湿地 简单计算.docx

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湿地简单计算

处理湿地

通用

人工湿地是为应对经物理预处理的河水而设计的。

最终的出水水质应该符合在湿地公园内用于休闲娱乐的目的。

前提

最多90000吨/天的河水应于规定面积为25公顷（ha）的湿地进行处理。

在进入处理湿地之前，河水应先通过沉淀和曝气处理。

预处理后，河水会被泵到调节池，控制溢流或旁流与处理湿地进水的分配。

调节池的运行水位是8.60米。

处理区的出水水位是7.00米（中心溪流）。

处理后的水最终将会流入拥有一系列人工湖的休闲区（表面流湿地区）。

处理后河水的水质应足以保证流入休闲公园人工湖（练湖）的良好水质。

为了保证可持续的良好湖水水质，在该汇水区之内所有其他可能的污染源必须截断。

例如，之前的水产养殖可能导致湖底的沉积物/底泥富集了氮磷，为了防止营养物质从中释放出来（即内源污染），需要在新湖的湖底做底部封闭。

同样，防止从周边种植及可能施肥的区域来的暴雨径流不经过任何处理就进入湖里。

在湖里还应该禁止外部喂养的水产养殖，因为这会导致营养物质和淤泥的进一步积累。

由于工业和化学处理技术，如河水的絮凝、过滤和脱磷，并不适合大量的水处理。

在这样的情况下，应该利用自然湿地的技术。

自然湿地景观有一定结合磷和除氮的容量，但是其处理效率受到植被更替和腐殖质生产本身限制。

目标

化学指标，如COD、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和微生物病原体的浓度应该减少到自然处理的最高值。

