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2021年福州人工湿地iii.jpg

人工湿地（CW）或人工湿地是经过设计和建造的工程湿地生态系统，旨在利用自然湿地过程去除污染物。这些系统模仿水生植物、土壤和相关微生物的沼泽，但利用受控环境来处理废水。湿地已显示出以美观、可持续和经济的方式实现这一目标的能力。[1]然而，它们需要大面积的土地、持续的维护和技术操作知识。[1]

历史

自污水收集以来，天然湿地一直被用作污水排放场。早在 20 世纪 50 年代，人工湿地的水处理能力被发现后，人们就开始了利用和评估人工湿地的早期研究工作。[2]德国普隆马克斯·普朗克研究所的 Kathe Seidel 博士测试了芦苇处理废水的能力。她的发现导致 1974 年在德国 Liebenburg-Othfresen 社区首次采用地下连续水处理城市废水。[3]第一个自由水面污水处理厂于1967年在荷兰实施。该系统呈星形布局，被称为“人工污水场”。[3] 20世纪后期，化学武器在欧洲和北美越来越受欢迎。传统上，CW 被用于处理污水，但自 20 世纪 80 年代末以来，已被用于处理各种废水类型，如农业径流、雨水滞留、酸性煤矿排水、金属矿井排水、奶牛牧场径流、动物粪便、炼油厂、造纸和纸浆加工、虾养殖、垃圾渗滤液、糖厂、冶金工业、生活废水和农业废水。[3] [1]在发展中社区，它们可用于处理灰水或用作生活污水的二级处理。

设计

人工湿地处理系统一般分为两类：地下水流系统和自由水面流系统。自由水面（FWS）系统是具有缓慢流动的浅表水的种植盆地，处理过程通过植被、自然存在的微生物和污染物之间的相互作用进行。[4]地下水流 (SSF) 系统设计为通过可渗透介质（通常为沙子、砾石或碎石）的水平或垂直地下水流。水平流 (HF) 或垂直流 (VF) 的两种地下类型都涉及覆盖有大型植物的可渗透土壤的平床。对于 HF 系统，进水在湿地单元起始处进入床表面下，并利用压力和重力水平流过。对于 VF 系统，废水从顶部进入，然后逐渐向下渗透到床层，并由底部的排水网络收集。[5] SSF 系统允许过滤一些植物吸收的污染物。地下湿地的优点包括将气味或昆虫媒介的风险降至最低。此外，SSF 介质为污染物过滤和处理提供了更大的表面积，并可在较冷的环境中提供更好的热保护。FWS 湿地的优点包括：降低建设成本、降低堵塞风险、缩短植物初始发育时间以及增加养分吸收所需的有氧条件。[6] [7]

设计注意事项

人工湿地设计最重要的考虑因素包括水文、流域形态、化学负荷、土壤和植被。[8]

水文学

水文是湿地设计中最重要的变量之一。用于描述处理湿地水文条件的一些主要参数包括深度、水力负荷率和保留时间。[9]水力负荷率是单位面积上每次废水的流量，滞留时间是水通过系统的时间。系统效率随着停留时间的延长和水力负载率的降低而提高。[10]地下流湿地的设计应允许控制洪水至 15 厘米，以促进理想的植物生长并控制杂草。系统的深度不仅对处理效率很重要，而且对安全性也很重要。SSF 系统中的水必须足够高，以到达植物根系，并且足够低，以免淹没系统，从而形成蚊子滋生地。[11]

盆地形态

流域形态是指湿地中创造一定流动条件的形状和坡度。可以计算流量条件，使整个湿地有效去除养分。为了获得适当的滞留时间，不应存在污染物可能流经的捷径。[8] FWS 湿地的建议长:宽纵横比为 5:1 至 10:1。床底坡度应>3%。SSF 湿地的建议纵横比在 0.25:1 至 1:1 范围内。床底品位应>0.5%。[12]

