1、本科毕业设计人工湿地处理城镇生活污水的工程设计Design on Municipal Domestic Sewage Treatment by Constructed Wetlands专 业： 环境工程 -I - 摘 要生活污水是我们日常生活过程中排放的污水，包括洗涤废水及卫生间用水。其主要特点是含有较高浓度的氮、磷。而过量的氮、磷排放又可以引发水体富营养化等水环境问题。对此国家颁布了“水十条” ，加强了管理，并对污水处理提出了更高的要求。但是现有的很多城镇污水处理厂在工艺选择上大多数只经过二级生化处理，很难满足对氮、磷等指标提高排放要求的城镇污水处理厂综合污水排放标准 （GB18918-20
2、02）一级 A 标准，亟需增加深度处理单元。 “地球之肾”之称的人工湿地，因为具有环境、经济、社会效益，是深度处理单元的最佳选择之一。本设计中采用了垂直潜流人工湿地（vertical subsurface flow constructed wetlands, VFCWs）系统作为深度处理单元，并对其经济性及可行性进行了分析。本文以辽宁省为例，设计每天可处理水量为 10000 m3 的污水处理厂。首先，污水经过细格栅、旋流沉砂池等预处理单元去除较大的漂浮物、悬浮物、部分有机物质等。再经过 Orbal 氧化沟进一步去除可溶性有机物质，达到一级 B 标准，之后经垂直潜流人工湿地实现脱氮除磷，达到一级
3、 A 标准后排放。 经过对各构筑物的计算及经济核算后，得出污水处理厂的运行费用为 0.67 元/吨，与传统的深度处理单元相比具有更好的经济效益。为了能在垂直潜流人工湿地的设计过程中选择更合适的参数，并验证垂直潜流人工湿地处理效果的稳定性，进行了实验室小试实验。小试实验装置以鹅卵石作为基质，处理人工模拟废水。实验结果显示当水力停留时间为 2 天时，COD 和 NH4+-N 的平均去除率分别达到了 79.31%和 10.67%，处理效果相对稳定。 因此运行费用低、处理效果稳定的人工湿地作为深度处理单元具有深远的意义。关键词：城镇生活污水；垂直潜流人工湿地；小试实验；毕业设计-II - Design
4、 on Municipal Domestic Sewage Treatment by Constructed WetlandsAbstractThe municipal sewage, including wastewater from kitchen and bathroom, is discharged after secondary bio-treatment in the traditional wastewater plants. Hence, it can cause eutrophication by the excess discharge of nitrogen and ph
5、osphorus. It is necessary to add an advanced treatment plant to achieve increasingly strict standards and policies published by the environmental agency, especially in the concentration of nitrogen and phosphorus. It is commonly known that constructed wetlands are the kidney of the earth and environ
6、ment-friendly. The purpose of this paper is to investigate the economic and operational feasibility of the vertical subsurface flow constructed wetlands (VFCWs) as an advanced treatment plant.In this paper, the wastewater treatment plant was designed to treat 10000 m3/d municipal sewage. First of al
