人工濕地設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上人工濕地污水處理工藝設(shè)計(jì)與研究設(shè)想 摘要：人工濕地作為一種新型生態(tài)污水處理技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了快速發(fā)展。為了適應(yīng)我國(guó)對(duì)這一技術(shù)的迫切需要，本文介紹了目前人工濕地污水處理的工藝結(jié)構(gòu)、基本設(shè)計(jì)方法，闡述了人工濕地污水處理系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及存在的若干問(wèn)題，并提出了開(kāi)展人工濕地工藝設(shè)計(jì)研究的一些設(shè)想。關(guān)鍵詞：人工濕地；污水處理；工程設(shè)計(jì)Abstract : As a new type of ecological wastewater treatment technology ,constructed wetland has been developed a

2、t a great speed in its application. In order to satisfy the urgent need of this technology in China ,the basic configuration , types and design methods of current wastewater treatment technology by constructed wetland are introduced ,and the main contents and problems of the process design of constr

3、ucted wetland for wastewater treatment are summarized , and some research interests are proposed in this paper. Key words : construced wetland ; wastewater treatment ; process design 1 引言近年來(lái)，各種水處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了不斷的發(fā)展，特別是作為二級(jí)處理的活性污泥法以其工藝相對(duì)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、處理效果好而成為城市污水處理的主流工藝，但傳統(tǒng)的活性污泥不僅基建投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，且主要以去除碳源污染物

4、為目的，對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除則微乎其微，經(jīng)處理后的出水排入水體后仍將引起“富營(yíng)養(yǎng)化”等環(huán)境問(wèn)題。三級(jí)處理雖可解決上述問(wèn)題，但因投資和運(yùn)行費(fèi)用昂貴而難以大面積推廣。同時(shí)事實(shí)也說(shuō)明，單純依靠傳統(tǒng)的人工處理方法在我國(guó)當(dāng)前的情況下尚難以從根本上解決水污染問(wèn)題，只能延緩其發(fā)展趨勢(shì)。70年代以來(lái)，人工濕地處理技術(shù)的提出和發(fā)展，為綜合解決上述問(wèn)題提供了一種新的選擇。人工濕地是一種人工建造和監(jiān)督控制的與自然濕地相類(lèi)似的地面， 是人為地將石、砂、土壤等一種或幾種介質(zhì)按一定比例構(gòu)成基質(zhì)，并有選擇性地植入植物的污水處理生態(tài)系統(tǒng)1。由于人工濕地具有處理效果好、建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用低、易于維護(hù)管理等優(yōu)點(diǎn)2,5 ，因而受到

5、世界各國(guó)的普遍重視，成為近年來(lái)發(fā)展較快的一種污水處理新技術(shù)6。但是，由于人工濕地污水處理技術(shù)還處于開(kāi)發(fā)階段，尤其在我國(guó)人工濕地污水處理技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用時(shí)間還相對(duì)較短，還沒(méi)有比較成熟的設(shè)計(jì)參數(shù)，其工藝設(shè)計(jì)也還處于試驗(yàn)階段；人們對(duì)其的認(rèn)識(shí)較少，加之存在許多亟待解決的問(wèn)題，因而人工濕地的應(yīng)有潛力未能得到深入挖掘。本文將在闡述人工濕地污水處理系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及存在的若干問(wèn)題的同時(shí)，提出一些開(kāi)展人工濕地工藝設(shè)計(jì)研究的設(shè)想和展望，以供廣大環(huán)境保護(hù)工作者參考。 2 人工濕地的類(lèi)型與工藝流程人工濕地系以人工建造和監(jiān)督控制的、與沼澤地相類(lèi)似的地面，通過(guò)自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物三者協(xié)同作

6、用以達(dá)到對(duì)污水的凈化。此種濕地系統(tǒng)是在一定長(zhǎng)寬比及底面坡度的洼地中，由土壤和填料混合組成填料床，廢水在床體的填料縫隙或在床體表面流動(dòng)，并在床體表面種植具有處理性能好、成活率高、抗水性強(qiáng)、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、美觀及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物，形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)、植物生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)廢水進(jìn)行處理7。人工濕地按污水在其中的流動(dòng)方式可分為兩種類(lèi)型7：自由水面人工濕地(簡(jiǎn)稱(chēng)FWS，或稱(chēng)地表徑流型人工濕地)，潛流型人工濕地(簡(jiǎn)稱(chēng)SFS)。FWS系統(tǒng)中，廢水在濕地的土壤表層流動(dòng)，水深較淺(一般在0.30.6m)。與SFS系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)是投資省，缺點(diǎn)是負(fù)荷低。北方地區(qū)冬季表面會(huì)結(jié)冰，夏季會(huì)滋生蚊蠅、散發(fā)臭味，目前已較少采用。

