人工湿地课件

人工湿地

水生植物处理系统的基本原理产生于人们的观察，即很多天然水生系统(如池塘和湿地)具有净化废水的固有能力。这一认识被转用来专门设计各种去除废水中污染物的人造水生植物处理系统。这些系统分为三种基本类型：人造湿地、浮水生植物系统和活机器系统。人造湿地湿地是指一年中至少有部分时间为潮湿或水涝的地区，例如沼泽、沼地、泥炭地和沼泽群落。一般来说，人们并不太重视湿地。从北美到欧洲，无数英亩的湿地被排干并被改作农田或用于商业和住宅区开发。直到最近，我们才认识到湿地的价值、它令人注目的水净化能力以及它在自然生态系统中发挥的至关重要的作用。

对湿地净化能力的研究起始于本世纪50年代，当时，德国科学家凯瑟·塞德尔(KatheSeidel，1978)和莱因霍尔德·基库思(Rein—holdKickuth，1970)，首次调查了用湿地去除污染水中养分和悬浮固体的可能性。塞德尔证实宽叶香蒲能去除污染水中的大量有机和无机物质。在后来的一些研究中，她证明宽叶香蒲还能通过从其根部分泌天然抗生物质，大大降低废水中的细菌浓度，而且它们能隔绝重金属并清除碳氢化合物。对这项工作的兴趣从德国扩展到欧洲、北美、澳大利亚和全世界。如今，北至加拿大的育空地区和西北地区，南到澳大利亚和新西兰，数以百计的天然湿地和人造湿地被用来处理废水和暴雨水，该系统的规模不等，从设计处理单门独户废水的小系统，到相当大的系统，例如墨西哥的—块人造湿地用来处理10万多人的废水。

设计由于天然湿地通常是脆弱的生态系统，接触太多的污染物就会使它不堪重负，所以最好专门根据废水处理的目的来设计和建造湿地。这些系统被称为人造湿地或芦苇床。它们有三个关键组分：植物、微生物和基质。耐水的植物扎根于土壤或砂砾基质，该系统浸满了水，基质支持着这些植物，而植物的根则为各种微生物提供了家园。

