人工湿地项目设计思路及创新内容.docx
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人工湿地项目设计思路及创新内容.docx
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人工湿地项目设计思路及创新内容
一、人工湿地工程总体概况:
根据XX河流域7个子流域划分范围以及各流域污染源分布特征及项目总体技术路线,长江上游XX河流域生态补偿建设示范先行项目湿地治理示范工程共涉及XX河2个子流域,根据前期规划及项目建议书建议,共拟建6块人工湿地,可利用面积858.01亩,(基本农田586.13亩,非基本农田271.88亩)各湿地基本情况见下表:
项目区人工湿地基本情况表
序号
流域
湿地名称
可利用面积(亩)
处理规模(m³/d)
布置形式
表面水力负荷m³/(m²·d)
备注
1
龙树河
大海子湿地
189.03
种植净水经济作物
均为基本农田
2
中河坝湿地
113.76
3783.49
塘-人工湿地-生态沟渠复合处理系统
0.23
3
龙翔湿地
115.02
种植净水经济作物
均为基本农田
4
龙树湿地
50.81
种植净水经济作物
均为基本农田
5
小河边湿地
86.92
1578.2
塘-人工湿地-生态沟渠复合处理系统
0.2
其中61.63亩为基本农田
6
新河
新河湿地
14.93
979.91
塘-人工湿地-生态沟渠复合处理系统
0.2
二、人工湿地的主要内容:
(1)对于非基本农田地块:
采取塘~人工湿地~生态沟渠复合处理系统,该系统由沉淀池、深度处理塘(增加表面曝气器供氧)、水平潜流湿地、表流湿地等组成,通过不同湿地的最佳组合形式,提高TN、TP的去除率,同时根据人工湿地的类型,植物对气候变化的适应性选取多种植物,合理搭配,既改善水质又具有景观效益。
(水质改善与景观效益相结合)
(2)对于基本农田地块:
按照《基本农田保护条例》等相关政策法规要求,本次设计仅做土地平整以及重新划分地块,种植既有经济价值又富有水质净化功能的植物,如蒲菜,水芹等。
(水质改善与经济效益相结合)
三、水质目标
1、水质目标
(1)中河坝人工湿地水质目标
新建中河坝人工湿地主要进水为龙树镇污水处理厂尾水,以及少部分的农业面源污水,龙树镇污水处理厂主要是对水磨镇、龙树镇及新街镇污水进行集中处理,设计出水水质为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。
设计出水水质主要由以下因素确定:
A.湿地出水主要用于河道生态用水,本着水质安全角度考虑,避免发生人误用、乱用造成的后果,尽量提高出水水质标准。
B.根据云南省环境科学研究院对高原湖泊区域人工湿地处理特性的研究,并结合国内外人工湿地相关经验,综合考虑项目区实际情况,提出出水水质标准。
中河坝人工湿地进水水质按《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准水质设计,主要出水水质指标按《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ2005-2010)、《高原湖泊区域人工湿地技术规范》(DB53/T306-2010)参照确定。
进出水水质设计指标表(mg/L)
指标
SS
CODcr
BOD5
NH3-N
TP
TN
进水水质
<10
<50
<10
<5
<0.5
<15
出水水质
<10
<20
<4
2.5
0.15
<4.5
总去除效率(%)
>60%
>60%
50%
70%
70%
GB3838-2002Ⅲ类标准
—
20
4
1
0.2
1.0
(2)其他人工湿地水质目标
处理出水水质目标主要根据处理水体现状水质情况、处理后接纳水体的功能要求及湿地可能达到的去除率综合确定。
根据水质监测结果分析,入库河流龙树河、新河等属微污染水体,主要超标因子为TN,但因为浓度很低,湿地对TN的去除能力较弱,去除困难。
据分析TN主要污染源来自农田径流,主要通过过滤、吸附使部分不可溶的N沉淀下来,若强行达标,工程的可操作性太差。
因此结合实际情况,本流域出水水质以污染削减为主要目的,并参考地表水质标准进行对比分析。
设计进出水水质(单位mg/L)
指标
SS
COD
BOD5
NH3-N
TN
TP
进水:
旱季
60
