人工湿地课件

1、 人工湿地 2008年3月一.人工湿地的概况1.1.湿地湿地 (Wetland)(Wetland)：是水域和陆地相交错而成的一类独特的生态系统类型，是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一。2.中国是世界上湿地生物多样性最丰富的国家之一，按照湿地公约对湿地类型的划分，31类天然湿地和9类人工湿地在中国均有分布，共拥有湿地面积6594万公顷(不包括江河、池塘等)，约占世界湿地面积的10%。3.湿地生态具有多种功能，它不仅为人类社会提供了丰厚的社会和经济效益，在调节气候、涵养水源、降解污染、净化环境、维持生态平衡、保护生物多样性和珍稀物种资源等方面均具有十分重要的作用被誉为地球之

2、肾，生物基因库和人类摇篮。 人工湿地人工湿地(Constructed WetlandsConstructed Wetlands)的定义的定义： 美国著名的湿地研究、设计与管理专家Hammer等人将人工湿地定义为: 一个为了人类的利用和利益, 通过模拟自然湿地, 人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植物、动物和水体组成的复合体。 目前对人工湿地定义已经取得了基本一致的认识: 人工湿地是为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计、建造及监督控制的，由基质、植物、微生物和水体组成的复合体，利用生态系统中基质一水生植基质一水生植物一微生物物一微生物的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的

3、高度净化。 人工湿地的优、缺点 建造费用相对低廉，建设投资少；建造费用相对低廉，建设投资少； 很低的能源消耗，运行和维护成本低、简便；很低的能源消耗，运行和维护成本低、简便； 工艺简单不需要复杂的操作；工艺简单不需要复杂的操作； 对对N和和P去除效果很好去除效果很好 能有效的和景观相结合，用生态技术处理污水能有效的和景观相结合，用生态技术处理污水 在在防治污染防治污染 的同时建造了一片绿洲；的同时建造了一片绿洲； 本身就具有景观效应，易于被大众所接受。本身就具有景观效应，易于被大众所接受。 占地较大（相对传统活性污泥法）占地较大（相对传统活性污泥法） 。人工湿地的应用发展史 运用人工湿地处理污

4、水可追溯到1903年，建在英国约克郡Earby的这个被认作世界上第一处用于处理污水的人工湿地，连续运行直到1992年。 而人工湿地处理污水工艺在世界各地受到重视并被运用，则是在本世纪七十年代德国学者Kickuth提出“根区法”(The RootZone Method)理论之后开始的。此方法类似于现在的芦苇床,正是由于“根区法”的出现,才推动了70年代人工湿地污水处理技术的发展。 人工湿地污水处理技术的发展经历了两个主要阶段两个主要阶段: 第一阶段是在20世纪70 年代,那时的人工湿地处理系统大多利用原有的天然湿地,即保持了天然湿地的原有结构而以泥沼的形式存在,而且常将湿地系统与氧化塘处理结合起

5、来以提高氧化塘系统的处理效果; 第二阶段是在20世纪80 年代以后,人工湿地发展为由人工建造的、以不同粒径的砾石和豆石为填料基质的、并种植有一定去污能力的植物处理系统,从此进入了规模性的应用阶段。美国、德国、英国、法国、丹麦、奥地利、比利时、卢森堡及荷兰等国家都建立了人工湿地污水处理系统,主要用于小城镇的污水处理。90年代以来,国外人工湿地污水处理得到极快的发展,已应作为生态系统中的一员。 近十年来，人工湿地在各国发展迅速，不仅成为中小城镇的重要污水处理措施，而且也成为雨水处理、工业废水处理、农田面源污染水处理的重要技术。我国在“七五”期间开展人工湿地的研究，分别在北京昌平、深圳白泥坑、天津等

6、地建成不同处理规模的人工湿地处理工程，现在己发展到实际应用阶段。人工湿地污水处理系统的污水概况 水体污染物来源水体污染物来源 水体污染物按其种类和性质一般可分为:无机无毒物、无机有毒物、有机无毒物和有机有毒物。 无机无毒物主要是指排入水体中的酸、碱及一般无机盐和氮磷等植物营养物质。在所有水污染类型中，尤以富营养化污染富营养化污染是目前比较普遍也比较严重的一类。这在靠近大中城市的湖泊水体中更为明显，如昆明滇池，杭州西湖等均有不同程度的富营养化。 而引起水体富营养化的植物性营养物质( (氮、磷氮、磷) )的去除，是水污染处理中的难点。水体中的氮磷来源很多，其中有外源性负荷外源性负荷和内源性负荷内源

