人工湿地设计综述(仅供学习参考)

人工湿地设计调研综述
摘要：
人工湿地技术是一项建造和运行费用低、水质净化效果较好的污水资源化生态工程技术，其水力学因素对于系统处理效果的影响较大，而国内对于人工湿地系统内部机理，以及池型设计对湿地处理效果的研究较少。

目前湿地的构建设计往往主要借助传统经验公式和实际工程经验，影响了人工湿地净化功能的有效发挥。

为此本文通过对国内外一些人工湿地的调查对比分析，总结了湿地池型对实际运行效果的影响因素，以及池型优化改进建议。

我国是世界上最贫水的13个国家之一，同时随着我国经济高速增长，城市化水平不断提高，水污染问题日趋严重。

天津市是我国北方水资源极度匾乏的城市，水危机已成为制约天津市社会经济发展的重要因素。

人工湿地作为一种新型水处理技术，可作为深度处理工艺，为水资源的回收改造作出了巨大贡献。

人工湿地的占地面积一直是其经济成本的主要因素，尤其在大中城市土地资源日益紧张，所以对人工湿地池型优化设计是我们研究的重要问题。

本文针对天津滨海新区生态特征水体污染状态，在海河流域典型城市水环境整治技术研究成果和示范工程实现的效益效果上，总结分解国内外人工湿地较好处理效果的各种池型的优点，提出适合天津滨海新区生态及水质处理方法和池型优化设计建议。

综合工程实例实际效果着重从湿地植物对池型的影响、湿地
布水方式对池型的影响、湿地填料对池型的影响、湿地冬季越冬对池型的影响、进出水流量水质和停留时间对池型的影响以及人工湿地的堵塞问题等方面分析了池型优化的设计方法。

关键字：经济成本对比分析池型优化实际效果
人工湿地的定义及国内外发展情况：
人工湿地是由基质、水体、植物、动物和微生物组成的生态系统。

生活在土壤中的微生物（细菌和真菌）在有机物的去除中起主要作用，湿地植物的根系将氧气带入周围的土壤，但远离根部的环境处于厌氧，形成处理环境的变化带，这就加强了人工湿地去除复杂污染物的难处理污染物的能力。

大部分有机物的去除是靠土壤中的微生物，但某些污染物如重金属、硫、磷等依赖于土壤和植物的作用。

人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，类似自然沼泽地，但由人工建造和监督控制，是一种人为地将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成基质，并有选择性地植入植物的污水处理生态系统。

它是一种集物理、化学、生化反应于一体的废水处理技术；是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统。

我国1987年（“七五”）建立了第一个人工湿地系统后,在人工湿地净化机理、系统控制、设计及运行参数等方面均取得可喜的进展。

近10年来，人工湿地技术在我国被广泛应用于农业面源污
染控制及生活污水、垃圾场渗滤液、采油废水、啤酒废水、制浆造纸废水等的处理。

20世纪末建成的成都活水公园更展示了人工湿地污水处理新工艺用“绿叶鲜花装饰大地，把清水活鱼送还自然”的魅力。

随着研究逐渐深入，人工湿地还被用于改善饮用水源水质如利用人工湿地改善北京官厅水库水质，出水基本满足地面水Ⅲ类标准。

目前，人工湿地还被广泛用于新兴领域，如利用人工湿地生态系统去除水体中的藻类效果显著，这说明人工湿地系统在污水深度处理或者在减少水体富营养化、抑制藻类疯长等方面都有其独特的作用。

国外，人工湿地广泛用于处理各种类型污水，如城市生活污水、酸性矿山废水、农业污水等，还被用于淡水回用水深度处理、净化富营养化水、自然保护、处理硝酸盐污染的地下含水层。

目前,在美国有600多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水，在丹麦、德国、英国各国至少有200处人工湿地(主要为地下潜流湿地) 系统在运行。

新西兰也有80多处人工湿地系统被投入使用。

北美2/3的湿地是自由表面流湿地，其中一半是自然湿地，其余为人工自由表面流湿地。

北美的湿地主要对人口较多的地区进行高级处理。

在欧洲应用较多的则是地下潜流系统，尤其在一些东欧国家应用较广泛。

该系统中种植有芦苇、菖蒲、香蒲等湿地植物，为了保证潜流，绝大多数系统还采用砾石作为填料。

此
类系统趋向于对近1000人口当量的乡村级社区进行二级处理，但它在澳大利亚和南非则被用于处理各类废水。

人工湿地的优缺点：
1.优点：
投资费用低，建设、运行成本低；处理过程能耗低；污水处理效果稳定可靠；污水处理系统的组合具有多样性和针对性等优点；良好的景观效应；可持续的经济效益；运行管理简单。

