某水库人工表面流湿地设计方案.docx
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某水库人工表面流湿地设计方案
江津区杜市镇石龙水库饮用水源地
保护工程
设计方案
中国医药集团重庆医药设计院
江津区杜市镇石龙水库饮用水源地
保护工程
设计方案
单位负责人：
技术负责人：
项目负责人：
设计单位：
中国医药集团重庆医药设计院
二〇一一年二月二十六日
江津区杜市镇石龙水库饮用水源地保护工程
设计方案项目组名单
参与专题名称
负责人
专业
职称
签名
技术审核
庞家胜
环保
所长
技术校核
钟浩
给排水
工程师
设计依据和原则
治理工艺的选择与确定、废水处理方案、工艺流程及平面布置
顾浩腾
环保
工程师
建筑结构
叶东玲
结构
高工
给水排水
刘曦薇
给排水
工程师
1概述
1.1工程背景
为保障人民群众饮用水安全和健康生活质量，构建社会主义和谐社会，进一步加强城乡饮用水水源地保护，根据重庆市水利局、重庆市财政局《关于申报2010年重庆市饮用水源地保护工程项目的通知》（渝水资源〔2010〕16号）文件精神，申报石龙水库饮用水源地保护工程项目作为示范工程。
受江津区水务局委托，中国医药集团重庆医药设计院对该饮用水源地保护工程进行方案设计。
1.2饮用水源地石龙水库概况
石龙水库是杜市镇水厂饮用水源地，位于江津区杜市镇月坝村,是江津区水务局直管的小
（二）型水库,也是杜市镇供水唯一的水源工程,由水务局直属企业杜市水厂管理，采取自流方式取水，供水管道长度8.8公里，年供水总量10.46万立方米，用水人口0.7万人，供水面积1.2平方公里。
距主城区79.5公里,距杜市镇3.5公里,有公路直通大坝右端。
电力、通讯设施齐全,下游有杜市场和渝黔公路。
水库地处长江南岸,属长江水系綦江河支流杜市小溪上游。
坝址以上集雨面积1.93平方公里,主河道长1.605公里,河床平均坡降为99.35‰，流域内植被较差,水土流失为中度,所在地多年平均降雨量1104毫米,多年平均径流深480毫米,年平均气温16.8℃。
石龙水库于1973年3月动工至1978年9月竣工,坝型为土石混合坝,坝顶高程532.56米,坝顶宽3.50米,最大坝高25.10米,总库容45.60万立方米,正常蓄水位530.45米,正常库容36.80万立方米。
该库主要承担杜市镇场上饮用水供水任务,通过3.5公里管道引水到杜市镇场上解决近0.7万人的饮用水和工业用水。
1.3水库污染现状
据现场调查，饮用水水源地石龙水库染源主要来自于以下几个方面：
（1）饮用水水源地石龙水库上游约100米处有石龙寺村民近20户近100人的生活废污水排放到石龙水库，排污量为0.5m3/d·户。
（2）饮用水水源地石龙水库右侧上游约200米处有火烧坡村民的1户农家乐（日接待能力50人）的生活猪粪便废污水排放到石龙水库右侧，排污量为4m3/d。
水库点源污染主要来源于火烧坡农家乐排污。
库周农业面源污染主要来源于农田施肥、农药、畜禽及水产养殖和农村居民。
土壤中未被作物吸收或土壤固定的氮和磷通过人为或自然途径进入水体是引起水体污染的一个因素。
本工程主要是对石龙寺村民近100人的生活污水，以及火烧坡农家乐排污废水进行治理。
1.4工程建设的必要性
通过对杜市镇石龙水库水源地的现场调查，在石龙水库上游还存在一定的点面源污染，经重庆市江津区水资源管理监测站化验室一年多来的监测数据发现，石龙水库水质保持在Ⅳ类水质和Ⅴ类水质之间，总磷和总氮都超标。
如果不及时采取水源地保护工程措施，将严重影响杜市镇的饮用水安全。
通过对杜市镇石龙水库饮用水水源地保护工程措施的建设实施，可以防止水源地的污染，逐步改善供水水源地水质，使城镇饮用水水源地水质达标，确保杜市镇0.7万人的饮用水安全。
1.5设计依据
