潜流人工湿地设计计算书（含堵塞控制）

潜流人工湿地设计计算,,,,,,,,,

序号,计算项目,符号表示,参数来源,计算公式,国际单位,计算结果,参数说明,规范依据,其他说明

,一、设计水量计算,,,,,,,,

1,平均日设计处理水量,Q,设计值,—,m³/d,500,项目平均日处理污水量，根据业主提供资料确定,HJ2005-2010第4.1条,生活污水及类似水质取此值

2,日变化系数,K_d,选用值,—,—,1.2,根据GB50014-2021选取，小型污水处理站取1.2~1.5,GB50014-2021第5.2节,规模越小取值越大

3,总变化系数,K_z,查表值,—,—,1.5,根据室外排水设计规范查表，流量500m³/d时取1.5,GB50014-2021表5.2.3,

4,最高日设计水量,Q_d,计算值,Q×K_d,m³/d,600.00,最高日平均时流量乘以日变化系数,HJ2005-2010第4.1条,

5,设计峰值流量,Q_max,计算值,Q×K_z,m³/d,750.00,按平均流量乘以总变化系数计算,GB50014-2021第5.2节,用于校核峰值水力负荷

6,设计秒流量,q_max,计算值,Q_max/86400,m³/s,0.01,峰值流量换算为秒流量用于管道计算,流体力学通用公式,

,二、进出水水质与污染负荷计算,,,,,,,,

7,进水COD浓度,C0_COD,设计值,—,mg/L,100,进水化学需氧量浓度，典型生活污水水质,HJ2005-2010第4.2条,可根据实测水质调整

8,出水COD浓度,Ce_COD,设计值,—,mg/L,50,一级A标准排放限值,GB18918-2002表1,

9,进水BOD₅浓度,C0_BOD,设计值,—,mg/L,40,进水五日生化需氧量浓度,HJ2005-2010第4.2条,

10,出水BOD₅浓度,Ce_BOD,设计值,—,mg/L,10,一级A标准排放限值,GB18918-2002表1,

11,进水SS浓度,C0_SS,设计值,—,mg/L,60,进水悬浮物浓度,HJ2005-2010第4.2条,SS过高易造成堵塞

12,出水SS浓度,Ce_SS,设计值,—,mg/L,10,一级A标准排放限值,GB18918-2002表1,

13,进水氨氮浓度,C0_NH3,设计值,—,mg/L,15,进水氨氮浓度,HJ2005-2010第4.2条,

14,出水氨氮浓度,Ce_NH3,设计值,—,mg/L,5,一级A标准排放限值,GB18918-2002表1,

15,进水总磷浓度,C0_TP,设计值,—,mg/L,2,进水总磷浓度,HJ2005-2010第4.2条,

16,出水总磷浓度,Ce_TP,设计值,—,mg/L,0.5,一级A标准排放限值,GB18918-2002表1,

17,COD去除总量,ΔM_COD,计算值,Q×(C0_COD-Ce_COD)/1000,kg/d,25.00,每日需去除的COD质量，单位换算系数1000,污染物负荷计算通用公式,

18,BOD₅去除总量,ΔM_BOD,计算值,Q×(C0_BOD-Ce_BOD)/1000,kg/d,15.00,每日需去除的BOD₅质量,污染物负荷计算通用公式,

19,SS去除总量,ΔM_SS,计算值,Q×(C0_SS-Ce_SS)/1000,kg/d,25.00,每日需去除的SS质量，是堵塞主要来源,污染物负荷计算通用公式,前端预处理需去除60%以上SS

20,氨氮去除总量,ΔM_NH3,计算值,Q×(C0_NH3-Ce_NH3)/1000,kg/d,5.00,每日需去除的氨氮质量,污染物负荷计算通用公式,

21,总磷去除总量,ΔM_TP,计算值,Q×(C0_TP-Ce_TP)/1000,kg/d,0.75,每日需去除的总磷质量,污染物负荷计算通用公式,

,三、水平潜流湿地面积计算,,,,,,,,

22,BOD₅表面负荷,N_BOD,查表值,—,g/(m²·d),16,III区常规处理推荐值8~20g/(m²·d),CJJ/T54-2017表6.2.3,含堵塞风险控制取中低值

