人工湿地污水处理工艺与设计

人工湿地污水处理工艺与设计2009年09月08日星期二16:04人工湿地污水处理工艺与设计王薇,俞燕,王世和(东南大学环境工程系,南京210096)摘要:人工湿地作为一种新型生态污水处理技术,在实际应用中取得了快速发展。为了适应我国对这一技术的迫切需要,文章结合作者的实践,较详细地介绍了目前人工湿地污水处理的工艺结构、基本设计方法及经济技术比较,以供有关科研、设计单位参考。关键词:人工湿地;污水处理;工程设计近年来,各种水处理技术在实际应用中取得了不断的发展,特别是作为二级处理的活性污泥法以其工艺相对成熟、运行稳定、处理效果好而成为城市污水处理的主流工艺,但传统的活性污泥不仅基建投资大,运行费用高,且主要以去除碳源污染物为目的,对氮、磷等营养物质的去除则微乎其微,经处理后的出水排入水体后仍将引起“富营养化”等环境问题。三级处理虽可解决上述问题,但因投资和运行费用昂贵而难以大面积推广。同时事实也说明,单纯依靠传统的人工处理方法在我国当前的情况下尚难以从根本上解决水污染问题,只能延缓其发展趋势。70年代以来,人工湿地处理技术的提出和发展,为综合解决上述问题提供了一种新的选择。1人工湿地的基本构型与流程人工湿地系以人工建造和监督控制的、与沼泽地相类似的地面,通过自然生态系统中的物理、化学和生物3者协同作用以达到对污水的净化。此种湿地系统是在一定长宽比及底面坡度的洼地中,由土壤和填料混合组成填料床,废水在床体的填料缝隙或在床体表面流动,并在床体表面种植具有处理性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物,形成一个独特的动、植物生态系统,对废水进行处理。实际设计中,往往是将湿地进行多级串联或附加必要的预处理、后处理设施构成。人工湿地按污水在其中的流动方式可分为两种类型:①水面式人工湿地(简称FWS),②潜流型人工湿地(简称SFS)。FWS系统中,废水在湿地的土壤表层流动,水深较浅(一般在0.1-0.6m)。与SFS系统相比,其优点是投资省,缺点是负荷低。北方地区冬季表面会结冰,夏季会滋生蚊蝇、散发臭味,目前已较少采用。而SFS系统,污水在湿地床的表面下流动,一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用,提高处理效果和处理能力;另一方面由于水流在地表下流动,保温性好,处理效果受气候影响较小,且卫生条件较好,是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统,但此系统的投资比FWS系统略高。人工湿地的工艺流程有多种,目前采用的主要有:推流式、阶梯进水式、回流式和综合式4种,人工湿地的基本流程阶梯进水可避免处理床前部堵塞,使植物长势均匀,有利于后部的硝化脱氮作用;回流式可对进水进行一定的稀释,增加水中的溶解氧并减少出水中可能出现的臭味。出水回流还可促进填料床中的硝化和反硝化作用,采用低扬程水泵,通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。综合式则一方面设置出水回流,另一方面还将进水分布至填料床的中部,以减轻填料床前端的负荷。人工湿地的运行可根据处理规模的大小进行多种方式的组合,一般有单一式、并联式、串联式和综合式等(如图2所示)。在日常使用中,人工湿地还常与氧化塘等进行串联组合。a.单一式;b.串联式;c.并联式;d.综合式人工湿地的不同组合方式2人工湿地系统的设计人工湿地系统的设计涉及如:水力负荷、有机负荷、湿地床构形、工艺流程及布置、进出水系统和湿地栽种植物种类等诸多因素。由于不同国家及地区的气候条件、植被类型及地理条件各有差异,因而大多根据现地条件,经小试或中试取得相关数据后进行。2.1FWS系统的设计由于废水在人工湿地中流动缓慢,故人工湿地通常可视作一级推流式反应器,稳态条件下可用以下反应动力学公式描述:Ce/C0=exp(-KTt)基于人工湿地的影响因素较为复杂,各国研究者对湿地床的尺寸提出了不同的计算方法。