白泥坑人工湿地水力学计算研究王久贤

1兜片年第`期广东水利水电白泥坑人工湿地水力学计算研究`王久贤(广东省东江一深圳供水工程管理局)与传统的污水处理工艺相比较,人工湿地污水处理系统具有建设费用小,运行费用低,管理、维修方便,处理效果稳定可靠,抗冲击负荷能力强等优点。然而,人工湿地也存在明显的缺点,阻碍它的推广和应用,一是占地面积大,污水处理所需面积平均约2.2廿/人;二是会滋生蚊虫。为了使有效的面积达到最大的处理效果,取得最高的去除率,扬其利,除其弊,这就需要对人工湿地进行更进一步的研究。无疑,水力学问题是一个相当重要的问题。一个水力条件适宜的设计,将会节约占地,减少投资,缩短施工时间,使工程效益最佳。可见,人工湿地水力学研究对于人工湿地的推广、应用,具有重大的意义,有着直接的经济效益和社会效益。人工湿地在我国的运用起步较晚,白泥坑人工湿地是第一个实例,于19如年6月在深圳市宝安县白泥乡建成,至今已运行7年了。通过7年的调试、运行管理,我们积累了一点经验,在此基础上对白泥坑人工湿地的水力学问题做了一些粗浅的探索,现陈述于下,恳请得到同行指点。终没有用机械动力,有效地减少了运行费用,同时,使得管理、维护更加简单、方便。2布置形式人工湿地布置形式多样,它取决于处理量、地形、占地面积等因素。对于处理量小的,如一户人或几户人,可采用一个几十平米的单塘运行,对于处理量大,占地多的,可采用串联运行、并联运行,串、并联混合运行,这应根据具体的情况分析决定。白泥坑采用了串、并联混合的形式(见图1),共分4级,fl个单元。第1级为3个碎石床,第2级为2个碎石床,第3级为3个氧化塘,第4级为3个碎石床。每一级之间都是一个连通的集水槽,由此形成一个串、并联运行的结构。它可以使有机负荷和水力负荷都比较均匀地分配到各个单元里。3水力负荷白泥坑污水处理场是用于处理白泥坑乡生活污水的,设计前所得的调查结果是5以刃人,设计按7侧X)人考虑,设计污水处理量为3loot,占地12.6lunZ,水力负荷为36.9c耐d。与其它土地处理系统1场址选择人工湿地占地较大,必须选择开阔的地形,以便布置,同时要考虑运行时少用、甚至不用能量,所以,从收集管网到处理场应具有足够的水头,场址应比集污区域低到足以使污水自由流进处理场。白泥坑的场址选择是成功的,自始至L竺哩esj【巫困巨竺三剑}碎石床日〔巫巫!}碎石床}亘困区困丁匾霆,1碎石床}!.碎石床}}碎石床}小河沟出水进水图l白泥坑人工湿地平面布置简图收稿日期:1997一{9~一17研究与应用白泥坑人工湿地水力学计算研究相比,可见湿地承受水力负荷的能力较强。4面积计算湿地系统的渗漏流速很小,通常是1.0x10“4一or“3耐s,达西定律能够得到满足。由达西定律:Q=人{注、`(l)可得横截面公式:A、=口/凡i(2)式中:人—塘的横截面积(衬);Q—设计流量(衬/s);凡—渗透系数(;可s);i—水力坡降。由一级动力反应方程式:C/C。=e甲(一凡.T)(3)又:T二nLI不./Q(4)其中:oC—进水浓度;C—出水浓度;凡—一级动力反应常数;n—空隙率;L—单元长度(m);w一单元宽度(m);D—单元深度(m);尹.—停留时间。将(4)代人(3)得:C/oC=esP(一nLWD凡/口)(5)取对数:nICLVI=一nIoC=一nL仲刀凡/Q易形成死区,降低工程效益。建议深度在0.6m-0.8m之间为宜。深度确定以后,根据式(2)和式(7)可算出长和宽的值。塘的尺寸不仅取决于式(2)和式(7),同时还受长宽比的制约。长宽比是设计中的一个很重要的参数,长宽比选择不当,不仅达不到预想的效果,降低效益,甚至给运行管理造成困难。白泥坑作为一个带试验性的例子,长宽比和几何尺寸都有变化,具体数据见表1。从调试情况看,采用较小的长宽比,设计更合理,管理更方便。5底坡底坡的确定因素很多,涉及到基质、渗透流速、工程量、运行管理等问题。底坡太大,渗透流速高,可能破坏基质结构,增加开挖、回填量、水位调节也不方便,太小又容易阻塞。白泥坑为了观测底坡的影响,采用了不同的底坡,见表1。从运行情况看,底坡大对于水位调节不利,同时增加开挖,建议底坡取值对于表面流式采用0.5%或更小,对于潜流式不大于1%。6基质基质的选择,应因地制宜,一般选择碎石,也可选择渗透性好的砂土。碎石的空隙大、渗透率高,能够承受更大的有机荷载。反应基质的两个基本参数,一是空隙率,一是渗透系数。