人工湿地污水处理工艺与设计模板.doc

人工湿地污水处理工艺和设计09月08日 星期二 16:04人工湿地污水处理工艺和设计王薇,俞燕,王世和(东南大学环境工程系,南京210096)摘要:人工湿地作为一个新型生态污水处理技术,在实际应用中取得了快速发展。为了适应中国对这一技术迫切需要,文章结合作者实践,较具体地介绍了现在人工湿地污水处理工艺结构、基础设计方法及经济技术比较,以供相关科研、设计单位参考。关键词:人工湿地;污水处理;工程设计多年来,多种水处理技术在实际应用中取得了不停发展,尤其是作为二级处理活性污泥法以其工艺相对成熟、运行稳定、处理效果好而成为城市污水处理主流工艺,但传统活性污泥不仅基建投资大,运行费用高,且关键以去除碳源污染物为目标,对氮、磷等营养物质去除则微乎其微,经处理后出水排入水体后仍将引发“富营养化”等环境问题。三级处理虽可处理上述问题,但因投资和运行费用昂贵而难以大面积推广。同时事实也说明,单纯依靠传统人工处理方法在中国目前情况下尚难以从根本上处理水污染问题,只能延缓其发展趋势。70 年代以来,人工湿地处理技术提出和发展,为综合处理上述问题提供了一个新选择。1 人工湿地基础构型和步骤人工湿地系以人工建造和监督控制、和沼泽地相类似地面,经过自然生态系统中物理、化学和生物3 者协同作用以达成对污水净化。此种湿地系统是在一定长宽比及底面坡度洼地中,由土壤和填料混合组成填料床,废水在床体填料缝隙或在床体表面流动,并在床体表面种植含有处理性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及含有经济价值水生植物,形成一个独特动、植物生态系统,对废水进行处理。实际设计中,往往是将湿地进行多级串联或附加必需预处理、后处理设施组成。人工湿地按污水在其中流动方法可分为两种类型: 水面式人工湿地(简称FWS) , 潜流型人工湿地(简称SFS) 。FWS 系统中,废水在湿地土壤表层流动,水深较浅(通常在0. 1 - 0. 6m) 。和SFS 系统相比,其优点是投资省,缺点是负荷低。北方地域冬季表面会结冰,夏季会滋生蚊蝇、散发臭味,现在已较少采取。而SFS 系统,污水在湿地床表面下流动,首先能够充足利用填料表面生长生物膜、丰富植物根系及表层土和填料截留等作用,提升处理效果和处理能力;其次因为水流在地表下流动,保温性好,处理效果受气候影响较小,且卫生条件很好,是目前国际上较多研究和应用一个湿地处理系统,但此系统投资比FWS 系统略高。人工湿地工艺步骤有多个,现在采取主要有:推流式、阶梯进水式、回流式和综合式4 种,人工湿地基础步骤阶梯进水可避免处理床前部堵塞,使植物长势均匀,有利于后部硝化脱氮作用;回流式可对进水进行一定稀释,增加水中溶解氧并降低出水中可能出现臭味。出水回流还可促进填料床中硝化和反硝化作用,采取低扬程水泵,经过水力喷射或跌水等方法进行充氧。综合式则一方面设置出水回流,其次还将进水分布至填料床中部,以减轻填料床前端负荷。人工湿地运行可依据处理规模大小进行多个方法组合,通常有单一式、并联式、串联式和综合式等(图2 所表示) 。在日常使用中,人工湿地还常和氧化塘等进行串联组合。a. 单一式;b. 串联式;c. 并联式;d. 综合式人工湿地不一样组合方法2 人工湿地系统设计人工湿地系统设计包含如:水力负荷、有机负荷、湿地床构形、工艺步骤及部署、进出水系统和湿地栽种植物种类等很多原因。因为不一样国家及地域气候条件、植被类型及地理条件各有差异,所以大多依据现地条件,经小试或中试取得相关数据后进行。2. 