对人工湿地系统应用的探讨高鹏杰

对人工湿地系统应用的探讨对人工湿地系统应用的探讨高鹏杰摘要:本文从水利工程规划的角度,对人工湿地进行了分类,并讨论了其主要技术参数的佑算方法,指出了今后应当解决的主要问题.关健词:人工注地应用分类佑算前言人工湿地系统由于具有滞蓄洪水、改善水质、美化景观、投资少等众多优点正在被广泛采用。大量的实验证实了这种系统的有效性。特别是在我国的南方地区,已经建成并正在运行着多套人工湿地系统。如深圳的洪湖公园、上海的高新农业区、成都的活水公园、武汉的二龙庙污水处理厂等。北京市在20世纪70~90年代也做过相似的实验.目前在官厅水库的水质恢复、温榆河治理、潮白河治理、转河治理中都设计了部分人工湿地系统。长期以来,水利、环保、林业、园林等部门从不同的角度研究湿地的作用。评价了该系统的防洪、去污、动植物保护、美学等价值。湿地的结构设计也不断完善.20世纪70年代是简单芦苇塘,目前是复杂的人工生态系统:最初使用土壤介质,目前加入人工高科技生物填料等,人们对湿地系统的认识正在不断深入完善。从内部结构和水流状态上,人们已经对人工湿地系统进行了分类。但从实际应用的角度,还没有进行分类和定位,这不利于工程规划和资金管理。另外,人工湿地系统的工程技术参数确定也没有相应的设计规范与手册。尤其是在北方的应用更需做深入研究。同时,人工湿地系统的科研与应用也需要更好的密切结合。本文试就上述问题从工程实际应用的角度做简单的探讨。一、从工程规划角度对人工湿地系统进行分类定位人工湿地系统是人为构造的系统。它是在充满水的人工基质上种植一定数量的植物,达到改善水质提升景观价值的目的。该系统处理污水具有投资低,节约能源,综合效益高的优点。但由于是人工构造的系统,与天然生态系统最大的差别在于其形成稳定的状态之前,(一般l~2年左右),系统的生物多样性和抗冲击力较差.从人工湿地系统的水流状态和内部结构,人们已经对其进行了分类。如分成表流湿地与潜流湿地,水平流湿地与垂直流湿地等等,这些在进行工程设计时都是很有必要的。从实际应用的角度出发,为了工程管理与规划方便,也有必要对人工湿地系统进行分类。如果从预期目标、水质改善效果、景观价值、投资规模等方面考虑,则可将人工湿地系统可分为功能性湿地和景观型两类。功能性湿地应是指在充满水的人工介质上,培育多种具有去污能力的湿地植物,形成稳定的生态系统,达到改善水质的目的。功能性湿地作用相当于小型污水处理厂,设计时工艺要求严格,湿地基质(常常是含有某种离子的碎石、人造生物投料)和植物都要进行有目的的筛选,湿地坡度、长度、宽度及深度也要符合水质改善的要求。景观型湿地则是指在某些地域,建成或保留部分水面,人工种植景观价值较高的水生植物,达到提升水体的景观价值、部分改善水质的目的。在这种情况下,湿地植物种植在普通饱含水的土坡中。,2003北京“水与奥运’学术研讨会工程的重点是构造水生植物系统,加快人造水体中水生植物的出现,形成丰富的植物群落,充分体现河湖的美学价值。对湿地坡度、长度、宽度及深度没有特别严格的要求.上述分类法不是严格的生态学或水利工程学的分类,主要意义在于工程的计划管理。因为两类湿地构造不同,工艺不同,其投资差别很大:以湿地基质为例,功能型湿地基质主要由碎石、某些高科技生物填料组成,其成本是天然土壤的数十倍,再加上布水管道、水质监测设施,两者投资总额相差很大.前者约400~800元加2,后者约10~50元加2.这些直接影响到工程规划与决策。一般情况下,作为污水处理设施,可设计为功能性湿地。如对污水处理厂出水进行深度处理,对小城镇的生活污水进行处理等。若是增加景观的丰富程度、美化园林,则应该设计成景观性湿地.