7人工湿地解析

第七章、人工湿地处理系统湿地系统的概念1.概述滇池边的天然湿地人工湿地的定义：--人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处理的。滇池边的人工湿地垂直流人工湿地表面布水系统人工湿地发展史：20世纪70年代：--探索人工湿地的建设与应用80年代以后：90年代以后：--未把人工湿地作为处理主体，常与稳定塘系统及天然土地处理系统联用。--将人工湿地作为处理主体，积极探索其工艺参数、运用范围和处理机理。ConstructedwetlandscanbelessexpensivetobuildthanothertreatmentoptionsOperationandmaintenanceexpenses(energyandsupplies)arelowOperationandmaintenancerequireonlyperiodic,ratherthancontinuous,on-sitelabourWetlandsareabletotreatwastewaterswithloworganicload(toolowforactivatedsludge)Theyfacilitatewaterreuseandrecycling人工湿地处理系统的优点：TheyprovidehabitatformanywetlandorganismsTheycanbebuilttofitharmoniouslyintothelandscapeTheyprovidenumerousbenefitsinadditiontowaterqualityimprovement,suchasanenvironmentallysensitiveapproachthatisviewedwithfavorbythegeneralpublic2.CWs去除污染物机理人工湿地具有独特而复杂的净化机理，利用基质—微生物—植物复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化。同时，通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化和无害化。（1）悬浮物（SS）的去除去除区域：进口处5～10cm内完成机理：基质层的填料植物的根、茎“过滤、拦截”作用腐殖层结论：SS去除效率高低，取决于污水同植物与填料的接触程度（2）有机物的去除降解主体：兼性细菌；厌氧细菌；好氧细菌（3）氮的去除去除途径：植物吸收及其收获而去除氨的挥发硝化－反硝化作用有机基质的吸附和阳离子交换作用--其中微生物的硝化－反硝化作用是脱氮的主要过程--其中氧的供应和碳源数量与质量是限制性因子（3）氮的去除N2+N2ONH3Org-NNH4＋NO2-NO3-NH4＋NO3-图人工湿地氮循环示意图[空气][水体][土壤]（4）磷的去除存在形式说明有机磷化物微生物和植物体内不溶性磷酸盐主要存在形式可溶性磷酸盐唯一可被微生物和利用人工湿地中磷的存在形式人工湿地中磷质量平衡方程进水输入磷的总量(I)=出水输出磷的量(E)+作物吸收磷的量(T)＋土壤截留磷的量(A)湿地除磷特性物化吸附、共沉淀生物吸收、直接截留Ca、Fe、Al、Mg的氧化物或氢氧化物有机磷沉积/直接截留无机磷生物吸收异养降解物化吸附共沉淀过饱和CaCO3土壤、根系层、填料床吸收湿地植物/漂浮生物/微生态结构吸收除磷填料最近研究进展：矿物填料：方解石；页岩；赭石；风钢渣等饮用水处理剩余物：新问题：出水pH上升；有其它物质溶出--出水pH稳定；无其它物质溶出；符合循环经济的观点（5）难降解有机物的去除去除途径：--土壤中微生物种类比污水处理构筑物中多得多微生物的降解作用：微生物群落与植物群落的协同作用--有研究发现：芦苇可直接吸收一些难降解的有机物（6）金属离子的去除去除途径：植物吸收和微生物富集作用土壤胶体颗粒的吸附作用（离子交换）与S2－形成硫化物沉淀问题：存在富集而饱和的问题新增重金属离子对微生物种群的胁迫作用（7）细菌的去除去除途径：基质层的沉降截留作用植物根系的某些分泌物的灭活作用影响因素：水力负荷和水力停留时间光照杀菌3、人工湿地的种类人工湿地的分类（Ⅰ）自由水面人工湿地（Ⅱ）潜流型人工湿地水平潜流垂直流复合流（Ⅰ）自由水面人工湿地自由水面人工湿地系统示意图（Ⅰ）自由水面人工湿地分类（优势水生植物种类）自由表面人工湿地挺水植物系统浮水植物系统沉水植物系统各类废水N、P的去除N、P的去除Freesurfaceflowwetlands（Ⅰ）自由水面人工湿地优点：--投资及运行费用低；建造、运行和维护简单缺点：相同处理效率，占地面积大于潜流湿地冬季结冰；夏天会孳生蚊蝇，散发臭味有传播病菌的可能（Ⅱ）潜流型人工湿地水平潜流人工湿地系统示意图（Ⅱ）潜流型人工湿地垂直潜流人工湿地系统示意图（Ⅱ）潜流型人工湿地复合潜流人工湿地系统示意图（Ⅱ）复合潜流型人工湿地紧凑型复合潜流人工湿地系统示意图（Ⅱ）潜流型人工湿地分析优点：（与HFCWs相比）充分运用湿地空间缺点：（与HFCWs相比）--投资费用高发挥系统协同作用处理效率高保温条件好；卫生条件好垂直潜流人工湿地发展垂直潜流人工湿地的分类：（1）第一代：间歇式（潮汐流）（2）第二代：连续式（连续流）运用范围：--城市污水；农村污水；郊区独立住宅污水；休闲娱乐污水；垃圾渗滤液ConstructedWetlands垂直潜流人工湿地发展回顾处理效果：不仅对BOD和SS具有良好的处理效果，且与其它类型人工湿地相比，其对氨氮的硝化也有很好的效率和效果存在的主要问题--表面堵塞而产生溢水现象--水力负荷（HLR）和氧传递速率（OTR）设计运行的关键问题（Ⅱ）潜流型人工湿地结