7、性负荷。外源性的氮磷有面源污染和点源污染:面源污染主要来源于农业，点源污染主要来源于生活污水和工业废水。内源性负荷有沉积物中氮和磷的释放、水生动植物新陈代谢分解等。 随着对水体富营养化问题研究的深入，人们逐步认识到水体富营养化控制是一个典型的生态问题，生态问题只有用生态学方法解决。 用于生态恢复的有许多不同的自然生态处理系统，有些是以土壤为基础，有些是水生植物处理系统。这些自然生态系统主要是通过慢速处理、快速渗滤、表面径流、人工湿地等对污水进行净化处理。人工湿地的机理 绝大多数自然或人工湿地由五部分组成： 1.具有透水性的基质具有透水性的基质 如沙砾、沙土、土壤、石块等，这些基质为微生物的生长

8、提供稳定的依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质，是湿地化学反应的主要界面之一。 当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学的途径(如吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等)来净化除去污水中的N、P等营养物质。 2.水生植物水生植物 适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物。 人工湿地中水生植物不仅具有较强的营养物质吸附富集功能，而且还能与其周围环境的各种原生动物、微生物形成各种小环境，如将氧气传送至植物根区，为微生物的吸附和代谢提供良好的生化环境，形成特殊的根际微生态环境，这一微生态小环境具有典型的活性生物膜的功能，具备很强的净化废水的能力，对多种污染物有很强的吸收、分解、富集能力.

9、3.微生物微生物 植物根区微生物是湿地降解有机污染物的主要生力军，人工湿地中微生物的活动是废水中有机物降解的主要机制。水生植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根区，从而形成根表及附近区域的氧化状态。在这一区域废水中的大部分有机物质被好氧微生物分解成二氧化碳和水，有机氮化物等则被硝化细菌硝化。而在湿地中的还原状态区域，则是有机物被厌氧细菌分解发酵。而金属元素，植物根区好氧微生物的活动有利于硝化作用，可以加强湿地对重金属的吸附和富集作用。 4.无脊椎或脊椎动物无脊椎或脊椎动物：如鱼类、贝类和鸟类等。 5.在基质表面上下流动的水在基质表面上下流动的水。 其中人工基质、水生植物和微生物是人工湿地的主要

10、组成部分。同时他们互相影响，互为因果，形成一个系统。 废水可以在人工基质缝隙中流动或在床体的表面流动，并在床的表面种植具有污水处理机能好、成活率高、抗水性能强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物。当废水流经时，固体物被人工基质及植物根系阻拦截留，有机质通过生物膜的吸附，同化及异化作用而得以去处。 因湿地植物根系对氧的传递释放，湿地床层及其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，有利于硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用，达到除氮、磷的效果，最后通过湿地基质的定期更换或植物收割使污染物质最终从系统中去处。 一般的污水中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

11、生物利用；污水中可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解去处。人工湿地污水处理技术是模拟了天然湿地的结构，是由人工人工湿地污水处理技术是模拟了天然湿地的结构，是由人工建造、监督和控制的，它充分利用湿地系统净化污水能力的建造、监督和控制的，它充分利用湿地系统净化污水能力的特点，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，特点，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解通过过滤、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。来实现对污水的高效净化。 人工湿地的类型 人工湿地按废水在湿地床中

12、的不同流动方式，即结构划分可以分为三类：1.潜流湿地潜流湿地(Subsurface Flow Wetland, SSFW)2.地表流湿地地表流湿地(Surface Flow Wetland, SFW)3.垂直流湿地垂直流湿地(VerticalF lowW etland,V FW)。 目前国际上较多研究和应用的是潜流型或潜潜流型或潜流型与其他两种类型相结合的污水处理方式，流型与其他两种类型相结合的污水处理方式，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用，提高处理效果能力，另一方面由于水流在地表下流动，保温性好，处理效果受气候影响较小，且卫生条件较好。 人工污水

