适用于河流治理的地面廊道污水处理系统的..

时间：2015-12-20 22:10:55 所属分类：智能科学技术 浏览量:

适用于河流治理的地面廊道污水处理系统的设计周训华 （河海大学环境科学与工程学院，江苏 南京210098） 摘 要：地面廊道污水处理系统类似于人工湿地技术，其优点在于该系统应用于污染河流的治理时，对河流地形适应性非常强；另外系统四周不透水的墙体结构使

适用于河流治理的地面廊道污水处理系统的设计周训华
（河海大学环境科学与工程学院，江苏　南京210098）
摘　要：地面廊道污水处理系统类似于人工湿地技术，其优点在于该系统应用于污染河流的治理时，对河流地形适应性非常强；另外系统四周不透水的墙体结构使整个廊道起着氧化塘的作用，并且沿坡降由好氧塘逐渐过渡到厌氧塘。本文重点介绍该处理系统的设计，主要包括廊道的选址、水生植物的选择、廊道最佳长度及运行参数的确定。
关键词：地面廊道；河流；污水处理；系统；植物；设计
Design ofthe Surface－corridor Sewage Treatment
System　Applicable for River Treatment
ZHOUXun－hua

（Collegeof EnvironmentalScienceand Engineering，Hohai University，
Nanjing，210098，China）

Abstract：Surface－corridor sewage treatment systemis similar to man－made wetland technology．The advantage is that the system can bewidely usedin all kindsofriverterrains and can be applied to dispose polluted rivers．In addition，the waterproof wallsstructureresultsinthatthe systemacts asan oxidation pond，which changesfromthe aerobic pond tothe anaerobic pond along with the gradient．This paper mainlyintroduces the design ofthe system，including the choosing ofcorridor’slocation and macrophytes and establishment ofthe optimallength ofthe corridor and operating parameters．

Keywords：surface corrider；river；sewagetreatment；system；macrophyte；design
1　前言
人工湿地技术处理污水是近几十年发展起来的一项新兴技术，以费用低、效果好见长，现已成功用于处理城市污水，例如深圳白泥坑的人工湿地系统就是典范。目前许多技术人员已将其用于治理被污染的河水，由于河流的复杂性，设计合理的处理系统非常重要。本文参考国内外资料，介绍一种适用于治理污染河流的处理系统———地面廊道污水处理系统的设计。地面廊道是一种类似于人工湿地技术的污水处理系统，其主要优点是：（1）该系统对地形适应性很强，系统沿长可以笔直亦可有急弯。例如山区河流地形复杂，河床高程沿线变化较大，地面廊道是比较理想的污水处理系统。（2）种植植物的湿地周围由不透水的墙体包围形成廊道，因存在坡度，廊道内水位由浅至深逐渐加大，廊道的末端因蓄水较深，在一定程度上起着厌氧塘的作用。地面廊道处理系统成功运行的典型当属荷兰Meijie河旁一个处理廊道系统。此廊道全长3 600m，宽约9m，廊道内长有各种水生植物，水流流速常年平均约24m／d。
1990年全年实验资料表明，该系统对水体中TN、TP等水质指标有很好的去除效果〔1，2，10，12〕。
2　背景资料及设计依据〔3〕
采用地面廊道系统治理污染河流时，首先要掌握河流背景资料以便为设计提供依据。一般要进行以下几项工作：
（1）河道地形的勘测———为地面廊道的选址提供依据。
（2）工厂排污量的确定———为预测进水负荷提供依据。
（3）明确河流功能区的划分———为处理出水水质应达到的标准提供依据。
（4）河流水文资料的收集———包括近几年的降雨量、蒸发量、洪水期、河流的水位变化情况等。
（5）河水所含污染物质的确定———明确处理系统主要去除的污染物质，为工艺流程的确定提供依据。
3　工艺流程的确定
对于污染严重、含沙量大、悬浮物浓度高、出水要求较高的河流，可以采用如图1所示的工艺流程。　
由于沉淀池、絮凝池、砂滤床的设计资料已颇多，在此不再赘述，只重点介绍地面廊道污水处理系统的设计。


