徑小的填料容易堵塞，粒徑大的填料往往又達(dá)不到預(yù)期的處理效果。一般來(lái)說(shuō)，采用的填料粒徑規(guī)格在5 60 mm的范圍內(nèi)。填料在人工濕地中的作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 為微生物的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的附著表面；為水生植物提供載體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過(guò)一些物理和化學(xué)途徑凈化污水；為人工濕地中的磷和部分金屬離子的除去提供條件。人工濕地填料的選擇需要遵循以下幾條原則：第一是填料中鐵、鎂、鈣、鋁等活性物質(zhì)的含量要高；第二是填料表面粗糙，內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)，比表面積大；第三是因地制宜，就近取材，選取來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉的材料作基質(zhì)，以降低人工濕地的成本；第四是堅(jiān)持以廢治廢，合理利用資源的原則，對(duì)吸附能力強(qiáng)，環(huán)境危害小的工業(yè)副產(chǎn)物加以利用。目前用于污水處理的人工濕地填料包括碎石、頁(yè)巖、煤灰、礦渣、陶粒、石灰石、沸石等。水平潛流人工濕地填料用3種填料：頁(yè)巖陶粒，石灰石，沸石。頁(yè)巖陶粒不僅具有優(yōu)異的性能，比表面積大，吸附懸浮能力強(qiáng)，密度低，孔隙率高；并且耐磨，耐沖刷，微孔多，截污能力強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定。白灰石主要礦物成分為方解石，表面平滑，呈小顆粒狀。沸石可以借水的滲濾作用，進(jìn)行陽(yáng)離子的交換，其成分中的鈉、鈣離子可與水溶液中的鋰、鎂等離子交換。沸石中的水分可以跑出來(lái)，但這并不會(huì)破壞沸石內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)。因此它可以再重新吸收水或其他液體，還可以吸附某些污染物。下面的粒徑大，孔隙率就高，有利于水的通過(guò)，防治漫流現(xiàn)象的出現(xiàn)，上面的粒徑小，很大部分原因是由于上面要種植植物，植物的根系要固定生長(zhǎng)的話就要粒徑小的填料，粒徑大了植物就不容易存活。表3-1 填料的物理性質(zhì)填料名稱表面密度（kgm_3）聯(lián)通空隙率%比表面積（m2g_1）外形特征頁(yè)巖陶粒14706547粒徑1020石灰石270012粒徑2030沸石21005080孔徑0.31nm表3-2 填料對(duì)COD、TP、TN、NH3-N的去除率填料名稱CODTPTNNH3-N頁(yè)巖陶粒74.636.340.669.0石灰石71.325.328.431.1沸石66.142.765.473.4本項(xiàng)目中主要考慮去除污水中COD，對(duì)于脫氮除磷的要求不高，故從節(jié)約成本和處理效果的綜合考慮，選用粒徑較小的石灰石作為主要基質(zhì)。 布設(shè)如下：表層可以選用粗沙鋪10cm，表層之下以2030cm石灰質(zhì)碎石，再往下是不同級(jí)配的卵石、花崗巖碎石鋪設(shè)。 填料層分布圖 3.5 預(yù)處理水平潛流人工濕地的預(yù)處理系統(tǒng)一般包括：污水集水池、化糞池、提升設(shè)備、格柵、沉淀池、沉砂池、酸堿調(diào)節(jié)池和曝氣池等。一般應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水源污染程度和固體懸浮物的含量來(lái)選擇預(yù)處理設(shè)施?？紤]到該人工濕地系統(tǒng)是廢水處理工程的后續(xù)處理，之前已經(jīng)經(jīng)過(guò)了氧化還原反應(yīng)、調(diào)節(jié)了廢水的pH值、經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，所以僅需要提升設(shè)備。一般采用水泵，泵是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力設(shè)備，能達(dá)到提升或壓送液體的目的。在選擇水泵時(shí)，首先應(yīng)采用葉輪少、通道大的無(wú)堵塞泵，保證污水正常排放，目前通常有潛水泵和立式污水泵，采用潛水泵可節(jié)省地下空間的使用面積，其安裝和維護(hù)均方便。