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摘要：本文对两种不同类型潜流人工湿地的特征进行了比较，得知水平潜流湿地适合处理BOD、COD和重金属含量高的污水，垂直潜流湿地适合处理对N、P去除效果要求较高的污水。文章详细介绍了湿地面积的计算方法，对湿地基质的选择与设计也进行了阐述，同时对植物的选择进行了介绍。
Abstract: in this paper, the two different types of artificial wetland undercurrents characteristics of comparison, learned that level for treatment of wetland undercurrents BOD, COD and heavy metal content high sewage, vertical undercurrents for treatment on wetland N, P remove effect to demand higher sewage. This paper introduces in detail the wetland is a method to calculate the selection and design of wetland matrix also discussed, at the same time for the choice of the plant are introduced.
中图分类号：[TU992.3]文献标识码：A文章编号：
1 前言
人工湿地是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面,它是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。湿地系统主要由各种具有透水性的基质、水生植物、水体、湿地中低等动物和好氧或厌氧微生物种群五部分组成[1]。根据水流方式的差异，人工湿地可分为两种：表面流人工湿地(SFW)和潜流人工湿地(SSFW)。其中潜流人工湿地又可分为水平流（horizontal flow）和垂直流（vertical flow）。
潜流人工湿地不像表面流那样在基质层上有自由水面而易滋生蚊虫，因而在工程中潜流人工湿地应用广泛。基于以上因素，本文主要讨论潜流人工湿地。
为了使出水水质达到指定的排放标准,必须对湿地进行合理的设计，人工湿地系统的设计中包括选址、系统工艺、核心设施、水力负荷、植物、基质、床体结构的设计等。其中较为重要的有人工湿地配水系统和出水系统设计、人工湿地床体设计和相关参数的选定以及人工湿地基质的选择等。本为主要阐述潜流人工湿地设计时以上的这几个关键问题。
2 潜流人工湿地设计的关键问题分析
2.1 设计原则
根据国内外众多研究人员的研究成果及大量工程实践显示，人工湿地在设计过程中应遵循以下原则[1]：
（1）湿地系统整体保护性原则；
（2）系统结构重建与功能恢复原则；
（3）湿地系统协调共生原则；
（4）生态系统多样性与系统性原则；
（6）设计结合自然原则；
（7）地域性原则。
2.2 类型及工艺流程的选择
在设计过程中须考虑不同类型人工湿地的处理效果等各方面因素，设计时应根据实际所处理污水的水质特征以及出水要求来选择合适的人工湿地。
而人工湿地的工艺流程有多种,目前采用的主要有：阶梯进水式、回流式、推流式和综合式等4种，在设计过程中也需要进行合理选择。
2.3 面积计算
人工湿地面积的计算主要有根据水力负荷计算、根据BOD5降解计算、根据植物输氧能力计等。
2.3.1 根据水力负荷计算
根据进水性质、出水要求以及建设条件等因素，根据文献以及相关的条件要求，参考相关工程经验，确定一个合理的水力负荷，一般取值范围为8—620，并以此为依据来计算人工湿地的表面积。
(1)
式中， ——人工湿地的表面积（ ）
——污水的设计流量（ ）
——人工湿地的水力负荷（ ）
