潜流人工湿地水力设计浅议

潜流人工湿地水力设计浅议
总第 153 期
下作用： ①为水生植物提供附着床； ②有利于入 水口均匀布水及出水收集； ③为微生物生长提供 表面积； ④过滤和拦截固体颗粒。 为使植物成活， 表层基质粒径大小应该在合理范围内， 一般要求基 质床表 层的基质粒 径不大于 20 mm， 深 度 不 小 于 100 mm， 但 要避免表 层 基 质 粒 径 过 小 而 掉 入 下 层 基质的空隙中。
结合有关研究成果， 潜流人工湿地基质床设 计基于两个假设： ①人工湿地运行稳定后， 由于 悬浮物沉积等原因， 处理区前段的水力传导度降 低为初始时的 1/100， 处理区后段的水力传导度降 低 为 初 始 时 的 1/10； ②假 设 潜 流 人 工 湿 地 的 水 流 运动符合达西定律。
基于以上两点假设， 举例说明潜流湿地基质 床的设计步骤。 基本信息如下： 流量 Q=200 m3/d， BOD=100 mg/L， TSS=100 mg/L； 要 求 出 流 BOD≤ 30 mg/L， TSS≤30 mg/L； 推荐污染物负荷 ALRBOD= 6 g/m2·d， ALRTSS=20 g/m2·d； 基 质 床 使 用 粒 径 为 20~30 mm 的 砾 石 ， 清 洁 砾 石 的 水 力 传 导 度 K= 100 000 m/d， 则 湿 地 运 行 稳 定 后 处 理 前 段 的 水 力 传 导 度 K1=1 000 m/d， 处 理 区 后 段 的 水 力 传 导 度 K2=10 000 m/d； 基 质 床 底 坡 s=0.5%； 处 理 区 后 段 起始点水深 DWf=0.4 m； 估计入水端水深DW0=0.4 m， 设 计 基 质 床 深 度 Dm=0.6 m； 处 理 区 前 段 最 大 允 许 水头损失 dh=10%Dm=0.06 m。
基质床的上表面应水平或接近水平， 这样有 利于种植水生植物和日常维护， 因此， 基质床的 底坡应顺应水力坡降以维持水深不变。 但是， 水 力传导度沿程是变化的， 且随时间也是变化的， 因此用这种方法确定基质床底坡是不切合实际 的。 基质床的底坡应该满足湿地的排水要求， 尽 量使底坡沿流向保持一致。 目前还没有足够的试 验数据表明什么样的坡度才是最佳坡度， 但是从 利于排水和易于施工的角度讲， 0.5%~1%是比较适 合的。 2.3 基质床深度
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h） 确定基质床深度。 出于美观和便于施工等 原因， 基质床上表面一般设计成水平的， 因此基 质床上表面的高程必须高于湿地中任一点的水面 线 高 程 。 对 于 本 例 来 说 ， 进 水 端 水 面 线 高 程 Ew0= 0.59 m， 则 基 质 床 上 表 面 高 程 确 定 为 0.65 m 为 宜， 则：
比较少。 本文 将参照 EPA 已有 的设计手册 和应用 指南， 着重论述潜流式人工湿地的水力设计方法。 1 潜流人工湿地结构
典型的潜流人工湿地包含以下几部分： 基质 床、 湿地植物、 布水和排水系统、 防渗系统， 其中 基质床又可分为布水区、 处理区和集水区。 美国人 工 湿 地 设 计 手 册 （EPA,1999） 将 处 理 区 又 分 为 处 理区前段 （约为床体总长度的 1/3） 和处理区后段 （约为床体总长度的 2/3）。 该手册认为由于污水中 悬浮物质的沉积、 不溶有机物质的堵塞等原因， 潜 流人工湿地运行稳定后， 其水力传导度将大大降 低， 越靠近进水端堵塞问题将越严重， 水力传导度 也越低， 因此水力设计应分段进行。 潜流人工湿地 典型构成示意图见图 1。 2 潜流人工湿地基质床设计一般原则 2.1 基质床填料粒径选择