23,COD表面负荷,N_COD,查表值,—,g/(m²·d),25,III区常规处理推荐值20~30g/(m²·d),DGJ32/TJ112-2010,

24,氨氮表面负荷,N_NH3,查表值,—,g/(m²·d),4,III区常规处理推荐值3.5~5.0g/(m²·d),CJJ/T54-2017表6.2.3,

25,总磷表面负荷,N_TP,查表值,—,g/(m²·d),0.35,III区常规处理推荐值0.30~0.50g/(m²·d),CJJ/T54-2017表6.2.3,

26,按BOD₅计算面积,A_BOD,计算值,Q×(C0_BOD-Ce_BOD)/N_BOD,m²,937.50,污染物负荷法：面积=流量×进出水浓度差/表面负荷,HJ2005-2010第6.2.1条,

27,按COD计算面积,A_COD,计算值,Q×(C0_COD-Ce_COD)/N_COD,m²,1000.00,污染物负荷法计算COD所需面积,HJ2005-2010第6.2.1条,

28,按氨氮计算面积,A_NH3,计算值,Q×(C0_NH3-Ce_NH3)/N_NH3,m²,1250.00,污染物负荷法计算氨氮所需面积,HJ2005-2010第6.2.1条,

29,按总磷计算面积,A_TP,计算值,Q×(C0_TP-Ce_TP)/N_TP,m²,2142.86,污染物负荷法计算总磷所需面积,HJ2005-2010第6.2.1条,

30,水平潜流计算面积,A_h_calc,计算值,"MAX(A_BOD,A_COD,A_NH3,A_TP)",m²,2142.86,取各污染物计算面积最大值，确保所有指标达标,工程设计通用原则,取最不利情况控制

31,设计安全系数,K_s,选用值,—,—,1.15,考虑堵塞预留15%安全富余面积,《人工湿地水质净化技术指南》,堵塞控制关键措施

32,水平潜流设计面积,A_h,计算值,"ROUNDUP(A_h_calc×K_s/100,0)×100",m²,2500.00,乘以安全系数后取整百数，便于模块化布置,工程设计惯例,

33,水平潜流湿地床深,h_h,选用值,—,m,1.2,水平潜流湿地填料有效深度推荐0.6~1.6m,HJ2005-2010第6.2.2条,深度过大易造成厌氧堵塞

34,水平潜流填料孔隙率,ε_h,选用值,—,—,0.38,级配砾石孔隙率，干净砾石取0.35~0.45,HJ2005-2010附录B,孔隙率降低是堵塞直接表现

35,水平潜流有效容积,V_h,计算值,A_h×h_h,m³,3000.00,有效净水容积=面积×水深,水力学通用公式,

36,水平潜流水力停留时间,HRT_h,计算值,V_h×ε_h/Q,d,2.28,水力停留时间=有效容积×孔隙率/流量,HJ2005-2010第6.2.3条,

37,停留时间校核,—,判断值,HRT_h≥1则满足,—,满足,III区水平潜流HRT应≥1d,CJJ/T54-2017表6.2.3,停留时间过短处理效果差

38,水平潜流水力表面负荷,q_h_h,计算值,Q/A_h,m³/(m²·d),0.20,水力表面负荷=流量/面积,HJ2005-2010第6.2.2条,

39,水力负荷校核,—,判断值,0.2≤q_h_h≤0.5则满足,—,满足,III区水平潜流水力负荷宜为0.2~0.5m/d,CJJ/T54-2017表6.2.3,过高易堵塞，过低易短流

,四、垂直潜流湿地面积计算,,,,,,,,

40,垂直潜流BOD负荷,N_BOD_v,查表值,—,g/(m²·d),25,垂直潜流BOD负荷取值高于水平潜流,HJ2005-2010第6.3.1条,垂直流充氧好处理能力强

41,垂直潜流氨氮负荷,N_NH3_v,查表值,—,g/(m²·d),6,垂直潜流硝化能力强，氨氮负荷可取高值,《人工湿地水质净化技术指南》,

42,垂直潜流进水BOD浓度,C0_BOD_v,计算值,Ce_BOD×40%(水平流出水余留),mg/L,4.00,水平潜流出水作为垂直潜流进水，假设水平段去除60%,工艺设计经验值,两级湿地串联处理

