第四章 人工湿地的设计、运行和维护

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对于潜流层湿地，要考虑砂砾层的影响。
砂砾的粒度大小和不同粒径砂砾的分布都会影响 水流速度。
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在均衡布水中，利用水的重力自然流的 方案比用水泵的方案好。同时，在景观 设计中，更多的是采用不规则形状。
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（二）温度
废水处理过程与温度密切相关。水温的确定可采用 湿地的热模型。
Δ H = H进 ± H气 ± H地―H出
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8、砾石、沙子和土壤：种植和处理的介质
（1）潜流型湿地： 理想的介质为沙砾尺寸在0.5~1英寸。 在处理系统的前端区域，应该采用1.5~3英寸的
砾石，其较大的空隙比，为固体物沉淀、消化留
出空间而不至于给介质层的水力传导性带来大的
影响。
砂砾应水平铺设，铺设时要保证隔水层的完好。
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（2）表流型湿地 如果湿地是建在压紧的黏土或塑料衬垫隔 水层上，必须在隔水层上铺一层土壤。 铺设的土壤表面平整，要被压紧到最大密 实度的85%，既不会使植物随泥水漂走， 又不会使植物扎根困难。 根据植物根的深浅调整铺设的土层深度。
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问题： • 有机负荷太高时容易堵塞。通常在潜流系统前面 有一个沉淀过程，以去除悬浮固体。此外，常常 采用多个进口，尽可能均匀地分散悬浮固体，避
免堵塞问题。
• 建造费用较高(是表流系统建造费用的4~8倍)，主
要是砂砾填充费用。
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水平流人工系统：基库思法或根区法。60年代中期由基库思博 士首创的。它包括一个种有芦苇的轻粘土或粘重土矩形床。 废水水平地流过芦苇的根围。土壤结构通过添加钙和铁或铝 补充物来增加土壤沉淀磷酸盐的能力。 设计上存在的问题：基库思认为，扎进土壤的芦根死后形成了
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（4）具有织物结构的衬垫材料 强度大、坚韧、抗刺破、撕裂和紫外辐 射，费用高。
海普隆（氯磺化聚乙烯）、XR-5（含织物结构 的聚氯乙烯）、强化聚丙烯
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3、进水和出水设施 人工湿地需要能将废水均匀的分布到湿地 中的装置，能控制湿地床中水位以及收
集处理后出水的结构设施。
装置的目标是易于建造、易于维护、操作
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100 10 堰
短而宽的湿地中形成的随意性水流问题：
进水端建堰，将湿地分成10个独立的单元，在溢 流口收集出水。
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考虑植物的影响，在表流型湿地中，被 植物所占据的空间体积百分数估计约为 25%。因此，实际水的体积和水流滞留 时间为：
体积=2000x75%=1500立方英尺
HRT=1500/200=7.5天
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（三）护堤和隔水层
1、护堤 上坡面的护堤：引导地表径流 下坡面的护堤：保持介质床和维持湿地的 水位。 根据具体的功能构建。
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护堤的坡度比
1 3
1 1
i=1:3
i=1:1
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2、隔水衬垫层 （1）聚氯乙烯：最便宜最容易安装。用于 人工湿地的厚度应为0.762mm或更厚。聚
氯乙烯的抗刺破性能和抗摩擦性能都很好，
设计的基本原则是考虑处理后的出水处置或回用 的方法： • 排放到河流、溪流、湖泊、池塘或海洋
• • • 排放入地下 土地应用：灌溉、动植物栖息地 蒸发
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二、潜流型人工湿地
设计理念：使废水流过基质，水位保持在基质 表面之下。
优点：大部分处理发生在地表之下，适合于 较冷的气候。可以防止处理床在零下气温时 结冰。无产生臭味或蚊子问题，而且可以处 理较高负荷的废水。
• 在合理的设计标准基础上确定系统的规模
• 隔水层和护堤工程
• 湿地单元内废水的分配和收集
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（一）结构组成
1、隔水层和护堤 2、流量分配装置 3、水位调节装置
4、布水和集水管道
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（二）地基准备
1、地基层适度压紧，防止地基下陷造成隔水层 的破坏。 2、有尖锐石块的地基，要考虑去掉石头或填沙 子，或采用复合型筑路材料，防止隔水层被架 空。 3、填土的地基的压紧程度应该达到90%的密实 度。 4、制定承受力分级的偏差规格，考虑承受重型 建筑机械是否会变形。
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五、运行和维护要考虑的事项