有必要在规定的尺寸下，优化湿地环境，实现最好的处理效率。

湿地的设计应考虑不同运行方式和管理的可能。

设计

主要的处理方案

整个处理方案是基于多级处理的概念，这样可以更好地保证去除多种物质。

众所周知，潜流（SSF）湿地比表面流（SF）湿地在降低生物指标方面更有效果。

例如，岸滤作用就是一个广泛应用从河水取水用于饮用水处理净化的潜流技术。

该技术自19世纪末就在欧洲，特别是德国，开始应用。

同时，土地处理（垂直流砂滤法）被发现能非常有效地去除市政污水中致病菌和营养物质（如柏林自1876起）。

如今全世界都开发和测试了用途不同的各种湿地解决方案。

丹阳练湖湿地的处理方案是用垂直流砂滤作为第一步。

该湿地类型被证明是去除COD和致病菌以及进行硝化反应最有效的。

在垂直流湿地系统中，种植浓密的芦苇，帮助防止早期的堵塞。

如果水力负荷在砂慢滤的范围内（<0.1米/时），则生生物膜能够去除致病菌。

垂直流湿地的间歇式进水可以分别改善表面上的、砂砾和生物膜间的摄氧。

第二个处理步骤是饱和流湿地。

它由便于布水的露天水面部分（水上区），以及在水中的生物膜通道组成。

这一处理步骤延长了总的停留时间，促进了反硝化作用和部分的磷拦截。

过滤性湿地的水力负荷预期会随着时间变化，从而形成表面流。

大强度的降雨事件也应该有所考虑。

因此，在第一和第二步的处理湿地都设置了溢流结构，并且设计了旁流。

这些设计被用于调整型的流量控制。

即使溢流，两步处理方案还是通过较长的表面流水流通道尽可能保证处理的效果。

调节池

预处理过的河水将通过一个渡槽进入湿地区。

调节池是起点，也是场地的最高点。

水将从这里通过重力流分布到不同的湿地单元。

将有一条管道连接到两边。

最高1立方米/秒的总流量会流到湿地的东部和西部。

超过的流量会通过溢流堰直接引到中心河流，而不通过处理湿地。

调节池不是湿地设计的一部分，但是是个中心入口。

需要满足某些条件：

1.在进水池池底接合东西两边到一根DN1600的管道（水深>1.6米，加上管道覆盖层（如0.8米））；

2.溢流阈值能够保证在湿地流量中断或减少的情况下，水位也保持在构筑物的安全超高之内（可能范围Q=0-1立方米/秒）；

3.湿地进水的最低水位，与溢流阈值相等，为8.6米；

4.在运行过程中，水位浮动不应超过0.1米，应保证足够的调节池容积来尽量减小湍流。

如果溢流高度限制在0.01米之内，则正常流量（即0-1立方米/秒）情况下的线性溢流堰的最小长度应为约20米。

如果用虹吸堰，该长度也可以明显减少。

溢流堰的设计应该考虑到能量回收的可能性。

流速在之后会增加到3立方米/秒，这样会产生一个势能，即由Q=2立方米/秒的剩余量从高差约为1.5米的堰跌水产生的势能，而另外Q=1立方米/秒的水则经过湿地处理。

如果用涡轮机（90%的转化效率），这样附加的Q为2立方米/秒带来的势能会产生约为25千瓦（kW）的电能用于发电，直接用来代替原来将水泵到渡槽另一边所需的或者预处理所需的能量。