13、处理湿地水布图 人工污水处理湿地水流组织方式 平行水由唯一的进水口（可能是多个并行的进水口）进入湿地系统。进入系统的水横向、纵向或者斜向流动，但大多数还是横向流动，然后由给水管收集，排出湿地系统。 垂直流水流入湿地的地表管道均匀布水下来，然后通过管道收集，排出系统。这种形式目前使用较少。人工湿地的工艺流程 人工湿地本身的工艺流程有多种形式, 其中常用的有四种: 推流式、阶梯进水式、回流式和综合式，如图所示： a.推流式；b.回流式；c.阶梯进水式；d.综合式1.阶梯进水式可以避免填料床前部的堵塞问题, 有利于床后部的硝化脱氮作用的发生; 2.回流式可以对进水中的BOD5和SS进行稀释, 增加进

14、水中的溶解氧浓度并减少处理出水中可能出现的臭味问题。3.出水回流可以促进填料床中的硝化和反硝化脱氮作用。4.综合式则一方面设置了出水回流, 另一方面还将进水分布到填料床的中部, 以减轻填料床前端的负荷。 人工湿地的运行方式可根据其处理规模的大小, 进行多种方式的组合, 一般有单一式、并联式、串联式和综合式等。此外, 人工湿地还可与氧化塘系统串联组合，如图所示：a.单一式；b.串联式；c.并列式；d.综合式人工湿地处理系统的优点 人工湿地污水处理系统是一种集环境效益、经济效益及社会效益于一体的污水处理方式，具有建造成本低、运行成本低、出水水质好、操作简单等优点，同时如果选择合适的植物品种还有美化

15、环境的作用，是一种适合我国国情的一项污水处理新兴工艺，尤其适用于解决广大农村地区、中小城镇地区的水质问题（人工污水处理湿地适合于处理水量不大、水质变化不很大，管理水平不很高的城镇污水），因而有着广阔的应用前景。 “四低”：运行费用低；造价成本低；对操作人员要求低；系统维护要求低。对营养物质N、P具有明显的去处效果，有效地控制河湖水体的富营养化。防止二次污染：不产生污泥；不散发异味。在高纬度地区冬季稳定运行，无堵塞，使用寿命长。另外建造的人工湿地还可为众多野生动物提供栖息地和具有美学价值等优点。成都目前最大的人工湿地 凤凰河人工湿地2006年建成。凤凰河二沟生态治污工程项目日处理污年建成。凤凰河

16、二沟生态治污工程项目日处理污水能力水能力2万吨，每天为沙河注入万吨，每天为沙河注入2万方清洁的水。万方清洁的水。 5平方平方公里。公里。现在水质又变污染，原因：上游污水太多，人工湿地超负荷 。污水直接排污水直接排入入 河水又黑又臭河水又黑又臭 ，黉门堰：河岸已成垃圾场黉门堰：河岸已成垃圾场 ，陆家老沟：工业污水直排入陆家老沟：工业污水直排入河河 。治理思路治理思路 ：将上游污水收集到下游的污水管网中 。人工湿地净化效率分析及技人工湿地净化效率分析及技术性能改进术性能改进 目前人们对人工湿地净化过程的了解多基于“黑箱”理论,而对于污水在湿地系统的净化过程了解不多,因此导致了人们在建造人工湿地时主

17、要借助于经验,从而造成了各地人工湿地净化效率差异很大净化效率差异很大。 水流动力学水流动力学 1. 植物的存在一方面能吸收污染物,促进微生物活性,加强净化能力;2. 根系降低了空隙度，减少了长期停留于湿地系统的水量，不利于污染净化。因此,在植物的选择上应考虑以上问题,选择恰当的植物。3. 须根系较根状茎与地下茎疏导水流效果好，因为根状茎与地下茎可能堵塞空隙造成水流局部断路。 低温的影响低温的影响1. 湿地系统中植物与微生物的生长及生理与生化活性不可避免地受到温度季节性变化影响，使得一些寒冷地区的人工湿地冬季运行受到限制。2. 潜流湿地系统水面在地下,受冷空气影响要小于其他两种湿地，适于寒冷地区

18、采用。 3. 冬季水体的溶解氧容纳量也比高温季节高,利于微生物降解有机污染物。而且冬季不溶性有机污染物易于絮凝，有利于被基质过滤作用去除。4. 冬季对N 的去除能力有所降低,N的氨化、硝化与反硝化均受温度影响，因此冬季N 的去除效果成了湿地大小规模、水力停留时间等的决定因素。冬季N 的净化过程也许与温度有直接关系,也许取决于植物或氧的传输。 氧含量的影响氧含量的影响 1. 湿地系统中氧含量是影响湿地N和P 净化效果的关键因素。2. 地表流湿地与垂直流湿地由于水面暴露于大气中，便于大气充氧，其氧含量高于潜流人工湿地系统，因此通常潜流湿地对N 和P 的处理不如其他两种湿地系统。3. 在有机污染物处

