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范文一：人工湿地设计
人工湿地设计
摘要:
人工湿地技术是一项建造和运行费用低、水质净化效果较好的污水资源化生态工程技术～其水力学因素对于系统处理效果的影响较大～而国内对于人工湿地系统内部机理～以及池型设计对湿地处理效果的研究较少。目前湿地的构建设计往往主要借助传统经验公式和实际工程经验～影响了人工湿地净化功能的有效发挥。为此本文通过对国内外一些人工湿地的调查对比分析～总结了湿地池型对实际运行效果的影响因素～以及池型优化改进建议。
我国是世界上最贫水的13个国家之一～同时随着我国经济高速增长～城市化水平不断提高～水污染问题日趋严重。天津市是我国北方水资源极度匾乏的城市～水危机已成为制约天津市社会经济发展的重要因素。人工湿地作为一种新型水处理技术～可作为深度处理工艺～为水资源的回收改造作出了巨大贡献。人工湿地的占地面积一直是其经济成本的主要因素～尤其在大中城市土地资源日益紧张～所以对人工湿地池型优化设计是我们研究的重要问题。
本文针对天津滨海新区生态特征水体污染状态～在海河流域典型城市水环境整治技术研究成果和示范工程实现的效益效果上～总结分解国内外人工湿地较好处理效果的各种池型的优点～提出适合天津滨海新区生态及水质处理方法和池型优化设计建议。综合工程实例实际效果着重从湿地植物对池型的影响、湿地
布水方式对池型的影响、湿地填料对池型的影响、湿地冬季越冬对池型的影响、进出水流量水质和停留时间对池型的影响以及人工湿地的堵塞问题等方面分析了池型优化的设计方法。
关键字:经济成本 对比分析 池型优化 实际效果
人工湿地的定义及国内外发展情况:
人工湿地是由基质、水体、植物、动物和微生物组成的生态系统。生活在土壤中的微生物,细菌和真菌,在有机物的去除中起主要作用～湿地植物的根系将氧气带入周围的土壤～但远离根部的环境处于厌氧～形成处理环境的变化带～这就加强了人工湿地去除复杂污染物的难处理污染物的能力。大部分有机物的去除是靠土壤中的微生物～但某些污染物如重金属、硫、磷等依赖于土壤和植物的作用。
人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统～类似自然沼泽地～但由人工建造和监督控制～是一种人为地将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成基质～并有选择性地植入植物的污水处理生态系统。它是一种集物理、化学、生化反应于一体的废水处理技术,是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统。
我国1987年,“七五”,建立了第一个人工湿地系统后,在人工湿地净化机理、系统控制、设计及运行参数等方面均取得可喜的进展。近10年来～人工湿地技术在我国被广泛应用于农业面源
污染控制及生活污水、垃圾场渗滤液、采油废水、啤酒废水、制浆造纸废水等的处理。20世纪末建成的成都活水公园更展示了人工湿地污水处理新工艺用“绿叶鲜花装饰大地～把清水活鱼送还自然”的魅力。
随着研究逐渐深入～人工湿地还被用于改善饮用水源水质如利用人工湿地改善北京官厅水库水质～出水基本满足地面水?类标准。目前～人工湿地还被广泛用于新兴领域～如利用人工湿地生态系统去除水体中的藻类效果显著～这说明人工湿地系统在污水深度处理或者在减少水体富营养化、抑制藻类疯长等方面都有其独特的作用。
国外～人工湿地广泛用于处理各种类型污水～如城市生活污水、酸性矿山废水、农业污水等～还被用于淡水回用水深度处理、净化富营养化水、自然保护、处理硝酸盐污染的地下含水层。
目前,在美国有600多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水～在丹麦、德国、英国各国至少有200处人工湿地(主要为地下潜流湿地) 系统在运行。新西兰也有80多处人工湿地系统被投入使用。
北美2/3的湿地是自由表面流湿地～其中一半是自然湿地～其余为人工自由表面流湿地。北美的湿地主要对人口较多的地区进行高级处理。在欧洲应用较多的则是地下潜流系统～尤其在一些东欧国家应用较广泛。该系统中种植有芦苇、菖蒲、香蒲等湿地植物～为了保证潜流～绝大多数系统还采用砾石作为填料。此
类系统趋向于对近1000人口当量的乡村级社区进行二级处理～但它在澳大利亚和南非则被用于处理各类废水。
人工湿地的优缺点:
1.优点:
投资费用低～建设、运行成本低,处理过程能耗低,污水处理效果稳定可靠,污水处理系统的组合具有多样性和针对性等优点,良好的景观效应,可持续的经济效益,运行管理简单。
2.缺点:
受气候条件限制较大,设计～运行参数不精确,占地面积相对较大,容易产生淤积、饱和现象,对恶劣气候条件抵御能力弱,净化能力受作物生长成熟程度的影响大,此外～可能需要控制蚊蝇孳生。
人工湿地的分类:
1.国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样。不同类型的人工湿地对特征污染物的去处效果不同～具有各自的优缺点。根据植物的存在状态～人工湿地主要分为三种类型:浮水植物系统、沉水植物系统、挺水植物系统。不同类型人工湿地结合使用以及和传统污水处理方法联合使用可以获得更好的出水水质。
,1,浮水植物系统 此系统中水生植物漂浮于水面,根系呈淹没状态。浮水植物目前主要用于N和P的去除和提高稳定塘的效率。
,2,沉水植物系统 此系统水生植物完全淹没于水中。系统中水的浊度不能太高～否则会影响植物的光合作用。该系统还处于试验阶段～主要用于初级处理与二级处理后的精处理。
,3,挺水植物系统 以挺水植物为主～植物根系发达～可通过根系向基质送氧～使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区～利于多种微生物繁殖～便于污染物的多途径降解,目前人工湿地主要指挺水植物系统。
2.从工程实用的角度出发～按照系统布水方式的不同或水流方式差异一般分为自由表面流人工湿地,surface flow
wetland,FWS,和潜流型人工湿地,subsurface flow
wetland,SFS,～潜流型人工湿地又包括水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地和潮汐潜流人工湿地。
,1,自由水面系统
自由水面系统的污水从系统表面流过～水深较浅(一般在0.1-0.6,)～氧通过自由扩散补给。进水中所含的溶解性和颗粒性污染物与系统介质和植物根系接触。常用的植物包括香蒲、芦苇、慈姑、莎草等。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。
,2,潜流系统
在潜流系统中～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、丰富的植物根系及表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,,,系统略高。
? 水平流潜流系统:水平潜流人工湿地因污水从一端水平流过
填料床而得名。与自由表面流人工湿地相比～水平潜流人工
湿地的水力负荷高～对BOD、COD、SS、重金属等污染物的
