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摘要:人工湿地作为一种型生态污水处理技术,在实际应用中取得了快速进展。为了适应我国对这一技术的迫切需要,本文介绍了目前人工湿地污水处理的工艺构造、根本设计方法,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假设干问题,并提出了开展人工湿地工艺设计争论的一些设想。
关键词:人工湿地;污水处理;工程设计
Abstract:Asanewtypeofecologicalwastewatertreatmenttechnology,,thebasicconfiguration,typesanddesignmethodsofcurrentwastewatertreatmenttechnologybyconstructedwetlandareintroduced,andthemaincontentsandproblems of the process design of constructed wetland for wastewater treatment aresummarized,andsomeresearchinterestsareproposedinthispaper.
Keywords:construcedwetland;wastewatertreatment;processdesign
引言
近年来,各种水处理技术在实际应用中取得了不断的进展,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、磷等养分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“富养分化”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状况下尚难以从根本上解决水污染问题,只能延缓其进展趋势。70年月以来,人工湿地处理技术的提出和进展,为综合解决上述问题供给了一种的选择。
人工湿地是一种人工建筑和监视掌握的与自然湿地相类似的地面,是人为地将石、砂、土壤等一种或几种介质按肯定比例构成基质,并有选择性地植入植物的污水处理生态系统[1]。由于人工湿地具有处理效果好、建设和运行费用低、易于维护治理等优点[2,5],因而受到世界各国的普遍重视,成为近年来进展较快的一种污水处理技术[6]。
但是,由于人工湿地污水处理技术还处于开发阶段,尤其在我国人工湿地污水处理技
术的进展及其应用时间还相对较短,还没有比较成熟的设计参数,其工艺设计也还处于试验阶段;人们对其的生疏较少,加之存在很多亟待解决的问题,因而人工湿地的应有潜力未能得到深入挖掘。本文将在阐述人工湿地污水处理系统工艺设计的主要内容及存在的假设干问题的同时,提出一些开展人工湿地工艺设计争论的设想和展望,以供宽阔环境保护工作者参考。
人工湿地的类型与工艺流程
人工湿地系以人工建筑和监视掌握的、与沼泽地相类似的地面,通过自然生态系统中的物理、化学和生物三者协同作用以到达对污水的净化。此种湿地系统是在肯定长宽比及底面坡度的凹地中,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外表流淌,并在床体外表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,对废水进展处理[7]。
人工湿地按污水在其中的流淌方式可分为两种类型[7]:①自由水面人工湿地(简称FWS,或称地表径流型人工湿地),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淌,水深较浅(~)。与SFS系统相比,其优点是投资省,缺点是负荷低。北方地区冬季外表会结冰,夏季会滋生蚊蝇、散发臭味,目前已较少承受。而SFS系统,污水在湿地床的外表下流淌,一方面可以充分利用填料外表生长的生物膜、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力量;另一方面由于水流在地表下流淌,保温性好,处理效果受气候影响较小,且卫生条件较好,是目前国际上较多争论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,目前承受的主要有:推流式、阶梯进水式、回流式和综合式4种,如图1所示[7]。阶梯进水可避开处理床前部堵塞,使植物长势均匀,有利于后部的硝化脱氮作用;回流式可对进水进展肯定的稀释,增加水中的溶解氧并削减出水中可能消灭的臭味。出水回流还可促进填料床中的硝化和反硝化作用,承受低扬程水泵,通过水力喷射或跌水等方式进展充氧。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。实际设计中,人工湿地的运行可依据处理规模的大小进展多级串联或附加必要的预处理、后处理设施构成。这样的多种方式的组合,一般有单一式、并联式、串联式和综合式等,如图2所示[7]。在日常使用中,人工湿地还常与氧化塘等进展串联组合。