Reed建议FWS系统可用下列方程计算[1]:CeC0=A[-CKTAV1.75LWQnQd]Tchobanoglour建议,水湿为T时,速率常数可由下式确定:KT=K20(1,1)(T-20)当湿地床的底坡或水力坡度不小于1%时,上述方程可调整为:CeC0=0.52exp[-CKTAV1.75LWQn4.6S1/3Qd]对床表面积AS,Kaklec和Knight建议用下式计算:AS=(0.0365Qd104k)ln(C0-C3Ce-C3)初步设计时,k值可取34m/y,背景BOD5值可由下式计算:C3=3.5+0.05C0FWS系统的有机负荷随废水性质和条件变化很大,其范围在18-110kgBOD5(ha·d)。一般只作为设计校核的指标,它的控制对维持系统好氧状态及防止蚊虫、恶臭等非常重要。FWS系统的水力负荷可达150-500m3/(ha·d)。在确定水力负荷的同时应考虑气候、土壤状况、渗透系数和植被类型等场地条件,还应考虑接纳水体的水质要求,尤其注意由于蒸发、蒸腾的失水量对夏季处理的影响及在干旱地区设计湿地的可行性。在特殊情况下,要求湿地设计达到零排放时,湿地中的水主要通过蒸发、蒸腾、补充地下水或系统内回用等途径完成,这时水力负荷与水平衡计算是设计时需要重点考虑的问题。2.2SFS系统的设计在SFS系统中,水流有2种基本流态,即层流与紊流。当湿地床中所用填料的粒径不大、污水充满填料缝隙并处于饱和状态时水流为层流,此时可用达西公式计算[1-3],即:Q=KsAcSv。对其中的渗透系数Ks,到目前为止尚无准确的测定,对于以砾石为基质的湿地,欧洲人建议取10-3m/s,而美国的经验认为Ks不宜大于10-4m/s。当Re1-10时,水流变为紊流,此时不宜用Darcy公式,可用Ergum公式计算[1-3]。S=150μv[(1-n)/Dpn]2/ρg+1.75(1-n)v2/Dpng湿地表面积AS可用下计算[1]:AS=Q(lnC0-lnCe)/(KTDn)式中:KT与温度的关系为KT=K20(1.1)T-20。据有关文献报道和实际试验,某一特定SFS系统的K20与床体填料的孔隙率n有关,关系式为K20=K0(37.3n4.172),对典型城市污水取K0=1.839d-1,高浓度有机工业废水K0=0.198d-1。60城市环境与城市生态14卷1期2001年©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.英国人Kitkuth推荐用AS=5.2Q(lnC0-lnCe)计算表面积。符号说明:AC,As—湿地床的横截面积,表面积;m2;Ce,C0—进水、出水BOD5;mg/L;Q—平均设计流量:m3/d;KS—渗透系数;m3/(m2·d);K20,KT—温度20℃,T℃时的速率常数;d-1;KO—某一填料中植物根系充分发展后的最佳速率常数;d-1;L—湿地床长度;m;W—湿地床宽度;m;D—湿地床深度;m;S—底坡或水力坡度;(-)。由上述各式,即可确定湿地床的基本尺寸。湿地床长度L通常定为20-50m。过长,易造成湿地床中的死区,且使水位难于调节,不利于植物的栽培。此外,湿地的长度比L/W也不应过大,建议控制在3∶1以下,常采用1∶1,对于以土壤为主的系统,L/W比应小于1∶1。床深D一般须根据所栽种植物的种类及根系的生长深度确定,以保证湿地床中必要的好氧条件。对于芦苇湿地系统,处理城市或生活污水时,D一般取0.6-0.7m;而用于较高浓度有机工业废水的处理时,D一般在0.3-0.4m之间。床横截面面积与温度、有机负荷无关,只受填料的水力学特性影响。在借鉴有关经验的基础上人们建议,通过填料横截面的平均流速Q/AC以不超过8.6m/d为宜,以避免对填料根茎结构的破坏。湿地床底坡一般取1%-8%,须根据填料性质及湿地尺寸加以确定,对以砾石为填料的湿地床一般可取2%。2.3其它设计问题人工湿地的基本尺寸确定后,还需考虑如场地选择、栽种植物的种类、进出水系统的布置等一些具体问题。