生态工程课件第五章水体修复-人工湿地
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系统总体布置应充分利用自然环境的有利条件，总体布置应紧凑合理。多单元湿 地系统高程设计应尽量结合自然坡度，能够使水自流，需提升时，宜一次提升
土地面积
场地选择
• F——工程所需占地面积，ha； • Q——平均流量，m3/dL——水力负荷，m/周； • P——运行时间（全年运行周数．周/a）; • δ——换算系数，取值0.0365，仅考虑处理储存用地，而不包括其他附属设施的最小土地需求量
一级反应动力学常数 有机质含量(%) 土壤结构 植被组成
最大生物量(g·m-2·d-1) 溶解氧(mg·L-1)等化学指标
吨水投资(元/吨)
吨水处理费用(元/吨)
参考值 Reference Value 0.3-0.6；0.1-0.8
20-40 2-5 5-21
90 (COD, BOD)；15-35 (N, P) 2-40 (Fe)
原生活污水、城镇综合污水经复合垂直流人工湿地处理后 基本达到一级排放A标准
受污染地面水经处理后主要水质指标可提高一至二个等级
净化机制
• 基质吸附、积累 • 植物吸收 • 根区微生物、酶分布 • 植物输氧作用 • 植物相生相克作用 • 水力学特征及降解动力学
微生物
基质
人工湿地 “黑箱效应”
基质吸附、矿化 植物吸收 植物气体代谢 植物化感 微生物 酶与生物膜 水力学
域易结冰
潜流湿地（SSFW）
由一个或者几个池体或渠道组成，必要时在底部铺设防水 材料以防止污水下渗
池中往往填有大量的碎石、卵石、砂等多孔基质材料，基 质表面栽种植物
污水在基质间渗流
优点：负荷较大，耐冲击，占地面积小，处理污水效率高； 由于水流在基质中，避免了表面流的蚊蝇
缺点：建造、维护费用较表面流高
选址必须进行工程地质、水文地质等方面的勘测及环境影响评价，鉴于人工湿地 生态系统的特殊性，评价过程中必须将其纳入整个城市生态系统范围内。
系统所在位置具有良好的土质，湿地基质宜就地取材。当采用人工填料时，场地 周边应具有良好的交通运输条件。
选址必须考虑防洪排洪设施，当选择行（泄）洪区作为湿地构建区域时应当持慎 重态度，并符合该地区防洪标准的规定。当系统处于滩涂地时，还应考虑潮汐和 风浪的影响。
根据施工中发现的问题对设计做相应的修改 包括田间工程：土地修整、修建沟垄、建立植物系统
系统管理与监测
场地选择
必须符合城市整体规划与区域规划的要求；同时应贯彻近期为主，远期发展扩建 的原则。因地制宜的选择废旧河道、池塘、沟谷、沼泽、荒地、盐碱地、滩涂等 闲置用地。
选址宜在城镇水源下游，并宜在夏季最小风频的上风侧，与居民居住区保持适当 的卫生防护距离。
主体设计-人工湿地面积计算
植物需氧量计算 处理污水的需氧量可按下式估算：
R0 = 1.5L0
• R0 — 处理污水的需氧量(kg／d) • L0 — 每日需要去除的BOD5量(kg／d)
植物的供氧能力RO’为：
R0’= (T0·As)/1000
R0’——水生植物的供氧能力(kg／d)； T0——植物的输氧能力(g/m2·d)；通常人工湿地水生植物的输氧能力约为 5~45g
化学指标 Chemical index
基质指标 Index of substrate
生物指标 Biological index
经济学指标 Economic imdex
主要设计参数
要素 Element 水深（m） 年水力负荷(m·yr-1) 天水力负荷(cm·m-2d-1)
水力停留时间(d)
化学去除效率(%) 化学负荷率(g·m-2·d-1)
，但实际工程占地还应包括道路、建筑物以及缓冲带和未来发展
• A——人工湿地面积，ha • K——系数，6.67×10-3 • Q——设计流量，m3/ｄ
A＝KQ
预处理工艺
美国环保局对土地处理不同工艺都提出了预处理准则，结合湿地处理的特点， 下述准则是应该遵守的(EPA, 1993)： 1）初级（一级）处理。适用于禁止或限制公众通行地区。 2）用塘或生物处理（非植物性）预处理工艺，将大肠菌数控制到少于 1000MPN/100mL。 3）在禁止或限制公众通行的市郊处理场所，可以采用氧化塘或非植物过程的生物 处理。
