人工湿地污水处理技术简介

2021/1/25 1 基本概念 湿地 (wetland) 包括沼泽、滩涂、低潮时水深不超过 6米的浅海区、 河流、湖泊、水库、稻田等。 国际湿地公约 人工湿地 为处理污水而人为设计建造的、工程化的湿地系统。 2021/1/25 2 人工湿地的发展历史与研究现状 人工湿地在国外的发展历史 1903年，英国约克郡， 世界上第一个 处理污水的人工湿地。 20世纪 60年代，人工湿地污水处理工艺在世界各地 受重视 并 较广泛应用。 1977年， Kickuth提出“根区法” ，标志着人工湿地 污水处 理机理的初步萌芽 。 20世纪 80年代末和 90年代初，人工湿地作为一种新型污水处 理技术 正式进入水污染控制领域 。 至 2006年，欧洲建有 一万多 座人工湿地，亚洲、澳洲、拉丁 美洲也有越来越多的人工湿地污水处理系统建成和投入运行。 2021/1/25 3 人工湿地的发展历史与研究现状 人工湿地在国内的发展历史 “七五”期间，我国才开始对人工湿地较大规模的研究。 1989年，天津市环科所，我国第一座芦苇湿地工程。 1990年，国家环保局华南环保所，深圳白泥坑，我国第一座 实用型人工湿地污水处理系统。 2002年，江苏泗洪县，处理规模 50000t/d。 2012年 8月 28日，青海省首项人工湿地污水处理工程开工建 设，占地面积约 1.4万平方米，处理能力 500 m3/d。 2012年 8月，山东省辖南水北调沿线已建成人工湿地 14.6 万 亩，修复自然湿地 16.3万亩。该湿地工程对水体中氮、磷的 去除率达到 60% 以上，出水水质达地表水 类要求。 2021/1/25 4 人工湿地的发展历史与研究现状 应用现状 国内 生活污水 采矿废水 富营养化水体 农业面源污染 垃圾场渗滤液 采油废水 改善饮用水源水质 国外 城市生活污水 酸性矿山废水 富营养化水体 农业污水 淡水回用水深度处理 自然保护 硝酸盐污染的地下含水 层 2021/1/25 5 人工湿地的发展历史与研究现状 目前，对人工湿地处理系统的研究方兴未艾，综合 前人的研究工作，可将其归纳为以下三方面： 扩大人工湿地污水处理技术应用范围，研究其处理 某些特殊废水的可行性与效果。 探讨人工湿地处理污水的机理，建立动力学模型， 用以描述污染物的降解过程和指导人工湿地的运行。 提出改善人工湿地处理效果和运行条件的措施，使 人工湿地的结构设计达到最优化。 2021/1/25 6 人工湿地的组成 人工湿地一般由五部分组成： 具有透水性的 基质 适于在饱和水和基质中生长的 植物 水体 无脊椎或脊椎 动物 好氧或厌氧 微生物 种群 2021/1/25 7 人工湿地的组成 基质 微生物 动物 水体 水生 植物 某潜流型人工湿地 2021/1/25 8 人工湿地的分类 按照系统布水方式或水流方式差异，人工湿地一般 分为 自由表面流 人工湿地和 潜流型 人工湿地。 人工湿地 自由表面流人工湿地 水平潜流人工湿地 潜流型人工湿地 垂直潜流人工湿地 2021/1/25 9 人工湿地的分类 自由表面流 人工湿地 潜流型 人工湿地 基质 污水 基质 污水 2021/1/25 10 人工湿地的分类 三种人工湿地污水处理系统类型比较 特征 表面流湿地 水平潜流湿地 垂直潜流湿地 水体流动 表面漫流 基质下水平流动 表面向基质底部纵 向流动 水力负荷 较低 较高 较高 去污效果 一般 对 BOD, COD等有 机物和重金属去除 效果好 对 N, P去除效果好 系统控制 简单，受季节影响 大 相对复杂 相对复杂 环境状况 夏季有恶臭、孽生 蚊蝇现象 良好 夏季有恶臭、孽生 