去处效果好～且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象。但其脱氮除磷
效果不及下述的垂直潜流人工湿地。
? 垂直流潜流系统:污水从湿地表面垂向流过填料床的底部或
从底部垂直向上流进表面～窗体处于不饱和状态～氧可通过
大气扩散和植物传输进入人工湿地。垂直潜流人工湿地的硝
化能力高于水平潜流人工湿地～用于处理氨氮浓度较高的污
水更具优势。
? 潮汐潜流系统:潮汐潜流人工湿地是近年来由伯明翰大学研
究并提出～芦苇床按时间顺序交替的被充满水和排干～床体
出水过程中空气被挤出～给排水过程中新鲜的空气被带入窗
内。通过这种交替的进水和空气运动～氧的传输速率和消耗
量大大提高～极大的提高了芦苇床的处理效果。但潮汐流湿
地运行一段时间后～床体可能会被大量的生物所堵塞～限制
了水和空气在窗体内的流动～降低了处理效果～因此设计中
可考虑采用被用床交替运行～以便利用闲臵期进行生物降
解。
人工湿地的运行方式:
人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。通过合理设计可将BOD5、SS、营养盐、原生动物、金属离子和其他物质处理达到二级和高级处理水平。
预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。构筑物包括双层沉
淀池、化粪池、稳定塘或初沉池。
人工湿地中的流态采用推流式、回流式、阶梯进水或综合式。
人工湿地目前存在的一些问题:
1.温度问题
温度影响包括: 低温时生物活性下降和植物的死亡,对于表面流和竖流湿地, 低温时表面会结冰～冰层覆盖不仅阻碍了大气的复氧过程, 使生化水平降低,而且冰层的存在减少了有效水深, 从而缩短了停留时间, 进而对处理效果产生影响。因此, 低温会导致处理效果的显著降低。目前, 湿地中温度带来的问题还没有完全解决, 但可以采取一些措施适当的降低温度带来的影响。
首先, 在工艺上可以采用潜流人工湿地: 在该工艺中覆盖表面的表层土以及植物的落叶可以起到一定的保温效果, 而且没有表面结冰问题, 因此受温度的影响较小。其次可以采用适当的保温措施。最后, 可以加强前处理单元, 以减轻湿地的处理负荷,这
种方法可以适当降低温度对处理效果的影响。
2.占地面积问题
人工湿地净化的机理与特点使其与传统的污水处理工艺相比较需要较大的占地面积, 一般认为大约是传统污水处理工艺的2，3倍左右。而当今, 土地资源对于很多城市来说是非常宝贵的, 这就为应用该技术带来了很大的障碍
由于自身处理过程的特殊性, 人工湿地技术在占地上的问题很难完全解决。但可以采取适当的措施以减少占用有效的土地资源。首先, 选址时要考虑到环境、经济效益综合最优化和规模化的因素, 为了不占用宝贵的市区土地资源, 可将工程选址在市郊区域, 这样做还能减轻风沙等对市区的影响和破坏。另外, 可采用组合工艺, 以提高效率, 减少占地面积。
3.堵塞问题
随着时间推移, 湿地中部分营养物质会逐渐积累,湿地中的微生物也相应繁殖, 再加上植物的腐败, 若维护不当, 很容易产生淤积、阻塞现象。这种现象不仅会影响水的流速, 而且会影响水的复氧, 从而影响到微生物的活性进而影响到处理效果。解决办法为: 选择适当的填料～最好是多孔、质轻、不易板结的材质, 采用合适的操作工艺, 可以通过一定的间歇进水来恢复湿地的渗透速率, 选择适当的植物密度并及时维护。
综上所述～人工湿地池型设计的跟上述问题有密切关系～池
型的变化直接影响到湿地的处理效果、占地面积、堵塞问题等～因此池型设计的优化是人工湿地设计的关键。下面介绍一下跟池型有关的几个方面的问题。
?.人工湿地植物对池型的影响
植物是人工湿地的重要组成部分。湿地植物包括挺水植物、沉水植物和浮水植物。1977年德国学者kickuth提出了实地净化污水的根区法,RZM,理论～认为在污水渗透过湿地的过程中～经过植物根区的问生物群落更可以通过其旺盛的代谢活动将各种营养物质降解、转化。因此～植物根区成为人工湿地实际净化功能的主要场所。人工湿地净化污水过程中, 植物的作用可以归纳为3个重要的方面: ?回收利用污水中可利用态的营养物质, 吸附、富集重金属和一些有毒有害物质; ?为根区好氧微生物输送氧气; ?增强和维持介质的水力传输。
不同的植物类型对不同的污染物质具有一定的针对性。对氮磷去除效果较好的湿地植物～如茭白、芦苇、水烛、灯心草。对重金属有较好的去除作用的植物是:宽叶香蒲～且对Pb、Zn、Cd 等重金属有较好的去除作用。
一般来说～选择植物要注意的几个原则是:
? 净化能力强～耐污能力和抗寒能力强～对不同的污染物采用
不用的植物种类
? 选择在本地适应性好的植物～最好是本地原有植物
? 植物根系发达～生物量大
? 抗病虫害能力强
? 所选的植物最好有广发用途或经济价值高
? 易管理～综合利用价值高
植物根系向土壤环境中分泌的物质包括氧气、酶和有机酸～这些分泌物有利于微生物的生长繁殖和污染物的降解。李志炎研究认为某些植物根系为根围异养微生物供应氧气～同时～植物还可向环境中分泌抗生素～在还原性基质中提供一个富氧的微环境～提高了异养微生物的数量、活性和降解能力。在远离根区处～为兼性厌氧和厌氧环境～由此构成的湿地类似于多个A2/O处理系统～有利于兼性厌氧和厌氧净化作用的发挥～可去除氮、磷等污染物质。因此在湿地设计中一般参照所选植物的根系深度来确定池型深度。王世和的研究表明～芦苇在65cm水深对氨氮和总氮的去除率最好分别达到56.7%和63.4%。对于芦苇湿地系统～处理城市或生活污水时～碎石床深一般取0.6~0.7m。调查发现～国外一般湿地系统深度小于0.6m～国内一般湿地深度在0.6~1.2m之间。我国北方为防止冰冻层一般深度较高～北京官厅水库永定河人工湿地深度1.2m。
郭焕晓等人研究表明:香蒲、睡莲、水葱、美人蕉和黄花鸢尾作为微咸水人工湿污水处理系统的植物,都具有较高的脱氮除磷效果,其中以黄花鸢尾处理效果最好。黄花鸢尾耐盐性和脱氮除磷效果好,并且具有很好的景观效益,花期较长,一般为5，6个月,耐寒,可以用作中国北部沿海高盐度地区微咸水人工湿地污水处
理统的优选植物～可以在我国北方土壤盐碱化地区推广应用。
?.人工湿地布水方式对池型的影响:
人工湿地布水方式有表面流、潜流和垂直流三种。三种水流方式整体都呈现缺氧状态～垂直流有较高的DO和污水与微生物良好的接触环境。因此垂直流系统对总氮和COD的去除效果最高。潜流湿地主要限制因素是DO不足～而表面流湿地污水与基质接触不足～水体暴露在外面～还会孽生一定的蚊蝇～因此～垂直流的水流方式是最佳的处理方式。但是～在实际大型工程上垂直流均匀布水比较复杂～在实际工程中常用水平潜流方式～经前处理以解决活着设臵冲氧管以解决DO不足问题。现在人们为了获得更好的处理效果～经常采用复合湿地。复合湿地系统对COD的去除效果很高～去除率平均有60%以上～尤其是垂直流组成复合湿地～平均处理效果更是达到80%。潜流组合的湿地效果也很好～但是表面流型湿地由于污水与基质的接触不好～因此效果相对较差。垂直流的水流是否均匀对其进出水系统有要求～对池型床宽比一般适宜当地情况即可。水平潜流湿地长宽比太长容易造成水流扰动和堵塞～太短则处理效果不好～有学者认为其长宽比应控制在3:1一下～常采用1:1。下表是我国部分人工湿地布水方式和长宽比对比～由此可得水平潜流湿地一般长宽比采用3:1或者2:1.
