人工湿地污水处理工艺与设计模板.doc

人工湿地污水处理工艺和设计
09月08日 星期二 16:04
人工湿地污水处理工艺和设计

王　薇,俞　燕,王世和
(东南大学环境工程系,南京　210096)
　　摘要:人工湿地作为一个新型生态污水处理技术,在实际应用中取得了快速发展。为了适应中国对这一技术
迫切需要,文章结合作者实践,较具体地介绍了现在人工湿地污水处理工艺结构、基础设计方法及经济技术
比较,以供相关科研、设计单位参考。
关键词:人工湿地;污水处理;工程设计
　　多年来,多种水处理技术在实际应用中取得
了不停发展,尤其是作为二级处理活性污泥
法以其工艺相对成熟、运行稳定、处理效果好而成
为城市污水处理主流工艺,但传统活性污泥
不仅基建投资大,运行费用高,且关键以去除碳源
污染物为目标,对氮、磷等营养物质去除则微乎
其微,经处理后出水排入水体后仍将引发“富营
养化”等环境问题。三级处理虽可处理上述问题,
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,单纯依靠传统人工处理方法在
中国目前情况下尚难以从根本上处理水污染问
题,只能延缓其发展趋势。70 年代以来,人工湿
地处理技术提出和发展,为综合处理上述问题
提供了一个新选择。
1 　人工湿地基础构型和步骤
人工湿地系以人工建造和监督控制、和沼
泽地相类似地面,经过自然生态系统中物理、
化学和生物3 者协同作用以达成对污水净化。
此种湿地系统是在一定长宽比及底面坡度洼地
中,由土壤和填料混合组成填料床,废水在床体
填料缝隙或在床体表面流动,并在床体表面种植
含有处理性能好、成活率高、抗水性强、生长周期
长、美观及含有经济价值水生植物,形成一个独
特动、植物生态系统,对废水进行处理。实际设
计中,往往是将湿地进行多级串联或附加必需
预处理、后处理设施组成。
人工湿地按污水在其中流动方法可分为两
种类型: ①水面式人工湿地(简称FWS) , ②潜流
型人工湿地(简称SFS) 。FWS 系统中,废水在湿
地土壤表层流动,水深较浅(通常在0. 1 - 0. 6
m) 。和SFS 系统相比,其优点是投资省,缺点是
负荷低。北方地域冬季表面会结冰,夏季会滋生
蚊蝇、散发臭味,现在已较少采取。而SFS 系统,
污水在湿地床表面下流动,首先能够充足利
用填料表面生长生物膜、丰富植物根系及表
层土和填料截留等作用,提升处理效果和处理能
力;其次因为水流在地表下流动,保温性好,
处理效果受气候影响较小,且卫生条件很好,是目
前国际上较多研究和应用一个湿地处理系统,
但此系统投资比FWS 系统略高。
人工湿地工艺步骤有多个,现在采取主
要有:推流式、阶梯进水式、回流式和综合式4 种,

人工湿地基础步骤
阶梯进水可避免处理床前部堵塞,使植物长
势均匀,有利于后部硝化脱氮作用;回流式可对
进水进行一定稀释,增加水中溶解氧并降低
出水中可能出现臭味。出水回流还可促进填料
床中硝化和反硝化作用,采取低扬程水泵,经过
水力喷射或跌水等方法进行充氧。综合式则一方
面设置出水回流,其次还将进水分布至填料
床中部,以减轻填料床前端负荷。
人工湿地运行可依据处理规模大小进行
多个方法组合,通常有单一式、并联式、串联式
和综合式等(图2 所表示) 。在日常使用中,人工
湿地还常和氧化塘等进行串联组合。
a. 单一式;b. 串联式;c. 并联式;d. 综合式
