潜流人工湿地水力设计浅议
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基质床的上表面应水平或接近水平， 这样有 利于种植水生植物和日常维护， 因此， 基质床的 底坡应顺应水力坡降以维持水深不变。 但是， 水 力传导度沿程是变化的， 且随时间也是变化的， 因此用这种方法确定基质床底坡是不切合实际 的。 基质床的底坡应该满足湿地的排水要求， 尽 量使底坡沿流向保持一致。 目前还没有足够的试 验数据表明什么样的坡度才是最佳坡度， 但是从 利于排水和易于施工的角度讲， 0.5%~1%是比较适 合的。 2.3 基质床深度
布水区和集水区基质粒径要求在 40~80 mm 之 间， 以避免堵塞。 布水区长度不小于 2 m， 集水区 长度不小于 1 m。
试验表明， 当用土壤或沙作为基质时， 即使 污水中的悬浮物很少， 基质床还是极易堵塞而造 成表面流， 所以人工湿地不宜用土壤或沙作为基 质。 用砂砾和小石头作为基质， 粒径越小就越容 易堵塞， 而粒径过大则施工困难且难以维护。 一 般 要 求 处 理 区 基 质 的 平 均 粒 径 在 20~30 mm 范 围 内， 这个尺寸可以有效避免基质床堵塞并且易于 施工。 2.2 基质床底坡
根据 EPA 人工湿 地设计手册 ， 基 质 主 要 有 以
宽 （W 度
） 入 口 区 域
坡顶 处
理 带
出 口 带
口
出
净 化 水
预处理支流
排水渠
深度 （H）
衬垫
长度 （L）
坡 底 （≤1% ）
图 1 美国人工湿地设计手册 （EPA， 1999） 潜流人工湿地组成示意图
6
2010 年 2 月第 1 期
2010 年 2 月第 1 期
总第 153 期
潜流人工湿地水力设计浅议
王丽影，肖许沐，曾令奎，胡和平
（中水珠江规划勘测设ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有限公司，广东 广州 510610）
摘 要： 人工湿地水处理技术是模拟自然条件人为创建湿地， 利用自然界微生物学、 生物学、 物理和化学过 程来处理污水， 在发达国家应用非常广泛。 目前我国对人工湿地的设计还没有形成规范化的标准和导则。 着 重论述 EPA 人工湿地手册中潜流人工湿地的水力设计理论、 步骤等， 并针对其局限性提出了改进措施， 以期 为国内的人工湿地工程设计提供技术参考。 关键词： 潜流人工湿地； 水力设计； EPA
潜流人工湿地水力设计浅议
总第 153 期
下作用： ①为水生植物提供附着床； ②有利于入 水口均匀布水及出水收集； ③为微生物生长提供 表面积； ④过滤和拦截固体颗粒。 为使植物成活， 表层基质粒径大小应该在合理范围内， 一般要求基 质床表 层的基质粒 径不大于 20 mm， 深 度 不 小 于 100 mm， 但 要避免表 层 基 质 粒 径 过 小 而 掉 入 下 层 基质的空隙中。
a） 根据给定的污染物负荷， 确定人工湿地的 面积 As。
As=QC0/ALR 对于 BOD： As=200×100/6=3 333 m2； 对于 TSS： As=200×100/20=1 000 m2。 取两者中较大的数值为人工湿地设计面积， 则根据处理区前段和处理区后段的定义， 确定各 自的面积为： 处理区前段面积： Asi=30%×3 333=1 000 m2。 处理区后段面积： Asf=70%×3 333=2 333 m2。 b） 利用达西公式确定人工湿地的宽度 W。 利 用达西公式计算不产生漫流的最小宽度， 对于处 理区前段有方程：
我国利用人工湿地处理污废水的历史较短、 经验不足， 还没有形成系统的设计方法及理念。 目前国内比较系统地论述人工湿地的专著不多， 一般着重论述背景知识和机理， 对实际设计方法 和流程论述不够系统详尽， 不能满足实际工程设 计的需要。 根据水的流动状态， 人工湿地一般分 为表面流人工湿地和潜流人工湿地， 因为表面流 人工湿地占地过大且容易滋生蚊虫， 在国内应用