2.缺点：
受气候条件限制较大；设计，运行参数不精确；占地面积相对较大；容易产生淤积、饱和现象；对恶劣气候条件抵御能力弱；净化能力受作物生长成熟程度的影响大；此外，可能需要控制蚊蝇孳生。

人工湿地的分类：
1.国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样。

不同类型的人工湿地对特征污染物的去处效果不同，具有各自的优缺点。

根据植物的存在状态，人工湿地主要分为三种类型：浮水植物系统、沉水植物系统、挺水植物系统。

不同类型人工湿地结合使用以及和传统污水处理方法联合使用可以获得更好的出水水质。

（1）浮水植物系统此系统中水生植物漂浮于水面；根系呈淹没状态。

浮水植物目前主要用于N和P的去除和提高稳定塘的效率。

（2）沉水植物系统此系统水生植物完全淹没于水中。

系统中水的浊度不能太高，否则会影响植物的光合作用。

该系统还处于试验阶段，主要用于初级处理与二级处理后的精处理。

（3）挺水植物系统以挺水植物为主，植物根系发达，可通过根系向基质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖，便于污染物的多途径降解；目前人工湿地主要指挺水植物系统。

2.从工程实用的角度出发，按照系统布水方式的不同或水流方式差异一般分为自由表面流人工湿地（surface flow wetland,FWS）和潜流型人工湿地（subsurface flow wetland,SFS），潜流型人工湿地又包括水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地和潮汐潜流人工湿地。

（1）自由水面系统
自由水面系统的污水从系统表面流过，水深较浅(一般在0.1-0.6ｍ)，氧通过自由扩散补给。

进水中所含的溶解性和颗粒性污染物与系统介质和植物根系接触。

常用的植物包括香蒲、芦苇、慈姑、莎草等。

与SFS系统相比，其优点是投资省，缺点是负荷低。

北方地区冬季表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇、散发臭味，目前已较少采用。

（2）潜流系统
在潜流系统中，污水在湿地床的表面下流动，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用，提高处理效果和处理能力；另一方面由于水流在地表下流动，保温性好处理效果受气候影响较小，且卫生条件较好，是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统，但此系统的投资比ＦＷＳ系统略高。

①水平流潜流系统：水平潜流人工湿地因污水从一端水平流过
填料床而得名。

与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工
湿地的水力负荷高，对BOD、COD、SS、重金属等污染物
的去处效果好，且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象。

但其脱氮除
磷效果不及下述的垂直潜流人工湿地。

②垂直流潜流系统：污水从湿地表面垂向流过填料床的底部或
从底部垂直向上流进表面，窗体处于不饱和状态，氧可通过
大气扩散和植物传输进入人工湿地。

垂直潜流人工湿地的硝
化能力高于水平潜流人工湿地，用于处理氨氮浓度较高的污
水更具优势。

③潮汐潜流系统：潮汐潜流人工湿地是近年来由伯明翰大学研
究并提出，芦苇床按时间顺序交替的被充满水和排干，床体出水过程中空气被挤出，给排水过程中新鲜的空气被带入窗内。

通过这种交替的进水和空气运动，氧的传输速率和消耗量大大提高，极大的提高了芦苇床的处理效果。

但潮汐流湿地运行一段时间后，床体可能会被大量的生物所堵塞，限制了水和空气在窗体内的流动，降低了处理效果，因此设计中可考虑采用被用床交替运行，以便利用闲置期进行生物降解。

人工湿地的运行方式：
人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。

通过合理设计可将BOD5、SS、营养盐、原生动物、金属离子和其他物质处理达到二级和高级处理水平。

预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。

构筑物包括双层沉
淀池、化粪池、稳定塘或初沉池。

人工湿地中的流态采用推流式、回流式、阶梯进水或综合式。

人工湿地目前存在的一些问题：
1.温度问题
温度影响包括: 低温时生物活性下降和植物的死亡；对于表面流和竖流湿地, 低温时表面会结冰，冰层覆盖不仅阻碍了大气的复氧过程, 使生化水平降低,而且冰层的存在减少了有效水深, 从而缩短了停留时间, 进而对处理效果产生影响。

