[科普中国]-湿地处理系统

原理

人工湿地(constructed wetland，简称CW)污水处理技术是20世纪70年代末发展起来的一种污水处理和水环境修复技术2，其是从生态学原理出发，模仿自然生态系统，人为将土壤、沙、石等材料按一定比例组成基质，并栽种经过选择的耐污植物，培育多种微生物，组成类似于自然湿地的新型污水净化系统。美国著名的湿地研究、设计与管理专家Hammer博士等将人工湿地定义为“一个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体”。夏汉平对其定义进行了修改：人工湿地是通过模拟自然湿地的结构和功能，选择一定的地理位置与地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地。1974年联邦德国建造世界首个人工湿地处理系统，随后该工艺在欧洲、美国和加拿大等国得到了推广和应用，我国也于20世纪90年代开始人工湿地的研究和应用。

类型湿地处理系统可分为以下几种类型。（姜应和，谢水波主编,水质工程学 下册,机械工业出版社,2010.11,第195页）

天然湿地系统利用天然洼淀、苇塘，并加以人工修整而成的湿地系统。其中设导流土堤，使污水沿一定方向流动，H一般在30～80cm之间，不超过1.00m，净化作用与好氧塘相似。

自由水面人工湿地人工筑成水池或沟槽状，地面铺设隔水层以防渗漏，再充填一定深度的土壤层，存土壤层种植芦苇一类的维管束植物，污水由湿地的一端通过布水装置进入，并以较浅的水层在地表上以推流方式向前流动，从另一端溢入集水沟，在流动过程中保持着自由水面的湿地系统。有机负荷为18～110kg(BOD5)/(ha·d)，范围较大。

人工潜流湿地处理系统人工潜流湿地处理系统是指由人工筑成的床槽，床内充填介质支持芦苇类的挺水植物生长，床底设粘土隔水层，并具有一定坡度的湿地系统。污水从沿床宽度设置的布水装置进入，水平流动通过介质，与布满生物膜的介质表面和溶解氧充分的植物根区接触，在这一过程中得到净化。

其中，人工湿地按污水在其中的流动方式可分为两种类型：

①水面式人工湿地(简称FWS).②潜流型人工湿地(简称SFS)。FWS系统中．废水在湿地的土壤表层流动，水深较浅(一般在0.1～0.6m)。与SFS系统相比．其优点是投资省．缺点是负荷低。北方地区冬季表面会结冰．夏季会滋生蚊蝇、散发臭味，目前已较少采用。而SFS系统．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，是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统．但此系统的投资比FWS系统略高。

工艺流程人工湿地的工艺流程有多种，目前采用的主要有：推流式、阶梯进水式、回流式和综合式4种。阶梯进水可避免处理床前部堵塞，使植物长势均匀．有利于后部的硝化脱氮作用；回流式可对进水进行一定的稀释．增加水中的溶解氧并减少出水中可能出现的臭味。出水回流还可促进填料床中的硝化和反硝化作用，采用低扬程水泵，通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。综合式则一方面设置出水回流．另一方面还将进水分布至填料床的中部，以减轻填料床前端的负荷。

人工湿地的运行可根据处理规模的大小进行多种方式的组合．一般有单一式、并联式、串联式和综合式等。在日常使用中，人工湿地还常与氧化塘等进行串联组合。

适用范围目前，湿地处理系统应用范围较为广泛，涉及受污染地表水、湖泊水体修复、生活污水、城镇综合废水、工业废水、养殖水体、景观用水、医疗废水、城市及农村面源污染、无公害农业灌溉用水等方面，应用的规模按工程要求有大有小，从每天几吨到十几万吨不等。对于低浓度污水和受污染地表水等，其处理系统可以由天然的河流、湖泊环境．或者非湿地生态系统改造而成，可以改造成人工湿地的类型包括沼泽地、潜水湖泊、河流等，而且湿地植物主要以多年生草本植物为主，包括香蒲、灯心草、芦苇等：而用于生活污水处理的CW系统，尽管占地面积较大，吨水用地是其他处理方法的数倍，但其具有处理效果好、运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等特点，尤其是其投资运行费用远远低于常规二级污水处理设施，比较适合于技术管理水平不高，规模较小的城镇或乡村的污水处理设施。

关键技术参数水力负荷：湿地的水力负荷与建造地点的水文因素以及处理水的有机负荷密切相关。水文因素包括当地的气候、土壤条件(特别是渗透性)和植物种类。水力负荷一般为150~500 m/(ha~50。

水位：湿地进水的水位是不变的，为使污水在床体内以推流式流动，需对床层的水位加以控制。如潜流式湿地床的水位控制：当接纳最大设计流量时，进水端不能出现雍水现象；当接纳最小流量时，出水端不能出现填料床面的淹没现象。应有利于植物生长，床中水面浸没植物根系的深度应尽可能均匀。

水力停留时间：为了达到一定的处理效果，必须有一定的水力停留时间。水力停留时间受湿地长度、宽度、植物、基底材料空隙率、水深、床体坡度等因素的影响。处理初级和二级出水时，6~7 d的停留时间较好。停留时间太短，会使污染物降解不够充分，同时造成流速太大破坏植物的生长；停留时间过长，造成水流停滞和大面积厌氧区，影响湿地处理效果。同时应当考虑气候及天气因素的影响。

几何尺寸：湿地床长度通常应为20~50 m。过长，易造成湿地床中的死区，且使水位难以调节，不利于植物的栽培。此外，湿地的长宽比也不应过大，建议控制在3:1以下，长宽比不满足条件时，可用分置单元的措施处理。床深一般须根据湿地床水位确定，以保证湿地床中植物的生长及必要的好氧条件。对于芦苇湿地系统，处理城市或生活污水时，床深一般取0.6～0.7m。

床横截面面积：与温度、有机负荷无关，只受填料的水力学特性影响。在借鉴有关经验的基础上人们建议，通过填料横截面的平均流速为Q/A。以不超过8.6 m/d为宜，以避免对填料根茎结构的破坏。湿地床底坡一般取1%～8%，须根据填料性质及湿地尺寸加以确定，对以砾石为填料的湿地床一般可取2%。