人工湿地水力学参数设计研究

284淮河流域综合治理与开发科技论坛文集民共和国固体废物环境污染防治法》规定．新建钢筋混凝土有毒固废“i防”池进行永久性封存。284淮河流域综合治理与开发科技论坛文集民共和国固体废物环境污染防治法》规定．新建钢筋混凝土有毒固废“i防”池进行永久性封存。6大沙河水体砷污染处理成果综述大沙河水体砷污染处理T程，治理含砷污水1100万n，3，累计用各种药品5300t，喷洒药液7．05万m3；清理低含砷吲体药泥1．6万m3，含砷泥浆16万m3，十化后的高含砷药泥4200nr。环保部门连续监测数据显示，河南省出境断面平均砷浓度为o．009mg／I．．商丘市出境断面平均砷浓度为o．005mg／L，为i类水体标准O．05mg／I，的1／5～1／10．清理底泥后的河道，经检测全部达标。在整个事件的处理过程中．大沙河沿岸未发生一例人畜中毒事件．沿岸两侧1000m内的地下水、土壤及植被均未受污染。至2009年7月7日，随着4200m3高含砷药泥干化后全部运至商丘市垃圾处理场，装人钢筋混凝土有毒阎废“i防”池进行永久性封存，大沙河水体砷污染处理工作取得了决定性胜利。大沙河水体砷污染处理T程，探索出了一条大流域河道砷污染治理的新路．也填补了国内外河流砷污染处理技术的窄白。作者简介何东平．男．本科，商丘市引黄灌区管理处，工程师。人工湿地水力学参数设计研究刘飞(淮北师范大学 安徽淮水 235000)[摘要]我国水资源缺乏，水污染严重，传统的活性泥法投资高，耗能大，去除氮、磷等营养物质的能力差，出水仍有可能引起水体“寓营养化”。人工湿地是“基质一植物一微生物”的复合生态系统，可以高效处理污染水体，湿地的水力学特点决定了湿地的属性，从湿地表面积、长宽比、水力负荷、水力停留时问、水力坡度和水力传导性等方面，对人工湿地的水力学参数设计进行了研究，并分析了湿地水位、基质选择和湿地植物的优选对人工湿地处理效率的影响，指出人工湿地存在的局限性以及将来的研究方向，为人工湿地的设计提供借鉴。[关键词]人工湿地水力学参数污水处理我国是一个水资源严重缺乏的圈家，人均水资源量仅为世界人均占有量的l／4。日趋严重的水污染问题更是加剧了水资源短缺的矛盾。中图环境监测总站的数据表明．淮河流域的水质以Ⅲ、Ⅳ标准水体为主，解决水危机问题的方法之一要有效治理废水污染。我国绝大部分城市污水厂采川活悻泥法处理工艺。这种工艺工程相对成熟，但是投资高，耗能大，运行管理要求高，且主耍以去除碳源污染物为目的，去处氮、磷等营养物质的能力差，经处理后的出水排人天然水体后仍有町能引起水体“富营养化”等环境问题。j=级处理可以解决上述问题，但W投资和运行费用昂贵而难以大面积推广，由于我国经济发展水平不很高·能源短缺，许多地方，尤其是中小城市和乡村南于资金有限，一般不适合采用传统的活性污泥处理工艺。事实证明，目前单纯依靠传统的活性泥法还不能从根本上解决水污染问题，只能延缓其发展趋势。因此开发和推广适合中国国情的城市污水处理技术成为广大环保工作者面临的一项紧迫的任务。人工湿地是20世纪70年代末发展起来的一种新型污水处理技术，具有独特的优点“一高i低一不”，即高效率、低投资、低运转费用、低维持技术和基本不耗电，人工湿地污水处理系统通过自然生态系统的生态水文过程，把物理、化学和生物作刚结合在一起，增强了处理污水的能力，为处理城市生活污水、农村灌溉污水等提供了人工湿地水力学参数设计研究人工湿地水力学参数设计研究 285新的思路和选择。1 人工湿地的基本构型人T．湿地((：()nstrIlctedWetlands(：Ws)足根据自然湿地净化污水的原理，通过人T建造和监督控制来强化净化能力的污水处理系统．利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收平¨微生物分解实现对污水的高效净化人工湿地(CotlsJctedWetlands)净化污水始于1953年德国的MaxPlanck研究所，该研究所的Scidcl博士在研究中发现芦苇能去除大量有机和无机物。“根区法”(TheRootZone—MethodRZM)理论的提出。极大地促进了人一湿地的研究热潮。1974年西德首次建造人工湿地，用来处理废水，标志着人T湿地作为一种独具特色的新型废水处理技术正式进入水污染控制领域，人T．