人工湿地不一样组合方法
2 　人工湿地系统设计
人工湿地系统设计包含如:水力负荷、有机
负荷、湿地床构形、工艺步骤及部署、进出水系统
和湿地栽种植物种类等很多原因。因为不一样国家
及地域气候条件、植被类型及地理条件各有差
异,所以大多依据现地条件,经小试或中试取得相
关数据后进行。
2. 1 　FWS 系统设计
因为废水在人工湿地中流动缓慢,故人工湿
地通常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描述: Ce/ C0 = exp ( - KTt)
基于人工湿地影响原因较为复杂, 各国研
究者对湿地床尺寸提出了不一样计算方法。
Reed 提议FWS 系统可用下列方程计算[1 ] :
Ce
C0
= A [ -
CKTAV
1. 75LWQn
Qd
]
Tchobanoglour 提议,水湿为T 时,速率常数可
由下式确定: KT = K20 (1 ,1) ( T - 20)
当湿地床底坡或水力坡度大于1 %时,
上述方程可调整为:
Ce
C0
= 0. 52exp [ -
CKTAV
1. 75LWQn
4. 6 S1/ 3 Qd
]
对床表面积AS , Kaklec 和Knight 提议用下式
计算: AS = (
0. 0365Qd
104 k
) ln (
C0 - C
3
Ce - C
3 )
初步设计时, k 值可取34 m/ y ,背景BOD5 值
可由下式计算:
C
3
= 3. 5 + 0. 05 C0
FWS 系统有机负荷随废水性质和条件变
化很大,其范围在18 - 110 kgBOD5 (ha·d) 。通常
只作为设计校核指标,它控制对维持系统好
氧状态及预防蚊虫、恶臭等很关键。
FWS 系统水力负荷可达150 - 500
m3/ (ha·d) 。在确定水力负荷同时应考虑气候、
土壤情况、渗透系数和植被类型等场地条件,还应
考虑接纳水体水质要求,尤其注意因为蒸发、蒸
腾失水量对夏季处理影响及在干旱地域设计
湿地可行性。在特殊情况下,要求湿地设计达
到零排放时,湿地中水关键经过蒸发、蒸腾、补
充地下水或系统内回用等路径完成,这时水力负
荷和水平衡计算是设计时需要关键考虑问题。
2. 2 　SFS 系统设计
在SFS 系统中,水流有2 种基础流态,即层流
和紊流。当湿地床中所用填料粒径不大、污水
充满填料缝隙并处于饱和状态时水流为层流,此
时可用达西公式计算[1 - 3 ] ,即: Q = KsAcSv 。
对其中渗透系数Ks , 到现在为止尚无准
确测定, 对于以砾石为基质湿地, 欧洲人建
议取10 - 3 m/ s , 而美国经验认为Ks 不宜大于
10 - 4 m/ s。
当Re > 1 - 10 时,水流变为紊流,此时不宜用
Darcy 公式,可用Ergum 公式计算[1 - 3 ] 。
S = 150μv[ (1 - n) / Dpn ]2/ρg +
1. 75 (1 - n) v2/ Dpng
湿地表面积AS 可用下计算[1 ] :
AS = Q(ln C0 - ln Ce) / ( KTDn)
式中:
KT 和温度关系为KT = K20 (1. 1) T - 20 。据
相关文件报道和实际试验,某一特定SFS 系统
K20和床体填料孔隙率n 相关,关系式为K20 =
K0 ( 37. 3 n4. 172 ) , 对经典城市污水取K0 = 1.
