垂直流人工湿地工艺设计概述_李忠卫

收稿日期:2008-03-10基金项目:江西省自然科学基金项目(2007GZC084),江西省教育厅自然科学研究项目(赣教技字[2007]193号)作者简介:李忠卫(1985-),男,江西吉安人,在读硕士.文章编号:1005-0523(2008)03-0040-05垂直流人工湿地工艺设计概述李忠卫,王全金,李丽(华东交通大学土木建筑学院,江西南昌330013)摘要:简单介绍了人工湿地的定义、类型及其运行的影响因素.阐述了垂直流人工湿地系统的主要设计内容,包括湿地床体设计、植物群落的构建、基质的选择和铺设、自动增氧系统的建设等方面,并给出了相关的设计参数.关键词:人工湿地;垂直流;工艺设计中图分类号:X703.1文献标识码:A人工湿地是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面,它是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化.湿地系统主要由各种具有透水性的基质、水生植物、水体、湿地中低等动物和好氧或厌氧微生物种群五部分组成[1].人工湿地系统运行情况是否良好取决于进水水质、湿地的设计以及出水水质要求等因素[2].MiklasScholz通过相关性分析得出湿地的去除率与电导率、温度、溶解氧和总悬浮物有密切关系[3].人工湿地根据水流方式的差异可分为三种:①自由表面流人工湿地(SFW),②水平潜流人工湿地(SSFW),③垂直流人工湿地(VFW).为了使出水水质达到指定的排放标准,必须对湿地进行合理的设计,针对不同类型的湿地其设计方法和构建过程在某些方面会有所不同.垂直流人工湿地在净化污水方面有较好的效果,尤其是脱氮除磷方面.但人工湿地系统较传统污水处理工艺占地较大,与其他类型人工湿地相比,其基建费用相对较高.设计参考公式方面各地均有差异,相关参数不全或者较少.因此,垂直流人工湿地的设计在整个系统的建设过程中占据重要作用.本文较为全面地介绍了垂直流人工湿地系统设计方法和相应的强化措施.1垂直流人工湿地的设计垂直流人工湿地系统的设计中包括选址、系统工艺、核心设施、水力负荷、植物、基质、床体结构的设计等,其中较为重要的为人工湿地床体设计与参数的选定、湿地基质的构建、植物群落的构建三个方面.1.1湿地床体设计垂直流人工湿地中水的流态满足一级推流动力学,可采用一级动力学方程计算湿地所需表面积[4].As=[Q(lnC0-lnCe)]/(KTDn)(1)式中:Ce—出流BOD5(mg/L);C0—入流BOD5(mg/L);KT—与温度有关的一级反应速率常数(d-1);Q—系统平均流量(m3/d);D—床层深度(m);n—床层孔隙率;AS—系统表面积(m2)KT与温度的关系为KT=K20(1.1)T-20.据有关文献报道和实际试验,某一特定潜流湿地系统的K20与床体填料的孔隙率n有关,关系式为K20=K0(37.3n4.172),对典型城市污水取K0=1.893d-1,高第25卷第3期2008年6月华东交通大学学报JournalofEastChinaJiaotongUniversityVol.25No.3Jun.,2008浓度有机工业废水K0=0.198d-1[4].英国人Kitkuth推荐用AS=5.2Q(lnC0-lnCe)计算表面积[5].Cooper指出垂直流湿地的人均占地面积为1-2m2/PE(人口当量)最高可达到5m2/PE[6].DiederikP.L.Rousseau通过调查得出垂直流人工湿地处理规模在4-2000PE时,平均占地面积为3.8m2/PE[7].另外,也可以根据植物供氧能力来计算湿地床表面积.污水的需氧量R0可用式(2)进行估算,植物的供氧量P0可用式(3)进行估算.R0=1.5Q(C0-Ce)(2)P0=AsTo/1000(3)通常湿地植物的供氧能力To在5-45gO2/m2·d,一般为20gO2/m2·d.由上述方程可计算出处理床表面积,在实际工程中求出的表面积通常还应乘以一个安全系数,一般为2[8].在湿地设计过程中,水力学设计是湿地工艺设计中一薄弱环节[9].通常,潜流型人工湿地的水力负荷可达150～500m3/(ha·d),最佳水力负荷在187～374m3/(hm2·d)之间.虽然根据实验,垂直流湿地最大水力负荷可以到2000mm/d,但为了长期安全运行起见,建议水力负荷不超过1000mm/d.相关文献推荐的取值范围为80～620mm/d[10].同时在设计过程中,还需要考虑气候,蒸腾等外界作用.E.J.Dunne建议设计时需要考虑5年或25年内的最大暴雨径流以确保系统不会因水力负荷过大而不能正常运行[2].通过表面积确定湿地床体的几何尺寸.湿地床长度一般为20m～50m.过长,易造成湿地床中的死区,且使水位难于调节,不易植物的栽培.湿地长宽比(L/W)也不应过大,建议控制在3