进 水 端 基 质 床 深 度 Dm0=0.65 -Eb0=0.65 -0.18 = 0.47 m；
处 理 区 后 段 起 始 点 基 质 床 深 度 Dmf=0.65-Ebf= 0.65-0.13=0.52 m；
出水端基质床深度 Dme=0.65-0=0.65 m； 进水端基质 床上表面距 水面线 距 离 Dtw0=0.65Ew0=0.65-0.59=0.06 m； 处理区后段起始点基质床上表面距水面线距 离 Dtwf=0.65-Ewf=0.65-0.53=0.12 m； 进 水 端 基 质 床 上 表 面 距 水 面 线 距 离 Dtwe=0.65Ewe=0.65-0.52=0.13 m； 以上计算涉及的主要参数图示说明见图 2。 该 计 算 是 美 国 人 工 湿 地 设 计 手 册 （EPA,1999） 推 荐 的潜流人工湿地水力设计方法和步骤。 可以看出 该方法条理清晰， 简单易操作， 但也存在局限性： ①在应用达西公式时， 过水断面的计算采用了近 似方法， 例如计算处理区后段的水头损失时， 采 用的是处理区后段起始点的水深， 事实上后段的 水 深 是 变 化 的 ， 拿 本 例 来 说 ， 是 从 0.4 m 变 化 到 0.52 m； ②本 方法确定处 理区后段起 始 点 水 深 后 ， 需要估计入水端的水深， 当估计值与复核值之间 存在较大误差时， 需重新估计， 重复上述计算步 骤； ③在可供建造人工湿地的地块长、 宽受限时， 本方法不适用。 鉴于 EPA 推荐方 法的局限性 ， 必要时可 采 用 如下公式进行水力计算：
0 前言 与传统的污水二级生化处理工艺相比， 人工
湿地污水处理技术具有净化效果好、 去除氮磷能 力强、 工艺设备简单、 运行维护管理方便、 能耗 低、 系统配置可塑性强、 工程基建和运行费用低、 出水具有一定的生物安全性、 生态环境效益显著 并美化环境等特点。 目前， 人工湿地技术在发达 国家及发展中国家的生活污水处理中得到了广泛 应用， 许多国家为此制定了设计手册及应用指南。
我国利用人工湿地处理污废水的历史较短、 经验不足， 还没有形成系统的设计方法及理念。 目前国内比较系统地论述人工湿地的专著不多， 一般着重论述背景知识和机理， 对实际设计方法 和流程论述不够系统详尽， 不能满足实际工程设 计的需要。 根据水的流动状态， 人工湿地一般分 为表面流人工湿地和潜流人工湿地， 因为表面流 人工湿地占地过大且容易滋生蚊虫， 在国内应用
为避免根区底部出现过大优先流， 水深不宜 过深， 但是如果水深过浅， 在同样的负荷下水力 停留时间将减少， 会影响处理 效果。 因此 EPA 推 荐布水管处的最大水深为 0.4 m， 基质床上表面应 高于潜水面 0.1 m。
2.4 基质床的长度和宽度 基质床的宽度一般由达西定律计算得到， 与
水深、 水力传导度及水力坡降有关。 一般认为基 质床 最大宽度不 应超过 61 m， 如果 按 达 西 公 式 计 算出来 的宽度大于 61 m， 应将人工湿 地 分 割 成 几 个单元。 有学者发现， 在潜流式人工湿地中， TSS 和 BOD 的去除主要是在靠近布水区的几米范围内 效果最显著， 但仍然建议基质床的最小长度不应 小于 12~30 m， 以有效避免短流。 EPA 推荐最小长 度不小于 15 m。 3 潜流湿地基质床水力设计
EWo
Dmo DWo
布水区
Ebo
8
基质床上表面 潜水面
EW f
Dmf Dwf 处理区前段
Eb f Li
处理区后段 S=0.5% Lf
图 2 潜流人工湿地水力设计示意图
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王丽影，肖许沐，曾令奎，胡和平
