浅谈人工湿地污水处理技术及工艺设计_图文

1、2007年全国拾水排水技术信息网成立三十五周年暨年会论文集浅谈人工湿地污水处理技术及工艺设计霍贞(天津市政设计研究簏天津350001摘要:本文概述了人工湿地的分类,阐述了对污水中的有机污染物,氮,磷,重金属离子等污染物 的去除机理,介绍了人工湿地污水处理系统的工艺设计.关键词:工湿地污水处理工艺设计湿地被应用于污水净化始于20世纪50年代。而用人工湿地进行污水净化的研究始于20世纪70年代末。 人工湿地是一个白适应的系统。它是近20年发展起来的一种废水处理新技术。与传统的污水处理方法相比, 人工湿地具有工程基建和运转费用低,仅为传统二级污水处理厂的1/101/2左右:对负荷变化的适应能力 强,

2、处理效果好,对氮、磷的去除率高;运转维护和管理方便、能耗少、无须化学药剂:同时其生态环境 效益显著并可美化环境,实现废水资源化等优点,可作为传统的污水处理技术的一种有效替代方案,这对 于节省资金、保护水环境以及进行有效的生态恢复具有十分重要的现实意义,也越来越受到世界各国的重 视和关注”.1人工湿地的概念2人工湿地的分类人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为沉水植物系统、浮水植物系统、挺水植物系统。沉水植物系 统还处于实验室阶段,其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮水植物繁殖能力强,可通 过光合作用由根系向水体放氧,可通过植物吸收有效去除N、P及重金属等污染物,目前主要用于N、P

3、的去除和提高传统稳定塘效率。挺水植物根系发达,可通过根系向基质供氧,使基质中形成多个好氧、兼 氧、厌氧小区,利用多种微生物的繁殖,实现污染物的多途径降解。目前一般所指人工湿地都是指挺水植物系统。挺水植物系统根据水流形式可分为表面流湿地(Surface FlowWetlands,缩写为SFw、潜流湿地(Subsurface FlowWetlands,缩写为SSFW和垂直流湿地(Vertical Flow Wetlands.缩写为VFw。2.1表面流湿地表面流湿地也叫地表流湿地、水面湿地。此系统中,污水在湿地土壤表层流动,水位较浅(一般在0.1 0.6m。污水从入口以一定速度缓慢流过湿地表面,部分

4、污水或蒸发或渗入地下,出水由溢流堰流出。氧的 来源主要通过水体表面扩散。这种系统与自然湿地最为接近,污水中的大部分有机污染物的去除是依靠生 长在植物水下部分的茎、杆上的生物膜来完成的。但该系统对营养盐N、F的去除率偏低,这是因为N、P 的去除过程主要发生在基质内.而该系统的污水仅仅在基质表面流过。该湿地系统的优点是工程量少、操 作简单、投资和运行费用低。缺点是不能充分利用填料及丰富的植物根系的处理能力,处理效率较低;水 力负荷较低且占地面积较大;因污水在湿地表面流动,夏季容易滋生蚊蝇,产生臭味.卫生条件差;冬季 在寒冷地区易发生表面结冰影响处理效果。该类型在美国、加拿大、新西兰、瑞典等国有较多

5、分布6】。在 我国北方一些地区由于冬季气候寒冷而不能正常运行。故设计中采用的较少。1082007年全国给水排水技术信息网成立三十五周年暨年会论文集2.2潜流湿地潜流湿地也称渗滤湿地、水平流湿地。此系统中。污水经配水系统在湿地的一端均匀进入填料床植物 的根区,在湿地床内部流动,净化的出水由湿地末端集水管收集后排出。由于污水在湿地床的表面下流动, 这样就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的截留等作用,提高处理效 果和处理能力,特别对BOD、COD等有机物和重金属等去除效果较好。又由于水流在地表下流动.保温 性好,处理效果受气候影响小,卫生条件也好。缺点是投资较表面流湿地

