暴雨徑流人工濕地處理系統設計的幾個問題

時間：2006-11-23 來源：作者：

0　引言
　　大部分人工濕地被用來處理城市污水和工業廢水，集中于有機物的去除，然而處理暴雨徑流的系統的目標是處理氮磷和重金屬。雖然許多基本理論是相同的，但是在幾個重要的方面不同于處理城市污水，在設計時必須考慮。
　　(1)在處理暴雨徑流和城市污水的濕地系統中，進水的化學特性和水文學特性是不同的。城市污水一般有穩定的流量和水質，可根據生物降解過程，確定并維持最佳處理效率。然而，暴雨徑流是完全不同的，在降雨期間或降雨之后，會產生很大的流量，水質也有很大的變化。同時，暴雨徑流還可能攜帶大量對生物有害的物質，對處理系統造成沖擊。因此，處理暴雨徑流的濕地中的生物群應具有較強的對多變情況的適應能力。
　　(2)在處理城市污水的濕地系統中，污染物的降解速率等于輸入速率。在處理暴雨徑流的濕地系統中，污染物的輸入是偶然發生的。水中夾帶的污染物不可能完全被去除。污染物必須首先被捕集，大部分降解發生在后期流量少或沒有時。因此，設計暴雨徑流處理濕地比污水處理濕地更多地強調保留污染物再后續降解。
　　(3)暴雨濕地系統實質上是作為一個間歇反應器運行的。濕地的水位在降雨前后發生變化。水位的變化導致濕地水位周期性的下降，使積累的有機物自然氧化，還可使氧氣向填料中擴散，加強濕地內的硝化作用。
　　(4)總氮、水溶態氮、總磷、水溶態磷的輸入濃度隨降雨徑流過程減小。總氮、總磷與徑流量對地表的侵蝕能力成正相關，其輸入濃度的遞減規律多呈拋物線型，遞減速度快。水溶態氮輸入濃度基本上是線性分布，與總氮、總磷比較其遞減變化幅度小。氮磷輸入還與降水強度有關，強度大的降水侵蝕作用強烈，氮磷隨水土流失量大。
　　由上可知，暴雨徑流與城市污水、工業廢水相比，在水文特性、化學特性等方面有很大差別，并且人工濕地的運行方式也不同。因此，暴雨徑流人工濕地的設計與其他人工濕地也有所不同，本文將對其不同點進行論述。
1　水文因素
　　為保證濕地的長期效果，在設計中應考慮水文因素和濕地生態特點之間的關系［3］。水的來源、速度、體積以及洪水發生的頻率都影響著濕地介質的物理、化學特性。反過來，介質影響著生物種類的多樣性、初級生產能力、有機物的沉積和通量、營養物的循環。水文條件也影響污染物的沉積、氧化、生物轉化和土壤吸附過程。因此必須對一些關鍵因素進行評價，如水的流速、深度和水位的漲落、停留時間、循環和分配因素、季節和天氣的影響、地面水的狀況和土壤的透水性。
　　濕地控制暴雨徑流污染的設計關鍵是正確控制它們的水文體系。正確的水文體系需要考慮暴雨發生的頻率和周期，從而確定濕地的儲存容積和出水區的特點。濕地的最高水位和最低水位將決定濕地處理暴雨的體積容量、出水系統的結構和排水孔口的高度。水深和洪水周期能改變植物群落，它們將對濕地或污染物的去除效果造成有利或有害的影響。
2　水力因素
　　為了達到一定的處理效果，必須有一定的水力停留時間。水力停留時間受濕地長度、寬度、植物、基底材料空隙率、水深、床體坡度等因素的影響。一般水力停留時間最大不超過 24 h。暴雨期間至少應有30 min的水力停留時間以保證處理效果，如果水力停留時間達10～ 15 h就可以達到很好的處理效果。
　　此外，水力負荷不應超過1 m3/(m2·d)，進水區的流速不超過0.3～0.5 m/s。當流速大于0.7 m/s時，水流會破壞植物的生長，導致處理效率降低。
3　雨季超高深度
　　在降雨時，水位會超過旱季的水位。因此，濕地植物必須避免長時間的被淹沒。濕地植物被淹沒的最大深度可用來確定濕地的表面積。實際上所有的濕地植物只要洪水時間不是太長都可生存，一般很難確定超高容積應設計成多大。雖然通常被設計排水大致需20 h，但這并不意味著收集容積區總是空的，因為一系列頻繁的降雨，將使其長時期被充滿。　?
　　雨季淹沒的最大深度應保證大部分植物能夠生存并發揮其功能。在一定程度上，超高深度取決于被種植的水生植物的種類，因為有一些植物長得很高。一般地，如果栽種挺水植物， 0.3～0.6 m的超高是相對安全的。
　　實際上，暴雨徑流濕地系統為水生植物提供了一個苛刻的生活環境。只有生命力強的植物才能生長茂盛。如香蒲、NB337草、蘆葦，在高于上述超高深度時亦可生長得很好。
4　濕地容積
