污染控制课程-人工湿地

人工湿地在水环境保护及水污染控制中的应用楼菊青10914038ResearchonConstructedWetlands1.概述2.人工湿地的类型3.人工湿地去除污染物机理4.人工湿地的应用实例人工湿地污水处理技术1.概述ResearchonConstructedWetlands1.概述人工湿地的描述：--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。相关学科：土壤学植物学微生物学生态学工程学1.概述技术发展史：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。1.概述人工湿地组成：（1）防渗层（2）基质层（3）腐质层（4）湿地植物（5）水体层2.人工湿地的类型ResearchonConstructedWetlands2.人工湿地的类型3.CWs去除污染物机理ResearchonConstructedWetlands3.CWs去除污染物机理总体描述--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。3.CWs去除污染物机理（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dtdSS流入量－流出量－过滤量＋植物衰亡量＋微生物净生长量－脱落量－捕食量3.CWs去除污染物机理（2）有机物的去除降解主体：兼性细菌；厌氧细菌；好氧细菌机理：细菌植物的根系填料基质提示：运用生态学的观点分析dtdDOM流入量－流出量＋水解生成量－微生物降解量＋植物分泌量－植物吸收量3.CWs去除污染物机理（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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.CWs去除污染物机理N2+N2ONH3Org-NNH4＋NO2-NO3-NH4＋NO3-人工湿地氮循环示意图[空气][水体][土壤]dtdN流入量－流出量－植物吸收量＋植物分泌量＋植物释放量－微生物转化量＋微生物吸收量＋微生物释放量＋固氮量－吸附量＋解附量＋氨氮挥发量＋大气沉降量3.CWs去除污染物机理（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)一般研究认为：E:T:A＝13：17：703.CWs去除污染物机理（4）磷的去除去除途径：生物除磷（次要途径）物化除磷（主要途径）“累积而饱和”问题：提高磷的去除效率的研究对磷的饱和问题的研究dtdP流入量－流出量－植物吸收量＋植物释放量－吸附量＋解吸量－沉淀量－微生物吸收量＋微生物释放量＋大气沉降量3.CWs去除污染物机理（4）磷的去除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3.CWs去除污染物机理（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3.CWs去除污染物机理（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3.CWs去除污染物机理（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4.人工湿地的应用实例ResearchonConstructedWetlands4.人工湿地的应用实例（1）生活污水处理美国密歇根州的Vermontville村：植物：香蒲兼性稳定塘4.4hm2渗滤土地床4.6hm2生活污水农业灌溉设计流量：380m3/d；服务期限：20年（已运行25年）工艺流程图：4.人工湿地的应用实例（1）生活污水处理美国密歇根州Vermontville：出水水质可达到美国农业灌溉水质要求运行经验：湿地系统为水禽提供了合适的沼泽栖息地每年收割4~5次对湿地基本无破坏湿地的运行维护管理费用低廉--1990年总费用为4200美元，其中3400美元用于劳动力和土地4.人工湿地的应用实例（1）生活污水处理—欧洲最新运用进展法国—处理原城市污水20年经验总结人工湿地类型：垂直流人工湿地主要结论：（1）该系统对未经预处理的城市污水有良好的处理效果，尤其是对COD、SS和氨氮的硝化（2）系统中氨氮的硝化是最敏感的过程（3）系统出水COD≤60mg/L；SS≤15mg/L；TKN≤8mg/L（4）污染物的去除效率同负荷和植物种类相关（5）第一级人工湿地中污泥年积累量15mm左右，因此应每10～15年清理一次污泥丹麦—人工湿地就地预处理农村单户生活污水：就地预处理单户生活污水人工湿地示意图（1）生活污水处理—欧洲最新运用进展4.人工湿地的应用实例4.人工湿地的应用实例丹麦—人工湿地就地处理农村单户生活污水：主要研究内容根区氧化系统设计指南垂直流人工系统设计指南柳树湿地系统设计指南问题对除磷，还没有适宜的技术方案（目前使用化学法除磷）（1）生活污水处理—欧洲最新运用进展4.