人工湿地

第6讲人工湿地Constructedwetland内容：人工湿地的分类与构造，人工湿地中的植物，人工湿地去除污染物的机理，人工湿地系统设计，人工湿地的建设和运行管理Classificationandstructureofthewetlandsystem,characteristicsofplantsinconstructedwetland,removalmechanismofpollutantsusingconstructedwetlandsystem,designparametersoftheconstructedwetlandsystem，constructionandoperationmanagementoftheconstructedwetlandsystem.重点：人工湿地去除污染物的机理，人工湿地系统设计Rremovalmechanismofpollutantsusingconstructedwetlandsystem,designparametersoftheconstructedwetlandsystem6.1人工湿地的分类与构造湿地：不问其为自然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带；带有或静止或流动，或为淡水，半咸水或为咸水水体者，包括低潮时水深不超过6m的水域。湿地是陆地与水体之间的过渡地带，是一种高功能的生态系统，具有独特的生态结构和功能。对于保护生物多样性、改善自然环境具有重要作用。1.湿地、人工湿地概念由于人类的不合理开发，湿地资源在我国受到很大破坏。在特殊时期和环境条件下，研究和建立人工湿地生态系统是对自然湿地生态系统的适度补充，也是对其功能退化的恢复性建设。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。湿地能净化污水，是自然环境中自净能力很强的区域之一。它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为:浮生植物系统；挺水植物系统；沉水植物系统。沉水植物系统还处于实验室阶段，其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮水植物主要用于N、P去除和提高传统稳定塘效率。目前一般所指人工湿地系统都是指挺水植物系统。挺水植物系统根据水流形式可建成自由表面流、潜流和竖流系统。2.人工湿地的分类和构造绝大多数自然和人工湿地由五部分组成:各种具有透水性的基质，如土壤、砂、砾石；适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；水体(在基质表面下或上流动的水)；无脊椎或脊椎动物；好氧或厌氧微生物种群。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)混合组成填料床，废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)形成一个独特的动植物生态系统，对废水进行处理。湿地植物具有三个作用：显著增加微生物的附着(植物的根茎叶)；湿地中植物可将大气氧传输至根部，使根在厌氧环境中生长；增加或稳定土壤的透水性。植物通气系统可向地下部分输氧,根和根状茎向基质中输氧，因此可向根际中好氧和兼氧微生物提供良好环境。植物的数量对土壤导水性有很大影响，芦苇的根可松动土壤，死后可留下相互连通的孔道和有机物。不管土壤最初的孔隙率如何，大型植物可稳定根际的导水性相当于粗砂2～5年。基质（土壤、砂、砾石）：为植物提供物理支持；为各种复杂离子、化合物提供反应界面；为微生物提供附着。水体：为动植物、微生物提供营养物质。3.人工湿地污水处理系统人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。通过合理设计可将BOD5、SS、营养盐、原生动物、金属离子和其它物质处理达到二级和高级处理水平。预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。