湿地与稳定塘的运行很相似，要注意如下 事项： （1）水位的保持 （2）护堤和堤面的维护 （3）防止水的渗漏 （4）控制虫害 （5）流量分配和水位控制装置的维护
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（一）潜流型湿地
1、水位保持：植物生长时最为重要。 植物成活后可通过降低水位刺激根的伸展。 生长季节每个月排干一次，再马上升高水位， 可 以将氧气带入湿地。
优势：间歇投放废水可促进基质的氧合作用，这种充
氧环境能更多地去除生化耗氧量并进行更大程度的 氨硝化。植物在床表面形成一个垫层，捕集需氧பைடு நூலகம் 解的悬浮固体。废水慢慢流过时，基质中的细菌开 始进一步处理。用砂砾作基质，避免了以土壤为基
础的平流系统所遇到的传导性问题，而交替的潮湿
期和干燥期则可以提高基质的固磷作用。
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潜流人工湿地类型示意图
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三、表流型湿地
衬有不透水材料层的浅蓄水池，充填有土壤或砂砾基质。 废水在基质上面流动，通过稠密的植物。从这点上看，它们模 拟天然湿地的水流，表流湿地的建造费用较低(一般建造费用为 1万~10万美元／公顷)，主要用于土方工程。
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四、建造过程
建造一块湿地要解决的基本工程问题：
安全和具有可见性。
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4、流量分布设施 对于依靠重力自流的结构设计，V型槽或 水平的堤堰都很好。 对于小的系统，可采用聚氯乙烯管。
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5、流量分布管道 废水从流量分布装置出来后应该被均匀地 分布在湿地的前端。对潜流湿地，布水
管道可采用穿孔管的形式铺设在湿地的
底部。安装附加的T形物可以改进布水。
在水温的核算中，要核算湿地的面积，这是一个假 设和推算的过程。
同时，在热传递设计模型中要考虑到周长的影响， 这是目前所欠缺的。
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（三）设计目标
废水中应去除或减少的主要成分： • 生物需氧量（BOD）
• • 悬浮固体物（SS）：废水中的有机和无机颗粒。 氮：排入河流是污染，排入土地或动植物的栖息地则是 资源。
图b的水流速度为图a的1/3。对于含有悬浮固体废弃物 的废水，水流速度越慢，固体废弃物的去除效率越
高，从而图b的固体废弃物的沉淀效率为图a的3倍。
对于垂直方向的水力负荷率
a.HLR= 流量/面积=200立方英尺/20平方英尺=10英尺/天
b.HLR= 流量/面积=200立方英尺/66.6平方英尺=3.33英尺/天 潜流型湿地：a的砂砾床容易被堵 表流型湿地：a的固体物积累比需氧消化更快。
表流型湿地中，植物和细菌生长至死亡，然
后以还原态的有机物形式积累在湿地的底部， 逐渐转化为泥炭，最终成为煤。
潜流型湿地中，植物残骸积聚在砂砾床的表
面，逐步分解为各种有机物质，有机物还会以 难降解的形式（长链少氧的有机分子）存在于 砂砾层的孔隙中。
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• 氮的去除途径更复杂，季节性影响更明显。 氨态氮的去除不仅与温度有关，也与季节 有关。 • 植物秋天死亡，在冬天积累，到了春天， 当水温升高，细菌活动增加时，它们会释 放出氨。
可使废水流过的小孔，会提高土壤的多孔性，使废水适度流
动。实践发现，由于土壤的透水性不够，废水流过土壤表面 时产生了很多问题。
平流系统能有效降低生化耗氧量，减少悬浮固体，但由于它
们相对缺氧，所以这类系统要改进氨的硝化问题。它去除病 原体的效果极佳。
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垂直流人工系统：以间歇的剂量将废水施用于床表面， 废水垂直渗透过多为砂砾的基质。
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上图为湿地抽水后准备进行种植。
覆盖表层土或其他添加物
湿地沙砾床的表面应该加以覆盖，为新生
根的植物提供隔热保护层。 表流型湿地中，为了保护幼苗，应逐渐升 高水位。
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度量种植深度
在进行种植前，应先测量湿
地的深度，以确定湿地景观
带的设计深度。此外，种植
区域的边缘地带应该进行标
记，以便工作人员在适当的
微生物的相互影响非常复杂，没有统一的模
型，通常采用黑箱原理来描述湿地过程。
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如图，碳的流动途径只有三条： a.出水中残留的溶解性和难溶性有机物 b.转化返回大气中的气态化合物 c.保留在湿地中的固体有机物
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固体有机物的积累在两种类型的湿地中有不同 的结果。大部分碳水化合物变成植物、细菌或 其他微生物体物质，形成食物链的基础物质。
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6、水流收集和水位调节设施 水流收集和水流分配过程刚好相反，因此 同样的管道系统可以反向安装。
水位调节设施设计的目标是使操作者能将
湿地床的水位调节到理想的高度，并按
要求提供水力梯度。
