人工湿地优化设计研究_夏宏生

【水资源】人工湿地优化设计研究夏宏生1,蔡明2,向欣1(1.广东水利电力职业技术学院,广东广州510635;2.黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003)摘要:从水力学角度系统地分析了人工湿地的表面积、潜流湿地的横截面面积、长宽比、深度和水力停留时间等设计参数,从水力学、微生物学和生态学角度推导了人工湿地一级反应动力学模型、水流流动数学模型和生态动力学模型。关键词:人工湿地;一级反应动力学模型;水流流动数学模型;生态动力学模型中图分类号:S156.8文献标识码:A文章编号:1000-1379(2008)07-0054-03人工湿地是一项极具应用前景的水处理技术,但其推广使用中存在着一些问题,一是人工湿地净化机理仍未完全理清,特别是微生态环境下的净化机理,二是在人工湿地的工艺设计和运行中还没有形成完整的数学模型等。因此,对人工湿地的优化设计开展相关的研究十分必要。研究的关键在于正确掌握相关的水力学、生物学和化学过程,推导和分析人工湿地一级反应动力学模型、水流流动数学模型和生态动力学模型,而不是将人工湿地仅作为黑箱模型来对待。1人工湿地水力学问题研究在实用型人工湿地污水处理系统的设计中,水力学条件是建立和维持湿地类型与湿地过程的最重要的决定因子,其直接关系到污水在系统中的流速、流态、停留时间以及与作物生长关系密切的水面线控制等。一个水力条件适宜的设计,将会节约土地,减少投资,缩短施工时间,使工程效益最佳。为了使有限的面积达到最大的处理效果,取得最高的去除率,需要对人工湿地水力学问题进行更进一步的研究。1.1湿地面积与传统的水处理工艺相比,人工湿地水处理系统占地面积往往比较大,从建造的经济性和维护管理等方面来说,都是重要的考虑因素。(1)潜流人工湿地面积。目前,潜流人工湿地面积大多采用Kikuth推荐的设计公式,根据BOD5降解量来进行计算和预测建造面积[1]:As=5.2Q(lnC0-lnC1)(1)式中:As为湿地表面积,m2;Q为污水的设计流量,m3/d;C0为进水BOD5浓度,mg/L;C1为出水BOD5浓度,mg/L。(2)表流人工湿地面积。方程为[2]ln[(Ce-C＊)/(Ci-C＊)]=-k/q(2)式中:Ce为出水污染物浓度,mg/L;Ci为某污染物进水浓度,mg/L;C＊为背景污染物浓度,mg/L;k为反应常数,m/a;q为水力负荷,m/a。对某一特定污染物,其所需湿地面积可由下式确定:A′=(0.0365Q/k)ln[(Ci-C＊)/(Ce-C＊)](3)式中:A′为所需湿地面积,hm2;Q为处理水量,m3/d。根据各污染物确定多组人工湿地面积,取其最大者为人工湿地建设面积。(3)植物供氧能力。通常人工湿地表面植物的输氧能力Tr为5～45g/(m2·d),一般取20g/(m2·d)。废水需氧量可按下式估算[3]:Ro=1.5L0(4)式中:Ro为废水需氧量,kg/d;L0为每日需要去除的BOD5量,kg/d。植物供氧能力R′o为R′o=TrAs/1000(5)由式(5)即可计算出人工湿地表面积。为安全起见,求出的面积应乘以一个安全系数(一般采用2.0)。(4)潜流人工湿地横截面面积。对于由土壤、砾石等基质组成的潜流人工湿地处理床,在废水充满缝隙处于饱和状态,当水流流速低、水力特性为层流状态时,其横截面面积可以由达西定律表达[3]:Q′=KsAS(6)式中:Q′为渗流量,m3/d;Ks为渗透系数,m3/(m2·d);A为处理床横截面面积,m2;S为水力坡度。建设人工湿地追求一定的处理水量,因而设计时往往采用粒径较大的砾石作为湿地基质,以追求较大水力负荷。粒径大对水流的扰动也大,人工湿地中雷诺数也较大。当雷诺数>1时,可以采用Ergun公式表示水头损失与水流流速的关系,进而求出人工湿地横截面面积[4-5]:ρgS=150μV(1-ε)2/Dpε2+1.75μV2(1-ε)/Dpε(7)A=Q/(V＊ε)(8)收稿日期:2007-12-26作者简介:夏宏生(1970—),男,湖北红安人,讲师,主要从事给排水及水污染控制的科研与教学工作。E-mail:gzxiahs@163.com第30卷第7期人民黄河Vol.30,No.72008年7月YELLOWRIVERJul.,2008式中:ρ为水的密度;g为重力加速度;S取0～2%;μ为黏滞系数;V为孔隙流速;Dp为滤料平均粒径;ε为湿地孔隙率。1.2湿地深度人工湿地深度是人工湿地污水处理系统设计、运行和维护的重要参数,水深调节是湿地运行维护、调节湿地处理性能的可用手段之一。为了在最小单位面积湿地内最有效地处理污水,在要求的水力停留时间条件下,湿地处理深度在理论上应该是越深越好。然而,在潜流湿地的植物根区传导性较高的介质中,存在着优势水流,为了减少这样的水流流动则要求湿