中牟先导区河道人工湿地设计方案 初稿DOC.docx
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中牟先导区河道人工湿地设计方案初稿DOC
中牟先导区河道人工湿地设计方案
一、项目基本概况
1.1河道现状
先导区内河流主要有运粮河和丁村沟。
a）运粮河
运粮河属于淮河流域，涡河水系，起源于中牟县万滩乡万庄村南，东南方向途径东漳南、秫米店北、大胖西、老饭店西、朱仙镇东、大李庄西，在开封县大李庄乡，四合庄西汇入涡河，全长53.27km，总流域面积214km2。
其中中牟县境内长15.6km，流域面积112.9km2，规划区内河道长度3.9km，是先导区，乃至中牟县的一条主要防洪排涝河道。
运粮河属于季节性河流，在平面上基本保持了其自然河形，岸线有一定的蜿蜒，河道两侧滩地及堤防顶部有速生杨林，枯水期基本无基流，河流水质较差。
2005年按三年一遇除涝，十年一遇防洪标准进行了治理，治理长度15.6km，出境处设计排水流量40.84m3/s。
它是狼城岗干渠和丁村支渠区域的主要排水河道，主要支流有丁村沟（沟长14.61km）和运粮河支沟（沟长5km）。
设计排水能力16.9m3/s~48.7m3/s，目前排水能力为设计能力的70%。
b）丁村沟
丁村沟属运粮河水系，位于丁村支渠与赵口总干渠1号沉砂池第Ⅰ条渠之间，发源于万滩镇关家村，流向东南，流经万滩镇、雁鸣湖两乡镇，经小朱村、岳庄、丁村南，再向东南，穿中东公路，至朱固村南入运粮河，全长14.4km，流域面积24.9km2。
其中中牟县先导区内河道长度为4.3km。
现状来水主要为上游村庄的生活污水，以及雁鸣湖的侧渗水，现状水质较差，河道内局部有生活垃圾。
1998年丁村沟进行了清淤，至今未再次治理过，它是示范区内的一条主要排水沟道。
设计排水能力3m3/s~15m3/s，目前排水能力仅为设计能力的80％。
河渠均为季节性河流，现状河渠水系受周边工业污染相对较轻，主要受沿河村镇生活污水、农田排水和降雨径流污染影响，部分河渠河床内及两侧垃圾较多，旱季时基本成为排污沟，污染严重，水质均为劣
类，无法达到水功能区划和河流生态所需要的水质标准，严重影响先导区环境质量。
1.2项目意义
项目的建设对改善运粮河与丁村沟的河滩生态环境，提高运粮河与丁村沟的河道水质，创造良好的滨水环境，实现水资源和水生态系统的良性循环，提高政府形象，改善投资环境和人民群众的生活质量，具有十分重要的意义。
1.3设计规模
根据中牟先导区提供的数据并结合具体实际情况进行推算及依据国家相关政策，本方案确定该人工湿地的处理规模为300m3/d，采用潜流与自由表面流组合工艺方式处理方案。
1.4经济技术指标
1、总投资：
537503.00元
2、吨水投资为：
F1＝537503.00／300＝1791.677元。
二、前言
人工湿地的净化机理：
对SS：
湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。
废水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留。
对有机物：
有机污染物通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去。
对N、P：
湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。
三、设计依据及原则
3.1设计依据
（1）《中华人民共和国环境保护法》
（2）《中华人民共和国水污染防治法》（修正）1996.5.15
（3）《污水综合排放标准》GB8978-1996
（4）《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）
（5）《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002