7、而SFS系統(tǒng)，污水在濕地床的表面下流動(dòng)，一方面可以充分利用填料表面生長(zhǎng)的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料截留等作用，提高處理效果和處理能力；另一方面由于水流在地表下流動(dòng)，保溫性好，處理效果受氣候影響較小，且衛(wèi)生條件較好，是目前國(guó)際上較多研究和應(yīng)用的一種濕地處理系統(tǒng)，但此系統(tǒng)的投資比FWS系統(tǒng)略高。人工濕地的工藝流程有多種，目前采用的主要有：推流式、階梯進(jìn)水式、回流式和綜合式4種，如圖1所示7。階梯進(jìn)水可避免處理床前部堵塞，使植物長(zhǎng)勢(shì)均勻，有利于后部的硝化脫氮作用；回流式可對(duì)進(jìn)水進(jìn)行一定的稀釋?zhuān)黾铀械娜芙庋醪p少出水中可能出現(xiàn)的臭味。出水回流還可促進(jìn)填料床中的硝化和反硝化作用，采用低揚(yáng)程

8、水泵，通過(guò)水力噴射或跌水等方式進(jìn)行充氧。綜合式則一方面設(shè)置出水回流，另一方面還將進(jìn)水分布至填料床的中部，以減輕填料床前端的負(fù)荷。實(shí)際設(shè)計(jì)中，人工濕地的運(yùn)行可根據(jù)處理規(guī)模的大小進(jìn)行多級(jí)串聯(lián)或附加必要的預(yù)處理、后處理設(shè)施構(gòu)成。這樣的多種方式的組合，一般有單一式、并聯(lián)式、串聯(lián)式和綜合式等，如圖2所示7。在日常使用中，人工濕地還常與氧化塘等進(jìn)行串聯(lián)組合。人工濕地污水處理系統(tǒng)一般包括前處理和人工濕地兩部分。前處理一般包括化糞池、格柵、沉砂池、沉淀池、厭氧池和兼性塘等。直接將未經(jīng)沉淀處理的污水引入人工濕地，雖然首級(jí)人工濕地的COD、BOD、SS的去除率高，但容易引起堵塞等問(wèn)題，使維護(hù)費(fèi)用增加。因此，將沉淀

9、池或穩(wěn)定塘作為人工濕地系統(tǒng)前處理是非常必要的。人工濕地一般工藝處理流程見(jiàn)圖37。ac b d圖1人工濕地的基本流程a.推流式；b.回流式；c.階梯進(jìn)水式；d.綜合式a c b d 圖2人工濕地的不同組合方式a.單一式；b.串聯(lián)式；c.并聯(lián)式；d.綜合式圖3 人工濕地一般工藝處理流程 3人工濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人工濕地污水處理技術(shù)還處于開(kāi)發(fā)階段，尤其在我國(guó)還沒(méi)有比較成熟的設(shè)計(jì)參數(shù)，其工藝設(shè)計(jì)也還處于試驗(yàn)階段。其設(shè)計(jì)受很多因素的影響，主要是：水力負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷、濕地床的構(gòu)造形式、工藝流程及其布置方式、進(jìn)出水系統(tǒng)的類(lèi)型和濕地所種植植物的種類(lèi)等。由于不同國(guó)家及地區(qū)的氣候條件、植被類(lèi)型以及

10、地理?xiàng)l件各有差異，因而大多根據(jù)各自的情況，經(jīng)小試或中試取得相關(guān)數(shù)據(jù)后進(jìn)行設(shè)計(jì)7。3.1 選址及污水量和污水水質(zhì)的確定在人工濕地修建前，先進(jìn)行污水量的調(diào)查和污水水質(zhì)分析，確定處理規(guī)模以及有關(guān)污染物的去除率，設(shè)計(jì)處理后污水必須達(dá)到國(guó)家規(guī)定的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。然后，根據(jù)地質(zhì)、地貌、水文、污水出口等自然狀況以及市政規(guī)劃等因素選定人工濕地地址。比如地形有一定自然坡度可減少開(kāi)挖土方量，有利于排水、降低投資且減少對(duì)周?chē)h(huán)境的影響；一般人工濕地應(yīng)建在非洪澇災(zāi)害區(qū)或則需考慮修建相應(yīng)的防洪措施；在房?jī)r(jià)較低地段修建可大幅度降低修建成本等。3.2 植物的選擇人工濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能增加濕地系統(tǒng)的生物多樣性，以提高濕地