构筑物包括双层沉淀池、化粪池、稳定塘或初沉池。人工湿地单元中的流态采用推流式、阶梯进水式、回流式或综合式。见图1。阶梯进水可避免处理床前部堵塞，使植物长势均匀，有利于后部的硝化脱氮作用；回流式可对进水进行一定的稀释，增加水中的溶解氧并减少出水中可能出现的臭味。出水回流还可促进填料床中的硝化和反硝化作用，采用低扬程水泵，通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。综合式则一方面设置出水回流，另一方面还将进水分布至填料床的中部，以减轻填料床前端的负荷。4.人工湿地污水处理系统的特点人工湿地系统具有如下优点:建造和运行费用便宜；易于维护，技术含量低；可进行有效可靠的废水处理；可缓冲对水力和污染负荷的冲击；可提供和间接提供效益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育。不足：占地面积大；不精确的设计运行参数；生物和水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏；易受病虫害影响；人工湿地系统在达到其最优效率时，需2～3个生长周期，所以需建成几年后才达到完全稳定的运行。目前人工湿地技术最大问题在于缺乏长期运行系统的详细资料。6.2人工湿地中的植物植物在污水控制方面的优势：通过光合作用为净化作用提供能量来源；具有美观可欣赏性，能改善景观生态环境；可以收割回收资源；可作为介质所受污染程度的指示物；能固定土壤中的水分，圈定污染区，防止污染源的进一步扩散；植物庞大的根系为细菌提供了多样的生境，根区的细菌群落可降解许多种污染物；能输送氧气至根区,有利于微生物的好氧呼吸。在人工湿地净化污水过程中，植物作用可以归纳为四个重要的方面：直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附和富集重金属和一些有毒有害物质；为根区好氧微生物输送氧气;为微生物提供栖息地；增强和维持介质的水力传输。1.人工湿地中植物作用(1)湿地植物对废水中营养物质及有害物质的去除作用水生植物能直接吸收利用污水中的营养物质，供其生长发育。废水中的有机氮被微生物分解与转化，而无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质被植物直接摄取，合成蛋白质与有机氮，最后转化成生物量，再通过植物的收割而从废水和湿地系统中除去。无机磷也是植物必需的营养元素，废水中的无机磷在植物吸收及同化作用下可转化成植物的ATP、DNA、RNA等有机成分，然后通过植物的收割而移去。生根植物直接从砂土中去除氮、磷等营养物质，而浮水植物则在水中去除营养物质。许多根系不发达的沉水植物，例如金鱼藻属也能直接从水中吸收营养物质。大型挺水植物的茎和叶以及浮水植物的根还可以用来减缓水流速度，以达到过滤和沉淀颗粒物质的作用。有人在城镇污水处理试验中发现，种植水烛和灯芯草的人工湿地基质中氮、磷的含量分别比无植物的对照基质中的含量低18％～28％和20％～3l％，可见水烛和灯芯草吸收利用了污水中部分的氮和磷物质。氮的含量为叶凋落物地上茎地下茎根；磷为叶凋落物根地上茎地下茎；钾在地下茎及叶中的含量相当高。也有试验表明植物的氮磷积累量主要集中在植物的地上部，所以通过对植物地上部分的收割就可有效地将氮磷从污水和湿地系统中去除。值得注意的一点是，在植物的生长后期进行收割(比如在10月份)可以提高氮和磷的去除率，因为这样避免了成熟的植物由于种子的掉落以及营养元素从茎叶又传输到根部等原因，致使营养元素的回流导致去除率降低。水生植物还能吸附、富集一些有毒有害物质，如重金属铅、镉、汞、砷、钙、铬、镍、铜、铁、锰、锌等，其吸收积累能力为：沉水植物飘浮植物挺水植物，不同植物以及同一植物的不同部位浓缩作用也不同，一般为：根茎叶，各器官的累积系数随污水浓度的上升而下降。一般认为，植物对有毒有害物质的吸收以被动吸收为主，增加植物和废水的接触时间，可增强植物对其的去除率。对于人工湿地处理系统来说，能否达到预期的处理效果，一个重要因素就是能否使基质中保持充足的氧分。人工湿地系统中植物可以代替传统工艺中的曝气机输氧。