蚊蝇现象 2021/1/25 11 人工湿地技术的特点 人工湿地技术的特点 优点 缺点 污水净化 能力良好 基建和运 行费用低 管理简单， 维护方便 对负荷变 化适应强 占地面积 大 受气候条 件限制大 易产生淤 积、饱和 BOD5去 除 85%95% 一般投资 和运行费 用仅为传 统二级污 水处理的 1/101/2 相当于生 化处理厂 的 25倍 植物类型 的选取受 气候条件 的限制； 部分污染 物积累， 微生物繁 殖，若维 护不当， 易产生淤 积、阻塞 现象。 SS去除率 90%以上 TP去除率 90%以上 冬季地表水结冰， 抑制水的 流动。 TN去除 率 60%以 上 2021/1/25 12 人工湿地技术的特点 人工湿地的 净化能力良好 、 投资运行费用低 等诸多特点， 决定了它特别适用于 地理条 件比较宽裕、经济发展水平 不高 的地区，例如农村和中 小城镇。 另外，人工湿地还兼具 仿真自然湿地 和 生态景观休 闲服务 等优势，逐渐成为一种适于大力推广的污水 处理和生态建设并举的新型实用技术。 2021/1/25 13 大型水生植物四种生活型 生活型 生长特点 代表种类 挺水植物 茎生于底泥中，植物体上部挺出 水面 芦苇、香蒲、荷花 漂浮植物 植物体完全漂浮于水面 凤眼莲、浮萍 浮叶植物 根茎生于底泥，叶漂浮于水面 睡莲、荇菜 沉水植物 植物完全沉没于水中，根扎入底 泥或漂浮于水中 狐尾藻、金鱼藻 人工湿地植物 植物 芦苇 凤眼莲，又称水葫芦 睡 莲 金鱼藻 2021/1/25 14 人工湿地植物 湿地植物具有以下功能： 直接 吸收 、 利用 污水中可利用态的营养物质， 吸附 和富集重金属及一些有毒有害物质； 输送氧气 至根区，有利于微生物的好氧呼吸； 庞大的根系为微生物提供多样的 生境 ； 根系生长增强和维持介质的 水力传导 ； 美观 可欣赏性，改善景观生态环境 2021/1/25 15 人工湿地植物 研究表明，不同的湿地植物， 生长速度 、对污染物 吸收 转化能力 、 泌氧能力 等存在显著差异，因此净化功能不 尽相同。可根据以下几个方面选择人工湿地的植物： 耐污性 生长适应能力 根系的发达程度 经济价值 美观要求 尽可能增加湿地系统的生物多样性 因地制宜 2021/1/25 16 人工湿地植物 可用于人工湿地的植物有芦苇、茳芏、大米草、稗 草、美人蕉等，目前最常用的是 芦苇 。 茳芏，俗称龙须草 大 米 草 2021/1/25 17 人工湿地基质 基质填料对污染物的截留作用： 提供吸附表面 渗透性影响水力条件 除磷作用 砾石 2021/1/25 18 人工湿地基质 基质填料的选择原则： 质轻，松散，足够的 机械强度 ； 比表面积 大， 孔隙率 高，属多孔惰性载体； 不含有害物质， 化学稳定性 好； 水头损失 小，形状系数好，吸附能力强； 滤速高， 工作周期 长，产水量大，水质好。 常用填料：砾石、沸石、碎石、粉煤灰、生物陶粒、 炉渣 2021/1/25 19 人工湿地的净化机理 人工湿地利用系统中 基质 -水生植物 -微生物 的三重 协同作用，通过基质的过滤、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。 污水 净化 基质 植物 微生物 2021/1/25 20 人工湿地的净化机理 有机物的去除 不溶性有机物：通过在湿地基质中的 沉积 、 过滤 作 用很快地被截留； 可溶性有机物：通过微生物的 吸附 、 吸收 以及厌氧、 好氧生物 代谢 过程而被分解去除。 