11、系統(tǒng)的處理性能，延長(zhǎng)其使用壽命。植物在碎石中為微生物提供場(chǎng)所，在整個(gè)濕地系統(tǒng)中占有重要的地位，因此應(yīng)慎重選擇?？偟膩?lái)說(shuō)，選擇植物應(yīng)該滿(mǎn)足：(1)耐污能力和抗寒能力強(qiáng)，適宜于本土生長(zhǎng)，最好以本鄉(xiāng)土植物為主；(2)根系發(fā)達(dá)，莖葉茂密；(3)抗病蟲(chóng)害能力強(qiáng)；(4)有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而常用的植物有蘆葦、香蒲、大米草、美人蕉、水花生和稗草等，目前最常用的是蘆葦。蘆葦?shù)母递^為發(fā)達(dá)，具有巨大比表面積的活性物質(zhì)，其生長(zhǎng)可深入到地下0.60.7m，具有良好的輸氧能力。種植蘆葦時(shí)，一般應(yīng)盡量選用當(dāng)?shù)靥J葦進(jìn)行移栽，即將有芽苞的蘆葦根分剪成10cm長(zhǎng)左右，將其埋入4cm深的土中并使其端部露出地面。插植的最佳季節(jié)在秋

12、季或早春，插植密度可為13株/m2。3.3 填料的選用濕地床由三層組成，表層土壤、中層礫石層和下層小豆石層。表層土壤可用當(dāng)?shù)乇韺油?，?yōu)先選用鈣含量為22.5kg/100kg的混合土，以利于提高脫磷效果。在鋪設(shè)表層土?xí)r，要將地表土壤與粒徑為510mm石灰石摻和，厚度為150250mm。表層以下采用粒徑在0.55mm的礫石或花崗巖鋪設(shè)，其鋪設(shè)厚度一般為0.40.7m，有時(shí)也采用粒徑在510mm或1225mm石灰石填料。進(jìn)水配水區(qū)和出水集水區(qū)的填料常采用粒徑為60100mm的礫石，分布于整個(gè)床寬。由于表層土壤在浸水后會(huì)有一定的下沉，因此，設(shè)計(jì)的填料表層標(biāo)高應(yīng)高出期望值10%15%7。 3.4 基本技

13、術(shù)參數(shù)的確定主要是確定污染物負(fù)荷、停留時(shí)間、水深和所需的土地面積等技術(shù)參數(shù)，污水的特性、地理位置、氣候條件、人們的生活方式、經(jīng)濟(jì)和科技水平等均影響工藝參數(shù)的選擇?；炯夹g(shù)參數(shù)見(jiàn)表17。表1 人工濕地基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)單位FWSSFS水力停留時(shí)間d415415水深ft0.32.01.02.5BOD5lb/acre.d6060水力負(fù)荷率Mgal/acre.d0.0150.0500.0150.050面積Acre/(Mgal/d)67206720注：ft×0.3048m lb/acre.d×1.1209kg/hm2·d Mgal/acre.d×0.9354=m

14、3/m2·d Acre/(Mgal/d) ×0.1069= hm2/(103m3/d)3.4.1 基本幾何參數(shù)的確定在人工濕地的設(shè)計(jì)中，濕地的長(zhǎng)寬比可按下列公式計(jì)算：為保證廢水以推流方式流經(jīng)濕地，一般要求長(zhǎng)度應(yīng)20m，長(zhǎng)寬比L/W不應(yīng)過(guò)大，建議控制在31以下，常采用11，對(duì)于以土壤為主的系統(tǒng)，L/W比應(yīng)小于111。根據(jù)現(xiàn)有人工濕地的設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般單個(gè)碎石床的長(zhǎng)度50m，寬度為2530m，濕地床的深度一般根據(jù)水生植物自然根系的延伸程度來(lái)設(shè)計(jì)的，多數(shù)為0.60.7m。3.4.2 FWS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7由于廢水在人工濕地中流動(dòng)緩慢，故人工濕地通?？梢曌饕患?jí)推流式反應(yīng)器，穩(wěn)態(tài)條件