化学负荷

当水流入湿地时，它会带来可能有益或有害湿地功能的化学物质。污水处理厂的进水通常经过一级处理。这需要清除大量固体废物、沉淀重悬浮固体以及均衡废水流量和质量。全球小型化粪池最常见的初级处理方法是化粪池。[13]废水进水仍含有高浓度的氮、磷、生物需氧量（BOD）和悬浮固体等营养物质。[8]该系统可以设计为去除一定比例的这些污染物。

土壤

土壤对于人工湿地的整体功能非常重要，因为它支持有根植被，有助于在入口/出口均匀分配/收集流量，为微生物生长提供表面积，并且对于地下流湿地来说，土壤是湿地的重要组成部分。治疗过程。[14] [8]地表流（FWS）湿地土壤通常在去除污染物方面不太重要，但与自然湿地更相似。通常，对于 FWS 湿地，淤泥粘土或壤土是首选。对于SSF湿地，优先选择高渗透性；材料应为沙子或砾石。[8] CW系统的入口和出口含有一些土壤和岩石，它们作为分布介质，均匀地分布和收集进水和出水。分布介质通常是粗粒的流域岩石。

植被

湿地植被主要由大型植物或生长在水中或水附近的水生植物组成。与自然湿地相比，CW 中的植被必须能够在污染物浓度高的水域中生存。相对较少的植物能够在这些高营养、高生化需氧量的废水中茁壮成长。[15]此外，植被应符合以下标准：使用当地现有的大型植物物种；强大的根系和重新种植的能力；大的生物量和茎密度，以实现最大程度的水分运动和养分去除；微生物生长所需的最大表面积；有效地将氧气输送到根部区域以促进反应。[13]香蒲、芦苇和芦苇是最常用的化学水植物。大型植物可以是自由漂浮的、挺水的或沉水的。SSF 湿地仅限于挺水植物，而 FWS 湿地通常使用自由漂浮、挺水和沉水植物的组合。[8]选择适合这种环境的植物很重要；然而，人们发现去除率与植物种类之间几乎没有关系。[10] [16] [7]植物在SSF湿地中的实际效果一直存在争议。[4]一般来说，湿地植物在 BOD 和病原体去除方面提供了改善，尽管效果很小。然而，它们增强了营养物的去除，尽管主要是通过间接方式。除非养分负荷非常低，否则植物直接吸收的净去除量通常只占总去除量的一小部分。植物主要通过向土壤传输氧气和提供有机物来增强营养过程（例如硝化和反硝化）来影响处理性能。[17]

关键部件

进口

进水口在湿地入口处释放和分配流入废水。FWS 或 HF SSF 湿地的入口结构包括穿孔或开槽 PVC 管道或垂直于水流方向的明沟，进水被释放到分配介质上以进一步分散和降低速度，从而在整个湿地宽度内形成均匀的水流细胞。在 VF SSF 湿地中，在河床上方铺设网格状的管道或沟渠，并将进水向下释放到基质中。该介质将有助于水在整个床中的扩散，但重要的是入口网格尽可能均匀分布。管道尺寸、孔口直径和间距由设计流量决定。[13]

出口

出口允许污水排出并有助于控制水深。在 FWS 或 HF SSF 湿地中，大多数系统都有封闭在排水场岩石中的垂直穿孔或开槽管道。集水坑可位于出口下游以控制水位。在 VF SSF 系统中，收集系统可以是排水场岩石中的管道网格网络。该系统的集水坑可以让土床完全排水。[13]出水口可将污水排放至土壤渗透系统或地表水体。[18]

衬垫

位于系统底部的衬里将废水保留在系统内，并将地下水保留在系统之外。如果土壤是粘土且不透水，则可能不需要衬垫。然而，如果土壤的固有渗透率大于10-6 m/s，则必须对湿地进行衬砌。有几种衬里系统的选项。30 密耳 PVC 内衬是最常见且最可靠的选择。发展中国家有 10-2000 万个内衬。[12]不建议使用土工合成粘土衬垫，因为它们可能会破裂。[11]另一种选择是通过将波特兰水泥或膨润土与土壤混合并现场压实来降低土壤渗透性。[13]