----折向流、波形流…
表面流湿地（SFW，FWSW）
一个或者几个池体或渠道组成，池体或渠道间设隔墙分隔， 有时底部铺设防水材料以防止污水下渗，保护地下水
池中一般填基质供水生植物固定根系 水流缓慢，水位较浅，一般在0.1m至0.6m之间
优点：设计简单，投资少 缺点：污染负荷小，散发气味，夏季易孳生蚊蝇，冬季有些区
3、人工湿地净化效果与机理
----一种复合垂直流人工湿地为例
BOD周年监测结果(去除率 78-99％)
浓度（mg/L）
12
进水
出水
10
8
6
4
2
0
6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月
时间
COD周年监测结果（去除率 60-90％）
100
浓度 (mg/L)
80
主体设计-尺寸
表面流湿地 水头损失平衡方程式
Q =aWhb (dH/dx) c
• a,b,c——阻力系数，为常数； 建议数值为：a＝1×107 m/d（密集植被）；a＝5×107 m/d（稀疏植被）；b＝3, c＝1
15-75 泥炭层＋粘土 芦苇、香蒲、藨草等
100-900 2-15
200~1200 0.03~0.32
选址
确定系统组合形式 确定水力负荷 选择植物 计算表面积
确定长宽比
整体设计 结构设计 编制施工计划 修改设计
施工 试运行 完成竣工图交付使用
设计基本流程
考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关的法律及公 众意见等
一般来说，人工湿地从生态学原理出发，模仿自然生态系
统，人为地将土壤、沙、石等材料按一定比例组成基质，并栽
种经过选择的耐污植物，培育多种微生物，组成类似于自然湿
地的新型污水净化系统。
建造人工湿地的目的很多，有的用于生物多样性保护，有 的用于放牧，有的用于养殖，有的用于水资源调配，有的用于 休闲娱乐等，但更多的是用于污水处理。
1、人工湿地概念与类型 2、人工湿地发展概况 3、人工湿地的净化效果与机制 4、人工湿地的设计 5、人工湿地的应用
1、人工湿地概念与类型
人工湿地也叫构筑湿地，构建湿地 Constructed Wetland Artificial Wetland Manmade Wetland Treatment Wetland Engineered Wetland 芦苇床系统(Reed Bed System) 根区法(Root Zone Method, RZM) 植被滤床(Vegetated Filter Bed)
可分为下行流人工湿地(Down Flow Constructed Wetland)和 上行流人工湿地(Up Flow Constructed Wetland) 两个基本型
2、人工湿地发展概况
采用湿地净化水体并非是一个新发明，当人们开始排放污水时， 湿地就开始用于净化污水。
污水直接或间接流入洼地，就导致处理污水的湿地形成
O2/(m2·d)，一般可以采用20g O2／(m2·d)计算。
主体设计-分区
主体设计-尺寸
表面流湿地 水量平衡方程式
uhW = Q =Qi+ (P-ET) W x
• u——湿地中水的流速，m/d； • x——水流路程中的距离，m； • W——湿地中自由水面的宽度，m； • Q——湿地中自由水面的流量，m3/d； • Qi——进入湿地的水流量，m3/d； • P——湿地区域中降雨量，m/d； • h——湿地水深，m； • ET——蒸发散失量，m/d；
“环境生态工程”课程 05030901
第五章 水体修复生态工程
--人工湿地
成水平 shpcheng@tongji.edu.cn 同济大学环境科学与工程学院
第五章 水体修复生态工程
一、人工湿地污水处理工程 二、其他水处理生态工程 三、河流治理生态工程 四、湖泊治理生态工程 五、景观水体生态工程
一、人工湿地污水处理工程
布配水 植物
4、人工湿地设计
设计基本原则
湿地系统整体保护性原则 系统结构重建与功能恢复原则 湿地系统协调共生原则 生态系统多样性与系统性原则 最小干扰与安全性原则 设计结合自然原则 湿地系统自组织及反馈调整设计 地域性原则 综合利用与经济性原则