碎石床厚度运行方
项目名称 长宽比
,m, 式
水平潜
白泥坑人工湿地 50 3:1
流
复合垂成都市凤凰二沟人工湿地 1.5 3:1
直流 广州省海州市焦岭县人工湿水平潜
1.5 2:1
地 流 广东省梅州市大埔县人工湿水平潜
1.5 2:1
地 流 成都市双流县兴隆镇人工湿水平潜
1.5 4:1
地 流 高水力负荷人工湿地示范工
4:1 WJS工艺
程
云南省玉溪市江川县九溪人
1.5 4:1 WJS工艺
工湿地
水平潜
江川渔村大河人工湿地 1.2 3:1
流 北京官厅水库永定河人工湿水平潜
1.2 3:1
地 流
水平潜郑州CBD中心湖人工湿地 1.6 3:1
流
水平潜
1.2~1.5 4:1
流 北京新风河人工湿地
水平潜
1.4~1.7 4:1
流
水平潜增城鹅兜村人工湿地 1 2:1
流
水平潜增城榕树吓村人工湿地 1 1.5:1
流
13.7×水平潜
0.5
7.5 流
14.0×水平潜
0.5
7.5 流 三水养猪场人工湿地
13.5×水平潜
0.5
7.5 流
18.7×水平潜
0.5
7.5 流
?.人工湿地基质填料对池型的影响:
基质往往被看成是高效的“活过滤器”, 它的净化功能主要
由下列要素组成: ?绿色植物根系的吸收、转化、降解和生物合
成作用; ?基质中的细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、转化和生物的固定化作用;?基质的有机、无机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用; ?基质的离子交换作用; ?基质和植物的机械阻留作用; ?基质的气体扩散作用。不同的基质由于其成分的不同, 对不同的污染物, 如有机物、磷、氮等的去除效果也相差很大。一些学者研究了砂子基质和土壤基质吸附净化磷素污染物的特征和机理, 认为砂子和土壤基质净化磷素污染物的能力同其活性钙、胶体氧化铁和铝含量有关, 一些砂子和土壤基质活性钙、胶体氧化铁和铝含量较低, 磷素净化能力有限, 添加化学絮凝剂和沉淀剂有助于增强水体中磷素等污染物的净化效果。还有一些学者研究了黏土矿物和其它天然矿物以及部分工业副产物净化磷素污染物的效果和机理, 认为充分利用当地的自然资源, 选择合适的人工湿地基质,是构建人工湿地、提高人工湿地净化能力的关键措施。
基质堵塞的问题一直都困扰国内外的人工湿地研究者。人工湿地基质堵塞将会直接影响它对各种污染物的去除效果。所以, 要更好的发挥人工湿地的净化效果, 就必须解决基质的堵塞问题。为解决堵塞问题～湿地基质一般采取分层装填～进水端设臵滤料层拦截悬浮物。垂直流人工湿地基质一般由进水层开始选用细砂,0.06~0.2mm,、粗砂,0.6~2mm,、细砂砾,2~6mm,、沙砾,6~20,、砾石,8~16mm,逐级分层装填。水平潜流人工湿地的进水区～应沿着水流方向铺设粒径从大到小的砾石和砂子
,16~6mm,～在出水区应沿着水流方向铺设粒径从小到大,8~16mm,
?.人工湿地冬季越冬问题对池型的影响
在亚寒带地区冬季～使用人工湿地有许多独特的、在其它普通人工湿地设计中所没有的工艺要求。从早期人工湿地设计中所取得的经验教训～可用于寒冷地区人工湿地的设计。根据明尼苏达州和爱荷华州人工湿地运行记录～可以得出如下结论:在少雪的冬季～冰雪覆盖并不能有效地防止冰冻和凌汛现象～因此应对人工湿地进行适当的隔离设计,使用不同的覆盖物进行隔离～对系统的处理性能
有很大的影响,覆盖层所用的材料会影响种植植物的类型,对覆盖层进行适当的设计～可提高寒冷地区人工湿地的的去除率～处理性能在第一个成长期之后也会
有所提高,为了提高氮的去除率～需有足够的氧。在寒冷地区～标准的水平式潜流式人工湿地～并没有足够的氧满足氧化碳和氧化氮的要求。可选择的、具有较高的氧传送能力的反应结构是去除氮所必需的。如果将人工湿地设计成具有防冰冻功能～在温度低于4?时～也能进行硝化反应。李世荣在我国七五科技湿地研究报告中表明在水里停留时间10天左右渗滤湿地对BOD的去除率达70~75%～对总氮的去除率40%以上～对氨氮的去除率为30%～对SS的去除率为77.1~87.5%～对TP的去除率为73~91.3%。因此在我
国北方湿地冬季运行只要注意设计中流出冰冻层～保证进出水的
保温措施即可。
?.人工湿地的堵塞问题对池型的影响
1 影响因素分析
1.1 基质材料的影响
过滤材料粒径大小直接影响基质的孔隙大小和水容量, 因此它是影响人工湿地是否发生堵塞的重要影响因素。莫凤鸾等在深圳洪湖公园的人工湿地研究中, 在1997 年至1999 年5月间湿地系统共发生5 次堵塞, 采用粒径较大的碎石代替原来的沙子作湿地材料后, 系统运行正常。
1.2 进水污染物负荷
( 1 ) 悬浮物的影响
人工湿地进水中的悬浮物尤其是不可生物降解性的悬浮物负荷是影响湿地堵塞的重要因素, Bouwer 等推荐进水中悬浮物的最大值为20 mg/L, 负荷相当于8 g/(m2.d)。付贵萍等采用11 g/(m2.d)的进水悬浮物负荷, 系统运行5 年未出现堵塞现象。
( 2 ) 有机负荷的影响
普遍认为有机物负荷对基质堵塞有重大影响。Platzer 和Mauch 的研究发现, 堵塞一般发生在基质上层0~15cm 处, 有机负荷过高是堵塞的主要影响因素。
1.3湿地植物地上部分衰落时的残留物、根系及根系分泌物会
造成系统中有机物累积量的增加。成水平等在人工湿地净化污水试验中发现, 经过3~5 个月的污水处理后, 不种植物的对照土壤基质板结, 发生淤积。
1.4 有机物积累造成的系统堵塞
有研究表明, 湿地基质中有机质积累具有很高的引起阻塞的可能。牛晓音研究结果表明, 人工湿地在运行一年后总有机质积累达到0.658kg/m2, 并且60% 有机质积累主要在0~10cm; 湿地上下层有机质积累有明显差异, 且随着基质中的深度和离入水口的距离呈下降趋势, 基质孔隙度与有机质呈显著负相关关系。
1.5 温度
温度对土壤堵塞具有双重影响。一方面, 较高的温度导致了高的生物活性和较高的生长速率, 但同时由于微生物的快速增长, 填充了填料的孔隙, 从而引发基质堵塞; 另一方面, 较低温度抑制了生物活性, 代谢速度慢, 致使有机固体颗粒在填料中的大量累积和滤料中厌氧程度的加剧, 也易引发湿地堵塞。
2 避免堵塞的措施
针对造成湿地堵塞的原因可以湿地设计与运行中分别采取相应的避免堵塞措施。
2.1 对进水进行预处理
常见的预处理工艺有隔栅、厌氧沉淀、混凝沉淀等。这类措
施虽可有效地推迟基质堵塞发生的时间却不能杜绝基质堵塞的发生, 并会增加系统的投资、运行成本以及维护管理难度。是否适合采用此类方法需要在由此引起的费用增加和基质堵塞后更换基质所需费用之间进行权衡。
2.2 选择合适的基质粒径及级配
基质粒径分布对空隙大小和水容量有决定性的影响, 它是影响基质堵塞的主要因素。粒径较大的基质可以有效地防止堵塞的发生, 但过大的粒径会缩短水力停留时间, 进而影响净化效果。这类措施需要在净化效果和防堵塞两者之间寻找一个最佳平衡点, 平衡点的寻找通常是通过小试或中试来进行,但实际工程往往和试验效果有较大偏差, 因此可操作性比较差, 并且摸索的工作量也非常巨大。 2.3 选择合理的进水方式
De Veries J 研究表明间歇进水方式有利于基质保持好氧状态, 从而加快有机物的生物降解, 因此促使基质保持好氧状态可以减缓基质堵塞。大部分研究报道间歇进水可减缓人工湿地基质堵塞, 但间歇进水会降低湿地的日处理量, 从而在处理同量污水的前提下会增加湿地的占地面积, 引起投资费用的增加。
2.4 选择合理的湿地植物
有学者认为湿地植物会引起基质堵塞, 湿地植物根茎的死亡、根茎分泌出的有机物质以及大量的微生物活动会导致基
质床顶部100 mm 厚度内积累大量的有机物。为了避免堵塞的发生,可考虑选用根际复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物并定期收割植物的地上部分。
2.5 选择合适的有机负荷
尽管有机负荷作为基质堵塞的主要影响因素已广为接受, 但具体的研究结果却存在着差异。在中欧地域气候条件下, 为了防止发生堵塞所对应的最高负荷为25 gCOD /(m2〃d) , 系统如果采用周期运行的方式则负荷可以更高。Platzer 和Mauch建议有机负荷不要超过25 gBOD/(m2〃d) 。 2.6 湿地日常运行的科学管理
一般来说, 人工湿地应该每六个月综合检查一次, 日常的维护主要包括拔除杂草、清除死的植物( 不是处于睡眠状态) 以及清洗管道等并需根据来水水质的变化及时调整湿地进水量以防止湿地超负荷运行很有必要的。
3.基质堵塞的恢复对策
除了以上预防基质堵塞的措施外, 对于已经严重堵塞的人工湿地, 目前国内外还没有良好的对策使其恢复到原有状态。目前常用的恢复对策有: 更换湿地表层基质、停床休作与轮休、投加蚯蚓等。
综上所述～人工湿地设计时应考虑多方面的因素～包括水力负
荷、停留时间、基质分层、基质深度、运行方式、植物的选择、
运行干湿周期、冬季运行等。污水处理总体考虑因素归根到底还
是其经济效益和环境效益。结合我国土地资源紧张的问题～湿地
池型设计的核心是占地面积问题～有效的解决占地面积问题将是
湿地在我国大范围运用的一个必不可少的先决条件。高水力负荷
可以减少湿地的占地面积～下面我们对比一下国内外人工湿地水
力负荷:
处理量湿地面积,h水力负荷
项目名称 运行方式
,m3/d, ?, m3/?)d
白泥坑人工湿地 4500 0.497 水平潜流 0.905 成都市凤凰二沟人工
