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我国人工湿地污水处理技术的工艺设计分析
更新时间:2021-02-18 来源:中国给水排水 作者:张翔,李子富,周晓琴等

  人工湿地污水处理技术是一种处理污水的生态处理方法,近年来在中国得到快速发展和推广应用。2009年起,国家和部分省份的职能部门颁布实施了一系列人工湿地标准,用于指导并规范人工湿地设计建设,内容主要包括人工湿地构筑物设计、污染负荷设计和水力负荷设计等三个方面的参数。比较了各个标准中潜流人工湿地的设计参数,发现不同标准的污染负荷和水力负荷差异明显。人工湿地设计面积计算结果表明,对于不同性质的废水,设计时应核算不同的设计参数,不应只根据水力负荷或仅采用污染负荷进行人工湿地设计。同时,需要考虑气候、湿地填料、深度、植物等其他因素对人工湿地处理效果的影响。

  01 我国颁布的相关人工湿地技术标准

  表1列出了我国发布的人工湿地相关标准的机构以及发布时间。

  表1 我国目前已发布施行的标准

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  从表1可见,我国最早的人工湿地技术标准是2009年由住建部标准定额研究所组织编制并发布的,近年来发布的标准包括天津规程、山东指南和广东规范。广东规范只含有水平流湿地的设计,不包括垂直流湿地的设计,山东指南、浙江规范不对潜流湿地类型进行区分,统一推荐设计参数。青海规范的内容主要是针对复合潜流湿地设计推荐的参数。

  按地区看,华东地区的标准最多,包括浙江规范、江苏规程、上海规程等,华南地区有广东规范,华北地区有北京规范和天津规程,西南地区有云南规范,西北地区有青海规范和宁夏规范。

  02 人工湿地标准中的参数与指标

  各个技术标准中,垂直流人工湿地和水平流人工湿地的设计指标有SS浓度、COD负荷、BOD5负荷、水力负荷、水力停留时间、床体深度、核心处理层厚度和核心层粒径范围。COD负荷、BOD5负荷指的是单位面积人工湿地可削减的有机污染物质量,常用于计算人工湿地床体面积。水力负荷指单位时间单位面积人工湿地接纳的污水量。水力停留时间指水在人工湿地处理区总容积内的平均停留时间。

  03 人工湿地工程设计

  人工湿地工程设计主要是面积设计计算,但是要保证良好的处理能力,湿地系统的设计深度、填料性质和粒径、植物种类等因素也非常重要。

  3.1人工湿地负荷设计

  ①进水SS和有机污染负荷指标

  SS会在湿地基质的空隙中积累,为了保证湿地正常运行,必须控制进水SS浓度。各标准钟潜流人工湿地进水SS浓度的限值如表2所示。北京规范、浙江规范和山东指南中没有对潜流人工湿地的进水SS浓度做出规定,云南规范的SS浓度最高限值为400 mg/L,明显高于其他标准。环保部规范和广东规范对水平流人工湿地的进水SS浓度要求值最低,为60 mg/L。

  表2 各标准对潜流人工湿地进水SS浓度的限值(mg/L)

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  污染负荷指标通常有COD负荷(有机负荷)、BOD5负荷(有机负荷)和其他污染(氨氮、总氮和总磷)负荷。各标准中潜流人工湿地有机污染负荷建议值见表3。大部分标准的污染负荷指标设计值仅推荐了COD负荷或BOD5负荷,广东规范和云南规范对两种指标都有推荐值。对于垂直流湿地,江苏规程的最高COD负荷可达90 g/(m2·d),而住建部导则的最高COD负荷为20 g/(m2·d)。对于水平流湿地,最高的COD负荷限值为广东规范的50 g/(m2·d),而住建部导则的最高COD负荷为16 g/(m2·d)。各标准建议两种湿地的BOD5负荷,大部分的设计值在12 g/(m2·d)以下。Li等对1990年—2015年运行超过3年的人工湿地工程的数据进行了分析,发现垂直流湿地的BOD5负荷范围为10.6~55.3g/(m2·d),而西方国家普遍为6~10 g /(m2·d)。