7、l, the sewage was treated by pretreatment facilities like fine screens and vortex grit chambers to remove the precipitable solids, suspended solids and part of organic matters. Then other organics were degraded by Orbal oxidation ditch. Finally, nitrogen and phosphorus can be further treated by cons
8、tructed wetlands. On the basis of calculations, we found that the operational cost was just 0.67 yuan per cubic meters. It was cheaper than other treatment processes. In addition, an experimental-scale reactor filled with cobbles was set up to simulate the operation of VFCWs. Under the hydraulic ret
9、ention time was 2 days, the average removal ratio of COD and NH4+-N achieved to 79.31% and 10.67%, respectively. The results demonstrate that it is meaningful to use VFCWs as an advanced treatment system.Key Words：Municipal Sewage Wastewater；Vertical Flow Subsurface Constructed Wetlands；Experimental
10、 Scale Test；Graduation Project -III - 目 录 摘 要 .IAbstract.II目 录 .III1 绪论 .11.1 我国水环境及污水处理现状概述.11.1.1 我国水环境现状 .11.1.2 城镇生活污水处理现状 .11.2 人工湿地概述.11.2.1 人工湿地定义及组成 .11.2.2 人工湿地分类 .21.3 人工湿地污染物去除机理.31.3.1 有机物去除机理 .31.3.2 氮的去除机理 .41.3.3 磷的去除机理 .41.4 人工湿地应用及发展.51.4.1 人工湿地的应用 .51.4.2 人工湿地的发展现状 .51.5 设计内容及意义.51
11、.5.1 设计内容 .51.5.2 设计意义 .62 设计概述 .72.1 设计原则及依据.72.2 设计要求.72.3 工艺的选择.82.4 工艺流程.103 垂直潜流人工湿地小试实验 .113.1 材料与方法.113.1.1 试验装置 .113.1.2 试验用水 .113.1.3 分析方法 .123.2 实验结果.124 垂直潜流人工湿地系统设计计算 .14-IV - 4.1 格栅.144.1.1 格栅简介 .144.1.2 格栅设计计算 .144.2 旋流沉砂池.164.2.1 旋流沉砂池简介 .164.2.2 旋流沉砂池设计计算 .164.3 Orbal 氧化沟 .184.3.1 Or
12、bal 氧化沟简介.184.3.2 Orbal 氧化沟设计计算.194.4 二沉池(辐流式沉砂池）.264.4.1 二沉池简介 .264.4.2 二沉池设计计算 .274.5 垂直潜流人工湿地.304.6 污泥处理与处置.334.6.1 污泥处理概述 .334.6.2 污泥处理设计计算 .344.7 工艺系统构筑物布置.354.7.1 平面布置 .354.7.2 高程布置 .355 经济费用分析 .385.1 投资费用.385.2 运行费用.386 结论 .40参 考 文 献 .41附录 A 主要符号说明.43附录 B 附图.45致 谢 .46-1 - 1 绪论1.1 我国水环境及污水处理现状
