潜流式人工湿地污水处理工艺设计

潜流式人工湿地污水处理工艺设计张琪1，古丽扎2海热提1(1北京化工大学环境科学与工程技术中心，北京，100029)（2新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处。库尔勒，841000）摘要潜流式人工湿地作为一种经济生态的污水处理技术，在实际应用中取得了快速发展。为了提供更好的研究基础，本文结合国内外最新研究成果，阐述了人工湿地污水处理系统工艺设计的主要内容及存在的若干问题，提出了开展人工湿地工艺设计研究的一些设想。关键词潜流式人工湿地污水处理水力学设计DesigningofsubsurfaceconstructedwetlandsystemsforwastewatertreatmentZhangQ1,GuLizar2HaiReti1(1BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029)(2GovernmentofBaYinguolengMongoliaAutonomousXinJiang841000)AbstractSubsurfaceconstructedwetlandisaneconomicalandhigh-effectivetypeforwastewatertreatment,andhadaquickdevelopmentinactualapplication.Maincontentsandproblemsoftheprocessdesignofsubsurfacewetlandforwastewatertreatmentaresummarizedwithnewresearchindomesticandinternational,andsomeresearchinterestsareproposedinthispaper.KeyWordsSubsurfaceconstructedwetland,Wastewatertreatment,Hydraulics,Design1．引言人工湿地污水处理技术在20世纪50年代诞生于德国，进入60年代，该技术逐渐开始被用于处理工业废水、生活污水、农业点源污染和面源污染以及河道治理的生态修复等。作为一种生态治理污水的方法，其基于天然湿地的净化机理使得人工湿地技术具有投资小，处理效果好，运行维护方便等特点，而且比天然湿地对污水的处理提供了更好的条件。在湿地中应用人为的控制措施，可以优化系统去除BOD、COD、营养元素和其它污染物的性能，还可以作为一种美学景观，最大限度地将污水处理和生态保护结合起来[1]。联系人：张琪（1983—），男，北京化工大学环境工程硕士研究生，主要研究领域是生态修复。E-mail:[e-mail]不过由于人工湿地技术应用时间较短，在进行工程化时也存在认识上的缺陷，还需要对其处理工艺进行不断改进和系统优化，以克服人工湿地工程运行中涉及的各种生态学问题。本文以在我国应用较为广泛的潜流式人工湿地为例，对其设计进行分析介绍。2．潜流式人工湿地设计的水力学基础2．1蒸发蒸腾量的确定潜流式人工湿地由于水面位于地面以下，其蒸发蒸腾量（ET）与表流湿地相比大大降低，水蒸汽首先要通过水面上方的填料层，然后经由植物吸收再散入大气中。而传热方式则是通过上方的填料层，然后传到水面以下。在冬季，由于植物的枯死和上层保温覆盖物或冰雪覆盖的作用，ET量基本为0。对潜流式人工湿地蒸发蒸腾量的计算可以借助于“蒸发皿法”[2]，利用水均衡估算人工湿地床体的ET值（mm/d），以下是两种不同植物床体的ET估算公式：香蒲－砾石床湿地：ET（mm/d）=1.128EP+0.072（1）（R2＝0.72，12℃Tair25℃）芦苇－砾石床湿地：ET（mm/d）=0.948EP-0.027（2）（R2＝0.93，12℃Tair25℃）式中，EP为蒸发皿蒸发量；R2为回归值；Tair为室外温度。2．