人工湿地规划设计的分析介绍

8.4.6.1　人工湿地的概念

湿地一般指暂时或者长期覆盖水深不超过2m的低地、土壤充水较多的草甸，以及低潮时水深不超过6m的沿海区域。湿地的基本特征有三个：一是地表有季节性或者常年性积水，水是导致湿地形成、演替、消亡与再生的关键因素；二是底层为湿土；三是至少周期性的以水生植物为植物优势种。湿地种类很多，有自然形成的，也有人工形成的。自然形成的湿地有沼泽湿地、湖泊湿地、河流湿地、滨海湿地等四类。自然河流湿地包括永久性河流湿地、季节性河流湿地、洪泛平原湿地。人工形成的湿地有池塘湿地、水稻田湿地、水库湿地、运河湿地、盐田湿地、废水处理湿地等。

本书中的人工湿地，指人工筑成水池或者沟槽，充填基质，表面种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解，实现对污水中营养物质、重金属等的去除，使污水得到净化。人工湿地可以用来处理城市生活污水、农村生活污水、风景区污水、污水处理厂尾水等类型污水。人工湿地相比于城镇污水处理厂，有工艺简单、脱氮除磷效果好、抗水力负荷冲击能力强、投资省、运行费用低、能耗低、具有一定景观效果等优点，缺点是占地面积大、基质容易堵塞、冬季处理效果不如夏季等。

在城市河流设计中，常利用城镇污水处理厂尾水作为人工湿地的水源，经过深度处理后排入河道，作为生态用水和景观用水。设计还常见另一种情况，治理河段有支流汇入，日常流量很小，但水质差，可以在汇入口附近建设人工湿地净化水质。人工湿地常选址在护堤地或者滩地上。

8.4.6.2　人工湿地的类型

人工湿地分为表流人工湿地和潜流人工湿地，其中污水在基质表面流动的为表流人工湿地，在基质表面以下流动的为潜流人工湿地。潜流人工湿地又按污水流动方向分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地两类。水平潜流人工湿地中污水在基质层表面以下水平流动，从进水端流向出水端。垂直潜流人工湿地中污水垂直向流动，从上端进水下端出水，或者从下端进水从上端出水。

1.表流人工湿地

表流人工湿地近似自然形成的湿地。污水在湿地的表面流动，水深较浅，一般为0.1～0.6m。湿地的地基可以采用天然地基；当天然地基渗漏严重时，为了防止污水下渗污染地下水，湿地底部一般设置防渗黏性土层。湿地常种植香蒲、芦苇、慈姑、莎草等植物。表流人工湿地与潜流工艺相比，优点是投资少，运行费用低，维护简单；缺点是负荷小，冬季北方表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇，有臭味。所以表流人工湿地在北方工程中应用较少，常用于温暖地区生活污水的处理，以及江河湖泊微污染水体的水质净化及生态修复[99]。表流湿地的结构如图8.4-5所示。

2.水平潜流人工湿地

污水在湿地床填料的表面下流动，从池体进水端沿填料孔隙水平流向出水端，能够充分利用填料表面的生物膜和丰富的植物根系提高处理效果，同时水体被填料保温，受大气温度变化的影响小，卫生条件也较好。与表流湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷较高，占地面积较少，污染物去除效果好，且很少有恶臭和滋生蚊蝇现象，但填料成本、建设费用较高。水平潜流人工湿地的脱氮效果不及垂直潜流人工湿地。水平潜流人工湿地应用广泛。水平潜流人工湿地的结构如图8.4-6所示。

图8.4-5　表流人工湿地结构简图

图8.4-6　水平潜流人工湿地结构简图

3.垂直潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地中污水流动方向为垂直方向，又分单向垂直流型人工湿地和复合垂直流型人工湿地两种。单向垂直流型人工湿地一般采用间歇进水运行方式，复合垂直流型人工湿地一般采用连续进水运行方式。垂直潜流人工湿地相对于水平潜流湿地，优点有脱氮效果高于水平潜流湿地，占地略少，缺点是对有机物的去除能力相对差，布水管网较复杂，控制和运行管理较为复杂。垂直潜流人工湿地的结构如图8.4-7所示。

