“人工湿地的设计方法”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

人工湿地的设计方法

释义

【人工湿地的设计方法】

人工湿地是一种新型的废水处理工艺，这种湿地由土壤和砾石等混合结构的填料床组成，水流可以在床体的填料缝隙中流动，或在床体的地表流动，床体表面种植物，形成了一个独特的动植物生态环境，用以净化废水，当床体表面种植芦苇时，有人称此为芦苇湿地，也有人称人工湿地为构筑湿地。自西德1974年首先建造人工湿地以来，该工艺已在欧洲得到推广应用，在美国和加拿大等国也得到迅速发展。起初，大多数人工湿地应用于生活污水和矿山酸性废水的处理、纺织工业和石油工业废水处理。中国在“七五”期间开始了人工湿地的研究。

人工湿地废水处理工艺有两种形式：地表流工艺和地下潜流工艺。地表流工艺是指废水在人工湿地的土壤表层流动，水位较浅，一般在0．1～0．6m，与地下潜流工艺相比优点是投资少，缺点是负荷小，冬季北方地区表面会结冰，夏季可能会繁殖蚊子，还会有臭味。地下潜流工艺是指废水在人工湿地的地表下流动，保温效果好，负荷高，处理效果受气候的影响小，但投资比地表流工艺要大些。该工艺繁殖蚊子和产生臭味的可能性很小。国际上采用较多的是这种工艺。

地下潜流型人工湿地的基本工作原理为：废水由人工湿地的一端引入，经过配水系统(由卵石构成)均匀进入根区填料层。根区填料层基本上由3层组成，上层为表层土壤，中部为砾石，下部为小豆石。表层土壤上栽种耐水植物，通常是芦苇也有采用蒲草等。深圳人工湿地除种芦苇外，还有茳芏，席草和大米草等。这些植物有发达的根系，可以深入到表土以下0．6～0．7m的砾石层中，这些根系交织成网，与砾石一起构成一个透水的系统，同时这些根系具有输氧功能，在根的周围水中溶解氧较高，适宜于好氧微生物的活动。通过附着在砾石和根系上的好氧微生物的作用分解废水中的有机物，矿化后的一部分无机物(如氮和磷)可能被植物利用，在缺氧区还可发生反硝化作用而脱氮，使废水得到净化。一般情况下，人工湿地出水水质优于传统二级处理的出水水质。经过净化后的废水由末端的集水区中铺设的集水管收集后排出。由于这种工艺利用植物的根系输氧，故又被称为根区方法(RZM)，而这种构造的人工湿地又可称为根区处理床。

影响人工湿地设计的因素很多，主要是水力负荷、有机负荷、处理床的结构、流程布置、配水系统、排水系统和表面植物种类等。各国因地制宜，根据本国气候、植被等特点，经小试取得设计数据后进行设计。由于人工湿地往往是作为二级处理装置，故出水要达到各国规定的废水排放标准。

1．地表流人工湿地的设计计算。由于废水在人工湿地中流动缓慢，人工湿地的功能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表示：

式中，c₂为出水BOD₅浓度(mg／L)；c_o为进水BOD₅浓度(mg／L)；K为反应速率常数(d^－1)；t为水力停留时间(d)。

人工湿地需要综合考虑许多影响反应的因素。各国研究者推荐了不同的计算方法，里德(Reed)建议地表人工湿地可用下列方程为计算：

式中，A′为以污泥形式沉淀在处理床前部而未得到处理的BOD₅含量(一般取0．52)；C′为填料介质特性系数(一般取0．7m)；a为微生物活动的比表面积(一般为15．7m²／m³)；L为处理床长度(m)；W为处理床宽度(m)；d为设计水深(m)；n为处理床的孔隙率，Q为平均设计流量(m³／d)。

式中，K_T与温度的关系可表示为：

K_T=0．0057×(1．1)^(T－20)

