人工湿地设计分析

572北京师范大学学报(自然科学版)JournalofBeijingNormalUniversity(NaturalScience)2009-1045(5/6)人工湿地设计分析＊郑蕾丁爱中左丽丽孔德川钟林(北京师范大学水科学研究院,教育部水沙科学重点实验室,100875,北京)摘要分析了人工湿地设计涉及的动力学和水力学,并以人工湿地除污染原理为依据,分析了设计过程中需要考虑的要素,对比了传统污水处理技术和人工湿地技术的特点,根据这些特点列举实例,分析了人工湿地的优化工艺组合.关键词人工湿地;设计;结构;工艺＊“十一五”国家科技重大专项资助项目(2006BAJ04A07;2006BAJ08B01)收稿日期:2009-05-19人工湿地(constructedwetland,CW)是为处理污水而人为设计建造的、工程化的湿地系统,该系统由基质填料(如砾石等)组成填料床,污水在床体的填料缝隙或床体的表面流动,并在床的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(如芦苇、香蒲等),形成一个具有污水处理功能的生态系统.其原理是利用基质-微生物-水生植物的物理、化学、和生物的三重协同作用,通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换等作用及植物吸收和微生物分解综合作用处理污水.与传统水处理方法相比,人工湿地具有结构简单、建造成本低、操作简单、运行费用低廉、抗冲击负荷的特点,其应用范围较传统处理方法更为广泛,目前在农业污水、中水回用、家畜与家禽的粪水、垃圾场渗滤液、城市暴雨径流或生活污水、富营养化湖水、部分工业废水、河道修复、生态建筑、生态景观等方面均有应用[1-5].据统计,人工湿地的净化效率各不相同[6-9],差异主要来自系统设计的不同.目前人工湿地设计主要基于经验,没有统一规则和规范,严重限制了人工湿地的广泛合理应用.本文拟分析人工湿地设计要素,以期为其优化设计和推广应用提供支持.1人工湿地特点分析人工湿地常用水处理方法的对比情况如表1[10]所示.表1人工湿地与传统水处理方法用于中水处理的技术指标对比指标膜生物反应器(MBR)人工湿地周期循环活性污泥法CASS生物接触氧化法适宜的中水水源生活污水、优质杂排水、二级污水处理厂(站)排水生活污水、二级污水处理厂(站)排水、雨水生活污水优质杂排水出水水质很好很好较好达标吨水投资(含土建)/(元·m-3·d-1)2600～5000300～100001600～32002300～3600制水成本(含折旧)/(元·m-3)1.00～1.600.05～0.100.6～1.21.2～1.8占地面积/(m2·m-3·d-1)0.6～0.81～50.8～1.41.0～16产水率很高很高较高低剩余污泥产生情况无无需定期排泥需定期排泥管理维护要求较低较低较低较高综上可以看出,相对于传统水处理方法,人工湿地具有受纳水体类型较广、投资低、管理维护要求低、出水水质较好的特点,但占地面积较大.2人工湿地结构要素设计规则人工湿地设计主要涉及反应动力学和水力学问题,反应动力学即污染物的去除效率与水力停留时间的关系[11].水力学关系到污水在多孔介质中运行规律.决定反应动力学和水流动力学特征的因素主要有水力水文条件、人工湿地的形状、构造、生物组成、温度、溶解氧等,在设计中需对此作充分考虑[12].人工湿地系统中水流直接影响污染物的迁移,因此要合理设计湿地外形,优化水流方式.外形设计应尽量避免矩形、规则的或直渠,而应尽量因地制宜地结合场地原有地形特征,采用一些不规则、呈流线型的构造,避免出现死水或短路现象,进水区和出水区应相间第5/6期郑蕾等:人工湿地设计分析573一定距离,以防止短流.另外对湿地的长宽比也有一定要求,为达到一定长宽比,可采用回形流状,保证水在湿地处理区的停留时间.3人工湿地组成要素分析人工湿地主要通过动植物的综合作用达到水质净化效果,在设计时主要考虑其相关要素,包括基质、植物、动物、微生物[13].湿地基质主要考虑对水中悬浮颗粒有吸附和沉降作用,并利于微生物生长、可以改善水力特性的物质,一般对于湿地床体反应区,填料应该选用多孔、比表面积较大、营养适中的填料,为微生物提供更大的附着面积.目前认为植物在人工湿地中的作用侧重点为植物根部输氧能力、根系对介质穿透能力以及植物的协同进化能力[14],因此植物要素侧重于净化作用的全面性和水生植物群落的完整性.动物要素则要考虑生物链作用,保证湿地的生物多样性.对于微生物要素,需配合降解污水中的有害物质作出调整,主要通过生境诱导来达到某些微生物的富集和活化.4人工湿地工艺组合分析为防止湿地填料堵塞、负荷过高等问题发生,保证其运行稳定,人工湿地一般像传统污水处理工艺一样作为主体工艺,同时配有预处理,以及特殊用途下的后续处理工艺,其一般流程如图1.预