8-污水处理和资源化生态工程

Slide1©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom本章纲要水质自然净化机理与方法人工湿地处理系统污水土地处理系统污水稳定塘处理系统Slide3©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom一、水质自然净化机理与方法物质在自然环境中借助各种物理、化学及生物性的输送、转化而降解。通过此自然界的反应功能，物质会在一定空间及一定时间内降低其浓度，这种作用称为自净作用。水体自净作用是指进入水体中的污染物质浓度或毒性，随时间和空间的变化而自然降低的现象。而利用自净作用所发展出来的各类环境净化方法则统称为自然净化。从自然净化的发生机理上来看，可分为物理净化、化学净化和生物净化三类。1.水质自然净化的机理Slide4©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom①物理作用：包括稀释、吸附、扩散、沉淀以及再曝气作用，其中以再曝气作用为最主要的影响因素。水流方向污染源推流扩散混合均匀断面稀释本身并不能去除污染物质。存在的两种运动形式：推流和扩散Slide6©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom②化学作用：化学作用主要为污染物质的化学变化，在一般水温条件下，其化学作用并不明显，通常在扩散作用、混合作用及沉淀作用的过程的中发生氧化、还原、吸附或凝聚的现象。③生物作用：有机污染物被水中的微生物分解而利用，例如，藻类行光合作用或微生物分解溶解性有机物质等，使有机物最后回归成无机安定的状态。阳光↓一级生产者→原生动物→轮虫、浮游甲壳动物→鱼→其他动物异养细菌废物、排泄物人Slide7©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom自然净化作用强化方向①物质转换过程的改善：水质自然净化作用的途径相当复杂，所以要选择最适当的反应机制才可加强净化处理的效果，例如，改变流况、水力停留时间及流量等；化学作用方面，如溶氧、ｐＨ值等；生物作用方面，包括营养盐、有机质的增加或去除等。②物质反应速率的加强：选定适当反应途径后，反应速度的加强方法包括降低中间产物的累积以及对反应条件，例如温度、ｐＨ值、营养盐、基质的调整。③调整输送速度：调整物质输送速度，包括流速、水力停留时间、水流路径、营养盐或基质的溶解速度等。Slide8©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom④物质形状的改变：可利用物质物理特性的作用能够加强或是改善，例如增加附着体的孔隙。⑤去除多余物质：去除多余物质，就是去除引发净化作用产生负面影响的物质。⑥生态系的生成：自然净化功能的维持，可以强化生态系的恢复，例如种植植物、改善土壤性质等。但若是使用错误的方式也可能造成生态系的破坏，例如引进外来生物种造成与当地生物形成竞争的情形，使得原来物种的削减或是外来生物种的过度繁殖，所以在自然净化强化的方法中必须对物种的选择加以谨慎考察。⑦生物菌剂：可以在水体添加特殊的微生物菌剂，增加降解菌的扩繁能力和速率，提高降解效率。Slide9©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom植生处理法：包括湿地、水生植物处理、植物缓冲带、草沟和浮岛等。土地处理法：灌溉处理、地下渗滤。接触氧化法：包括砾间接触、填充滤材等。其他处理方法：直接曝气法、稳定塘、多自然型河流工程方法。2.水质自然净化方法基于水体现状及自然净化方法的应用原理，分为：Slide10©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom二、人工湿地处理系统Slide11©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom人工湿地系统（Constuctedwetland），是指以工程方式构筑池深小于1.5ｍ左右的池塘或沟渠并种植水生植物后，导入污水进行净化处理的技术。根据美国环境保护署出版的《人工湿地处理城市废水手册》所述，人工湿地系统已有40余年的应用历史。只要设计及操作得当，人工湿地系统是可靠、有效的自然净化处理系统，处理水质可达二级至三级处理的水质标准。1.人工湿地系统的概念Slide12©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom人工湿地净化废水的机理人工湿地是由基质、水体、植物、动物和微生物组成的生态系统。生活在土壤中的微生物（细菌和真菌）在有机物的去除中起主要作用，湿地植物的根系将氧气带入周围的土壤，但远离根部的环境处于厌氧，形成处理环境的变化带，这就加强了人工湿地去除复杂污染物的难处理污染物的能力。大部分有机物的去除是靠土壤中的微生物，但某些污染物如重金属、硫、磷等依赖于土壤和植物的作用。Slide14©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom悬浮物去除污水中的悬浮物含有大量的污染物质，例如有机物、氮磷、重金属和病原菌等，因此去除悬浮物可以提高污水的去除率。悬浮物主要通过过滤、沉淀、湿地介质表面的吸附及微生物生长等作用从水中去除。