护堤

系统两侧的护堤有助于将废水控制在系统内。此外，这些护堤很重要，因为它们的设计目的是为了防止危险废水泛滥。护堤通常具有高于水面约 0.6 至 0.9 米的干舷。护堤的两侧都有一个长满草的斜坡，上面覆盖着像粘土一样坚固的土壤。护堤顶部常常有一条宽约三米的碎石路。坡面植草率应大于3：1。在护堤内，通常会塞入 PVC 衬里，以防止废水从人工湿地中漏出。

理论

FWS 湿地可设计为垂直于水流路径的三个不同区域。第一个区域较浅且植被茂盛，可去除悬浮固体和 BOD。第二个区域更深，有开放水域，以便进行曝气和硝化。第三个区域也很浅并且有植被以进行反硝化。这种交替植被和开放水域的方法显着改善了营养物的去除。[19]

如何使用 Kadlec 和 Knight 模型确定自由水面湿地的大小[2] [12]

  • 1. 确定 BOD、氮或病原体的限制废水要求。
  • 2. 使用以下公式计算 BOD、氮或病原体的表面积。最大表面积将作为对照。
A=L瓦=0.0365问kt我nC我-C*Ce-C*{\displaystyle \,A=LW={\frac {0.0365Q}{k_{t}}}ln{\frac {Ci-C*}{Ce-C*}}}{\displaystyle \,A=LW={\frac {0.0365Q}{k_{t}}}ln{\frac {Ci-C*}{Ce-C*}}}
k时间=k20θ时间-20{\displaystyle \,k_{T}=k_{20}\theta ^{T-20}}{\displaystyle \,k_{T}=k_{20}\theta ^{T-20}}
A = 所需湿地面积（公顷）
Q = 体积流量（m 3 /天）
k t = 在特定温度 T 下 BOD、氮或病原体去除的速率常数 (m/day)
Ci = 进水 BOD、氮或病原体浓度 (mg/L),(mg/L),(大肠菌群/100mL)
Ce = 出水 BOD、氮或病原体的目标浓度 (mg/L)、(mg/L)、(大肠菌群/100mL)
C* = BOD、氮或病原体的背景自然浓度 (mg/L),(mg/L),(大肠菌群/100mL)

表 1：计算自由地表水 CW 表面积的常数值 [12]

范围k 20西塔C*
生化需氧量（毫克/升）3413.5+0.053Ci
总氮（毫克/升）221.051.5
粪大肠菌群（大肠菌群/100mL）751300

3. 根据场地限制选择长宽比。计算表面尺寸。4、检查水头损失，确保其小于流入点和流出点的高程差。该量允许连续流动。

HL=s*L{\displaystyle \,h_{L}=s*L}{\displaystyle \,h_{L}=s*L}
h L = 水头损失（米）
s = 水力梯度斜率（无因次）
L = 湿地长度（米）

5. 根据水力停留时间、体积、流量以及计算的长度和宽度设计区域 1 至 3。区域 1 的 HRT 为 1-2 天，区域 2 的 HRT 为 2-3 天，区域 3 的 HRT 为 1 天。

H右时间=V/问{\displaystyle \,HRT=V/Q}{\displaystyle \,HRT=V/Q}

自由水面湿地建设

这是建设 FWS 湿地主要建设阶段的基本指南。

盆地开挖

必须选择合适的地点；该场地应平整或坡度不超过1%。必须清除该地点先前存在的植被和碎片。清理完毕后，即可开始土方工程。根据计算出的尺寸，开始挖盆。1区和3区设计水深为6厘米，2区设计水深为1米。[12]然而，植物的根系必须能够根据需要向下延伸。可以计算挖方和填方，以便从区域 2 移除的土壤可用于抬高区域 1 和区域 3。土方移出后，必须压实表面。此外，必须在场地周边建造砖砌或土制护堤。[13]墙上应留有区域用于安装进出水管。护堤的高度应高于计算的水深，以防降水或额外流量。

