环境工程设计
EnvironmentEngineeringDesign
【文章编号】1007-9467（2009）03-0055-03
潜流人工湿地的设计探讨
2
1.广州市市政工程设计研究院，广州510060；2.广东工业大学■彭勃1，李绍秀（
建设学院，广州5103）
【摘要】介绍了潜流人工湿地的表面积、横截面积的设计计算，讨论了水力停留时间、深度、湿地长和宽及其比例、水力坡度等的设计确定，为潜流人工湿地的工程设计提供参考。【关键词】潜流人工湿地；污水处理；工程设计【中图分类号】X703.1
【文献标志码】A
能耗低等优点。该技术由于处理污水的负荷小，占地面积大，因而比较适合用于乡镇二级污水的深度处理或污染程度低的河水的水质改善、地面径流的处理等。人工湿地有表面流、潜流、垂直流等形式，潜流人工湿地不像表面流那样在基质层上有自由水面而易滋生蚊虫，因而在工程中潜流人工湿地应用广泛。然而许多潜流人工湿地运行不到5a，甚至在运行不通过对潜流人工湿久，就在基质层顶上出现表面流。地的研究发现，出现表面流的大多数情况是由于不合理的水力设计和忽视达西定律造成的[1]。因此，为避免不合理的设计，本文就潜流人工湿地设计进行一些探讨。
DiscussonDesignofSubSurfaceFlow
ConstructedWetland
PENGBo1，LIShao-xiu2
(1.GuangzhouMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Guangzhou510060,China;2.FacultyofConstructionofGuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou5100,
China)
【Abstract】Thepaperintroducedthedesignofsurfaceareaandcrosssectionareaofsubsurfaceflowconstructedwetlands,discussedonthedetermineofdesignparameters,suchashydraulicretentiontime,depth,lengthandwidthandtheirratio,hydraulicslope.Thispaperprovidedthereferenceforengineeringdesignofsubsurfaceflowconstructedwetlands.
【Keywords】subsurfaceflowconstructedwetlands；wastewaterengineeringdesigntreatment；
2潜流人工湿地的设计
2.1表面积和横截面积的计算2.1.1表面积
根据美国环境保护局的资料[1]，潜流人工湿地的表面积是在去除一定量的BOD5并保证出水BOD5值达到某一要求的基础上求得，它是基于一级生化反应动力学推导出来的，表面积为
A=Q(1nCo-1nCe)／(KTdn)
（1）
式中，A为湿地表面积,m2；Q为流量,m3／d；Co为进水BOD浓度,mg／L；Ce为出水BOD浓度mg／L；d为水深，m；n为基质层介质的孔隙率，%；KT为某温度T下的反应速率常数，d-1；
KT由下式计算KT=K20×1.06T-20
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1前言
人工湿地是欧美于20世纪70年代发展起来的一项污水生物处理技术，是利用“土壤—植物—微生复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作物”
用,通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物同化分解和植物吸收等途径去除废水中的悬浮物、有机物、氮、磷和重金属等的技术，具有投资少、维护简单和
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式中，K20为20℃时反应速率常数，美国环境保护局的资料为1.104d-1，有些报道为1.84d-1(中砂介质，最大粒径1mm，占10％)；1.35d-1(粗砂介质，最大粒径2mm，占10％)；0.86d-1(砾砂介质，最大粒直径8mm，占10％)[2]。2.1.2横截面积
潜流人工湿地的水流在多孔介质中流动，其通过的流量可以用达西定律来表达：
Q=ACKSS从而AC=Q／(KSS)
（2）
式中，AC为横截面面积（宽×深），m2；KS为水力传导率，m3/(m2·d)；Q为流量，m3／d；S为水力坡度，m/m。
水力传导率跟基质层采用的介质有关，在介质类型及其级配确定后应通过实验来确定。美国国家环保局用清水测得的水力传导率见表1[1]。
表1潜流人工湿地中典型的介质特性
5]
。从式（3）可看出，当流量和湿几天到十几天不等[4，
地床的基质介质和深度确定后，停留时间越长，意味着湿地的面积越大，湿地的水力负荷就小，处理效果就有保障，但占地大。2.3深度
湿地深度大小要考虑到植物根系输氧所能到达的深度。在美国大多数的潜流人工湿地基质层介但发现大多数情况下，植物根部质的深度为0.6m，
仅能深入基质层0.3m或更少，因而，深度一般需要根据湿地所栽种植物的种类及根系的生长确定，以保证湿地单元中必要的好氧条件，深度太大会导致根系无法输氧到底部，同时也容易造成死水区[6]。2.4湿地长和宽及其比例
由式(2)确定湿地横截面面积及设定湿地深度后，即可得到湿地的宽度W：