43,垂直潜流计算面积,A_v_calc,计算值,Q×C0_BOD_v/N_BOD_v,m²,80.00,按BOD去除要求计算垂直潜流面积,HJ2005-2010第6.3.1条,

44,垂直潜流安全系数,K_s_v,选用值,—,—,1.2,垂直流更易堵塞，安全系数取更高值,堵塞控制专项设计要求,垂直流堵塞风险高于水平流

45,垂直潜流设计面积,A_v,计算值,"ROUNDUP(A_v_calc×K_s_v/50,0)×50",m²,100.00,垂直潜流模块化布置单元尺寸较小,工程设计惯例,

46,垂直潜流湿地床深,h_v,选用值,—,m,1,垂直潜流湿地填料有效深度推荐0.8~1.2m,HJ2005-2010第6.3.2条,

47,垂直潜流填料孔隙率,ε_v,选用值,—,—,0.4,垂直潜流采用更粗粒径级配，孔隙率更高,HJ2005-2010附录B,防堵塞设计采用大粒径填料

48,垂直潜流有效容积,V_v,计算值,A_v×h_v,m³,100.00,有效容积=面积×水深,水力学通用公式,

49,垂直潜流水力停留时间,HRT_v,计算值,V_v×ε_v/Q,d,0.08,水力停留时间校核,HJ2005-2010第6.3.3条,

50,垂直潜流停留时间校核,—,判断值,HRT_v≥0.5则满足,—,不满足,垂直潜流HRT宜≥0.5d,《人工湿地水质净化技术指南》,

51,垂直潜流水力表面负荷,q_h_v,计算值,Q/A_v,m³/(m²·d),5.00,垂直潜流水力负荷,HJ2005-2010第6.3.2条,

52,垂直流水力负荷校核,—,判断值,0.4≤q_h_v≤1.2则满足,—,不满足,垂直潜流水力负荷宜为0.4~1.2m/d,HJ2005-2010第6.3.2条,过高极易造成堵塞

,五、湿地单元尺寸设计,,,,,,,,

53,水平潜流单元个数,n_h,选用值,—,个,4,分成4个并联单元，便于轮换检修维护,运行维护要求,堵塞时可单单元停运清理

54,单单元水平潜流面积,A_h_unit,计算值,A_h/n_h,m²,625.00,总面积除以单元数,模块化设计原则,

55,水平潜流长宽比,L/B_h,选用值,—,—,3,水平潜流长宽比宜为2:1~4:1,HJ2005-2010第6.2.2条,长宽比过小易短流

56,水平潜流单池宽度,B_h,计算值,SQRT(A_h_unit/(L/B_h)),m,14.40,由面积与长宽比计算，取整至0.1m,几何计算公式,

57,水平潜流单池长度,L_h,计算值,B_h×(L/B_h),m,43.20,长度=宽度×长宽比,几何计算公式,

58,水平潜流单元尺寸校核,—,判断值,15≤L_h≤50则满足,—,满足,单元长度宜15~50m，过长短流过长易堵塞,HJ2005-2010第6.2.2条,长度超过50m末端易厌氧

59,水平潜流池体总深度,H_h_total,计算值,h_h+0.3,m,1.50,有效水深+0.3m超高+保护高度,HJ2005-2010第6.2.4条,

60,垂直潜流单元个数,n_v,选用值,—,个,6,垂直潜流分成6格，便于轮休防堵塞,堵塞控制专项设计,轮休是防堵塞有效措施

61,单单元垂直潜流面积,A_v_unit,计算值,A_v/n_v,m²,16.67,总面积除以单元数,模块化设计原则,

62,垂直潜流单池尺寸,L_v=B_v,计算值,SQRT(A_v_unit),m,4.10,垂直潜流宜做成正方形，布水均匀,HJ2005-2010第6.3.2条,正方形布水最均匀防短流