图中显示的是一个平行集成数个涡轮机在管子里的发电站。

比如，3个功率为8千瓦（kW）的涡轮机可以集成在一个虹吸堰的管子里。

另外，虹吸堰的滞后通过进气管控制。

每年可以节约的能量总计将会超过200千瓦时/年。

用于初次布水的主要水渠

布水的基本系统有进水构筑物和两条各处静止水位为8.60米的水渠组成。

两条水渠都可以在维护的时候关闭，只有关闭在进水构筑物后方的第一个井里有一个控制堰。

此渠道用标准DN1600的钢筋混凝土管铺设，从进水构筑物一直到湿地区开端。

这些管道将满负荷运作。

经过考虑，与流向的最小倾角为0.05%。

起始高度取决于进水构筑物的底部高度（仍未确定，也取决于地面/十字路口的高度）。

每根管道都与在两侧湿地的一条方形流水道相连。

这一方形流水道（1500X1500米）不是通过河床坡度而是通过水头损失工作。

系统的最大水头损失必须保证最小，以确保布水效果。

该渠道将会加盖，通过每一个连接点的检查井可以进入渠道。

该渠道每处的最大的设计流速为1立方米/秒。

在此设计流量下，最长距离的最大水头损失应<0.02米。

第一阶段的湿地处理

第一阶段将名义上的5000m2（57mX90m）平行的分为22个处理单元。

在湿地单元的中间，有一个长为100m的流水沟渠。

在每一个单元都是间歇布水的。

每个单元每天布水8次，每次100mm（500m2），每次流量大约为0.335m3/s。

这意味着每过三个小时，在湿地单元入口处的门就会被打开大约25分钟，每次会有三个门被打开。

剩下的单元会有大约2小时35分钟的休息时间。

中间水渠的每一侧都有混凝土地基以及金属的墙壁来保证布水（图片上为相似的单侧金属水渠）。

水渠宽1.5m，金属一侧高度为滤床以上0.5m。

当水离开布水线后，水便会沿着25m长的水渠两侧渗透进过滤网表面。

在湿地单元的另一侧，25m长的流水线后，会有一个溢流阀直接连通到排水系统。

这样，即使随着时间的推移过滤沙的渗水效率降低，也可以拥有一个最小的表面流处理区。

规划中，在布水和休息时间段内，过滤孔内的水位在上过滤层内会在地表以下0~-30cm内波动（3小时为一周期）。

整个过滤层的高度为80cm，包括40cm的沙子和40cm的砂砾作为过渡和排水层。

每隔1.6m安装一个有开口的排水管以此减少死水短流区。

间歇布水最大水头损失为30cm。

在每一个垂直流单元底部，都有一个能容纳0.1m3/s的排水管来接纳回收水。

该流速应该保证至少包括顶层在内的1.5小时的空气流通。

下图展示的是有排水管的滤床横截面在顶层排放100mm的水后，每米的势能。

图1垂直流滤床布水后的势能，底部为7.2m，滤床顶部为8.0m

90%的硝化作用是在砂石过滤的顶层30cm发生，所以保证10cm的毛细水带，40cm的沙过滤层是最少的顶层高度要求。

排水渠在最低处30cm到40cm处。

因为实际操作的原因（主要是由于建设原因），底部交差倾斜10cm所以平均滤床高度为0.75m。

最大设计水位，包括向后延伸到第二步骤，是在过滤层表面下方30cm处。

排水管直接连到第二阶段。

为了保证水位升高时的间歇休息时间（植物生长或者其他维护），每一个湿地单元都可以人工关闭水闸门DN400。

同时也允许关闭垂直流滤床，主要水道直接与第二阶段相连。

第二阶段的湿地处理

最后一步处理步骤设计用来去除第一阶段遗留的硝酸盐，磷和病原体，同时也是最后沉淀、过滤固体物质。

这个湿地的特点是一个水域，包含了过滤区域和尽量延长时间的扩展停留区。

渗透单元（防波堤，1m高）包括湿地拥砂砾填充，用重的石头覆盖。

在每一个防波堤内，水被中间的开口水管收集。

为了保护和提高处理效果，防波堤上需种植芦苇。

水从长得两侧进入防波堤，最后留到中间内部的排水管中。

在防波堤两侧放上重的石头来防止水或空气进入内部使其变形。

同时也保护了塑料不被阳光直射。

防波堤的斜率为1:

3。

这有助于水下的稳定同时增大了过滤区域。

在每一个处理单元最后（总共有6个），会有一个调节溢流井。

通过改变堰口高低来确定水回到防波堤还是水面。

水中的小颗粒会被撇渣墙去除。

这一区域的水面应该布置有漂浮植物或者至少有一定的水生植物，比如荷花等，如果种植水葫芦等强生长植物，需要定期的清理，减少生物炭和生物磷。

尺寸参数

可用的湿地总面积为25公顷。

其中第一阶段和第二阶段的净处理面积均为11公顷。

剩余面积用于道路和堤岸。

在每日流量为90000立方米的情况下，每一处理阶段的平均负荷速率为800毫米/天（mm/d）。

COD负荷是一项重要的指标。

假设预处理后COD浓度为20-30mg/l，则COD日负荷约为0.025[g/l]x820[l/m²/d]=20[g/m²/d]。

根据德国水协会DWA-A262指导，这样的有机负荷率在芦苇覆盖的砂滤系统可接受范围内。

耗氧碳降解和硝化反应通常都受到氧负荷的限制。

硝化反应还受限于pH值和化学抑制剂。

对于酸碱（缓冲）容量低的水，氨氮（NH4-N）的负荷速率应没有低于10g/m²/d的限制。

假设河水的氨氮（NH4-N）浓度最大为5mg/l，则氨氮日负荷为820[l/m²/d]x0.005[g/l]=4[g/m²/d]，该值低于可接受的最大值。

800mm/d的水力负荷是超过目前生活污水处理的常规流速的。

但是只要耗氧量远低于复氧/氧气进气，对于处理（污染）浓度较低的河水，这样的水力负荷是可接受的。

水位下降时，空气将被吸入滤料空隙中。

则可以根据对流传输计算氧气的质量负荷为：

820[l/m²/d]x23[m%]x1.2[g/l]=226[g/m²/d]