8.4.6.3　人工湿地净化机理

人工湿地系统是一种集物理、化学、生物反应于一体的废水生态处理系统，基质、湿地植物和微生物是构成系统的基本要素。湿地系统对污水的净化有着非常复杂的机理过程，主要通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解作用使污水得到净化。

图8.4-7　垂直流人工湿地结构简图

基质又称填料、滤料，常采用不同粒径的砾石、粗砂、细砂、陶粒、灰渣、土壤等作为材料，并铺设一定的厚度，作为植物生长、微生物附着的载体，同时提供植物生长的营养物质。基质是污染物被处理的主要场所。基质通过吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等物理、化学途径去除污水中的有机物、氮、磷等营养物质。基质不同，对污染物的去除能力也有差异。以除磷为目的，可以选择粉煤灰、石灰石、矿渣等填料，以除氨氮为目的，可以选择煤灰、沸石、累托石等填料。

湿地植物根植于基质中，在自身生长与繁殖过程中，大量消耗污水中的有机物，也能吸收富集污水中的重金属等有毒有害物质。同时植物还具有三方面间接作用：①根茎可显著增加微生物的附着；②可将大气氧传输至根部，使根在厌氧环境中生长。植物根向基质中输氧，可向根系附着好氧或兼氧微生物提供氧气；③增加或稳定土壤的透水性。例如，芦苇的根可松动土壤，死后可留下相互连通的孔道和有机物[94]。人工湿地植物一般要求耐污性能强，根系发达，茎叶茂密，输氧能力强，生长快的多年生水生植物，有时要求选择具有一定景观作用的水生植物。常见的人工湿地植物有芦苇、凤眼莲、香蒲、菖蒲、美人蕉等。

基质中的微生物在污水净化过程中起着极其重要的作用，主要的生物化学反应大多是在微生物和酶的作用下进行的。微生物主要是利用代谢作用将凝聚性固体、可溶性固体颗粒通过好氧、厌氧分解，最终降解成无机物，通过硝化-反硝化作用去除有机氮，通过有机磷的矿化作用沉淀无机盐。研究发现，芦苇床系统的根表面根际土的细菌数量可达108个/g（干重），且趋于稳定，季节变化不大[95]。研究还表明，不同的湿地类型具有不同的优势菌属，人工芦苇湿地系统中的优势菌属主要有3种，分别是假单胞杆菌属、产碱杆菌属及黄杆菌属，与天然的芦苇床相比，人工床中的优势微生物组成基本相似[96]。上述几种优势菌属均为快速生长微生物，而且其体内大多含有降解质粒，是废水中有机物分解的主要微生物种群。

人工湿地能够除去湿地中的悬浮物、有机物、氮、磷、重金属等物质。

1.悬浮物的去除

湿地系统运行稳定后，填料表面和植物根系将生长大量的生物膜，废水流经生物膜时，大量的悬浮物被填料和植物根系拦截而沉淀在填料中。填料粒径越小，空隙越小，拦截悬浮物的效果越好，但湿地容易堵塞。悬浮物一般主要沉淀在湿地的进水侧和湿地上部，容易堵塞填料，影响湿地此部位的渗透性。所以建议在污水进入湿地前设置预沉池，这样可以提前除去大部分的悬浮物。

2.有机物的去除

有机物分为溶解性有机物和不溶解性有机物。不溶性有机物可通过沉淀、植物拦截、土壤过滤被截留在基质中。截留下来的不溶性有机物被微生物利用，或者通过异养微生物转化为二氧化碳、水和微生物机体。可溶性有机物则通过介质吸附、植物吸收以及好氧、兼氧和厌氧微生物的代谢过程去除。

