人工湿地课程设计.doc

目 录
1 概 述 2
1.1 垂直流人工湿地简述 2
1.2人工湿地的净化机理 2
2 前处理工艺设计 2
2.1 污水进水水质和出水要求 2
2.2出水要求 3
2.3 预处理设计及选型 3
2.3.1 化粪池 3
2.3.2格栅 5
2.3.3格栅池 5
2.3.4调节池 5
3 人工湿地参数设计计算 6
3.1 湿地表面积的计算 6
3.2水力停留时间及表面负荷 7
3.2.1 水力停留时间的计算 7
3.2.2表面水力负荷计算 7
3.2.3管道设计 8
4 结构设计及填料的选择 8
4.1 进出水系统的布置 8
4.2 填料的使用 8
4.3植被的选择原则 8
4.4造价粗估及运行管理 10
参 考 文 献 11

1 概 述
1.1 垂直流人工湿地简述
人工湿地作为一种低投资、 低能耗、 低处理成本和具有氮磷去除功能的废水生态处理技术， 在广大城镇和农村地区具有广阔的应用前景。 人工湿地因水流方式差异可分为表面流湿地、 地下潜流湿地、 垂直流湿地和潮汐流湿地。
垂直流湿地是将水生植物种植在填料床中， 污水在填料下垂直流动， 氧气通过大气扩散和植物传输进入湿地系统。水流流经床体后被铺设在出水端底部的集水管收集， 然后排出处理系统。 污水直接与填料接触， 通过基质过滤、 吸附、 沉淀、 离子交换、 植物吸收和微生物降解来实现对污水的高效净化。垂直流湿地兼有表面流和潜流型人工湿地的特点， 脱氮除磷效果好［1］。
1.2人工湿地的净化机理
对SS：通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固体被阻截而去除。
对N：①NH3-N被湿地植物和微生物同化吸收，转变为有机物的一部分,可通过定期对植物的收割使N得到部分去除；②NH3-N在较高的pH值(pH>8)条件下向大气中挥发；③有机N经氨化作用矿化为NH-N在好氧区经亚硝化、硝化作用分别转变为NO-N和NO-N然后它们在缺氧和有机碳源的条件下，经反硝化作用被还原为N2释放到大气中，达到最终脱氮的目的。
对P：湿地中P的去除过程包括植物根系吸收、生物作用过程、吸附和沉淀等，其中植物吸收微生物代谢和物理、化学作用较吸附和沉积作用要低，其主要通过对不溶性磷的吸附和沉积作用来实现P的去除。植物吸收的无机磷可通过定期对植物的收割去除，物理化学作用对无机磷的去除，主要是可溶性的无机磷很容易与基质中的Al3+、Fe3+、Ca2+ 等发生吸附与沉淀反应。［10］
2 前处理工艺设计
2.1 污水进水水质和出水要求
按照城镇生活污水水质一般范围，可认为生活污水水质状况如下：
BOD 150--250 mg/l（取中间值200 mg/l）；
SS 200--300 mg/l（项目取中间值250 mg/l）；
NH3—N 30--40 mg/l（取中间值35 mg/l）；
P 8--10mg/l（取最大值10 mg/l）。
查国家统计局关于福建省2010年人均用水量192L/人（取200L/人），本项目为设计一10户型城市生活小区人工湿地，拟进水量为10m³/d。
2.2出水要求
当污水处理厂出水引入稀释能力较小的河湖作为城镇景观用水和一般回用水等用途时，执行一级标准的A标准。［2］
BOD： 10 mg/l；
SS： 10mg/l；
NH3—N： 15mg/l；
P： 0.5mg/l。
2.3 预处理设计及选型
2.3.1 化粪池
化粪池有效容积应为污水部分和污泥部分容积之和，并宜按下列公式计
算：