24000 5.4 复合垂直流 0.444
湿地
广州省海州市焦岭县
10000 1.74 水平潜流 0.575
人工湿地
广东省梅州市大埔县
10000 1.6218 水平潜流 0.617
人工湿地
成都市双流县兴隆镇
1000 0.36 水平潜流 0.278
人工湿地
高水力负荷人工湿地
1000 0.10826 WJS工艺 0.924
示范工程
云南省玉溪市江川县
200000 30.34 WJS工艺 0.659
九溪人工湿地
江川渔村大河人工湿10000 1.6096 水平潜流 0.621
地
北京官厅水库永定河
30000 7.33 水平潜流 0.409
人工湿地
郑州CBD中心湖人工
10000 2 水平潜流 0.500
湿地
北京新风河人工湿地 2500 0.504 水平潜流 0.496
2500 0.504 水平潜流 0.496 增城鹅兜村人工湿地 21 0.0132 水平潜流 0.159 增城榕树吓村人工湿
30 0.0188 水平潜流 0.160
地
三水养猪场人工湿地 100 0.04495 水平潜流 0.222 徐州市桃源河人工湿
40000 11.24 潜流综合式 0.356
地
山东荣成市人工湿地 20000 80 0.025 武汉市桃花岛人工湿
1200 0.5 水平潜流 0.240
地
900 0.18 复合潜流 0.500 沈阳浑南新区人工湿 5000 10.1 垂直流 0.050
水平潜流+深圳市沙田人工湿地 5000 1 0.500
垂直流 深圳石岩人工湿地 150000 2.4 复合垂直流 6.250 美国加利福尼亚州3785 9.7 0.039
Gustine工程
美国马里兰州
132 0.07 0.189 Emmitsburg工程
美国Fabius煤炭预处
150 0.6 0.025 理厂废水处理工程
美国福罗里达州坦帕
市Hidden River
136 1.12 表面流 0.012 Corporate Office
Park 湿地
日本渡良濑蓄水池的
216000 20 表面流 1.080
人工湿地
英国的化工废水处理
3000 5 0.060
人工湿地
上表显示～我国湿地总体水力负荷比较高～而且实际效果基本
达到设计标准。因此～在达到预期效果的前提下～结合设计当地
的情况适当的增加水力负荷可以有效的减少湿地的占地面积。
目前, 虽然人工湿地的研究和应用正方兴未艾～ 但其也有不
足之处～今后人工湿地污水处理系统的发展趋势将体现在以下几
个方面:
?开发数据库和设计指南
由于各地的气候条件、湿地规模、负荷率、几何布臵、植物种类构成及废水的类型构成等变化很大～因而对人工湿地很难有统一的设计和运行参数。因此要细致地研究不同地区特征和运行数据～以便在将来的建设中提供更合理的参数。
?改良人工湿地技术
目前～世界各国都投入了大量精力以改良人工湿地技术,将一些传统污水处理技术引入人工湿地～对现有的人工湿地系统进行研究以改良和优化工程设计参数。如北美湿地工程公司(NAWE) 借鉴污泥回流技术和鼓风曝气开发了循环流湿地工艺和通风强化床工艺。
另外～对系统的长期运行能力和管理问题进行研究～ 优化工程设计参数也是一个重要的方面,由于其所涉及机理的复杂性和领域的广泛性～虽然有些机理研究已经得到初步的认可～但是仍有许多问题需要进一步研究。
?不断扩大应用范围
人工湿地自广泛使用以来表现出极大的发展潜力～从而得到公众的普遍接受。应用于人工湿地中的各种强化手段旨在提高其净化效能、扩大其应用范围、增强其运行稳定性、延长其使用寿命。相信在未来,越来越多的强化技术会应用于其中～使得人工湿地在工业废水、农业面源污染、暴雨径流、中水回用、再生及生物方面发挥更大的作用。
范文二：人工湿地设计参数
.2 人工湿地污水处理技术设计原理
5.2.1 人工湿地设计内容[46]
（1）确定详细的废水流速，污染物负荷及期望的处理效果。
（2）优化区域结构，进出水区域结构要利于水控制、水循环和分配等。
（3）处理单元的接连水渠构造根据情况选择串联或者并联。
（4）改变处理单元内部及不同处理单元之间的深度，以利于更好的分配水流、形成多样性环境及有利于污染物的去除。
（5）制定湿地植物的选择方案、种植密度、种植方式等。
（6）制定良好的运行维护计划，以便后续的维护管理。
5.2.2 人工湿地设计参数
人工湿地的设计因素会影响到其运行效果，主要的设计参数包括湿地尺寸参数、水力参数和构造参数三类。其中，湿地尺寸参数主要包括湿地长宽比、面积、深度等；水力参数主要包括水力停留时间、表面负荷率、水力坡度、水动力弥散系数等；构造参数主要包括填料种类、渗透性、植物选种等。
5.2.2.1 水力停留时间（Hydraulic Retention Time ,HRT）
人工湿地水力停留时间是指污水在湿地内部平均驻留时间，是人工湿地处理系统最重要的参数之一，它影响系统的除氮除磷效果，水利停留时间越长，对氮磷的去除效果越好。
理论上的HRT可按照下列公式计算：t = V ×ε / Q ，其中，V是人工湿地基质在自然状态下的体积，m3；ε是孔隙率，%；Q是人工湿地设计水量，m3/d。但是在实际运行中，随着孔隙率的变化，水力停留时间通常为理论值的40%~80%。
通常情况下，表面流人工湿地2天左右即可在沉降区去除大约80%的总悬浮物。英国环境署对表面流人工湿地的好氧反应区研究表明，水力停留达到2d以上后，各类藻类开始生长，引起pH变化，促进植物生长，促进氨氮的挥发，磷的沉降，不过为了防止水华，HRT限制在3~4天左右。Kadlec则认为，在人工湿地的植物净化区域，1~2天即可去除90%的NO2-N，也就是说2~3天的时间可保证反硝化的进行[47]。Dierverg则在潜流系统中证实了潜流人工湿地的厌氧区域适合系统的反硝化作用，在HRT为2~4天时候，发生强烈的反硝化脱氮[48]。我国环保部的人工湿地处理工程技术规范也指出表面流人工湿地的停留时间4~8天为宜，潜流人工湿地1~3天为佳。
5.2.2.2 表面负荷率
表面负荷率（ALR）指单位面积人工湿地对污染物所能承受的最大负荷。根据美国国家环保局资料[49]，在设计过程中，利用表面负荷率可以计算湿地面积，公式如下：
As = (Q) (Co) / ALR ，其中，As为人工湿地面积，Q为进水量，Co为污染物浓度。
5.2.2.3 水力坡度
水力坡度是指污水在人工湿地内沿水流方向单位渗流路程长度上的水位下降值。可按照如下计算，i =ΔH / L × 100% 。其中，i为水力坡度，ΔH为污水在人工湿地内渗流路程长度上的水位下降值，L污水在人工湿地内渗流路程的水平距离。
水力坡度也是人工湿地重要的影响因素之一，可以防止湿地内部发生回水，进水产生滞留阻塞等问题。有研究者建议，表面流人工湿地的水力坡度取0.5%以内，潜流人工湿地取1%[50]。根据经验表明，水力坡度这一参数，往往还需要根据基质性质及湿地的尺寸设计进行调整，例如，砾石为基质的人工湿地的水力坡度一般取2%为宜。
5.2.2.4 表面有机负荷
表面有机负荷值每平方米人工湿地在单位时间内去除的五日生化需氧量。可按照如下公式计算，qos = Q ×（C0– C 1）×10-3/ A ，其中，qos表面有机负荷，kg/(㎡/d)；Q为人工湿地设计水量，m3/d；C0为人工湿地进水BOD5浓度，mg/L；A为人工湿地面积，㎡。
5.2.2.5 湿地尺寸
人工湿地的面积应该按照五日生化需氧量表面有机负荷来确定，长度可按照L = As / W 来计算，宽度可根据达西定律和一些相关数据来算，W=Q·As / K·dh·Dw。
经验表面，人工湿地处理单元长度一般为20-50米。过长，容易形成死区，水位也不容易调节，影响植物生长和处理效果。潜流人工湿地的大部分BOD及悬浮物都在进水区前几米的区域内去除，因此也有研究者建议潜流湿地长度控制在12~30米之间[51]。
我国国家环保部人工湿地处理工程技术规范中，将潜流人工湿地单元的长宽比宜控制在3:1以下；表面流人工湿地控制在3:1~5:1，当区域受限，长宽比＞10:1时候，需要计算死水曲线。
5.2.2.6 湿地系统反应动力学
人工湿地中有机物的降解，硝化作用，吸附作用等通常遵循一阶动力学方程
[52]
Ce / Co = e-KTt，
其中，Co为进水BOD平均浓度，mg/L；Ce为出水BOD平均浓度，mg/L,KT为T温度下的一阶反应速率常数，day-1；t为水力停留时间，day。
5.2.3 人工湿地设计步骤（6—71）
（1）选择植物种类，确定床体及水的深度。
（2）确定水力坡度，一般不超过1%。
（3）选择基质，对于潜流人工湿地，还应确定水利传导率和孔隙率。
（4）根据Q=AcKxS，确定人工湿地断面面积。其中，Ac为断面面积，㎡；Kx为基质的水力传导率，m/day；S为水力坡度。
（5）根据公式W=Ac / D= Q / KsSD，确定湿地的宽度。
（6）根据kT = k20θ20（T-20），计算速率常数。其中，k20θ20分别是20℃时的速率常数和其温度系数。
（7）根据水力负荷，确定湿地系统的表面积公式：
其中，η为基质的孔隙率，%。
（8）根据表面积确定湿地的长度L。对于简单的水平潜流系统，也可以用下面公式（6—50）
其中，Qd为废水的平均流量，m3/d，kBOD为反应速率常数，m/d，在二级废水处理中为0.06；在三级废水处理中，为0.31。
范文三：人工湿地设计
发布时间：2009-7-13 17:24:04??中国污水处理工程网