（6）《人工湿地污水处理工程技术规范》HJ2005-2010
（7）《室外排水设计规范》GB50014-2006
（8）《砌体结构设计规范》GB50003-2001
（9）《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
（10）《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002
（11）《给水排水工程构筑物设计规范》GB50069-2002
（12）《水处理工程师手册》
（13）《污水综合排放标准》GB8978-1996
（14）《城市污水处理及污染防治技术政策》（建城[2000]124号）
（15）《城市污水处理工程项目建设标准》（建标[2001]77号）
3.2设计原则
（1）对河水中污染物进行分析比较，结合要求达到的处理后排放水水质标准，提出技术先进、工艺可靠、经济合理的工艺方案。
（2）处理工艺力求达到节能、低耗，且技术先进、操作简便，占地面积少，施工方便，投资省。
（3）以环保法规和有关规范、标准为依据，确保污染河水处理后达标排放。
（4）作为环保工程，设计中应尽量减少对环境产生的负面影响，如噪音、臭气、固体废弃物等；
（5）工程设计注重本工程实际运行的灵活性和抗冲击性，提高其对水质水量变化的适应性；工程建设坚持环保、生态化，处理后的出水补充运粮河及丁村沟景观用水，做到水资源化循环利用。
四、项目设计的针对性
本方案设计保证出水达到处理要求的前提下，尽量做到节省投资，充分发挥该河水水净化工程的社会效益、经济效益和环境效益。
所采用的工艺设施既具有合理性又具有先进性以保证运行管理简便灵活。
采用“太阳能曝气生化处理加人工湿地”工艺，方便运行、降低景观水处理造价、减少运行成本、保证出水稳定达标。
该景观水的处理设施总图布置要求紧凑合理，尽可能优化工艺设计，根据项目所在地地形地貌，进行合理布局，减少占地面积。
五、合理选址的原则及处理水量、水质
5.1合理选址的原则
本方案景观水处理设施选址原则是水处理设施应结合地形，尽可能选用荒地、洼地和河塘边，就近集中或分设，少占良田，缩短排水管道，降低管道埋深和减少土方工程量。
因此本景观水处理设施的选址应遵循以下几点原则：
1）选址应选择地势稍低处，便于河水通过自流流入本景观水处理设施，同时还要满足处理达标水能自流排出本设施。
2）选择在非耕地地带建设本设施，尽量不占用耕地和农田。
3）尽量利用当地现有地形，减少工程投资。
4）项目建成后，便于管理，减少运行费用。
5.2处理水量
本项目日设计处理量为300m3/d。
5.3设计进水水质
根据参考有关资料，设计原水水质见表5-1。
表5-1进水水质表（单位：
mg/l）
名称
CODCr
BOD5
TN
NH4+
TP
SS
pH
设计原水水质
≤60
≤20
≤30
≤25
≤2
≤60
6-9
5.4出水水质
处理后出水达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）5类水。
处理后的出水水质见表5-2。
表5-2出水水质表（单位：
mg/l）
名称
CODCr
BOD5
TN
NH4+
TP
SS
pH
设计出水水质
≤40
≤10
≤2
≤2
≤0.4
≤10
6-9
GB18918-20025类水
40
10
2
2
0.4
10
6-9
六、处理工艺
6.1处理工艺流程框图
太阳能
6.2本方案水处理工艺流程说明
由于河道河水氨氮含量较高，脱氮处理中反硝化作用阶段前充分的硝化作用是非常必要的，因此在人工湿地前端设置好养生物塘，河水经过拱水井自流入到好养生物塘。
为提高组合工艺整体的脱氮效率，考虑将垂直流人工湿地放在组合工艺前端，有利于提高湿地系统的输氧能力，从而提高硝化作用提高脱氮效率。