根据水力负荷确定表面积计算简单，但是确定合理的水力负荷则比较困难。有实验表明，最大水力负荷可以到2000 mm/d [2]，但为了湿地系统长期安全起见，建议水力负荷不得超过1000 mm/d[3]。
2.3.2 根据降解BOD5计算
可以采用Kickuth（1983）推荐的设计计算公式计算人工湿地的表面积：
(2）
式中， ——人工湿地的表面积（m2）；
——污水BOD5一级降解反应速率常数（ ）；
——污水的设计流量（m3/d）；
——进水平均BOD5质量浓度（mg/L）；
——出水平均BOD5质量浓度（mg/L）。
2.3.3 根据湿地植物输氧能力计算
处理污水的需氧量可以按下式估算：
R=1.5 L0 (3)
式中， ——处理污水的需氧量（Kg/d）；
——每日需要去除的BOD5量（Kg/d）。
植物的供氧能力 為：
（4）
式中， ——水生植物的供氧量（Kg/d）；
——植物的输氧能力[g/(m2•d))]；通常人工湿地的水生植物的输氧能力为5—45 g/(m2•d))，一般可以采用20 g/(m2•d)))计算。
由以上方程计算出人工湿地的表面积 ，为了安全起见，一般将求出的表面积乘以一个安全系数2.0[1]。
2.4集配水系统设计
人工湿地集配水系统应保证配水、集水的均匀性，宜采用穿孔管、配（集）水管、配（集）水堰等方式来实现集配水的均匀。水平潜流型人工湿地在系统接纳最大设计流量时，进水端不得出现壅水现象和表面流现象[4]。出水系统的设计可以采用沟排、管排、井排等方式，出水设计应保证池中水位可调，且应在出水处设置放空管，还应考虑收纳水体的特点、湿地系统的布置及场地的原有条件。
2.5 填料选择与设计
2.5.1 填料的选择
人工湿地填料的选择应满足为植物和微生物提供良好的生长环境，且应具有良好的渗透性的要求。对于潜流型人工湿地基质种类和大小丰富多样，有沸石、石灰石、砾石、高炉渣、煤灰渣、草炭、陶瓷填料等。研究表明，过细的基质水力传导系数过小，易导致堵塞形成地表漫流，但却有较大的比表面积，形成生物膜的潜力大；大粒径的基质有高的水力传导系数，但对微生物而言，单位容积可利用的面积较小，吴振斌[1]等建议采用中等粒度的沙砾比较合适。
另外，所选择的填料不能含有对湿地植物有害或者对水体使用者产生不良影响的成分，物化性质要求稳定。
2.5.2 填料结构设置
填料对人工湿地功能好坏、处理能力大小、污水停留时间以及系统渗透性都有很大影响，结构设置在填料选择和安排中起到关键作用。结构设置应该符合下列要求：
（1）应由单一且较为均匀的填料组成。
（2）在水平潜流型人工湿地的进水区，应沿着水流方向铺设粒径从大到小的砾石和砂子填料，颗粒粒径宜采用16～6mm；出水区，应沿着水流方向铺设粒径从小到大的填料，颗粒粒径宜为8～16mm。
（3）垂直流型人工湿地的排水层（亦称承托层）应保证充分排水并且不出现積水情况。
2.5.3 填料层厚度
填料层厚度应根据湿地运行方式和滤料层滤料的渗透系数确定，滤料层厚度宜≥50cm。
2.6 其他要素设计
2.6.1 植物的选择
人工湿地植物选择应满足一下要求[5]：根系发达；适应当地环境，优先选择本土植物；耐污能力强、去污效果好；具有较强的抗逆性(如抗冻、抗热、抗病虫害,适应环境能力强)；具有一定经济价值、有一定美化景观效果；易于生长，年生长周期长，生长速度快，管理简单等。
潜流人工湿地种植的植物有挺水植物芦苇、香蒲、美人蕉、花叶芦竹、风车草等[6]。植物宜在春季种植，初期的种植密度可以根据植物种类调整，常用的人工湿地植物芦苇的种植密度为4—6株/m2，种植时基质应该保持一定的湿度，但是表面不宜有流动水体，保持池内一定水深，逐渐增大污水负荷使其驯化。
2.6.2 防渗层
人工湿地建设时，应在底部和侧面进行防渗处理，底部不得低于最高地下水位。当原有土层的渗透系数小于10-8 m/s且厚度大于60 cm的土壤，可以直接作为人工湿地的防渗层；当原有土层渗透性系数大于10-8 m/s时，应建防渗层，铺设或者加入一些防渗材料以降低原有土层的渗透性，可以选用的材料有[6]：塑料薄膜：厚度宜大于1.0mm，两边衬垫土工布，以便降低植物根系和紫外线对薄膜的影响；水泥或者合成材料隔板；黏土：如原有土壤含砂量较高、黏土含量较低、透水性较好，应敷设2层黏土防渗层，每层厚度宜为30cm；如原有土壤含砂量较低、黏土含量较高、透水性较差，可敷设一层黏土防渗层，厚度宜大于30cm。亦可将黏土与膨润土相混合制成混合材料，敷设60 cm后的防渗层，以改善原有土壤的防渗能力。