7
1.9
0.5
1.8
0.06
去除率
50%
60%
60%
50%
50%
60%
出水:
旱季
30
2.8
0.76
0.25
0.9
0.024
进水:
雨季
80
5
1.1
0.12
0.7
0.03
去除率(%)
45%
55%
45%
40%
45%
55%
出水水质
44
2.25
0.61
0.07
0.39
0.01
III类水标准值
—
≤20
≤4
≤1.0
≤1.0
≤0.2(湖库0.05)
2、生态恢复目标
本项目位于XX河流域,项目的建设在满足水处理目标的同时,要兼顾项目区生态系统的修复,建立良性生态结构,特提出如下生态恢复目标:
(1)形成湿地区稳定的水生生态群落;
(2)形成景观怡人的生态效果。
(3)生物多样性指标:
挺水植物不少于5种,浮叶植物不少于1种,灌木不少于1种,乔木不少于1种。
四、工程设计
1、污染源分析
对现状农业径流污染、固体废物污染、生活垃圾污染、生活污水污染、人畜粪便等污染进行分析,各污染物入河排污量及贡献率如下表:
人工湿地流域内不同污染物入河排污量及贡献率表单位t/a
湿地名称
污染物类型
农业径流污染
固体废物污染
生活垃圾污染负荷
生活污水排放量
人畜粪便
合计
不同污染物贡献率(%)
农业径流污染
固体废物污染
生活垃圾污染负荷
生活污水排放量
人畜粪便
小河边湿地
COD
65.75
49.31
16.85
1.64
71.93
205.48
32.00
24.00
8.20
0.80
35.01
TN
12.62
7.40
0.84
0.17
10.74
31.77
39.73
23.28
2.64
0.54
33.81
TP
12.62
0.39
0.34
0.02
4.23
17.60
71.69
2.24
1.93
0.11
24.03
NH3-N
3.95
0.12
0.51
0.14
2.72
7.44
53.07
1.66
6.85
1.88
36.54
龙翔湿地
COD
22.65
16.99
13.8
1.35
74.34
129.13
17.54
13.16
10.69
1.05
57.57
TN
4.35
2.55
0.69
0.14
11.56
19.29
22.55
13.21
3.58
0.73
59.93
TP
4.35
0.14
0.28
0.02
4.8
9.59
45.38
1.42
2.92
0.21
50.07
NH3-N
1.36
0.04
0.41
0.11
3.12
5.04
26.97
0.84
8.13
2.18
61.87
龙树湿地
COD
18.15
13.61
15.07
1.47
82.65
130.95
13.86
10.39
11.51
1.12
63.11
TN
3.48
2.04
0.75
0.15
12.78
19.20
18.12
10.63
3.91
0.78
66.56
TP
3.48
0.11
0.3
0.02
5.23
9.14
38.08
1.19
3.28
0.22
57.23
NH3-N
1.09
0.03
0.45
0.12
3.58
5.27
20.67
0.65
8.53
2.28
67.88
中河坝湿地
COD
34.19
25.64
31.52
3.07
117.96
212.38
16.10
12.07
14.84
1.45
55.54
TN
6.56
3.85
1.58
0.31
17.27
29.57
22.19
13.01
5.34
1.05
58.41
TP
6.56
0.21
0.63
0.05
6.38
13.83
47.45
1.48
4.56
0.36
46.15
NH3-N
2.05
0.06
0.95
0.26
4.22
7.54
27.17
0.85
12.59
3.45
55.94
大海子湿地
COD
54.47
40.85
38.26
3.73
142.86
280.17
19.44
14.58
13.66
1.33
50.99
TN
10.46
6.13
1.91
0.37
20.85
39.72
26.34
15.43
4.81
0.93
52.50
TP
10.46
0.33
0.77
0.06
7.71
19.33
54.12
1.69
3.98
0.31
39.89
NH3-N
3.27
0.10
1.15
0.31
5.12
9.95
32.86
