人工湿地的发展、分类及机理

人工湿地人工湿地 1 人工湿地概念及其发展人工湿地概念及其发展 一 人工湿地的概念一 人工湿地的概念 人工湿地是人们有目的地建立一种与天然湿地相似的人工生态系统 水特 征为水饱和或淹水状态 植物是具有耐湿或水生植物 土为水成土 人工湿地 有狭义和广义两种概念 根据 湿地公约 广义的人工湿地包括 养殖池 塘 池塘 小水塘 灌溉池塘 面积8hm2 低洼地 泥土 砖块 砾 石等洼地 矿区池塘 废水处理区 沉淀池 氧化塘等 运河 水沟等 狭义的人工湿地是指用于降解污染物的人工湿地 本文设计的湿地为此类湿地 狭义的人工湿地依据不同的分类方式和理解角度 所产生的人工湿地概念 也不尽相同 功能上概念 人工湿地是依据土地处理系统级水生植物处理污水 的原理 由人工建立的具有湿地性质的污水处理生态系统 结构组成上概念 人工湿地是由独特的土壤 基质 和生长在其上的耐湿或水生植物组成 是一 个有人为参与的基质 植物 微生物的生态系统 净化机理上概念 人工湿地 利用基质 植物 微生物间的物理 化学和生物三重协同作用 通过过滤 吸 附 沉淀 离子交换 植物吸收和微生物分解实现对污水的净化 二 人工湿地的发展二 人工湿地的发展 最早的人工湿地是 1903 年建在英国约克郡 Earby 的湿地系统 该系统一直 持续运行到 1992 年 但这只是人工湿地的雏形 1953 年德国的 Dr Kathe Seidel 在其研究工作中发现芦苇能去除大量有机和无机物 随着这一现象的发现 在 60 年代中期 Dr Seidel 与 Dr Kichuth 合作并由 Dr Kichuth 开发了 根区法 RZM 在水平潜流湿地中种植芦苇 降解有机物 通过硝化反硝化去除 氮 通过沉淀作用去除磷 根区法 理论的提出 标志着人工湿地污水处理 机理的初步萌芽 与此同时 出现了 厌氧微生物和芦苇处理污水 复合系统 由美国的国家空间技术实验室研究开发 自西德 1974 年建成第一座完整的人 工湿地以来 人工湿地在 20 世纪 80 年代得到了迅速的发展 我国在 七五 期间开始人工湿地的研究 天津市环保所在 1987 年建立了我国第一个芦苇湿地 工程 随后 北京昌平于 1989 年建立了自由水面流人工湿地 1990 年 国家 环保局华南环境科学研究所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建成了湿地处理系 统示范工程 目前 人工湿地正在向景观 绿化 资源与污水深度处理相结合 的方向发展 国内最典型的实例是四川成都活水公园 人工湿地正作为一种独 具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域 2 人工湿地的分类人工湿地的分类 根据水的流动状态 人工湿地系统分为自由水面系统 又称表面流湿地 潜流系统 又称潜流湿地 分为水平潜流系统和垂直潜流系统 一 表面流湿地一 表面流湿地 污水从系统表面流过 氧通过水面扩散补给 这种类型的人工湿地具有投 资少 操作简单 运行费用低等优点 而且该湿地系统与自然湿地最为类似 具有较高的生态效益 但这种湿地系统占地面积大 水力负荷率较小 去污能 力有限 运行受气候影响较大 夏季有孳生蚊蝇的现象 图 3 1 表面流人工湿地结构简图 a 主视图 b 剖面图 二 水平潜流湿地二 水平潜流湿地 水平潜流人工湿地污水从进口经由砂石等系统介质 以近水平流方式在系 统表面以下流向出口 