1 FWS 系统设计因为废水在人工湿地中流动缓慢,故人工湿地通常可视作一级推流式反应器,稳态条件下可用以下反应动力学公式描述: Ce/ C0 = exp ( - KTt)基于人工湿地影响原因较为复杂, 各国研究者对湿地床尺寸提出了不一样计算方法。Reed 提议FWS 系统可用下列方程计算1 :CeC0= A -CKTAV1. 75LWQnQdTchobanoglour 提议,水湿为T 时,速率常数可由下式确定: KT = K20 (1 ,1) ( T - 20)当湿地床底坡或水力坡度大于1 %时,上述方程可调整为:CeC0= 0. 52exp -CKTAV1. 75LWQn4. 6 S1/ 3 Qd对床表面积AS , Kaklec 和Knight 提议用下式计算: AS = (0. 0365Qd104 k) ln (C0 - C3Ce - C3 )初步设计时, k 值可取34 m/ y ,背景BOD5 值可由下式计算:C3= 3. 5 + 0. 05 C0FWS 系统有机负荷随废水性质和条件变化很大,其范围在18 - 110 kgBOD5 (had) 。通常只作为设计校核指标,它控制对维持系统好氧状态及预防蚊虫、恶臭等很关键。FWS 系统水力负荷可达150 - 500m3/ (had) 。在确定水力负荷同时应考虑气候、土壤情况、渗透系数和植被类型等场地条件,还应考虑接纳水体水质要求,尤其注意因为蒸发、蒸腾失水量对夏季处理影响及在干旱地域设计湿地可行性。在特殊情况下,要求湿地设计达到零排放时,湿地中水关键经过蒸发、蒸腾、补充地下水或系统内回用等路径完成,这时水力负荷和水平衡计算是设计时需要关键考虑问题。2. 2 SFS 系统设计在SFS 系统中,水流有2 种基础流态,即层流和紊流。当湿地床中所用填料粒径不大、污水充满填料缝隙并处于饱和状态时水流为层流,此时可用达西公式计算1 - 3 ,即: Q = KsAcSv 。对其中渗透系数Ks , 到现在为止尚无准确测定, 对于以砾石为基质湿地, 欧洲人建议取10 - 3 m/ s , 而美国经验认为Ks 不宜大于10 - 4 m/ s。当Re 1 - 10 时,水流变为紊流,此时不宜用Darcy 公式,可用Ergum 公式计算1 - 3 。S = 150v (1 - n) / Dpn 2/g +1. 75 (1 - n) v2/ Dpng湿地表面积AS 可用下计算1 :AS = Q(ln C0 - ln Ce) / ( KTDn)式中:KT 和温度关系为KT = K20 (1. 1) T - 20 。据相关文件报道和实际试验,某一特定SFS 系统K20和床体填料孔隙率n 相关,关系式为K20 =K0 ( 37. 3 n4. 172 ) , 对经典城市污水取K0 = 1.839 d - 1 ,高浓度有机工业废水K0 = 0. 198 d - 1 。60 城市环境和城市生态14 卷1 期 年 1995- Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.英国人Kitkuth 推荐用AS = 5. 2Q ( ln C0 -ln Ce) 计算表面积。符号说明:AC , As 湿地床横截面积,表面积;m2 ;Ce , C0 进水、出水BOD5 ;mg/ L ;Q 平均设计流量:m3/ d ;KS 渗透系数;m3/ (m2d) ;K20 , KT 温度20 ,T 时速率常数;d - 1 ;KO 某一填料中植物根系充足发展后最佳速率常数;d - 1 ;L 湿地床长度;m;W 湿地床宽度;m;D 湿地床深度;m;S 底坡或水力坡度; ( - ) 。