人工湿地污水处理系统一般包括前处理和人工湿地两局部。前处理一般包括化粪池、
格栅、沉砂池、沉淀池、厌氧池和兼性塘等。直接将未经沉淀处理的污水引入人工湿地,虽然首级人工湿地的COD、BOD、SS的去除率高,但简洁引起堵塞等问题,使维护费用增加。因此,将沉淀池或稳定塘作为人工湿地系统前处理是格外必要的。人工湿地一般工艺处理流程见图3[7]。
人工湿地系统的设计
人工湿地污水处理技术还处于开发阶段,尤其在我国还没有比较成熟的设计参数,其工艺设计也还处于试验阶段。其设计受很多因素的影响,主要是:水力负荷、有机负荷、湿地床的构造形式、工艺流程及其布置方式、进出水系统的类型和湿地所种植植物的种类等。由于不同国家及地区的气候条件、植被类型以及地理条件各有差异,因而大多依据各自的状况,经小试或中试取得相关数据后进展设计[7]。
选址及污水量和污水水质确实定
在人工湿地修建前,先进展污水量的调查和污水水质分析,确定处理规模以及有关污染物的去除率,设计处理后污水必需到达国家规定的污水排放标准。然后,依据地质、地貌、水文、污水出口等自然状况以及市政规划等因素选定人工湿地地址。比方地形有肯定自然坡度可削减开挖土方量,有利于排水、降低投资且削减对四周环境的影响;一般人工湿地应建在非洪涝灾难区或则需考虑修建相应的防洪措施;在房价较低地段修建可大幅度降低修建本钱等。
植物的选择
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,延长其使用寿命。植物在碎石中为微生物供给场所,在整个湿地系统中占有重要的地位,因此应慎重选择。
总的来说,选择植物应当满足:(1)耐污力量和抗寒力量强,适宜于外乡生长,最好以本乡土植物为主;(2)根系兴旺,茎叶茂盛;(3)抗病虫害力量强;(4)有肯定的经济价值。而常用的植物有芦苇、香蒲、大米草、美人蕉、水花生和稗草等,目前最常用的是芦苇。芦苇的根系较为兴旺,具有巨大比外表积的活性物质,~,具有良好的输氧力量。种植芦苇时,一般应尽量选用当地芦苇进展移栽,马上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。插植的最正确季节在秋季或早春,插植密度可为1~3株/m2。
填料的选用
湿地床由三层组成,表层土壤、中层砾石层和下层小豆石层。表层土壤可用当地表层土,优先选用钙含量为2~,以利于提高脱磷效果。在铺设表层土时,要将地表土壤与粒径为5~10mm石灰石掺和,厚度为150~250mm。~5mm的砾石或花岗岩铺设,~,有时也承受粒径在5~10mm或12~25mm石灰石填料。进水配水区和出水集水区的填料常承受粒径为60~
100mm的砾石,分布于整个床宽。由于表层土壤在浸水后会有肯定的下沉,因此,设计的填料表层标高应高出期望值10%~15%[7]。
根本技术参数确实定
主要是确定污染物负荷、停留时间、水深和所需的土地面积等技术参数,污水的特性、地理位置、气候条件、人们的生活方式、经济和科技水公平均影响工艺参数的选择。
根本技术参数见表1[7]。
表1人工湿地根本技术参数
设计参数
单位 FWS
SFS
水力停留时间
d 4~15
4~15
水深
ft ~
~
BOD
5
水力负荷率
面积
lb/ <60
Mgal/ ~/(Mgal/d) 67~20
<~
67~20
注:ft×=mlb/×=kg/hm2·dMgal/×=m3/m2·dAcre/(Mgal/d)×=hm2/(103m3/d)
根本几何参数确实定
在人工湿地的设计中,湿地的长宽比可按以下公式计算:
为保证废水以推流方式流经湿地,一般要求长度应>20m,长宽比L/W不应过大,建议掌握在3∶1以下,常承受1∶1,对于以土壤为主的系统,L/W比应小于1∶1[1]。依据现有人工湿地的设计与运行阅历,一般单个碎石床的长度<50m,宽度为25~30m,湿地床的深度一般依据水生植物自然根系的延长程度来设计的,~。
FWS系统的设计[7]
由于废水在人工湿地中流淌缓慢,故人工湿地通常可视作一级推流式反响器,稳态条件下可用以下反响动力学公式描述:
基于人工湿地的影响因素较为简单,各国争论者对湿地床的尺寸提出了不同的计算方法。Reed建议FWS系统可用以下方程计算[8]:
Tchobanoglour建议,设计水温为T时,反响动力学速率常数可由下式确定[8]:
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:对床外表积A,Kaklec和Knight建议用下式计算:
s
初步设计时,k值可取34m/y,背景BOD值可由下式计算:。FWS系统的有机负荷
5
随废水性质和条件变化很大,其范围在18~110kgBOD(ha·d)。一般只作为设计校核的
5
指标,它的掌握对维持系统好氧状态及防止蚊虫、恶臭等格外重要。
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类型,还应考虑接纳水体的水质要求,尤其留意由于蒸发、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[7]。在特别状况下,要求湿地设计到达零排放时,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,这时水力负荷及水平衡计算是设计时需要重点考虑的问题。