因此, 低温会导致处理效果的显著降低。

目前, 湿地中温度带来的问题还没有完全解决, 但可以采取一些措施适当的降低温度带来的影响。

首先, 在工艺上可以采用潜流人工湿地: 在该工艺中覆盖表面的表层土以及植物的落叶可以起到一定的保温效果, 而且没有表面结冰问题, 因此受温度的影响较小。

其次可以采用适当的保温措施。

最后, 可以加强前处理单元, 以减轻湿地的处理负荷,这种方
法可以适当降低温度对处理效果的影响。

2.占地面积问题
人工湿地净化的机理与特点使其与传统的污水处理工艺相比较需要较大的占地面积, 一般认为大约是传统污水处理工艺的2～3倍左右。

而当今, 土地资源对于很多城市来说是非常宝贵的, 这就为应用该技术带来了很大的障碍
由于自身处理过程的特殊性, 人工湿地技术在占地上的问题很难完全解决。

但可以采取适当的措施以减少占用有效的土地资源。

首先, 选址时要考虑到环境、经济效益综合最优化和规模化的因素, 为了不占用宝贵的市区土地资源, 可将工程选址在市郊区域, 这样做还能减轻风沙等对市区的影响和破坏。

另外, 可采用组合工艺, 以提高效率, 减少占地面积。

3.堵塞问题
随着时间推移, 湿地中部分营养物质会逐渐积累,湿地中的微生物也相应繁殖, 再加上植物的腐败, 若维护不当, 很容易产生淤积、阻塞现象。

这种现象不仅会影响水的流速, 而且会影响水的复氧, 从而影响到微生物的活性进而影响到处理效果。

解决办法为: 选择适当的填料，最好是多孔、质轻、不易板结的材质, 采用合适的操作工艺, 可以通过一定的间歇进水来恢复湿地的渗透速率, 选择适当的植物密度并及时维护。

综上所述，人工湿地池型设计的跟上述问题有密切关系，池
型的变化直接影响到湿地的处理效果、占地面积、堵塞问题等，因此池型设计的优化是人工湿地设计的关键。

下面介绍一下跟池型有关的几个方面的问题。

Ⅰ.人工湿地植物对池型的影响
植物是人工湿地的重要组成部分。

湿地植物包括挺水植物、沉水植物和浮水植物。

1977年德国学者kickuth提出了实地净化污水的根区法（RZM）理论，认为在污水渗透过湿地的过程中，经过植物根区的问生物群落更可以通过其旺盛的代谢活动将各种营养物质降解、转化。

因此，植物根区成为人工湿地实际净化功能的主要场所。

人工湿地净化污水过程中, 植物的作用可以归纳为3个重要的方面: ①回收利用污水中可利用态的营养物质, 吸附、富集重金属和一些有毒有害物质; ②为根区好氧微生物输送氧气;
③增强和维持介质的水力传输。

不同的植物类型对不同的污染物质具有一定的针对性。

对氮磷去除效果较好的湿地植物，如茭白、芦苇、水烛、灯心草。

对重金属有较好的去除作用的植物是：宽叶香蒲，且对Pb、Zn、Cd 等重金属有较好的去除作用。

一般来说，选择植物要注意的几个原则是：
①净化能力强，耐污能力和抗寒能力强，对不同的污染物采用
不用的植物种类
②选择在本地适应性好的植物，最好是本地原有植物
③植物根系发达，生物量大
④抗病虫害能力强
⑤所选的植物最好有广发用途或经济价值高
⑥易管理，综合利用价值高
植物根系向土壤环境中分泌的物质包括氧气、酶和有机酸，这些分泌物有利于微生物的生长繁殖和污染物的降解。

李志炎研究认为某些植物根系为根围异养微生物供应氧气，同时，植物还可向环境中分泌抗生素，在还原性基质中提供一个富氧的微环境，提高了异养微生物的数量、活性和降解能力。

在远离根区处，为兼性厌氧和厌氧环境，由此构成的湿地类似于多个A2/O处理系统，有利于兼性厌氧和厌氧净化作用的发挥，可去除氮、磷等污染物质。

因此在湿地设计中一般参照所选植物的根系深度来确定池型深度。

王世和的研究表明，芦苇在65cm水深对氨氮和总氮的去除率最好分别达到56.7%和63.4%。

对于芦苇湿地系统，处理城市或生活污水时，碎石床深一般取0.6~0.7m。

调查发现，国外一般湿地系统深度小于0.6m，国内一般湿地深度在0.6~1.2m 之间。

我国北方为防止冰冻层一般深度较高，北京官厅水库永定河人工湿地深度1.2m。

郭焕晓等人研究表明：香蒲、睡莲、水葱、美人蕉和黄花鸢尾作为微咸水人工湿污水处理系统的植物,都具有较高的脱氮除磷效果,其中以黄花鸢尾处理效果最好。

黄花鸢尾耐盐性和脱氮除磷效果好,并且具有很好的景观效益,花期较长,一般为5～6个月,耐寒,可以用作中国北部沿海高盐度地区微咸水人工湿地污水处理统的
优选植物，可以在我国北方土壤盐碱化地区推广应用。