好养生物塘的出水自流先后进入水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地组合成的复合潜流人工湿地系统，最后经过表流人工湿地，这样利用植物吸收、微生物降解、填料过滤吸附等作用去除污水中的污染物。
相对于其他处理技术，人工湿地具有投资省、效率高、维护简单等优点，对于污染物浓度相对较低的农村生活污水，是一种较好的处理技术。
人工湿地出水达标排入河道。
6.3本方案水各处理单元功能描述
（1）好养生物塘
用于去除原污水中悬浮物及大颗粒杂物，可以防止垂直流人工湿地的堵塞，保护后续人工湿地的运行稳定。
利用太阳能曝气增氧，提高水中的溶解氧，促进氨氮的氧化作用，进而充分的硝化作用，使脱氮处理中反硝化作用阶段可以充分反应，提高了脱氮效率。
减轻后续人工湿地的治理负荷。
（2）人工湿地
本单元综合了物理、化学和生物的三种作用对污水进行进一步的处理。
系统成熟后，特种填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。
污水流经生物膜时，残余的SS被填料和植物根系有机截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被去除。
同时系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次呈现出好氧、厌氧和缺氧状态，保证了废水中氮、磷不仅能被植物和微生物作为营养成分而直接吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用将其从废水中去除。
老化的微生物作为肥料被植物吸收。
人工湿地可按污水在湿地床中流动的方式不同而分为三种类型：
地表流人工湿地（SFW）、潜流型人工湿地（SSFW）。
潜流型人工湿地又包括水平流人工湿地和垂直流人工湿地。
表面流人工湿地植物根系发达，可通过根系向基质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧和厌氧小区，利于多种微生物的繁殖。
潜流湿地污水在湿地床内的部流动，一方面可以充分利用填料表面的生长的生物膜、丰富的根系及表层土和填料截流等作用，以提高其处理效果和处理能力；另一方面由于水流在地表以下流动，故具有保温性好、处理效果受气候影响小、卫生条件好等特点。
三种类型人工湿地比较
类型
表面流人工湿地
水平潜流人工湿地
垂直潜流人工湿地
特点
污水在湿地的表面流动，水位较浅，多在0.1～0.6m，与自然湿地最为接近
污水在湿地床的内部流动，从一端水平流过填料床
污水在湿地床的内部流动，从湿地表面纵向流向填料床的底部
优点
工程投资低，运行成本最低
水力负荷较高，对污染物去除效果好；很少有臭味和蚊蝇现象；运行成本较低
硝化能力高，可用于处理氨氮含量较高的废水。
运行成本较低
缺点
系统的处理效果受温差变化影响大
控制相对复杂；脱氮、除磷的效果不如垂直流人工湿地
控制相对复杂
根据以上的比较并结合水质情况，选用复合垂直潜流人工湿地+表面流人工湿地组合工艺。
（3）出水池
主要是蓄水的功能。
6.4工艺特点
除污效率高：
在进水负荷较低的条件下，系统对BOD5的去除率可达85%～95%，CODcr的去除率可达80%以上。
同时，系统对N和P去除率也很高，可分别达到60%及90%以上；
运行成本低廉：
一般为是传统的二级污水处理技术的1/10～1/2，大幅度降低了污水处理成本；
易于维护：
本工艺需较少的机电设备，系统维护以清理渠道及管理作物为主，对人员技能要求不高；
低能耗、无二次污染：
由于工程中的设备少，本工艺耗能低，这是其它处理方法无法相比的；
臭味少，美化环境，可作景观作用。
总的来说，人工湿地具有较高的环境效益、经济效益及社会效益，非常适合处理水量、水质变化不大、对管理要求不高的河道微污染治理。
人工湿地可与当地绿化有机结合，栽种观赏植物，成为一个景观，可谓一举多得。
七、工艺的设计计算
7.1好养生物塘
⑴实际尺寸：