19、理方面潜流湿地效果较好。 为提高氧含量，可增加植物密度，以加强送氧能力，为避免植物根系影响空隙度可采取挺水植物与小的浮叶植物相结合的方式； 可将2种或3种湿地系统串联组合，以取长补短,充分发挥系统功能;可采取间歇方式进水,使系统不饱和水层得以复氧。 研究表明,对碳源质量与数量的调节可以有效调节微生物与植物胞外酶活性，从而加快污染物分解。存在的问题及今后研究方向 堵塞的问题 人工湿地能有效地去除污水中的有机物、悬浮物、重金属、病原体等污染物质, 但是随着时间的推移, 部分营养物质会逐渐地积累, 湿地中的微生物相应地繁殖。如果维护不当, 便很容易产生淤积、阻塞现象, 使水力传导性、湿地处理效果和运

20、行寿命降低. 1. 根据美国100多个构建湿地的调查, 有将近一半的湿地在投入运行后的5 年内形成了堵塞。2. 国内l990年建成的某湿地，由于水力负荷过大等原因也造成了严重堵塞。构建湿地堵塞后, 湿地系统渗透系数明显减小, 改变了其水力特征及传质过程, 从而影响污染物的去除效果。3. 目前当人工湿地堵塞后, 主要是通过停床修停床修整自我恢复整自我恢复, , 恢复期间无法进行污水处理。 (1)进一步加强对净化机理和工艺动力学的研究，为强化物理、化学和生物的综合作用提供理论指导。 (2)选择处理效果好、来源丰富、成本低的基质，利用碎石、粉煤灰、钢渣和炉渣等固体废弃物；利用本地植物品种，引进外来物

21、种，开发新品种；将不同种植物搭配起来混种；为微生物提供温度、溶解氧、碳源等外部条件，促进有机物的降解和脱氮除磷作用。 (3)选用适当的预处理工艺预处理工艺。如用厌氧消化处理养殖废水。用沉淀池处理生活污水和雨水径流。采用组合工艺，将潜流和表面流、水平流和垂直流结合起来，进行多级分步处理。农村生活污水微型湿地处理工艺及景观水体生态构建技术 1. 对建造的复合垂直流人工湿地进行实验研究。通过改变水力负荷大小、是否充氧、是否增加反硝化碳源等条件，研究复合垂直流人工湿地内的污染物变化情况，进而分析各污染物的去除机理。2. 研究表明：不充氧时，由于溶解氧浓度限制，硝化作用微弱，从而反硝化作用也十分有限，氮

22、的去除主要依靠基质的吸附截留，充氧后下行床内硝化作用增强，氮大部分转化为硝酸盐； 未增加反硝化碳源时，由于有机物浓度较低，反硝化碳源不足，出水硝酸盐浓度较高，增加后，反硝化反应进行的较彻底，出水氮浓度非常低。通过各个条件的合理组合，最终出水各污染物指标除TP达到地表水环境质量类标准外，TN、NH3-N、COD都达到地表水环境质量类标准。小区内的微型湿地生态系统 单体微型人工湿地低成本污水生物处理系统配合厌氧消化池（如沼气池）等预处理设施，该系统也可以用于废水排放量较小（23m3/日左右）的分散居住点等的污水处理。1. 对废水特性专门选择培育植物品种，强化其净化效果。2. 能适宜当地生长的植物或

23、天然湿地原存的优势种。应具有发达的根系，可通过根茎繁殖扩展；生物量大或茎杆密度大，可最大限度地吸收营养；3. 根据废水特性选择适宜植物。如浮游植物脱磷除氮好，耐污性好；挺水植物具有中等耐污性；沉水植物适于轻度污染的水体。多年生芦苇去除氯化物效率高，而香蒲、灯芯草等去除BOD及N、P的效果高。菖蒲去除细菌能力强。 4. 多种植物混植形成群落，提高总体净化能力和植物抗病虫害的能力。 芦苇370430cops70香蒲230Sol1圆锥苔草70Sp5苦菜Sol2茨ci 藻1015Cop10狸藻10Sol3穿叶眼子菜30Sol5设计种类，比例，群落设计种类，比例，群落 城市人工湿地的设计：一个健康的湿地