O2进气>>O2消耗。

悬浮物（SuspendedSolids,SS）的进入量决定于预处理效率。

根据DWA-A262，对于生活污水处理，总悬浮颗粒（TotalSuspendedSolids,TSS）值不能超过100mg/l（平均50mg/l）。

这将意味着TSS日负荷需小于820[l/m²/d]x0.1[g/l]=8[g/m²/d]。

到目前为止河水处理的TSS可接受的日负荷限值还未知。

尤其是河水中的颗粒可能比预处理过的污水中的颗粒要大。

不管怎样，如果有机物颗粒能过滤并拦截在地面上密集种植的垂直流滤床表面，将能通过浮游动物、真菌和细菌（作用）得到最好的降解。

在垂直流系统里种植芦苇的功能，是为了保证该积累层，或者所谓的“二级过滤层”，的渗透性。

水力学

第一处理阶段的湿地单元间隙运行。

三个单元同时布水，每个单元承担总流量的三分之一。

处理阶段重力流的总有效水头为7.6m。

其中最多19cm用于将水输送到第一处理阶段，最多42cm用于每一个处理单元的冲洗负载，61cm用于通过垂直流湿地（包括排水和流水到第二处理阶段）。

第二处理阶段（包括排水）的总水头损失经计算为39cm。

表1可接受的水头损失最大值

第一阶段

距离（m）

流量（m3/s）

注水（m）

水头损失（m）

地面建筑（m）

地基建筑（m）

绝对水头（m）

ΔH（m）

总和（m）

调节池

2.73

9.10

5.87

8.60

0.00

主要水渠（管道）DN1600

300

1000

1.60

0.048

8.55

-0.05

-0.05

主要水渠（1.5X1.5）

500

1000

1.39

0.140

8.85

7.35

8.41

-0.14

-0.19

进入湿地

0.350

0.37

0.025

8.39

-0.02

-0.21

DN800翻板闸门

0.350

0.018

8.60

8.00

8.37

-0.02

-0.23

布水线（1.5X0.5）

110

0.350

0.37

0.173

8.50

8.00

8.20

-0.17

-0.40

布水线最低水位

0.350

0.20

0.200

8.50

8.00

8.00

-0.20

-0.60

垂直流地下的水位

0.500

0.300

8.00

7.20

7.70

-0.30

-0.90

排水管

0.100

0.30

0.210

7.49

-0.21

-1.11

到第二阶段的排水管，DN

180

0.200

0.25

0.100

7.39

-0.10

-1.21

第二阶段

距离（m）

流量（m3/s）

注水（m）

水头损失（m）

地面建筑（m）

地基建筑（m）

绝对水头（m）

ΔH（m）

总和（m）

0.182

7.39

防波堤的过滤

最大

0.009

0.200

7.29

6.29

7.19

-0.20

-0.20

开口管道

0.009

0.020

7.17

-0.02

-0.22

溢流管

0.040

7.13

7.13

-0.04

-0.26

集水沟

0.091

0.076

7.05

-0.08

-0.34

出水口

0.091

0.050

7.00

-0.05

-0.39

运行

需要一个非常简单的算法来自动控制水的流量分配。

22个湿地单元一个接一个地运行。

每个单元每天处理8个批次。

这意味着每8.18分钟（每24小时被分为8个批次和被22个单元平分）新的单元打开闸门开始新的批次。

每个单元每天需要处理4091立方米（22个单元平分90000立方米/日），而每个批次需处理511立方米。

设计的负荷速率为350升/秒（l/s）时，每一批次的布水时间将会持续1471秒或24.5分钟（511立方米除以0.35立方米/秒）。