6、系统高、控制相对复杂,氮、磷 的去除率较低。该系统是目前研究和应用较多的一种湿地处理系统,尤其在欧洲、日本、澳大利亚以及南 非被广泛应用,近年来在美国的利用数量也在增加。有学者提出一种新型潜流构造湿地一波式潜流人工湿地。在该系统中设置上下位隔墙。使污水反复地 与湿地系统中上层、中层、下层微生物、根系和基质接触,从而优化了传统潜流人工湿地的水流流态,COD、 氨氮、总磷处理效果比水平潜流型明显提高。但水头损失较高,尚需进一步研究。2.3垂直流湿地垂直流湿地的水流综合了前两者的特性,污水在基质床中基本呈由上向下的垂直流,污水流经床体后 被铺设在出水端底部的集水管收集排出处理系统。其运行时一般采用间

7、歇进水方式。由于污水从湿地表面 纵向流向填料床底部,床体处于不饱和状态,氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统,其硝化能 力高于潜流湿地,可用于处理氨氮含量较高的污水。由于其表层为渗透性良好的砂层,水力负荷一般较高。 其缺点是对有机物和sS的去除能力不如潜流人工湿地,落干/淹水时间较长,控制相对复杂,基建要求较 高,夏季易滋生蚊蝇。目前应用的还不是很多。3人工湿地的去污机理人工湿地对污水的处理有十分复杂的净化机理,现在仍未完全研究清楚。一般认为人工湿地对污水 的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。其处理过程大致为:植物渗出的可溶性有机和无机物质为微 生物生长提供了基质,使根际微生物的数量

8、和活性明显高于非根际带。湿地系统成熟后.填料表面和植物 根系由于大量微生物的生长而形成生物膜.废水流经生物膜时,大量的ss被填料和植物根系阻挡截留,大 肠杆菌和病原体被植物根系分泌物灭活或自然衰败死亡,不溶性有机物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除。根系周围由于植物的运输组织和根系对氧的传递释放形成连续的好氧、 缺氧和厌氧状态,相当于许多串联或并联拘A2/O处理单元.不仅保证了大分子有机物的去除,而且使废水 中的氮、磷被植物和微生物作为营养成份直接吸收。同时.还可以通过硝化,反硝化作用及微生物对磷的 过量积累作用将其从废水中去除。最后,随着湿地床填料的定期更换或栽种植

9、物的收割使污染物最终从系 统中去除。4人工湿地系统的工艺设计4.1人工湿地系统的工艺流程为确保人工湿地污水处理系统的稳定性,增加人工湿地处理寿命及处理能力,一般要增加预处理设施。 预处理可以防止污水在贮存、输送过程中发生臭气.防止未经处理的污水污染土壤、地下水或植物.这些 处理设施与人工湿地可以有不同的组合达到不同的去除效果.预处理部分包括格栅、初沉池、稳定塘等。 一般工艺流程见图l所示.图1人工湿地工艺流程图其中格栅是用来去除可能堵塞管道和阀门的较大漂浮污物;初沉池的作用是从污水中去除悬浮颗粒 以免这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行。稳定塘主要是用作污水的初步处理,降低污水中ss,BOD

10、的浓度,以减轻人工湿地处理污水的负荷,从而提高湿地的处理效率。目前采用的人工湿地系统的进水方式主要有:推流式、回流式、阶梯进水式和综合式4种.见图2所示。 阶梯进水可避免处理床前部堵塞,使植物长势均匀.有利于后部的硝化脱氮作用;回流式可对进水进行1092007年全国给水排水技术信息网成立三十五周年暨年会论文集一定的稀释。增加水中的溶解氧并减少出水中可能出现的臭味。出水回流还可促进填料床中的硝化和反硝 化作用。综合式则一方面设置出水回流,另一方面还将迸水分布至填料床的中部.以减轻填料床前端的负荷。 人工湿地的运行可根据处理规模的大小进行多种方式的组合,一般有单一式、串联式、并联式和综合式等, 见

