潜流人工湿地组合工艺设计方法研究

潜流人工湿地组合工艺设计方法研究
潜流人工湿地组合工艺设计方法研究
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。

潜流湿地是目前较多采用的人工湿地类型，但单一的潜流系统存在许多问题，因此各种类型的湿地被组合起来以提高去除效果。

文中较详细的介绍了目前人工湿地污水处理的工艺结构，并对潜流人工湿地的组合工艺和设计方法进行论述，力图找到合理的工艺流程，来提高人工湿地的去除效果，为人工湿地污水处理技术的应用研究提供了有益的参考。

关键词：人工湿地；潜流；组合工艺
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，并有选择性的植入植物的污水处理生态系统。

”基于人工湿地独特的优势，近年来人工湿地净化技术在全国开始广泛应用，但是也存在一些未被克服的人工湿地生态系统处理废水技术发展的制约因素。

目前世界上人们正在投入大量精力以改良人工湿地技术，对所有人工湿地系统进行深入研究以改良和优化工程设计参数，并对系统的长期运行能力和管理问题进行完善。

潜流湿地是目前较多采用的人工湿地类型，但单一的潜流系统存在许多问题：如水平潜流人工湿地控制相对复杂，脱氮、除磷的效果不如垂直流人工湿地。

而垂直潜流人工湿地硝化能力高于水平潜流湿地，对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统。

所以将对潜流人工湿地的组合工艺和设计方法进行论述，力图找到合理的工艺流程，来提高人工湿地的去除效果。

1 人工湿地污水处理系统的适用范围、构成及工艺特点
1 ．1 人工湿地污水处理系统的适用范围
人] 一湿地污水处理系统充分发挥资源的生产潜力，防止
环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益，比较适
合于处理水量不大、水质变化较小、管理水平要求不高的城
镇污水。

一般适用于生活污水深度处理，湖泊水体循环净化
及生态维护，河流水体达标处理及生态维护，小区中水回用
等四个方面。

1 ．
2 人工湿地主要构建类型及特点
人工湿地可按污水在湿地床中流动的方式不同分为三
种类型：表面流湿地( F WS ) 潜流湿地( S F S ) 和垂直流湿地
( v F w) 。

随着人湿地技术的发展，近年来出现了许多复合
和改进工艺，使人工湿地的处理水平得到了提高。

( 1 ) 表面流湿地系统
表面流人工湿地，水面位于湿地基质层以上，水深一般
作者简介：尹连庆( 1 9 5 9 ) ，男，华北电力大学教授，主要从事电力环保科研工作，E ma i l ：g u r u i h u a ～2 0 0 8 @1 6 3 c o m 2 0 0 8年3 6卷第6期广州化工·6 7·
0 ．3 ～0 ．5 m，水流呈推流式前进。

污水从入口以一定速度缓慢
流过湿地表面，部分污水或蒸发或渗入地下，出水由溢流堰
流出。

近水面部分为好氧层，较深部分及底部通常为厌氧层。

特点：表面流湿地水力负荷一般较低，达到同等处理效果的
条件下，其占地面积要比潜流型大，并且易受季节影响( 冬季
会结冰，夏季有恶臭，蚊蝇滋生) 但其投资少，运行费用低，
维护简单。

( 2 ) 潜流湿地系统
潜流湿地是目前较多采用的人工湿地类型。

根据污水在
湿地中流动的方向不同可将潜流型湿地系统分为水平潜流
人湿地和垂直潜流人工湿地两种类型。

不同类型的湿地对
污染物的去除效果不同，具有各自的优缺。

水平潜流人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得
名。

湿地主要由植物( 芦苇、美人蕉、灯心草等) 、填料床和布
水系统三部分组成。

填料床结构剖面图及布水系统( 布水管
和排水管) 自下而上依次为防渗层、卵石层、砾砂层、粘土层
等。

防渗层可以防止污水进入地下污染地下水，卵石层和砾
砂层对进入此层的污水起到过滤作用，还可以通过滤料上的
生物膜对污水中的污染物质进行降解，上层土壤存在大量的
植物根系、微生物和土壤矿物对污水中污染物质吸收、降解
置换等物理化学及生物作用，达到净化污水的目的。

特点：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和
污染负荷大，对B O D( 生化需氧量) 、C O D ( 化学需氧量) 、重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象，是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统。