湿地植物具有直接吸收溶解性有机污染物的功能，但是去除量只占很小一部分。大部分有机物被异养微生物转化为自身机体、二氧化碳和水。

3.氮的去除

氮去除途径包括植物吸收、氨的挥发、介质吸附、微生物硝化和反硝化作用，其中微生物的硝化和反硝化是主要途径。

水中溶解的氨在p H值浓度高时会显著挥发。有研究表明，p H值小于7.5时，氨的挥发量可以忽略。水平潜流湿地中p H值一般较低，可以忽略氨的挥发作用。

植物能够吸收铵态氮和硝态氮，最终通过植物收割而去除。研究表明，植物的吸收与收割只有在低负荷人工湿地系统中才对脱氮起重要的作用[97]。

介质的活性部位能够吸附还原态氨氮。通常介质对氨氮的吸附是快速可逆的。

硝化-反硝化是人工湿地去除氮的最主要的形式。湿地通过进水携带溶解氧、大气自然复氧以及植物根系输氧等形式在湿地床体内形成许多好氧微区域，在这些微区域中发生硝化作用，自养型好氧微生物将氨离子转化成硝酸根离子。湿地床体内还存在许多缺氧微区域，在缺氧微区域发生反硝化作用，异养型微生物将硝酸根离子还原为氮气排入大气。

4.磷的去除

污水中总磷由有机磷、无机磷组成，主要通过填料的吸附沉淀、微生物同化作用、聚磷菌摄磷作用和植物吸收作用去除，其中填料的去磷作用是最主要的。

填料通过拦截、沉积、蓄留作用吸附有机磷和无机磷。填料对磷的吸附是人工湿地系统早期运行除磷的重要途径，随着填料的吸附趋于饱和。填料中的钙、铁离子与能够与磷酸根反应生成难溶于水的磷酸盐沉淀下来。这些吸附沉淀的磷元素最终跟随填料的更换而去除。

湿地中的微生物通过同化作用对磷进行摄取。聚磷菌还可以过量摄取磷变成ATP、DNA、RNA等有机成分。

植物生长过程中，直接吸收污水中的无机磷，合成为自身需要的有机成分，最终通过收割去除磷。湿地中植物组织腐败分解后，会对磷元素产生补给效果，因此每年要及时收割。不同植物对磷的吸收能力不同，有研究表明芦苇比香蒲具有更强的吸磷能力。

5.重金属的去除

人工湿地对重金属的去除，主要体现在植物的作用上，包括植物吸收、挥发和富集与作用。例如，许多植物可以吸收硒元素并将其转化为可挥发状态。

8.4.6.4　人工湿地规划设计

人工湿地在规划阶段和设计阶段有不同的侧重，因此设计深度也不同。

1.规划阶段主要工作

在规划阶段，重点是判断人工湿地的可行性，基本确定人工湿地的场址和规模。对治理河段，假定已经掌握了河道水质目标、生态需水量、景观需水量、污染源、污水流量和主要污染物情况，此时要根据经验初步判断是否采用人工湿地来净化水质，主要分析是否有可利用的场地，场地与水源的距离关系，以及人工湿地工艺的可达性。

人工湿地占地面积较大，而河流设计工作范围常常限制在蓝线之内，可用场地是岸上护堤地和河内滩地，是否有面积大小合适的场地，或者业主能否特别扩大设计范围提供可用场地，需要设计人员进行初步分析和协调。人工湿地建在滩地内时，不能够阻碍行洪，同时要考虑洪水淹没对湿地结构安全、植物成活、填料堵塞的影响，一般表流湿地更适合。人工湿地建在护堤地范围，要考虑对堤防安全、滨河景观的影响。

人工湿地与污水水源的衔接，需要注意输水距离和竖向高程的关系。有可能湿地位于下游而需水部位在上游，也有可能水源水位低而湿地需要的水位高，这些都可能需要设置提升泵站，从而提升湿地方案的投资规模。

另外要根据出水水质目标、进水污染物类型、污染物浓度、人工湿地的污染物去除率（表8.4-8），初步判断人工湿地的工艺能否达到要求。

表8.4-8　人工湿地系统污染物去除效率%

2.设计进水水质

根据源水水质监测资料及污染物特性分析，确定设计进水水质指标，见表8.4-9。

表8.4-9　人工湿地进水系统水质要求　单位：mg/L

3.设计出水水质

根据水环境功能分区、湿地净化工艺处理效率及可达性分析、再生水利用途径，确定出水水质标准。出水水质一般执行《地表水环境质量标准》（GB 3838），常选择地表水Ⅲ类、Ⅳ类或者Ⅴ类作为水质指标（表8.4-10）。Ⅰ类水主要适用于源头水、国家自然保护区。Ⅱ类水主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等。Ⅲ类水主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、泅游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区。IV类水主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区。V类水主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。