L×B×H=10×6×2.3m
⑵有效水深：
H=2.0m
⑶有效容积：
V=120m3,有效面积60m2
⑷水力停留时间：
HRT=5h
结构：
砖混结构
7.2人工湿地
（a）复合潜流人工湿地
综合考虑水平潜流负荷高，水力条件好能营造良好的厌氧环境，以及垂直潜流充氧能力和硝化能力强的特点，我们选择水平+垂直的复合潜流人工湿地，水流经进水布水，先后缓慢流经粒径20mm的粗砾石和5mm~10mm的细砾石，在砾石表面形成生物膜，附着的微生物对污水中的有机物进行降解，出水进入垂直流湿地，水流在填料床中呈由上向下的垂直流，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。
垂直流湿地的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。
在设计时充分考虑了检修，将垂直潜流湿地分为2格，保证在检修的情况下也不会间断对污水的处理。
（b）表面流人工湿地系统
地表流湿地系统也称水面湿地系统，与自然湿地最为接近，但它是受人工设计和监督管理的影响，其去污效果又要优于自然湿地系统。
污染水体在湿地的表面流动，水位较浅。
通过生长在植物水下部分的茎、竿上的生物膜来去除污水中的大部分有机污染物。
氧的来源主要靠水体表面扩散，植物根系的传输和植物的光合作用，表面流负荷小，占地面积相对较大。
7.2.1设计参数
水平潜流人工湿地设计参数
设计水量Q（m3/d）
300
水力负荷（m3/m2•d）
0.6
计算表面积A（m2）
300
设计面积（m2）
300
设计单元数目
3
单元设计格数
2
单元长：
宽
4
计算单元面积
100
计算单元长度（m）
20
计算单元宽度（m）
5
单元中单格长度（m）
10
单元中单格宽度（m）
5
水平潜流总长度（m）
20
水平潜流总宽度（m）
15
覆土厚度（m）
0.3
粗砂厚度（m）
0.1
填料层高度（m）
0.6
细砂厚度（m）
0.02
总高度（m）
1
单元容积（m3）
100
填料层体积（m3）
277.2
总体积（m3）
300
实际占地面积（m2）
300
垂直潜流人工湿地设计参数
设计水量Q（m3/d）
300
水力负荷（m3/m2•d）
0.4
计算表面积A（m2）
300
设计面积（m2）
300
填料层高度（m）
1
覆土厚度（m）
0.3
总高度（m）
1.3
长：
宽
2
计算长度（m）
24.494897
计算宽度（m）
12.247449
设计长度（m）
25
设计宽度（m）
12.5
设计格数
2
单格长度（m）
12.5
单格宽度（m）
12.5
单格容积（m3）
203.125
填料层体积（m3）
312.5
总体积（m3）
406.25
实际占地面积（m2）
312.5
表面流人工湿地设计参数
设计水量Q（m3/d）
300
水力负荷（m3/m2•d）
0.5
计算表面积A（m2）
250
设计面积（m2）
250
设计格数
2
单格长：
宽
3
计算单格面积
125
计算单格长度（m）
19.5
计算单格宽度（m）
6.5
设计单格长度（m）
20
设计单格宽度（m）
6.5
总长度（m）
20
总宽度（m）
12
有效水深（m）
0.5
砾石厚度（m）
0.1
土壤厚度（m）
0.2
超高（m）
0.3
总高度（m）
1.35
单格体积（m3）
171.1
总体积（m3）
378
实际占地面积（m2）
250
7.2.2构筑物设计
水平潜流人工湿地构筑物尺寸
设计长度（m）
20
设计总宽度（m）
15
设计深度（m）
1
设计总容积（m3）
300
构筑物分格
3
垂直潜流人工湿地构筑物尺寸
设计长度（m）
25
设计总宽度（m）
12.5
设计深度（m）
1.3
设计总容积（m3）
406.25
构筑物分格
2
表面流人工湿地构筑物尺寸
结构
砖砌
设计长度（m）
20
设计单格宽度（m）
6.5
设计深度（m）
1.35