在此过程中 污染物得到降解 介质通常选用水力传导 性良好的材料 氧主要通过植物根系释放 水平潜流湿地的水力负荷和污染负 荷较大 对污染物去除效果好 缺点是系统内氧含量较少 硝化效果不如垂直 流人工湿地 图 3 2 水平潜流人工湿地结构简图 a 平面图 b 剖面图 三 垂直潜流湿地三 垂直潜流湿地 垂直潜流人工湿地系统该系统通常在整个表面设置配水系统 污水从表面 纵向流向填料床底部 氧可以通过大气扩散和植物传输进入人工湿地 该系统 有较高的好氧处理能力 因此硝化能力强 为防止堵塞 填料级配复杂 建造 要求高 落干 淹水时间长 操作相对复杂 图 3 3 垂直流人工湿地结构简图 a 平面图 b 剖面图 三种类型人工湿地比较三种类型人工湿地比较 类型类型表面流人工湿地表面流人工湿地水平潜流人工湿地水平潜流人工湿地垂直潜流人工湿地垂直潜流人工湿地 特点特点 污水在湿地的表面 流动 水位较浅 多在 0 1 0 6 m 与自然湿地最为接 近 污水在湿地床的内部流 动 从一端水平流过填 料床 污水在湿地床的内部 流动 从湿地表面纵 向流向填料床的底部 或者从底部流向顶部 优点优点 工程投资低 运行 成本最低 水力负荷较高 对污染 物去除效果好 很少有 臭味和蚊蝇现象 运行 成本较低 硝化能力高 可用于 处理氨氮含量较高的 废水 运行成本较低 缺点缺点 系统的处理效果受 温差变化影响大 夏季滋生蚊蝇产生 臭味 卫生条件较 差 冬季或北方地 区则易发生表面结 冰现象 控制相对复杂 脱氮 除磷的效果不如垂直流 人工湿地 造价较高 控制相对复杂 工程 造价较高 人工湿地对污水处理及水质净化的应用很广泛 主要应用在以下方面 雨水径流和农业径流净化 乡城镇农村生活污水处理和住宅中水回用 城镇污水处理厂尾水深度处理 工业废水处理 入湖 入江 入海河道末端处理 湖泊 池塘 公园和生活小区富营养化水体处理 人工湿地建立以后 除了人工栽培的高等植物外 野生动植物也会明显增 多 首先是昆虫 随后是鸟类和爬行动物 再后是哺乳动物 逐渐成为一个完 善的生态系统 人工湿地植物一般为常绿植物 周年郁郁葱葱 人工湿地中又 有观赏植物 花红柳绿 还有各种花草 所以很多人工湿地可以兼做公共娱乐 区 生态公园 吸引游客和附近的居民 是人们休闲娱乐的好地方 3 人工湿地的去污机理人工湿地的去污机理 人工湿地利用基质 植物 微生物间的协同作用实现净化污水的目的 人 工 湿地被用于去除污水中的 SS 有机物 氮 磷 有毒重金属离子 病原微生物 等 前四项是人工湿地主要的去除对象 也是目前人工湿地领域研究的热点 一 人工湿地对悬浮固体物的去除机理一 人工湿地对悬浮固体物的去除机理 悬浮固体物质在流经湿地过程中 会因填料的截留和植物的阻隔而沉积 从污水中去除 在表面流人工湿地中 水流流速较缓慢 使悬浮固体物质有足 够时间同污水在湿地运移过程中发生沉积 截留和再悬浮 为尽量减小污水处 理过程中再悬浮现象的发生 设计湿地的流速不宜过大 应根据湿地的摩擦特 征 颗粒的沉淀特征和颗粒的扰动临界剪切力来确定 湿地植物及其散落物和 根系构成了湿地的过滤床 该过滤床具有较大的孔隙度 通过惯性沉积 流线 截留和扩散沉积过滤悬浮物质 并在一定程度上可限制再悬浮现象的发生 在潜流湿地中 水体不与植物的散落物直接接触 与表面流湿地形成的过 滤床所产生的沉积过程不同 而且湿地表面的风和动物也不会再引起再悬浮现 象的发生 潜流湿地对悬浮固体物质的去除是通过介质过滤作用 