（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610）
摘 要： 人工湿地水处理技术是模拟自然条件人为创建湿地， 利用自然界微生物学、 生物学、 物理和化学过 程来处理污水， 在发达国家应用非常广泛。 目前我国对人工湿地的设计还没有形成规范化的标准和导则。 着 重论述 EPA 人工湿地手册中潜流人工湿地的水力设计理论、 步骤等， 并针对其局限性提出了改进措施， 以期 为国内的人工湿地工程设计提供技术参考。 关键词： 潜流人工湿地； 水力设计； EPA
有学者认为， 人工湿地的处理效果受到植物 根系最大穿透深度的限制， 因此建议将基质床的 深度设计为作物最大根系深度。 还有学者认为， 基质床底部应预留一定富余， 从而为污水中的固 体颗粒富集提供空间。 目前美国已建成的潜流人 工湿地， 基质床深度一般在 0.3~0.7 m 范围内， 大 量学者推荐此参数应在 0.4~0.6 m 范围内。
布水区和集水区基质粒径要求在 40~80 mm 之 间， 以避免堵塞。 布水区长度不小于 2 m， 集水区 长度不小于 1 m。
试验表明， 当用土壤或沙作为基质时， 即使 污水中的悬浮物很少， 基质床还是极易堵塞而造 成表面流， 所以人工湿地不宜用土壤或沙作为基 质。 用砂砾和小石头作为基质， 粒径越小就越容 易堵塞， 而粒径过大则施工困难且难以维护。 一 般 要 求 处 理 区 基 质 的 平 均 粒 径 在 20~30 mm 且易于 施工。 2.2 基质床底坡
根据 EPA 人工湿 地设计手册 ， 基 质 主 要 有 以
宽 （W 度
） 入 口 区 域
坡顶 处
理 带
出 口 带
口
出
净 化 水
预处理支流
排水渠
深度 （H）
衬垫
长度 （L）
坡 底 （≤1% ）
图 1 美国人工湿地设计手册 （EPA， 1999） 潜流人工湿地组成示意图
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c） 利用达西公式确定处理区前段的长度， 计 算式为： Li=Asi/W=1 000/91.3=11.0 m。
d） 利用达西公式确定处理区后段的长度和水 头损失， 计算式为：
Lf=Asi/W=2 333/91.3=25.6 m 该 段 水 头 损 失 为 ： dhf=QLf/KfWDwf=200 ×25.6 / 10 000×91.3×0.4=0.01 m e） 利用给定的底坡确定基质床底部高程。 出水端底部高程： Ebe=0 (高程参考点)； 处 理 区 后 段 起 始 端 底 部 高 程 ： Ebf=sLf=0.005× 25.6=0.13 m； 入水端底部高程： Eb0=s（Li+Lf） =0.005× （11.0+ 25.6） =0.18 m； f） 利用水头损失确定水面线高程。 处 理 区 后 段 起 始 点 水 面 线 高 程 ： Ewf=Ebf+Dwf= 0.13+0.4=0.53 m； 出 水 端 水 面 线 高 程 ： Ewe=Ewf-dhf=0.53 -0.01 = 0.52 m； 进 水 端 水 面 线 高 程 ： Ew0=Ewf+dhi=0.53 +0.06 = 0.59 m； g） 根据底坡和水头损失复核计算水深与设计 水深。 入 水 端 水 深 ： Dw0 =Ew0 -Eb0 =0.59 -0.18 =0.41 m (约等于设计值， 复核合格)； 处 理 区 后 段 起 始 点 水 深 ： Dwf =Ewf -Ebf =0.53 0.13=0.40 m； 出水端水深： Dwe=Ewe-Ebe=0.52-0=0.52 m；