以下凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本方案设计。
（1）HJ2005-2010人工湿地污水处理工程技术规范
（2）GB4284农田污泥中污染物控制标准
（3）GB5084农田灌溉水质标准
（4）GB8978污水综合排放标准
（5）GB16554国家恶臭污染物排放标准
（6）GB18918城镇污水处理厂污染物排放标准
（7）GB50003砌体结构设计规范
（8）GB50011建筑抗震设计规范
（9）GB50013室外给水设计规范
（10）GB50014室外排水设计规范
（11）GB50015建筑给水排水设计规范
（12）GB50069给水排水工程构筑物结构设计规范
（13）GB50070混凝土结构设计规范
（14）GB50335污水再生利用工程设计规范
（15）GB/T13663给水用聚乙烯（PE管材）
（16）GB50046工业建筑防腐蚀设计规范
（17）CJJ60城市污水处理厂运行、维护及其安全技术规程
（18）CECS199聚乙烯丙纶卷材复合防水工程技术规程
（19）JG/T193钠基膨润土防水毯
（20）SL18-2004渠道防渗工程技术规范
2工艺流程选择与确定
2.1设计原则
根据以下各项原则选择污水处理工艺：
◆污水水质、水量；
◆污染物的种类及处理要求；
◆选择流程简单、占地少、处理效果稳定、可靠的工艺；
◆工艺控制参数易于整理，运行维护、管理方便；
◆投资节省、运行费用低，符合当地经济情况。
2.2废水来源及特点
2.2.1来源
按照《饮用水水源保护区污染防治管理规定》，点源污染防治工程中对不同级别保护区的相关规定，对各保护区的点源污染，尤其是污染型工业企业、违规建筑物和建设项目，制定清拆、整治和总量控制方案，分析方案的技术可行性、所需投资及环境效益，进行方案优化。
污染防治工程的目的是为了有效减少和防止饮用水源保护区内的非点源污染，保障饮用水源水质。
工程建设要坚持系统、循环、平衡的生态学原则，与生态修复工程相结合。
本项目废水主要对石龙寺村民近100人的生活污水，以及火烧坡农家乐的排放污水。
2.2.2排放量
根据污染源现状及当地环保局对污水处理工程的要求，对石龙水库服务范围内用水量进行预测。
（1）农家乐生活用水量
按《建筑给排水设计规范》（GB50015-2003）（2009版）中的规定：
餐饮生活用水定额为40L/cap·次～60L/cap·次；服务人口生活用水定额为180L/cap·d~250L/cap·d。
考虑镇区生活水平的提高及当地经济的发展，该值应取上限。
本工程预测农家乐最高日生活用水量指标为55L/cap·d、服务人口生活用水定额为250L/cap·d；农户最高日生活用水量指标为100L/cap·d平均日用水量预测结果见表2-1。
表2-1最大日综合生活用水量预测表
用水定额
服务人口（人）
用水（m3/d）
合计用水量（m3/d）
农家乐
55
50
2.75
14
250
5
1.25
农户
100
100
10
（2）污水量预测
通常可采用如下办法推算：
污水量=用水量×污水折污系数×污水收集率
根据具体情况取折污系数为0.9，污水收集率为0.9
污水量分别为：
11.34m3/d（其中农家乐3.24m3/d，石龙寺居民8.1m3/d）；
（3）根据重庆暴雨强度计算公式：
q——暴雨强度，L/s.ha；
P——重现期，年；
t——降雨历时，min。
根据重庆及库区地理特征，重现期P取2年，t降雨历时取20min，计算出暴雨强度q=233L/s.ha。
根据人工湿地污水处理工程技术规范：
Qav——平均流量，m3/d
Qin——人工湿地污水入流量，m3/d
Qout——人工湿地污水出水量，m3/d
A——人工湿地面积，m2
P——降雨量，m3/d
I——渗透量，m3/d
ET——蒸发量，m3/d
