潜流式人工湿地污水处理工艺设计

潜流式人工湿地污水处理工艺设计

张琪 1 *，古丽扎 2 海热提 1

(1 北京化工大学环境科学与工程技术中心，北京， 100029)

（2 新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处。库尔勒，841000）摘要潜流式人工湿地作为一种经济生态的污水处理技术，在实际应用中取得了快速发展。为了提供更好的研究基础，本文结合国内外最新研究成果，阐述了人工湿地污水处理系统工艺设计的主要内容及存在的若干问题，提出了开展人工湿地工艺设计研究的一些设想。

关键词潜流式人工湿地污水处理水力学设计

Designing of subsurface constructed wetland systems for wastewater

treatment

Zhang Q1, Gu Lizar2 Hai Reti1

( 1 Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029)

(2 Government of Ba Yinguoleng Mongolia Autonomous Xin Jiang 841000)

Abstract Subsurface constructed wetland is an economical and high-effective type for wastewater treatment, and had a quick development in actual application. Main contents and problems of the process design of subsurface wetland for wastewater treatment are summarized with new research in domestic and international, and some research interests are proposed in this paper.

Key Words Subsurface constructed wetland, Wastewater treatment, Hydraulics, Design

1．引言

人工湿地污水处理技术在20世纪50年代诞生于德国，进入60年代，该技术逐渐开始被用于处理工业废水、生活污水、农业点源污染和面源污染以及河道治理的生态修复等。作为一种生态治理污水的方法，其基于天然湿地的净化机理使得人工湿地技术具有投资小，处理效果好，运行维护方便等特点，而且比天然湿地对污水的处理提供了更好的条件。在湿地中应用人为的控制措施，可以优化系统去除BOD、COD、营养元素和其它污染物的性能，还可以作为一种美学景观，最大限度地将污水处理和生态保护结合起来[1]。

*联系人：张琪（1983—），男，北京化工大学环境工程硕士研究生，主要研究领域是生态修复。

E-mail:kongiong_2001@

不过由于人工湿地技术应用时间较短，在进行工程化时也存在认识上的缺陷，还需要对其处理工艺进行不断改进和系统优化，以克服人工湿地工程运行中涉及的各种生态学问题。本文以在我国应用较为广泛的潜流式人工湿地为例，对其设计进行分析介绍。

2．潜流式人工湿地设计的水力学基础

2．1 蒸发蒸腾量的确定

潜流式人工湿地由于水面位于地面以下，其蒸发蒸腾量（ET）与表流湿地相比大大降低，水蒸汽首先要通过水面上方的填料层，然后经由植物吸收再散入大气中。而传热方式则是通过上方的填料层，然后传到水面以下。在冬季，由于植物的枯死和上层保温覆盖物或冰雪覆盖的作用，ET量基本为0。对潜流式人工湿地蒸发蒸腾量的计算可以借助于“蒸发皿法”[2]，利用水均衡估算人工湿地床体的ET值（mm/d），以下是两种不同植物床体的ET估算公式：香蒲－砾石床湿地：ET（mm/d）=1.128EP+0.072 （1）

（R2＝0.72，12℃

芦苇－砾石床湿地：ET（mm/d）=0.948EP-0.027 （2）

（R2＝0.93，12℃

式中，EP为蒸发皿蒸发量；R2为回归值；T air为室外温度。

2．2 湿地中的水流运动及水力传导率

描述水流运动最简单的方程为流速正比于水面坡度的情形：

u = —k dH / dx （3）

此方程是达西定律的一维形式，主要适用于层流运动。

在填料层中，水流的运动形式则处于层流和紊流之间，当流速超过层流范围，有效水力传导率将取决于流速。水力传导率和紊流系数取决于填料的特征，如平均粒径、颗粒级配、颗粒形状、填料空隙度、颗粒堆放方式等，但在实际情况中，非球形颗粒填料应用更普遍。有研究得出，不规则形状填料的水力传导率比相同大小的球形填料小1/3。

填料颗粒越小，越易于充填到大颗粒空隙中，而且表面积大，越容易造成对水流的阻挡，减小水力传导率。颗粒的堆放方式对孔隙度的影响也较大，例如球形颗粒不同的堆积方式其空隙度变化范围为26％～48％，进而影响到水力传导

率。而在实际湿地中的填料填充是无规则的，因此空隙度很难被准确测定[3]。

下面的半经验方程可用于水力传导率的初步确定。

D

g D g Kc 327.3)1(2)1(2551εμεερμε-+-= （4） 部分填料的水力传导率在使用前后的数值如表1所示[4]：

表1 不同填料的水力传导率估计

2．3孔隙率

人工湿地污水处理系统的孔隙度系指湿地土壤中孔隙占湿地总容积的比。人工湿地污水处理系统的孔隙度很难测定，各种文献报道的孔隙度也有不尽相同，但是在人工湿地的设计过程中，需要利用湿地土壤孔隙度，以确定水量、水力停留时间、湿地长宽尺寸等，所以，一般孔隙度是根据实际经验进行估计的[5]。

2．4 水力停留时间

水力停留时间是人工湿地污水处理系统重要的设计参数之一，因为其直接关系到了湿地系统的处理能力和出水的处理效果，有研究表明[6]，采用潜流湿地处理污水时，当水力停留时间在2～4d 时，潜流湿地内部形成的小区域厌氧条件正适于反硝化作用进行脱氮。可以定义为湿地可用容积与平均水量的比值，即：

t ＝V ε / Qav （6）

其中，t 为水力停留时间（d ），V 为湿地容积（m 3），ε为湿地孔隙率（无量纲），Qav 为平均流量（m 3·d -1）。从设计的角度出发，理论水力停留时间是利用平均流量、系统几何形状、操作水位、初始空隙度等来估算的。由于潜流湿地的空隙变化大，其空隙损失随时间变化而变化，潜流湿地处理系统的水力停留时间很难准确确定，在这种情况下，就只有凭借相关资料和经验获得。但是建成后可