式中：
Vw ——化粪池污水部分容积(m3)；
Vn ——化粪池污泥部分容积(m3)；
qw ——每人每日计算污水量(L/人·d), 查国家统计局关于福建省2010年人均用水量192L/人（取200L/人）；
tw ——污水在池中停留时间(h),应根据污水量确定，宜采用12 h～24 h,一般取12h；
qn——每人每日计算污泥量(L/人·d)，见表2-2,取0.7L；
tn ——污泥清掏周期应根据污水温度和当地气候条件确定，宜采用(3～12)个月，考虑夏季恶臭及成本取6个月；
bx ——新鲜污泥含水率可按95%计算；
bn ——发酵浓缩后的污泥含水率可按90%计算；
Ms ——污泥发酵后体积缩减系数宜取0.8；
1.2——清掏后遗留20%的容积系数；
m ——化粪池服务总人数,本项目设计为50人；
bf ——化粪池实际使用人数占总人数的百分数，可按表2-3，取70%
可得，
Vw=3.5m³，Vn=0.07056m³
V=Vw+Vn=3.57m³
表2-1 化粪池每人每日计算污泥量（L）
建筑物分类

生活污水与生活废水合流排入
生活污水单独排入
有住宿的建筑物
0.7
0.4
人员逗留时间大于4 h 并小于等于10h 的建筑物
0.3
0.2
人员逗留时间小于等于4h 的建筑物
0.1
0.07
表2-2 化粪池使用人数百分数
建筑物名称
百分数(%)
医院、疗养院、养老院、幼儿园（有住宿）
100
住宅、宿舍、旅馆
70
办公楼、教学楼、试验楼、工业企业生活间
40
职工食堂、餐饮业、影剧院、体育场（馆）、商场和其它场所（按座位）
5～10
化粪池距离地下取水构筑物不得小于30m。化粪池距建筑物距离不宜小于5m，以保持环境卫生的最低要求。因此，本项目将化粪池设于地下室或室内楼梯间底下, 但一定要做好通气、防臭、防爆措施［3］。
2.3.2格栅［4］
污水首先通过粗、细自动格栅再进入集水井，粗格栅栅距为20mm,主要去除较大杂质，细格栅栅距3mm，主要去除较小杂质。格栅位于格栅池内，格栅池内再备有一套人工水力格栅。当自动格栅需要维修时使用人工格栅，人工格栅间距为15mm。
设计参数：
设计流量QMAX=84.2m3/d。栅前流速v1=0.7m/s，过栅流速v2=0.9m/s
栅条宽度s=10mm，格栅间隙d=20mm
栅前部分长度0.5m，格栅倾角α=60°,进水渠展开角α1=20 °
草图如下：

图2-1
2.3.3格栅池
格栅池停留时间60分钟，有效容积V1为：
V1=≈0.42 m3
在生活污水进入沉砂调节池前设置一道人工格栅，用以去除生活污水中的软性缠绕物、较大固颗粒杂物及漂浮物，从而保护后续工作水泵使用寿命并降低系统处理工作负荷。
格栅池是为了安置自动粗细格栅，生活污水通过格栅后流入调节池。
2.3.4调节池
本项目污水流量为10m³/d，取生活污水流量总变化系数Ks为3.0，则Q=30m³/d，停留时间取8h。
则，容积为V=30÷24×8=10m³
调节池长宽设2.5×2.5m，有效水深为h=V/(B×L)=1.6m
调节池配置污水提升泵，参数如下
表2-3
型号
排出口径
(mm)
流量
(m³/h)
扬程
(m)
转速
(r/min)
功率
(Kw)
40QW10-15-1.5
40
10
15
2840
1.5