SFS系统的设计[7]
湿地床坡度确实定。
在SFS系统中,水流有两种流态,层流和紊流。当湿地床中所用填料的粒径不大,污水布满整个填料缝隙并处于饱和状态时水流为层流,此时填料床的坡度可用Darcy公式计算[8,10]:
对于其中的渗透系数K,到目前为止尚无准确的测定,假设是以砾石为主的湿地床,
s
欧洲人建议取10-3m/s,而美国的阅历认为K
s
不宜大于10-4m/s。
一般认为当湿地床中的渗流雷诺数Re大于1~10时,水流变为紊流,此时不宜用Darcy定律来描述了,尤其是当承受的填料粒径较大时,则需要考虑水流的扰动作用了。此时宜用Ergun公式来描述[8,10],即:
湿地床外表积确实定。
湿地的外表积As可用下计算[8]:
式中K
T
与温度的关系为。据有关文献报道和实际试验,某一特定SFS系统的K
20
与床体填料的孔隙率n有关,关系式为,对典型城市污水取K=-1,高浓度有机工
0
业废水K=-1。
0
英国人Kitkutb推举用以下公式计算外表积:附-符号说明:
A,A—湿地床的横截面积,外表积,m2;
c s
S,S—进水、出水BOD,mg/L;
e o 5
Q—平均设计流量,m3/d;
K—渗透系数,m3/(m2·d);
s
K ,K—温度20℃,T℃时的速率常数,d-1;
20 T
K—某一填料中植物根系充分进展后的最正确速率常数,d-1;
o
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,即可确定湿地床的根本尺寸。湿地床长度通常定为20~50m,过长易造成湿地床中的死区,且使水位难于调整,不利于植物的栽培。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。在借鉴有关阅历的根底上人们建议,通过填料横
截面的平均流速Q/,以避开对填料根茎构造的破坏。
c
湿地床深度确实定。
湿地床的设计深度,一般要依据所栽种的植物种类及其根系的生长深度来确定,以保证湿地床中的必要的好氧条件。对于芦苇湿地系统,用于处理城市或生活污水,~;而用于较高浓度有机工业废水的处理时,~。为保证湿地深度的有效使用,在运行的初期应适当将水位降低以促进植物根系向填料床的深度方向生长,湿地床的底坡一般在1%或稍大些,最大可达8%,具体应当依据填料性质及湿地尺寸加以确定,如对以砾石为填料的湿地床,其底坡一般可取2%。表2[7]为深圳白泥坑人工湿地系统各单元的设计参数。
表2 深圳白泥坑人工湿地系统各单元的设计参数
工程
单元
长/
宽/
碎石粒径/
碎石层厚/
池底坡度/
水力负荷/
个数
m
m
mm
cm
%
(m3/m3·d)
第一级
3
42
11-
10-50
40-100
1,,

其次级
2
47

10-30
50-120
,

第三级
3
30
19
150
0
〔停留4天〕
第四级
3
54
19
5-10
60-100
,1,

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,一般承受多孔管或三角堰等。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整较为困难。多孔管设于床面上方时,,以防床面淤泥和杂草积存而影响配水。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整,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承受沟排、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。为有效地掌握湿地水位,一般在填料层底部设穿孔集水管,并设置旋转弯头和掌握阀门。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掌握阀和放空阀。
湿地的水位掌握
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淌,须对床层的水位加以掌握。通常,SFS系统对水位的掌握有几点要求:①在系统接纳最大设计流量时,湿地进水端不消灭雍水,以防发生外表流;②在系统接纳最小设计流量时,出水端不消灭填料床面的漂浮,以防消灭外表流;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,并尽量使水面坡度和底坡根本全都[7。]
当出水端掌握水面时,床堤的底坡选
择对工程造价和水流流态有较大影响。因此,湿地床的底坡应尽可能地与床体的水面线坡度全都,且湿地床的长度不宜过长,过长易增加植物浸没深度的不均匀性,同时水流易形成大片的死区,将增加出水端水位掌握的难度。
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,~,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。
