人工湿地中植物的作用（二）

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人工湿地中植物的作用（二）

1.4 人工湿地污水处理系统的设计

随着我国经济与社会的迅速发展和人民生活水平的提高,污水的种类和产量也在不断的增加。设计出更为经济、更为高效以及适应范围更为广泛的污水处理系统将是我们急需解决的问题，也是二十一世纪我们面临的巨大挑战之一。以往的实习中我们发现许多城市的二级污水处理系统，由于昂贵的运行成本和维护费有经常处于间歇运行或根本无力运行的状态，有些建成的污水的三级深度处理部分，简直就是一个摆设。此外，传统的活性污泥法在我国几十年的发展中虽然卓有成效，但是它主要以去除碳源污染物为主的，对氮磷等营养物质的去除则微乎其微，出水排入水体易引起水体的富营养化等问题。

而人工湿地以其低投资、低维护、低能耗、运行维护简单、净化效果好等特点正越来越受到人们的青睐[5]。因此人工湿地污水处理系统的设计已成为人们关注的焦点。

根据美国国家环保局的有关资料[6]：湿地污水处理系统的统计应遵循生态设计的指导思想：进水区域应种植密集的挺水植物，为污水的絮凝、沉淀创造一个良好的条件，接下来的自由水面区域应提供大量的溶解氧以降解C和N类BOD，最后是挺水植物区以去除湿地本身产生的悬浮物以及进行反硝化的厌氧反应。设计合理与否是人工湿地污水处理系统能否取得成功的关键因素之一。

1.4.1人工湿地基本构型的选择[7]

人工湿地按污水在其中的流动方式可分为三种类型: ①表面流人工湿地 (简称FWS),②潜流式人工湿地(简称SFS),③垂直流人工湿地（简称VCW）。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。垂直流人工湿地系统综合了前两者的特点，但其建造要求较高，至今尚未广泛使用。

1.4.2人工湿地工艺流程的选择[8]：

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 ,如图 1 所示。

a 推流式 b 回流式

C 阶梯式 d 综合式

图 1 　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。人工湿地的实际运用中可根据实际情况进行多种方式的组合。

1. 4人工湿地污水处理系统中工艺参数的确定[9]

（1）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 ,可定义为湿地可用容积与平均水量的比值 ,即 :

t = Vε/ Qav

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、初始孔隙度等来估算的. 由于潜流湿地的孔隙变化大,其孔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,就只有凭借历史资料与经验获得.实践也表明实际水力停留时间通常为理论值的 40 %～80 %.

（2）水传导

水力坡度　对表面流湿地污水处理系统的水力坡度加以考虑是非常有必要的 ,以免造成湿地系统发生回水,进水处产生滞留阻塞问题.通常人们使用经过修改后的曼宁公式[10]来计算表面流湿地的水头损失 :

v

S1/2=

(1/n).(h2/3)

其中 ,s 为水力坡度(无量纲) ,

v 为平均流速(m·s-1 ) ,

n 为曼宁阻力系数(m/ s1/3) ,

h 为湿地平均水深(m) ,

n 是水深以及其他表面阻力因素的函数.

一般地 ,潜流湿地中水流动主要依靠进出水处的水头损失 ,多孔介质中流体的层流运动遵循达西定律,许多学者修改达西定律以描述不同介质及不同流动状态 ,对于潜流湿地 ,推荐使用达西定律的原始模式 :

Q = K.Ac.s = (K)(W)(DW)(dh/dL )

Ac =(W)(DW)

S = dh/ dl

式中 ,

Q 为流量(m3·d-1 ) ;

Ac 为水流横断面面积(m2) ;

K 为水力传导系数(m3·m-2 ·d-1 ) ,又称渗透系数(m·d-1 ) ;

DW为水深(m) ;

W 为潜流湿地宽度 (m) ;

对于定义了长度的潜流湿地 ,有:

dh = ( Q) ( L ) / ( K) ( W) ( Dw )

其中 ,L 为潜流湿地长度(m) ,

dh 为水流阻力导致的水头损失(m) 。

为了施工和排水的方便 ,Chalk[11] 等建议 ,潜流湿地水力坡度取 0.15 %～1 %.王久贤[12]建议,潜流湿地水力坡度取1 % ,而表面流湿地水力坡度取 0.15 %或者更小。关键是,水力坡度这一设计参数,需根据填料性质及湿地尺寸加以校正，对以砾石为填料的湿地床一般要取 2 %。

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