上述对比总结见下表1:表1功能性湿地与景观性湿地对比表湿湿地类型型功能性湿地地景观性湿地地基基质质人工选择,碎石、生物填料等。。含水天然土坡。。动动植物物植物具有去污功能,微生物人工放养或天然生长。。美学价值较高的动植物,人工培育。。布布水设施施需沉淀池、管道等。。不盆要专门设施。。处处理水体体一般含污量较高。。一般水质较好。。工工程设计计有严格的工艺要求,需准确的数学计算。。满足审奖擂要。。投投资资约400~800元/矿。。约10~100元/矿。。应应用领域域污水处理。。美化园林。。可以看出,在某些功能上两类湿地是无法区分的.如功能性湿地也可以提升景观价值;景观性湿地种植的挺水植物和水草,也可在一定程度卜抑制有害藻类的生长,形成合理的水牛今杰群落,改善水质。在实际设计中应该追求两者完美的结合:既能够改善水质,又具有较高的美学价值,这需要设计人员创造性的工作。二、人工湿地系统的主要工程技术参数讨论景观性湿地很接近天然湿地的状况。公园、厂矿、机关学校、别墅小区中的河湖可建为景观性湿地。此时水体中种植水生植物有些类似于在陆地上绿化,也许可以称之为水面绿化。因此设计重点是水生植物系统的搭配,与陆生植物的连接.需要植物学和园林景观知识.功能性湿地有较高的技术要求。小城镇生活污水处理,污水处理厂出水深度处理可使用功能性湿地。此时需进行数学计算分析。确定湿地面积、长、宽、高、基质、水力停留时间、动植物、温度等技术参数及投资等。下面就功能性湿地技术参数确定进行简单讨论。(一)湿地面积湿地面积决定了湿地工程的规模,这是工程规划需首先解决的问题。计算方法目前还很不成熟。主要原因是污水的组成成分非常复杂。有工业污水、生活污水、养殖业污水等.而每一类污水中有很多种污染物。如工业污水中有重金属、酚、油脂类等,生活污水有氮、磷、细菌等。湿地的总面积应在分析多种污染物去除量后决定。根据有关资料,有以下几种方法可以进行估算。1、英国.P.Fcooper公式。该计算公式是很经典的公式。主要适用于芦苇湿地床,处理原始污水或沉淀污水的情况。公式中主要以BO环的进出水浓度为控制,计算芦苇塘面积。其形式如下:对人工湿地系统应用的探讨A==KQ住nso一Lnse)……(l)式中:A:芦苇塘面积,单位,mZ。Q:污水进水水量,单位:m3d/。s。:进水BODS的浓度,单位:mgL/。eS:出水BoDS的浓度,单位:m叭。K:综合系数,与温度,芦苇床的介质渗透率、设计工艺相关的数值。当温度在8℃以上时,塘深在0.6m左右,介质为碎石时,K二5.2;温度较低时可达14~巧。2、水利负荷估算公式此公式以水力负荷为控制,根据进水水量和水力负荷的经验数据计算湿地面积。其公式如下:A“Q/a……(2)其中,A:湿地表面积(mZ);Q:进水水量(m3zd);“:水力负荷,根据实验及相关条件要求而定,取值范围0.8~62(1-0zm3/mZ.d)。3、根据实验数据估算自70年代以来,国内有较为成功的湿地实验数据,如果折算成单位立方污水所需湿地数量为1.5~lom勺m,,该数据也可作为计算湿地面积的参考之一。但很显然,数据结果相差很大。另外还有一种根据植物的输氧量计算面积的方法。笔者认为该方法不是很实用,但可以作为其他计算方法的参证。(二)湿地几何尺寸在设计几何尺寸时,主要是为了保证水流运行的畅通性,不形成短路,死流等,保证处理效果。湿地设计深度一般在O,8~1.sm,长宽比在3:1~8:1之间,长度一般不超过loom,底坡一般取2编左右。(三)基质湿地的基质一般由大小不一的砾石组成,有时为了增强处理污水的能力,还可以加入一些人工生物填料。砾石的粒径变化较大,在10一100mm之间,空间分布依湿地的不同类型而进行布置。