它
的缺点是控制相对复杂，脱氮、除磷的效果不如垂直流人工
湿地。

垂直潜流湿地系统主要由基质、植物和布水系统三部
分组成。

基质设置在湿地的填料区，此类湿地使用的基质以
碎石、沙砾石和沸石为主，粉煤灰和矿渣等含钙的基质碱性
较大，不适合植物的生长，但可按一定的比例掺入一些，作为
砂子基质或土壤基质的中间吸附层。

进水配水区和出水集水
区的填料一般采用粒径为6 0—1 0 0 mm的砾石，分布于整个
床宽。

特点：在垂直潜流人工湿地中污水从湿地表面纵向流
向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散
和植物传输进入人工湿地系统。

该系统的硝化能力高于水平
潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。

其缺点是对有
机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统．落干／淹水
时间较长，控制相对复杂。

( 3 ) 折流湿地+侧向潜流湿地的复合人工湿地
折流湿地由多级渗滤型湿地组成，湿地底部用混凝土密
封，并在每一湿地内设置有竖向的挡流墙，底部留过水通道。

污水以上下折流的方式在湿地中推流穿行。

在湿地的填料表
面形成厌氧生物膜，污水在厌氧微生物的作用下发生厌氧反
应和水解反应，并通过水生植物的叶、茎和根向湿地中部传
送溶解氧，形成好氧微环境，去除污水中的有机物和氮、磷。

湿地中放置0 ．5～1 i n深的砾石填料，并在表面栽种水生植
物。

填料粒径范围为5～2 0 m m，并且粒径逐级缩小。

侧向潜流湿地由多级梯度向下的侧向潜流湿地床、自然复氧区交替
组成。

每一侧向潜流湿地床内设置有平行交错的分隔板，将
床内空间分隔成S形的水流沟道，在沟道中放置砾石填料
( 填料深度为0 ．2～0 ．5米) 并栽种水生植物。

上一级湿地床与下一级湿地床之间由自然复氧区相连。

污水以s形在湿地床
中潜流推行，在水生植物的作用下湿地床内基本处于兼氧环
境；污水经湿地床之间的自然复氧区复氧，提高了后续湿地
中的含氧量，反复经过多级的潜流湿地床一自然复氧区一潜
流湿地床……循环进行多级好氧一缺氧一好氧生物反应，去
除有机物和氮、磷。

特点：人为控制湿地中溶解氧的分布，形成厌氧、缺氧和
好氧区域，提高了微生物去除有机污染物的效率，可以将兼／
好氧段的侧向潜流湿地出水回流至厌氧折流湿地段。

一方面
可以提高湿地的污染物去除率，另一方面可以完成氮的生物
反硝化。

另外，由于合理设置了导流墙，可以保证湿地内布水
均匀，充分提高容积利用率，减小占地面积。

( 4 ) 波形潜流人工湿地
波形潜流湿地( W—S F C W) 以传统潜流湿地为基础，在湿
地内部增设导流板，增加了水流的曲折性，垂直方向上的处
理要比传统湿地更为优越。

特点：改进了潜流人工湿地的水流状态，使污水在垂直
方向上多次经过湿地内部具有不同处理特性的构造层，使人
工湿地垂直方向不同层次的功能得到了比较充分发挥，从而
增强了吸附、沉淀的效果，更为有效地提高污染物的去除效
果。

试验表明波形湿地出水 C O D和N H ；一N明显低于传统湿
地。

它具有投资低、出水水质好、抗冲击力强、增加绿地面积、改善和美化生态环境、操作简单、维护和运行费用低廉等优
点。

( 5 ) 下行上行复合人工湿地( 生态绿地污水处理系统)
生态绿地模块主要由三部分组成：基质、植物和布水系
统。

基质设置在湿地的填料区，填料区有两种规格：一种是1
米深，另一种1 ．5米深。

基质主要有砂、碎石、片石、砾石、煤块、多孔介质、石灰石、灰渣、沸石和工业废弃物中的一种或几种的混合物。

植物按照不同的地区作不同的选择，本工艺
形式在华东地区使用较多，选择的植物适应该地区的气候，
一
般为：高羊茅、麦冬草、小叶女真、黄杨，慎用美人蕉一类根
系过于发达的植物，根系过于发达不便维护。