指标类型 Index Type
水文指标 Hydrological index
水平潜流湿地（HFW）
污水从一端进入湿地，以水平流动的方式经过湿地中的基 质孔隙，从另一端流出
污染物质在植物、微生物以及基质的共同作用下，通过一 系列复杂的物理、化学以及生物作用得以去除
垂直潜流湿地（VFW）
水平流湿地之后发展起来的，由于其系统内部的充氧更充 分，有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行
Leabharlann Baidu 很早以前就有使用，但文献报道在1904年发表的一篇文章中提 及
1900s，美国麻萨诸塞州利用香蒲沼泽地进行废水处理, 总体上 对磷的去除率可达68%
1960s，欧洲德国、荷兰开发人工湿地处理污水（根区法）
我国的人工湿地研究概况
人工湿地研究开始较晚，直到“七五”期间才开始了对人工湿 地的系统研究，并于1990年在北京昌平建成我国首例人工湿地 污水处理系统。
浓度 (mg/L)
0.8
0.7
出水
进水
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月
时间
该复合垂直流人工湿地不仅能有效降低污水中悬浮物、有 机污染物、氮和磷；还能削减水体中病原菌、重金属、藻 毒素和外源生物活性物质、环境激素类物质等
在自然湿地降解污水的基础上发展起来的污水处理生态工 程技术，是一种由人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的地 面，利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用 来实现对污水的净化—-污水生态处理技术。
自然湿地
水平流
湿
地
潜流
下行流
人
垂直流
工
湿
地
上行流
表面流
……以及各种组合的人工湿地
通常根据水流的行径来进行的，通常分为： 表面流湿地（surface flow wetland） 潜流湿地（sub-surface flow wetland） 水平潜流湿地（horizontal subsurface constructed wetland ） 垂直流湿地（vertical flow wetland）
根据场地特征、处理要求和所处理的污水性质而确定 根据文献以及相关的条件要求，而定，取值范围0.8－62cm/d 根据有关植物的耐污和去污能力报告选样。选择当地优势植物如芦苇、水 葱、香蒲等 As＝Q/α ；As为表面积，Q为进水流量，α为水力负荷
•表面流湿地：长宽比10:1或更大，根据地形来确定，底坡降0％－1％。 •潜流湿地：根据达西定律或厄刚公式确定过水断面面积，根据植物种类确定 基质深度，计算断面宽度，校核长宽比﹝< 3:1﹞ 包括占地面积、单池尺寸、基质、布水深度、停留时间、进出水系统、植物 选择等。 进出水控制系统、监控装置及堤、坝、堰、沟等
1990年7月，在深圳白泥坑建造了处理规模为3100m3/d的人工 湿地示范工程，采用潜流湿地与稳定塘相结合的形式
二十一世纪以来，得到充分的发展与应用
目前湿地处理的对象已经扩大到从城市污水和生活污水处理扩 展到治理湖泊富营养化水体、工业废水处理、垃圾渗滤液处理、 暴雨径流控制、面源污染治理等，人工湿地在国内逐步从研究 走向大规模推广应用
水力负荷计算
主体设计-人工湿地面积计算
• As—人工湿地的表面积(m2)； • Q—污水的设计流量(m3/d)； • α—人工湿地的水力负荷(mm/d)
BOD5降解计算
As=kQ (lnC0- lnCt)
•As — 人工湿地的表面积(m2) •K — 污水BOD5一级降解反应速率常数, k=6.5-93.7(m/d) •Q — 污水的设计流量(m3/d) •C0 — 进水平均BOD5浓度(mg/L) •Ct — 出水平均BOD5浓度(mg/L)
出水
进水
60
40
20
0
6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月
时间
氨氮周年监测结果（去除率 82-99％）
浓 度 （ mg/L）
14
进水
12
出水
10
8
6
4
2
0