湿地对悬浮物的去除非常有效，悬浮固体出水值一般低于10mg/L。为防止在进水口附近发生堵塞，进水前必须设置预处理以降低总固体浓度，一般设置沉淀池即可。Slide17©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom有机物的去除污水中的有机物包括包括颗粒性有机物和溶解性有机物。前者通过沉淀和过滤可迅速去除，而后者则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解而去除。微生物降解有机物又分为好氧降解和厌氧降解。好氧降解主要由好氧异养菌控制：CH2O+O2=CO2+H2O厌氧降解由兼性厌氧菌和专性厌氧菌控制，该过程分两步进行。第一步主要产物为脂肪酸，如乙酸、乳酸、乙醇、CO2和H2。Slide18©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom=2CH3COOH+4H2+2CO2C6H12O6=2CH3CHOHCOOHC6H12O6=2CO2+2CH3CH2OH硫酸盐还原菌和产甲烷菌利用上述脂肪酸进行代谢活动。CH3COOH+H2SO4=2CO2+2H2O+H2SCH3COOH+4H2=2H2O+2CH4CO2+4H2=CH4+2H2OBOD的去除包括几个生物化学过程：好氧呼吸，厌氧消减和硫酸盐还原。Slide19©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom氮、磷的去除污水中的氮包括无机氮和有机氮。无机氮包括氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐。有机氮包括尿素、氨基酸、嘌呤和嘧啶。研究表明，人工湿地处理系统对氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀、挥发、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。人工湿地系统中对P的去除主要通过下面三个方面：微生物正常的同化或植物的吸收作用；聚磷菌的过量摄P作用；基质的物理化合作用。其中最主要的是基质对P的吸附作用及其纳P容量，其吸附作用与基质中Fe，Al和Ca等金属离子有关，而植物吸收对P的去除效率影响不大。Slide20©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom重金属去除人工湿地对重金属也有很强的去除能力。金属离子去除机理主要有：植物的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀，人工湿地对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用的。Slide21©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom人工湿地的组成绝大多数人工湿地由五部分构成：①基质，具有透水性，如土壤、砂、砾石；②水体（在基质表面上或下流动的水）；③植物，适于在饱和水和厌氧基质中生长，如芦苇；④无脊椎或脊椎动物；⑤好氧或厌氧微生物种群。Slide22©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom湿地系统正是在这种有一定长宽比和底面坡度的洼地中，由土壤和填料（如砾石等）混合组成的填料床，污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，并在床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物（如芦苇、蒲草等），从而形成一个独特的动植物生态系统。Slide23©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom植物植物是人工湿地的重要组成部分。人工湿地净化污水过程中,植物的作用可以归纳为3个重要的方面:①回收利用污水中可利用态的营养物质,吸附、富集重金属和一些有毒有害物质;②为根区好氧微生物输送氧气;③增强和维持介质的水力传输。Slide24©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom一般来说,选择湿地植物要注意几个原则：①净化能力，耐污能力和抗寒、抗热能力强，对不同的污染物采用相应的植物种类；②选择在本地适应性好的植物，最好是本地植物；③根系发达、生物量大；④抗病虫害能力强；⑤最好有广泛用途或经济价值；⑥易管理，综合利用价值高。不同的植物类型对不同的污染物质具有一定的针对性。对氮磷去除效果较好的湿地植物，如茭白、芦苇、水烛、灯心草。对重金属有较好的去除作用的植物是：宽叶香蒲，且对Pb、Zn、Cd等重金属有较好的去除作用。Slide25©2004ByDefault!AFreesamplebackgroundfrom微生物人工湿地中微生物是净化污水的“主力军”。其数量在一定程度上可反映人工湿地净化污水的能力。它们把有机质作为丰富能源，将其转化为营养物质和能量。人工湿地在处理污水之前，各类微生物的数量与自然湿地基本相同。但随着污水不断进入人工湿地系统，某些微生物的数量将逐渐增加，并在一定时间内达到最大值而趋于稳定。人工湿地系统