　　在美國、加拿大、歐洲，濕地體積大致等于來自不透水地面13 mm的徑流量，大約能收集8 0%～90%的徑流量。
　　一些權威建議，計算濕地表面積不需要考慮它的收集容積，而是用匯水面積的百分數來計算。通常是支流匯水面積的1.5%～3.0%［6］。使用固定的表面積可能不太合適，因為當暴雨徑流量少于25.4 mm時，暴雨徑流量和匯水區的不透水面積成比例［6］。有較多的不透水面積的匯水流域比較少不透水面積的匯水流域會產生更多的徑流量。例如，人口密度小的居住區有較少的不透水面積，而商業發達的地區則具有較大的不透水面積。在第一種情況下，幾乎沒有徑流，而在第二種情況下，大部分降雨落在鋪砌的路面，形成地表徑流。
　　濕地的最佳儲存容積應當是使匯水區達到13 mm水位的容積［6］。有效去除的最小儲存容積是使匯水區達到6mm水位的容積。儲存容積可用式(1)計算［7］?：
　　??V=C×y×Aws?(1)??
式中?V--暴雨濕地的儲存容積，?m3?；
C--系數，取10；
y--匯水區的設計水位，?mm；?
Aws?--匯水區的表面積，hm2。
5　水生植物
　　暴雨徑流濕地系統要求水生植物對各種高濃度的污染物有一定的承受能力。暴雨徑流可能改變植物群落。因為新的優勢種可以更有效地利用多余的營養物，或更能忍受污染物，植物的改變對污染物的去除是有利的。
　　不同的生長環境，適宜的濕地植物是不同的。但所選擇的濕地植物通常應具有下列特性：
　　(1)能忍受較大變化范圍內的水位、含鹽量、溫度和pH值；
　　(2)在本地適應性好的植物，最好是本地的原有植物；
　　(3)被證實對污染物有較好的去除效果；
　　(4)有廣泛用途或經濟價值高。
　　人工濕地中使用最多的水生植物為香蒲、蘆葦、燈心草、寬葉香蒲和簏草。所有這些植物都廣泛存在并能忍受冰凍。植物根系的深度決定了濕地的深度。香蒲在水深0.15 m的環境中生存占優勢；燈心草為0.05～0.25 m；蘆葦生長在岸邊和1.5 m的水深中，在潛水中是弱競爭者； NB337草通常出現在岸邊。香蒲和燈心草的根系主要在0.3 m以內的區域，蘆葦的根系達 0.6 m，?NB337草和寬葉香蒲則達到0.76 m［8］。蘆葦、簏草和寬葉香蒲常被用在潛流型濕地中，它們較深的根系可擴大污水的處理空間。
　　暴雨徑流濕地系統中，多選用蘆葦、香蒲和簏草。簏屬能忍受很高的氨濃度( 160～170 mg/L)［9］。蘆葦和簏草抵抗病災和昆蟲的能力很強，香蒲則較差。
6　填料
　　暴雨徑流濕地系統多采用礫石作為填料，由于礫石缺乏營養，需在上面覆蓋15～20 cm的有機土壤。根區填料表層土壤可就近采用當地表層土，宜用鈣含量達2～2.5 kg/100 kg土壤為好［10］，厚度為150～250 mm。一般，填料本身成分對生物處理影響不大，但對含磷和重金屬離子廢水，含鈣、鐵、鋁等成分的填料有利于離子交換。通過離子交換可將暴雨徑流中的污染物截留再后續降解。粘土雖含很高的鋁，但由于其?kf值很低，不宜單獨采用，但也可和其他填料混合使用。
　　濕地中填料的選擇對磷的去除有很大的影響，尤其是在運行初期。這主要是填料中的鈣、鎂和磷作用形成沉淀。但隨著時間的推移，填料中磷會達到飽和，濕地除磷能力便有明顯下降。因為初期濕地中植物還沒有形成較穩定的生物群，所以為了加強濕地初期的除磷能力，在濕地建造中可選擇含鈣、鎂豐富的介質作為填料。
7　維護管理
　　維護包括三個主要方面：重新種植、雜草的去除和沉積物的挖掘。
　　當水生植物不適應生活環境時，需調整植物的種類，并重新種植。植物的調整需要變換水位。如果水位低于理想高度，可調整出水裝置。
　　雜草的過度生長帶來了許多問題。在春天，雜草比濕地植物生長的早，遮住了陽光，阻礙了植株幼苗的生長。雜草的去除將會增強濕地的凈化功能和經濟價值。實踐證明，當植物經過三個生長季節，就可以與雜草競爭。然而，一開始就建立良好的植物覆蓋，并進行雜草控制是最理想的。在春季或夏季，建立植物床的前三個月，用高于床表面5 cm的水深淹沒可控制雜草的生長。
　　由于暴雨徑流含有大量的懸浮物，在濕地床的進水區易產生沉積物堆積。運行一段時間，需挖掘沉積物。

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微水會

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