3 结语
人工湿地工艺系统的设计多建立在统计数据和经验公式基础上，其参数具有不确定性。想要得到合理的人工湿地系统设计方法，首先必须对其净化机理进行详细的研究，探讨各个转化过程，并进行细化，综合考虑各种因素，建立完整的数据库，确定具体的物料平衡方程、反应公式和相关动力学参数，运用软件对数据、方程进行统计、演算、修正、验证，最后完善人工湿地工艺系统的设计方法。
研究表明，潜流人工湿地能够有效地处理废水，其出水水质远远优于厌氧处理系统，且具有投资省、运行简便、处理效果稳定、出水水质好等诸多优点。从经济上考虑，该技术具有投资低、运行维护简单及费用低等优点，更适用于我国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕的广大中小城镇、农村的废水处理的优选方案。
参考文献：
[1] 吴振斌等.复合垂直流人工湿地[M].北京:科学出版社,2008:1-82.
[2] 付贵萍, 吴振斌, 任明迅, 等. 垂直流人工湿地系统中水流规律的研究[J]. 环境科学学报, 2001, 21(6): 720-725
[3] 吴振斌, 任明迅, 付贵萍, 等. 垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的影响[J]. 环境科学, 2001, 22(5): 45-49
[4] 王薇,俞燕,王世和.人工湿地污水处理工艺与设计[J].城市环境与城市生态, 2001, 14(1): 59-62
[5] 王世和.人工湿地污水处理理论与技术[M].北京：科学出版社,2007:176-213.
[6] 彭勃,李绍秀.潜流人工湿地的设计探讨[J].环境工程设计,2009,55(3):55-57.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
Abstract: in this paper, the two different types of artificial wetland undercurrents characteristics of comparison, learned that level for treatment of wetland undercurrents BOD, COD and heavy metal content high sewage, vertical undercurrents for treatment on wetland N, P remove effect to demand higher sewage. This paper introduces in detail the wetland is a method to calculate the selection and design of wetland matrix also discussed, at the same time for the choice of the plant are introduced.
中图分类号：[TU992.3]文献标识码：A文章编号：
1 前言
人工湿地是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面,它是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。湿地系统主要由各种具有透水性的基质、水生植物、水体、湿地中低等动物和好氧或厌氧微生物种群五部分组成[1]。根据水流方式的差异，人工湿地可分为两种：表面流人工湿地(SFW)和潜流人工湿地(SSFW)。其中潜流人工湿地又可分为水平流（horizontal flow）和垂直流（vertical flow）。