湿地系统南试验阶段进入应用阶段，1990年7月，深圳存宝安县百泥坑村南500m处建起我国第一个人1二湿地污水处理工程一向泥坑人工湿地处理系统，占地而积189亩，日处理废水量3100m3。美国有】万多座人T湿地污水处理系统，丹麦有800多座，被用来处理各类水休，包括生活污水、T业污水、尾矿排出液、淀粉T、lp废水、制糖T、№废水、食。锆加丁废水、屠宰场废水等离浓度有机废水的处理、农‘、|p废水、农用化肥和除草剂废水以及垃圾渗滤液等。人T．湿地按污水的流动方式可分为三种类型：表面流人1二湿地(SF(：Ws，默JrfaceF10w(．：onstructedWeIIandsl；水平潜流人工湿地(HFCWs，HorizonlalSubsurfaceFlowCon吼ructedWetlands)和垂直潜流人T湿地(VFCWs，VcrticalFlowConstructedWctlands)。SFW系统中，废水在湿地的土壤表层流动，水深较浅(一般在o．1～o．6m)，净化废水效果较差，目前已较少采用。潜流人工湿地处理的污水在湿地床的表面下流动，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用，提高处理效果和处理能力；另一方面由于水流存地表下流动，保温性好．处理效果受气候影响较小。且卫生条件较好，日前人工湿地污水处理系统大多数是潜流人工湿地。表面流人工湿地与潜流人工湿地的比较见表1。表1 表面流人工湿地与潜流人工湿地2人工湿地系统水力学参数设计人T湿地系统水力学参数可以分为三类。①人工湿地儿何尺寸参数，主要包括湿地表面积(A)、湿地截面积、湿地长度(I。)、湿地宽度(W)、湿地长宽比(L：w)、湿地床体深(D)。几何参数是人T湿地土建施工的基础参数，与污水流量等有关。②与人I：湿地床体内部结构特征有关的参数，包括湿地水力坡度(S)、水力传导性(Ks)、水头损失(H。)、Pclcct数以及水动力弥散系数(D，)。这些参数影响到人1二湿地水流运动的水力学特性，从而影响到湿地污水处理的效率。(④人丁湿地污水处理负荷方面的水力学参数，包括水力停留时间(HRT)、污水流量(Q)、水力负荷Hl。R(q：-。这类参数巾污水流量Q一般根据处理要求，在没汁前已经确定下来·由此根据进、出水水质要求以及前两类参数和一些生化特征参数(如污染物降解速率常数)，可以确定HRT和HI，R。或者也可以根据第三类参数以及一些生化特征参数确定前两类参数。上述参数之间286淮河流域综合治理与开发科技论坛文集不是独立的，相互之间存在密切的联系．闪此在构建湿地水力学参数设汁过程巾，只要根据相关的理286淮河流域综合治理与开发科技论坛文集不是独立的，相互之间存在密切的联系．闪此在构建湿地水力学参数设汁过程巾，只要根据相关的理论模型确定出一螳关键参数后j其余参数可以根据理论推导或者经验公式获得。人工湿地系统水力学参数见表2。表2人工湿地水力学参数设计参数 计算公式 说明HRT是容积与甲均水量的比值．分为理论水t=V∞7Q=AsD／QV娃湿地体积(m3)力停留时M和实际水力停留时间，理论水力水力侉留时间(HRT) l；D是基质孑L跌率 As是湿地表面积(m2)停留时间与平均流量、系统几何形状、操作水D为湿地深度(m) Q足平均流量(甜／d)位初始空隙度有关。P。。／P。n=cxp(一kTt)j一级反廊速率常数与温度之间的关系为kt=人s—Q(1“跏一l“p。、／k_rD中As是湿地表面积k：。e“2．9为常数，一般为1．oj～1．10．k20(m2)Q是平均流量(m。／d)表面积(As) 为温度20℃时速率常数，T为温度．中砂介p，。足平均进水B()D浓度(mg／1．)pm儿足出水的质：k一1．84；粗砂介质：k=1．35砾砂介I幻D口标浓度(mg／I．)kT为一绒反应速率常数质：k2n=()．86。D为湿地深度(m、(D娃基质孔隙卒Darcy定律只适用于层流。在潜流人工湿地根据Darcy定律：Q=KsAcS=KsWDS=》中，孔隙率较大．雷诺数也较大。若是紊流，W—Q／KsDSQ是平均流量(m3’d)则用Er出ln公式汁算。S—QV+aV2a=150ft宽度(W) Ks为水力传导率(n13／n12·d)Ac为湿地横截[(1一E)／d。，E]?／队p一1．75(1一“／dp￡gP是动面积W为湿地宽度(n、、D为湿地深度(n1)S力黏度，e是介质孔隙率．也是介质直径．p是为水力坡度(％)流体密度，g是重，JJJU速度I。