15、下可用以下反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式描述：基于人工濕地的影響因素較為復(fù)雜，各國(guó)研究者對(duì)濕地床的尺寸提出了不同的計(jì)算方法。Reed建議FWS系統(tǒng)可用下列方程計(jì)算8：Tchobanoglour建議，設(shè)計(jì)水溫為T(mén)時(shí)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)可由下式確定8： 當(dāng)濕地床的底坡或水力坡度不小于1%時(shí)，上述方程可調(diào)整為：對(duì)床表面積As，Kaklec和Knight建議用下式計(jì)算：初步設(shè)計(jì)時(shí)，k值可取34m/y，背景BOD5值可由下式計(jì)算： 。FWS系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷隨廢水性質(zhì)和條件變化很大，其范圍在18110kgBOD5(ha·d)。一般只作為設(shè)計(jì)校核的指標(biāo)，它的控制對(duì)維持系統(tǒng)好氧狀態(tài)及防止蚊蟲(chóng)、惡臭等非常重要。FWS系

16、統(tǒng)的水力負(fù)荷可達(dá)150500m3/(ha·d)。在確定水力負(fù)荷的同時(shí)應(yīng)考慮氣候、土壤狀況、滲透系數(shù)和植被類(lèi)型等場(chǎng)地類(lèi)型，還應(yīng)考慮接納水體的水質(zhì)要求，尤其注意由于蒸發(fā)、蒸騰的失水量對(duì)夏季處理的影響及在干旱地區(qū)設(shè)計(jì)濕地的可行性7。在特殊情況下，要求濕地設(shè)計(jì)達(dá)到零排放時(shí)，濕地中的水主要通過(guò)蒸發(fā)、蒸騰、補(bǔ)充地下水或系統(tǒng)內(nèi)回用等途徑完成，這時(shí)水力負(fù)荷及水平衡計(jì)算是設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。   3.4.3SFS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)71濕地床坡度的確定。在SFS系統(tǒng)中，水流有兩種流態(tài)，層流和紊流。當(dāng)濕地床中所用填料的粒徑不大，污水充滿(mǎn)整個(gè)填料縫隙并處于飽和狀態(tài)時(shí)水流為層流，此

17、時(shí)填料床的坡度可用Darcy公式計(jì)算8,10：對(duì)于其中的滲透系數(shù)Ks，到目前為止尚無(wú)準(zhǔn)確的測(cè)定，如果是以礫石為主的濕地床，歐洲人建議取10-3m/s，而美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為Ks不宜大于10-4m/s。一般認(rèn)為當(dāng)濕地床中的滲流雷諾數(shù)Re大于110時(shí)，水流變?yōu)槲闪鳎藭r(shí)不宜用Darcy定律來(lái)描述了，尤其是當(dāng)采用的填料粒徑較大時(shí)，則需要考慮水流的擾動(dòng)作用了。此時(shí)宜用Ergun公式來(lái)描述8,10，即： 2濕地床表面積的確定。濕地的表面積As可用下計(jì)算8：式中KT與溫度的關(guān)系為 。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)際試驗(yàn)，某一特定SFS系統(tǒng)的K20與床體填料的孔隙率n有關(guān)，關(guān)系式為 ，對(duì)典型城市污水取K0=1.839d -1

18、，高濃度有機(jī)工業(yè)廢水K0=0.198d -1。英國(guó)人Kitkutb推薦用下列公式計(jì)算表面積：。附符號(hào)說(shuō)明：Ac，As濕地床的橫截面積，表面積，m2；Se，So進(jìn)水、出水BOD5，mg/L；Q平均設(shè)計(jì)流量，m3/d；Ks滲透系數(shù)，m3/(m2·d)；K20，KT溫度20，T時(shí)的速率常數(shù)，d-1；Ko某一填料中植物根系充分發(fā)展后的最佳速率常數(shù)，d-1；L濕地床長(zhǎng)度，m；W濕地床寬度，m；D濕地床深度，m；S底坡或水力坡度。由上述各式，即可確定濕地床的基本尺寸。濕地床長(zhǎng)度通常定為2050m，過(guò)長(zhǎng)易造成濕地床中的死區(qū)，且使水位難于調(diào)節(jié)，不利于植物的栽培。床橫截面面積與溫度、有機(jī)負(fù)荷無(wú)關(guān)，只受