盆内衬安装

如果土壤是可渗透的，则必须安装衬垫。如果选择塑料衬里并将其放置在岩石床上，则可以在现场盆地上铺 2-5 厘米的沙子以保护衬里。此后，应小心地将衬里铺在盆上，包括护堤。应在衬里上铺上另一层沙子，以保护衬里免受砾石的影响。[12]

入口、出口和土壤放置

接下来，将入口和出口结构安装在护堤中，护堤被填充以密封管道。管道也穿过衬里切割。应放置一段 0.5 米的大碎石来封闭进水管和出水管。集水坑也可安装在湿地的出口端。盆内应根据需要填充沙质/壤土。1 区和 3 区需要更多的土壤来种植具有更深根系的植物。[12]

种植植被

土壤到位后，可以使用根茎插条种植大型植物。[13]所选植物的根茎可以在种植季节开始时挖出。根茎有1个未破损的节间和2个有侧芽的节，应剪去备用。这些插条可以以45度角每m 2 4个的密度种植，使得至少一个节点埋入地下4厘米。应该给它们浇水，使一端保持在水面上。[13]

启动

在使用CW之前，最好让植物在遇到废水之前发育良好，这样它们就有了坚实的基础和更大的抗逆能力。[20]此外，水位应适合植物的生长。太多的水会阻止氧气到达植物根部。盆内始终应有几厘米深的水。[21]水位可逐步升至设计运行水位。建设良好的 FWS 湿地大约需要六周时间才能将废水引入其中，并且植被将在第二个生长季节左右完全发育。施工结束后是最需要维护的阶段。植物无法生长的大面积区域应重新种植，并通过收割保持预期的自由表面积。一旦湿地达到平衡，唯一需要的真正维护任务是水位和质量监测、侵蚀控制和护堤维护。在已建立的系统中，植被覆盖面积应略高于 50%。

操作与维护

人工湿地一旦投入使用，就需要最少但定期的关注和维护。对于 FWS 湿地，经营者必须： [13]

调整水位和流量均匀度 - 检查水位是否有任何变化。原因可能包括泄漏、入口或出口堵塞、溢出、系统流量增加或减少或雨水。
清洁和检查入口和出口 - 碎片或沉积物可能会堵塞这些结构或排水场岩石
维护植物群落 - 收获植物，清除杂草，并在植物死亡的地区重新种植。如果这是一个系统范围的问题，请调整水位，减少污染物负荷，并检查是否有动物或昆虫袭击。
检查气味 - 任何湿地都可能存在气味，但应该很少。强烈的气味可能意味着与系统中的厌氧条件相关的问题。
维护护堤 - 修复护堤的侵蚀和裂缝

年度维护任务：

必要时收获、修剪和重新种植植被
检查初级处理的污泥水平
彻底冲洗和清洁入口、出口和分配介质

评估

用于废水处理的人工湿地最常通过测量主要废水污染物的去除百分比来评估：生物需氧量 (BOD)、总悬浮固体 (TSS)、大肠杆菌等病原体、氮和磷。湿地的性能取决于不同的因素，最重要的是水力负荷率和进水特性。BOD、TSS 和病原体的去除率通常很高——大多数情况下为 80-99%。对于磷和氮，比率较低且变化较大。[22]

不同的湿地系统的性能各不相同。FWS和SSF系统的比较见表2。在HF地下湿地中，氧气很难到达饱和分布介质，因此硝化作用较低。相比之下，VF 地下湿地的反硝化作用较低。不同类型的CW可以按顺序组合，以更好地处理废水。[23]治疗的另一个重要因素是季节差异。BOD、悬浮固体和病原体等参数的去除在冬季会显着下降。[10]然而，可以在SSF湿地中添加绝缘层，以几乎完全减少低温对处理过程的负面影响。[24]