布水系统比较
独特，绿地的进出水管道均布置在填料区表层下 1 0 0 ～1 5 0
m m的深处，采用多孑L 管，均为满敷。

污水采用脉冲布水的方式，经布水管进入绿地，处理后经集水管收集排至水体或回
用。

填料区的底部( 距防水层1 0 0毫米左右) ，设置反冲洗用
的多孔管，此管兼做排污管。

反冲洗的周期一般为一年。

特点：脉冲布水，定期反冲洗以免填料层拥堵，填料上层
进出水，推进曝气溶氧与高分子生物球生物处理相结合使预
处理效果提高，流程简单、管理简单( 无需专人管理) 、零费用
运行( 运行费用与回用收益相抵) 、总投资省，环境和谐、外形
美观等。

1 ．3 人工湿地工艺流程及运行方式
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，如图所示：
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。

·
6 8·广州化工 2 0 0 8年3 6卷第6期
人工湿地系统的运行方式可根据其处理规模的大小及
处理目的不同，对地表流、潜流、垂直流三种湿地类型进行多
种方式的有机组合，一般有单一式、并联式、串联式和综合式
四种。

哐凸
面 a 推流式b 回流式c 阶梯进水式 d 综合式
2 人工湿地模拟系统设计
2 ．1工艺流程
随着人们对污水处理中氮的去除要求越来越高，水平潜
流( H F ) 系统由于氧气传输能力上的限制不能满足硝化反应
要求，而垂直潜流( V F ) 系统( 其最大特点就是水流从上往下
流经基质，复氧效果良好) 可以满足硝化反应的好氧要求，但
系统内却不能良好地进行反硝化反应。

为了提高对污水( 尤
其是氮) 的处理效果，出现了将各种类型的人工湿地组合起
来的组合人工湿地，通常是将垂直潜流( v F )和水平潜流
( H F ) 系统组合起来。

该污水处理系统主要包括预处理系统、潜流湿地处理单
元和出水系统三部分组成，潜流湿地处理单元包括两个垂直
潜流系统和一个水平潜流系统。

首先污水经过格栅，去除较
大的悬浮物，然后进入沉淀池，将密度比污水大的一部分悬
浮物通过重力作用在污水中沉淀下来，从而实现与污水的分离，减轻后续工序的处理负荷，废水经预处理后，采用合适的
布水系统进入湿地处理单元，水平潜流湿地主要是去除B O D ( 生化需氧量) 、C O D ( 化学需氧量) 、重金属等污染物，而对于较难去除的氮磷两种污染物主要是利用垂直潜流湿地处理，
最后得到净化的废水达标排放或回收利用。

2 ．2设计参数
在进行设计计算前，首先要确定水质要求，即根据处理
的污水适量及水质确定湿地处理系统进出水设计值。

这些指
标包括处理水量，B O D s 、C O D、S S 、N H 4 一N, T - N、T - P等，其进水值按水质监测结果设计，经处理后的水质要求达到《城镇
污水处理厂污染物排放标准) ) ( G B 1 8 9 1 8 — 2 0 0 2 ) 。

( 1 ) 潜流湿地表面积的确定
在潜流系统中，水流有两种基本流态，即层流与紊流。

当
湿地床中所用填料的粒径不大、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：
Q = K s ‘A s 。

S
式中：s 一水力坡度；A s 一湿地床表面积；K s 一潜流渗透系
数。

对其中的渗透系数K s ，到目前为止尚无准确的测定，对
于以砾石为基质的湿地，欧洲人建议取1 0 。

m ／s ，而美国的经
验认为K s 不宜大于 1 0 - ％／s 。

当雷诺数R e > l ～1 0时，水流变为紊流，此时不宜用达西
公式，可用厄刚公式来计算湿地表面积A s ：
A S = Q ( 1 n C 0 一l n C e ) ／( K T D n )
式中：K T 与温度的关系为K T = K ( 1 ． 1 ) 。

据有关文献报
道和实际试验，某一特定S F S系统的K 与床体填料的孑L 隙
率n有关，关系式为K K o ( 3 7 ．3 n “7 - 5 ，对典型城市污水取N o =
1 ．8 3 9 d ～，高浓度有机工业废水K o = 0 ．1 9 8 d 一。

英国人K i t k u t h推荐用A s = 5 ． 2 Q ( 1 n C o —l n C e ) 式中：Q 一废水平均日流量( m 3 ／d ) ；C o 一进水B O D浓度( m g ／L ) ；C e 一出水B O D浓度( m g ／L ) ；A s 一湿地床表面积( m 2 ) 。

( 2 ) 湿地床基本尺寸的确定·
污水处理单元长度通常定为 2 0～ 5 0 i n ，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。