根据德国学者1977提出的根区法理论，由于生长在湿地中的挺水植物对氧的运输、释放、扩散作用，将空气中的氧转运到根部，再经过植物根部的扩散，在植物根区周围的微环境中依次出现好氧区、兼氧区和厌氧区，有利于硝化、反硝化反应和微生物对磷的过量积累作用，达到除氮、磷的效果，另一方面通过在厌氧条件下有机物的降解、或开环、或断成简单分子、小分子，提高对生物难降解有机物的去除效果。(2)氧的传输功能通常认为潜流人工湿地中，植物可以传输足够的氧，但在很多情况下，植物释放的氧并不能满足硝化反应的需要，而且不同的植物氧传递的能力也有很大的差别。持续淹水区域芦苇的传氧能力明显弱于非淹水区域。这就说明在潜流湿地中保持基质中水表面与湿地表层覆盖物之间有足够的空气间隙能增加氧的传输。植物的根系过浅或生长大量的非湿地植物也会影响氧气的扩散，要想提高氧分在湿地中的传递必须做好以下几步：尽量减少非湿地植物而用标准的本土湿地植物，这些植物能适应在经常处于水饱和状态的基质中生长；当移植入一种新植物的时候要保持较低的水面以使植物的根扎的更深；移植初期植物根系要与水面之间保留一个空气隔离层；要及时地去除杂草和植物残骸，保证基质中水面与空气的接触面积。这里主要针对潜流型湿地。(3)为微生物提供栖息地人工湿地中微生物的种类和数量是极其丰富的，因为人工湿地水生植物的根系常形成一个网络状的结构，并在植物根系附近形成好氧、缺氧和厌氧的不同环境，为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的生存环境，也为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。研究表明，有植物的湿地系统，细菌数量显著高于无植物系统，且植物根部的细菌比介质处高1~2个数量级，植物的根系分泌物还可以促进某些嗜磷、氮细菌的生长，促进氮、磷释放、转化，从而间接提高净化率。有植物与无植物系统基质中细菌群落有明显差异，而不同植物的系统基质中细菌群落并没有明显差异，这也可以说明植物的输氧功能为根区微生物的生长提供了必要条件，研究还发现离根毛较远的区域呈现缺氧状态，更远的区域则完全处于厌氧状态，厌氧区里富含枯枝碎屑及底质层，其中含有大量可利用的碳源，这又提供了反硝化条件。从而硝化细菌、反硝化细菌就可以通过硝化作用、反硝化作用将有机氮磷等营养物转化为铵离子、硝酸根离子、磷酸根离子等无机盐形式被植物吸收或生成沉淀，这也是有植物系统净化污水效果优于无植物系统的重要因素。(4)加强水力传导和维持通气状况的作用由于植物根和根系对介质的穿透作用,在介质中形成了许多微小的气室或间隙，减小了介质的封闭性，增强了介质的疏松度,从而使得介质的水力传输得到加强和维持。成水平进行的人工湿地处理污水的试验中发现，经过3-5个月的污水处理后，不种植物的对照土壤介质板结，发生淤积；而种有水烛和灯心草的人工湿地渗虑性能好，污水能很快地渗入介质。即使较板结的土壤，在2~5年之内，经过植物根系的穿透作用，其水力传输能力可与砂砾、碎石相当。植物的生长能加快天然土壤的水力传输程度，且当植物成熟时，根区系统的水容量增大。即使当植物的根和根系腐烂时，剩下许多的空隙和通道，也有利于土壤的水力传输。2.人工湿地选择植物的原则适地适种原则：适应当地的气候条件、地形条件和人文景观条件。耐污能力强：不同植物耐污能力相差较大，所以构建人工湿地选择物种时要选择耐污能力强的植物，可以保证植物的正常生长，而且也有利于提高人工湿地的污染物净化能力。净化能力强：即单位面积的污染物去除率要高，主要从两方面考虑：一方面是植物的生物量较大；另一方面是植物体内污染物的浓度较高。根系发达：发达的植物根系可以分泌较多的根分泌物，为微生物的生存创造良好的条件，促进根际的生物降解，提高人工湿地净化能力；植物的根系在固定床体表面笼络土壤和保持植物与微生物旺盛生命力等方面发挥着重要作用，对保持湿地生态系统的稳定性具有重要意义。经济和观赏价值高：在治污的同时还引入园林设计的理念，将治污与营造生态公园融为一体。重视物种间的合理搭配：有利于群体的快速形成，也具有较高的污染物净化能力和观赏价值，同时对人工湿地杂草的生物控制和减少残体对湿