6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月
时间
总磷全年监测结果（去除率 54-90％ ）
土地面积
场地选择
• F——工程所需占地面积，ha； • Q——平均流量，m3/dL——水力负荷，m/周； • P——运行时间（全年运行周数．周/a）; • δ——换算系数，取值0.0365，仅考虑处理储存用地，而不包括其他附属设施的最小土地需求量
一级反应动力学常数 有机质含量(%) 土壤结构 植被组成
最大生物量(g·m-2·d-1) 溶解氧(mg·L-1)等化学指标
吨水投资(元/吨)
吨水处理费用(元/吨)
参考值 Reference Value 0.3-0.6；0.1-0.8
20-40 2-5 5-21
90 (COD, BOD)；15-35 (N, P) 2-40 (Fe)
原生活污水、城镇综合污水经复合垂直流人工湿地处理后 基本达到一级排放A标准
受污染地面水经处理后主要水质指标可提高一至二个等级
净化机制
• 基质吸附、积累 • 植物吸收 • 根区微生物、酶分布 • 植物输氧作用 • 植物相生相克作用 • 水力学特征及降解动力学
微生物
基质
人工湿地 “黑箱效应”
基质吸附、矿化 植物吸收 植物气体代谢 植物化感 微生物 酶与生物膜 水力学
域易结冰
潜流湿地（SSFW）
由一个或者几个池体或渠道组成，必要时在底部铺设防水 材料以防止污水下渗
池中往往填有大量的碎石、卵石、砂等多孔基质材料，基 质表面栽种植物
污水在基质间渗流
优点：负荷较大，耐冲击，占地面积小，处理污水效率高； 由于水流在基质中，避免了表面流的蚊蝇
缺点：建造、维护费用较表面流高
选址必须进行工程地质、水文地质等方面的勘测及环境影响评价，鉴于人工湿地 生态系统的特殊性，评价过程中必须将其纳入整个城市生态系统范围内。
系统所在位置具有良好的土质，湿地基质宜就地取材。当采用人工填料时，场地 周边应具有良好的交通运输条件。
选址必须考虑防洪排洪设施，当选择行（泄）洪区作为湿地构建区域时应当持慎 重态度，并符合该地区防洪标准的规定。当系统处于滩涂地时，还应考虑潮汐和 风浪的影响。
根据施工中发现的问题对设计做相应的修改 包括田间工程：土地修整、修建沟垄、建立植物系统
系统管理与监测
场地选择
必须符合城市整体规划与区域规划的要求；同时应贯彻近期为主，远期发展扩建 的原则。因地制宜的选择废旧河道、池塘、沟谷、沼泽、荒地、盐碱地、滩涂等 闲置用地。
选址宜在城镇水源下游，并宜在夏季最小风频的上风侧，与居民居住区保持适当 的卫生防护距离。
主体设计-人工湿地面积计算
植物需氧量计算 处理污水的需氧量可按下式估算：
R0 = 1.5L0
• R0 — 处理污水的需氧量(kg／d) • L0 — 每日需要去除的BOD5量(kg／d)
植物的供氧能力RO’为：
R0’= (T0·As)/1000
R0’——水生植物的供氧能力(kg／d)； T0——植物的输氧能力(g/m2·d)；通常人工湿地水生植物的输氧能力约为 5~45g
化学指标 Chemical index
基质指标 Index of substrate
生物指标 Biological index
经济学指标 Economic imdex
主要设计参数
要素 Element 水深（m） 年水力负荷(m·yr-1) 天水力负荷(cm·m-2d-1)
水力停留时间(d)
化学去除效率(%) 化学负荷率(g·m-2·d-1)
，但实际工程占地还应包括道路、建筑物以及缓冲带和未来发展
• A——人工湿地面积，ha • K——系数，6.67×10-3 • Q——设计流量，m3/ｄ
A＝KQ
预处理工艺
美国环保局对土地处理不同工艺都提出了预处理准则，结合湿地处理的特点， 下述准则是应该遵守的(EPA, 1993)： 1）初级（一级）处理。适用于禁止或限制公众通行地区。 2）用塘或生物处理（非植物性）预处理工艺，将大肠菌数控制到少于 1000MPN/100mL。 3）在禁止或限制公众通行的市郊处理场所，可以采用氧化塘或非植物过程的生物 处理。
----折向流、波形流…
表面流湿地（SFW，FWSW）
一个或者几个池体或渠道组成，池体或渠道间设隔墙分隔， 有时底部铺设防水材料以防止污水下渗，保护地下水