式中，T为设计水温(℃)。

当处理床的底坡或水力坡度等于或大于1%时，上述方程式可调整为：

式中，S为底坡或水力坡度。

有机负荷指标随废水性质不同和条件不同变化很大。其变化范围为18～110kgBOD5／(10⁴m²·d)。一般有机负荷值并不作为设计人工湿地的依据，只作为设计校核的指标。为确保系统处于好氧条件下工作，最高的有机负荷值不得大于110kgBOD₅K¹0⁴m²·d)。由于该工艺中有相当一部分有机物沉积在处理床前部，使前部的处理条件恶化，为此可采取阶梯进水方式，让一部分进水从处理床的1／3处引入。

2．地下潜流人工湿地的设计计算。对于由土壤、砾石和豆石等组成的处理床，在废水充满缝隙处于饱和状态时，当其水力特性为层流状态，一般用达西(Darcy)定律表示：Q=K_sAS

式中，Q为渗流量(m³／d)；K_s为渗透系数(m³／m²·d)；A为处理床横截面积(m²)；S为水力坡度。

渗透系数取值还缺少准确的测定。对于以砾石为基质的湿地，欧洲人建议K_s为10^－3m／s。而美国的经验为K_s值不宜大于10^－4m／s。

有人认为，当雷诺数RT＞1～10时，上式就不适用，因介质粒径较大，对水流有挠动，应采用Ergun公式表示：

式中，ρ为水的密度；g为重力加速度；S为水力坡度，取值0%～2%；μ为粘滞系数；ε为孔隙度；D_p为填料平均直径；v为流速=Q／Aε。

此外，在英国目前采用Kikuth推荐的设计公式

A_s=5．2Q_d(lnC₀－lnc₁)

式中A_t为处理床表面积(m²)；Qd为废水平均日流量(m³／d)；c₀为废水进水的平均BOD₅浓度(mg／L)；ct为出水要求达到的平均BOD₅浓度(mg／L)。

利用上述公式可以计算出处理床的尺寸。如果是处理生活污水，在英国，建议平均每人所需处理床的面积为3～4m²，此指标可以用于初步设计。

处理床的深度需根据采用的植物根系深度而定，基本要求是废水应在根系中流动，以保证好氧条件，对于芦苇，美国采用床深为60～76cm，德国采用床深为60cm。在欧洲，用于处理的工业废水时床深应减少50%。为了保证床深度的有效使用，在运物初期应将水位降低，促使植物根系向深度发展。处理床的坡度一般为1%或更大些，最大可达8%，一般应视采用的填料粒径而定，对于以砾石为主的处理床，其坡度一般为2%，要注意，床的底坡不一定就等于水力坡降。一般认为，床的横截面积与生化反应无关，仅取决于水力要求。床的长度与生化反应所需的停留时间有关，也与污染物去除的程度有关。对于砾石床，长宽比不宜太大，一般采用1∶1，最大不超过3∶1，对于以土壤为主的处理床，长宽比应小于1∶1。

此外，有一种利用植物供氧能力来计算处理床表面积的计算方法。通常人工湿地表面植物的输氧能力Tro₂为5～45g O₂／(m²·d)，一般为20g O₂／(m²·d)。废水的需氧量可按下式估算：

R_o=1．5L₀

式中，R_o为废水需氧量(kg／d)；L₀为每日需要去除的BOD₅量(kg／d)．植物的供氧能力R'o为：

由上述方程可以计算出处理床表面积A_s。为安全起见，还应乘以安全系数(一般采用2)。

人工湿地一般作为二级生物处理，一级处理采用何种方法要视废水性质而定。对于生活污水，采用化粪池，其它工业废水可采用沉淀池作为去除SS的预处理。人工湿地本身的工艺流程可以有多种形式，常见的有推流式、阶梯进水式、回流式、综合式4种。阶梯进水可避免处理床前部堵塞，有利于后部的硝化脱氮。出水回流可以稀释进水BOD的浓度和悬浮物浓度，增加溶解氧，减少可能出现的臭味问题。回流可促进硝化脱氮作用，可采用低扬程水泵，通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。人工湿地视其规模大小可有多种组合形式，如单一式、并联式、串联式和综合式等。人工湿地也可以与氧化塘串联组合。