2湿地中的水流运动及水力传导率描述水流运动最简单的方程为流速正比于水面坡度的情形：u=—kdH/dx（3）此方程是达西定律的一维形式，主要适用于层流运动。在填料层中，水流的运动形式则处于层流和紊流之间，当流速超过层流范围，有效水力传导率将取决于流速。水力传导率和紊流系数取决于填料的特征，如平均粒径、颗粒级配、颗粒形状、填料空隙度、颗粒堆放方式等，但在实际情况中，非球形颗粒填料应用更普遍。有研究得出，不规则形状填料的水力传导率比相同大小的球形填料小1/3。填料颗粒越小，越易于充填到大颗粒空隙中，而且表面积大，越容易造成对水流的阻挡，减小水力传导率。颗粒的堆放方式对孔隙度的影响也较大，例如球形颗粒不同的堆积方式其空隙度变化范围为26％～48％，进而影响到水力传导率。而在实际湿地中的填料填充是无规则的，因此空隙度很难被准确测定[3]。下面的半经验方程可用于水力传导率的初步确定。DgDgKc327.3)1(2)1(2551（4）部分填料的水力传导率在使用前后的数值如表1所示[4]：表1不同填料的水力传导率估计填料的尺寸和类型使用前/使用后K(m/d)污水类型（TSS，mg/L）运行时间5-10mm沙砾34000/12000二级出水（100）2年5-10mm沙砾34000/900二级出水（100）2年17mm石子100000/44000富营养污水（可忽略）4个月6mm豆砂21000/9000富营养污水（可忽略）4个月30-40mm大石子NR/1000二级出水（含藻类）2年5-14mm细石子NR/12000二级出水（含藻类）2年5mm豆砂6200/600垃圾渗滤液（无）26个月19mm石子120000/3000化粪池出水（50）7个月14mm细石子15000/曝气池出水（含藻类）2年2．3孔隙率人工湿地污水处理系统的孔隙度系指湿地土壤中孔隙占湿地总容积的比。人工湿地污水处理系统的孔隙度很难测定，各种文献报道的孔隙度也有不尽相同，但是在人工湿地的设计过程中，需要利用湿地土壤孔隙度，以确定水量、水力停留时间、湿地长宽尺寸等，所以，一般孔隙度是根据实际经验进行估计的[5]。2．4水力停留时间水力停留时间是人工湿地污水处理系统重要的设计参数之一，因为其直接关系到了湿地系统的处理能力和出水的处理效果，有研究表明[6]，采用潜流湿地处理污水时，当水力停留时间在2～4d时，潜流湿地内部形成的小区域厌氧条件正适于反硝化作用进行脱氮。可以定义为湿地可用容积与平均水量的比值，即：t＝Vε/Qav（6）其中，t为水力停留时间（d），V为湿地容积（m3），ε为湿地孔隙率（无量纲），Qav为平均流量（m3·d-1）。从设计的角度出发，理论水力停留时间是利用平均流量、系统几何形状、操作水位、初始空隙度等来估算的。由于潜流湿地的空隙变化大，其空隙损失随时间变化而变化，潜流湿地处理系统的水力停留时间很难准确确定，在这种情况下，就只有凭借相关资料和经验获得。但是建成后可以应用追踪试剂试验求得停留时间的实际值。有相关资料表明[7]，实际水力停留时间通常为理论计算值的40％～80％。3．潜流式人工湿地处理系统的设计3．1湿地面积及长宽比的确定湿地的面积可以通过对污水流量、污染物浓度和湿地表面负荷来确定。As=QtC0/ALR（7）其中，As为湿地处理面积，Qt为湿地进水量，C0为进水污染物浓度，ALR为表面负荷。当湿地面积确定后，床体深度和孔隙率将决定水力停留时间，考虑到不同的填料，一般床体深度选择在0.4m～0.6m。人工湿地的长度一般不宜太长，建议长度范围在12m～30m。设计中最少要将湿地分为两个单元，以便于维护和减少水头损失。潜流人工湿地可以选择任意范围的长宽比，但是长宽比变大的话将会使水流速度增加，水头损失也相应增加[8]。所以一般应处于1：3以下，一般选择长宽比范围为1：1～1：2。3．2湿地水头损失确定人工湿地的设计对水头损失的考虑主要是为了考虑对运行水位的控制，为了避免出现漫流现象，及确定进水口和出水口的高差。