关于人工湿地设计的研究与分析

人工湿地（CW—Constructed Wetland)污水处理技术是70年代末发展起来的一种污水处理新技术。它具有处理效果好、氮磷去除能力强，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，比较适合于技术管理水平不很高，规模较小的城镇或乡村的污水处理。
人工湿地的净化机理：人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。


湿地处理系统的设计
1.选址考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关法律及公众意见。应因地制宜，尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地，一方面减少土石方工程、利于排水、降低投资，另一方面防止对周围环境产生影响。
2.确定系统组合形式根据场地特征、处理要求和所处理污水的性质来确定。单一式、并联式、串联式、综合式。
3.确定水力负荷 根据文献或经验而定。
4.选择植物根据湿地植物的耐污性能、生长能力、根系的发达程度以及经济价值和美观等因素来确定。一般有芦苇、席草、大米草、水葫芦、水花生等，最为常用的是芦苇，插植密度为1~3株/m2。
5.计算表面积 As=Q/a：As—表面积；Q—进水流量；a—水力负荷。
6.确定长宽比
（1）表面流湿地：长宽比10：1或更大，根据地形来考虑，底坡降0%~1%。
（2）潜流湿地：根据达西定律Q=Ks*A*S
S—水力坡度；A—湿地床横截面积；Ks—潜流渗透系数。或厄刚公式As=5.2Q[LN（So-Se）]，So—进水BOD浓度；Se—出水BOD浓度；As—湿地床表面积。


7.结构设计
（1）进出水系统的布置：湿地床的进水系统应保证配水的均匀性，一般采用多孔管和三角堰等配水装置。进水管应比湿地床高出0.5m。湿地的出水系统一般根据对床中水位调节的要求，出水区的末端的砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内的水位。
（2）填料的使用：湿地床由三层组成表层土层、中层砾石、下层小豆石。表层土钙含量在2~2.5kg/100kg为好；砾石层粒径在5~50mm，铺设厚度0.4~0.7m。
（3）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；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。
8.编制施工计划
9.修改设计根据出现的问题对设计进行相应的修改。
10.施工
11.试运行
12.竣工交付使用


下面简要介绍一下比较常见的几种生物膜污水处理工艺
　　
1、颗粒型生物膜反应器
　　
1.1上流式污泥床(USB)
上流式污泥床(USB)是20世纪70年代末由荷兰Lettinga开发的又一项新的颗粒型生物膜反应器，主要用于厌氧生物处理系统中，即UASB。它主要由配水系统、污泥床、三相分离器等组成。反应过程中产生的气体将污泥和污水进行充分混合，三相分离器将颗粒污泥、气体和污水进行分离，污泥保留在反应器中，气体和处理后的出水排出反应器。
1.2污泥膨胀床(EGSB)
2O世纪8O年代后，又出现了新的颗粒污泥反应器，其中以污泥膨胀床(EGSB)和内循环反应器(Ic)最具有代表性。EGSB与USB的结构类似，但其高径比更大，上升流速更快，颗粒污泥处于膨胀状态。
1.3气提生物膜反应器(BAS)
以上两种是在以前污水处理中应用较多的两种类型，随着技术的进步与提高，在2O世纪8O年代末，一种新型的颗粒型生物膜反应器被开发并应用于工业。它与以往的颗粒型生物膜反应器不同的是，混合方式是由外部引入的气体将污泥和污水进行混合，是完全混合的方式，被称为气提生物膜反应器(BAS)。它主要由上升区、下降区和污泥沉降区组成，根据气源的不同，可分为好氧型气提床和厌氧型气提床。其中好氧型的气源为空气，厌氧型的气源一般为惰性气体或循环利用的空气。由于它既可用于好氧处理系统，又可用于厌氧处理系统，因此应用领域非常广泛。

　　
2、水力自旋传质填料生物膜反应器
　　
2.1 常规填料的主要缺陷：
填料是生物反应器的关键部位，但目前应用中的填料所起的作用却较为单一，只是作为生物的载体，提供反应场所，并为生物反应器提供较高的微生物量，却不能为生物反应创造良好的传质扩散条件。由于结构形式不合理，现有的生物反应填料为混合液提供的流道无规律可循，对生物反应过程中流体的流态控制不符合多相流体力学的物系传质机理，使得多相物系之间，即生物细胞与有机底物之间的传质扩散效率不高，从而导致生物底物利用率低、生物反应时间长、能耗大、效率低等现象的出现。
SCMT(self-circle-mass-transfer)型自旋传质生物载体填料便是针对上述情况开发出一种在形状、结构等方面能够创造和满足反应器内理想传质条件的填料。
2.2 SCMT的特点及优势：
(1)SCMT型自旋传质填料与常规聚丙烯阶梯环填料相比，具有相近的技术参数，但却能够在保持出水水质的前提下，有效地减少反应时间和降低能耗，通过对对比试验数据的分析认为，其原因在于SCMT型自旋传质填料能够在反应器内创造更为理想的传质条件，提高传质速率，从而减少反应时间，并降低能耗。
(2)SCMT型自旋传质填料在气流作用下的无规则旋转，提高了整个反应器内的水流、气流的紊流程度。SCMT型自旋传质填料可将水中的气泡剪切成更加微小的气泡，增大了传质接触表面，使物相接触表面不断更新，并减小传质接触表面的气膜、液膜厚度，从而提高了传质速度。
(3)使用SCMT型自旋传质填料生物反应器处理城市污水，可以在停留时间为1h，气水比为4：1的情况下，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中规定的二级标准。

　　
3、活性污泥一生物膜一体化反应器：
　　
活性污泥一生物膜复合一体化反应器的设计是基于传统的A／O工艺。反应器为同心圆结构，由内到外依次分为厌氧区、曝气区和沉淀区，该反应器的主要特点是：
(1)反应区和沉淀区在立体空间上的巧妙结合实现了结构的一体化。结构一体化是针对传统污水处理方法通常是由多个单元操作组成的复杂工艺程的弊端而提出和发展起来的。传统的污水处理工艺各处理单元分设，必然增加基建投资、污水污泥回流管路设备投资以及占地面积，而结构一体化装置具有工艺简捷、结构紧凑、占地少、管理简便、投资省等优点。
(2)反应器厌氧区采用活性污泥法，曝气区内安装填料，将活性污泥工艺和生物膜工艺有机地融合在同一反应器内来稳定和强化处理效果，实现了两种常规生物处理工艺的一体化。厌氧区采用活性污泥法，便于对泥龄进行控制，有利于除磷菌的生长繁殖。
(3)混合液回流和污泥回流合并为一个系统，节省了一套回流设施，可降低基建投资和运行费用，同时参与回流的污泥均经历了完整的厌氧、好氧过程，具有一种"群体效应"，有利于生物除磷。
　　
4、无泡曝气膜生物反应器

　　
4.1工艺原理：
无泡曝气生物反应器(Membrane Aeration Bioiflm Reactor)，简称为MABR，由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给的，中空纤维膜不仅起着供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。图 4为无泡曝气膜生物反应器处理污水原理图。即，纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气．在中空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触．污水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解．从而使污水得到净化。　
4.2无泡曝气的特点:
与常规曝气相比，采用中空纤维膜进行无泡曝气具有如下优点：
①由于曝气不产生气泡，氧直接以分子状态扩散进入生物膜，几乎百分之百地被吸收，传质效率可高达100％，因此溶解氧不再是限制微生物生长的决定因素。
②由于生物膜生长在中空纤维膜的外表面，所以在供氧过程中，生物膜不会受到气体摩擦，不易脱落。