设计总容积（m3）
342.225
构筑物分格
2
7.2.3水平潜流人工湿地系统基质配选方案
水平潜流湿地从表层到底层依次为覆土土壤，粗砂，填料层，细砂，防渗层，我们将湿地分为3个单元，每个单元分为2格，第一格选择粒径为20mm的粗砾石作为填料层，一方面利用粗砾石粒径大，水力条件好的特点，增大系统的抗负荷能力，另一方面靠近进水端的填料层也起到很好的布水作用，使水流均匀，提高容积利用率；第二格选择5mm~10mm的细砾石，增大填料比表面积，使附着在填料表面的微生物与污水更容易接触，同时由于粒径小，水流速度较慢，给微生物提供充足的时间硝化降解河水中的有机物，提高出水水质，降低对后续工艺的冲击。
7.2.4垂直潜流系统人工湿地系统基质配选方案
我们将潜流湿地由上而下划分为土壤表层、多孔管布水系统、填料处理层、集水系统和防渗层五部分，其中多孔管布水系统与集水系统包含于填料处理层中，本方案中为了便于区分，将布水管、集水管周围的填料层分别归为多孔管布水系统与集水系统。
根据设计规范，多孔管布水系统、填料处理层与集水系统三层的总厚度宜为0.4～1.6m，我们取1.0m。
7.2.4.1土壤表层
土壤表层的主要功能是维持挺水植物的生长，由于污水进入系统后，不经过本层，其对污水无直接净化作用，主要体现为植物净化。
应优先选择当地土壤，以松软土质为佳（黏土～壤土），并具较高的肥力，渗透系数宜为0.025～0.35cm/h。
考虑到植物的生长、工程量与系统的维护去堵，土壤厚度取30cm。
系统完成面比周边地表高5cm，防止周边雨水漫入系统。
在系统运行后，土壤表层厚度会因外界的冲刷等而逐渐下降，部分土壤会进入下层，从而影响布水，因此，下层填料层的厚度应超出设计值10%～15%。
7.2.4.2多孔管布水系统
多孔管布水系统的作用主要在布水，为确保顺畅布水，须考虑两点：
1）布水管周围填料的空隙与孔隙率
布水管周围填料应有较大的空隙与较高的孔隙率。
选取有效粒径为16mm的陶粒即可满足布水的水力传导条件，陶粒厚度取15cm。
2）土壤表层对布水的影响
土壤表层中的土壤会在运行过程中逐渐向下扩散，对布水造成污堵，从而影响顺畅布水。
针对这个问题，我们在考虑提高布水层厚度的基础上，先在土壤表层下铺一层5cm厚的粗砂，而后敷设布水管。
布水主管径取de110，布水管包含在细砾石层中。
7.2.4.3填料处理层
填料处理层的基质的选择对于处理效果有很大影响，应考虑基质的粒径、比表面积、孔隙率、材质等因素。
粒径与孔隙率影响基质的水力传导性能；比表面积影响基质的吸附性能；材质影响某些污染物质（磷）的去除效果。
本层基质的孔隙率以35%～40%为宜，过低会影响基质的除污效果。
比表面积大、含大量钙的填料（碱性环境）或含大量铁铝的填料（酸性环境）对污染物质（磷）有很好的去除效果。
本层中填料选用复合填料，即以陶粒、煤渣、玉米芯、土壤四种填料的按3：
3：
1：
3的体积比配制而成的填料。
复合填料有良好的除污效果、费用低、易获取，充分利用了周围资源。
复合填料层厚取65cm。
7.2.4.4集水系统
与布水系统类似，为确保顺畅集水，集水管周围填料应有较大的空隙与较高的孔隙率，选取有效粒径为16mm的陶粒即可满足布水的水力传导条件。
集水支管径取de63，主管径取de110，陶粒厚度取15cm。
7.2.4.5防渗系统
根据设计规范，潜流湿地系统底部与侧壁须进行防渗处理，防渗层的渗透系数不应大于10-6cm/s。
我们采用防渗膜HDPE与压实土层进行防渗处理。
敷设防渗布前，应先将场址基地整平压实，对于地表高低起伏过大及土质松软之区域应加以改善，不能有尖锐突出物在地面上。
敷设防渗膜后，在防渗膜上要铺20mm厚的细沙，以防止防渗层被上层砾石刺破。
7.2.5表面流人工湿地系统基质配选
基质自上而下分为3层：
砾石层、土壤层与黏土层。