1)场地选择:与传统二级生物处理工艺相比,单位体积污水处理量所需人工湿地的面积约为传统二级生物处理地的2-3倍。采用人工湿地处理污水时,应尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地,一方面可减少土方工程量,利于排水,降低投资;另一方面,可减少对周围环境的影响。2)植物的栽种:人工湿地系统设计中,应尽可能增加湿地系统的生物多样性,以提高湿地系统的处理性能,延长使用寿命。在选择湿地植物物种时,可根据耐污性、生长适应能力、根系的发达程度及经济价值和美观要求确定,同时也要考虑因地制宜。可用于人工湿地的植物有芦苇、茳芏、大米草、水花生、稗草等,目前最常用的是芦苇。芦苇的根系较为发达,是具有巨大比表面积的活性物质,其生长可深入到地下0.6-0.7m,具有良好的输氧能力。种植芦苇时,一般应尽量选用当地芦苇进行移栽,其具体方法是将有芽苞的芦苇根分剪成10cm长左右,将其埋入4cm深的土中并使其端部露出地面。插植的最佳季节在秋季或早春,插植密度可为1-3株/m2。3)进出水系统的布置:湿地床进水系统的设计应尽量保证配水的均匀性,一般采用多孔管或三角堰等。多孔管可设于床面上或埋于床面以下,埋于床面下的缺点是配水调节较为困难。多孔管设于床面上方时,应比床面高出0.5m左右,以防床面淤泥和杂草积累而影响配水。同时应定期清理沉淀物和杂草等,保证系统配水的均匀性。系统的进水流量可通过阀或闸板调节,过多的流量或紧急变化时应有溢流、分流措施。湿地出水系统的设计可采用沟排、管排、井排等方式,合理的设计应考虑受纳水体的特点、湿地系统的布置及场地的原有条件。为有效地控制湿地水位,一般在填料层底部设穿孔集水管,并设置旋转弯头和控制阀门。对严寒地区,进、出水管的设置须考虑防冻措施,并在系统的必要部位设置控制阀和放空阀。4)填料的选用:进水配水区和出水集水区的填料一般采用粒径为60-100mm的砾石,分布于整个床宽。处理区填料表层可优先选用钙含量为2-2.5kg/100kg的混合土,以利于提高脱磷效果。表层之下以5-10mm粒径石灰石掺和适量土壤,厚度为150-250mm,再往下,全部采用5-10mm粒径石灰石填料,或用不同级配砾石、花岗岩碎石铺设。由于表层土壤在浸水后会有一定的下沉,因此,建造时填料表层标高应高出设计值10%-15%。5)湿地床的水位控制:通常,湿地进水的水位是不变的,为使污水在床体内以推流式流动,须对床层的水位加以控制。通常,SFS系统对水位的控制有几点要求:①在系统接纳最大设计流量时,湿地进水端不出现雍水,以防发生表面流;②在系统接纳最小设计流量时,出水端不出现填料床面的淹没,以防出现表面流;③为了利于植物的生长,床中水面浸没植物根系的深度应尽量均匀,并尽量使水面坡度与底坡基本一致。6)防止地下水污染:为防止湿地系统因渗漏而造成地下水污染,要求在工程时尽量保持原土层,并在原土层上设置防渗层。防渗层的设置方法有多种,如采用厚度为0.5-1.0mm的高密度聚乙烯树脂,或油毛毡密封铺垫等,为防止床体填料尖角对薄膜的损坏,施工时可在塑料薄膜上预铺一层细砂。3人工湿地的运行及经济分析[2-3]3.1人工湿地的启动与运行人工湿地污水处理系统的启动一般要经历2个阶段:即系统调试、植物复活、根系发展不稳定阶段和植物生长成熟、处理效果良好的稳定成熟阶段。在启动阶段,芦苇等植物栽种后即须充水。初期可将水位控制在地面下25mm左右处。按设计流量运行3个月后,将水位降低至距床底0.2m处,以促进芦苇等植物根系向深部发展。待根系深入到床底后,再将水位调节至地表下0.2m处开始正常运行。进入稳定成熟阶段后,系统处于动态平衡,植物的生长仅随季节发生周期性变化,而年际间则处于相对稳定的状态,此时系统的处理效果充分发挥,运行稳定。人工湿地系统从启动到成熟一般需1-2年时间。对设计合理的人工湿地系统,在进水水质及水量变化不大时,一旦进入稳定成熟期,系统可自流运行,无须任何动力设备,也无须更多的维护。湿地中的植物一般可于冬季干枯时定期收割。3.2人工湿地的经济分析鉴于我国的实际情况,工程