潜流人工湿地不像表面流那样在基质层上有自由水面而易滋生蚊虫，因而在工程中潜流人工湿地应用广泛。基于以上因素，本文主要讨论潜流人工湿地。
为了使出水水质达到指定的排放标准,必须对湿地进行合理的设计，人工湿地系统的设计中包括选址、系统工艺、核心设施、水力负荷、植物、基质、床体结构的设计等。其中较为重要的有人工湿地配水系统和出水系统设计、人工湿地床体设计和相关参数的选定以及人工湿地基质的选择等。本为主要阐述潜流人工湿地设计时以上的这几个关键问题。
2 潜流人工湿地设计的关键问题分析
2.1 设计原则
根据国内外众多研究人员的研究成果及大量工程实践显示，人工湿地在设计过程中应遵循以下原则[1]：
（1）湿地系统整体保护性原则；
（2）系统结构重建与功能恢复原则；
（3）湿地系统协调共生原则；
（4）生态系统多样性与系统性原则；
（6）设计结合自然原则；
（7）地域性原则。
2.2 类型及工艺流程的选择
在设计过程中须考虑不同类型人工湿地的处理效果等各方面因素，设计时应根据实际所处理污水的水质特征以及出水要求来选择合适的人工湿地。
而人工湿地的工艺流程有多种,目前采用的主要有：阶梯进水式、回流式、推流式和综合式等4种，在设计过程中也需要进行合理选择。
2.3 面积计算
人工湿地面积的计算主要有根据水力负荷计算、根据BOD5降解计算、根据植物输氧能力计等。
2.3.1 根据水力负荷计算
根据进水性质、出水要求以及建设条件等因素，根据文献以及相关的条件要求，参考相关工程经验，确定一个合理的水力负荷，一般取值范围为8—620，并以此为依据来计算人工湿地的表面积。
(1)
式中， ——人工湿地的表面积（ ）
——污水的设计流量（ ）
——人工湿地的水力负荷（ ）
根据水力负荷确定表面积计算简单，但是确定合理的水力负荷则比较困难。有实验表明，最大水力负荷可以到2000 mm/d [2]，但为了湿地系统长期安全起见，建议水力负荷不得超过1000 mm/d[3]。
2.3.2 根据降解BOD5计算
可以采用Kickuth（1983）推荐的设计计算公式计算人工湿地的表面积：
(2）
式中， ——人工湿地的表面积（m2）；
——污水BOD5一级降解反应速率常数（ ）；
——污水的设计流量（m3/d）；
——进水平均BOD5质量浓度（mg/L）；
——出水平均BOD5质量浓度（mg/L）。
2.3.3 根据湿地植物输氧能力计算
处理污水的需氧量可以按下式估算：
R=1.5 L0 (3)
式中， ——处理污水的需氧量（Kg/d）；
——每日需要去除的BOD5量（Kg/d）。
植物的供氧能力 為：
（4）
式中， ——水生植物的供氧量（Kg/d）；
——植物的输氧能力[g/(m2•d))]；通常人工湿地的水生植物的输氧能力为5—45 g/(m2•d))，一般可以采用20 g/(m2•d)))计算。
由以上方程计算出人工湿地的表面积 ，为了安全起见，一般将求出的表面积乘以一个安全系数2.0[1]。
2.4集配水系统设计
人工湿地集配水系统应保证配水、集水的均匀性，宜采用穿孔管、配（集）水管、配（集）水堰等方式来实现集配水的均匀。水平潜流型人工湿地在系统接纳最大设计流量时，进水端不得出现壅水现象和表面流现象[4]。出水系统的设计可以采用沟排、管排、井排等方式，出水设计应保证池中水位可调，且应在出水处设置放空管，还应考虑收纳水体的特点、湿地系统的布置及场地的原有条件。
2.5 填料选择与设计
2.5.1 填料的选择
人工湿地填料的选择应满足为植物和微生物提供良好的生长环境，且应具有良好的渗透性的要求。对于潜流型人工湿地基质种类和大小丰富多样，有沸石、石灰石、砾石、高炉渣、煤灰渣、草炭、陶瓷填料等。研究表明，过细的基质水力传导系数过小，易导致堵塞形成地表漫流，但却有较大的比表面积，形成生物膜的潜力大；大粒径的基质有高的水力传导系数，但对微生物而言，单位容积可利用的面积较小，吴振斌[1]等建议采用中等粒度的沙砾比较合适。
另外，所选择的填料不能含有对湿地植物有害或者对水体使用者产生不良影响的成分，物化性质要求稳定。