砾石层为支撑层，厚度0.1m，取细砾石，粒径16mm；土壤层应优先选择当地土壤，以松软土质为佳（黏土～壤土），并具较高的肥力，渗透系数宜为0.025～0.35cm/h，厚度取30cm；底层为黏土层，其夯实前厚度取30cm。
7.3出水池
（1）实际尺寸：
L×B×H=10×5×1.2m
（2）有效水深：
H=1.0m
（3）有效容积：
V=50m3,有效面积50m2
（4）结构：
砖混结构
7.4人工湿地堵塞的预防措施
1）选择了粒径较大的基质以有效地防止堵塞的发生,但过大的粒径会缩短水力停留时间，进而影响净化效果。
我方根据在净化效果和防堵塞两者之间寻找一个最佳平衡点选择了合适粒径基质。
2）潜流人工湿地分为2格，可以间歇进水可减缓人工湿地基质堵塞。
3）选择了合理的湿地植物，选用根际复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物并将来定期收割植物的地上部分。
4）湿地日常运行的科学管理，一般该每六个月综合检查一次，日常的维护主要包括拔除杂草、清除死的植物以及清洗管道等并需根据来水水质的变化及时调整湿地进水量以防止湿地超负荷运行。
5）其他临时措施有：
更换湿地表层基质、停床休作与轮休、投加蚯蚓等。
八、水生植物的选择与配置（参考植物配置说明）
水生植物是指生长环境为水体、沼泽地的植物，包括草本和木本植物。
水生植物可分为以下四类：
1、挺水植物：
指茎叶挺出水面的水生植物，常见的有芦苇、菖蒲、香蒲、水葱、水生美人蕉、慈姑、灯心草等；
2、浮叶植物：
指叶片浮在水面的水生植物，常见的有睡莲、荷花、萍浮草、王莲等；
3、漂浮植物：
指根部不生长在泥中，植株部分漂浮与水面之上，部分悬浮在水里的水生植物，常见的有浮萍、红萍、水鳖等；
4、沉水植物：
指整个植株全部没入水中，或仅有少许叶尖或花露出水面的水生植物，常见的有金鱼藻、菹草、黑藻等。
主要的植物配置表
植物类型
水平潜流型
垂直潜流型
表面流型
备注
挺水植物
泽泻、纸莎草、西伯利亚鸢尾
菖蒲、慈姑、千屈菜、美人蕉、西伯利亚鸢尾
水葱、慈姑、西伯利亚鸢尾、水芹菜
美人蕉
按实际情况可调整
浮叶植物
/
/
睡莲
可调整
漂浮植物
/
/
/
少量
沉水植物
/
/
黒藻、金鱼藻、菹草
按实际情况可调整
九、后期管理
人工湿地后期管理主要包括结构管理和植物管理两方面：
（1）结构管理
人工湿地的各项结构管理在于保证系统稳定运行，延长湿地使用年限。
任何细微的损坏或裂缝，都会因不断的污水流动，造成损坏不断扩大，因此必须定期（如每月）对人工湿地池体如坝、泄洪沟及其它控制水流的设施进行检查和维修。
（2）植物管理
植物是人工湿地处理核心，也是人工湿地后期管理最重要工作，主要注意以下几方面：
1）植物栽种初期的管理
人工湿地植物栽种初期的管理主要是保证其成活率，湿地植物栽种最好在春
季，植物容易成活。
如果不是在春季，如冬季应做好防冻措施，如在夏季应做好
遮阳防晒。
总之要根据实际情况采取措施确保栽种的植物能成活。
2）控水
植物栽种初期为了使植物的根扎得比较深，需要通过控制湿地的水位，促使
植物根茎向下生长。
3）及时收割植物
人工湿地植物一般生长较快，根据不同的植物类型，在其生长茂盛、成熟后
应对植物进行及时收割，并处理和利用。
一般的植物收割时间为上半年的3～5月份和下半年的9～11月份。
4）做好日常护理
防止湿地内其它杂草滋生，对已生长的杂草应及时清除；需及时清除植物的
枯枝落叶，以防止腐烂等污染。
5）暴风雨后的维护
暴风雨后，湿地床上植物发生歪倒，要及时扶培，排除积水。
6）冬季对植物的处理
对不耐寒的植物在冬季来临之前要做好防冻措施或及时收割掉，降低负荷。
十、投资估算
10.1投资概算依据
（1）《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）；
（2）河南省水利厅、河南省发改委、河南省财政厅豫【2006
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