13、概述1.1.1 我国水环境现状近年来，为了维护国家水安全及人民群众的切身利益，我国加大了对水污染控制的监管及防治力度。虽然水污染情况得到了有效改善，但是由过量的氮磷排放引发的水体富营养化等环境问题亟需解决。据中国环境状况公报（2015） 数据显示，在对全国 967 个地表水国控断面（点位）开展的水质监测结果表明-类水质断面为64.5%、 -类为 26.7%、劣类为 8.8%。对 61 个湖泊（水库）的营养状态监测结果中，只有 6 个为贫营养状态 1。另据全国环境统计公报（2015 年） 所述，2015年全国废水排放总量为 735.3 亿吨，其中城镇生活污水排放量为 535.2 亿吨。废水中CO
14、D 排放量为 2223.50 万吨、NH 4+-N 排放量为 229.91 万吨、TN 排放量为 461.23 万吨、TP 排放量为 54.68 万吨 2。由上述数据可知，氮、磷也是主要污染指标之一。1.1.2 城镇生活污水处理现状截至 2016 年 6 月底，全国共有 3934 座市城市、县污水处理厂，每日可处理 1.69亿立方米污水。辽宁省城市和县城污水处理厂建成率为 100%，每日可处理 768.20 万立方米污水，运行负荷率为 83%。污水处理技术可以分为预处理、生物处理、深度处理及污泥处理处置等四个方面 3。预处理技术包括沉淀、沉砂等物理化学过程，主要用于去除漂浮物、悬浮物、可沉淀固
15、体及部分有机物质。生物处理技术包括传统活性污泥法、氧化沟、A/O 、序批式活性污泥法(SBR) 等工艺。大连市各污水处理厂分别采用了不同的生物处理技术，马栏河污水处理厂采用了曝气生物滤池工艺 4，旅顺城市污水处理厂为 A2O 工艺 5，大连泉水污水处理厂则采用了 CAST 工艺。深度处理工艺可以进一步去除悬浮物质使出水更加澄清，并实现脱氮除磷，减少对水体富营养化的影响，对部分无机物质也有去除作用，使出水作为回用水使用。1.2 人工湿地概述1.2.1 人工湿地定义及组成根据湿地公约中的定义，湿地包括长久或者暂时性的泥炭地、沼泽或者水域地带，静止或者流动的咸水、半咸水、淡水及水深在低潮时不超过六米
16、的水域 6。具有“地球之肾”美誉的湿地与森林、海洋一同称为地球的三大生态系统。湿地有以保护生态系统为主、净化污水为辅的天然湿地和利用物理、化学、生物作用而对污水进行-2 - 净化的人工湿地之分。人工湿地系统主要由植物、填料及微生物组成。人工湿地系统不仅可以人为地控制条件，而且还具有运行费用低、操作简单、处理效果可靠稳定等优点。但是人工湿地占地面积较大，运行效果会受到气候变化及由此导致的植物生长情况不良等因素的限制 6。植物是人工湿地污水处理的核心要素。芦苇、香蒲、黄花鸢尾、美人蕉等水生植物和盐角草、盐地碱蓬、碱蒿等陆生植物均可以作为湿地植物 7。在众多人工湿地植物中芦苇、香蒲等挺水植物，因其具
17、有较高的耐污性及生物量累计，而被广泛应用 8。植物的根系不仅可以输送氧气，促进微生物的降解作用，还可以直接吸收利用污水中的氮、磷作为营养物质，而且在盐分含量较高的废水中对氯离子也有去除效果 7。此外还具有景观和经济价值。李洁研究的利用空心菜、番茄等经济型作物的潜流人工湿地系统可以在对农村生活污水进行深度处理的同时有效回收氮磷资源，实现双赢作用 9。人工湿地中种植不同的植物会影响植物的形态学特征（包括生物量、根的大小、叶子的宽度） 、底物中微生物结构的特异性、光合作用强度等。植物的种类越多，如种植黄花鸢尾与菖蒲比只种植菖蒲产生更多的生物量，所以对氮、磷的吸收作用就越强 10。 人工湿地中的填料不
18、仅可以通过自身的吸附、过滤、沉淀等作用直接去除污染物，还可以为植物及微生物提供适宜的生长环境。砾石、沸石、陶粒等均可作为填料使用。填料种类不同，对污水中 COD、TN 和 TP 的去除效果就不同。汤等以页岩、粗砾石、铁矿石和麦饭石分别作为填料，利用无植物种植人工湿地处理污水的小试实验表明，页岩的 COD 和 TN 去除率最好，可分别达到 40%和 88.9%。这与页岩孔隙率低、水力渗透系数低等物理性质有关。页岩可以为微生物生长提供更有利的条件，而且吸附沉降能力更强 11。一般选用比表面积大、孔隙率高、机械强度大、水头损失小、工作周期长的材料作为填料。1.2.2 人工湿地分类人工湿地的分类主要依