根据石龙水库地区实际地形，取最大可利用面积，初步设定人工表面流湿地总占地面积为：
长50m，宽10m，即为500m2。
则，A×P设计降雨量为q×A×t=13.98m3/d
（4）综合处理工程建设规模
考虑到其发展容量，最终确定本次设计工程建设规模为：
农家乐设计污水量为：
4m3/d；
石龙寺农户设计污水量为：
11m3/d。
设计降雨量为15m3/d。
因此，本次设计工程石龙寺处1#生化池设计处理规模4m3/d，农家乐处2#生化池设计处理规模11m3/d，人工湿地建设规模为30m3/d。
2.2.3水质特点
确定各污水处理站设计进水及出水水质如表2-2、2-3所示：
表2-2水解酸化池（化粪池）设计进水水质（单位：
mg/L）
水质指标
厂名
COD
BOD5
SS
NH3-N
TP
化粪池
≤500
≤300
≤200
≤50
≤10
根据污水处理的目标及预测的污水进、出水水质指标，污水处理工艺主要以去除有机物、氨氮和磷为主。
污水BOD5/COD值是判定污水可生化性的重要指标。
一般认为BOD5/CODcr＞0.4可生化性较好，BOD5/CODcr＞0.3可生化，BOD5/CODcr＜0.3较难生化，BOD5/CODcr＜0.25不易生化。
BOD5/TN≥2.86可进行生物脱氮；BOD5/TP≥20可进行生物除磷，且比值越大，生物除磷效果越明显。
由表2-2可见，污水处理站进水BOD5/CODcr＞0.3，进水水质的可生化性较好，且满足生物脱氮除磷的要求。
预计化粪池对BOD5处理效果可达70%以上；CODcr处理效果可达60%以上；SS处理效果可达50%以上；TN、TP处理效果可达50%以上；故理论上人工湿地进水水质应该完全满足：
BOD5≤90、CODcr≤200、SS≤100、TN≤25、TP≤10的标准，但是实际设计时，对理论预计值的估计应上浮30%-40%，故拟建人工湿地的设计进水水质拟定如下表：
表2-3人工湿地设计进水水质（单位：
mg/L）
水质指标
厂名
COD
BOD5
SS
NH3-N
TP
人工湿地
≤240
≤120
≤100
≤25
≤5
2.2.4出水水质要求
根据人工湿地污水处理工程技术规范：
人工湿地接纳污水水质要求，表面流人工湿地接纳污水的水质要求可参照GB5084《农田灌溉水质标准》中水作有关规定。
本工程的实施，应保证水库的水质在现状Ⅱ类水质的基础上进一步改善，充分满足饮用水水质标准。
因此，基于对饮用水源地的保护，本工程出水执行GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准中一级B类排放标准。
表2-4出水水质要求（单位：
mg/L）
水质指标
厂名
CODcr
BOD5
SS
NH3-N
TP
污水处理站
≤60
≤20
≤20
≤20
≤1
2.3工艺选择
根据重庆市农村饮用水源地保护规划要求，水源地保护工程益采用建造人工湿地进行生态修复。
人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。
其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。
人工湿地处理系统具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、运行费用低等特点，非常适合中、小城镇的污水处理。
人工湿地处理系统可以分为以下几种类型：
水平表面流人工湿地处理系统；水平潜流人工湿地处理系统；垂直潜流人工湿地处理系统。
潜流人工湿地的厌氧条件正适合于反硝化脱氮作用，当水力停留时间为2d～4d时，发生强烈的反硝化脱氮作用。
本工程中由于在人工湿地前设有水解酸化预处理部分，进水水质可生化性好，故可将人工湿地前部分设为水平潜流式，发挥反硝化脱氮作用。