1.03
11.56
3.11
51.45
新河湿地
COD
18.15
13.61
18.9
1.84
129.24
181.74
9.99
7.49
10.40
1.01
71.11
TN
3.48
2.04
0.94
0.18
20.43
27.07
12.85
7.54
3.47
0.66
75.47
TP
3.48
0.11
0.38
0.03
8.74
12.74
27.32
0.85
2.98
0.24
68.61
NH3-N
1.09
0.03
0.57
0.15
5.99
7.83
13.91
0.43
7.28
1.91
76.46
各湿地不同污染源对污染负荷的贡献量不同,从上表可知,径流区内农业径流污染和人畜粪便是主要的污染来源,因此通过现场调查及对现有主要污染源分析和核算,各流域的污染来源以面源为主,污染源随地表径流入河入库,因此本次湿地建设主要考虑处理径流区面源污染。
2、湿地设计及净化原理
(1)吸收利用、吸附和富集作用
(2)氧的传输作用
(3)维持系统的稳定
(4)BOD的去除
(5)SS的去除
(6)TP的去除
(7)TN的去除
人工湿地净化机理
机理
SS
BOD
COD
DOC
TN
TP
金属离子
病原菌微生物
物理沉降
▲
◎
◎
○
◎
◎
◎
◎
填料过滤
▲
●
○
○
○
▲
○
▲
介质吸收
●
○
○
○
○
▲
○
○
共沉淀
○
○
○
○
○
▲
▲
○
化学吸附
○
○
●
○
○
◎
▲
○
化学分解
○
◎
▲
▲
○
○
○
▲
微生物代谢
▲
▲
▲
▲
▲
▲
○
○
植物代谢
○
○
●
○
◎
◎
○
●
植物吸收
○
○
●
○
●
●
●
○
自然死亡
○
○
○
○
○
○
○
▲
自然挥发
○
○
○
▲
◎
○
○
○
注:
▲最主要作用;●主要作用;◎次要作用;○作用很小或无作用
3、人工湿地工艺方案比选
(1)表面流人工湿地
表面流湿地也称自由水面湿地,在该湿地系统中,污水再湿地表面流动,水位较浅,多在0.1~0.6m,之间。
这种系统与自然湿地最为接近,污水中绝大部分有机物的去除依靠植物生长在水下部分茎、秆的吸收及其表面生长的生物膜的吸附以及沉降作用来完成。
因而这种系统难以充分利用生长在填料表面的生物膜和生长丰富的植物根系对污染物的降解作用,其处理能力较低。
(2)水平潜流式人工湿地
水平潜流人工湿地也称渗滤湿地系统,是目前应用比较广泛的湿地处理系统,主要形式采用各种填料的植物床系统,在水平潜流人工湿地系统中,污水再是湿地床的内部流动,因而不仅可以充分利用填料表面的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等的作用,获得更高的处理效能,同时由于水流在地表以下流动,故具有较好的保温效果和卫生条件的特点。
湿地中根据处理污染物的不同而填有不同介质,种植不同种类的净化植物。
水通过基质、植物和微生物的物理、化学和生物的途径共同完成系统的净化,对BOD、COD、TSS、TP、TN、藻类、石油类等有显著的去除效率。
主要包括内部构造系统、活性酶体介质系统、植物的培植与搭配系统、布水与集水系统、防堵塞技术、冬季运行技术。
(3)垂直潜流式人工湿地
在垂直潜流系统中,污水由表面纵向流至床底,在纵向流的过程中污水依次经过不同的介质层,达到净化的目的。
垂直流潜流式湿地具有完整的布水系统和集水系统,其优点是占地面积较其它形式湿地小,处理效率高,整个系统可以完全建在地下,地上可以建成绿地和配合景观规划使用。
与水平潜流人工湿地相比,垂直流形式的主要作用在于提高了氧在污水及基质的转移效率。
其表层多为渗透性能良好的砂层,污水进入砂石填料床后,淹没整个表面,然后逐步处置渗透至底部,由底部收集管收集。
(4)复合型人工湿地
复合型人工湿地,是单一湿地或其与其他水处理技术相组合形成的复合型人工湿地,主要分为:
塘—潜(可以多级、多类型)人工湿地;塘--潜—表人工湿地;塘—表(可以多级)仿自然人工湿地等。
各种类型人工湿地优缺点
类型
优点
缺点
表面流人工湿地
1、设计程序简单,投资费用少;
1、水力负荷较小,占地面积比较大,污水处理净化效果比较差;
2、操作简便,运行费用低;
2、极易受气候影响,夏季容易孳生蚊蝇,产生难闻气味,冬季寒冷地区因低温易结冰;
3、表面流人工湿地相对而言与天然型湿地比较接近;