=As／WAs是湿地表面积(nf) 湿地长度·般为20～50m．长度太长容易造长度(1。)W为湿地宽度(m) 成湿地中的死区，且使水位难于调节。深度(D) 深度主要～植物根系的长度和投资有关，太深增加T稃母．系统深度一般为50cm。坡度的确定涉及罐质、水力传导率、工程量等，坡度太大，水力传导乍高，可能破坏基质结构，增水力坡度(S)』Jul：程量。水山坡度太小．易引起堵塞。坡度一般为1％一一7％．大多数为1％左右。3其他的设计3．1湿地的水位湿地的水位即湿地表面的水淹程度，影响着湿地内部的氧含量并进而影响到湿地植物和微生物的生长情况与污染物质的净化降解效果，是制约人工湿地系统污水净化效果的一个重要W素。典型的湿地植物会显示m对水位线变化的明显的相应变化。时水位的控制，一般要考虑到三方面的情况：①在系统接纳最大设计流量(最大水力负荷)时，湿地进水端不出现雍水，以防止发生表面流；②在系统接纳最小水力负荷时。出水端不能出现雍水现象；③为了利于湿地植物的生长，湿地水位浸没根系的深度应尽量均匀，尽量使水面坡度与底坡坡度相一致。3．2基质的配置基质是人T．湿地不可缺少的组成部分，大部分物理、化学以及生物反应等都在基质中进行。基贡为人人工湿地水力学参数设计研究人工湿地水力学参数设计研究 287工湿地中的水生植物提供载体和营养物质，为微生物的生长提供稳定的依附表面．同时在污水的净化过程巾起到重要作用。应遵循材料的易得、高效、价廉及安全无毒等原则筛选基质，湿地基质粒径影响湿地的水力传导性和水流模式，要在净化效果和防止堵塞二者之间选择一个最佳平衡点。常用的基质种类有白云石、石灰石、硅酸钙岩矿、沸石、页岩、铝土矿、沙子和砾石、灰土、土壤、蛋白土、炉渣、矿渣、粉煤灰等。3．3植物的选择常用的湿地植物涉及30科、44属，涉及湿生植物、挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物。湿地植物通过吸收、输氧和增强基质的水力传导率等去除污水中的营养盐、有机物以及重金属等，不同湿地植物在营养吸收能力、根系分布深度、氧气释放量、牛物量和抗逆性等方面存在差异，它们的净化效率也不同，要根据污水的性质和净化的日标，筛选根系发达、耐污，乃强、经济和观赏价值高的人工湿地植物，同时要重视植物问的合理搭配．力求形成健康稳定的群落结构以利于提高对污染物的净化能力。人工湿地普遍采用的湿地植物有芦苇(P^7‘ngⅢjfPNn“s，，．“，iN)、宽叶香蒲(bj[，^口LⅡn．／．rJZin)和灯心草(‘7Ⅲzf“sP．厂，’“^“^)、黑麦草(LfJzj姗2户P，．州朋PLj删．)、美人蕉(C洲舢j押djf(fL加7．)、菖蒲(A“J，．“盯“肠优川 )等。4人工湿地污水处理系统的不足及展望人工湿地是涉及生态学、水力学、水义学和水化学等的复杂生态系统，从时问和空间上都缺乏有关大规模人工湿地的高质量数据，设计者通过从各种湿地的运行数据的集合来获取设计参数，不可避免地导致人]二湿地水力学参数有效性的不确定。人T．湿地需要较大的土地面积、对于污染严重的水体净化效果差、湿地植物向根部输氧的能力有限以及系统堵塞是湿地系统的不足之处。人工湿地的研究方向，通过回流、曝氧、接种微生物菌种等人工强化技术，提高人工湿地的净化效果；开发新型基质以及不同基质的组合工艺防止堵塞，延长湿地的寿命。参考文献[1]VymazalJ．Horizontalsub—surraccflf)wandhybrid【-onstructcdwcflandssystcmsforwastcwntcrtrcatmcnt[J]．EcologicalEnginccring。2005．25(S)：478—490．[2]Ked】ceRH，KigmRI。．VylllazalJ．．eta1．(：onstructedwetlandsforI’01lutjoncontro】：I】rocesses．perfornlance，des遍nandopcraLion[M]．I。ondon．UK：1wApublishing．2000．j5—78．[3]白晓慧，王宝贞，余敏．等．人]二湿地污水处理技术及其发展应用[J]．哈尔滨建筑大学学报?1999．32(6)：88—92．KickllthsK．MacrophytcsandwaterP11rification[A]：BiologicalcontrolofwaterP011utio[c]．