表面流人工湿地进水在初始部分（沉降区）发生大量的絮凝、沉降，大约可以去除80%的总悬浮物；水力停留时间达到2d后，各种水生藻类开始生长，引起pH值变化，促进沉水植物的生长，可以促进氨氮挥发、磷的沉降在；表面流人工湿地末尾部分（植被净化区）中，NO3-N去除率可以达到90%。
因此本工程中可将人工湿地后部分设为表面流式，且经反硝化脱氮后的污水更有适宜植物生长。
选择先潜流式再表流式的工艺有利于保证出水水质达标。
1）建设条件和原则
人工湿地污水处理工程设计应遵循的原则，除人工湿地污水处理工程技术规范外，还应符合其它国家强制执行的法律、法规、标准；应符合清洁生产、资源综合利用的要求；选择设施稳定、可靠、安全运行，易于操作、降低运行费用的要求等。
人工湿地建设在水源地周边有集中排放污水、污水流量不大、污染物质单一的区域，通过人工湿地处理后达到污水排放标准，对水源地水质不造成破坏。
2）工程场址选择
人工湿地场址选择应符合当地城镇总体发展规划和环保规划的要求，符合当地水污染防治、水资源保护和自然生态保护的要求，还应综合考虑交通、土地权属、土地利用现状等因素。
工程选址应尽量选择自然坡度为0%～3%的洼地或塘，以及经济价值不高的荒地，还应考虑不受洪水、潮水或内涝的威胁。
除此之外，还应满足的管理要求和技术条件，以及需要考虑的因素，包括对周围区域的影响、对分期建设的影响、对地质条件的要求等。
工程湿地选择布设在有集中污水产生且周边有一定污水容纳能力的库周、河道两岸二级保护区范围内。
3）总平面及高程布置
人工湿地总平面布置的原则是保证设施运行稳定、维修方便、经济合理、安全卫生。
生产管理建筑物和生活设施宜集中布置，可设置绿化带或人工湿地区，与处理构筑物保持一定距离。
高程布置的规定原则是充分利用原有地形、重力流，以及让工程中各单元的景观协调。
人工湿地在满足污水净化功能的前提下，可进行湿地景观建设，与城市的风景建设相结合，建成集污水处理与观光、休闲娱乐为一体的旅游场所，使自然与人类生活环境有良好的结合点。
4）人工湿地面积
为了保证水质处理达到标准，设计的人工湿地要保证一定面积。
面积的大小根据排污水量、污染物质种类和含量，以及水源地保护区域具体情况确定。
5）人工湿地设计标准
根据人工湿地污水处理工程技术规范以及水源地水质保护要求，经人工湿地处理排放的水质不能低于所保护水源地水质。
多数情况最好选择水平潜流或垂直潜流混合应用，表面流人工湿地虽有投资省、运行费用低、操作简便等优点，但也有负荷低、去污能力有限等缺点，且表面流人工湿地的运行受自然气候条件影响较大，夏季易滋生蚊蝇，产生臭味而影响湿地周围的环境。
因此，在本工程中选择一级人工湿地为水平潜流式，二、三级人工湿地为自由表流式。
6）人工湿地建设原则
人工湿地的景观建设应遵循统一、和谐、自然、均衡的原则。
植物的选择。
以培育地方性、乡土化的耐水性植物或水生植物为主；同时高度重视湿地的归化植被群落。
湿地植物配置、微生物降解等要从污水所含污染物的特点出发，有针对性的选择植物种类和降解微生物。
尽量采用自然化设计。
人工湿地植物搭配如地被、花草、低矮灌丛与高大树木的层次和组合,应尽量符合湿地自然植被群落的结构,少量采用几何式造景;在湿地生态敏感区引入天然植被要素,设置自然式植物造景,转变养护方式,培育自然缓坡草地,形成拟自然的湿地群落。
适空原则。
湿地植物种植时,预先须考虑水面总体空间的安排,并根据实际情况进行调整,即达到在一定水体区域面积范围内种植适当数量的湿地植物并使整个湿地植物群落光合作用正常、茁壮健康生长。
计算湿地的表面积,包括湿地边缘,每平方米可以种植5-10丛水下植物。
种植浮叶植物水面的叶片所占面积一般不超过三分之一。
注意湿地边缘植物配置。
尽量不要把植物直接种植在土壤中或边缘地带,选用控制性种植的方式更有利,可通过预挖植槽、下垫薄膜等方式进行限制性栽植。