人工湿地（CW—Constructed Wetland)污水处理技术是70年代末发展起来的一种污水处理新技术。它具有处理效果好、氮磷去除能力强，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等特点，比较适合于技术管理水平不很高，规模较小的城镇或乡村的污水处理。
人工湿地的净化机理：人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。
湿地处理系统的设计
1.选址考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关法律及公众意见。应因地制宜，尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地，一方面减少土石方工程、利于排水、降低投资，另一方面防止对周围环境产生影响。
2.确定系统组合形式根据场地特征、处理要求和所处理污水的性质来确定。单一式、并联式、串联式、综合式。
3.确定水力负荷 根据文献或经验而定。
4.选择植物根据湿地植物的耐污性能、生长能力、根系的发达程度以及经济价值和美观等因素来确定。一般有芦苇、席草、大米草、水葫芦、水花生等，最为常用的是芦苇，插植密度为1~3株/m2。
5.计算表面积 As=Q/a：As—表面积；Q—进水流量；a—水力负荷。
6.确定长宽比
（1）表面流湿地：长宽比10：1或更大，根据地形来考虑，底坡降0%~1%。
（2）潜流湿地：根据达西定律Q=Ks*A*S
S—水力坡度；A—湿地床横截面积；Ks—潜流渗透系数。或厄刚公式As=5.2Q[LN（So-Se）]，So—进水BOD浓度；Se—出水BOD浓度；As—湿地床表面积。
7.结构设计
（1）进出水系统的布置：湿地床的进水系统应保证配水的均匀性，一般采用多孔管和三角堰等配水装置。进水管应比湿地床高出0.5m。湿地的出水系统一般根据对床中水位调节的要求，出水区的末端的砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内的水位。
（2）填料的使用：湿地床由三层组成表层土层、中层砾石、下层小豆石。表层土钙含量在2~2.5kg/100kg为好；砾石层粒径在5~50mm，铺设厚度0.4~0.7m。
（3）潜流式湿地床的水位控制：当接纳最大设计流量时，进水端不能出现雍水现象；当接纳最小流量时，出水端不能出现填料床面的淹没现象；有利于植物生长，床中水面浸没植物根系的深度应尽可能均匀。
8.编制施工计划
9.修改设计根据出现的问题对设计进行相应的修改。
10.施工
11.试运行
12.竣工交付使用
下面简要介绍一下比较常见的几种生物膜污水处理工艺
1、颗粒型生物膜反应器
1.1上流式污泥床(USB)
上流式污泥床(USB)是20世纪70年代末由荷兰Lettinga开发的又一项新的颗粒型生物膜反应器，主要用于厌氧生物处理系统中，即UASB。它主要由配水系统、污泥床、三相分离器等组成。反应过程中产生的气体将污泥和污水进行充分混合，三相分离器将颗粒污泥、气体和污水进行分离，污泥保留在反应器中，气体和处理后的出水排出反应器，其结构示意见图1。
1.2污泥膨胀床(EGSB)
2O世纪8O年代后，又出现了新的颗粒污泥反应器，其中以污泥膨胀床(EGSB)和内循环反应器(Ic)最具有代表性。EGSB与USB的结构类似，但其高径比更大，上升流速更快，颗粒污泥处于膨胀状态。
1.3气提生物膜反应器(BAS)
以上两种是在以前污水处理中应用较多的两种类型，随着技术的进步与提高，在2O世纪8O年代末，一种新型的颗粒型生物膜反应器被开发并应用于工业。它与以往的颗粒型生物膜反应器不同的是，混合方式是由外部引入的气体将污泥和污水进行混合，是完全混合的方式，被称为气提生物膜反应器(BAS)。它主要由上升区、下降区和污泥沉降区组成，根据气源的不同，可分为好氧型气提床和厌氧型气提床。其中好氧型的气源为空气，厌氧型的气源一般为惰性气体或循环利用的空气。由于它既可用于好氧处理系统，又可用于厌氧处理系统，因此应用领域非常广泛。
2、水力自旋传质填料生物膜反应器
2.1 常规填料的主要缺陷：
填料是生物反应器的关键部位，但目前应用中的填料所起的作用却较为单一，只是作为生物的载体，提供反应场所，并为生物反应器提供较高的微生物量，却不能为生物反应创造良好的传质扩散条件。由于结构形式不合理，现有的生物反应填料为混合液提供的流道无规律可循，对生物反应过程中流体的流态控制不符合多相流体力学的物系传质机理，使得多相物系之间，即生物细胞与有机底物之间的传质扩散效率不高，从而导致生物底物利用率低、生物反应时间长、能耗大、效率低等现象的出现。
SCMT(self-circle-mass-transfer)型自旋传质生物载体填料便是针对上述情况开发出一种在形状、结构等方面能够创造和满足反应器内理想传质条件的填料。
2.2 SCMT的特点及优势：
(1)SCMT型自旋传质填料与常规聚丙烯阶梯环填料相比，具有相近的技术参数，但却能够在保持出水水质的前提下，有效地减少反应时间和降低能耗，通过对对比试验数据的分析认为，其原因在于SCMT型自旋传质填料能够在反应器内创造更为理想的传质条件，提高传质速率，从而减少反应时间，并降低能耗。
(2)SCMT型自旋传质填料在气流作用下的无规则旋转，提高了整个反应器内的水流、气流的紊流程度。SCMT型自旋传质填料可将水中的气泡剪切成更加微小的气泡，增大了传质接触表面，使物相接触表面不断更新，并减小传质接触表面的气膜、液膜厚度，从而提高了传质速度。
(3)使用SCMT型自旋传质填料生物反应器处理城市污水，可以在停留时间为1h，气水比为4：1的情况下，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中规定的二级标准。
3、活性污泥一生物膜一体化反应器：
活性污泥一生物膜复合一体化反应器的设计是基于传统的A／O工艺。反应器为同心圆结构，由内到外依次分为厌氧区、曝气区和沉淀区，其结构及水力运作形式如图3所示。
该反应器的主要特点是：
(1)反应区和沉淀区在立体空间上的巧妙结合实现了结构的一体化。结构一体化是针对传统污水处理方法通常是由多个单元操作组成的复杂工艺程的弊端而提出和发展起来的。传统的污水处理工艺各处理单元分设，必然增加基建投资、污水污泥回流管路设备投资以及占地面积，而结构一体化装置具有工艺简捷、结构紧凑、占地少、管理简便、投资省等优点。
(2)反应器厌氧区采用活性污泥法，曝气区内安装填料，将活性污泥工艺和生物膜工艺有机地融合在同一反应器内来稳定和强化处理效果，实现了两种常规生物处理工艺的一体化。厌氧区采用活性污泥法，便于对泥龄进行控制，有利于除磷菌的生长繁殖。
(3)混合液回流和污泥回流合并为一个系统，节省了一套回流设施，可降低基建投资和运行费用，同时参与回流的污泥均经历了完整的厌氧、好氧过程，具有一种"群体效应"，有利于生物除磷。
4、无泡曝气膜生物反应器
4.1工艺原理：
无泡曝气生物反应器(Membrane Aeration Bioiflm Reactor)，简称为MABR，由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给的，中空纤维膜不仅起着供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。图 4为无泡曝气膜生物反应器处理污水原理图。即，纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气．在中空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触．污水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解．从而使污水得到净化。
4.2无泡曝气的特点:
与常规曝气相比，采用中空纤维膜进行无泡曝气具有如下优点：
①由于曝气不产生气泡，氧直接以分子状态扩散进入生物膜，几乎百分之百地被吸收，传质效率可高达100％，因此溶解氧不再是限制微生物生长的决定因素。
②由于生物膜生长在中空纤维膜的外表面，所以在供氧过程中，生物膜不会受到气体摩擦，不易脱落。
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范文四：人工湿地设计
人工湿地污水处理工艺设计与研究设想
摘要：人工湿地作为一种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结构、基本设计方法，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若干问题，并提出了开展人工湿地工艺设计研究的一些设想。
关键词：人工湿地；污水处理；工程设计
Abstract : As a new type of ecological wastewater treatment technology ,constructed wetland has been developed at 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 constructed 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