2.5.2 填料结构设置
填料对人工湿地功能好坏、处理能力大小、污水停留时间以及系统渗透性都有很大影响，结构设置在填料选择和安排中起到关键作用。结构设置应该符合下列要求：
（1）应由单一且较为均匀的填料组成。
（2）在水平潜流型人工湿地的进水区，应沿着水流方向铺设粒径从大到小的砾石和砂子填料，颗粒粒径宜采用16～6mm；出水区，应沿着水流方向铺设粒径从小到大的填料，颗粒粒径宜为8～16mm。
（3）垂直流型人工湿地的排水层（亦称承托层）应保证充分排水并且不出现積水情况。
2.5.3 填料层厚度
填料层厚度应根据湿地运行方式和滤料层滤料的渗透系数确定，滤料层厚度宜≥50cm。
2.6 其他要素设计
2.6.1 植物的选择
人工湿地植物选择应满足一下要求[5]：根系发达；适应当地环境，优先选择本土植物；耐污能力强、去污效果好；具有较强的抗逆性(如抗冻、抗热、抗病虫害,适应环境能力强)；具有一定经济价值、有一定美化景观效果；易于生长，年生长周期长，生长速度快，管理简单等。
潜流人工湿地种植的植物有挺水植物芦苇、香蒲、美人蕉、花叶芦竹、风车草等[6]。植物宜在春季种植，初期的种植密度可以根据植物种类调整，常用的人工湿地植物芦苇的种植密度为4—6株/m2，种植时基质应该保持一定的湿度，但是表面不宜有流动水体，保持池内一定水深，逐渐增大污水负荷使其驯化。
2.6.2 防渗层
人工湿地建设时，应在底部和侧面进行防渗处理，底部不得低于最高地下水位。当原有土层的渗透系数小于10-8 m/s且厚度大于60 cm的土壤，可以直接作为人工湿地的防渗层；当原有土层渗透性系数大于10-8 m/s时，应建防渗层，铺设或者加入一些防渗材料以降低原有土层的渗透性，可以选用的材料有[6]：塑料薄膜：厚度宜大于1.0mm，两边衬垫土工布，以便降低植物根系和紫外线对薄膜的影响；水泥或者合成材料隔板；黏土：如原有土壤含砂量较高、黏土含量较低、透水性较好，应敷设2层黏土防渗层，每层厚度宜为30cm；如原有土壤含砂量较低、黏土含量较高、透水性较差，可敷设一层黏土防渗层，厚度宜大于30cm。亦可将黏土与膨润土相混合制成混合材料，敷设60 cm后的防渗层，以改善原有土壤的防渗能力。
3 结语
人工湿地工艺系统的设计多建立在统计数据和经验公式基础上，其参数具有不确定性。想要得到合理的人工湿地系统设计方法，首先必须对其净化机理进行详细的研究，探讨各个转化过程，并进行细化，综合考虑各种因素，建立完整的数据库，确定具体的物料平衡方程、反应公式和相关动力学参数，运用软件对数据、方程进行统计、演算、修正、验证，最后完善人工湿地工艺系统的设计方法。
研究表明，潜流人工湿地能够有效地处理废水，其出水水质远远优于厌氧处理系统，且具有投资省、运行简便、处理效果稳定、出水水质好等诸多优点。从经济上考虑，该技术具有投资低、运行维护简单及费用低等优点，更适用于我国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕的广大中小城镇、农村的废水处理的优选方案。
参考文献：
[1] 吴振斌等.复合垂直流人工湿地[M].北京:科学出版社,2008:1-82.
[2] 付贵萍, 吴振斌, 任明迅, 等. 垂直流人工湿地系统中水流规律的研究[J]. 环境科学学报, 2001, 21(6): 720-725
[3] 吴振斌, 任明迅, 付贵萍, 等. 垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的影响[J]. 环境科学, 2001, 22(5): 45-49
[4] 王薇,俞燕,王世和.人工湿地污水处理工艺与设计[J].城市环境与城市生态, 2001, 14(1): 59-62
[5] 王世和.人工湿地污水处理理论与技术[M].北京：科学出版社,2007:176-213.
[6] 彭勃,李绍秀.潜流人工湿地的设计探讨[J].环境工程设计,2009,55(3):55-57.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。