人工湿地工艺设计

人工湿地工艺设计
人工湿地污水处理技术还处于开发阶段、尤其在我国还没有比较成熟的设计参数，其工艺设计也还处于试验阶段。

人工湿地系统的设计受很多因素的影响，主要是水力负荷、有机负荷、湿地床的构造形式、工艺流程及其布置方式、进水系统和出水系统的类型和湿地所种栽植物的种类等。

由于不同国家及不同地区的气候条件、植被类型以及地理情况各有差异。

因而大多根据各自的情况，经小试或中试取得有关数据后进行人工湿地的设计。

（1）表面流湿地的设计
由于表面流湿地（SFW）具有基建费用省、基质填料用量较少的特点，因此在美国最为广泛应用。

其填料常选择粘土和湿生土壤。

该类湿地具有地表水流较浅、流速低的特点。

按照美国自然资源保护机关（NRCS）基于城市污水人工湿地和田纳西洲河谷当局的工作经验制定的设计规范，表面流湿地的设计要求：
a. 湿地允许的BOD5负荷是73kg/ha·d；
b. 停留时间至少有12天（BOD5负荷率是采用Reed提出的保守数据112 kg/ha·d，停留时间是由平均温度和BOD5降解所用的时间来确定的）。

湿地出水水质要求：
a. BOD5＜30 mg/L
b. TSS＜30 mg/L
c. NH3+ NH3-N＜10 mg/L
设计规范没有提供硝态氮及其他污染物的出水要求。

NRCS规范中提出了两种计算湿地尺寸的方法（两种方法都基于湿地BOD5负荷）：
a. 假设法
给养殖场每天产生一定量的BOD5假定一个量，该方法适用于养殖场的实际污水排量无法确定或养殖场尚未建设好时应用。

b. 实地监测法
是基于测得的BOD5浓度，NRCS建议对不同季节采得的样品来分析得出一
个平均的BOD 5值来进行估算。

在进行假设或实地监测后，将流速、孔隙率、水温和假设或实际的BOD 5 浓度值代入公式计算，两种设计方法都是基于活塞流动力学，因此，人工湿地设计的一般模型如下：
1.750
exp[(0.7())/]e t v C A K A LWdn Q C =- 式中：C e ——出水BOD 浓度（mg/L ）；
C 0——进水BO
D 浓度（mg/L ）；
A ——以污泥形式沉淀在湿地床前部而未得到处理的BOD 5含量（小数
表示）
K t ——设计水温下的反应速率常数（d -1） (T-20)
t 20120(1.1)0.0057K K K day
-==
A v ——微生物活动的比表面积（m 2/m 3）
L ——湿地床的长度（m ）
W ——湿地床的宽度（m ）
D ——湿地床的设计水深（m ） N ——湿地床的孔隙率（n 为小数形式）
n=V 0/V
V0——空隙体积
V ——总体积
Q ——湿地系统平均处理水流量（m3/day ）
()
2.0influent effluent Q Q Q +=
当湿地坡度或水力梯度为≥1％时，应对（Ⅰ）式进行适当调整：
1.75103(0.7())/0.52exp[]4.63e t v C K A LWdn C S Q
-=⋅ 式中：S ——坡度或水力梯度；
LWdn/Q 可由水流实际停留时间t 来表示，故由此可确定水力停留时间。

对通过湿地植物的水流进行监测，湿地水流径道的孔隙率通常选用0.75。

这是由湿地中含水的体积和植物所占的体积之比而得出的。

设计规范提出了几种大型水生植物的孔隙率值：
香 蒲 属
cattail (Typha spp.)=0.95 藨 草 属
bulrush (Scipus spp.)=0.86 芦 苇
reed (Phragmites communis )=0.98 灯心草属 rush (Juncus spp.)=0.95
A 表示由于沉积作用而去除的BOD 量，其值通常取0.52（该值是从城市污水处理厂得出的经验数据，被认为是A 取值的下限，而A 的最大值应小于0.90）。