由上述各式, 即可确定湿地床基础尺寸。湿地床长度L 通常定为20 - 50 m。过长,易造成湿地床中死区,且使水位难于调整,不利于植物栽培。另外,湿地长度比L/ W 也不应过大,提议控制在31 以下,常采取11 ,对于以土壤为主系统,L/ W比应小于11。床深D 通常须根据所栽种植物种类及根系生长深度确定,以确保湿地床中必需好氧条件。对于芦苇湿地系统,处理城市或生活污水时,D 通常取0. 6 - 0. 7m;而用于较高浓度有机工业废水处理时,D 一般在0. 3 - 0. 4 m之间。床横截面面积和温度、有机负荷无关,只受填料水力学特征影响。在借鉴相关经验基础上大家提议,经过填料横截面平均流速Q/ AC 以不超出8. 6 m/ d 为宜,以避免对填料根茎结构破坏。湿地床底坡通常取1 % - 8 % ,须依据填料性质及湿地尺寸加以确定,对以砾石为填料湿地床通常可取2 %。2. 3 其它设计问题人工湿地基础尺寸确定后,还需考虑如场地选择、栽种植物种类、进出水系统部署等一些具体问题。1) 场地选择:和传统二级生物处理工艺相比,单位体积污水处理量所需人工湿地面积约为传统二级生物处理地2 - 3 倍。采取人工湿地处理污水时,应尽可能选择有一定自然坡度洼地或经济价值不高荒地,首先可降低土方工程量,利于排水,降低投资;其次,可降低对周围环境影响。2) 植物栽种:人工湿地系统设计中,应尽可能增加湿地系统生物多样性,以提升湿地系统处理性能,延长使用寿命。在选择湿地植物物种时,可依据耐污性、生长适应能力、根系发达程度及经济价值和美观要求确定,同时也要考虑因地制宜。可用于人工湿地植物有芦苇、茳芏、大米草、水花生、稗草等,现在最常见是芦苇。芦苇根系较为发达,是含有巨大比表面积活性物质,其生长可深入到地下0. 6 - 0. 7 m ,含有良好输氧能力。种植芦苇时,通常应尽可能选择当地芦苇进行移栽,其具体方法是将有芽苞芦苇根分剪成10 cm 长左右,将其埋入4 cm 深土中并使其端部露出地面。插植最好季节在秋季或早春,插植密度可为1- 3 株/ m2 。3) 进出水系统部署:湿地床进水系统设计应尽可能确保配水均匀性,通常采取多孔管或三角堰等。多孔管可设于床面上或埋于床面以下,埋于床面下缺点是配水调整较为困难。多孔管设于床面上方时,应比床面高出0. 5 m 左右,以防床面淤泥和杂草积累而影响配水。同时应定时清理沉淀物和杂草等,确保系统配水均匀性。系统进水流量可经过阀或闸板调整,过多流量或紧急改变时应有溢流、分流方法。湿地出水系统设计可采取沟排、管排、井排等方法,合理设计应考虑受纳水体特点、湿地系统部署及场地原有条件。为有效地控制湿地水位,通常在填料层底部设穿孔集水管,并设置旋转弯头和控制阀门。对严寒地域,进、出水管设置须考虑防冻方法,并在系统必需部位设置控制阀和放空阀。4) 填料选择:进水配水区和出水集水区填料通常采取粒径为60 - 100 mm 砾石,分布于整个床宽。处理区填料表层可优先选择钙含量为2 - 2. 5 kg/ 100 kg 混合土,以利于提升脱磷效果。表层之下以5 - 10 mm 粒径石灰石掺和适量土壤,厚度为150 - 250 mm ,再往下,全部采取5- 10 mm粒径石灰石填料,或用不一样级配砾石、花岗岩碎石铺设。因为表层土壤在浸水后会有一定下沉,所以,建造时填料表层标高应高出设计值10 % - 15 %。5) 湿地床水位控制:通常,湿地进水水位是不变,为使污水在床体内以推流式流动,须对床层水位加以控制。