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【摘 要】构建湿地是应用于生活污水和工业废水净化处理的新型技术。它通过人工建立的半自然湿地生态系统中基质、湿地植物和基质内微生物三者的共同作用达到净化污水的目的，显示出了较好的净化效果。其水力学因素对于系统处理效果的影响较大。国内对于构建湿地系统的内部机理，特别是对水力学方面的研究较少，成为限制污水净化效果显著提高的主要原因。相对于构建湿地污水处理技术较成熟的国家，我国目前构建湿地的设计主要借助于传统的经验公式和实际工程经验，只有少数工作对湿地运行中和建造设计时的水力学问题有所关注，且尚未得到规律性结论。
【关键词】人工湿地；水力学；设计
人工湿地技术是一项建造和运行费用低、水质净化效果较好的污水资源化生态工程技术，其水力学因素对于系统处理效果的影响较大，而国内对于人工湿地系统内部机理，特别是对水力学方面的研究较少。目前湿地的构建设计往往主要借助传统经验公式和实际工程经验，影响了人工湿地净化功能的有效发挥。为此本文对人工湿地系统的重要水力学问题和优化设计进行了较全面地研究，并提出了新型的优化设计方法。
1 我国污水处理的现状
目前我国污水处理和回收利用主要问题有：
1）污水处理技术水平较低，工程投资较大，处理成本较高许多污水不经处理或经简单处理即用于农业灌溉或直接排放，造成了一系列的水环境污染和土壤、农作物污染问题。
2）随着城市和企业的发展，现有水处理设施的处理效率低下，处理能力严重不足，许多污水处理厂急需技术改造。
3）水体污染日趋严重，水体富营养化严重威胁着中国各大城市的供水安全。
4）乡镇企业污水任意排放和污水长期灌溉造成农村水环境和土壤生态环境恶化，影响中国农业的可持续发展。
一方面水资源匾乏，另一方面大部分污水未经处理或有效处理就直接排放掉，水污染又促使水资源短缺进一步加剧，形成了恶性循环，水污染和水资源匾乏已经成为制约社会经济发展的重要因素之一，水问题已引起世人瞩目。
2 污染水体修复的生态工程技术概述
生态工程技术是当前水环境修复技术的研究开发热点。因为大自然在发展变化的长期过程中，本身已经具备了自我净化、自我完善的强大能力，使得自然界得以持续而有序地运行。其中水体的自然生物净化能力，在人类出现之前的远古时期，就保证了自然界江河湖泊的水体洁净。所以，目前开发的水体生物一生态工程修复技术，实质上是按照仿生学的理论对于自然界恢复能力与自净能力的强化。可以说，按照自然界自身规律去恢复自然界的本来面貌强化自然界自身的自净能力去治理被污染水体，这是人与自然和谐相处的合乎逻辑的治污思路，也是一条创新的技术路线。
生物-生态工程修复技术也具有以下优点首先是处理效果好其次是工程造价相对较低，不需耗能或低耗能，运行成本低廉。所需的微生物具有来源广、繁殖快的特点，如能在一定条件下，对其进行筛选、定向驯化、富集培养，可以对大多数有机物质实现生物降解处理另外，这种处理技术不向水体投放药剂，不会形成二次污染。所以，这种廉价实用技术不仅适用于我国江河湖库大范围的污水治理工作，也同样可用于诸如居民生活区等小范围的污水回收和治理工作，甚至用这种生态工程的技术可以与绿化环境及景观改善相结合，在治理区建设休闲和体育设施，从而创造人与自然相融合的优美环境，促进人于自然的协调发展。
3 人工湿地系统水力学的优化设计
3.1 水力学参数的设计
对于设计一个湿地污水处理系统，首先要根据当地的污水排放标准来确定此湿地系统的处理效率，也就是污染物浓度的去除率。所以，可以将其转变为污染物浓度去除率f的表达式：