3、对于填料及植物丰富的根系不能达到充分利用效果;
水平潜流人工湿地
1、污染负荷与水力负荷较表面流湿地相比较大,具有较好的耐冲击能力;对SS、CODCr、BOD5及污水中的重金属等具有较好的处理效果;
1、投资建造费用相比表面流湿地高一些,后期维护以及运行管理费用较高;
2、由于流经湿地水流是从地表以下流动,从而使潜流人工湿地具有较好的保温性能,能有效解决冬季防冻问题;
3、受气温以及气候的影响很小,几乎不会产生难闻气味以及蚊蝇孳生等问题;
2、人工湿地的控制相对比较复杂,对N、P等有机质的处理效果不如垂直潜流人工湿地;
4、出水水质比较稳定,作用位点多,微生物丰富,温度波动小,水力负荷较大,占地面积小,处理污水效率高;
垂直潜流人工湿地
1、与水平潜流人工湿地相比,垂直潜流人工湿地大大增加了污水与空气的接触面积,提高了污水的净化处理效果
1、对于COD、BOD等有机物的处理能力不如水平潜流湿地,净化能力有待提高;
2、硝化能力强,对氨氮含量比较高的污水处理效果相对较好。
2、湿地操作控制相对复杂,程序繁琐;焦躁要求相对较高,
3、占地面积相比其他形式的湿地较小,单位面积处理污水的效率较高。
3、湿地落干、淹水时间比较长,容易孳生蚊蝇,填料易堵塞。
复合型人工湿地
1、具有较好的耐冲击能力;对SS、CODCr、BOD5及污水中的重金属等具有较好的处理效果
1、前期设计投入较大,建设难度较大;
2、通过湿地的最佳组合形式,能提高污染物的处理效率;
3、能充分利用地形,结构简单,建设费用低;
2、后期维护管理费用较高;
4、景观效果较好,投资较少;
4、人工湿地工艺参数介绍
(一)、表面流人工湿地
(1)对有机物的去除效果
表面流人工湿地系统中,污水中有些有机物吸附在可沉降颗粒上,不溶性有机物通过湿地的沉淀及过滤作用,可以很快被截留而被微生物利用,可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。
COD的去除一般可达到40%以上。
(2)对氮的去除效果
由于表面流湿地水流直接与大气接触,表层土壤的氧源比深层土壤丰富,具有良好的好氧环境,硝化强度高于深层土壤,对NH4-N的去除具有较好的效果,表面流湿地对TN的去除效果较好,一般去除率可达40%以上,且占地面积越大的表面流湿地去除效果会越好。
研究结果表明,表面流人工湿地对氨氮的去除效果和总氮的去除效率为14.1%和19.2%,均远低于垂直流和水平潜流人工湿地;而且表面流人工湿地的出水水质也最不稳定。
(3)对磷的去除效果
基质的吸附是磷去除的主要过程。
在表面流人工湿地中,污染物是随水流从基质表面漫流而过,吸附作用仅发生在基质表层,因此处理效果相对较差。
经研究比较,表面流人工湿地对磷的去除效果最差,仅为26.3%。
(二)、水平潜流人工湿地
(1)对有机物的去除效果
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、过滤很快被截留,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。
随着季节变化和植物选择的不同,对有机物的去除效果会有所不同,一般有机物的去除效果为60%以上。
(2)对氮的去除效果
水平潜流人工湿地的设计结构不能保证系统底部的厌氧环境,为好氧、兼性厌氧和厌氧微生物提供的环境有限,所以其对氮的去除效果不及垂直流人工湿地。
研究表明,水平潜流人工湿地一般TN去除率为24%,NH3-N去除率为30%。
(3)对磷的去除效果
水平潜流人工湿地对磷的去除作用包括吸收、化学沉积、植物和藻类吸收、微生物作用等,其中基质吸附起主要作用。
温度的季节变化对湿地除磷效果影响较大,夏季高温气候有利于磷的去除,冬季低温降低了湿地除磷效率。
有关研究表明,水平潜流人工湿地对TP的平均去除率可达到41%以上,6月份气候适宜,植物生长旺盛,TP去除率达到最大值。
(三)、垂直潜流人工湿地
(1)对有机物的去除效果
垂直流人工湿地对水平潜流人工湿地相似,通过植物、基质和微生物物理、化学和生物作用,对污染物的BOD、COD有较好的去除效果,实验表明,通过选择合理的基质、系统种植植物等,有机物的去除效果可达到70%以上。
(2)对氮的去除效果
TN的去除效果与NH4-N的去除效果成正相关,而氨氮的去除又与人工湿地的复氧能力有直接关系。