结合有关研究成果， 潜流人工湿地基质床设 计基于两个假设： ①人工湿地运行稳定后， 由于 悬浮物沉积等原因， 处理区前段的水力传导度降 低为初始时的 1/100， 处理区后段的水力传导度降 低 为 初 始 时 的 1/10； ②假 设 潜 流 人 工 湿 地 的 水 流 运动符合达西定律。
基于以上两点假设， 举例说明潜流湿地基质 床的设计步骤。 基本信息如下： 流量 Q=200 m3/d， BOD=100 mg/L， TSS=100 mg/L； 要 求 出 流 BOD≤ 30 mg/L， TSS≤30 mg/L； 推荐污染物负荷 ALRBOD= 6 g/m2·d， ALRTSS=20 g/m2·d； 基 质 床 使 用 粒 径 为 20~30 mm 的 砾 石 ， 清 洁 砾 石 的 水 力 传 导 度 K= 100 000 m/d， 则 湿 地 运 行 稳 定 后 处 理 前 段 的 水 力 传 导 度 K1=1 000 m/d， 处 理 区 后 段 的 水 力 传 导 度 K2=10 000 m/d； 基 质 床 底 坡 s=0.5%； 处 理 区 后 段 起始点水深 DWf=0.4 m； 估计入水端水深DW0=0.4 m， 设 计 基 质 床 深 度 Dm=0.6 m； 处 理 区 前 段 最 大 允 许 水头损失 dh=10%Dm=0.06 m。
为避免根区底部出现过大优先流， 水深不宜 过深， 但是如果水深过浅， 在同样的负荷下水力 停留时间将减少， 会影响处理 效果。 因此 EPA 推 荐布水管处的最大水深为 0.4 m， 基质床上表面应 高于潜水面 0.1 m。
2.4 基质床的长度和宽度 基质床的宽度一般由达西定律计算得到， 与
水深、 水力传导度及水力坡降有关。 一般认为基 质床 最大宽度不 应超过 61 m， 如果 按 达 西 公 式 计 算出来 的宽度大于 61 m， 应将人工湿 地 分 割 成 几 个单元。 有学者发现， 在潜流式人工湿地中， TSS 和 BOD 的去除主要是在靠近布水区的几米范围内 效果最显著， 但仍然建议基质床的最小长度不应 小于 12~30 m， 以有效避免短流。 EPA 推荐最小长 度不小于 15 m。 3 潜流湿地基质床水力设计
比较少。 本文 将参照 EPA 已有 的设计手册 和应用 指南， 着重论述潜流式人工湿地的水力设计方法。 1 潜流人工湿地结构
典型的潜流人工湿地包含以下几部分： 基质 床、 湿地植物、 布水和排水系统、 防渗系统， 其中 基质床又可分为布水区、 处理区和集水区。 美国人 工 湿 地 设 计 手 册 （EPA,1999） 将 处 理 区 又 分 为 处 理区前段 （约为床体总长度的 1/3） 和处理区后段 （约为床体总长度的 2/3）。 该手册认为由于污水中 悬浮物质的沉积、 不溶有机物质的堵塞等原因， 潜 流人工湿地运行稳定后， 其水力传导度将大大降 低， 越靠近进水端堵塞问题将越严重， 水力传导度 也越低， 因此水力设计应分段进行。 潜流人工湿地 典型构成示意图见图 1。 2 潜流人工湿地基质床设计一般原则 2.1 基质床填料粒径选择
总第 153 期
h） 确定基质床深度。 出于美观和便于施工等 原因， 基质床上表面一般设计成水平的， 因此基 质床上表面的高程必须高于湿地中任一点的水面 线 高 程 。 对 于 本 例 来 说 ， 进 水 端 水 面 线 高 程 Ew0= 0.59 m， 则 基 质 床 上 表 面 高 程 确 定 为 0.65 m 为 宜， 则：
0 前言 与传统的污水二级生化处理工艺相比， 人工
湿地污水处理技术具有净化效果好、 去除氮磷能 力强、 工艺设备简单、 运行维护管理方便、 能耗 低、 系统配置可塑性强、 工程基建和运行费用低、 出水具有一定的生物安全性、 生态环境效益显著 并美化环境等特点。 目前， 人工湿地技术在发达 国家及发展中国家的生活污水处理中得到了广泛 应用， 许多国家为此制定了设计手册及应用指南。