适用于河流治理的地面廊道污水处理系统的设计 : 　
4　地面廊道污水处理系统的设计
4．1　地面廊道的选址
为达到最佳处理效果，地面廊道最好建在滩地面积较大、坡度缓和、流速较小的河段处。由于水生植物对污染物负荷的容纳有限，廊道距排污口的距离要适当。太近，污水排放到河流中来不及混合均匀就直接进入廊道内，可能会因为水体中污染物负荷太高，造成廊道内水生植物的死亡；太远则会造成廊道处理能力未被充分利用。至于具体距离的确定可以通过污染物质在水体中的扩散规律，利用以下方程〔4〕初步计算污染物质浓度在水体中的分布规 律，从而来确定最佳距离：

式中C———污染物质浓度；
u，v———水流流速；
Ex，Ey———扩散系数；
k———降解系数；
M———排出的污染物质的质量；
D———扩散系数。
4．2　地面廊道系统的中试工程
由于不同的河流污染程度不同，污染物质更是 千差万别，以及河流水体功能区的划分不同，因此在采用地面廊道处理污水时，对于不同的水域，其设计依据不同，廊道的设计参数也各不相同。为了获取最佳的设计参数，提高廊道处理效率，中试工程是必不可少的。可以说中试工程是整个系统成败的关键，是整个设计的核心工作。只有通过中试工程，才能正确地选取水生植物，确定廊道的最佳长度，从而产生最大的经济效益。
论文适用于河流治理的地面廊道污水处理系统的设计

4．2．1　地面廊道的构建
对于中试工程，其地面廊道尺寸可以参考相关资料确定。坡度设定要适宜，当廊道分级时，可以每级分别设定坡度，一般在2％以下。系统四周是由砖块和水泥砌成的墙体。廊道两端分别设有配水区和集水区，处理区填料表层采用100～300mm厚的泥土覆盖，表层之下为小粒径石灰石掺和适量土壤，厚150～200mm，再往下采用不同级配的砾石铺设，一般可以采用5～7个级配。为了使负荷尽可能的均匀，填料应顺着水流的方向粒径从大到小布置；配水区和集水区全部采用粗砾石；廊道最底层为防水层，由聚乙烯卷材构成，防止污水渗漏〔5〕。廊道沿长一般要分级，每级种上拟定的水生植物，种植密度要 适宜。具体空间布置见图2。 4．2．2　布水设计
地面廊道系统布水时应先抬高水位，可以通过采用溢流坝或是带闸门的堤坝实现。目前在许多河流上都修建了堤坝，利用现成的堤坝可以节省投资。对于山区河流，则可以通过上下游水位落差来实现。水位抬高后流入预处理系统，再流入廊道的配水区。为保证布水均匀，配水区可设计三角堰。
4．2．3　植物的选择
选择合适的水生植物，是中试工程的一大任务。
首先应根据河流的具体情况预先确定几种植物（文献〔11〕、〔13〕中给出了一些大型水生植物在污水治理中的应用情况），而后通过中试工程来确定这些植物是否满足污水处理要求。其方法与原则如下：
（1）植物的耐候性。不同的植物生活习性各不相同，有的喜暖，有的耐寒，有的耐旱等。我国是一个气候多样的国家，因此在选取植物时，要先掌握气象资料，主要包括最近几年的最高气温、最低气温、月平均气温，光照，降雨量，蒸发量，旱涝期及结冰期的长短等。根据不同的气候特点选取不同的水生植物，从而保证植物的生长〔6〕。
（2）植物的生命力及活动周期。所选植物的生命力要强，根系发达，活动周期长。植物生命力越强，生命活动越活跃，其代谢作用就越强，就有利于从污水中吸取N、P，从而达到去处N、P的目的。根系发达，有利于植物在河流中的生长固定，特别是发生洪水时，如果根系不发达，植物很容易被水流冲走。植物冬季一般会枯死，代谢作用微弱，因此选用活动周期长的植物，有效处理时间就越长。
（3）对行洪的考虑。河流污水的生态治理有别于城市污水处理，河流的生态治理必须考虑植物对行洪的影响，所选植物不应太高大，种植密度要适宜；否则会增加对水流的阻力，使水流不畅，行洪受阻。
（4）植物的耐污能力。这是选择植物的一个重要尺度。植物容纳污染物的能力都是有一定限度的，超过一定限度植物会死亡。测定植物的耐污能力可以通过不断提高进水的进水负荷，包括BOD、COD、TP、TN、SS、NH＋4－N等指标，直到出水不达标，或植物死亡。据此选定纳污能力好的植物。
（5）景观要求。地面廊道系统占地面积大，选择适宜的植物可以美化景观。
（6）植物的利用价值。水体中一部分污染物质的去除最终要靠植物的收割得以实现，收割后的植物应进一步处理，这就要求所种植的植物应该有一定的经济价值。