W=AC/d式中，各符号意义同前。
（4）
DÁ/mm /% /[mÃ/mÄ·d] Â（4）式算出的宽度是湿地通过的流量为设计流
2 32 1 000
8 35 5 000 量时的最小宽度，如果设计的宽度小于最小宽度，
16 38 7 500
那么根据达西定律湿地横截面的过流量就小于设 32 40 10 000
128 45 100 000
计流量，湿地运行时不可避免地出现表面流。
表中水力传导率是在基质层中水流接近层流而非紊流情况下得到的，同时基质层也是清洁而没有堵塞的。处理实际污水时，由于悬浮物的去除往往出现在进水区域，使基质层实际状况与上述的测定条件出现偏差。因此，美国环境保护局建议，为安全起见，在污水处理设计时取小于上述水力传导率数值的1/3作为有效水力传导率。2.2水力停留时间
水力停留时间t可以用下式表示：t=Vn/Q=Adn/Q前。
在湿地处理污水过程中，潜流湿地的孔隙率随着时间而变化，其孔隙水头损失也随时间而变，处理系统的水力停留时间很难准确确定。研究表明[3],实际水力停留时间通常为理论值的40%～80%。
从已经运行的潜流人工湿地来看，停留时间从
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确定湿地宽度后，用已经求出的表面积除以宽度W即可得湿地长度L：
L=A/W
潜流湿地处理单元绝大部分的BOD和悬浮物的去除发生在进水区几米的区域，因此资料建议[6]，潜流湿地处理单元长度应控制在12m～30m。Kollaard和Tousignant建议[7]，潜流湿地处理单元长度最小取15m。
长宽比是个很重要的参数，据资料介绍[1]，许多
（3）
早期设计的潜流人工湿地深度0.6m而长宽比为10：1甚至更大时，不可避免地出现了表面流。实际上，长宽比影响到湿地横断面的过流量，因此确定湿地得不恰当就会出现表面流现象。王薇等建议[8]，常采用1∶1，对于以长宽比应控制在3∶1以下，
土壤为主的系统，长宽比应小于1∶1。美国国家环保局认为，合适的长宽比为0.6∶1～3∶1，这与王薇等的建议一致。
式中，V为湿地基质层体积，m3；其他符号意义同
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2.5水力坡度
水力坡度是个很重要的设计参数，它决定了湿地系统所具有的水头能否克服基质层多孔介质的阻潜流湿地水力坡度取0.15%～力。Chalk等建议[9]，
1%，而王久贤建议[10]，潜流湿地水力坡度取1%。对在实际运行以砾石为填料的湿地床一般要取2%[9]。
时，可以调节出水的水位以控制进出水的水头差来保证一定的水力坡度。这样，可以较灵活地避免了因基质层堵塞导致水头损失增大而水不能顺利流至出口的弊端。2.6基质介质的种类
基质介质一般有砂、砾石、矿渣等，而介质材料的选定要考虑是否除磷。石灰石和硅灰石是较好的潜流人工湿地除磷基质，它们的除磷容量比普通砂子高出几十倍。陶粒的水力渗透性和保温性能比较好，而且陶粒的除磷容量可以通过加工过程添加钙化合物得以提高，所以也是可选择的除磷基质材料
[12]
按式（1）计算湿3）确定要达到的BOD5去除率，地的表面积。
4）根据现场用地的几何尺寸，选择初始的长宽比从0.4：1～3：1。
5）按式（4）计算最小的宽度，再按长宽比计算湿地的长度和宽度，此时的宽度要大于最小宽度。
【参考文献】
【1】UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency.Subsurface
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【8】王薇,俞燕,王世和.人工湿地污水处理工艺与设计[J].城市
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。而炉渣其水力传导性能良好，在除磷要求不高的
情况下也可以选用。2.7植物及种植密度
潜流人工湿地种植的植物有挺水植物芦苇、香蒲、美人蕉、花叶芦竹、风车草等。应因地制宜，考虑到经济效益、生物多样性和景观协调性选择湿地植物。
植物种植密度一般在进水区稍微密些，为进水提供絮凝沉淀条件。
【9】ChalkEandWhealeG.Theroot-zoneprocessatHoltby
SewageTreatmentWorks[M].JWEM，19.
【10】王久贤.白泥坑人工湿地水力学计算研究[J].广东水利
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【11】华涛，周启星，贾宏宇.人工湿地污水处理工艺设计关键
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究[J].沈阳建筑大学学报，2006，22（6）：985-988.
【收稿日期】2008-10-14
3小结
潜流人工湿地的合理设计是恰当地计算湿地的表面积，合理地确定长宽比和湿地宽度、水力坡度、深度，将上述参数用达西定律计算得到的流量要大于等于设计通过的流量，这样才能保证不至于出现表面流。以去除BOD5为目的潜流人工湿地的设计归纳为以下步骤：
1）确定介质种类及其级配、植物类型和床的深度。
2）现场或实验室确定介质的孔隙率和有效水力传导系数。
作者简介
彭勃（1968～），男，湖南祁阳人，高级工程师，从事污水处理厂的设计工作，（电子信箱）water@gdut.edu.cn。
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