也有一
些学者建议，潜流湿地处理单元长度应控制在1 2—3 0 m之
间，以防止短路情况的发生。

选择适宜的长宽比有利于减少
水流短路，使得湿地水流更趋近于推流，同时也利于导淤和
工程应用中的布水分配与收集。

潜流湿地处理系统长宽比应
控制在3 ：1以下，大多在1 ：1 。

床深D一般须根据所栽种植物的种类及根系的生长深度确定，以保证湿地床中必要的好
氧条件。

对于芦苇湿地系统，处理城市或生活污水时，D一般
取0 ．6—0 ．7 m，而用于较高浓度有机工业废水的处理时，D 一
般在0 ．3 —0 ．4 m之间。

湿地床的坡度一般在1 ％或稍大些，最大可达8 ％，具体
情况根据所采用的填料来确定。

( 3 ) 水力停留时间的确定
t — l nCo —l nCe +l nA
‘65 l ( 个
式中：t 一停留时问( d ) ；
c 0 一进水B O D浓度( m g ／L ) ；
c e 一出水B O D浓度( m g ／L ) ；
A 一附加因子，表示
B O D在系统最初几米不沉降
部分；
K 降解系数，随污水性质、污染物浓度以及系统
设计特征而变，一般有实验确定。

水力停留时间被流速、水深、面积、几何形状、植被等多
种因素控制。

由于植物生长、固体沉积、地形、沟流或流动的
实际有效面积及死区等原因，确定精确的停留时间比较困
难，需采用实测和计算相结合的办法。

( 4 ) 水力负荷的确定
Lw=—
式中：L w 一水力负荷( m ／ d ) ；
L 一芦苇湿地长度( m) ；
W一芦苇湿地宽度m) 。

2 ．
3 人工湿地的其他设计问题]
在设计湿地系统得过程中，除了需要确定必要的设计参
数外，还需考虑其他的设计问题，如场地的选择、植物的选择
与栽种、虫害的控制、进出水系统的布置及对地下水污染的
防止等。

2 ．
3 ．1 场地的选择
人工湿地处理工艺所需的占地和传统的二级生物处理
法相比，处理单位体积的污水使传统二级生物处理工艺的
2 ～
3 倍，占地面积较大。

如采用人工湿地处理工艺处理污水2 0 0 8 年3 6卷第6 期广州化工· 6 9·
时应尽量选择有一定坡度的洼地或经济价值不高的荒地。

复
合基质湿地也可以建在贮灰场，这样不仅可以节省购买土地
的开销，节省大量宝贵的土地资源，而且可以防止飞尘污染，
具有一定的经济价值和环境价值。

建造湿地时废弃的灰场可
直接利用；对运行灰场可以分期、分批利用。

2 ．
3 ．2 植物的选择与栽种
在湿地植物的选择上，可从植物对污染物的忍耐力、生
长能力、根系的发达程度以及再回收利用价值等方面考虑。

粉煤灰复合基质构建的人工湿地宜选芦苇为种植植物。

芦苇
的根系发达、对污染物的忍耐力强，而且芦苇的繁殖能力强，
对生存环境要求低。

芦苇的根系较为发达，是具有巨大比表
面积的活性物质，其生长可深入到地下0 ．6 ～0 ．7 m，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，其具体方法是将有芽苞的芦苇根分剪成 1 0 e m长左右，将其埋人4 c m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／m 。

此外，芦苇具有较高的回收利用价值。

2 ．
3 ．3 布水系统
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 ． 5 m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。

2 ．
3 ．
4 潜流湿地床的水位控制
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。

S F S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，并尽量使水面坡度与底坡基本一致。

2 ．
3 ．5 杂草和蚊虫控制
杂草的控制没有很有效的方法，在测定杂草对湿地系统
处理污水效果的影响不是很明显的情况下可以不加以控制。

此外，因为杂草的种子是通过水力或风带进的，其生长于基
质表面，很容易采用人工去除。

利用粉煤灰复合基质构建的湿地系统因为能去除气味
而不易滋生虫害。

如果有外来的虫害入侵，可以采取一些必
要的灭虫措施。

2 ．
3 ．6 对地下水污染的防止
为防止复合基质湿地因渗漏而造成对地下水的污染，要
求在实地建设过程中尽量保持原基质层，并采取一些防渗漏
措施，如：用粘土、沥青等铺设防漏层。