表 2：19 个国家 170 个 FWS 和 1329 个 SSF 湿地中 BOD、TSS、N 和 P 的去除量 [12]

组分自由水面地下水流
生化需氧量93%93%
TSS91%72%
氮88%94%
磷53%65%

影响

在发展中国家，人工湿地在废水处理中的使用有限。[1]作为一种新的、不熟悉的技术，它们面临着许多挑战。它们需要大量的土地、当地水生植物物种的知识、现有的初级废水处理以及湿地的运营知识。与其他处理方法相比，土地需求看似巨大。表面积的近似值是每天每加仑进水需要一立方英尺的水。对于一个普通的单卧室单人住宅来说，这相当于 120 平方英尺的系统。[25]实施该技术的另一个困难是这是一种二级处理方法。在发展中国家，废水处理的主要目标是控制病原体，以防止水传播疾病的传播和地表水富营养化。[26]然而，由于缺乏资源和知识，许多社区无法实现这一目标。如果这些社区仍然实行露天或坑式排便，就很难说服他们采用人工湿地。化学武器（尤其是 FWS 化学武器）的负面影响之一是为蚊子创造了栖息地。通过仔细的湿地设计或采用蚊鱼等灭蚊装置可以缓解这个问题。[27]积极影响包括通过收获大型植物（尤其是水葫芦）来生产生物质，[1]与其他处理方法相比，环境影响较小，特别是对于 VF 地下湿地。[28]

实例探究

密歇根州霍顿湖是为改善废水质量而改造自然湿地的一个很好的例子。1978年，污水处理厂增设湿地，以更好地保护大湖。每年平均排放量约为 1.2 亿加仑，废水通过 1,600 英尺长的排放管引入湿地。湿地略微倾斜，水通过海上溪流流出湿地，并有少量回流。令人印象深刻的是，湿地消耗了处理厂废水中 90% 以上的氮和磷。自从引入废物以来，湿地发生了一些变化，湿地的沉积量增加了 10 厘米以上。由于处理设施排出的污水中营养物质含量较高，香蒲和浮萍已成为湿地的主要植被。

用于废水处理的人工湿地的另一个例子是位于佛罗里达州波尔克县的莱克兰废水处理厂。该处理厂每天接收 1080 万加仑废水。当确定排放到附近湖泊的污水对水质产生不利影响时，就建立了湿地来进行废水处理。为处理过程建造了约 1,400 英亩的湿地。湿地显着减少了废水中氮和磷的含量，并为大量物种提供了栖息地。恢复过程增加了湿地内的生物多样性，湿地主要覆盖着香蒲和柳树植被。[29]

传播

许多团体正在世界各地推广人工湿地。北美和欧洲几十年来一直在使用化学武器，现在其他地区也在探索它们。许多大学都对化学武器进行了研究，并用于许多废水处理应用。美国环境保护署制定了处理湿地建设的设计手册[30] CW不仅是由政府推动的，而且也是由政府推动的。对绿色技术和可持续发展感兴趣的个人可以参加课程，学习设计和建造自己的自制湿地。[31]

也可以看看

参考

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外部链接

  • Bruce Lesikar（德克萨斯 A&M 大学系统推广农业工程专家）建造的湿地
页面数据
作者Rcmidkiff、Chris Watkins、Jrmarkos、Oj&marmalade
执照CC-BY-SA-3.0
语言英语（en）
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已创建2007 年4 月 19 日作者：克里斯·沃特金斯
修改的2023 年6 月 13 日，作者：StandardWikitext 机器人
引用为Rcmidkiff、Chris Watkins、Jrmarkos、Oj&marmalade (2007-2023)。“人工湿地”。附录。检索日期：2023 年 11 月 9 日。
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