Ⅱ.人工湿地布水方式对池型的影响：
人工湿地布水方式有表面流、潜流和垂直流三种。

三种水流方式整体都呈现缺氧状态，垂直流有较高的DO和污水与微生物良好的接触环境。

因此垂直流系统对总氮和COD的去除效果最高。

潜流湿地主要限制因素是DO不足，而表面流湿地污水与基质接触不足，水体暴露在外面，还会孽生一定的蚊蝇，因此，垂直流的水流方式是最佳的处理方式。

但是，在实际大型工程上垂直流均匀布水比较复杂，在实际工程中常用水平潜流方式，经前处理以解决活着设置冲氧管以解决DO不足问题。

现在人们为了获得更好的处理效果，经常采用复合湿地。

复合湿地系统对COD 的去除效果很高，去除率平均有60%以上，尤其是垂直流组成复合湿地，平均处理效果更是达到80%。

潜流组合的湿地效果也很好，但是表面流型湿地由于污水与基质的接触不好，因此效果相对较差。

垂直流的水流是否均匀对其进出水系统有要求，对池型床宽比一般适宜当地情况即可。

水平潜流湿地长宽比太长容易造成水流扰动和堵塞，太短则处理效果不好，有学者认为其长宽比应控制在3：1一下，常采用1：1。

下表是我国部分人工湿地布水方式和长宽比对比，由此可得水平潜流湿地一般长宽比采用3：1或者2：1.
项目名称碎石床厚度
（m）
长宽比
运行方
式
白泥坑人工湿地50 3:1 水平潜流
成都市凤凰二沟人工湿地 1.5 3:1 复合垂直流
广州省海州市焦岭县人工湿
地1.5 2:1
水平潜
流
广东省梅州市大埔县人工湿
地1.5 2:1
水平潜
流
成都市双流县兴隆镇人工湿
地1.5 4:1
水平潜
流
高水力负荷人工湿地示范工
程4:1
WJS工
艺
云南省玉溪市江川县九溪人
工湿地1.5 4:1
WJS工
艺
江川渔村大河人工湿地 1.2 3:1 水平潜流
北京官厅水库永定河人工湿
地1.2 3:1
水平潜
流
郑州CBD中心湖人工湿地 1.6 3:1 水平潜
流
北京新风河人工湿地1.2~1.5 4:1
水平潜
流1.4~1.7 4:1
水平潜
流
增城鹅兜村人工湿地 1 2:1 水平潜流
增城榕树吓村人工湿地 1 1.5：1 水平潜流
三水养猪场人工湿地0.5
13.7×
7.5
水平潜
流0.5
14.0×
7.5
水平潜
流0.5
13.5×
7.5
水平潜
流0.5
18.7×
7.5
水平潜
流
Ⅲ.人工湿地基质填料对池型的影响：
基质往往被看成是高效的“活过滤器”, 它的净化功能主要由
下列要素组成: ①绿色植物根系的吸收、转化、降解和生物合成作用; ②基质中的细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、转化和生物的固定化作用;③基质的有机、无机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用; ④基质的离子交换作用; ⑤基质和植物的机械阻留作用; ⑥基质的气体扩散作用。

不同的基质由于其成分的不同, 对不同的污染物, 如有机物、磷、氮等的去除效果也相差很大。

一些学者研究了砂子基质和土壤基质吸附净化磷素污染物的特征和机理, 认为砂子和土壤基质净化磷素污染物的能力同其活性钙、胶体氧化铁和铝含量有关, 一些砂子和土壤基质活性钙、胶体氧化铁和铝含量较低, 磷素净化能力有限, 添加化学絮凝剂和沉淀剂有助于增强水体中磷素等污染物的净化效果。

还有一些学者研究了黏土矿物和其它天然矿物以及部分工业副产物净化磷素污染物的效果和机理, 认为充分利用当地的自然资源, 选择合适的人工湿地基质,是构建人工湿地、提高人工湿地净化能力的关键措施。

基质堵塞的问题一直都困扰国内外的人工湿地研究者。

人工湿地基质堵塞将会直接影响它对各种污染物的去除效果。

所以, 要更好的发挥人工湿地的净化效果, 就必须解决基质的堵塞问题。

为解决堵塞问题，湿地基质一般采取分层装填，进水端设置滤料层拦截悬浮物。

垂直流人工湿地基质一般由进水层开始选用细砂（0.06~0.2mm）、粗砂（0.6~2mm）、细砂砾（2~6mm）、沙砾（6~20）、砾石（8~16mm）逐级分层装填。