63,垂直潜流池体总深度,H_v_total,计算值,h_v+0.4,m,1.40,有效水深+超高+布水空间,HJ2005-2010第6.3.4条,

64,湿地总占地面积,A_total,计算值,(A_h+A_v)×1.3,m²,3380.00,湿地净水面积加30%道路、隔墙、附属设施,工程设计经验系数,

,六、填料级配设计（堵塞控制核心）,,,,,,,,

65,水平潜流表层填料粒径,d1,选用值,—,mm,16,表层0~20cm采用较大粒径16~32mm砾石,堵塞控制设计要求,进水端表层最易堵塞，采用大粒径

66,水平潜流中层填料粒径,d2,选用值,—,mm,8,中层20~80cm采用8~16mm砾石，主要处理层,HJ2005-2010附录B,平衡处理效果与防堵塞

67,水平潜流底层填料粒径,d3,选用值,—,mm,20,底层80~120cm采用20~40mm砾石，集水层,HJ2005-2010附录B,大粒径利于集水排泥

68,进水配水区填料粒径,d_in,选用值,—,mm,40,进水端2m范围采用40~80mm大卵石,堵塞控制设计要求,进水端SS浓度最高防堵塞

69,出水集水区填料粒径,d_out,选用值,—,mm,40,出水端2m范围采用40~80mm大卵石,HJ2005-2010第6.2.5条,

70,垂直潜流布水层粒径,d_v1,选用值,—,mm,20,表层0~15cm布水层采用16~32mm砾石,HJ2005-2010第6.3.4条,

71,垂直潜流处理层粒径,d_v2,选用值,—,mm,12,中层15~85cm处理层采用8~16mm砾石,HJ2005-2010附录B,

72,垂直潜流集水层粒径,d_v3,选用值,—,mm,30,底层85~100cm集水层采用20~40mm砾石,HJ2005-2010第6.3.4条,

73,填料初始渗透系数,K0,查表值,—,m/s,0.01,干净级配砾石初始渗透系数约1×10⁻²m/s,水力学手册,

74,堵塞后允许渗透系数,K_clog,选用值,—,m/s,0.003,堵塞后渗透系数下降至初始值30%时需维护,堵塞判定标准研究文献,渗透系数下降70%作为预警值

75,填料层渗滤流速,v,计算值,q_h_h/86400,m/s,0.00,水力负荷换算为渗滤流速,达西定律,

76,达西定律水力坡降,i,计算值,v/K_clog,—,0.00,达西定律v=Ki，水力坡降i=v/K,达西渗流定律,

77,堵塞安全裕度,—,判断值,v<K_clog/10则满足,—,满足,渗滤流速远小于堵塞后渗透系数则不会壅水,堵塞控制验算,防止表面壅水恶臭

78,填料总用量,V_media,计算值,A_h×h_h+A_v×h_v,m³,3100.00,湿地填料总有效体积，采购量加5%损耗,工程计算,

,七、堵塞风险量化计算,,,,,,,,

79,进水SS允许浓度,SS_allow,选用值,—,mg/L,80,进入湿地前SS应控制在80mg/L以下,《人工湿地堵塞控制指南》,超过此值堵塞风险急剧增加

80,预处理SS去除率,η_SS,选用值,—,%,70,预处理（沉淀池+格栅）对SS去除率,预处理设计标准,必须强化预处理去除SS

81,预处理后出水SS,SS_in,计算值,C0_SS×(1-η_SS/100),mg/L,18.00,经预处理后进入湿地的SS浓度,去除率计算,

82,进水SS达标校核,—,判断值,SS_in≤SS_allow则满足,—,满足,进入湿地SS≤80mg/L则堵塞风险可控,堵塞预防标准,不满足需加强预处理

83,SS年累积量,M_SS_year,计算值,Q×SS_in×365/(1e6×ρ_SS),m³/年,0.00,每年截留在湿地中的SS体积，堆积密度按1.2t/m³计,堵塞物质累积计算,逐年累积减少孔隙

84,表层填料初始孔隙体积,V_pore,计算值,(A_h×0.2+A_v×0.15)×ε_h,m³,195.70,表层30cm是主要堵塞区域的孔隙体积,堵塞研究结论,主要堵塞发生在表层0-30cm

85,物理堵塞年限,T_clog_phys,计算值,V_pore×0.25/M_SS_year,年,17872.15,孔隙率降低25%所需年限，作为填料更换周期,堵塞预测模型,约3-5年需维护或更换表层填料

86,有机质年累积量,M_OM_year,计算值,ΔM_BOD×0.3×365/(1000×ρ_OM),m³/年,0.00,微生物膜及EPS累积的有机物体积,生物堵塞研究文献,生物堵塞约占30%