3 人工湿地参数设计计算
3.1 湿地表面积的计算
计算公式：
As=(Q×（lnCo－lnCe）)/(Kt×d×n)［5］
其中，
As——湿地面积（m2）
Q——流量（m3/d），流量为10 m3/d。
Co——进水BOD（mg/l），进水BOD为200mg/l。
Ce——出水BOD（mg/l），出水BOD为10mg/l。
Kt——与温度相关的速率常数，Kt＝1.014×（1.06）（T－20），T假定为25，则Kt=1.357。
d——介质床的深度，一般从60－200cm不等，大都取100－150cm，项目取120cm。
n——介质的孔隙度，一般从10－40％不等。
表3—1 人工湿地面积计算表
孔隙度
10％
20％
30％
40％
湿地面积（m2）
183.97
91.93
61.32
50.00
可见，填料床孔隙度的大小对人工湿地面积的影响较大。一般项目预计介质的孔隙度为30%，则人工湿地面积约为61.32m2。
通过表面积确定湿地床体的几何尺寸．湿地床长度一般为20 m～50 m。过长，易造成湿地床中的死区，且使水位难于调节，不易植物的栽培。湿地长宽比也不应过大，建议控制在3：1以下，通常采用1：1；土壤为主的系统，应小于1：1．湿地床底坡一般取1％ ～8％，需根据基质性质及湿地尺寸加以确定，对以砾石为基质的湿地床一般取2％［9］。
本项目采取长宽比为2:1的两池式垂直流人工湿地。
长为8m,宽为4m,总面积A=8×4×2=64m2>61.32m2,满足要求。
3.2水力停留时间及表面负荷
3.2.1 水力停留时间的计算
计算公式：
t=v×ε/Q
其中，
T——水力停留时间（d）
  v——池子的容积（m3），容积为V=㎡×1.2m=76.8m3，
  ε——湿地孔隙度，湿地中填料的空隙所占池子容积的比值，需实验测定，本项目按30%计；
  Q——平均流量（m3/d），假定流量为10m3/d。
则：水力停留时间（d）=2.30d=55.2h。
查《人工湿地污水处理技术规范》，垂直流人工湿地水力停留时间为1-3d，满足要求。
3.2.2表面水力负荷计算
计算公式：
HLR=Q/A
Q——平均流量（m3/d），假定流量为10m3/d。
As——湿地面积（m2）,A= 64.0m2。
则,HLR=0.156m3/ m2.d。
查《人工湿地污水处理技术规范》，垂直流人工湿地水力负荷应小于1.0 m3/ m2.d，满足要求。
3.2.3管道设计
管道设计原则：
（1）穿孔管的长度应与人工湿地单元的宽度大致相等。管孔密度应均匀，管孔的尺寸和间距取决于污水流量和进出水的水力条件，管孔间距不宜大于人工湿地单元宽度的10%。
（2）穿孔管周围宜选用粒径较大的基质，其粒径应大于管穿孔孔径。
4 结构设计及填料的选择
4.1 进出水系统的布置
湿地床进水时需尽量保证配水的均匀性，多采用多孔管或三角堰等。垂直流湿地常采用多孔管进水，架设在床面上或埋于床体底部，埋于床面底部的缺点是配水调节较为困难。因而，多孔管设于高出床面0.5 m左右，以防床面淤泥和杂草积累而影响配水［6］。
湿地的出水系统可采用沟排、管排、井排等方式，设计时应考虑受纳水体的特点、湿地系统的布置及场地条件等因素．为有效的控制湿地水位，垂直流人工湿地排水系统一般是在基质层布设穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门．对于严寒地区，进出水管的设置需考虑防冻措施，并在系统的必要部位设置控制阀和放空阀。
4.2 填料的使用
基质的选用过程中通常需要考虑以下几个因素：
(1)具有良好的吸附性能和离子交换性能(2)基质的粒径不宜过大或过小，粒径太小，基质的水力传导率较小，容易造成堵塞，形成地表漫流；粒径太大，单位体积内微生物可附着的面积较小(3)有利于生物膜的形成和更新，有利于提高有机物和氮的去除效率(4)价廉
表层填料厚度0.1m，处理区填料厚度0.5m，下层铺设夯实厚度0.6的黏土层作为防渗层，总厚度1.2m。
表4-1 填料层一览表
填料层
垂直流人工湿地
土壤层
石英砂，厚0.1m，粒径2-8mm
中间层
砾石，厚0.5m粒径5-8mm;碎石，厚0.2m,粒径8-10mm
黏土层
高岭土，厚0.6mm，粒径0.5-2nm
4.3植被的选择原则
（1） 植物在具有良好的生态适应能力和生态营建功能；
筛选净化能力强、抗逆性相仿,而生长量较小的植物,减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多困难。一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植物。
（2）植物具有很强的生命力和旺盛的生长势；
① 抗冻、抗热能力
②抗病虫害能力
③对周围环境的适应能力
（3）所引种的植物必须具有较强的耐污染能力；
水生植物对污水中的BOD5､COD､TN､TP主要是靠附着生长在根区表面及附近的微生物去除的，因此应选择根系比较发达，对污水承受能力强的水生植物。
（4）植物的年生长期长；
人工湿地处理系统中常会出现因冬季植物枯萎死亡或生长休眠而导致功能下降的现象，因此，应着重选用常绿冬季生长旺盛的水生植物类型。
（5）所选择的植物将不对当地的生态环境构成威胁，具有生态安全性；
（6）具有一定的经济效益、文化价值、景观效益和综合利用价值［7］。
由于所处理的污水不含有毒、有害成分,可以考虑其综合利用。而作为景观人工湿地以及垂直流人工湿地植物对养分的需求情况分析，本项目主要采用风信子、美人蕉、灯芯草、菖蒲以及花叶芦荻。每平方米栽种8－10穴，每穴栽水竹、蕨草2－3株，美人蕉1－2株。
表4-2 植物费用表
植物
美人蕉
花叶芦荻
水竹
风信子
数量（苗）
120
150
150
80
单位价格（元）
0.6
0.8
1.5
3.0
合计
72
120
225
240
由以上可以看出，湿地植被需投资657元左右，此外，还可就地取材选用本地植物以保持湿地的多样性。
4.4造价粗估及运行管理
4-3 预计所需费用
序号
名 称
容 积（m3）
造 价（万元）
备
注
单体和数量
总数
单价
总价
1
格栅池
0.42m3×2
0.84
0.05
0.042