11、图3所示。在日常使用中.人工湿地还常与氧化塘等进行串联组合。a'推流式;b.回流式:cT阶梯进水式:d.综合式图2人工湿地进水方式示意图a.单一式;b.串联式;c.并联式:d.综合式图3人工湿地的不同组合方式4.2人工湿地系统的工艺设计人工湿地污水处理系统的工艺设计主要包括人工湿地基质的构建、植物群落的构建和人工湿地构造与 工程参数三个方面。在人工湿地的设计中,基质的构建需从基质的种类、粒径和厚度三方面加以考虑。不同基质的人工湿地其净化效果不同,富含Fe”、Al”、Ca2+等离子的基质容易通过配位体交换与污 水中磷酸根离子发生吸附和沉淀反应,因此,l三【P为特征的污水,最好选择飞灰和页

12、岩为基质.其次是铝 矾土,石灰石和膨润土等,泡沸石与油页岩对P的吸附能力较差.不宣选用12”。而以有机污染物和悬浮物 为特征的污水,常选用土壤、细沙、砾石中的一种或多种作基质,即可达到良好的处理效果。基质粒径的大小是影响湿地系统水力传导性的主要因素,直接关系到污染物在湿地中的停留时间和系 统的空隙度。粒径大的基质.空隙度大,所能容纳的污水量也大,污水能在湿地内部受到较长时间的吸附 与吸收,有利于污水净化。目前运行的人工湿地.基质粒径范围在030mm之间,最常选用的粒径范围是416mm。进水配水 区和出水集水区填料粒径一般在60100mm,分布于整个床宽。处理区填料粒径美国EPA建议为20 30

13、mm。在欧洲有实践表明:粒径为816mm的基质,水力传导性好,适宜植物生长,处理效果好. 基质的厚度是决定人工湿地过水断面面积和污水处理效果的重要参数,一般须根据系统所栽种植物的 种类及根系的生长深度确定.以保证湿地床中必要的好氧条件。目前运行的人工湿地,其基质厚度在0.5 1.0m之间,大多数人工湿地基质厚度在O.6O.8m之间。通常垂直流湿地的基质层较厚,在7080cm之 间.潜流湿地的基质厚度约4060cm左右。表面流湿地对基质厚度的要求不太严格。人工湿地中常选用挺水植物。人工湿地植物的构建包括植物的选择、栽培和收割管理三个方面。 1102007年全国给水排水技术信息阿成立三十五周年暨年

14、会论文集常用于人工湿地的植物种类主要有:芦苇、香蒲、菖蒲、灯芯草、蔗草和苔草等,其中芦苇和香蒲应 用最多。不同植物对污水的净化效果不同。长苞香蒲和水烛等大型植物具有粗壮的根系和许多发达的不定 根,是较佳的净水植物,而小香蒲根系发达程度无法与前者相比,其净水效果也差一些。对含氦氢浓度较 高的污水,蔗草、芦苇的去除能力明显高于香蒲,对以有机污染物为主的污水,蔗草的去除能力优于芦苇 和宽叶香蒲口”。因此,人工湿地植物的选择应考虑以下方面:生态的可接受性,所选用的植物不是有 害杂草,对周边自然环境生态遗传的整体性不构成危害;能适应当地的气候条件.具有一定的抗病虫 害能力;能忍耐污染物和水生的环境条件;

15、容易繁殖和生长速度快;净化能力强。总之。人工湿 地植物的选择日益倾向于具有地区特色、耐污力强、净化率高的品种。人工湿地植物的栽培多在春、秋两季,春季栽培更有利于植物的成活和生长。植物的栽培方式主要有 自然界移栽、直接种植和育苗移栽三种。从自然界移栽容易引入杂草,且受气候条件的限制,一般多在春 季。直接种植湿地植物成活率高,但生长速度慢。育苗移栽是目前国外普遍采用的方式,采用这种方式. 植物的成活率高,生长速度快,可以在短期内布满整个人工湿地。增大植物的栽培密度可以加强其输氧能 力,有利于提高系统的氧含量。进而提高其处理效率。加强人工湿地管理,控制杂草生长,定期进行植物 收割也有利于维持系统的处