存在的问题与争论设想
在我国,人工湿地污水处理技术还处于开发阶段,还没有成熟的设计参数,工业设计也还处于试验阶段,其中存在的很多问题都有待争论和解决。
存在的问题
人工湿地污水处理技术中存在的问题可以概述如下:
人工湿地的基质种类比较单一,只有土壤、砾石和沙等几种,难以处理特别污染物的水体,而且基质中的某些化学组成还可能抑制水体中某些污染物的去除。
人工湿地植物种类单一,常用的湿地植物主要为芦苇、菖蒲、香蒲等挺水植物,实际应用中只选用其中的一种或几种植物,这样必定影响系统的处理效果。
关于人工湿地去除污染物机理的争论虽然取得了很大的进展,但总体上看还无法为其工艺设计供给有力的理论指导,有待进一步深入,特别是对水体中主要污染物如N、P元素及重金属元素的去除机理尚不格外清楚。
污水在人工湿地中运行状况相当简单,给人们对其水力学特征的争论带来了很大困难,一些工艺参数只能依据实践阅历,因而导致了系统水力学设计不合理,出水效果不抱负。
目前关于人工湿地污染物降解动力学的争论虽已取得肯定进展[11,12],但承受的模型都是湿地床的静态宏观模型,没有考虑传质效率,即没有考虑污染物从液相迁移到生物膜过程中的阻力,难以反映人工湿地的真实状况。
人工湿地类型单一,对含特别污染物或污染负荷比较高的水体难以达处处理效果。
争论设想与展望
开展人工湿地工艺设计争论是构建人工湿地的前提和根底,也始终是人工湿地处理技术争论的重点。上述因素的存在影响了人工湿地工艺设计水平的提高,为此,笔者认为目前对人工湿地的争论也应当侧重于基质的筛选与组合、植物的选育及适宜生境的创立、人工湿地水力学、污染物降解动力学及污水处理机理争论等方面。
人工湿地基质的筛选与组合
人工湿地基质的选择应突破常规材料的限制,致力于觉察材料。通过对基质理化特性的争论,筛选孔隙度高、比外表积大、离子交换力量强的基质,以获得良好的处理效果。此外,假设能够因地制宜或承受某些工业废料作基质,不但能够降低人工湿地的建筑本钱,而且为工业废物的处理供给了一条环境友好途径,如有人曾开展了利用煤渣和草炭的混合物、粉煤灰、高炉渣和电石厂飞灰等作基质的人工湿地争论,都取得了较好的处理效果
[13,15]。
植物选育及适宜生境的创立
开展湿地植物生理生态特性争论和污染适应性进化争论,筛选出高净化率的湿地植物种类与植物种类组合,包括净化特别污水的植物,能够抑制杂草生长的优势植物。通过争论植物根系的发育规律和地面植株的生长状况,创立适宜植物生长的人工湿地环境[16]。
加强人工湿地水力学特性争论和污染物降解动力学争论
开展人工湿地水力学特性争论,探讨人工湿地系统内部水力学特征,重点争论系统水力学特性对氧化、硝化和反硝化作用的影响,改善系统的水力学性质,提高人工湿地对N、P等养分元素的去除效率。开展人工湿地模拟试验,进展不同水流特征的人工湿地,争论复合式人工湿地的净水效能[16]。开展人工湿地污染物降解动力学争论,重点开展N、P等养分元素的降解动力学争论,建立污染物降解动力学模型。
开展人工湿地污染物净化机理的争论,特别是N、P等养分元素的净化
机理
如对污水中P的去除,普遍认为主要有微生物积存、植物吸取和基质的吸附、络合和沉淀作用三种途径,但在这几种途径中,哪种途径占主导地位,目前还存在很多争议。对于基质的吸附、络合和沉淀这三种作用方式,其作用机理也众说纷纭。
建立人工湿地数据库[16]
建立人工湿地数据库,有利于人们从现有的人工湿地实践中,不断总结阅历和吸取教训,丰富和完善人工湿地工艺设计的内容。在人工湿地技术运用广泛的国家,如德国、丹麦等,都建立了人工湿地运行治理数据库,为人工湿地设计积存了贵重阅历。
制订人工湿地工艺设计标准和技术标准[16]
人工湿地作为一种工程技术,需要有严格的工程技术标准来标准人们的设计行为,因此,迫切需要制订相应的工艺设计标准和技术标准,来指导人工湿地的工艺设计、施工建设和运行治理。
结语
人工湿地作为一种型生态污水处理技术,具有投资省、运行简便、处理效果稳定、出水水质好等诸多优点,不失为我国经济尚欠兴旺、地理条件相对富有的宽阔中小城镇、居民小区污水处理的优选方案。然而,由于人工湿地污水处理技术还处于开发阶段,尤其在我国人工湿地污水处理技术的进展及其应用时间还相对较短,还没有比较成熟的设计参数,其工艺设计也还处于试验阶段;人们对其的生疏较少,加之存在很多亟待解决的问题,
因而人工湿地的应有潜力未能得到深入挖掘。
因此,对人工湿地系统及其工艺设计的进一步开发和完善尤为重要。本文对于目前应用较多的人工湿地系统做了较为全面的工艺设计,但仅仅是抛砖引玉。此外,针对人工湿地工艺设计中存在的很多技术性问题,开展人工湿地工艺设计争论是构建人工湿地的前提和根底,也始终是人工湿地处理技术争论的重点。为了适应我国对这一技术的迫切需要,随着目前和将来国内外的争论进一步深入,国内如火如荼的开发应用,及包括去污机理、动力学模型等理论的进一步成熟,人工湿地作为一种经济有效的污水处理手段,必将成为我国污水处理的重要工艺而得到广泛应用。
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