颗粒沉积在 水滞留的孔隙中 发生着颗粒化过程 二 人工湿地对有机物的去除机理二 人工湿地对有机物的去除机理 碳化合物与每个生命过程息息相关 拥有动物 植物和微生物的湿地生态 系统中的碳循环很活跃 在污水处理领域 BOD5 COD DC TC VOC TOC 等是表征有机物的主要指标 其中前两个 指标最为常用 有机物分为不溶性有机物和可溶性有机物 不溶性有机物在湿地中的去除 主要是通过湿地基质的吸附和过滤 在基质中沉积从而被分解或者利用 可溶 性有机物主要利用的是微生物作用 植物根系生物膜的吸附 吸收及生物代 谢降解而被分解去除 最终污水中的有机物是被异样微生物转化为 CO2 H2O 和微生物体 微生物体的最终去除需要通过定期地更换填料和收割植物 基质对有机物的去除主要通过吸附和离子交换作用 在合适的条件下 一 些阳离子 如 Ca2 Mg2 等 与 CO32 结合形成沉淀 包括有碳酸钙 碳酸 镁 白云石等 人工湿地系统会经过一个成熟的过程 在达到成熟后 填料表 面和植物根系周围将生长大量的微生物而形成生物膜 生物膜对流过的有机物 可吸附 吸收 从而被微生物代谢过程分解 三 人工湿地对三 人工湿地对 N 的去除机理的去除机理 人工湿地对污水中的含氮污染物的去除主要依靠填料基质中的微生物 硝 化细菌与反硝化细菌等 的氨化 硝化和反硝化作用来实现的 氮在湿地系统 中循环变化包括了 7 种化合价态 3 0 1 2 3 4 5 价 并且在 多种有机形式与无机形式之间转换 市政污水中的氮主要以氨氮和有机氮两种 形式存在 大部分有机氮都可以被微生物降解成为氨氮 因此研究中对于无机 氮的去除更为关注 污水中的无机氮也可作为湿地植物生长过程中不可缺少的 营养物质直接被吸收并通过植物的收获与再种植从整个湿地系统中去除 但植 物直接吸收只能部分降低氮元素的浓度 其在整个氮循环过程中只占小部分份 额 不能够成为氮元素去除的主体 含氮污染物主要的去除途径是通过硝化细菌以及反硝化细菌等微生物的硝 化 反硝化作用来完成的 人工湿地中的溶解氧随填料基质的高度不同呈现出 区域性变化 从床体底部到顶部连续呈现出富氧 缺氧及厌氧三种不同的状态 这相当于许多串联或并联了 A O Anoxic Oxic 污水处理单元 从而使硝化和 反硝化作用可以有条不紊地进行 在这种条件下 NH4 被氧化成 NO2 和 NO3 等离子 然后再被还原为 N2 其基本过程是硝化细菌首先通过硝化作用先将氨氮氧化成亚硝酸盐与硝酸 盐 之后反硝化细菌通过反硝化作用将硝酸盐还原成气态氮 最后氮气从水中 逸出 硝化作用在好氧环境下由自养型好氧微生物 硝化细菌 完成 它包括 两个生化过程 首先由亚硝酸菌 自养型好氧菌 将氨氮转化为亚硝酸盐 然 后则由硝酸菌 自养型好氧菌 将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐 在硝化反应 中起作用的亚硝酸菌 硝酸菌被合称为硝化细菌 反硝化作用在缺氧或厌氧环 境下进行的 其机理是反硝化细菌 多为异养 兼性厌氧细菌 利用硝酸盐中 的氧进行呼吸作用 氧化分解有机物为其新陈代谢提供养分 同时将硝酸盐还 原为 N2 最后超过饱和度的 N2并从污水中逸出 从而离开整个系统 因此 人工湿地比无法进行反硝化反应的传统活性污泥或者生物膜处理系 统具有更强的氮处理能力 比人工的 A A O Anoxic Anoxic Oxic 系统在操作 上要简单 在工序上要节省 