人工生物填料是有利于微生物生长的物质,有时直接投放特定的微生物。根据处理对象不同,砾石中含的金属离子也有所不同,如钙、钾等。(四)动植物系统湿地中的动植物选用应以在本地容易存活,对水质改善有良好作用为原则。目前使用的植物主要有芦苇、马蹄莲、美人蕉、灯芯草、香蒲、菱白等。动物主要是微生物,一般依靠天然生长,必要时也可以进行人工培育和放养。(五)水力停留时间水力停留时间由湿地的几何尺寸及基质的孔隙率、气候等决定。一般由下式估算:T二XxYXZXKIXKZX/W.……(3)其中:T:水体在湿地单元中的停留时间(d)。X:湿地长度,(m)。Y:湿地宽度,(m)。Z:湿地深度,(m)。,2003北京“水与奥运”学术研讨会K::砾石床空隙率,0.25~0,40。KZ:受气候(如温度等)影响的系数,变化较大。w:处理的污水量(m3d/)。湿地实际运行时的水力停留时间往往与理论计算时间存在差异,前者要小于后者.三、人工湿地系统应用巫待解决的问题通过上述讨论可以看出,决定湿地的主要设计参数的计算方法还很不系统成熟,存在许多缺陷。编制湿地设计手册,进行针对性实验,是目前应当抓紧进行的工作。(一)编制设计手册根据笔者的调查,国内还没有一部国家正式承认的湿地设计手册。与之相关的标准、规范更无从谈起。目前有关的实验数据较多,(尤其是在南方。)但大部分是科研单位以论文的形式发表,没有对处理同类水体归纳出一整套工程设计方法。更没有推导出单项的设计指标,简要的工程参数,投资数额等等。因此,在有关部门的统一领导下,综合各个单位的实验结果,在科研、设计与施工单位共同参与下,编制出一套完整的湿地设计手册,制订相应的设计规范,是目前需要迫切解决的问题.(二)北方实验研究与示范湿地系统在南方已经进行了大量实验,成功的示范工程也很多.而在北方相对较少.南北方气候不同造成的温度差异,直接影响着湿地的处理效果,因此就更有必要在北方进行实验和示范。实验时可借鉴原有的实验成果,实验重点是系统的冬季运行,北方湿地植物的选取与培养。北京己经在温榆河与官厅水库进行了湿地规划,如果尽快实施,必将取得极有价值的成果。(三)与其它污水处理法相结合人工湿地系统是一个活系统。它具有生命物质,与污水处理厂的最大区别在于,实际运用时不容易控制,需要较长的生长时间。因此在设计应用当中应该与其它污水处理设施共同发挥作用,将所有污水处理设施整合成一个完整的系统工程,使这个系统工程协同发挥作用,最终达到改善水质的作用。目前有关这一领域的研究较少,也是今后研究的方向。四、结论及问题本文中对湿地的分类是从工程规划和设计角度出发,希望这种理念能够有利于湿地实际推广应用和计划管理.文中列出的参数估算公式,其计算结果存在一定误差,还需依据有关实验进行修正。因此湿地设计手册编制,北方地区的实验研究工作,人工湿地系统与其它设施的结合正是今后科研、设计部门必须重点解决的问题。只有解决了这些问题,人工湿地的推广应用才能规范健康发展。还应该指出,尽管人工湿地系统的确有很多优越性,但其中还有很多的问题没有完全解决(如对N的去除等),推广应用应慎重。特别是在大面积使用时,比如面积达到十几公顷甚至更高,大量使用的碎石填料会改变天然土地的性质,造成自然土壤的异质化,损害自然环境。因此,除非所占用的土地不会再做它用,否则,应谨慎使用超大面积碎石床湿地。另外,作为污水处理设施,必须作好系统的管理,及时收割枯萎的植物,防止形成二次污染.参考文献【11沈榷良,《度水生物处理新技术理论与应用》,中国环境科学出版社,北京,1,,,年6月.作者简介:高麟杰北京市水利设计院高工联系电话:[phone],通信地址:北京车公庄西路21号丝业组塑些卫`里业娜编:100044,