几乎任何一种水生植物都适合于湿地系统，最常见的有芦苇(Phragmitesaustralis)、香蒲属(Typhaspp.)和草属(Scirpusspp.)。某些植物如芦苇和香蒲的空心茎能将空气输送到根部，所以能为微生物提供额外的氧。一些植物吸收特定金属或化学物质，其它一些植物分泌能杀死病原体的渗出液。处理一个人产生的废水大约需要1—2平方米湿地，通物理过程、化学过程和生物过程的组合来完成：·悬浮固体到滞水底部，或被湿地基质和植物过滤；·有机物质被植物根部的微生物分解；·硝酸盐可以被脱氮菌转化为氮气，或被植物吸收；·氨被细菌转化为硝酸盐；-·磷随钙、铁和铝化合物沉淀，通过沉积和吸附于土壤以及植物吸收而被去除；·金属和有毒化学物质通过氧化、沉淀和植物吸收来去除；·病原体在不适宜生存的环境中逐渐死去并被其它生物所摄取，或被抗菌化合物杀死(虽然湿地中的野生动物可能会引入更多的病原体)。该系统的设计和布局将取决于当地的地形、输入废水的性质以及特定的处理目标。需要多少土地将取决于污染物的输入负荷、湿地设计和处理目标，但一般说来，负荷越高或处理程度越高，所需的土地面积就越大。人造湿地系统有两种：表流湿地和潜流湿地。另外，潜流系统可以分为平流湿地和垂直流湿地。表流湿地表流湿地通常是衬有不透水材料层的浅蓄水池，它们充填有土壤或砂砾基质，并种上露出水面的植物(见图9．1)。它们被设计成水淹型，所以水位在基质表面之上，使废水在基质上面流动，通过稠密的植物。从这点上看，它们模拟天然湿地的水流，表流湿地的建造费用较低(根据系统的大小，建造费用为1万—10万美元／公顷)，主要用于土方工程。潜流湿地潜流湿地与表流湿地相似，但它们的设计是使废水流过基质，而不是在基质上面流动，所以水位保持在基质表面之下。潜流系统比表流湿地更适合于较冷的气候，因为大部分处理发生在地表之下，冬季地表下的环境一般比地面上要暖和。这种较暖的环境，加上输入废水本身的温度，可以防止处理床在零下气温时结冰。潜流湿地不像表流湿地那样容易产生臭味或蚊子问题，而且它们可以处理较高负荷的废水。但如果有机负荷太高，它们往往会堵塞。由于这一原因，通常在潜流系统前面有一个沉淀过程，目的是去除悬浮固体。此外，常常采用多个进口，尽可能均匀地分散悬浮固体，避免堵塞问题。潜流湿地的建造费用较高(是表流系统建造费用的4—8倍)，主要是砂砾填充费用。可以将潜流系统设计成为平流或垂直流(见图9．2)。平流系统有时被称为基库思法或根区法，是60年代中期由基库思(R．Kikuth)博士首创的。它包括一个种有芦苇的轻粘土或粘重土矩形床。常常添加钙和铁或铝补充物来改善土壤结构，增加土壤沉淀磷酸盐的能力。它的设计使废水水平地流过芦苇的根围。这些系统最初很受欢迎，欧洲和英国建造了数百个这类系统。遗憾的是，这种系统在设计上存在着某些问题。为了正常发挥作用，平流系统依靠土壤的高度多孔性以使废水适度流动。基库思认为，扎进土壤的芦根死后形成了可使废水流过的小孔，会提高土壤的多孔性。几十年的经验证明，情况并非如此。由于土壤的透水性不够，废水流过土壤表面时产生了很多问题。为了解决这一问题，现在广泛采用砂砾而不是土壤作为平流系统的基质。当水力负荷高、土地非常宝贵时，用砂砾最合适。虽然平流系统能有效降低生化耗氧量，减少悬浮固体，但由于它们相对缺氧，所以这类系统改进氨的硝化问题。它去除病原体的效果极佳。近年来，人们逐渐对垂直流床产生了兴趣。在垂直流系统中，以间歇的剂量将废水施用于床表面，废水垂直渗透过多为砂砾的基质。间歇投放废水可促进基质的氧合作用，这种充氧环境能更多地去除生化耗氧量并进行更大程度的氨硝化。植物在床表面形成一个垫层，捕集需氧降解的悬浮固体。废水慢慢流过时，基质中的细菌开始进一步处理。用砂砾作基质，避免了以土壤为基础的平流系统所遇到的传导性问题，而交替的潮湿期和干燥期则可以提高基质的固磷作用。尽管人们普遍认为垂直流床是一种更好的系统，但在某些情况下，平流系统可能是最合适的方案。例如，如果必须要把生化耗氧量和总悬浮固体浓度降至二级处理标准，但不需要氨硝化，就可以安装平流系统。在缺氧或厌氧条件下用生物脱氮去除硝酸盐方面，平流系统也是有用的。将平流系统与垂直流系统结合起来使用可能也有好处，这种方法常常被用来进行完全的二级处理。如果废水先通过垂直流系统，然后再通过平流系统，就会得到最彻底的处理效果。垂直流系统中的需氧细菌将氨硝化为硝酸盐，适应了平流系统缺氧条件的细菌将硝酸盐反硝化为亚硝酸盐和氮气。废水在垂直流系统中的滞留时间短，所以要想有效地去除病原体，最好是让废水在平流系统中滞留更长的时间。北美大约三分之二的人造湿地是表流系统，而欧洲人则更偏爱潜流系统。

性能与常规系统相比，湿地有几个优点。首先，只要有现成的土地，湿地的建造费和运行费都很便宜。其次，它们能有效地处理废水——实际上，在去除某些污染物方面，它们比常规处理系统更有效。它们比常规系统更灵活，而且对负荷率方面的变化不太敏感，尤其能很好地应付冲击负荷。它们还形成了野生动物生境和绿色空间。不利的是，湿地需要大量的土地。在乡村地区这可能不成问题，但在土地非常宝贵的城市就是一大障碍(湿地鼓吹者们指出，如果城市能从数百公里外的水源处用管道输送饮用水，那么它就没有理由不把废水用管道输送到类似距离的、更容易获得土地的乡村地区进行处理)。关于人造湿地去除污染物效率方面的报告差异很大，从几乎是零到90％以上，但一般来讲它们的去污效果都不错(见表9．2)。很多差的结果是因为系统超负荷、管理不善、设计差、最适合去除沪的污染物或尚未完全建成。几位研究人员认为，湿地性能方面的易变性不应被解释为湿地不可靠或不可预测，而是表明需要制定一个大家都能接受的设计标准。

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