因此,对于氮元素的去除,复氧能力强的垂直流人工湿地是最佳选择。
但是,由于垂直流人工湿地缺乏厌氧环境条件,反硝化作用不完全,以致其对TN的去除率较低。
在相同条件下,有关学者对3种人工湿地处理效果进行比较研究。
结果表明,垂直流人工湿地对NH4-N和TN的去除率最高,分别为332.%和52.3%,表面流人工湿地最差。
从出水水质来看,垂直流人工湿地出水的水质也是最稳定的。
(3)对磷的去除效果
基质的吸附是磷去除的主要过程,其次是植物和微生物的作用。
因此,基质的选择对于TP的去除效率的高低起到关键性作用。
表面流人工湿地中污染物是随水流从基质表面漫流而过,吸附作用仅发生在基质表层,因此与垂直流人工湿地和潜流人工湿地相比,处理效果比较好。
有研究表明,垂直流人工湿地对TP的去除效率为58.8%,而表面流人工湿地仅为26.3%。
(四)、复合型人工湿地
根据需要,人工湿地可以建设成单系统、串联系统、并联系统以及复合人工湿地与氧化塘以及推流床等的组合形式。
复合型人工湿地脱氮效果较好,通过合理的组合,可以使人工湿地对有机物的去除、对TN、TP的去除效果得到明显的提高。
湿地建设工程方案比选
类型
表面流人工湿地
水平潜流人工湿地
垂直潜流人工湿地
复合型人工湿地
水体流动
表面漫流
基质下水平流动
表面向基质底部纵向流动
表面漫流+基质内上下行流动
水力负荷
<0.1(m3/m2•d)
<0.5(m3/m2•d)
<1.0(m3/m2•d)
<3.0(m3/m2•d)
去污效果
BOD
植物根系吸附代谢降解,15~50(kg/hm2•d)
沉淀、过滤、截留,80~120(kg/hm2•d)
沉淀、过滤、截留,80~120(kg/hm2•d)
污水根据水力复核按比例分配,溶解氧能力好,硝化能力好,去污能力最佳
COD
去除率50%~60%
去除率50%~60%
去除率50%~80%
TN
表面接触大气,
去除率20%~40%
氧环境有限,
去除率40%~70%
复氧能力强,
去除率60%~85%
TP
基质表层吸附,
去除率30%~50%
吸收、化学沉淀、微生物作用,去除率60%~75%
基质吸附能力强,
去除率60%~85%
系统控制
简单,受季节影响大
相对复杂
相对复杂
相对复杂
环境状况
夏季有恶臭、孳生蚊蝇现象
良好
夏季有恶臭、孳生蚊蝇现象
合理的组合方式,可改善水环境状况,较好
适用范围
微污染水体
中低浓度污染废水
中低浓度污染废水
中低浓度污染废水
目标可达性
能实现水处理目标
能实现生态恢复目标,部分实现实现水处理目标
能实现生态恢复目标,部分实现实现水处理目标
能实现生态恢复目标,部分实现实现水处理目标
生物多样性
一般
一般
一般
丰富
工程见效快慢
见效慢
见效快
见效一般
见效快
投资
一般
约表面流湿地的1.2倍
约表面流湿地的1.5倍
约表面流湿地的1.5倍
运行费用
约总投资额1%
约总投资额3%
约总投资额5%
约总投资额3%~5%
从上表可看出,复合人工湿地投资及运行费用较高,系统控制相对复杂,但去污能力最好,工程见效快,能实现生态恢复目标和水处理目标,并对提高生物多样性起到积极作用。
《项目建议书》建议本工程采用的工艺为前置库湿地系统。
主要考虑因素为工程处理水源是河道来水,悬浮物浓度较高,若采用其他湿地容易堵塞,不易控制进入流量。
但本次可研由于各湿地用地面积因受渔洞水库水源地保护区建设的限制而较大程度地被压缩,加之对小流域内的污染来源分析,径流区内农业径流污染和人畜粪便是主要的污染来源,因此通过现场调查及对现有主要污染源分析和核算,各流域的污染来源以面源为主,污染源随地表径流入河入库,因此本次项目推荐使用复合型人工湿地系统。
《项目建议书》建设内容子项“高原特色农业产业示范与生态补偿建设”内容,针对农业面源污染治理,将考虑沤粪池、推行有机肥、测土配方等控制农业面源污染,因此本次湿地建设主要考虑旱季处理零星生活污水、畜禽废水,雨季除生活污水外,还处理初期雨水。
复合型人工湿地污水处理工程典型案例
名称
工艺流程
污水类型
达标要求
澄江县马料河人工湿地污水处理工程
氧化塘+垂直潜流+表流湿地
生活污水
GB18918-2002一级B标准
江川县渔村大河人工湿地污水处理工程
氧化塘+水平潜流
农村生活污水+农业面源污染
地表IV类水要求,部
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