839 d - 1 ,高浓度有机工业废水K0 = 0. 198 d - 1 。
60 　　城市环境和城市生态　14 卷1 期　 年
© 1995- Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
英国人Kitkuth 推荐用AS = 5. 2Q ( ln C0 -
ln Ce) 计算表面积。
符号说明:
AC , As —湿地床横截面积,表面积;m2 ;
Ce , C0 —进水、出水BOD5 ;mg/ L ;
Q —平均设计流量:m3/ d ;
KS —渗透系数;m3/ (m2·d) ;
K20 , KT —温度20 ℃,T ℃时速率常数;d - 1 ;
KO —某一填料中植物根系充足发展后最
佳速率常数;d - 1 ;
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, 即可确定湿地床基础尺寸。
湿地床长度L 通常定为20 - 50 m。过长,易造成
湿地床中死区,且使水位难于调整,不利于植物
栽培。另外,湿地长度比L/ W 也不应过大,
提议控制在3∶1 以下,常采取1∶1 ,对于以土壤为
主系统,L/ W比应小于1∶1。床深D 通常须根
据所栽种植物种类及根系生长深度确定,以
确保湿地床中必需好氧条件。对于芦苇湿地系
统,处理城市或生活污水时,D 通常取0. 6 - 0. 7
m;而用于较高浓度有机工业废水处理时,D 一
般在0. 3 - 0. 4 m之间。
床横截面面积和温度、有机负荷无关,只受填
料水力学特征影响。在借鉴相关经验基础上
大家提议,经过填料横截面平均流速Q/ AC 以
不超出8. 6 m/ d 为宜,以避免对填料根茎结构
破坏。湿地床底坡通常取1 % - 8 % ,须依据填料
性质及湿地尺寸加以确定,对以砾石为填料湿
地床通常可取2 %。
2. 3 　其它设计问题
人工湿地基础尺寸确定后,还需考虑如场
地选择、栽种植物种类、进出水系统部署等一
些具体问题。
1) 场地选择:和传统二级生物处理工艺相比,
单位体积污水处理量所需人工湿地面积约为传
统二级生物处理地2 - 3 倍。采取人工湿地处
理污水时,应尽可能选择有一定自然坡度洼地或
经济价值不高荒地,首先可降低土方工程量,
利于排水,降低投资;其次,可降低对周围环
境影响。
2) 植物栽种:人工湿地系统设计中,应尽可
能增加湿地系统生物多样性,以提升湿地系统
处理性能,延长使用寿命。
在选择湿地植物物种时,可依据耐污性、生长
适应能力、根系发达程度及经济价值和美观要
求确定,同时也要考虑因地制宜。可用于人工湿
地植物有芦苇、茳芏、大米草、水花生、稗草等,
现在最常见是芦苇。芦苇根系较为发达,是
含有巨大比表面积活性物质,其生长可深入到
地下0. 6 - 0. 7 m ,含有良好输氧能力。种植芦
苇时,通常应尽可能选择当地芦苇进行移栽,其具体
方法是将有芽苞芦苇根分剪成10 cm 长左右,
将其埋入4 cm 深土中并使其端部露出地面。
插植最好季节在秋季或早春,插植密度可为1
- 3 株/ m2 。
3) 进出水系统部署:湿地床进水系统设
计应尽可能确保配水均匀性,通常采取多孔管或
三角堰等。多孔管可设于床面上或埋于床面以
下,埋于床面下缺点是配水调整较为困难。多
孔管设于床面上方时,应比床面高出0. 5 m 左
右,以防床面淤泥和杂草积累而影响配水。同时
应定时清理沉淀物和杂草等,确保系统配水均
匀性。系统进水流量可经过阀或闸板调整,过
多流量或紧急改变时应有溢流、分流方法。
湿地出水系统设计可采取沟排、管排、井排
等方法,合理设计应考虑受纳水体特点、湿地
系统部署及场地原有条件。为有效地控制湿
地水位,通常在填料层底部设穿孔集水管,并设置
旋转弯头和控制阀门。对严寒地域,进、出水管
设置须考虑防冻方法,并在系统必需部位设置
控制阀和放空阀。
4) 填料选择:进水配水区和出水集水区
填料通常采取粒径为60 - 100 mm 砾石,分布
于整个床宽。处理区填料表层可优先选择钙含量
为2 - 2. 5 kg/ 100 kg 混合土,以利于提升脱磷
效果。表层之下以5 - 10 mm 粒径石灰石掺和适
