人工湿地生态工程水力学参数的设计
2021-04-26
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第36卷第4期 2011年4月 环境科学与管理 ENVIRONMENTAL SCIENCEANDMANAGEMENT VoL 36 N 4 Apr.2011 文章编号:1674—6139(2011)04-0137—03 人工湿地生态工程水力学参数的设计 刘飞 (淮北师范大学资源植物学安徽省重点实验室,安徽淮北235000) 摘要:中国水资源缺乏,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 仍有可能引起水体富营养化。湿地生态工程利用“基质一植物一微生物”的联合作用机制,高效处理污染水 体。从湿地表面积、水力负荷、水力停留时间、水力坡度和水力传导性等方面,对湿地生态工程的水力学参数设 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,指出湿地生态工 程存在的局限性以及研究方向,为湿地生态工程的设计提供借鉴。 关键词:人工湿地;水力学参数;污水处理 中图分类号:X5 文献标识码:A The Hydraulics Parameter Designing in Constructed Wetlands Ecological Engineering System Litl Fei (Anhui Key Laboratory of Plant Resources and Biology,Humbei Normal University,Humbei 235000,China) Abstract:Water—shortage and water pollution ale soriOUS,the high investment,high energy comumpfion and inferior lremo- ving nitrogen and phosphoms nutrients of the tradiitonal activated sludge process ale likely to cause water eutrophication.Wetlnd aecological engineering eficiently handles contaminated water by“matrix—pl鲫t—microorganism”of joint action mechanism. From the wetland area,hydraulic loading,hydraulic retention time,hydraulic gradients and hydraulic conductivity,the hydraulics parameters of wetland ecological engineering le astudied,the water level,wetland matrix and wetlnd plaants impact the efifciency of he tconstructed wetlnds,paoints out the liitmation of wetland ecological engineerig nnd ahet direction of he rtesearch,contrib- utes to the wetlnd aecological engineerig desingn. Key words:constructed wetlands;hydraulics parameter;sewage treatment 中国是一个水资源严重缺乏的国家,人均水资 源量仅为世界人均占有量的1/4。日趋严重的水污 但因投资和运行费用昂贵而难以大面积推广,由于 中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由于资金有限,一般不适合采 用传统的活性污泥处理工艺。 染问题更是加剧了水资源短缺的矛盾。中国环境监 测总站的数据表明,中国七大流域的水质以Ⅲ、Ⅳ标 准水体为主,解决水危机问题的主要方法之一是采 用活性泥法工艺。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,且主要以去除碳源 污染物为目的,去处氮、磷等营养物质的能力差,经 处理后的出水排入天然水体后仍有可能引起水体富 营养化等环境问题。三级处理可以解决上述问题, 收稿日期:2010—10—27 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。湿地 生态工程是20世纪7O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“一高三低一不”, 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 基金项目:安徽省高校省级自然科学项目——人工湿地生态工程处 理煤炭矿井废水研究( 2010Bl91) 作者简介:刘飞(1967一),男,安徽省砀山人,博士,副教授,从事环境 科学的教学与科研工作。 的生态水文过程,把物理、化学和生物作用结合在一 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新的思路和选择。 ・1 37・ 2011年4月 第36卷第4期 刘飞・人工湿地生态工程水力学参数的设计 voL 36 Nn4 Apr.20l1 1 湿地生态工程的基本构型 湿地生态工程是根据自然湿地净化污水的原 理,通过人工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 地污水处理系统,丹麦有800多座,被用来处理各类 水体,包括生活污水 J、工业污水 J、尾矿排出 液 J、淀粉工业废水、制糖工业废水、食品加工废 物的三重协同作用,通过过滤、吸附、沉淀、离子交 换、植物吸收和微生物分解实现对污水的高效净 化L2J。湿地生态工程净化污水始于1953年德国的 Max Planck研究所,该研究所的Seidel博士发现芦 苇能去除大量有机和无机物。“根区法”(The Root Zone—Method nZM)理论的提出,极大地促进了湿 地生态工程的研究热潮【3J。1974年西德首次建造 人工湿地生态工程,用来处理废水,标志着湿地生态 工程作为一种独具特色的新型废水处理技术正式进 人水污染控制领域,湿地生态工程系统由试验阶段 进入应用阶段,1990年7月,深圳在宝安县百泥坑 村南5oo米处建起中国第一个人工湿地污水处理工 程一白泥坑人工湿地处理系统,占地面积189亩,日 处理废水量3 100立方米。美国有1万多座人工湿 水、屠宰场废水等高浓度有机废水的处理 ]、农业 废水 引、农用化肥和除草剂废水u 以及垃圾渗滤 液 等。 湿地生态工程按污水的流动方式可分为三种类 型:表面流人工湿地;水平潜流人工湿地和垂直潜流 人工湿地。表面流人工湿地的废水在湿地的土壤表 层流动,水深较浅(一般在0.1 m一0.6 m),净化废 水效果较差。