人工湿地概述

人工湿地概述一、概述湿地是地球上一种重要的生态系统，享有“地球之肾”的美誉，处于陆地生态系统(森林和草地)与水生生态(如深水湖和海洋)之间。世界上对湿地的定义有很多，其中国际上比较公认的是1971年由苏联、加拿大、澳大利亚、英国等36国在伊朗签署的拉姆萨尔条约—《湿地公约》，其定义为“天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或浅水域地带、静止或流动、淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6m的水域。”湿地不仅可以调蓄水量，调节气候，为珍奇动物提供良好栖息地，而且还可以净化污水。湿地系统一般可以分为2大类:天然湿地和人工湿地。人工湿地的设计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实现对废水的有效处理。一、概述•目前，美国、丹麦、德国、英国均有大量应用于污水处理的人工湿地系统，而且其推广应用领域在不断扩大，日益引起人们的广泛关注。尽管国内在这方面的研究起步较晚，但由于其基建投资少、运行费用低(为生物处理的1/5一1/6)、能耗少、操作简单，不仅适用于生活污水，对某些工业废水、农业废水、垃圾渗滤液等也有良好的净化效能，因此发展速度较快。1990年，国家环保总局华南环保所建造的深圳市宝安县白泥坑人工湿地工程，以及内蒙古赤峰市宁城县天义镇人工湿地处理废水工程、成都市活水公园的人工湿地塘床系统都是这方面的典型实例。二.人工湿地分类•根据湿地中主要植物形式人工湿地可分为:•1.浮游植物系统;•2.挺水植物系统;•3.沉水植物系统。•其中沉水植物系统还处于实验室研究阶段,其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮游植物主要用于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。二.人工湿地分类•根据污水在湿地中水面位置不同，人工湿地可分为：自由水面人工湿地和潜流型人工湿地。•1.表面流人工湿地(SFCW)类似于自然湿地，污水从湿地床表面流过，污染物的去除依靠植物根茎的拦截作用以及根茎上生成的生物膜的降解作用。这种湿地造价低，运行管理方便，但是不能充分利用填料以及植物根系的作用，在处理废水的过程中容易产生异味、孽生蚊蝇，在实际应用中一般不采用。•2.潜流人工湿地(SSFCW)系统中，污水在湿地床中流过，因而能充分利用湿地中的填料，并且卫生条件好于表面流人工湿地。表面流人工湿地潜流人工湿地二.人工湿地分类•根据污水在湿地中水流方向的不同，人工湿地可分为：水平流人工湿地和垂直流人工湿地。•1.水平流人工湿地(HSFCW)系统。污水以近水平流方式在系统表面以下流向出口。2.垂直人工湿地(VSFCW)系统。该系统通常在整个表面设置配水系统，并周期性进水。通过系统下部出水，水流在系统表面以下。目的是系统可以排空水，以最大程度的进行氧补给。也有部分是连续进水的。二.人工湿地分类三、人工湿地的构造•人工湿地系统是在一定长宽比及底面坡度的洼地中，填充一定的填料（如土壤、砾石等）形成填料床，在床表面种植具有处理性能好、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（如芦苇等）而构成的一个独特的动植物生态系统。三、人工湿地的构造•1.湿地中的填料•又称为基质，基质的选择对人工湿地的处理效果有很大的影响。基质在人工湿地中为植物提供物理支持，为各种化合物和复杂离子提供反应界面及对微生物提供附着。常用到的基质有土壤、砾石、砂、沸石、碎瓦片、灰渣等。根据处理目的，污染物的特征不同而有不同的基质选择。一般来说，以处理SS、COD和BOD为主要特征污染物时可选用土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣中的一种或几种为基质。对脱N除P要求高的，可以选择对这两者有较强去除能力的基质进行优化组合。如采用沸石和石灰石的结合既考虑了沸石对氨氮的吸附、活化土壤中难溶性P及进行生物再生作用又利用了石灰石对P的高吸附特性，达到同时脱N除P的目的。