c） 利用达西公式确定处理区前段的长度， 计 算式为： Li=Asi/W=1 000/91.3=11.0 m。
d） 利用达西公式确定处理区后段的长度和水 头损失， 计算式为：
Lf=Asi/W=2 333/91.3=25.6 m 该 段 水 头 损 失 为 ： dhf=QLf/KfWDwf=200 ×25.6 / 10 000×91.3×0.4=0.01 m e） 利用给定的底坡确定基质床底部高程。 出水端底部高程： Ebe=0 (高程参考点)； 处 理 区 后 段 起 始 端 底 部 高 程 ： Ebf=sLf=0.005× 25.6=0.13 m； 入水端底部高程： Eb0=s（Li+Lf） =0.005× （11.0+ 25.6） =0.18 m； f） 利用水头损失确定水面线高程。 处 理 区 后 段 起 始 点 水 面 线 高 程 ： Ewf=Ebf+Dwf= 0.13+0.4=0.53 m； 出 水 端 水 面 线 高 程 ： Ewe=Ewf-dhf=0.53 -0.01 = 0.52 m； 进 水 端 水 面 线 高 程 ： Ew0=Ewf+dhi=0.53 +0.06 = 0.59 m； g） 根据底坡和水头损失复核计算水深与设计 水深。 入 水 端 水 深 ： Dw0 =Ew0 -Eb0 =0.59 -0.18 =0.41 m (约等于设计值， 复核合格)； 处 理 区 后 段 起 始 点 水 深 ： Dwf =Ewf -Ebf =0.53 0.13=0.40 m； 出水端水深： Dwe=Ewe-Ebe=0.52-0=0.52 m；
EWo
Dmo DWo
布水区
Ebo
8
基质床上表面 潜水面
EW f
Dmf Dwf 处理区前段
Eb f Li
处理区后段 S=0.5% Lf
图 2 潜流人工湿地水力设计示意图
7
2010 年 2 月第 1 期
Q=KiWDw0dhi/Li 式中 Li— ——处理区前段的长度， Li=Asi/W
解 方 程 得 ： W2 = QAsi / ( KidhiDw0 ) = 200 × 1 000 /10 00× 0.06×0.4=8 333 m2， 由此确定人工湿 地的宽度 W=91.3 m。
有学者认为， 人工湿地的处理效果受到植物 根系最大穿透深度的限制， 因此建议将基质床的 深度设计为作物最大根系深度。 还有学者认为， 基质床底部应预留一定富余， 从而为污水中的固 体颗粒富集提供空间。 目前美国已建成的潜流人 工湿地， 基质床深度一般在 0.3~0.7 m 范围内， 大 量学者推荐此参数应在 0.4~0.6 m 范围内。
进 水 端 基 质 床 深 度 Dm0=0.65 -Eb0=0.65 -0.18 = 0.47 m；
处 理 区 后 段 起 始 点 基 质 床 深 度 Dmf=0.65-Ebf= 0.65-0.13=0.52 m；
出水端基质床深度 Dme=0.65-0=0.65 m； 进水端基质 床上表面距 水面线 距 离 Dtw0=0.65Ew0=0.65-0.59=0.06 m； 处理区后段起始点基质床上表面距水面线距 离 Dtwf=0.65-Ewf=0.65-0.53=0.12 m； 进 水 端 基 质 床 上 表 面 距 水 面 线 距 离 Dtwe=0.65Ewe=0.65-0.52=0.13 m； 以上计算涉及的主要参数图示说明见图 2。 该 计 算 是 美 国 人 工 湿 地 设 计 手 册 （EPA,1999） 推 荐 的潜流人工湿地水力设计方法和步骤。 可以看出 该方法条理清晰， 简单易操作， 但也存在局限性： ①在应用达西公式时， 过水断面的计算采用了近 似方法， 例如计算处理区后段的水头损失时， 采 用的是处理区后段起始点的水深， 事实上后段的 水 深 是 变 化 的 ， 拿 本 例 来 说 ， 是 从 0.4 m 变 化 到 0.52 m； ②本 方法确定处 理区后段起 始 点 水 深 后 ， 需要估计入水端的水深， 当估计值与复核值之间 存在较大误差时， 需重新估计， 重复上述计算步 骤； ③在可供建造人工湿地的地块长、 宽受限时， 本方法不适用。 鉴于 EPA 推荐方 法的局限性 ， 必要时可 采 用 如下公式进行水力计算：