19、据植物特征及水文状况的不同。根据所生长的植物种类不同，人工湿地系统可分为挺水植物系统、沉水植物系统和浮水植物系统。另据水流位置的不同也可以分为表面流人工湿地（free water surface constructed wetlands, FWS CWs）和潜流人工湿地。潜流人工湿地又可根据水流动方向的不同分为水平潜流人工湿地（horizontal subsurface flow constructed wetlands, HFCWs ）和垂直潜流人工湿地 8。(1) 表面流人工湿地与自然湿地非常相似的表面流人工湿地中水流呈推进式前进，覆盖整个湿地表面，形成一层地表水流，最终流至终端而流出，完
20、成净化过程。表面流人工湿地不需要额外购买砾石等基质，因此造价比较低，运行操作简单方便。但是占地面积较大，在冬-3 - 季表面易结冰，空气中氧的扩散速率大大降低，导致去除效果下降。表面流人工湿地较多的应用于处理污水处理厂三级处理后的出水、矿山废水及暴雨径流等。(2) 水平潜流人工湿地水平潜流人工湿地至少由一个基质床组成，因此在欧洲国家常叫做“根区床” 。利用水平潜流人工湿地对去除有机物、悬浮物质和重金属等效果非常好。但是由于氧只能从植物根际传输等原因，所以硝化反应受到限制，脱氮除磷能力较弱。由于在水平潜流人工床体中液面位于基质层以下，因此较表面流人工湿地更易适应寒冷的气候。水平潜流人工湿地通常用
21、于处理经过二级处理后的出水。(3) 垂直潜流人工湿地垂直潜流人工湿地由多孔性介质组成，下流式人工湿地中水流从表面布水后向下流动，最终通过底部的排水管网流出。垂直潜流人工湿地系统中氧气可以通过植物根际传输和大气扩散作用进入，从而加强微生物的硝化作用。垂直潜流人工湿地广泛应用于处理小城镇生活污水、暴雨径流及工业废水。1.3 人工湿地污染物去除机理人工湿地是利用生态系统的物理、化学、生物三重协同作用对不同污染物质进行去除。包括物理沉降、化学吸附、微生物代谢等作用，详见表 1.112。表 1.1 污染物去除机理一览表机理 SS BOD5 COD DOC N P 重金属 病原微生物物理沉降 基质过滤 介
22、质吸附 共沉淀 化学吸附 化学分解 微生物代谢 植物代谢 植物吸收 自然死亡 自然挥发 表中，为最主要作用；为主要作用；为次要作用；为作用很小或无作用。1.3.1 有机物去除机理人工湿地中的有机物主要来自污水中的有机物质、植物根系的分泌物、农药和腐殖质等，并以挥发态、溶解态和固体形态存在。进水的 C/N 比在 2 到 12 之间的人工模-4 - 拟废水在潮汐运行的人工湿地中 COD 去除率达到 83-95%13。人工湿地对有机氯类农药（如，硫丹、五氯苯酚）的去除率最高也可达到 97%，其主要作用包括对有机物的沉淀、吸收、水解、光合作用、微生物和植物降解作用 14。人工湿地的类型、氧化还原环境、
23、溶解氧、有机物种类是影响人工湿地有机物净化效果的重要因素 8。在不同的有机物种类中，人工湿地对有机氯类农药、嗜球果伞素类农药、有机磷类农药的去除率为 94-97%，而对三嗪酮、含尿素类农药的去除率仅为 24-50%，这与有机化合物吸着系数 Koc 的不同相关 14。1.3.2 氮的去除机理对污水进行脱氮是人工湿地的主要功能之一。氮元素是植物生长的必须营养元素，因此可通过定期收割湿地植物对部分无机氮实现彻底去除。此外，植物根系还可以输送氧气，促进硝化过程的进行 15。有研究也表明种植宽叶香蒲的人工湿地系统的脱氮效率明显高于没有种植植物的系统。在人工湿地系统的启动阶段 NH4+-N 和 NO3-N