表8.4-10　GB 3838中地表水水质主要控制指标　单位：mg/L

4.选择湿地类型，确定工艺流程

根据气候气象条件、可用场地面积、周边环境要求、源水水质、主要污染物含量、出水水质标准、建设投资、运行成本、运行稳定性等因素，选择表流人工湿地、水平潜流人工湿地或者垂直潜流人工湿地。如果河道附近设施对气味、蚊虫等卫生条件要求高，不宜选择表流人工湿地。

工艺选择时还要考虑是否设置预处理系统、后处理系统。预处理系统主要包括：格栅、沉沙、跌水曝气、水解酸化、加药混凝沉淀等工艺。当污水中SS＞100mg/L时，宜设格栅或沉淀池；当污水中溶解氧DO＜1mg/L时，宜设跌水曝气措施；当污水中BOD5/CODCr＜0.3时，宜设水解酸化；当污水中CODCr＞200mg/L时，宜设物化强化预处理。后处理系统主要包括杀菌消毒、回用系统等。

当湿地接纳生活污水或者类似生活污水的其他污水时，基本工艺流程如图8.4-8所示。(www.xing528.com)

图8.4-8　含有预处理的人工湿地工艺流程

当湿地接纳城镇污水处理厂尾水时，基本工艺流程如图8.4-9所示。

图8.4-9　衔接中水的人工湿地工艺流程

人工湿地的工艺按污水的流动方式，可以分为4类推流式、回流式、阶梯进水式和综合式[94]，如图8.4-10所示。

图8.4-10　人工湿地的工艺类型

5.人工湿地的布置

人工湿地一般根据规模大小，分成几个或者几十个单元组，每个单元组可以独立净化一定流量的污水，单元组之间是并联关系。每个单元组串联几个单元，对污水进行逐级处理（图8.4-11）。

图8.4-11　人工湿地的常见布置图

在选定的场址，布置不同的单元和池子组合。应充分利用现状自然环境条件，特别是地形、高程、地质等条件，按各单元水流过程，合理紧凑布置，以便于施工、维护和管理。高程布置应充分利用现状地形，尽量减少土石方量，湿地单元之间尽量采用重力自流，进水需提升时，宜一次提升，以降低能耗。湿地单元布置及植物配置宜结合景观设计，在满足水质净化的基础上，根据本地适宜植物类型选用多类型植物搭配，使工程达到一定的景观效果。

6.湿地规模与主要工艺参数

湿地规模主要指设计日处理水量和总占地面积。日处理水量主要根据源水水量、河流生态或者景观需水量确定。湿地总占地面积包括湿地单元面积、管理道路面积、管理房屋占地面积、预处理系统占地面积和后处理系统占地面积，不仅仅是湿地单元面积。

主要工艺参数包括水力负荷、有机污染物负荷、水力停留时间等指标（表8.4-11）。常常根据可利用地块面积、进出水水质条件、湿地类型和气候条件以及工程经验，首先计算湿地水力负荷指标，再复核有机物负荷、水力停留时间等指标。如果指标不合理，需要减少日处理水量或者增大占地面积。