口(nIoC一nIC)/(6)(7)表i白泥坑人工湿地设计参数表L『,K=之/初凡动凡L/评底坡(%)水力负荷(c耐天),几ùjo协.,且2,人一j曰急劝.二:22自.且1.二424243..`,`门、ù一第级一第二级令:今二再=式中:再一KQ(InoC一’nC)得:(8)塘的平面面积(:矛);4747000ù`U`U产0252525n,ùO产O产山..且ù.且...且l,`气j第三级天一反应塘深、空隙率、温度的综合系数。P功f.裕ckuht提出了适用于塘深为0.6m,温度在8℃以上的碎石床K值为5.2,对于难降解和温度更低的情况的K值为14一巧。深度的决定取决于植物根系的长度和投资考虑两个因素。深度太深,根系无法输氧到底部,同时也容18.50.4~0.80.4~0.90.4~1.00.5~1.03.83.43.418.50.5~1.2l9l9l90.6~0.80.6~0.90.6~1.0100.7303030一545454,二2内`ù第四级1卿年第6期广东水利水电空隙率对污水在塘中的停留时间起着重要作用,我们对白泥坑污水处理系统基质的空隙率作了测量,其变化范围为39%一47%。渗透系数直接影响到渗漏流速,我们对白泥坑的渗透系数进行了测量,结果为5.lx10一2耐s-3.6xlo一3耐s。7浸润线渗流的浸润线,当介质均匀时,对于正坡,只有两种情况,一是奎水曲线,一是降水曲线。由于出口处是可调的,所以这两种情况都有可能发生,为了不出现表面流,要控制浸润线不露出水面,同时又不能让浸润线以上有太厚的基质,因为太厚的基质将给植物的种植带来困难,同时,这部分又不能参与污水的净化,降低工程效益。由于渗透系数在初期运行中不稳定,所以浸润线的正常水深也是变化的,渗透系数的变化趋势是刚开始运行时最大,运行初期减小,随着植物的生长、成熟又会变大。我们的设计,应以成熟、稳定情况为依据,其他情况可通过调节下游水位来得到满足。由于浸润线的变化,对于潜流式湿地系统,采用小的长宽比是恰当的,并且长度不要太大,建议取30m左右为宜。白泥坑污水处理系统运行初期种植植物时,由于设计长度太大,上游部分水位无法调节,给植物的种植和生长造成了很多困难,这是需要引以为戒的。8停留时间停留时间是一个综合性的参数,分理论停留时间和实际停留时间。理论停留时间可通过(4)式计算得到。白泥坑污水处理系统的理论停留时间为22.5小时,由于或多或少的死区的存在,实际停留时间总是小于理论停留时间。实际停留时间与理论停留时间越接近,说明水流越接近推流情况,设计、运行情况越好。为了测定实际停留时间,我们分级做了示踪试验,投放碱式蕊香红染料(即斑ldean五ne场T),用uTmerlor型荧光仪进行示踪测量,得到停留时间为15个小时。值得一提的是,得到的C一t曲线并非理想的对称曲线,峰值过后其尾线近乎平行线,延长时间长达几十个小时,说明湿地的吸附效果很强。对于这种形式的曲线,不可能用积分的形式来确定平均停留时间,我们采用峰值出现的时间作为实际停留时间。由测量情况看,第三级的短流现象严重一些,主要是表面布水形成了下部死区太多。9处理效果白泥坑人工湿地污水处理系统运行几年以来,我们对进出水水质进行了监测,取得的结果是令人满意的。年平均去除率BOD达90%,SS达93%,COD达80.47%。与其他土地处理系统相比,人工湿地的处理效果是较好的。(上接第44页)5.3.1这种闸门在低水头拦河闸坝工程、中小型水库溢洪道、道渠泄洪闸中具有广泛适用性。5.3.2在设计中要充分做好技术论证,进行必要的试验,根据具体条件选择适当的闸门尺寸和扇数,精心进行各部件的设计。在总体布置中,闸坝应选择在平顺的河段,避免放在河道的弯段。5.3.3应注意设置拦污、排污设施:①在上游设拦污装置,如拦污网(栅),拦污船,清污船等;②闸门工作桥设电动或手动葫芦或其他起吊设备,必要时可吊起闸门排污;③在闸坝的一端设1一2孔可随时用人工启闭或电动启闭,且顶部可随时翻倒的门扇,需要时从此处将污物排至下游,花竹闸坝就在投产后,在闸坝左端增设了这种排污口,排除漂浮物,取得较好的排污效果。5.3.4`施工中一定要保持各部质量的均匀,保证各部尺寸的准确,止水橡皮也不能过长或过短,尺寸误差在士2~之内。5.3.5运行中随时观测闸门各部件的应用情况,注意加强养护,特别对滚轮、连杆等金属构件进行防锈、润滑等养护。水力自控门不用人工进行启闭,但平时对闸门的养护管理,一点也不能放松,否则其优越性就不能充分发挥出来。