24、 主要经过基质的物理化学过程而吸附去除，随后在运行阶段通过微生物作用去除。NH 4+-N 可通过硝化过程、厌氧氨氧化过程去除；NO 3-N 的去除途径则包括反硝化、异化硝酸盐还原成氨、厌氧氨氧化等过程 16。普遍认为，微生物的硝化-反硝化作用是脱氮的主要去除途径 15。但是 Wei 等研究结果表明，潮汐运行人工湿地对 NH4+-N 的去除率为 63-80%，当进水的 C/N 比小于等于六时，NH 4+-N 的主要通过硝化作用去除，而当C/N 比大于六时厌氧氨氧化作用会逐渐加强 13。表面流人工湿地对城镇生活污中 NO3-N 的去除率达到 60%以上，其中反硝化作用所占比例为 83 22%，厌氧
25、氨氧化和植物的吸收作用较小 17。但在 Jahangir 等的研究结果表明，在 54-79%的 NO3-N 去除率中，异化硝酸盐还原成氨作用所占比例为 40-63%，反硝化作用仅占据 14-16%18。由此可知，在不同类型和运行条件下的人工湿地系统中，微生物所进行的主要反应并不相同。此外，氮的去除效率还受到 pH、温度、溶解氧 19、水力负荷 20等外界环境因素的影响。人工湿地系统中温度与 NO3-N 的去除率符合一级动力学方程，随着温度的上升，脱氮效率逐步上升，所以在一年之中，夏季脱氮效率最高 17。1.3.3 磷的去除机理磷的过量排放也是造成富营养化的重要因素，而人工湿地对磷也有很好的去除
26、效果。可溶性磷酸盐不仅可以通过沉积等物理作用存储于湿地内部，还可以与基质中的金属元素形成不溶物质或共沉淀去除。除此之外，也与微生物的同化作用及聚磷菌的过量摄磷等生物作用有关，但其作用较小 8。湿地进水中的磷的总量等于基质截留磷的量、植物吸收磷的量和出水中含磷量之和，三者所占比例约为 70%，17%，13%。可见大部分磷是被基质吸收而去除 6,11。影响磷去除效率的因素包括温度、pH 、氧化还原-5 - 电位及人为因素。1.4 人工湿地应用及发展1.4.1 人工湿地的应用自 1950s 早期，德国的 Dr. Kthe Seidel 首次使用湿地植物处理污水以来，人工湿地技术就受到了各国研究人员的
27、关注，如潜流人工湿地在欧洲国家普遍使用，而表面流人工湿地在北美和澳洲比较受欢迎 21。1978 年天津市环境保护研究所所建的处理规模为 1400 m3/d，占地面积 6 hm2 的芦苇湿地工程是我国第一次使用人工湿地处理污水的工程。有调查表明，人工湿地已在我国超过 30%的区域使用，如在辽宁省沈阳浑南新区和满堂河也分别建立了每天能处理 1500 m3 和 20000 m3 城镇生活污水的人工湿地 8。人工湿地系统不仅仅应用于处理城镇生活污水 17,还适用于处理不同类型的废水如染料废水 22、含苯废水 23等工业废水、农业径流 14及医疗废水 24。 1.4.2 人工湿地的发展现状由于传统的人工
28、湿地存在一定的局限性，因此强化人工湿地得到了大家的关注。通过改变人工湿地的运行方式，如采取出水回流、人工曝气、潮汐式运行方式和优化内部结构，如采用廊道循环人工湿地、塔式复合人工湿地、折流人工湿地等方式来提高对污染物的去除效果 25。近年来也有一些可以实现更高去除率的组合人工湿地得到了应用。尤其是可以加强对 TN 的去除效果。VF-HF 的组合人工湿地中，污水首先经过垂直潜流人工湿地去除部分有机物并进行硝化反应，之后再经过水平潜流人工湿地进行反硝化反应，进一步去除有机物及含氮物质 26。据统计结果表明， VF-HF 和 HF-VF 组合人工湿地可以实现 2.31 2.10 和 2.74 1.86
29、 g TN m-2d-1 的 TN 去除效果。而在单级水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地中 TN 去除率只能达到 1.13 2.01 和 1.85 3.66 g TN m-2d-1。此外，人工湿地还可以和其他技术进行组合使用。微生物燃料电池与人工湿地都具有利用微生物的作用来实现对污染物质实现去除的共同点。微生物燃料电池需要阳极为厌氧环境，阴极为好氧环境，这与人工湿地中的上部为好氧环境，下部为厌氧环境相符合，因此结合这两种技术，就可以实现去除污染物质的同时产生电 27。使用铁板为阳极和阴极的电增强水平潜流人工湿地中，磷与铁离子在阳极上发生沉淀，达到90%以上的除磷效率，阴极上通过促进自养反硝化菌的生长，NO 3-N 的去除率也提高到了 84%28。这些组合工艺对硫也可以实现较好的去除 29。1.5 设计内容及意义