近年来，各种水处理技术在实际应用中取得了不断的发展，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、磷等营养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“富营养化”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情况下尚难以从根本上解决水污染问题，只能延缓其发展趋势。70年代以来，人工湿地处理技术的提出和发展，为综合解决上述问题提供了一种新的选择。
人工湿地是一种人工建造和监督控制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一定比例构成基质，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、易于维护管理等优点[2,5 ]，因而受到世界各国的普遍重视，成为近年来发展较快的一种污水处理新技术[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发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；人们对其的认识较少，加之存在许多亟待解决的问题，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若干问题的同时，提出一些开展人工湿地工艺设计研究的设想和展望，以供广大环境保护工作者参考。
2 人工湿地的类型与工艺流程
人工湿地系以人工建造和监督控制的、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达到对污水的净化。此种湿地系统是在一定长宽比及底面坡度的洼地中，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表面流动，并在床体表面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，对废水进行处理[7]。
人工湿地按污水在其中的流动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动，水深较浅(一般在0.3～0.6m)。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、丰富的植物根系及表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。
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[7]。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。实际设计中，人工湿地的运行可根据处理规模的大小进行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行串联组合。
人工湿地污水处理系统一般包括前处理和人工湿地两部分。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，但容易引起堵塞等问题，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非常必要的。人工湿地一般工艺处理流程见图3[7]。
a
c
b
d
图1 人工湿地的基本流程
a.推流式；b.回流式；c.阶梯进水式；d.综合式
a
c
b
d
图2 人工湿地的不同组合方式
a.单一式；b.串联式；c.并联式；d.综合式
图3 人工湿地一般工艺处理流程
3 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，因而大多根据各自的情况，经小试或中试取得相关数据后进行设计[7]。
3.1 选址及污水量和污水水质的确定
在人工湿地修建前，先进行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，设计处理后污水必须达到国家规定的污水排放标准。然后，根据地质、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。比如地形有一定自然坡度可减少开挖土方量，有利于排水、降低投资且减少对周围环境的影响；一般人工湿地应建在非洪涝灾害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成本等。
3.2 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提供场所，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，选择植物应该满足：(1)耐污能力和抗寒能力强，适宜于本土生长，最好以本乡土植物为主；(2)根系发达，茎叶茂密；(3)抗病虫害能力强；(4)有一定的经济价值。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。芦苇的根系较为发达，具有巨大比表面积的活性物质，其生长可深入到地下0.6～0.7m，
具有良好的输氧能力。种植芦苇时，一般应尽量选用当地芦苇进行移栽，即将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。插植的最佳季节在秋季或早春，插植密度可为1～3株/m2。
3.3 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2～2.5kg/100kg的混合土，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。表层以下采用粒径在0.5～5mm的砾石或花岗岩铺设，其铺设厚度一般为0.4～0.7m，有时也采用粒径在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采用粒径为60～100mm的砾石，分布于整个床宽。由于表层土壤在浸水后会有一定的下沉，因此，设计的填料表层标高应高出期望值10%～15%[7]。
3.4 基本技术参数的确定
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、经济和科技水平等均影响工艺参数的选择。基本技术参数见表1[7]。
表1 人工湿地基本技术参数
设计参数 单位 FWS SFS 水力停留时间 d 4～15 4～15
水深 ft 0.3～2.0 1.0～2.5 BOD5
水力负荷率 lb/acre.d 20m，长宽比L/W不应过大，建议控制在3∶1以下，常采用1∶1，对于以土壤为主的系统，L/W比应小于1∶1[1]。根据现有人工湿地的设计与运行经验，一般单个碎石床的长度＜50m，宽度为25～30m，湿地床的深度一般根据水生植物自然根系的延伸程度来设计的，多数为0.6～0.7m。
3.4.2 FWS系统的设计[7]
由于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：
基于人工湿地的影响因素较为复杂，各国研究者对湿地床的尺寸提出了不同的计算方法。Reed建议FWS系统可用下列方程计算[8]：
Tchobanoglour建议，设计水温为T时，反应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：
对床表面积As，Kaklec和Knight建议用下式计算：
初步设计时，k值可取34m/y，背景BOD5值可由下式计算：。FWS系统的有机负荷
随废水性质和条件变化很大，其范围在18～110kgBOD5(ha·d)。一般只作为设计校核的指标，它的控制对维持系统好氧状态及防止蚊虫、恶臭等非常重要。
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，尤其注意由
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]。在特殊情况下，要求湿地设计达到零排放时，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。
3.4.3 SFS系统的设计[7]
1．湿地床坡度的确定。
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，污水充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Ks，到目前为止尚无准确的测定，如果是以砾石为主的湿地床，欧洲人建议取10-3m/s，而美国的经验认为Ks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，尤其是当采用的填料粒径较大时，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：
2．湿地床表面积的确定。
湿地的表面积As可用下计算[8]：
式中KT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K20
与床体填料的孔隙率n有关，关系式为，对典型城市污水取K0=1.839d -1，高浓度有机工
业废水K0=0.198d -1。
英国人Kitkutb推荐用下列公式计算表面积：
。
附－符号说明：
Ac，As—湿地床的横截面积，表面积，m2；
Se，So—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℃时的速率常数，d-1；