通常,SFS 系统对水位控制有几点要求: 在系统接纳最大设计流量时,湿地进水端不出现雍水,以防发生表面流; 在系统接纳最小设计流量时,出水端不出现填料床面淹没,以防出现表面流; 为了利于植物生长,床中水面浸没植物根系深度应尽可能均匀,并尽可能使水面坡度和底坡基础一致。6) 预防地下水污染:为预防湿地系统因渗漏而造成地下水污染,要求在工程时尽可能保持原土层,并在原土层上设置防渗层。防渗层设置方法有多个,如采取厚度为0. 5 - 1. 0 mm 高密度聚乙烯树脂,或油毛毡密封铺垫等,为预防床体填料尖角对薄膜损坏,施工时可在塑料薄膜上预铺一层细砂。3 人工湿地运行及经济分析2 - 3 3. 1 人工湿地开启和运行人工湿地污水处理系统开启通常要经历2个阶段:即系统调试、植物复活、根系发展不稳定阶段和植物生长成熟、处理效果良好稳定成熟阶段。在开启阶段,芦苇等植物栽种后即须充水。早期可将水位控制在地面下25 mm 左右处。按设计流量运行3 个月后,将水位降低至距床底0. 2m处,以促进芦苇等植物根系向深部发展。待根系深入到床底后,再将水位调整至地表下0. 2 m处开始正常运行。进入稳定成熟阶段后,系统处于动态平衡,植物生长仅随季节发生周期性变化,而年际间则处于相对稳定状态,此时系统处理效果充足发挥,运行稳定。人工湿地系统从开启到成熟通常需1 - 2 年时间。对设计合理人工湿地系统,在进水水质及水量改变不大时,一旦进入稳定成熟期,系统可自流运行,无须任何动力设备,也无须更多维护。湿地中植物通常可于冬季干枯时定时收割。3. 2 人工湿地经济分析鉴于中国实际情况,工程造价及运行费用仍是目前通常建设单位选择污水处理工艺优先考虑原因。因为人工湿地土建施工比较简单,且正常情况中几乎无须耗能,所以,其造价和运行费用远比传统二级生物处理工艺节省。现在资料均表明,人工湿地工程造价和运行费用仅为传统工艺1/ 10 - 1/ 2。表1 为深圳白泥坑人工湿地和相关污水处理厂投资及运行费用比较。可见,单位污水投资额不足通常工艺1/ 4 ,运行费用仅为传统活性污泥地10 %。表1 深圳白泥坑人工湿地系统和相关污水厂经济比较工程名称总投资(万元)单位污水投资额(元/ m3)年运行费用(万元)吨水处理成本(元/ m3)单位污水占地量(m2/ m3)深圳某厂3 300 660 100 0. 20 2. 67蛇口某厂 100 0. 20珠海某厂1 500 830 100 0. 20 1. 20海南某厂547 574 36. 5 0. 20 1. 20白泥坑工程42. 9 138 = 2. 0 0. 02 2. 79有分析表明,如不考虑征地费,人工湿地投资和处理规模间有近似线性关系;当考虑征地费用时,费用和处理规模间呈凸函数形式。所以,人工湿地污水处理技术对中小城镇、居民小区及城市分散型污水处理更有其独到优越性,对中国目前正在计划建设中中、小城镇及其沿海地域污水处理厂设计和建设更有尤其关键意义。4 结语人工湿地作为一个新型生态污水处理技术,含有投资省、运行简便、处理效果稳定、出水水质好等很多优点,不失为中国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕广大中小城镇、居民小区污水处理优选方案。但因为中国人工湿地污水处理技术发展及其应用时间还相对较短,大家对其认识也有一个过程,加之技术相对滞后,所以人工湿地应有潜力未能得到深入挖掘。但从多年来国内外研究进展,尤其是中国如火如荼开发应用,及包含去污机理、动力学模型等理论深入成熟,人工湿地作为一个经济有效污水处理手段,必将成为中国污水处理关键工艺而得到广泛应用。