现在基质的选择多偏向于较大颗粒的粒径，原因是水流在粒径较大的基质床内的短路最小，能够形成渠流，并且堵塞现象发生少，不易分散。三、人工湿地的构造•2.植物•植物是人工湿地的重要组成部分。水生植物在人工湿地的作用有：将污水中的部分污染物作为自身生长的养料而被吸收；能够将某些有毒物质的重金属富集、转化、分解成无毒物质；根系生长有利于污水均匀地分布在人工湿地植物床过水断面上，向根区输送氧气创造有利于微生物降解有机污染物的良好根区环境；增加或稳定床体的透水性。可用于人工湿地的植物有：芦苇、香蒲、灯心草、风车草、水葱、香根草、浮萍等，其中应用最广的是芦苇。植物的选择最好是取当地的或本地区天然湿地中存在的植物，以保证对当地气候环境的适应性，并尽可能地增加湿地系统的生物多样性以提高湿地系统的综合处理能力。植物的栽种方式有播种法和移栽插种法。移栽插种比较经济快捷。三、人工湿地的构造凤眼莲浮萍/浮莲槐叶萍水鳖三、人工湿地的构造灯心草香蒲菖蒲矮化美人蕉茭白黄花鸢尾四.人工湿地去除污染物的机理•4.1人工湿地去除有机污染物的机理•人工湿地的显著特点之一就是对有机物有较强的降解能力。污水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用，而污水出水中的可溶性有机物则可通过植物根系和生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。因此湿地床对有机物的去除作用是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果。废水中大部分有机物最终是被异氧微生物转化为微生物体及CO2和H2O，通过对填料床的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。四.人工湿地去除污染物的机理•4.2湿地对氮的去除•人工湿地处理系统对氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀以及氨的挥发，植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。在土壤—植物系统中，有机氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下转化为氨态氮，由于土壤颗粒带有负电荷，氨离子很容易被吸附，土壤微生物通过硝化作用将氨离子转化为NO3ˉ，土壤又可恢复对氨离子的吸附功能。同时污水中的无机氮可作为植物生长过程中不可缺少的物质而直接被植物摄取，并合成植物蛋白质等有机氮，通过植物的收割而从废水和湿地系统中去除。但氮的去除主要还是通过湿地中微生物的硝化和反硝化作用。•另外，人工湿地中的填料也可通过一些物理和化学的途径如吸收、吸附、过滤、离子交换等去除一部分污水中的氮。四.人工湿地去除污染物的机理•3.人工湿地对磷的去除•人工湿地对磷的去除是由植物吸收、微生物去除及基质的物理化学作用而完成的。废水中的无机磷在植物吸收及同化作用下，可变成植物的有机成分（如ATP，DNA，RNA等），通过植物的收割而得以去除。基质的物理化学作用主要是填料对磷的吸收、过滤和与磷酸根离子的化学反应，因填料不同而存在差异。但填料对磷的这种吸附和沉淀作用并不是永久性的，而是部分可逆的。植物的生长状况也直接影响到去除效果的好坏，在春季和夏季，植物生长迅速，生物量增加，对磷的吸收加快，出水中磷含量减少，而在秋季植物枯萎后，吸收速度放慢，冬季死亡的植株会释放磷到湿地中，致使出水磷含量上升，无机磷含量甚至高于进水。生物对磷的去除，包括对磷的正常同化作用和对磷的过量积累。一般二级污水处理中，当进水磷含量为10mg/l时，微生物对磷的正常同化去除，仅是进水总量的4.5%~19%，所以，微生物除磷主要是通过强化后对磷的过量积累来完成的。四.人工湿地去除污染物的机理•4.人工湿地对悬浮物及病原菌的去除•对于潜流式人工湿地，对悬浮物的去除主要是通过湿地填料的吸附和截流，其原理类似于砂滤，所以具有较高的去除率。也正是因为这样，为防止堵塞潜流式人工湿地对于进水的无机悬浮物要求较高（小于20mg/L）。•研究发现，像大多数自然处理技术一样，人工湿地可以去除污水中的病原菌，其原理尚不清楚，去除率不确定，但很有效。