第二阶段的每个单元与第一阶段的4个单元一组（其中一组为2个单元）相连。

为了保证第二阶段处理单元的布水更平均，选定图2中所示的作为常规的启动顺序。

若遵循该一顺序，则每组的某一个单元每隔约45分钟开始布水。

表2自动控制参数

启动顺序

1…22

号

启动的切换间隔

491

秒

启动后的关闭时间

1471

秒

人工运行的时候，每个单元都可以从序列中独立开，这样在运行序列中就跳过这些单元。

这样可以允许有个人休息的时间或者用于维护。

在调试阶段，需要根据流量测量的结果调整启动时间的间隔。

同样，堰的高度也需要根据水位控制和流量分配进行调整。

自动控制系统和监控

所有相关的水位高度都会被持续监测。

这可以帮助运营的同事可以提前观察到水位的变化。

同事数据的上传可以允许我们随时查看之前的数据并提高运营。

下面的设备都需要被安装：

-在垂直流1的表面接近溢流口处安装22个压力传感器

-在饱和流溢流口前面安装8个压力传感器

-在入口处安装一个压力传感器（6.8m处）

-在中央水河道出水口安装一个压力传感器（6.9m处）

所有的传感器为了长居路数据运输，都应使用数字传输。

使用两个多维传感器来对水质进行检测。

一个用来检测入水水质（入口前），还有一个用来检测出水水质（在进入湖泊前）。

主要的简单检测包括：

温度、导电率和浑浊度。

其他一些指标，比如COD、BOD、pH、含氧量、硝酸盐、氨氮含量会在实验室取样分析。

调试阶段

在调试阶段，所有的过滤区域都要种植茂密的植被。

一个高密度的枝叶和根系可以帮助避免悬浮杂质聚集堵塞。

一个高密度的植物枝叶可以减少光照从而限制滤层表面藻类的生长

在调式阶段，湿地单元需要达到最高水位（表层15cm以上）。

在第一阶段的植物生长（运行第一年），没有水会被过滤。

水的作用只是浇灌植物，提供养分代替水分蒸发的损失。

在运行第二年，不是最高荷载就可以用了。

最大的流量应该控制在200mm/d以内。

预测最好的植物去除效率将会在运营第三年出现。

第一年内第二阶段只有4个单元可以运行，并且是第一阶段使用后的最低的水处理流量。

在常规运行开始前，所有的构件和功能需要再一次测试来校准布水间歇。

。

流量和水位也要在重新测量。

之后流量控制系统也要再次调整。

维护

对于不同的地方，道路系统都有不同的等级。

等级1用于重型卡车，等级2用于小型卡车，等级3用于步行、或者轻型机械。

所有的操作点，比如控制阀门、井、入水和出水，包括：

溢流部分需要的常规检查和潜在清理。

人工阀门需要定期间歇移动，机械也需要根据提供商的建议每年定期处理。

检修孔必须一直畅通。

道路也必须保持干净。

第一阶段的芦苇湿地单元在前2年的运行后，应该每年或者每半年收割一次。

这有助于减少每年新增的腐殖质而且有助于维持长期的水力承载力。

如果腐殖质累计达到了一定的程度从而影响了水力渗透效果，最顶层的有机层可以移除。

它可以用作有机肥料来代替花费防止虫害，减少对河道冲击。

对于污泥处理，首先要将芦苇砍掉。

有机层可以用轻型挖掘机或者农用机移除。

在泥炭地使用大的轮胎来减轻对土壤的压力。

污泥移除后，芦苇会重新从地下生物眼中发芽（根部和茎）。

收集的生物炭（芦苇秸秆）可以作为有价值的再生型能源资源。

芦苇秸秆有大约20MJ/kg干物质量。

每年生物炭总量在2-60t/ha。

在柏林试验地，每年产量为38t/ha。

假设平均生物炭产量为30t/ha，第一阶段一共有11ha的滤床面积。

那么总共有30【t/ha】x20【TJ/t】x11【ha】=6600TJ能量提供。

这些生物炭可以代替6600TJ/38.4【TJ/m3】=172m3的石油（EL）或者大约1000桶原油（最多可以打到2000桶）。

因为可提供的水头比较低，所以靠自重不可能排空所有的滤床和管道。

为了防止某个湿地单元需要排水对植物进行养护以及管道清理，可以使用可移动泵来实现。

图2丹阳河水处理湿地流程图