公式（Ⅰ）中的水力停留时间t （days ）由下式得出：
0(ln ln )0.653965e t
C C HRT t K --== 当采用坡度>1％，经调整后可得：
01/3(ln ln )0.6539301e t C C HRT t K S
--== NRCS 建议湿地床总的长宽比为3:1到4:1，每个单元比例为10:1（但必须考虑是否有可利用的空间），因此，为满足这一点，单元格通常沿着宽边一个一个布设。

有人提出，可以把整个处理区域划成几个单元来使湿地纵向的进水保持均匀。

还有学者建议长宽比为5:1，来减少在长而狭窄的单元进水口进水时易造成的负荷过大现象的发生。

人工湿地推荐深度为0.15~0.20m ，美国大多数的处理湿地都是参照NRCS 规范设计的。

以下是三个依照NRCS 规范设计湿地的处理效果：
表7-25 依照NRCS 规范设计的湿地的处理效果
（2）潜流式湿地的设计
欧洲大量使用潜流式人工湿地处理人畜产生的废水，填料通常为砂砾，或其他粗糙的材料，潜流式系统可能会堵塞，因此这种系统不适用于处理TSS 含量高的污水。

适用于处理化粪池出水和稀释后的化学废水。

田纳西河谷当局进行了潜流式人工湿地的研究，考察了N 、C 和P 的吸收机理，提出了设计和运行规范。

在欧洲，工程芦苇床湿地的设计是根据活塞流动力学。

湿地床通常由粘土或一种合成薄膜密封，种上芦苇（phragmites australis ）。

湿地尺寸的计算是基于德国的Kickuth 的研究工作上得出的。

湿地的尺寸与流速，进水的BOD 浓度，预期的出水BOD 值及常数K 1有关。

湿地床的进水口处的床身建议值为0.6m ，坡度为2~6%，水深只有25mm 。

所以大多数水流是潜流式的。

这样适合在坡面上栽种芦苇床来促进水力流动。

湿地面积可由以下公式得出：
10(ln ln )h d t A K Q C C =-
A h ——湿地床表面积（m 2）
K 1——常数
Q d ——日均废水流量（m 3/day ）
C 0——进口处BO
D 均值（mg/L ）
C t ——出水要求的BO
D 平均值（mg/L ）
K 1的值是根据废水的可生物降解能力得出的。

对于生活污水，取值5.2；对于其他废弃物，必须通过实验来重新确定其值。

无论是Kickuth 公式，还是NRCS 规范，其常数取值都采用生活污水的取值，将它们用于畜禽废水处理的设计，是因为虽然畜禽废水的BOD 值比生活污水有个数量级的扩大，但假定这些常数数值依然有效。

潜流式人工湿地水力停留时间计算方法与NRCS 提出的方法一致，公式如下：
0kt t C C e -=
k ——对于生活污水，8℃时，k 值取0.032，对于其他废水，须重新确定 t ——时间（days ）
系统的水力停留时间是有效孔隙空间V v 和通过系统的平均流速的函数，也可由下式得出，即：
v V nV nLWD t Q Q Q
=== V v ——系统孔隙的体积，m 3；
n ——床的孔隙度，％；
t ——停留时间，d ；
V——系统总体机，m3；
L——系统长度，m；
W——系统宽度，m；
D——地下层深度，m；
Q——通过系统的平均流量，m3/d。

5．人工湿地植被的选择
人工湿地系统中，植物为微生物提供了生活空间和碳源，其主要作用如下：（1）湿地植物使其根部周围的基质处于氧化状态，而且也可以增加湿地床其他厌氧区域的氧含量。

（2）在湿地植物的生长期，有助于去除污水中的营养物质，虽然植物吸收不是营养物质去除的主要途径，但研究发现，植物也可去除16~75%的TN和12~73%的TP。

植物的选择应按照以下条件：
（1）当地土著植物，最能适应当地气候条件
（2）有较高的生产力，对营养物质有较快的吸收能力
（3）根须发达
（4）移植后易成活
（5）多年生植物（不需每年种植）
（6）容易获得，价格低廉
（7）对高营养浓度污水有耐性（尤其要对NH3-N）
表7-26 推荐耐NH3-N植物
说明：在marsh—pond—meadow湿地系统中，不能将duckweed和大型水生植物共同种植，duckweed的生长会遮盖水层，影响到大型水生植物产氧，进而影响到硝化作用。