2
调节池
1
10.00
0.04
0.400

4
人工湿地床
1
73.58
0.025
1.840

5
填料
（砂石）
61.32×0.1
6.13
0.01
0.061

6
填料（砾）
61.32×0.5
30.66
0.01
0.307

7
填料（高岭土）
61.32×0.6
36.79
0.012
0.441

8
工艺管（套）

5
0.20
1.000

9
植物（组）

1组
0.0657
0.066

10
工艺材料
安装（组）

5
0.20
1.000

11
锯齿形槽塑料（25cm×25cm）
3m×2
6
0.015
0.090

12
排空管（5只闸阀塑料管φ25mm）

5只
0.003
0.015

13
法兰圈、法兰盘盖（φ300套）
1×4
4
0.010
0.050

14
合 计

5.312

运行管理：
1、配水问题，对于较小人工湿地处理系统常用的进水装置是穿孔的PVC管，长度与湿地宽度相当，均匀穿孔，孔间距为湿地宽度的10%［5］；
2、通风问题；
3、污水管没有90度弯头，用45度斜管接，污水里面杂质多，以让污水排的更流畅；
4、及时清洗填料，严格防止潜流堵塞；
5、及时收割填料上的植被；
6、可请物业单位安排一个兼职，定期管理系统。
参 考 文 献
［1］ 白玉华,章小军,雷志洪等.垂直流人工湿地净化机理及工程实践［J］.北京工业大学学报,2008,34（7）：761-766.
［2］ GB50015城市污水处理厂污染物排放标准.
［3］ 室外排水设计规范.
［4］ 郑铭，刘宏，陈万金.环保设备［M］.化学工业出版社［M］.化学工业出版社，2011:1-5.
［5］ 崔理华，卢少勇.污水处理的人工湿地构建技术［M］.化学工业出社,2009:146-152.
［6］ 室外排水设计规范.
［7］ 谢 娇，鲍建国，易振辉.人工湿地植物特性的研究及植物配置分析［J］.化学工程与装备，2011,（4）:164-166.
［8］ 唐受印.废水处理工程［M］.化学工业出版社,2012：15-19.
［9］ 李忠卫，王全金，李 丽.垂直流人工湿地设计工艺概述［J］. 华东交通大学学报,2008,25(3):40-43.
［10］ 白玉华,章小军,雷志洪等. 垂直流人工湿地净化机理及工程实践［J］. 北京工业大学学报,2008,34（7）:761-766.

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