87,综合堵塞年限,T_clog_total,计算值,V_pore×0.25/(M_SS_year+M_OM_year),年,10212.65,物理+生物综合堵塞年限,堵塞综合预测模型,轮休可延长50%使用寿命

88,堵塞年限校核,—,判断值,T_clog_total≥3则满足,—,满足,正常维护下设计使用寿命不应低于3年,人工湿地设计寿命要求,

,八、水力坡度与壅水计算,,,,,,,,

89,水平潜流水力坡度,i_h,选用值,—,%,0.5,水平潜流池底坡度推荐0.5%~1%,HJ2005-2010第6.2.4条,坡度太小易积泥堵塞

90,水平潜流进岀口水位差,Δh_h,计算值,L_h×i_h/100,m,0.22,水位差=池长×水力坡度,水力学公式,

91,水平潜流壅水高度,Δh_back,计算值,v×L_h/K_clog,m,0.03,渗滤阻力造成的额外壅水高度,渗流水力学计算,堵塞时壅水高度增大

92,超高校核,—,判断值,0.3>Δh_h+Δh_back则满足,—,满足,0.3m超高应大于水位差+壅水高度,HJ2005-2010第6.2.4条,防止污水漫流出池

93,垂直潜流布水压力,P_v,计算值,h_v×0.3,mH₂O,0.30,垂直潜流布水需要的最小水头,穿孔布水计算,足够压力防止布水口堵塞

94,穿孔布水管孔口流速,v_hole,选用值,—,m/s,1,孔口流速宜≥0.8m/s，防止堵塞,给排水设计手册,流速过低孔口易积泥堵塞

95,布水管管径,D_pipe,选用值,—,mm,75,穿孔布水管采用DN75UPVC管,管道设计规范,

96,单管最大流量,Q_pipe,计算值,q_max/(n_h+n_v),m³/s,0.00,单元数对应布水管根数,管道水力计算,

,九、植物配置与复氧计算,,,,,,,,

97,芦苇种植密度,ρ_reed,选用值,—,株/m²,16,芦苇种植密度13~20株/m²,HJ2005-2010第6.4条,芦苇根系发达穿透能力强

98,香蒲种植密度,ρ_cattail,选用值,—,株/m²,9,香蒲种植密度9~16株/m²,HJ2005-2010第6.4条,

99,植物根系输氧能力,RO,查表值,—,gO₂/(m²·d),5,植物根系输氧速率约2~8g/(m²·d),人工湿地复氧研究文献,根系泌氧缓解堵塞层厌氧

100,大气复氧速率,Ra,查表值,—,gO₂/(m²·d),2,潜流湿地大气复氧约1~3g/(m²·d),水污染控制工程,垂直流大气复氧强于水平流

101,总复氧能力,O2_total,计算值,RO+Ra,gO₂/(m²·d),7.00,植物+大气总复氧量,湿地复氧计算,复氧充足减缓生物堵塞

102,BOD降解需氧量,O2_demand,计算值,N_BOD,gO₂/(m²·d),16.00,BOD好氧降解需氧量约等于BOD负荷,水污染控制工程,

103,氧供需平衡校核,—,判断值,O2_total≥O2_demand×0.8则满足,—,不满足,复氧应满足80%以上需氧量,好氧生化处理要求,不足则厌氧加剧堵塞

104,植物年收割量,M_plant,计算值,(A_h+A_v)×2.0,kg/年,5200.00,湿地植物年生物量约2~3kg/m²,人工湿地植物研究,及时收割防止植物残体堵塞

,十、防堵塞运维措施验算,,,,,,,,

105,轮休单元比例,r_rest,选用值,—,%,25,每次轮休25%单元，4个单元轮流休作,堵塞控制运维要求,轮休复氧恢复渗透系数

106,轮休周期,T_rest,选用值,—,天,7,每个单元连续休作7天，每28天一轮,湿地运行维护指南,休作期大气复氧降解有机质

107,轮休渗透系数恢复率,η_recover,查表值,—,%,60,停床休作7天渗透系数可恢复60%,堵塞恢复试验研究,轮休是最经济防堵措施

108,年冲洗次数,N_flush,选用值,—,次/年,4,每年对进水区进行4次高压