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;另一方面由于水流在 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,目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 数和一些生化特征参数(如污染物降解速率常数), 2湿地生态工程水力学参数设计 可以确定HRT和HLR。或者也可以根据第三类参 人工湿地生态工程水力学参数可以分为三类。 数以及一些生化特征参数确定前两类参数。上述参 (1)人工湿地几何尺寸参数,主要包括湿地表面积 数之间不是独立的,相互之间存在密切的联系,因此 (A)、湿地截面积、湿地长度(L)、湿地宽度(w)、湿 在构建湿地水力学参数设计过程中,只要根据相关 地长宽比(L:w)、湿地床体深(D)。几何参数是人 的理论模型确定出一些关键参数后,其余参数可以 工湿地土建施工的基础参数,与污水流量等有关。 根据理论推导或者经验公式获得。人工湿地生态工 15]。 (2)与人工湿地床体内部结构特征有关的参数,包 程水力学参数见表2¨ -括湿地水力坡度(S)、水力传导性(K。)、水头损失 3其他的设计 (H )、Pelect数以及水动力弥散系数(D )。这些参 数影响到人工湿地水流运动的水力学特性,从而影 3.1湿地的水位 响到湿地污水处理的效率。(3)人工湿地污水处理 湿地的水位即湿地表面的水淹程度,影响着湿 负荷方面的水力学参数,包括水力停留时间 地内部的氧含量并进而影响到湿地植物和微生物的 (HRT)、污水流量(Q)、水力负荷HLR(q)。这类参 生长情况与污染物质的净化降解效果,是制约人工 数中污水流量Q一般根据处理要求,在设计前已经 湿地系统污水净化效果的一个重要因素。典型的湿 确定下来,由此根据进、出水水质要求以及前两类参 地植物会显示出对水位线变化的明显的相应变化。 ・】38・ 期 刘飞・人工湿地生态工程水力学参数的设计 36Vol..No.4 Apr舢t=v,/O=AsD/Q V是湿地体积(rn3) 水力停留时间 (HRT)‘p是基质孔隙率As是湿地表面积(m2) D为湿地深度(m) Q是平均流量(m’/d) PwI/pin=exp(一kTt) As=Q(1npi ̄一lap∞1)/kTD ̄P As是 ’ HRT是容积与平均水量的比值,分为理论水力停留时 间和实际水力停留时问,理论水力停留时问与平均流 量、系统几何形状、操作水位初始空隙度有关。 级反应速率常数与温度之问的关系为k =k ,一表 湿地BOD , 进 浓 O( 0为常数,一般为1.05—1.10。k∞为温度20"C 时速率常数,T为温度,中砂介质:k2o=1.84;粗砂介 质:k2o=1.35砾砂介质.k∞=O.86。 为~级反应速率常数D为湿地深度(m) ‘P是基质孔隙率 DmW定律只适用于层流,在潜流人工湿地中,孔晾率 根据Daz ̄y定律:Q=KsAcS=KsWDS ̄W=Q/KsDS Q是平 较大。雷诺数也较大。若是紊流。则用Elglln公式计 宽度cw 长度(L) 深度(D) 癖, )为 力坡度(%) 导言 Ac 算。S=aV+aV2 a=150 [(1—8)/dp8] /p。 B =1.7s(1一e)/d。6g 是动力黏度,6是介质孔隙 率,d,是介质直径,P是流体密度,g是重力加速度 湿地长度一般为20 m一50 m,长度太长容易造成湿地 中的死区,且使水位难于调节。 L=As/W As是湿地表面积(m2)W为湿地宽度(m) 深度主要与植物根系的长度和投资有关,太深增加工程量,系统深度一般为50 cm。 坡度的确定涉及基质、水力传导率、工程量等,坡度太大,水力传导率高,可能破坏基质结构,增加工程量,水力坡度太小, 易引起堵塞。坡度一般为l%一7%,大多数为l%左右。 对水位的控制,一般要考虑到三方面的情况: 等,不同湿地植物在营养吸收能力、根系分布深度、 (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 氧气释放量、生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目 标,筛选根系发达、耐污力强、经济和观赏价值高的 人工湿地植物,同时要重视植物闻的合理搭配,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【l 。湿地生态工程普遍采用的湿地植物有 芦苇(Phragmites australis) 、宽叶香蒲(Typha Lati・ folia)和灯心草(]uncus e sus)、黑麦草(I_ ̄lium pe. renne Linn.)、美人蕉(Canna indica Lirm.)、菖蒲 (Acoruscalamus)等o 基质是湿地生态工程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【】 。基质为湿地生态工程中的水生植物提供载 面,同时在污水的净化过程中起到重要作用。 体和营养物质,为微生物的生长提供稳定的依附表 4湿地生态工程污水处理系统的不足及展望 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、 人工湿地是涉及生态学、水力学、水文学和水化 学等的复杂生态系统,从时间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 地导致人工湿地水力学参数有效性的不确定。 人工湿地需要较大的土地面积、对于污染严重 灰土、土壤、蛋白土、炉渣、矿渣、粉煤灰等。 3.3植物的选择 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。 (下转第149页) ・常用的湿地植物涉及3O科、44属,涉及到湿生 植物、挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植 物【1引。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 139・ 第32011年4月 6卷第4期 戚晓芳等・绥化市城市生态系统健康状况研究 Vo1.36 N 4 Apr.2011 康指数较低,且对综合健康指数贡献率较小,这与绥 [2]杨荣金,舒俭民.生态城市建设与规划[M].北京: 化市社会经济发展水平不高的大环境有关,因此加 经济日报出版社,2007:56—57. 快社会发展与经济建设是绥化市建设的重点,使城 [3]官冬杰,苏维词.城市生态系统健康评价方法及其 市生态系统结构趋于合理,使人们真正享受到经济 应用研究[J].环境科学学报,2006,26(10):1716—1722. 发展、社会进步带来的益处。绥化市综合健康指数 [4]宋豫秦,袁庆涛,彭继平.城市复合生态系统健康评 在0.3~0.7之间,距离健康标准值有一定的差距, 价方法在生态城市研究中的应用[J].中国水土保持,2007, 表明绥化市的城市生态系统仍处于亚健康状态,只 27(6):29—32. 有提高社会和经济子系统的健康指数,使经济、社 [5]胡晓辉,黄民生,林晓月.福州市城市生态系统健康 会、自然三大子系统协调发展,城市生态系统才能健 动态评价[J].亚热带资源与环境学报,2008,3(2):74—8O. 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