表8.4-11　人工湿地主要设计参数表

表面水力负荷指单位面积人工湿地在单位时间内处理的污水量，按式（8.4-10）计算。

式中　qhs——表面水力负荷，m3/（m2·d）；

　　　Q——设计处理污水量，m3/d；

　　　A——人工湿地面积，m2。

表面有机负荷指单位面积人工湿地在单位时间内去除的五日生化需氧量，按式（8.4-11）计算。

式中　qos——表面有机负荷BOD5，kg/（m2·d）；

　　　C0——设计进水BOD5浓度，mg/L；

　　　C1——设计出水BOD5浓度，mg/L；

其他符号意义同前。

水力停留时间指污水净化在人工湿地内的平均停留时间，按式（8.4-12）计算。

式中　HRT——水力停留时间，d；

　　　V——基质在自然堆放状态下的体积，m3；

　　　ε——孔隙率，%；

其他符号意义同前。

水力坡度指污水在人工湿地内沿水流方向单位渗流路程长度上的水位下降值，按式（8.4-13）计算。

式中　J——水力坡度，%；

　　　ΔH——单个池体进水端水位与出水端水位的差值，m；

　　　L——池体内部沿污水流动方向的水平长度，m。

人工湿地面积指湿地的水域面积。可以用式（8.4-14）计算潜流湿地面积，并与用式（8.4-10）计算的结果和经验参数比对。

式中，符号意义同前。

7.湿地单元结构设计

潜流人工湿地单元池体一般采用矩形，这样有利于均匀布水和集水。单元池体长宽比宜控制在3：1以下。单元池体的长度通常定为20～50m，过长易造成湿地床中的死区，且使水位难以调节。水平潜流人工湿地单个单元池体面积不宜超过800m2，垂直潜流人工湿地单元池体面积不宜超过1500m2。

潜流人工湿地单元池体的填料深度主要受制于所用植物根系发育深度。池子内水深常为0.4～1.6m。王薇等[127]研究表明，对于芦苇湿地系统，处理城市污水或生活污水时，床深一般取0.6～0.7m，用于处理较高浓度有机工业废水时，床深一般在0.3～0.4m之间。

单元池体床底一般设置一定坡度，底坡一般取1%～8%，一般根据填料类型而定，砾石床常取2%。

单元池体可采用混凝土、砖或毛石材料。池体底部和周边应进行防渗处理，防渗材料可以采用土工膜。池底防渗也可以利用黏性土防渗。

表流人工湿地单元长宽比宜控制在3∶1～5∶1，一般小于1∶10，湿地水深宜为0.3～0.5m，水流速度一般低于100m/d。

8.配水集水系统设计

配水、集水系统宜保证池子中水流的均匀性，避免形成死水区、水流短路、集料局部淹没的情况。配水系统还要保证各组单元进水水量控制准确。

水平潜流人工湿地池子可采用穿孔花墙配水、并联管道多点布水或穿孔管布水等方式，保证水流从进口起沿水平方向流过填料层后均匀流出。垂直潜流人工湿地宜采用穿孔管配水，穿孔管应均匀布置，应设置在填料层上部。

水平潜流与垂直潜流人工湿地宜采用穿孔管集水，穿孔集水管应设置在末端填料层，集水管孔口直径不小于10mm。出水管末端设旋转弯头和控制阀门以调节湿地床的水位，并在系统的必要部位设置放空阀。

9.基质设计

常用的湿地填料有粗砂、碎石、砾石、石灰石、矿渣、沸石、高炉渣等。基质的选择应因地制宜，无特殊水质净化需求时一般选择碎石，碎石有较大的孔隙率，渗滤性高，能够承受较大的有机负荷，不易堵塞。碎石粒径一般在5～150mm。对水平潜流湿地，一般进水区域碎石粒径较大以防止堵塞，中间较小，而出水区稍大一些以便收集出水。

10.植物设计

人工湿地植物一般选择根系发达，耐污能力强，去污效果好，抗冻、抗病害能力强，适合当地气候环境的本土植物。

人工湿地常用的植物有芦苇、芦竹、香蒲、菖蒲、伞草、美人蕉、水葱、灯心草、水芹、茭白、黑麦草等。植物种植密度可根据植物种类和工程的要求确定，一般挺水植物种植密度为9～25株/m2，浮水植物和沉水植物的种植密度为3～9株/m2。植物种植时间一般为春季，种植方式有自然界移栽、直接种植和育苗移栽。植物收割时间一般为秋末冬初。

11.运行管理

人工湿地从启动到成熟，一般需要两年左右的时间。

在启动阶段，湿地植物种植后要及时充水，水位控制在填料表面以下约0.2m处。按设计流量运行3个月后，将水位降低到距离床底约0.2m处，以促进植物根系向池底发展。然后再将水位调节到填料表面以下约0.2m处。在第一年中，为防止长时间的水浸引起死苗，可以每隔一段时间将水位下调一次，以便使湿地充氧，但要注意不能使植物完全暴露在水位线之上。在启动阶段，杂草容易生长，可以人工拔除，或者调节水位限制其生长。

在成熟期，种植植物成为优势种，杂草生长水平会降低。植物管理主要是防止病虫害，并在秋季及时收割。