Ko—某一填料中植物根系充分发展后的最佳速率常数，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，即可确定湿地床的基本尺寸。湿地床长度通常定为20～50m，过长易造成湿地床中的死区，且使水位难于调节，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。在借鉴有关经验的基础上人们建议，通过填料横截面的平均流速Q/Ac以不超过8.6m/d为宜，以避免对填料根茎结构的破坏。
3．湿地床深度的确定。
湿地床的设计深度，一般要根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，湿地床的深度一般取0.6～0.7m；而用于较高浓度有机工业废水的处理时，湿地床的深度一般在0.3～0.4m之间。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%，具体应该根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
项目 单元 长/
个数 m 宽/ m 碎石粒径/ 碎石层厚/ 池底坡度/ mm cm % 水力负荷/ (m3/m3·d)
第一级 3 42 11-12.5 10-50 40-100 1，1.5，2.0 95.4 第二级 2 47 18.5 10-30 50-120 2.0，3.0 95.4 第三级 3 30 19 150 0 （停留4天） 第四级 3 54 19 5-10 60-100 0.5，1，1.5 100.7
3.5 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，一般采用多孔管或三角堰等。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节较为困难。多孔管设于床面上方时，应比床面高出0.5m左右，以防床面淤泥和杂草积累而影响配水。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节，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采用沟排、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。为有效地控制湿地水位，一般在填料层底部设穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门。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控制阀和放空阀。
3.6 湿地的水位控制
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动，须对床层的水位加以控制。通常，SFS系统对水位的控制有几点要求：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的淹没，以防出现表面流；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基本一致[7]。当出水端控制水面时，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一致，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，将增加出水端水位控制的难度。
3.7 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，如采用厚度为0.5～1.0mm的高密度聚乙烯树脂，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。
4 存在的问题与研究设想
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研究和解决。
4.1 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：
（1）人工湿地的基质种类比较单一，只有土壤、砾石和沙等几种，难以处理特殊污染物的水体，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。
（2）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，这样必然影响系统的处理效果。
（3）关于人工湿地去除污染物机理的研究虽然取得了很大的进展，但总体上看还无法为其工艺设计提供有力的理论指导，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十分清楚。
（4）污水在人工湿地中运行情况相当复杂，给人们对其水力学特征的研究带来了很大困难，一些工艺参数只能依据实践经验，因而导致了系统水力学设计不合理，出水效果不理想。
（5）目前关于人工湿地污染物降解动力学的研究虽已取得一定进展[11,12]，但采用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情况。
（6）人工湿地类型单一，对含特殊污染物或污染负荷比较高的水体难以达到处理效果。
范文五：人工湿地设计
人工湿地设计 (2008-06-23 09:59:42)
标签:人工湿地 潜流湿地 垂直流湿
地 文化
分类:摘花种草 人工湿地设计
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人工湿地(CW — Constructed Wetland)污水处理技术是 70年代末发展起来的一 种污水处理新技术。它具有处理效果好、氮磷去除能力强,运转维护管理方便、 工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等特点, 比较适合于技术管理 水平不很高,规模较小的城镇或乡村的污水处理。
人工湿地的净化机理:人工湿地对废水的处理综合了物理、 化学和生物的三种作 用。 湿地系统成熟后, 填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物 膜。废水流经生物膜时,大量的 SS 被填料和植物根系阻挡截留,有机污染物则 通过生物膜的吸收、 同化及异化作用而被除去。 湿地系统中因植物根系对氧的传 递释放,使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态,保证了废水中的氮 磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收, 而且还可以通过硝化、 反硝化作用将 其除去,最后湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。
湿地处理系统的设计
1 选址考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关法律及公众意见。应 因地制宜, 尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地, 一方面减少 土石方工程、利于排水、降低投资,另一方面防止对周围环境产生影响。
2 确定系统组合形式根据场地特征、 处理要求和所处理污水的性质来确定。 单一 式、并联式、串联式、综合式。
3 确定水力负荷 根据文献或经验而定。
4 选择植物根据湿地植物的耐污性能、 生长能力、 根系的发达程度以及经济价值 和美观等因素来确定。一般有芦苇、席草、大米草、水葫芦、水花生等,最为常 用的是芦苇,插植密度为 1~3株 /m2。
5 计算表面积 As=Q/a:As —表面积; Q —进水流量; a —水力负荷。
6 确定长宽比(1)表面流湿地:长宽比 10:1或更大,根据地形来考虑,底坡 降 0%~1%。(2)潜流湿地:根据达西定律 Q=Ks*A*S
S —水力坡度; A —湿地床横截面积; Ks —潜流渗透系数。 或厄刚公式 As=5.2Q[LN (So-Se ) ], So —进水 BOD 浓度; Se —出水 BOD 浓度; As —湿地床表面积。 7 结构设计(1)进出水系统的布置:湿地床的进水系统应保证配水的均匀性, 一般采用多孔管和三角堰等配水装置。进水管应比湿地床高出 0.5m 。湿地的出 水系统一般根据对床中水位调节的要求, 出水区的末端的砾石填料层的底部设置 穿孔集水管,并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内的水位。 (2)填料的使用:湿地床由三层组成表层土层、中层砾石、下层小豆石。表层土钙含量在
2~2.5kg/100kg为好;砾石层粒径在 5~50mm,铺设厚度 0.4~0.7m。
(3)潜流式湿地床的水位控制:当接纳最大设计流量时,进水端不能出现雍水
现象; 当接纳最小流量时, 出水端不能出现填料床面的淹没现象; 有利于植物生 长,床中水面浸没植物根系的深度应尽可能均匀。
8 编制施工计划
9 修改设计根据出现的问题对设计进行相应的修改。
10 施工
11 试运行
12 竣工交付使用
下面简要介绍一下比较常见的几种生物膜污水处理工艺 .