池中一般填基质供水生植物固定根系 水流缓慢，水位较浅，一般在0.1m至0.6m之间
优点：设计简单，投资少 缺点：污染负荷小，散发气味，夏季易孳生蚊蝇，冬季有些区
3、人工湿地净化效果与机理
----一种复合垂直流人工湿地为例
BOD周年监测结果(去除率 78-99％)
浓度（mg/L）
12
进水
出水
10
8
6
4
2
0
6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月
时间
COD周年监测结果（去除率 60-90％）
100
浓度 (mg/L)
80
主体设计-尺寸
表面流湿地 水头损失平衡方程式
Q =aWhb (dH/dx) c
• a,b,c——阻力系数，为常数； 建议数值为：a＝1×107 m/d（密集植被）；a＝5×107 m/d（稀疏植被）；b＝3, c＝1
15-75 泥炭层＋粘土 芦苇、香蒲、藨草等
100-900 2-15
200~1200 0.03~0.32
选址
确定系统组合形式 确定水力负荷 选择植物 计算表面积
确定长宽比
整体设计 结构设计 编制施工计划 修改设计
施工 试运行 完成竣工图交付使用
设计基本流程
考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关的法律及公 众意见等
一般来说，人工湿地从生态学原理出发，模仿自然生态系
统，人为地将土壤、沙、石等材料按一定比例组成基质，并栽
种经过选择的耐污植物，培育多种微生物，组成类似于自然湿
地的新型污水净化系统。
建造人工湿地的目的很多，有的用于生物多样性保护，有 的用于放牧，有的用于养殖，有的用于水资源调配，有的用于 休闲娱乐等，但更多的是用于污水处理。
1、人工湿地概念与类型 2、人工湿地发展概况 3、人工湿地的净化效果与机制 4、人工湿地的设计 5、人工湿地的应用
1、人工湿地概念与类型
人工湿地也叫构筑湿地，构建湿地 Constructed Wetland Artificial Wetland Manmade Wetland Treatment Wetland Engineered Wetland 芦苇床系统(Reed Bed System) 根区法(Root Zone Method, RZM) 植被滤床(Vegetated Filter Bed)
可分为下行流人工湿地(Down Flow Constructed Wetland)和 上行流人工湿地(Up Flow Constructed Wetland) 两个基本型
2、人工湿地发展概况
采用湿地净化水体并非是一个新发明，当人们开始排放污水时， 湿地就开始用于净化污水。
污水直接或间接流入洼地，就导致处理污水的湿地形成
O2/(m2·d)，一般可以采用20g O2／(m2·d)计算。
主体设计-分区
主体设计-尺寸
表面流湿地 水量平衡方程式
uhW = Q =Qi+ (P-ET) W x
• u——湿地中水的流速，m/d； • x——水流路程中的距离，m； • W——湿地中自由水面的宽度，m； • Q——湿地中自由水面的流量，m3/d； • Qi——进入湿地的水流量，m3/d； • P——湿地区域中降雨量，m/d； • h——湿地水深，m； • ET——蒸发散失量，m/d；
“环境生态工程”课程 05030901
第五章 水体修复生态工程
--人工湿地
成水平 shpcheng@tongji.edu.cn 同济大学环境科学与工程学院
第五章 水体修复生态工程
一、人工湿地污水处理工程 二、其他水处理生态工程 三、河流治理生态工程 四、湖泊治理生态工程 五、景观水体生态工程
一、人工湿地污水处理工程
布配水 植物
4、人工湿地设计
设计基本原则
湿地系统整体保护性原则 系统结构重建与功能恢复原则 湿地系统协调共生原则 生态系统多样性与系统性原则 最小干扰与安全性原则 设计结合自然原则 湿地系统自组织及反馈调整设计 地域性原则 综合利用与经济性原则
指标类型 Index Type
水文指标 Hydrological index
水平潜流湿地（HFW）
污水从一端进入湿地，以水平流动的方式经过湿地中的基 质孔隙，从另一端流出