布水区和集水区基质粒径要求在 40~80 mm 之 间， 以避免堵塞。 布水区长度不小于 2 m， 集水区 长度不小于 1 m。
试验表明， 当用土壤或沙作为基质时， 即使 污水中的悬浮物很少， 基质床还是极易堵塞而造 成表面流， 所以人工湿地不宜用土壤或沙作为基 质。 用砂砾和小石头作为基质， 粒径越小就越容 易堵塞， 而粒径过大则施工困难且难以维护。 一 般 要 求 处 理 区 基 质 的 平 均 粒 径 在 20~30 mm 范 围 内， 这个尺寸可以有效避免基质床堵塞并且易于 施工。 2.2 基质床底坡
根据 EPA 人工湿 地设计手册 ， 基 质 主 要 有 以
宽 （W 度
） 入 口 区 域
坡顶 处
理 带
出 口 带
口
出
净 化 水
预处理支流
排水渠
深度 （H）
衬垫
长度 （L）
坡 底 （≤1% ）
图 1 美国人工湿地设计手册 （EPA， 1999） 潜流人工湿地组成示意图
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2010 年 2 月第 1 期
2010 年 2 月第 1 期
总第 153 期
潜流人工湿地水力设计浅议
王丽影，肖许沐，曾令奎，胡和平
（中水珠江规划勘测设ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有限公司，广东 广州 510610）
摘 要： 人工湿地水处理技术是模拟自然条件人为创建湿地， 利用自然界微生物学、 生物学、 物理和化学过 程来处理污水， 在发达国家应用非常广泛。 目前我国对人工湿地的设计还没有形成规范化的标准和导则。 着 重论述 EPA 人工湿地手册中潜流人工湿地的水力设计理论、 步骤等， 并针对其局限性提出了改进措施， 以期 为国内的人工湿地工程设计提供技术参考。 关键词： 潜流人工湿地； 水力设计； EPA
潜流人工湿地水力设计浅议
总第 153 期
下作用： ①为水生植物提供附着床； ②有利于入 水口均匀布水及出水收集； ③为微生物生长提供 表面积； ④过滤和拦截固体颗粒。 为使植物成活， 表层基质粒径大小应该在合理范围内， 一般要求基 质床表 层的基质粒 径不大于 20 mm， 深 度 不 小 于 100 mm， 但 要避免表 层 基 质 粒 径 过 小 而 掉 入 下 层 基质的空隙中。
a） 根据给定的污染物负荷， 确定人工湿地的 面积 As。
As=QC0/ALR 对于 BOD： As=200×100/6=3 333 m2； 对于 TSS： As=200×100/20=1 000 m2。 取两者中较大的数值为人工湿地设计面积， 则根据处理区前段和处理区后段的定义， 确定各 自的面积为： 处理区前段面积： Asi=30%×3 333=1 000 m2。 处理区后段面积： Asf=70%×3 333=2 333 m2。 b） 利用达西公式确定人工湿地的宽度 W。 利 用达西公式计算不产生漫流的最小宽度， 对于处 理区前段有方程：
我国利用人工湿地处理污废水的历史较短、 经验不足， 还没有形成系统的设计方法及理念。 目前国内比较系统地论述人工湿地的专著不多， 一般着重论述背景知识和机理， 对实际设计方法 和流程论述不够系统详尽， 不能满足实际工程设 计的需要。 根据水的流动状态， 人工湿地一般分 为表面流人工湿地和潜流人工湿地， 因为表面流 人工湿地占地过大且容易滋生蚊虫， 在国内应用
结合有关研究成果， 潜流人工湿地基质床设 计基于两个假设： ①人工湿地运行稳定后， 由于 悬浮物沉积等原因， 处理区前段的水力传导度降 低为初始时的 1/100， 处理区后段的水力传导度降 低 为 初 始 时 的 1/10； ②假 设 潜 流 人 工 湿 地 的 水 流 运动符合达西定律。