人工湿地的应用实例（2）化工废水处理美国加利福尼亚州ChevronRichment炼油厂：工艺流程图：工业废水厂区雨水排放人工湿地建设运行经验：条件合适时，淤积的氧化塘改建为人工湿地是可行的湿地可为水禽提供很有价值的栖息地湿地稳定运行的最关键因素是控制污水负荷--人工湿地上鸟类数量有200万只，鸟的种类达85种之多4.人工湿地的应用实例（3）农村非点源污染控制中国—云南洱海人工湿地脱氮除磷：工艺流程图：废水出水入洱海沉淀池厌氧塘收集系统配水系统人工湿地人工湿地多级人工湿地4.人工湿地的应用实例（3）农村非点源污染控制中国—云南洱海人工湿地脱氮除磷：主要结论：（1）高效低耗的人工湿地技术对中国经济落后的农村是一种适用技术（2）经过人工强化后的稳定塘和湿地占用土地面积少（3）稳定塘－人工湿地联用技术对相对浓度高、波动大的农村非点源污染控制具有良好的效果（4）氮、磷的控制对洱海的水体功能恢复至关重要（5）人工湿地不仅能控制污染，还具有景观功能，对国内的湖体修复和水环境保护具有现实意义4.人工湿地的应用实例（4）农业废水处理德国某养猪厂：工艺流程图：养猪废水固体废物农业用水厌氧消化池人工湿地生物气：城镇供暖消化污泥：农田肥料4.人工湿地的应用实例（4）农业废水处理德国某养猪厂：污染物进水(mg/L)出水(mg/L)去除率(%)氨氮13649893硝态氮342.395总氮157417689磷酸根1340.4999钾88511787铜1.140.0895芦苇床对养猪废水的处理效果4.人工湿地的应用实例（5）垃圾渗滤液处理挪威Esval处理厂：垃圾渗滤液工艺流程图：厌氧塘曝气塘出水自由表面人工湿地水平潜流人工湿地第一级第二级第四级第三级4.人工湿地的应用实例（5）垃圾渗滤液处理挪威Esval处理厂：去除效率污染物去除率(%)BOD88COD91TOC71TN83TP88Fe88E.coli954.人工湿地的应用实例（6）雨水处理英国伦敦东郊Dagenham：需求分析：--城市道路和高速公路的雨水径流含油许多污染物，如：有机物；石油类；洗涤剂和重金属等设计施工：--雨水调节池对悬浮固体去除效果高，但对有机污染物去除效率低下--英国Severn-Trent水务公司4.人工湿地的应用实例（6）雨水处理英国伦敦东郊Dagenham：河流工艺流程图：生物转盘（二级处理）雨水芦苇湿地（合流制三级处理）合流制下水道雨水芦苇湿地（分流制）溢流井溢流雨水导流井分流制下水道4.人工湿地的应用实例（6）雨水处理—欧洲最新运用进展德国—处理CSOs实践经验总结：人工湿地类型：垂直流人工湿地主要研究内容：（1）人工湿地的尺度问题，即由水力负荷和排放频率确定湿地的容积和面积（2）构筑总结：溢流量控制；排水系统与防渗；填料材质；出流及其构筑方式（3）费用问题—技术经济经验公式（4）运行操作要点：SS的负荷；长期表面淹没问题；植物初期建立4.人工湿地的应用实例英国—处理城市地表雨水径流调查：调查对象：类型住宅商用工业公路混合休闲机场合计SF11131128167790SSF21141411VF112合计1414133217712103新概念：可持续排水系统(SustainableDrainageSystems)（6）雨水处理—欧洲最新运用进展4.人工湿地的应用实例英国—处理城市地表雨水径流调查：去除效率调查结果(加*数据为TN)：SSBODNH3-NNO3--NE.Coli城市径流湿地76(36~95)24(-57~81)31(0~62)33(-17~68)(52~88)滞留塘73(13~99)53(10~99)92(86~99)植物塘55(46~91)40(0~69)29(0~80)高速公路径流湿地(50~70)18(10~20)*(50~90)表面流(13~75)15(5~32)45*(10~60)*82(75~99)潜流73(13~99)53*(10~96)*92(86~99)（6）雨水处理—欧洲最新运用进展4.人工湿地的应用实例英国—处理城市地表雨水径流调查：结论与建议：（1）目前，在许多国家“可持续的排水系统”(SUDS)研究与发展的热点问题（2）该系统应结合人工湿地技术（3）为了最大限度地去除污染物质，也为了暴雨湿地系统能够持续有效运行，其设计与运行管理的规范化工作有待进一步提高与加强（6）雨水处理—欧洲最新运用进展工艺特点：生态处理系统利用基质—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污水的高效净化。存在问题：水力负荷和污染物负荷较低，有较大的面积需求。(7)处理污水厂尾水4.人工湿地的应用实例（7）处理污水厂尾水如果生态处理系统对氮磷去除有要求：一般情况下：垂直流有利于硝化；水平流有利于反硝化；钢渣、自来水厂泥饼等填料具有很好除磷效果。N2+N2ONH3Org-NNH4＋NO2-NO3-NH4＋NO3-[空气][水体][土壤]4.人工湿地的应用实例湿地进水人工湿地系统湿地出水（8）用于受污染水体的水质净化4.人工湿地的应用实例景观人工湿地人工湿地受污染城市水体修复技术人工湿地发挥净化作用水质净化和环境美化结合的湿地技术楼菊青