Philadelphia：PennsylvaniaIJniversilyPress，1976．[4]Kadlec，R．H．，K11ight，R．1，．TreatmentweIlands．cTcPress7I．ewisPublishers。BocaRaton，FL．1996．[5]sunG．，(jrayK．R．，HiddlcstoneA．J．，cta1．’I’reatnlentofagrjculturalwastcwatcrinconlblncdtidalflow—downflowreedbcdsystem[j]．watcrscicnccand7rcchnology．1999．40(3)：139一146．[6]MaysP．A．，EdwardsG．s．c()mparisonofheavymetal{lccumulationinnantralwetlandandconstructedwetlandsceivingacidnlinedraillage[J]．Ecologica】Engineering，2001，16：487—500．[7]GrecnwayM．NutriclltofwctlandPIanlsinconstructcdwcllalldsreceivjngmunicipalefflucntintropicaIAustralia[J]．wnterScicnceand7rechnologyl097，35(5)：13s一：42．[8]wiebnerA．．KuschkP．．stottmeisterU．，eta1．Treatinga】ignitepyrolysiswastewaterinc()ns¨弋】ctedsubsllrfaceflowwet】and[J]．waterResearch，1999，33f5)：1296—1302．[9]cronkJ．K．(二onstructedwetlandswastewaterfronldajryandswjneoperations：Areview[J]．AgricultureEcosys—temandEnvjronment．1996。58：97—114．288淮河流域综合治理与开发科技论坛文集[10]Thurston288淮河流域综合治理与开发科技论坛文集[10]ThurstonK．A．I，eadandpetroleumhydrocarbonchangesinurbanwetlandreceivingstormwaterrunoff[J]．EcologjcalEnginccrin琏，1999，12：387—399．[11]Mach}ltc7I、，．N01lH．．BchrcnsH．r)egradntionof})hcn孔nthreneandhy(Iraullccharactcristicsinconstructc(1wctl；lnds[J]．WaterRcscarch，1997，3l(3)：S54一j60．[12]sch6nhornA．，ZoslIj．．IJnderwoodE．I。ongIermPerfornlanceofthesancl—1)lant—filterschattweid(switzerland)[J]．waterSciell(：eandTechn0109y，1997，35(5)：307—314．[13]IJniled鼬趴esEnvirollnlentalProlectiollAgency．suhsurfaceFIowC011structedwetlan(1sForwasLewaterTreatment．ATcchn()l()gyAsscssnlenI[R]．EPA832一R一93一008，1993．[14]崔玉波，韩相奎．宋铁红．潜流人1j湿地t亏水处理技术的效能与设计[J]．环境科学动态。2003(2)：23—25．[15]王久贤．向泥坑人■湿地水厅学训。算研究[J]．广东水利水电．1997(6)：50—j2．[16]胡康萍．人T．泓地i殳汁q1的水力学问题研究[J]．环境科学研究．1991．4(5)：8一12．[17]徐德福，李映雪．用于污水处理的人1二湿地的基质、植物及其配置[J]．湿地科学，2007，5(1)：32—38．[18]朱斌，陈飞星．利用水生植物净化富营养化水体的研究进展口]．上海环境科学，2002，21(9)：564～567．