美学原则。
美学原则包括变化与统一、协调与对比、韵律与节奏三方面。
7）人工湿地工艺
目前广泛应用的透水性人工湿地基质主要有沙粒、沙土、土壤和石块。
基质一方面为微生物的生长提供稳定的依附表面,也为水生植物提供载体和营养物质,是湿地化学反应的主要界面之一。
污水通过湿地时,基质通过吸收、吸附、过滤、离子交换或络合等途径去除污水的氮磷营养物质,酸碱度在其中起重要作用。
本项目人工湿地基质直接采用项目区当地生产的沙粒、石块已经当地现有土壤。
植物根区微生物可以净化水中污染物,甚至将有机物完全矿化。
水生植物通过通气组织的运输,将氧气送到根区,从而形成根表面及附近区域的氧化状态,有机物在此被好氧微生物分解成CO2和水,有机氮化物被硝化细菌硝化。
好氧微生物的活动促进了硝化,从而加强了湿地对重金属的吸附。
在湿地的还原状态区域,有机物被厌氧菌分解发酵。
好氧微生物采用人工培育方式获得。
水生植物在人工湿地污水净化中起重要作用。
香蒲、芦苇、灯心草等适应长期处于水饱和状态基质中生长的挺水植物,自身具有较强的营养物质吸附富集功能,与其周边的原生动物、微生物形成各种小环境,为微生物的吸附和代谢提供了良好的生化环境,形成特殊的根际微生态环境,具有典型的活性生物膜的功能,对多种污染物有很强的吸收分解和富集能力。
浮水植物主要用于氮、磷去除和提高稳定塘效率。
植物的选择十非重要,选择时要注意:
①耐污能力和抗寒能力强,又宜于本乡土生长,最好以本乡土植物为主;②根系发达,茎叶繁茂;③抗病虫害能力强;④有一定的经济价值,景观价值。
根据项目区实际，选择芦苇、菖蒲、灯心草美人蕉、睡莲、金鱼藻等作为人工湿地挺水、沉水、浮水植物。
2.4工艺流程及说明
考虑到生活污水中的污染物浓度普遍不高，预处理只设化粪池；因SS浓度相对高，为避免发生堵塞，水平潜流人工湿地可置多孔管配水装置，并定期取出填料清洗，可有效防止堵塞；工艺流程如下：
多孔管配水
自由表面流湿地
化粪池
出水
进水
水平潜流式湿地
自由表面流湿地
污水处理工艺流程图
生活污水首先经化粪池去除污水中悬浮性有机物后再进入人工湿地进一步处理，以确保人工湿地处理效果及出水水质达标。
本次人工湿地系统根据场地特征和出水水质要求采用水平潜流与自由表面流组合人工湿地运行，分三级串联进行处理，经预处理的污水在人工湿地的作用下去除剩余部份COD、BOD和氨氮，最终处理达标后排放。
3工艺流程参数设计
3.1化粪池
根据水量核算，化粪池设计处理能力如下：
1#化粪池石龙寺农户设计污水量为：
11m3/d，水力停留时间48h，考虑未预见水量，池体有效容积24m3。
2#化粪池农家乐设计污水量为：
4m3/d，水力停留时间48h，考虑未遇见水量，池体有效容积8m3。
3.2人工湿地
根据水源地保护区域具体情况确定，取最大可利用面积，一级平流潜流式及二、三级表流式人工湿地尺寸确定为，总长度50米，宽度分别为4米、3米、3米。
根据人工湿地污水处理工程技术规范，表面流、潜流人工湿地进水水质要求如下：
人工湿地主要设计参数如规范要求如下：
物去除效率可参照下表中数据取值：
根据规范，人工湿地参数设计步骤如下：
1、根据实际地形确定最大可用面积，确定长度、宽度尺寸；2、表面有机负荷量值根据实际情况折中选取；2、估算出水水质，依此校核处理效率是否合理；3、水力负荷校核；4、根据期望的水力停留时间、流量确定湿地所需深度。
主要参数表达如下：
表面有机负荷，指每平方米人工湿地在单位时间所能接纳的污水量。
qos——表面有机负荷，kgBOD5/（hm2·d）；
Qin——人工湿地污水入流量，m3/d；
C0——人工湿地进水BOD5浓度，mg/L；
C1——人工湿地出水BOD5浓度，mg/L；
A——人工湿地面积，m2。