  表3 各标准中潜流人工湿地有机污染负荷取值   g/(m2·d)

53.png

  表3中数据显示,北京规范和云南规范的污染负荷低于环保部规范中的最小污染负荷值,北京规范的取值与住建部导则较为接近,而上海规程和江苏规程的最大污染负荷值很大程度超过了环保部规范的最大值,这可能是由于人工湿地设计的床体深度、选择的基质材料以及气候的差异造成的,对于垂直流湿地,上海规程建议粒径范围是2~6mm,而北京规范推荐的粒径范围为0.2~5mm,北京规范和上海规范其他设计指标比较接近。

  ②水力学指标

  除山东指南和云南规范外,其他人工湿地标准的适用对象都是生活污水、二级出水或类似性质污水。各标准中潜流人工湿地水力负荷建议值见表4。可以看出,垂直流人工湿地的水力负荷设计值普遍高于水平流人工湿地,各标准中垂直流湿地的水力负荷明显不同。

  表4 各标准中潜流人工湿地水力负荷建议值   L/(m2·d)

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  注:a指面积不受限情况下水力负荷值;b指面积受限情况下水力负荷值。

  3.2人工湿地深度设计

  不同标准的人工湿地床体深度和核心处理层厚度如表5所示。大多数标准中垂直流人工湿地床体深度至少800 mm,最大2000 mm,核心处理层厚度至少400 mm。宁夏规范的床体深度范围最大,为1600~2000 mm。垂直流湿地床体深度一般需根据冬季环境温度、植物种类和根系生长深度确定,以保证湿地床中必要的好氧条件和一定的保温效果。床体深度越大,水平流湿地和垂直流湿地容水量越大,间歇运行的垂直流湿地好氧条件越好,但提高了单位面积的成本,并且更换基质难度大、成本高,维护困难。水平流湿地深度至少600 mm,最大2000 mm。部分标准缺少对核心处理层厚度的建议。

  表5 各标准对潜流人工湿地深度建议值   mm

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  3.3填料性质和粒径要求

  人工湿地基质的粒径是人工湿地设计的重要参数,一方面,粒径的大小影响湿地比表面积,粒径越小,基质床体比表面积越大,对污染物的吸附效果越好,且越有利于微生物的附着生长。另一方面,粒径的减小,降低了湿地床体的水力传导性,增加了湿地堵塞风险。潜流人工湿地最常选用的基质粒径范围是4~16 mm,对于水平流人工湿地,在进水配水区和出水集水区需要使用更大粒径的基质。北京规范和宁夏规范要求填料粉末含量应符合设计要求值,但没有给出具体要求。住建部导则和广东规范要求填料粒径符合级配曲线范围,但广东规范没有给出级配曲线。各标准中潜流人工湿地基质粒径建议值见表6。另外,丹麦湿地指南要求黏土和淤泥(颗粒<0.125 mm)的含量必须小于0.5%,可供参考。

  表6 各标准中潜流人工湿地填料粒径建议值   mm

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  3.4植物要求

  各标准对人工湿地的植物部分提出植物种类选用、种植密度、种植时间、种植方法、植物驯养和植物管理等方面的建议,住建部导则、上海规程、江苏规程对植物部分的描述相对更细致。各标准对人工湿地选用植物的要求可以总结为耐污去污能力强、根系发达和生物量大、移植成活率高、耐寒、抗病害、兼顾观赏性和经济性的6个特性,部分标准提及其中3~4点。各个标准中对于植物种类、数量、种植时间的要求如表7所示

  表7 各个标准中对于植物种类、数量、种植时间的要求

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  3.5标准中的其他设计要求

  基质材料通常选用砂、砾石、沸石和石灰石等一种或多种填料组合。大部分标准未明确规定运行方式,部分提及适当采用间歇运行防堵塞,上海规程和广东规范规定可以采用连续运行、间歇运行和潮汐运行3种运行方式。只有北京规范对间歇运行的时间进行了说明:对于连续流运行的湿地池体,至少每月降低一次湿地水位,实施间歇运行3~5 d。设计使用年限仅有北京规范和山东指南提及,北京规范的设计使用年限为30年,山东指南建议质保期一般为2年。

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