基于以上两点假设， 举例说明潜流湿地基质 床的设计步骤。 基本信息如下： 流量 Q=200 m3/d， BOD=100 mg/L， TSS=100 mg/L； 要 求 出 流 BOD≤ 30 mg/L， TSS≤30 mg/L； 推荐污染物负荷 ALRBOD= 6 g/m2·d， ALRTSS=20 g/m2·d； 基 质 床 使 用 粒 径 为 20~30 mm 的 砾 石 ， 清 洁 砾 石 的 水 力 传 导 度 K= 100 000 m/d， 则 湿 地 运 行 稳 定 后 处 理 前 段 的 水 力 传 导 度 K1=1 000 m/d， 处 理 区 后 段 的 水 力 传 导 度 K2=10 000 m/d； 基 质 床 底 坡 s=0.5%； 处 理 区 后 段 起始点水深 DWf=0.4 m； 估计入水端水深DW0=0.4 m， 设 计 基 质 床 深 度 Dm=0.6 m； 处 理 区 前 段 最 大 允 许 水头损失 dh=10%Dm=0.06 m。
为避免根区底部出现过大优先流， 水深不宜 过深， 但是如果水深过浅， 在同样的负荷下水力 停留时间将减少， 会影响处理 效果。 因此 EPA 推 荐布水管处的最大水深为 0.4 m， 基质床上表面应 高于潜水面 0.1 m。
2.4 基质床的长度和宽度 基质床的宽度一般由达西定律计算得到， 与
水深、 水力传导度及水力坡降有关。 一般认为基 质床 最大宽度不 应超过 61 m， 如果 按 达 西 公 式 计 算出来 的宽度大于 61 m， 应将人工湿 地 分 割 成 几 个单元。 有学者发现， 在潜流式人工湿地中， TSS 和 BOD 的去除主要是在靠近布水区的几米范围内 效果最显著， 但仍然建议基质床的最小长度不应 小于 12~30 m， 以有效避免短流。 EPA 推荐最小长 度不小于 15 m。 3 潜流湿地基质床水力设计
比较少。 本文 将参照 EPA 已有 的设计手册 和应用 指南， 着重论述潜流式人工湿地的水力设计方法。 1 潜流人工湿地结构
典型的潜流人工湿地包含以下几部分： 基质 床、 湿地植物、 布水和排水系统、 防渗系统， 其中 基质床又可分为布水区、 处理区和集水区。 美国人 工 湿 地 设 计 手 册 （EPA,1999） 将 处 理 区 又 分 为 处 理区前段 （约为床体总长度的 1/3） 和处理区后段 （约为床体总长度的 2/3）。 该手册认为由于污水中 悬浮物质的沉积、 不溶有机物质的堵塞等原因， 潜 流人工湿地运行稳定后， 其水力传导度将大大降 低， 越靠近进水端堵塞问题将越严重， 水力传导度 也越低， 因此水力设计应分段进行。 潜流人工湿地 典型构成示意图见图 1。 2 潜流人工湿地基质床设计一般原则 2.1 基质床填料粒径选择
总第 153 期
h） 确定基质床深度。 出于美观和便于施工等 原因， 基质床上表面一般设计成水平的， 因此基 质床上表面的高程必须高于湿地中任一点的水面 线 高 程 。 对 于 本 例 来 说 ， 进 水 端 水 面 线 高 程 Ew0= 0.59 m， 则 基 质 床 上 表 面 高 程 确 定 为 0.65 m 为 宜， 则：
0 前言 与传统的污水二级生化处理工艺相比， 人工
湿地污水处理技术具有净化效果好、 去除氮磷能 力强、 工艺设备简单、 运行维护管理方便、 能耗 低、 系统配置可塑性强、 工程基建和运行费用低、 出水具有一定的生物安全性、 生态环境效益显著 并美化环境等特点。 目前， 人工湿地技术在发达 国家及发展中国家的生活污水处理中得到了广泛 应用， 许多国家为此制定了设计手册及应用指南。
c） 利用达西公式确定处理区前段的长度， 计 算式为： Li=Asi/W=1 000/91.3=11.0 m。
d） 利用达西公式确定处理区后段的长度和水 头损失， 计算式为：