为了方便讨论，以COD污染指标为例，去除效果也反应了污染物的COD去除率。但根据上述水力学特性的研究可以看出，试验的污水是可生化降解的，因此，本试验中COD的去除效果也可以反应系统有机物的去除效果。根据工程经验，一般湿地床一级反应COD去除速率常数kv为1.27d-1。对于以砾石为基质的湿地渗透系数K，欧洲人建议取10-3m/s，而美国的经验认为K不宜大于10-4m/s。我国构建湿地一般采用砂石为基质，根据工程经验取K = 9.26*10-5m/s=8m/d。水头损失设为O.O5m。这样，就可以设计垂直流构建湿地的深度。如设计污水COD去除f为0.8时，将上述参数取值就可算出，系统的深度为0.71 m。将不同设计深度下湿地的处理效率绘成关系曲线。
图1 系统深度与去除效率的关系
由图可见，当系统深度比较小的时候，湿地污染物的COD去除效率随系统深度增加的比较快。说明较深的湿地系统对于污水的净化效果是比较好的，但是，当系统深度达到一定值后，去除效率随系统深度增加的很慢，说明过深的湿地系统并不能显著增加系统COD的去除率。这提醒我们在设计系统深度时，不要一味地认为系统越深，污水净化效果越好，而要考虑多方面的因素和影响。一般要求湿地污水处理系统去除率达到80%以上，从图中可以看出，要达到80%的去除率，此时系统深度应设计为0.7-1.2m比较经济合理。
3.2 水力停留时间的优化设计
从人工湿地处理系统的净化机制可以看出，系统对各种污染组分净化功能的发挥，主要是靠微生物生长、繁殖、代谢等过程中产生的各种作用来完成。因此，水力停留时间与出水效果之间的关系这一问题的研究必须从微生物出发。所以在此引入较一级模型先进的monod模型来分析和讨论。
有了上述基础，在对人工湿地污水处理系统研究时，我们假设污水在系统中以平稳、等速、不受干扰的方式下渗，其流动模型符合活塞流动模型基本假设。由于前述基质比降解速度方程是单一底物、无抑制条件下导出的，因此也假设系统内为单一组分影响及无抑制作用，且系统内微生物为固定附着在载体上，不随污水流动。根据上述假设，由于活塞流动模型内的参数均不随时间变化，但却沿着模型轴向位置而变。因此只能取-微分体积做其物料衡算。在等温条件下，其组成沿物料流动方向而变化。
基质出水浓度与水力停留时间是负指数关系，这与提到的一级反应动力学方程模式是一样的。这种情况实际上是基质浓度远远小于基质的饱和常数，微生物的比增长速度和基质的比降解速度都随基质浓度的增加呈线性关系增长。当进水基质浓度恒定时，出水基质浓度则随水力停留时间的加长而呈负指数关系递减。在人工湿地污水处理系统中，各污染组分的出水浓度与水力停留时间之间的关系严格地说，是一种类指数关系，它实际是一条直线和一条负指数曲线叠加而成，而并非纯指数关系。这就区别于前面提到的一级反应方程式，而是否可以用一级反应替代，应视具体情况综合考虑基质浓度、基质饱和常数、最大比降解速度等对拟合程度的影响再定。所以在设计计算和预测中我们不能一概而论。
构建湿地是一项高效、低耗的污水资源化生态处理工程技术，在水质净化技术领域日益受到人们的重视，但由于目前尚未完全掌握其净化机理与相关的水力学因素，湿地构建缺乏完整的设计资料和规范，出现了湿地的净化效率不高，占地面积较大等问题，湿地处理技术的优势没有得到充分体现。当前急需对构建湿地深入开展研究工作，以促进其在污水净化与资源化实践中得到合理、有效的应用和不断的发展。
参考文献：
[1]芦秀青.垂直流人工湿地水力学规律与数学模型研究[D].华中科技大学，2010.
[2]吴应玲.构建湿地水力学参数最优化设计研究[D].东华大学，2008.
[3]孔庆玲.人工湿地水力条件优化设计[D].中南林业科技大学，2012.
论文作者:阮小丽
论文发表刊物:《低碳地产》2016年第8期
论文发表时间:2016/9/1
标签：湿地论文; 水力学论文; 系统论文; 基质论文; 污水论文; 水体论文; 污水处理论文; 《低碳地产》2016年第8期论文;