量土壤,厚度为150 - 250 mm ,再往下,全部采取5
- 10 mm粒径石灰石填料,或用不一样级配砾石、
花岗岩碎石铺设。因为表层土壤在浸水后会有一
定下沉,所以,建造时填料表层标高应高出设计
值10 % - 15 %。
5) 湿地床水位控制:通常,湿地进水水位
是不变,为使污水在床体内以推流式流动,须对
床层水位加以控制。通常,SFS 系统对水位
控制有几点要求: ①在系统接纳最大设计流量时,
湿地进水端不出现雍水,以防发生表面流; ②在系
统接纳最小设计流量时,出水端不出现填料床面
淹没,以防出现表面流; ③为了利于植物生
长,床中水面浸没植物根系深度应尽可能均匀,并
尽可能使水面坡度和底坡基础一致。
6) 预防地下水污染:为预防湿地系统因渗漏
而造成地下水污染,要求在工程时尽可能保持原土
层,并在原土层上设置防渗层。防渗层设置方
法有多个,如采取厚度为0. 5 - 1. 0 mm 高密度
聚乙烯树脂,或油毛毡密封铺垫等,为预防床体填
料尖角对薄膜损坏,施工时可在塑料薄膜上预
铺一层细砂。
3 　人工湿地运行及经济分析[2 - 3 ]
3. 1 　人工湿地开启和运行
人工湿地污水处理系统开启通常要经历2
个阶段:即系统调试、植物复活、根系发展不稳定
阶段和植物生长成熟、处理效果良好稳定成熟
阶段。
在开启阶段,芦苇等植物栽种后即须充水。
早期可将水位控制在地面下25 mm 左右处。按
设计流量运行3 个月后,将水位降低至距床底0. 2
m处,以促进芦苇等植物根系向深部发展。待根
系深入到床底后,再将水位调整至地表下0. 2 m
处开始正常运行。进入稳定成熟阶段后,系统处
于动态平衡,植物生长仅随季节发生周期性变
化,而年际间则处于相对稳定状态,此时系统
处理效果充足发挥,运行稳定。人工湿地系统从
开启到成熟通常需1 - 2 年时间。
对设计合理人工湿地系统,在进水水质及
水量改变不大时,一旦进入稳定成熟期,系统可自
流运行,无须任何动力设备,也无须更多维护。
湿地中植物通常可于冬季干枯时定时收割。
3. 2 　人工湿地经济分析
鉴于中国实际情况,工程造价及运行费用
仍是目前通常建设单位选择污水处理工艺优先考
虑原因。因为人工湿地土建施工比较简单,
且正常情况中几乎无须耗能,所以,其造价和运行
费用远比传统二级生物处理工艺节省。现在资
料均表明,人工湿地工程造价和运行费用仅为传
统工艺1/ 10 - 1/ 2。表1 为深圳白泥坑人工湿
地和相关污水处理厂投资及运行费用比较。
可见,单位污水投资额不足通常工艺1/ 4 ,运行
费用仅为传统活性污泥地10 %。
表1 　深圳白泥坑人工湿地系统和相关污水厂经济比较
工程
名称
总投资
(万元)
单位污
水投资额
(元/ m3)
年运行
费用
(万元)
吨水处理
成本
(元/ m3)
单位污水
占地量
(m2/ m3)
深圳某厂3 300 660 > 100 > 0. 20 2. 67
蛇口某厂> 100 > 0. 20
珠海某厂1 500 830 > 100 > 0. 20 1. 20
海南某厂547 574 36. 5 0. 20 1. 20
白泥坑工程42. 9 138 = 2. 0 0. 02 2. 79
　　有分析表明,如不考虑征地费,人工湿地投
资和处理规模间有近似线性关系;当考虑征地费用
时,费用和处理规模间呈凸函数形式。所以,人工
湿地污水处理技术对中小城镇、居民小区及城市分
散型污水处理更有其独到优越性,对中国目前
正在计划建设中中、小城镇及其沿海地域污水
处理厂设计和建设更有尤其关键意义。
4 　结语
人工湿地作为一个新型生态污水处理技术,
含有投资省、运行简便、处理效果稳定、出水水质
好等很多优点,不失为中国经济尚欠发达、地理条
件相对宽裕广大中小城镇、居民小区污水处理
优选方案。但因为中国人工湿地污水处理技术
发展及其应用时间还相对较短,大家对其认
识也有一个过程,加之技术相对滞后,所以人工湿
地应有潜力未能得到深入挖掘。但从多年来国
内外研究进展,尤其是中国如火如荼开发应
用,及包含去污机理、动力学模型等理论深入
成熟,人工湿地作为一个经济有效污水处理手
段,必将成为中国污水处理关键工艺而得到广
泛应用。