4 工程費(fèi)用工程費(fèi)用明細(xì)見(jiàn)表4-15 污染物去除效果5.1 對(duì)TSS去除效果在水平潛流濕地中相對(duì)低速的水流和大的接觸面積使得系統(tǒng)中的TSS去除率相對(duì)較高。大量植物根系和飽和狀態(tài)的基質(zhì)，使固體懸浮物被根系以及填料阻擋截留。水平潛流濕地系統(tǒng)像一個(gè)水平重力過(guò)濾器，因此使TSS通過(guò)在填料和根區(qū)面的生物膜上的重力沉淀、滲透、吸附作用而被分離。一般的，對(duì)于礫石介質(zhì)潛流濕地輸入、輸出懸浮固體濃度關(guān)系有： 潛流濕地中，懸浮固體是較易去除的，一般出水值低于10mg/L，滿足排放要求。5.2 對(duì)COD去除效果水平潛流人工濕地對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的處理能力。不溶性有機(jī)物通過(guò)濕地的沉淀、過(guò)濾，可以很快地截留下來(lái)被微小生物加以利用；可溶性有機(jī)物則通過(guò)生物膜的吸附及微生物的代謝去除。季節(jié)變化對(duì)潛流濕地對(duì)去除COD有一定的影響，夏季有機(jī)物的去除率較高，冬季明顯降低。由于原進(jìn)水的COD濃度不高，并且人工濕地每天處理的水量少，水力停留時(shí)間長(zhǎng)，出水基本上可以達(dá)到150mg/L要求。5.3 對(duì)BOD去除效果BOD的去除主要包括好氧呼吸和厭氧消減。進(jìn)水和植物分解提供碳源，考慮到廢水中BOD的有效去除，濕地中的碳循環(huán)有部分量的損失。濕地中BOD出去很迅速，典型的出水BOD濃度約為10g/L,去除率可以達(dá)到90%，略高于COD。系統(tǒng)水力負(fù)荷對(duì)COD和BOD的去除也有一定的影響，隨著負(fù)荷的增加兩者的去除率都有不同程度的降低。5.4 對(duì)重金屬去除效果土壤中的重金屬可以分為五種形態(tài)，即交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)。不同形態(tài)具有不同的生物活性和毒性。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤基質(zhì)、植物、微生物等因子互相作用、相互影響，其內(nèi)在機(jī)制高度復(fù)雜，這里不作詳述。對(duì)于低濃度進(jìn)水，重金屬經(jīng)過(guò)人工濕地的處理后去除率可以達(dá)到很高水平。美國(guó)學(xué)者 Gersberg 等人向加利福尼亞州的一處人工濕的地進(jìn)水人工添加高濃度重金屬 Cu、Cd 和 Zn，并對(duì)其處理的效果進(jìn)行為期一年的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，Cu、Cd 和 Zn在人工濕地中具有顯著的去除效果，去除率分別為 99、99、97。A.S.Mungur 等人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn)，利用人工濕地處理暴雨徑流，初步評(píng)估了重金屬的去除效果。研究結(jié)果表明，進(jìn)水中 Cu、Pb、Zn 濃度低于 20 mg/L 時(shí)，對(duì)重金屬的去除率可達(dá)到 99%。對(duì)于實(shí)際的重金屬去除率有待項(xiàng)目運(yùn)行后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。6 人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)管理6.1 防滲和堤防工程建造一個(gè)人工濕地，必須解決一些基本的工程問(wèn)題：（1） 地基的準(zhǔn)備，地基的準(zhǔn)備是建造過(guò)程的一個(gè)重要部分，因?yàn)榈鼗粔簩?shí)，如果地基中含有尖銳的石塊或者粒徑大的石塊必須被清除，或者在地基上鋪上沙子防止破壞防滲層。挖掘地基時(shí)還要考慮土壤的承受壓力問(wèn)題。（2） 圍堰，圍堰是濕地建設(shè)中一個(gè)普通要素。上坡圍堰被用來(lái)轉(zhuǎn)移表面徑流，下坡圍堰設(shè)計(jì)用來(lái)保持礫石床和維持濕地水位。（3） 襯墊，為防止?jié)竦叵到y(tǒng)因滲漏而造成地下水污染，要求在工程實(shí)施中盡量保持原土層，并在其基礎(chǔ)上設(shè)置防滲層。防滲層的設(shè)置方法有很多種，如采用厚度為0.51.0mm的高密度聚乙烯樹脂，或者油毛氈密封墊、黏土、混合麻織物等。6.2 堵塞問(wèn)題和解決方案水平潛流人工濕地堵塞后會(huì)形成表面流，從而使水力