1、颗粒型生物膜反应器
1.1上流式污泥床 (USB)
上流式污泥床 (USB)是 20世纪 70年代末由荷兰 Lettinga 开发的又一项新的颗 粒型生物膜反应器,主要用于厌氧生物处理系统中,即 UASB 。它主要由配水系 统、 污泥床、 三相分离器等组成。 反应过程中产生的气体将污泥和污水进行充分 混合,三相分离器将颗粒污泥、气体和污水进行分离,污泥保留在反应器中,气 体和处理后的出水排出反应器,其结构示意见图 1-1。
1.2污泥膨胀床 (EGSB)
2O世纪 8O 年代后, 又出现了新的颗粒污泥反应器, 其中以污泥膨胀床 (EGSB)和内循环反应器 (Ic)最具有代表性。 EGSB 与 USB 的结构类似,但其高径比更大, 上升流速更快,颗粒污泥处于膨胀状态。
1.3气提生物膜反应器 (BAS)
以上两种是在以前污水处理中应用较多的两种类型,随着技术的进步与提高, 在 2O 世纪 8O 年代末, 一种新型的颗粒型生物膜反应器被开发并应用于工业。 它 与以往的颗粒型生物膜反应器不同的是, 混合方式是由外部引入的气体将污泥和 污水进行混合,是完全混合的方式,被称为气提生物膜反应器 (BAS)。它主要由 上升区、 下降区和污泥沉降区组成, 根据气源的不同, 可分为好氧型气提床和厌
氧型气提床。 其中好氧型的气源为空气, 厌氧型的气源一般为惰性气体或循环利 用的空气。 由于它既可用于好氧处理系统, 又可用于厌氧处理系统, 因此应用领 域非常广泛。
2.、水力自旋传质填料生物膜反应器
2.1常规填料的主要缺陷:
填料是生物反应器的关键部位,但目前应用中的填料所起的作用却较为单一, 只是作为生物的载体, 提供反应场所, 并为生物反应器提供较高的微生物量, 却 不能为生物反应创造良好的传质扩散条件。 由于结构形式不合理, 现有的生物反 应填料为混合液提供的流道无规律可循, 对生物反应过程中流体的流态控制不符 合多相流体力学的物系传质机理, 使得多相物系之间, 即生物细胞与有机底物之 间的传质扩散效率不高, 从而导致生物底物利用率低、 生物反应时间长、 能耗大、 效率低等现象的出现。
SCMT(self-circle-mass-transfer)型自旋传质生物载体填料便是针对上述 情况开发出一种在形状、 结构等方面能够创造和满足反应器内理想传质条件的填 料。
2.2 SCMT的特点及优势:
(1)SCMT型自旋传质填料与常规聚丙烯阶梯环填料相比,具有相近的技术参 数, 但却能够在保持出水水质的前提下, 有效地减少反应时间和降低能耗, 通过 对对比试验数据的分析认为,其原因在于 SCMT 型自旋传质填料能够在反应器内 创造更为理想的传质条件,提高传质速率,从而减少反应时间,并降低能耗。 (2)SCMT型自旋传质填料在气流作用下的无规则旋转,提高了整个反应器内 的水流、气流的紊流程度。 SCMT 型自旋传质填料可将水中的气泡剪切成更加微 小的气泡, 增大了传质接触表面, 使物相接触表面不断更新, 并减小传质接触表 面的气膜、液膜厚度,从而提高了传质速度。
(3)使用 SCMT 型自旋传质填料生物反应器处理城市污水,可以在停留时间为 1h ,气水比为 4:1的情况下,出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准 (GB18918-2002)》中规定的二级标准。
3、活性污泥一生物膜一体化反应器:
活性污泥一生物膜复合一体化反应器的设计是基于传统的 A /O 工艺。反应器 为同心圆结构, 由内到外依次分为厌氧区、 曝气区和沉淀区, 其结构及水力运作 形式如图 1-3所示。
该反应器的主要特点是:
(1)反应区和沉淀区在立体空间上的巧妙结合实现了结构的一体化。结构一体 化是针对传统污水处理方法通常是由多个单元操作组成的复杂工艺程的弊端而 提出和发展起来的。传统的污水处理工艺各处理单元分设,必然增加基建投资、 污水污泥回流管路设备投资以及占地面积, 而结构一体化装置具有工艺简捷、 结 构紧凑、占地少、管理简便、投资省等优点。
(2)反应器厌氧区采用活性污泥法,曝气区内安装填料,将活性污泥工艺和生 物膜工艺有机地融合在同一反应器内来稳定和强化处理效果, 实现了两种常规生 物处理工艺的一体化。 厌氧区采用活性污泥法, 便于对泥龄进行控制, 有利于除 磷菌的生长繁殖。
(3)混合液回流和污泥回流合并为一个系统,节省了一套回流设施,可降低基 建投资和运行费用, 同时参与回流的污泥均经历了完整的厌氧、 好氧过程, 具有 一种
4、无泡曝气膜生物反应器
4.1工艺原理:
无泡曝气生物反应器 (Membrane Aeration Bioiflm Reactor),简称为 MABR , 由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。 生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料 供给的,中空纤维膜不仅起着供氧作用,同时又是固着生物膜的载体。图 4为 无泡曝气膜生物反应器处理污水原理图。 即, 纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔 为生物膜进行无泡曝气. 在中空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触. 污 水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解.从而使污水得到净化。
4.3无泡曝气的特点 :
与常规曝气相比,采用中空纤维膜进行无泡曝气具有如下优点:
①由于曝气不产生气泡, 氧直接以分子状态扩散进入生物膜, 几乎百分之百地 被吸收, 传质效率可高达 100%, 因此溶解氧不再是限制微生物生长的决定因素。 ②由于生物膜生长在中空纤维膜的外表面, 所以在供氧过程中, 生物膜不会受 到气体摩擦,不易脱落。