在费用上要低廉 为了提高人工湿地氨氮的去除 效率 通常会采用人工曝气的办法来增加系统中的溶解氧含量 以此提高好氧 细菌的硝化能力 其实际效果是很大程度上提高了氨氮的去除效率 但同时为 反硝化细菌的活性带来了抑制作用 这是因为反硝化反应需要一个缺氧 或厌 氧 环境 而溶解氧的增加 抑制了反硝化作用的进行 从而使硝态氮的去除 效果有所降低 如何在提高氨氮的去除率的同时增加硝态氮的去除率是保证人 工湿地脱氮效果的一个难点 与有机污染物 COD 与 BOD 的去除相比 人 工湿地中的硝化过程速度比较缓慢 当 BOD 和 COD 值较高时 有限的溶解氧 常被其他好氧异养菌用于去除有机污染物的反应中 而硝化反应只有在有机物 浓度降低到一定程度才能开始 同时反硝化作用又需要从有机质中获取碳源用 以维持正常的新陈代谢 当污水有机物浓度很低时 反硝化过程不易进行从而 影响整个系统的脱氮效率 解决这一矛盾是提高人工湿地对含氮污染物的去除 率的另一难点 四 人工湿地对四 人工湿地对 P 的去除机理的去除机理 人工湿地对磷的去除是通过湿地填料基质的理化反应 植物根的系吸收以 及微生物的积累等几方面共同作用完成的 进水中的无机磷酸盐在水生植物的吸收和同化作用下 被合成为供能物质 ATP 和 ADP 与遗传物质 DNA 和 RNA 等有机成份 在季末通过人工对 植物的收获将磷元素从整个系统中去除 但是植物的吸收作用只占很少的一部 分 研究中发现污水在人工湿地系统中的流动与循环时 进入系统中的磷主要 存留在填料基质中 留存于植物体和凋落叶中的很少 而且植物不同器官对于 磷的吸收量也有很大不同 磷的另一去除途径是通过微生物对磷的正常同化吸收以及聚磷菌对磷的过 量积累 通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除 在传统的两级污水处 理工艺中 普通的微生物对磷的正常同化吸收一般只能去除进水中磷含量的 4 5 19 因而 微生物对磷去除主要是通过聚磷菌与嗜磷菌的大量摄取磷 元素作用来实现的 但是由于这部分被微生物吸收的磷元素在被不断吸收和释 放的动态循环中 而且组成微生物细胞体的磷 主要存在于遗传物质与功能物 质中 会在聚磷菌与嗜磷菌死亡后几乎全部被迅速分解无机磷然后释放到环境 中 所以一般认为微生物的活动与总磷的去除效率之间并无显著相关 而磷最主要的去除方式还是离子交换 理化作用包括填料基质对磷的吸附 及填料基质与磷酸根离子的化学反应 其去除机理为填料基质中 Al3 Ca2 Fe3 等离子可与 PO43 P 发生吸附和反应而沉淀去除 PO43 其中 PO43 于与 Ca2 在碱性条件下发生作用 而与 Al3 Fe3 主要是在中性或酸性环 境条件下发生反应 一般认为磷酸根离子主要通过配位体交换而被吸附到 Al3 Fe3 表面 与此同时 大量的研究还发现废水中的磷酸根只是被吸附停留 在填料基质的表面 这种吸附沉淀反应也不是永久地沉积在填料基质里 如果 长期进水中磷元素的浓度较低 填料基质中被吸附的磷就会部分被重新释放到 污水环境中 填料基质的作用在某种程度上是在作为一个 磷缓冲器 来调节 水中磷的浓度 那些吸附磷最少的填料基质最容易释放磷 4 人工湿处理污水的优点人工湿处理污水的优点 一 高效一 高效 人工湿地系统的显著特点之一就是其对污染物有较强的降解能力 它对污 水中的 COD BOD SS N P 都有很好的去除效果 有研究表明 对某些进 水浓度