2 ．
3 ．7 系统的维护
人工湿地是一个相对不稳定的生态系统，要保持其能正
常长期地运行，我们需监测系统运行的各个环节，必要时进
行调整，保证系统的处理能力和长期运行能力。

此外，对于系
统对周边环境的影响也须作一定的影响评价。

2 ．
3 ．8 系统的监测
对粉煤灰复合基质湿地系统进行监测是保证长期正常
运行的重要手段。

监测的重要目标是对系统各进出水环节进
行监测，确定进出水水质是否符合工艺要求，以便调整水量，
保证系统的处理能力，指导运行。

此外，还要对基质、植物和
地下水进行监测，以评价、预测它们对周围环境的影响。

3 垂直一水平组合人工湿地系统案例
自上世纪9 0年代至目前，欧洲国家开始建造这类
V F —H F湿地系统。

O ’H o g a i n 等报导的一个典型V F —H F组合湿地系统由一级V F湿地( 4 个V F 单元，总面积6 4m。

) 、二级
V F湿地( 2个V F单元，总面积6 0 m ) 和三级H F湿地( 1个H F单元，面积6 0m ) 组成，处理效果见表。

表1 C o l e c o R VF —HF组合湿地处理效果
从表1 中可以看出，这类V F —HF组合湿地系统对有机
物( C O D、B O D ) 和悬浮物去除效果良好。

与单一结构水平潜流( HF ) 湿地相比较最大的优点就是对T N的去除效果有相当
提高，在垂直潜流( V F ) 段可发生良好的硝化反应，氨氮转化·
7 0·广州化工 2 0 0 8 年3 6卷第6期
生成的硝态氮可在后续水平潜流( HF ) 段得到良好去除。

华南农业大学医院公厕人工湿地在原土上建设，整个湿
地系统采用砖混结构，池底用夯实的自然土壤作隔水层，地
下水位与池底高差> 0 ．8 m。

因占地受限，又考虑污水中T N、大肠杆菌等含量较高，所以设计采用2座下行垂直流湿地、1
座水平流湿地和1 座消毒池的处理工艺，处理效果见表。

表2 进出水水质
从这两个实例可以看出，垂直潜流和水平潜流湿地组合
系统的去除效果要好于单一湿地系统，这样将两者的优点结
合起来形成互补，提高湿地对污染物的去除效果。

特别是组
合湿地系统可在去除B O D 的同时实现完全硝化和部分反硝化，从而提高对T N的去除效果。

4 结论
组合湿地是一种较新的人工湿地工艺，与普通人工湿地
比较对污染物具有较高的去除效果。

经过数十年的发展，特
别是近2 0年来取得了许多经验和理论研究成果，但是还有
许多工作有待于进一步开展：
( 1 ) 组合人工湿地系统的工艺设计多是多种流态湿地相
结合，构成多级处理系统，共同实现污水净化的目标。

目前最
常见的组合湿地是水平潜流湿地与垂直潜流湿地的组合，与
其它工艺( 如表面流湿地、生物塘、土地渗滤等) 的复合工艺研究还有待加强。

此外对不同的处理对象采用的组合方式、组
合顺序及比例大小对出水水质都会有很大影响，因此还需要
开展深入研究以获得更高的处理效率。

( 2 ) 人工湿地工艺系统的设计多建立在统计数据和经验
公式基础上，设计参数不完全，组合人工湿地系统的工艺设
计参数更是具有不确定性，需综合考虑各种因素，逐步完善
人工湿地T艺系统的设计方法。

参考文献
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( 上接第5 3页)
5 结语
氮肥工业作为重点污染行业之一，是化工行业中主要排
污大户，治理势在必行。

做好氮肥生产装置的污水治理，实现
污水零排放，必须从源头抓起，首先要节约用水，冷却水循环
使用，提高循环倍数；其次是采用清洁生产工艺，从源头消除
污染源，不产生污水；第三是用先进方法治理污水，因地制宜
做到零排放。

从而大幅度地减少了污水和污染物的排放量，
提高了资源的利用效率，为行业的进一步发展打下良好的基
础。

同时氮肥行业还要全面认真落实国家资源节约、综合利
用和环境保护的方针政策，积极推进氮肥的节能减排、清洁
生产和循环经济，加大技术开发和推广应用的力度，改变传
统的高投入、高消耗、高排放、高污染的经济增长方式，走低
投入、高产出、少排污、可循环的发展道路，才能实现氮肥生
产技术水平和经济效益的迅速提高。

参考文献
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