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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 BOD5 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 BOD5 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:
Ce = A exp[(?0.7 K t ( Av )1.75 LWdn) / Q] C0

式中:Ce——出水 BOD 浓度(mg/L) ;
C0——进水 BOD 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 BOD5 含量(小数

表示)
Kt——设计水温下的反应速率常数(d-1)

K t = K 20 (1.1)(T-20) K 20 = 0.0057 day ?1
Av——微生物活动的比表面积(m2/m3) 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=V0/V V0——空隙体积 V——总体积 Q——湿地系统平均处理水流量(m3/day)

Q=

(Qinfluent + Qeffluent ) 2.0

当湿地坡度或水力梯度为≥1%时,应对(Ⅰ)式进行适当调整:
Ce (?0.7 K t ( Av )1.75 LWdn) / = 0.52 exp[ ] 1 C0 4.63S 3 ? 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 藨 草 属 芦 苇 灯心草属 cattail bulrush reed rush (Typha spp.)=0.95 (Scipus spp.)=0.86 (Phragmites communis)=0.98 (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, A 的最大值应小于 0.90) 而 。 公式(Ⅰ)中的水力停留时间 t(days)由下式得出:
HRT = t = (ln C0 ? ln Ce ) ? 0.6539 65 K t

当采用坡度>1%,经调整后可得:
HRT = t = (ln C0 ? ln Ce ) ? 0.6539 301K t S 1/ 3

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 污染物 BOD5 其他污染物 依照 NRCS 规范设计的湿地的处理效果 去除率(%) 61~78 >50

(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
C 提出了设计和运行规范。 潜流式人工湿地的研究, 考察了 N、 和 P 的吸收机理,

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 K1 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: Ah = K1Qd (ln C0 ? ln Ct ) Ah——湿地床表面积(m2) K1——常数 Qd——日均废水流量(m3/day) C0——进口处 BOD 均值(mg/L) Ct——出水要求的 BOD 平均值(mg/L) K1 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:
Ct = C0 e ? kt

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 Vv 和通过系统的平均流速的函数,也 可由下式得出,即:
t= Vv nV nLWD = = Q Q Q

Vv——系统孔隙的体积,m3; 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 Common name Giant bulrush Softstem bulrush Giant cutgrass Duckweed Latin binomial Scirpus californicus Scirpus validus Zizaniopsis milacea Lemna spp. 160 mg/L 耐 NH3-N 浓度 >200mg/L >200mg/L

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。


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