人工湿地的其它设计问题。(1)选址。人工湿地的位置应因地制宜选定，地形有一定自然坡度可减少挖土方量，有利于排水，降低投资。(2)废水进水装置。为了配水均匀，可采用多孔管和三角堰等配水。进水管渠应比床面高出50cm。因为床的表面会逐渐积累一些淤泥和杂草，应定期清除。(3)填料的选用：进水配水区和出水集水区的填料砾石粒径一般为60～100mm，分布于整个床宽。根区填料表层土壤可就近采用当地表层土，宜用钙含量达2～2．5kg／100kg土壤为好，表层宜用5～10mm粒的石灰石，掺和当地表层土壤，厚度为150～250mm，表层以下全部采用5～10mm(也可用12～25mm)粒径的石灰石填料。由于表层土壤在浸水后会下沉，因此设计的填料表层应高于期望值10%～15%。如果最终设计深度为0．6m，初期填料高宜0．7m。填料本身成分对生物处理影响不大。但对含磷和重金属离子废水，含钙、铁、铝等成分的填料有利于离子交换。(4)防止床底渗漏污染地下水。要求在土层开挖时尽量保持原土层，在原土层上采取防渗措施，可以用粘土、膨润土、沥青、油毡等，多数国家采用高密度聚乙烯树脂薄膜(厚度为0．5～1．0mm)。为防止填料的尖角损伤塑料膜，可以先在塑料膜上铺一层细砂。(5)废水出水渠。考虑到运行中调整水位高度的需要，出水区的砾石填料底部设置集水管，在排水端应设置旋转弯头和阀门，以便控制床内水位。(6)植物的栽种。选用何种植物可以因地制宜，如芦苇、茳芏、席草等，但最常用的植物是芦苇。芦苇根系较发达，可深入地下60～70cm，输氧性能较好。引种的芦苇应取自当地。因其已适应当地的气候环境。栽种芦苇可以是播种和移栽扦插，后者比较经济和快捷，将带有芽苞的芦苇根剪成100mm长左右，埋于深40mm处，端部露出土壤，扦插的最佳期是秋季，也可以在早春，扦插密度为1～3株／m²。

人工湿地的启动、运行和维护。(1)启动。人工湿地在播种或扦插芦苇后就要充水，水位位于地面下25mm处，废水可按计算流量运行3个月后，将水位降低到距处理床底200mm深处运行，促使芦苇根系向深处发展，待根系深入至床底后，将水位再升高到离地表以下200mm处转入正常运行。(2)正常运行。转入正常运行后，随着时间推移，处理床逐渐成熟，处理效率逐步提高，处理床完全成熟大约要2～3a。(3)维护。如果设计得当，系统可自流运行，不需要任何动力设备，因此维护工作极少。至于人工湿地上生长的芦苇可以定期收割或任其自然枯败。据分析，植物吸收废水中污染物仅占湿地全部去除污染物量的5%左右。在中国芦苇等植物是一种有使用价值的工业原料，应加以收割利用。

人工湿地是一种正在发展的新型废水处理工艺，它具有投资低、出水水质好、操作简单、维护和运行费用低廉等优点，宜于在广大农村、中小城镇及寒冷地区的废水处理中应用。人工湿地是一种正在发展中的废水处理技术，设计的资料尚不太完整。设计参数的选用初期可以保守一些，待积累较多的经验后可以逐渐采用先进的指标。大型的人工湿地工程，宜先进行实验室规模的试验，取得一定的数据后再行生产性规模设计。

(上海轻工业设计院诸惠昌、清华大学胡纪萃撰)

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