16、理效果。4.2,3人工湿地的构造与工程参数人工湿地的构造与工程参数是人工湿地工艺设计的核心,包括湿地床构型和系统水力学特性两方面。 其中,湿地床构型设计包括系统的长宽比和底面坡度两个参数。系统水力学特性包括水力负荷、有机污染 负荷、污水停留时间、系统内水流方式、进出水系统的布置等。湿地床长度通常为2050m。过长,易造成湿地床中的死区,且使水位难于调节,不利于植物生长。 潜流湿地处理单元由于绝大部分的BOD和悬浮物的去除发生在进水区几米的区域,因此也有一些学者建 议,潜流湿地处理单元长度应控制在1230m之间。KolIaard和Tousignant建议,潜流湿地处理单元长度最 小取15m为宜。

17、湿地的长宽比不宜过大,我国学者建议控制在3:1以下,目前,太多数欧洲国家人工湿地 的长宽比在1:l2:1之间,以土壤为主的系统。长宽比应小于l:1。对于长宽比小于l:l的潜流湿地,必须 慎重考虑在湿地整个宽度上均匀布水和集水的问题。人工湿地底面坡度的大小须根据基质性质及湿地尺寸加以确定,目前人工湿地设计中,底坡一般取 l%7%,大多数在I%左右,对砾石床人工湿地可取2%,表面流人工湿地采用0.5%或更小,潜流人工 湿地不大于1%。目前。人工湿地水力学特征设计是人工湿地工艺设计的薄弱环节,国内外尚无统一的技术标准和设计 规范,大蠡数设计是通过简单模型的计算再结合实践经验获得的。一般地,进行水力学

18、设计负荷时,应考 虑气候、土壤状况、渗透系数和植被类型等场地条件,污染物降解动力学特征及出水水质要求,尤其注意 由于蒸发、蒸腾作用对夏季处理的影响及在干旱地区设计湿地的可行性.通常,潜流型人工湿地的水力负 荷可达150500m(had.最佳水力负荷在187374m3/0am2d之间。降低水力负荷有利于提高系统的出 水效果。人工湿地的有机污染负荷随废水性质和条件而变化,其大致范围在18llOkgBOD5/(had。人工 湿地的停留时间与处理效果关系密切,停留时间过短,生化反应不充分。停留时间过长。易引起污水滞留 和厌氧区扩大,影响处理效果,一般为1020d。北京昌旱人工湿地的运行结果表明,停留时

19、间宜在4' 6d。王世和口4J等认为,停留时间在57d,各种污染物的处理效果最佳.欧洲国家推荐使用的水力学特征参数如下.表面流人工湿地:有机污染负荷<112kgBOD/(had。水 力负荷为1.24.7cm/d.停留时间为515d,底坡为0.5%,长宽比>10。水平潜流人工湿地:有机污染负荷 <150kgBOD一(had1,水力负荷<5cm/d.停留时间>5d,底坡为1.o%。长宽比<3.在三种人工湿地中,水平潜流湿地运用最为广泛。普遍认为,表面流湿地与垂直流湿地的氧含量高. 对N和P处理效果好,但在有机污染物处理方面,水平潜流湿地的处理效果较好。将不同类型的人工湿地进 行组合,有利于提高系统的处理能力口J。在不同地区应结合自身条件,因地制宜.湿地床进水系统的设计应尽量保证配水的均匀性,一般采用多孔管或三角堰等。多孔管可设于床面上 或埋于床面以下,埋于床面下的缺点是配水调节较为困难。多孔管设于床面上方时,应比床面高出O.5m左 右,以防床面淤泥和杂草积累而影响配水。同时应定期清理沉淀物和杂草等,保证系统配水的均匀性。系2007年全国给水排水技术信息网成立三十五周年暨年会论文集统的进水流量可通过阀或闸扳调节,过多的流量或紧急变化时应有溢流、分流措施。湿地出水系统的设计 可采用沟排、管排、井排等方式.合理的设计应考虑受纳水体