Lf=Asi/W=2 333/91.3=25.6 m 该 段 水 头 损 失 为 ： dhf=QLf/KfWDwf=200 ×25.6 / 10 000×91.3×0.4=0.01 m e） 利用给定的底坡确定基质床底部高程。 出水端底部高程： Ebe=0 (高程参考点)； 处 理 区 后 段 起 始 端 底 部 高 程 ： Ebf=sLf=0.005× 25.6=0.13 m； 入水端底部高程： Eb0=s（Li+Lf） =0.005× （11.0+ 25.6） =0.18 m； f） 利用水头损失确定水面线高程。 处 理 区 后 段 起 始 点 水 面 线 高 程 ： Ewf=Ebf+Dwf= 0.13+0.4=0.53 m； 出 水 端 水 面 线 高 程 ： Ewe=Ewf-dhf=0.53 -0.01 = 0.52 m； 进 水 端 水 面 线 高 程 ： Ew0=Ewf+dhi=0.53 +0.06 = 0.59 m； g） 根据底坡和水头损失复核计算水深与设计 水深。 入 水 端 水 深 ： Dw0 =Ew0 -Eb0 =0.59 -0.18 =0.41 m (约等于设计值， 复核合格)； 处 理 区 后 段 起 始 点 水 深 ： Dwf =Ewf -Ebf =0.53 0.13=0.40 m； 出水端水深： Dwe=Ewe-Ebe=0.52-0=0.52 m；
EWo
Dmo DWo
布水区
Ebo
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基质床上表面 潜水面
EW f
Dmf Dwf 处理区前段
Eb f Li
处理区后段 S=0.5% Lf
图 2 潜流人工湿地水力设计示意图
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2010 年 2 月第 1 期
Q=KiWDw0dhi/Li 式中 Li— ——处理区前段的长度， Li=Asi/W
解 方 程 得 ： W2 = QAsi / ( KidhiDw0 ) = 200 × 1 000 /10 00× 0.06×0.4=8 333 m2， 由此确定人工湿 地的宽度 W=91.3 m。
有学者认为， 人工湿地的处理效果受到植物 根系最大穿透深度的限制， 因此建议将基质床的 深度设计为作物最大根系深度。 还有学者认为， 基质床底部应预留一定富余， 从而为污水中的固 体颗粒富集提供空间。 目前美国已建成的潜流人 工湿地， 基质床深度一般在 0.3~0.7 m 范围内， 大 量学者推荐此参数应在 0.4~0.6 m 范围内。
进 水 端 基 质 床 深 度 Dm0=0.65 -Eb0=0.65 -0.18 = 0.47 m；
处 理 区 后 段 起 始 点 基 质 床 深 度 Dmf=0.65-Ebf= 0.65-0.13=0.52 m；
出水端基质床深度 Dme=0.65-0=0.65 m； 进水端基质 床上表面距 水面线 距 离 Dtw0=0.65Ew0=0.65-0.59=0.06 m； 处理区后段起始点基质床上表面距水面线距 离 Dtwf=0.65-Ewf=0.65-0.53=0.12 m； 进 水 端 基 质 床 上 表 面 距 水 面 线 距 离 Dtwe=0.65Ewe=0.65-0.52=0.13 m； 以上计算涉及的主要参数图示说明见图 2。 该 计 算 是 美 国 人 工 湿 地 设 计 手 册 （EPA,1999） 推 荐 的潜流人工湿地水力设计方法和步骤。 可以看出 该方法条理清晰， 简单易操作， 但也存在局限性： ①在应用达西公式时， 过水断面的计算采用了近 似方法， 例如计算处理区后段的水头损失时， 采 用的是处理区后段起始点的水深， 事实上后段的 水 深 是 变 化 的 ， 拿 本 例 来 说 ， 是 从 0.4 m 变 化 到 0.52 m； ②本 方法确定处 理区后段起 始 点 水 深 后 ， 需要估计入水端的水深， 当估计值与复核值之间 存在较大误差时， 需重新估计， 重复上述计算步 骤； ③在可供建造人工湿地的地块长、 宽受限时， 本方法不适用。 鉴于 EPA 推荐方 法的局限性 ， 必要时可 采 用 如下公式进行水力计算：