论与展望：（1）垂直潜流人工湿地出水水质可达到：BOD＜10mg/L，TSS＜10mg/L，NH3-N＜2mg/L（2）垂直流人工湿地比水平流具有更高的处理效率（3）系统的氧传递速率最低也有28gO2/m2·d，如设计合理，还能达到更高的传递速率（4）2m2的系统面积就可将单人产生的污水处理到理想水平（5）单级或双级系统出水可与HF-VF联用系统出水相当（6）目前的研究重点是填料的选择和水力负荷的控制4、人工湿地的构造ConstructedWetlands人工湿地组成：（1）防渗层；（2）基质层；（3）腐质层；（4）水层和湿地植物（1）防渗层作用：阻止污水向地下水体的渗透可选用材料：黏土高分子材料湿地底部的沉积污泥层可形成天然防渗层（2）基质层材料：一般采用砾石、土壤或砂作用：提供植物生长所需的基质为污水的渗流提供良好的水力条件为微生物提供良好的生长载体（3）腐质层组成：落叶、枯枝、微生物和小动物的尸体作用：为微生物提供良好的生长载体过滤作用，可去除污水中的SS可能作为反硝化的碳源（4）水生植物组成：挺水植物；浮水植物；沉水植物作用：提高湿地的处理效率输氧，使床体形成好氧/缺氧/厌氧反应区对有机物、营养物质进行分解和合成代谢在冬季有保温作用，减缓处理效率的降低（4）水体植物选择原则：能适应当地生长的植物或天然湿地原存优势种废水特性多种植物混植或串连种植采用综合利用价值高的作物，提高经济效益景观效果好，美化环境，为野生动植物提供良好的生境系统下行池(I)上行池(II)P1芦苇Phragmitescommunis水葱SchoenoplectuslacustrisP2茭白Zizanialatifolia菖蒲AcoruscalamusP3荻Miscanthussacchariflorus凤眼莲EichhorniacrassipesP4藨草Scirpustriqueter苔草CarexLinn.P5菰Zizaniacaduciflora慈菇SagittariatrifoliaP6(对照)P7宽叶香蒲Typhalatifolia鸢尾IrispseudacorusP8水烛香蒲Typhaangustifolia灯心草JuncuseffususP9风车草Cyperusalternifolius雍菜IpomoeaaquaticaP10薏苡Coixlacryma-jobi水花生AlternantheraphiloxeroidesP11光头稗Echinochloacolonum水芹OenabthejavanicaP12稗Echinochloacrusgalli水蓼Polygonumhydropiper湿地植物湿地植物（5）水层作用：提供污染物降解的场所提供水生动物和水禽类的栖息场所5.人工湿地的设计与计算ConstructedWetlands（1）湿地处理系统的设计主要设计参数水力停留时间与水力负荷所需土地面积有机负荷和氮负荷布水周期和投配时间长宽比和底坡填料种类、渗透性和渗透速率植物的选择Someparameterforsystem（a）HydraulicsHydraulicloadingrateqi(HLR)qi=Qi/A(4.1)whereA=wetlandtopsurfacearea(m2)qi=HLR(md-1;oftenexpressedascmd-1)Qi=wastewaterinflowrate(m3d-1)4.3.NominaldetentiontimeThevolumetricflowrate(Q),area(A)anddepth(h),ε(porosity)Wetlandwatervolume(V):V=Ahε(4.4)Nominaldetentiontime(τ):(4.5)qhQAh（b）WaterbudgetThedynamicoverallwaterbudgetforawetlandiswhereET=evapotranspirationrate(md-1)I=infiltrationtogroundwater(md-1)P=precipitationrate(md-1)Qb=banklossrate(m3d-1)Qc=catchmentrunoffrate(m3d-1)Qo=outputwastewaterflowrate(m3d-1)Qsm=snowmeltrate(m3d-1)t=time(d)V=waterstorageinwetland(m3)dtdVAIETPQQQQQsmbCoi)(（2）湿地系统的条件地形地质土壤的化学条件周边河流、公路、铁路和边界拥有权的限制（3）湿地系统的分区（4）湿地系统防渗目标：防止出渗污染地下水；防止地下水入渗技术指标黏土：小于10－8m/s的水力传导率塑料膜：0.5~10.0mm厚Monarflex（带有玻璃纤维增强剂）：0.5~0.75mm厚（5）基质的选择总原则：水质：来水水质；出水水质水量人工湿地的类型选择（5）基质的选择地表径流系统：土壤的构造--多数植物在沙壤土中生长良好，过多的岩石和黏土则不利土壤的化学状态--过于酸性或碱性的土壤会限制植物对营养物质的摄取（5）基质的选择水平潜流：土壤设计水力传导系数要小于原始介质的水力传导系数砾石--典型尺寸：3~6mm;5~10mm;6~12mm--欧洲最多使用的尺寸为：8~12mm（5）基质的选择垂直潜流：英国VF湿地床分层的填料分布项目厚度/cm填料顶层8粗砂上层15直径6mm的圆形砾石下层10直径12mm的圆形砾石底层15直径30~60mm的圆形砾石（6）进水结构总原则：布水均匀出水均匀尽可能形成理想推流；无死区验证方法：示踪试验问题：示踪剂的选择（6）进水结构自由水面：FWS型湿地处理系统的入口形式（6）进水结构自由水面：FWS型湿地处理系统的入口形式