表面水力负荷，指每平方米人工湿地在单位时间所能接纳的污水量。
qhs——表面水力负荷，m3/（m2·d）；
Qin——人工湿地污水入流量，m3/d；
A——人工湿地面积，m2。
水力停留时间，指污水在人工湿地内的平均驻留时间。
t——水力停留时间，d；
V——人工湿地基质在自然状态下的体积，包括基质实体及其开口、闭口孔隙，m3；
ε——孔隙率，%；
Qav——人工湿地设计水量，m3/d
一级水平潜流人工湿地参数及工艺设计
1、湿地尺寸确定。
根据人工湿地污水处理工程技术规范，qos表面有机BOD5负荷取规范所述范围中值，100kgBOD5/（hm2·d）。
设计流量30m3/d，一级水平潜流湿地设计面积200m2，进水BOD5120mg/L；按上述公式，则表面有机负荷设计出水估算为53.3mg/l。
由此可知：
BOD5处理效率为55.8%，接近处理效率下限值，说明一级人工湿地处理能力任保留较大上浮空间，符合潜流湿地有效处理范围。
水力负荷按上述公式，qhs估算为0.15m3/m2.d，符合潜流水力负荷要求范围。
根据规范，潜流人工湿地基质层的初始孔隙率ε宜控制在30%～40%。
考虑到填充施工实际情况，以及湿地建成初期覆土需足够深而对植物进行驯化，孔隙率值范围中小值，30%。
为保证处理效果，水力取停留时间取范围上限，3天。
则，在水力停留时间t需为3d，孔隙率ε为30%时，按上述公式，一级水平潜流人工湿地深度需为1.5m。
符合规范所要求的潜流人工湿地水深宜为0.4m～1.6m。
由此确定一级水平潜流人工湿地，具体尺寸为长50m，宽4m，深1.5m。
实际修建时，考虑避免沿流向长度过长而形成死水区域，同时还应满足规范要求的潜流人工湿地单元的长宽比宜控制在3:
1以下，将一级水平潜流湿地沿流向分成4个单元。
每单元宽度均为4米，长分别为13m、13m、12m、12m，中间设计明渠连接。
按经验，设计每单元高程降为250mm，连接明渠宽500mm。
2．湿地工艺设计
进出水系统的布置：
湿地床的进水系统应保证配水的均匀性，本工程采用穿孔管配水装置。
进水管应置于湿地床填料层上。
湿地的出水系统根据对床中水位调节的要求，出水区的末端的砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内的水位。
填料的使用：
人工湿地填料应能为植物和微生物提供良好的生活环境，并具有良好的透水性。
常用的填料有石灰石、矿渣、沸石、砾石、高炉渣等，本工程选用砾石、小豆石、黄沙、风化页岩土等作为填料。
一级水平潜流湿地床由四层组成：
表层风化页岩土层、中层黄沙（粒径中等）、下层小豆石、最下层粗砾石（粒径宜控制在4-8cm范围，适量大石点缀）。
表层土钙含量在2-2.5kg/100kg为好。
一级水平潜流湿地四层填料组成为：
表层土层厚0.15m，黄沙层铺设厚度0.25m，小豆石层铺设厚度0.3m，砾石层铺设厚度0.3m，总厚度层铺设厚度1.0m。
植被选择：
人工湿地植物的选择宜符合下列要求：
（1）根系发达，输氧能力强；
（2）适合当地气候环境，优先选择本土植物；（3）耐污能力强、去污效果好；（4）具有抗冻、抗病害能力；（5）具有一定经济价值；（6）容易管理；（7）具有一定的景观效应。
本工程一级水平潜流人工湿地选择净化能力强的芦苇、灯芯草、水葱、细叶莎草，其根系生长有向土性，可配置于表面流湿地系统，种植密度50-30（株/㎡）。
3.2.2二级表面流人工湿地参数及工艺设计
1、湿地尺寸确定。
根据人工湿地污水处理工程技术规范，qos表面有机BOD5负荷取规范所述范围中值，35kgBOD5/（hm2·d）。
设计流量30m3/d，二级表面流湿地设计面积150m2，进水BOD5
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