五、影响人工湿地处理的因素•5.1温度•同一般生物法处理一样温度直接影响系统中生物的活性，从而影响系统的污染降解效率。在人工湿地中，除进水温度外，表面流式较容易受环境温度影响，而潜流式人工湿地受到的影响则较小。沈阳浑南人工湿地位于沈阳市浑南新区中心区，其潜流式湿地占地6500m2。五、影响人工湿地处理的因素•5.2溶解氧（DO）•污水进入湿地后主要有两个需氧因素：碳化需氧量和硝化需氧量。而水中的复氧的途径包括：大气复氧和通过植物茎叶传导输送。六、典型的人工湿地工艺七、国内人工湿地应用实例•深圳白泥坑人工湿地处理系统•1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程——白泥坑人工湿地处理系统。•白泥坑人工湿地污水处理系统位于深圳市宝安县白泥坑村南500m处。水系沿山角流向海湾属海洋性气候。占地面积189亩，日处理量3100m3/d废水。七、国内人工湿地应用实例•经过近两年的试验运转，出水效果较好。除氨氮指标效果不明显外;其余指标均能达到国家规定的二级处理排放标准。该工程无动力消耗，管理较方便，除每月作一次水质监测外，平时无需其它管理。从外观看，进水水质略显浑浊，但无色无臭，是一个村镇排出的生活污水及少量村办企业的废水汇合而成。其运行费用为0.02元/m3仅为传统活性污泥法的10％。七、国内人工湿地应用实例•山东胶南市污水处理厂•胶南市排水系统多采用雨污分流制，工业废水与生活污水量之比为1：4，工业废水主要来源于造纸，化工，印染，纺织，食品加工，酿造，橡胶，热电等企业。建成的胶南污水处理厂设计处理规模为60000ｍ3/d，总投资为3000万元，占地面积为76.7hm2，全部为盐碱荒滩。七、国内人工湿地应用实例•以处理污水量60000m3/d计，在建造污水处理厂前对各种处理流程进行了经济技术比较。工程名称特点工程投资(亿元)运行费用(万元/a)处理成本(元/m3)耗电量(kw.h)/m3占地面积(hm2)AB法有效去除有机物，对N,P去除率高0.738760.40.3614氧化沟有效去除有机物，N,P去除率高0.587000.320.3322传统活性污泥法有效去除有机物，N,P去除率低0.667880.360.4014一级处理排海法0.822960.140.258芦苇湿地法有效去除有机物，对N,P去除效果较好，占地面积大0.211640.080.1580七、国内人工湿地应用实例•该厂的运行情况良好，各项指标均达到或优于国家标准。此外，湿地内鸥鹭、燕鹊栖息苇田，行人游客驻足观光，其生态效益可见一斑。预处理后芦苇湿地田进、出水指标mg/L七、国内人工湿地应用实例•内蒙赤峰市宁城污水处理厂•宁城污水处理厂是赤峰市建委及宁城县建设局承担的国家建设部下达的“八五”科技研究重点课题“人工湿地污水处理技术在我国北方地区的研究和应用”的项目，该项目曾于1997年6月通过国家建设部科技司主持的技术鉴定，并于1998年6月将该项成果予以推广。•其工艺流程为原污水通过格栅，通过集水井、沉淀池，进入一级碎石床后，再进入二级碎石床，从二级碎石床流出处理水，排入天然河道。在一级碎石床栽植芦苇，在二级碎石床栽植香蒲。•采用此工艺处理每吨污水需土建费用427.00元，维护费用0.06元，占地面积3.6m2。•人工湿地污水处理技术的应用，有效地改善了东小河的生态环境，东小河下游的居民从此远离了恶臭和蚊蝇。改变了东小河的环境，提高了居民的生活质量。七、国内人工湿地应用实例•1996年以来，深圳市环境科学研究所开展了热带和亚热带区域水质改善、回用与水生态系重建的生物工艺学对策研究（1996.9-1999.9）项目，此项目为为欧盟科学，研究与发展部主管的与第三世界国家和国际组织合作项目，是由中国、德国和奥地利的六个研究单位合作开展的。该课题研究的主导思想是利用能耗低、运行费用低的人工湿地系统和生态学方法净化地面水，可应用于饮用水、景观用水的净化和污水处理。1997年5月到11月，深圳市环境科学研究建成了人工湿地研究试验点，修建了小试和中试试验工程，不仅在理论上作了大量研究工作，同时在技术上积累了很多宝贵的经验。对严重受污染的超过地面水标准GB3838-88V类标准的水经系统处理后，出水可达到III类标准。七、国内人工湿地应用实例•深圳市环科所