水平潜流人工湿地的进水区，应沿着水流方向铺设粒径从大到小的砾石和砂子
（16~6mm），在出水区应沿着水流方向铺设粒径从小到大（8~16mm）
Ⅳ.人工湿地冬季越冬问题对池型的影响
在亚寒带地区冬季，使用人工湿地有许多独特的、在其它普通人工湿地设计中所没有的工艺要求。

从早期人工湿地设计中所取得的经验教训，可用于寒冷地区人工湿地的设计。

根据明尼苏达州和爱荷华州人工湿地运行记录，可以得出如下结论：在少雪的冬季，冰雪覆盖并不能有效地防止冰冻和凌汛现象，因此应对人工湿地进行适当的隔离设计；使用不同的覆盖物进行隔离，对系统的处理性能
有很大的影响；覆盖层所用的材料会影响种植植物的类型；对覆盖层进行适当的设计，可提高寒冷地区人工湿地的的去除率，处理性能在第一个成长期之后也会
有所提高；为了提高氮的去除率，需有足够的氧。

在寒冷地区，标准的水平式潜流式人工湿地，并没有足够的氧满足氧化碳和氧化氮的要求。

可选择的、具有较高的氧传送能力的反应结构是去除氮所必需的。

如果将人工湿地设计成具有防冰冻功能，在温度低于4℃时，也能进行硝化反应。

李世荣在我国七五科技湿地研究报告中表明在水里停留时间10天左右渗滤湿地对BOD的去除率达70~75%，对总氮的去除率40%以上，对氨氮的去除率为30%，
对SS的去除率为77.1~87.5%，对TP的去除率为73~91.3%。

因此在我国北方湿地冬季运行只要注意设计中流出冰冻层，保证进出水的保温措施即可。

Ⅴ.人工湿地的堵塞问题对池型的影响
1 影响因素分析
1.1 基质材料的影响
过滤材料粒径大小直接影响基质的孔隙大小和水容量, 因此它是影响人工湿地是否发生堵塞的重要影响因素。

莫凤鸾等在深圳洪湖公园的人工湿地研究中, 在1997 年至1999 年5月间湿地系统共发生5 次堵塞, 采用粒径较大的碎石代替原来的沙子作湿地材料后, 系统运行正常。

1.2 进水污染物负荷
( 1 ) 悬浮物的影响
人工湿地进水中的悬浮物尤其是不可生物降解性的悬浮物负荷是影响湿地堵塞的重要因素, Bouwer 等推荐进水中悬浮物的最大值为20 mg/L, 负荷相当于8 g/(m2.d)。

付贵萍等采用11 g/(m2.d)的进水悬浮物负荷, 系统运行5 年未出现堵塞现象。

( 2 ) 有机负荷的影响
普遍认为有机物负荷对基质堵塞有重大影响。

Platzer 和
Mauch 的研究发现, 堵塞一般发生在基质上层0~15cm 处, 有机负荷过高是堵塞的主要影响因素。

1.3湿地植物地上部分衰落时的残留物、根系及根系分泌物会造成系统中有机物累积量的增加。

成水平等在人工湿地净化污水试验中发现, 经过3~5 个月的污水处理后, 不种植物的对照土壤基质板结, 发生淤积。

1.4 有机物积累造成的系统堵塞
有研究表明, 湿地基质中有机质积累具有很高的引起阻塞的可能。

牛晓音研究结果表明, 人工湿地在运行一年后总有机质积累达到0.658kg/m2, 并且60% 有机质积累主要在0~10cm; 湿地上下层有机质积累有明显差异, 且随着基质中的深度和离入水口的距离呈下降趋势, 基质孔隙度与有机质呈显著负相关关系。

1.5 温度
温度对土壤堵塞具有双重影响。

一方面, 较高的温度导致了高的生物活性和较高的生长速率, 但同时由于微生物的快速增长, 填充了填料的孔隙, 从而引发基质堵塞; 另一方面, 较低温度抑制了生物活性, 代谢速度慢, 致使有机固体颗粒在填料中的大量累积和滤料中厌氧程度的加剧, 也易引发湿地堵塞。

2 避免堵塞的措施
针对造成湿地堵塞的原因可以湿地设计与运行中分别采取相应的避免堵塞措施。

2.1 对进水进行预处理。