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4．2．4　水力负荷的确定
计算水力负荷一般采用水量除以面积，这实际上是表面负荷。另外可以采用水量除以过流断面面积，该法更能反映水力负荷的真正含义。水力负荷与COD、BOD、SS、NH＋4－N、TP、TN等去除有密切关系。有资料表明，SS的去除率在水力负荷不大时会随其增大，达到一定值后，增大水力负荷，其去除率会降低；COD去除率与水力负荷呈拟线性关系，COD去除率随水力负荷升高而逐渐降低；NH＋4－N和TP的去除同SS的去除有某种程度的近似〔8〕，因此，存在一个最佳的水力负荷使出水达到最佳的处理效果。该值的确定，可以通过改变水力负荷，检测出水指标来实现。试验表明，在水力负荷不超过500cm／d时，该系统对各种污染物质都有较高的去除率。
4．2．5　停留时间的确定停留时间的计算：
停留时间＝孔隙体积÷每天进水负荷〔9〕
一般来说，大部分水质指标的去除率会随着停留时间的延长而增大。在试验时，在进水浓度基本相同的情况下，控制水力负荷，比较不同水力停留时间出水各指标的去除率。资料表明，一般2～5天的停留时间比较适宜。
4．2．6　地面廊道污水处理系统长度的确定

资料表明，沿廊道长度即水流方向，随着离进水口距离的不断增加，进水中BOD、COD、TN、TP、NH＋4－N等各项指标的去除率会不断提高。在一定长度内，各项水质指标的去除率增加明显，但当超过一定长度，廊道的处理能力逐渐趋于饱和，即使再增加廊道长度，各指标的去除率增加已不明显甚至不再增加。这说明廊道处理系统有一个最佳的处理长度。该值的确定方法：沿廊道长度方向，设置若干采样点，监测各采样点的水质情况，即监测BOD、COD、TN、TP、NH＋4－N、SS等的去除率，比较各采样点的水质指标总的去除情况，当相邻几个采样点去除率增加不明显时即可确定出最佳长度。
中试工程必须试运行一年，历经春夏秋冬四季。通过综合考虑污水处理系统在各个季节处理效果，最终确定所选植物、廊道长度以及具体运行数据（如进水负荷、水力条件、停留时间等）。地面廊道污水处理系统的正式设计基本上是依据中试工程的数据，廊道宽度可以根据河流情况适当加宽。
5　建设及运行费用
工程建设费用依赖于系统的大小，一般建造一个100m×10m×2m处理系统需花费约8万元。系统运行费用较低，只需要极少的人工费（0．03～0．05元／m3），主要用于植物的收割、系统的定期维护等。
6　结论
（1）地面廊道污水处理系统的设计是一项较复杂的工作，需要时间长，因此在设计之初各种准备资料要力求准确。在为期一年的中试工程中，对大量的试验数据要做认真的统计分析，据此选定最佳的设计及运行参数。
（2）植物收割后，一般可用作燃料、肥料、饲料等，但对于重金属含量较高的植物则应作特殊处理，要防止二次污染。
（3）系统要求进水水流速度较小，泥沙和悬浮物含量较低，否则容易造成填料堵塞，当含沙量较大时应设沉淀池，悬浮物含量大时应建造絮凝池。
（4）地面廊道污水处理系统的设计目前还存在一些问题，如填料的堵塞问题、冬季处理效果不好、生物量及细菌种类对污水处理的作用等，这些问题都亟待解决。
参考文献
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