24、系统。一条浅浅的水流蜿蜒流过，旁边是多样的微生境。微生境还可以通过小块缓坡以及生物工程技微生境还可以通过小块缓坡以及生物工程技术（如纤维袋等）建立。柴笼结构（配合灌术（如纤维袋等）建立。柴笼结构（配合灌丛）也可以提供复杂的微生境。丛）也可以提供复杂的微生境。微生境：微生境：能创造出多样的环境条件，以能创造出多样的环境条件，以适合不同湿地种类的需求，以提高湿地适合不同湿地种类的需求，以提高湿地表面的生物量。表面的生物量。人工湿地人工湿地成都活水公园成都活水公园成都活水公园成都活水公园公园简介公园简介活水流程活水流程污水节能提取污水节能提取厌氧沉淀厌氧沉淀曝气冲氧曝气冲氧微生物降解微生物降解植物吸

25、收植物吸收净水流出净水流出结论结论 成都活水公园位于成都市内的府河边，占地24000余平米，投资达3000万元人民币，是世界上第一座城市的综合性环境教育公园。园中庞大的水处理工程，大大改善了府南河的水质，也因此让市民亲眼目睹了水由污变清的自然进程。 公园形状是一“鱼”形，象征活力和健康，每天有200立方水从河中抽出，除去细菌、重金属后再回到河中，大约是府南河每天平均流量的六千分之一。（府南河流量134万立方）下页下页活水流程：活水流程：下页下页污水节能提取污水节能提取下页下页【第一步：厌氧沉淀第一步：厌氧沉淀】u混浊的府南河水被泵入喷泉池，进行活水净化的第一道工序。u泵入池中的污水一部分经物理

26、沉淀作用，使比水重的悬浮物沉于池底，从排泥管排出。比水轻的悬浮物浮于水面，由人工清理。u另一部分经池中的厌氧微生物分解成甲烷、二氧化碳等难溶气体排入大气，或成较低分子有机物随水流出，进入下一道净化程序。 厌氧沉淀池厌氧沉淀池 厌氧沉淀池是人工湿地生物净水系统的预处理装置，容积约780立方米。该池物理沉淀厌氧接触与生物膜过滤相结合的方法去除大部分悬浮物和部分可溶性有机物，使大部分悬浮物或沉与池底或浮于水面由人工清除，使部分高分子有机物分解成较简单的物质（如甲烷、二氧化碳、氨氮等 ），或排入大气或随水流入下道工序成为动、植物生长的养分。下页【第二步：曝气充氧第二步：曝气充氧】u经过初步沉淀的水，流

27、入一串形似花瓣的莲花石溪，称为水流雕塑。它巧妙地引入水力学原理，利用落差产生的冲力，使水在一个个石花瓣中活泼欢跳。这一方面极富动感和观赏价值，同时使水在回旋、震荡中充分地曝气充氧，水在回旋、震荡中充分地曝气充氧，增强水中的含氧量。增强水中的含氧量。 下页下页跳跃的流水跳跃的流水【第三步：微生物降解第三步：微生物降解】u水通过水流雕塑后，进入微生物池，也叫兼氧池兼氧池。它的深度为1.6米、容积为48立方米。污水在池中被微生物部分净化后，从微生物池泵入植物池。兼氧池（图中植物：水笋）兼氧池（图中植物：水笋） 兼氧池容积约48立方米，是人工湿地的前端配水装置，池中兼氧微生物和植物对有机污染物和重金属有一定的降解作用。下页下页【第四步：植物吸收第四步：植物吸收】u植物池是一个人工湿地生态系统，它是活水公园水处理工程的核心部分，由6个植物塘、12个植物床组成，其中养殖的植物达数十种，包括：漂浮植物（浮萍、紫萍、凤眼莲）、挺水植物（芦苇、水烛、茭白、伞草、菖蒲、马蹄莲、灯心草）、浮叶植物（莲、睡莲）、沉水植物（金鱼藻、黑藻）等，还有多种鱼类、昆虫和两栖动物。u水流入人造湿地区，这里的芦苇不是长在土里，而是长在石头上。水从石头之间流过，污染物就被吸附住了。岩