19、填料的水力學(xué)特性影響。在借鑒有關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上人們建議，通過(guò)填料橫截面的平均流速Q(mào)/Ac以不超過(guò)8.6m/d為宜，以避免對(duì)填料根莖結(jié)構(gòu)的破壞。3濕地床深度的確定。濕地床的設(shè)計(jì)深度，一般要根據(jù)所栽種的植物種類(lèi)及其根系的生長(zhǎng)深度來(lái)確定，以保證濕地床中的必要的好氧條件。對(duì)于蘆葦濕地系統(tǒng)，用于處理城市或生活污水，濕地床的深度一般取0.60.7m；而用于較高濃度有機(jī)工業(yè)廢水的處理時(shí)，濕地床的深度一般在0.30.4m之間。為保證濕地深度的有效使用，在運(yùn)行的初期應(yīng)適當(dāng)將水位降低以促進(jìn)植物根系向填料床的深度方向生長(zhǎng)，濕地床的底坡一般在1%或稍大些，最大可達(dá)8%，具體應(yīng)該根據(jù)填料性質(zhì)及濕地尺寸加以確定，如對(duì)以礫石

20、為填料的濕地床，其底坡一般可取2%。表27為深圳白泥坑人工濕地系統(tǒng)各單元的設(shè)計(jì)參數(shù)。表2 深圳白泥坑人工濕地系統(tǒng)各單元的設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目單元個(gè)數(shù)長(zhǎng)/m寬/m碎石粒徑/mm碎石層厚/cm池底坡度/%水力負(fù)荷/ (m3/m3·d)第一級(jí)34211-12.510-5040-1001，1.5，2.095.4第二級(jí)24718.510-3050-1202.0，3.095.4第三級(jí)33019 1500（停留4天）第四級(jí)354195-1060-1000.5，1，1.5100.73.5 進(jìn)出水系統(tǒng)的布置濕地床進(jìn)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保證配水的均勻性，一般采用多孔管或三角堰等。多孔管可設(shè)于床面上或埋于

21、床面以下，埋于床面下的缺點(diǎn)是配水調(diào)節(jié)較為困難。多孔管設(shè)于床面上方時(shí)，應(yīng)比床面高出0.5m左右，以防床面淤泥和雜草積累而影響配水。同時(shí)應(yīng)定期清理沉淀物和雜草等，保證系統(tǒng)配水的均勻性。系統(tǒng)的進(jìn)水流量可通過(guò)閥或閘板調(diào)節(jié)，過(guò)多的流量或緊急變化時(shí)應(yīng)有溢流、分流措施。濕地出水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可采用溝排、管排、井排等方式，合理的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮受納水體的特點(diǎn)、濕地系統(tǒng)的布置及場(chǎng)地的原有條件。為有效地控制濕地水位，一般在填料層底部設(shè)穿孔集水管，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)彎頭和控制閥門(mén)。對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)，進(jìn)、出水管的設(shè)置須考慮防凍措施，并在系統(tǒng)的必要部位設(shè)置控制閥和放空閥。3.6 濕地的水位控制通常，濕地進(jìn)水的水位是不變的，為使污水在床體內(nèi)以推流式流動(dòng)，須對(duì)床層的水位加以控制。通常，SFS系統(tǒng)對(duì)水位的控制有幾點(diǎn)要求：在系統(tǒng)接納最大設(shè)計(jì)流量時(shí)，濕地進(jìn)水端不出現(xiàn)雍水，以防發(fā)生表面流；在系統(tǒng)接納最小設(shè)計(jì)流量時(shí)，出水端不出現(xiàn)填料床面的淹沒(méi)，以防出現(xiàn)表面流；為了利于植物的生長(zhǎng)，床中水面浸沒(méi)植物根系的深度應(yīng)盡量均勻，并盡量使水面坡度和底坡基本一致7。當(dāng)出水端控制水面時(shí)，床堤的底坡選擇對(duì)工程造價(jià)和水流流態(tài)有較大影響。因此，濕地床的底坡應(yīng)盡可能地與床體的水面線坡度一致，且濕地床的長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)易增加植物浸沒(méi)深度的不均勻性，同時(shí)水流易形成大片的死區(qū)，將增加出水端