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7、其他结构组成 （1）残渣物格栅 表面流湿地的植株落叶或整个植株会顺 流进入收集管或出水口，导致堵塞，格 栅可以阻挡和清除残渣物质。
区域种植合适的植物。
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建立一个健康的多样的湿地群落
在湿地的设计与构建过程中，建立一个健康的
多样的湿地群落是一个关键的步骤。
选择2－3种密集生长、具有竞争力的种类，
再增加几种其他的湿地种类以增加多样性。 在可能的条件下，利用湿地种子库提高多样性。
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湿地建设的种子库的构建
湿地覆盖土壤6英尺以上，会有将近20种
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（一）水力学
水力负荷：湿地在一定的时间内处理一定 量的废水的能力。 如一片人工湿地的水力负荷可以被描述成 日处理能力1万加仑，水流滞留时间 （HRT）3.5天。
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水流滞留时间：一个水分子从湿地的一端流到另
一端所需时间的期望平均值。
自然湿地系统：水流滞留时间的变化很大。湿地 所占面积和深度将随季节而变化。 雨水径流的处理：湿地的面积可以波动。 废水的处理：水流滞留时间可以较精确地计算出 来。这对于确定预期的处理效果很重要。
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（2）湿地床设计 湿地床的准备是一个前期的工作。在这个过程 中，前期的计划及细节的考虑能充分地提高植 物地存活率。以下几个步骤，能使植物长期存 活。
• 覆盖表层土或其他添加物
• 蓄水一段时间以核实种植深度 • 度量种植深度 • 控制水位，优先进行种植
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永久性塘的水不需要抽干，在边缘就可进行种植。
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早期的废水处理设计模仿又长又窄的自然水流路线。
在表流型湿地的前端，有机颗粒物被沉淀下来，
由于浓度太大而导致有臭味。
在潜流型湿地中，砂砾床的前端被固体物堵塞，
废水开始从表面上流过，通常会影响滞留时间和
处理效果。
10
33.3
100
10 33.3
a（1000平方英尺）
b（1000平方英尺）
相同面积不同边长两种方案比较图 深度：2英尺 总容量：2000立方英尺。 每天将200立方英尺的水引入，10天湿地被装满，水开始 外流。 水滞留时间（HRT) = 容量/流量=10天 水力负荷率（HLR）= 流量/面积=0.2英尺/天 流速： a 100/10=10英尺/天 b 33. 3/10= 3.3英尺/11 天
物种出现。
也可以选择在沼泽上覆土或覆盖物3-6英寸
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进行湿地规划时， 时间的选择非常 关键，要确保来 自植物预备库的
植物尽快移植。
即将要移植的植物
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将不同的种类进行分类，确保在设计种植区域内选择准确的种类。
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人工湿地中普遍应用的三种植物是香蒲、 芦苇、藨草。 实践中可以选用拟建造湿地地区的一些适 生的硬秆植物。从当地苗圃或附近的排 水沟或灌溉渠边筛选的植物可以保证其 遗传性状适应本地的气候条件。
弹性大，但抗紫外光降解的能力差，使用
时必须加覆盖层避免材料降解。
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（2）聚乙烯：线型低密度聚乙烯和高密度
聚乙烯。安装难度大，抗刺破性差，但
抗紫外性好，修补容易，并且生产过程
不需要氯气，相对环保。价格稍贵。
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（3）聚丙烯：抗刺破性能最好，抗摩擦性 能良好，抗紫外光性能优良，制造不需 要氯气，是三种产品中最环保的，但价 格最贵。
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移植苗的选择： 通常采用已经生根的大约30~40cm高的香 蒲、芦苇和藨草的幼苗作为移植苗。这
些幼苗运送时应该装在温度较低且潮湿
的箱子里，保持根部的湿润。每株幼苗
必须至少有一个明显的可发育的芽梢。
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种植时期的选择
植物的种植最好在早春，并且在废水引入
湿地至少一个半月之前。 夏末秋初的种植很困难，因为在插条栽植 或苗木移植过程中植物组织会受到一定程度的 损伤，受损部位难以在寒冷之前恢复，可以考 虑过了初霜期再种植，使植物进入休眠期。
第四章
人工湿地的设计、运行和维护
一、设计原理 二、潜流型人工湿地
三、表流型人工湿地
四、建造过程
五、运行和维护需要考虑的事项
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一、湿地设计原理
人工湿地的设计原理是基于水力负荷、滞 留时间、面积负荷率、水温及植被密度。 即湿地每天处理水、肥料和有机物的能力
取决于其面积的大小。
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不同来源、不同组成污染物的实际处理过程 非常复杂，要涉及到大量种类的微生物、 植物和动物的相互影响。