污染物质在植物、微生物以及基质的共同作用下，通过一 系列复杂的物理、化学以及生物作用得以去除
垂直潜流湿地（VFW）
水平流湿地之后发展起来的，由于其系统内部的充氧更充 分，有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行
Leabharlann Baidu 很早以前就有使用，但文献报道在1904年发表的一篇文章中提 及
1900s，美国麻萨诸塞州利用香蒲沼泽地进行废水处理, 总体上 对磷的去除率可达68%
1960s，欧洲德国、荷兰开发人工湿地处理污水（根区法）
我国的人工湿地研究概况
人工湿地研究开始较晚，直到“七五”期间才开始了对人工湿 地的系统研究，并于1990年在北京昌平建成我国首例人工湿地 污水处理系统。
浓度 (mg/L)
0.8
0.7
出水
进水
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月
时间
该复合垂直流人工湿地不仅能有效降低污水中悬浮物、有 机污染物、氮和磷；还能削减水体中病原菌、重金属、藻 毒素和外源生物活性物质、环境激素类物质等
在自然湿地降解污水的基础上发展起来的污水处理生态工 程技术，是一种由人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的地 面，利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用 来实现对污水的净化—-污水生态处理技术。
自然湿地
水平流
湿
地
潜流
下行流
人
垂直流
工
湿
地
上行流
表面流
……以及各种组合的人工湿地
通常根据水流的行径来进行的，通常分为： 表面流湿地（surface flow wetland） 潜流湿地（sub-surface flow wetland） 水平潜流湿地（horizontal subsurface constructed wetland ） 垂直流湿地（vertical flow wetland）
根据场地特征、处理要求和所处理的污水性质而确定 根据文献以及相关的条件要求，而定，取值范围0.8－62cm/d 根据有关植物的耐污和去污能力报告选样。选择当地优势植物如芦苇、水 葱、香蒲等 As＝Q/α ；As为表面积，Q为进水流量，α为水力负荷
•表面流湿地：长宽比10:1或更大，根据地形来确定，底坡降0％－1％。 •潜流湿地：根据达西定律或厄刚公式确定过水断面面积，根据植物种类确定 基质深度，计算断面宽度，校核长宽比﹝< 3:1﹞ 包括占地面积、单池尺寸、基质、布水深度、停留时间、进出水系统、植物 选择等。 进出水控制系统、监控装置及堤、坝、堰、沟等
1990年7月，在深圳白泥坑建造了处理规模为3100m3/d的人工 湿地示范工程，采用潜流湿地与稳定塘相结合的形式
二十一世纪以来，得到充分的发展与应用
目前湿地处理的对象已经扩大到从城市污水和生活污水处理扩 展到治理湖泊富营养化水体、工业废水处理、垃圾渗滤液处理、 暴雨径流控制、面源污染治理等，人工湿地在国内逐步从研究 走向大规模推广应用
水力负荷计算
主体设计-人工湿地面积计算
• As—人工湿地的表面积(m2)； • Q—污水的设计流量(m3/d)； • α—人工湿地的水力负荷(mm/d)
BOD5降解计算
As=kQ (lnC0- lnCt)
•As — 人工湿地的表面积(m2) •K — 污水BOD5一级降解反应速率常数, k=6.5-93.7(m/d) •Q — 污水的设计流量(m3/d) •C0 — 进水平均BOD5浓度(mg/L) •Ct — 出水平均BOD5浓度(mg/L)
出水
进水
60
40
20
0
6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月
时间
氨氮周年监测结果（去除率 82-99％）
浓 度 （ mg/L）
14
进水
12
出水
10
8
6
4
2
0
6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月
时间
总磷全年监测结果（去除率 54-90％ ）