因为潜流湿地目的就是将水位控制在地表以下，如出现漫流现象，将会严重影响一段时期内人工湿地的处理效果，假设出水水位控制在床深的85处，最大落差为床深的15％，则设计约束条件如下：1G15.0/0LhSb（8）2G15.0)/(/20Lhkq（9）式中，G1为形状系数；G2为负荷系数；h0为出口水深；k为水力传导率；L为床体长度；q为水力负荷率；Sb为床体坡度。3．3布水集水系统设计首先介绍几种目前比较常见的布水方式，见图1图1人工湿地布水方式布水系统的设计最主要原则是保证均匀布水，为了达到这一目的，可通过埋藏在填料中的管材来达到。上层管材做布水用，可在管材上每间隔10～20cm进行打孔处理，下层管材做集水用，同样是采用打孔的管材来进行收集。建议最大孔距不超过管长的10％[9]，填料中的砾石层可以强化在深度和宽度上的均匀布水。而湿地底层应保证有一较小的坡度，使得污水可在湿地中进行很好的流动，防止出现死角。在每个单元的集水管尽头，应保证有盛水设备来完成对集水管中水的收集作用，同时为了去除出水中携带的少量泥沙，可在设备中添加挡板装置进行去除。3．4防渗处理人工湿地在处理污水时一定要防止污水下渗对附近生态环境造成二次污染。在某些特定的自然条件下，低渗透性的天然黏土层可以作为人工湿地的防渗层使用[10]，一般要铺至20cm以上。但在多数情况下，现场的土壤质量达不到防渗的要求，同时为了安全起见，都要采用某种防渗材料来满足湿地的防渗功能。一般都选择渗透率低于10－6cm·s－1的材料用作防渗材料，如沥青、聚氯乙稀(PVC)和高密度聚乙烯等人工合成膜材料。同时还有一个需要做防渗处理的就是湿地处理系统内部各个单元进水管、集水管与湿地床体之间也不能有泄漏现象。3．5湿地植物的选择植物根系深入湿地内部，起着通气的作用，而且自身对污染物有一定的吸收作用，并依靠对植物的收割来达到对某些污染物的去除。此外，根区附件形成的好氧、厌氧微环境，使得微生物完成对污染物的好氧去除，和硝化及反硝化作用。理论上讲，许多水生植物都可以用作湿地处理系统的生长植物，在实际的工abcda：推流式b：回流式c：阶梯进水式d：综合式程建设中，应注意物种间的合理搭配。。但是湿地植物的种植应该遵守适地适种、耐污能力强、净化能力强、经济和观赏价值高等原则。综合以上因素，目前得到国内外广泛认同和使用的有两种：芦苇和菖蒲，特别是芦苇，既可以根生、也可以种植，具有生长速度快、根系发展快、耐水等优点。4．潜流式人工湿地建设中的问题4．1填料问题填料在人工湿地对污染物的去除中起到了举足轻重的作用，以前主要采用的填料种类是较为经济的石子，但现在的填料正趋于多样化和复杂化，考虑的因素也较多，一般都是针对污水特点对填料种类进行多种搭配。同时填料的粒径应该适当，以保持较大的比表面积，提供微生物生长的同时保持较好的水力传导率。可供选择的填料材料包括：砂石、碎砖瓦、炉渣、沸石以及一些合成材料或工业副产品，还可以在填料中加入适当矿物质和营养材料，增加对污染物的去除作用和对植物生长的辅助作用。4．2堵塞问题造成人工湿地堵塞的因素重要包括填料物质的粒径、有机负荷、悬浮物、温度、污水投配状况等[11]。针对以上种种因素，可以在湿地前期设计与运行中加以考虑来预防堵塞的发生。主要措施包括尽量采用较粗粒径的填料或采用多种不同填料等的分层混合使用，以此来提高填料的穿透深度；增加污水预处理设施降低其有机负荷和悬浮物等，如隔栅、沉淀池、厌氧罐等；进行科学的管理和维护，避免湿地超负荷运行。而对已经发生堵塞的湿地可以采用停床休作和轮作、更换填料等手段来进行恢复。5．研究设想与展望5．1人工湿地模型化的研究制约人工湿地应用和推广的重要因素之一是缺乏湿地的实际设计标准和运行管理参数，甚至它会导致设计上的错误。改进设计可以提高湿地运行性能。筛选植物，构建湿地，通过系统地运行测试，确定不同进水、不同温度以及不同水力停留时间对降解废水主要指标的参数。建立适合废水处理的人工湿地模型并对此进行研究，能够缩短试验室试验周期，节省试验经费，