2021/1/25 21 人工湿地的净化机理 氮的去除 氮的 去除 微生物的作用 （最主要） 植物的作用 基质的物理化学 作用 氨氮的挥发 硝化 反硝化 2021/1/25 22 人工湿地的净化机理 氮在微生物作用下去除 挥发作用 有机氮 有机氮 NH4+-N NH4+-N NO2-N NO3-N 扩散 NO3-N 扩 散 反硝化作用 渗下 N2， N2O NH3 好氧 状态 厌氧 状态 2021/1/25 23 人工湿地的净化机理 磷的去除 植物吸收或同化作用下成为植物 的 ATP、 DNA及 RNA等有机成分 植物吸收 正常 同化 吸收 聚磷菌对磷的过量积累 微生物去除 填料对磷的吸附 填料与磷酸根离子的化学反应 基质的 物理化学作用 2021/1/25 24 人工湿地的净化机理 三条途径对磷去除的贡献大小为： 基质 水生植物 微生物（ 短期 结果） 水生植物 基质 微生物（ 长期 结果） 2021/1/25 25 人工湿地的净化机理 悬浮物的去除 基质层填料、植物的根系和茎、腐殖层的 过滤 和 阻 截 作用 进水中悬浮物去除不代表出水无悬浮物。被截留的 悬浮物在湿地中积累；微生物量的增长（相当于活 性污泥的增长）；导致基质层渗透能力下降造成堵 塞，有机物的不断积累逐渐向湿地出口移动，影响 出水水质。 2021/1/25 26 人工湿地的净化机理 重金属的去除 重金属在土壤的固液界面上进行 吸附 与解吸、 络合 与解络、 沉淀 与溶解； 土壤的作用 吸收 、微生物分泌物的 络合 与 螯合 作 用、 沉淀 作用、 解毒 作用、 转化 作用、 微生物本身的 吸附 作用； 微生物的作用 吸收 和 储存 、 挥发 、还原解毒、根系 的 吸附固定 植物的作用 2021/1/25 27 人工湿地的净化机理 难降解有机物的去除 湿地中存在种类繁多、数量巨大的 微生物群落 和多 种 沼生植物群落 ，通过它们的共同作用，能够降解 复杂有机物。 有的研究甚至发现，湿地植物如芦苇能 直接吸收 一 些难降解有机物。 2021/1/25 28 人工湿地设计案例 深圳白泥坑人工湿地污水处理系统 白泥坑污水处理系统于 1990年 7月建成，位于深圳市 宝安县平湖镇东南，是我国第一座实用型人工湿地 污水处理装置。占地 12.6亩，实际使用面积 7.46亩， 污水处理量为 4500m3/d。 湿地前有一套生物滤池污水前处理系统。污水先进 入生物滤池预处理后再进入人工湿地系统。 2021/1/25 29 人工湿地设计案例 白泥坑人工湿地污水处理场整个系统由四级处理池 串联而成 ,每级处理池由 23个小池并联使用。原污 水先流经一、二级碎石床 ,对有机物进行降解 ,再进 入第三级兼性塘，最后经过第四级碎石床变成洁净 的水排出。 碎石床 潜流湿地 兼性塘 碎石床 潜流湿地 碎石床 潜流湿地 污水 出水 2021/1/25 30 人工湿地设计案例 白泥坑人工湿地在我国是首例 ,因此各塘的底坡、碎 石粒径、尺寸均有区别。此外在塘内分别种植芦苇、 茬芷、席草、大米草等水生植物。 按原设计 ,白泥坑污水的平均理论停留时间为 23h, 但在实际运行过程中 ,由于死区是不可避免的 ,所以 实际停留时间比理论停留时间短。 2021/1/25 31 人工湿地设计案例 采用人工湿地、兼性塘结合的工艺处理原污水能对 城市生活污水进行可靠的二级处理 ,出水达到城市污 水二级排放标准，而其运行费用仅为传统活性污泥 法的 10。 白泥坑人工湿地的处理效果（ 1993年） BOD5 CODCr SS 进水（ mg/L） 71.21 140 99.4 出水（ mg/L） 7.1 10.7 11.8 去除率（ %） 90 71 88 2021/1/25 32 人工湿地的前景 实践表明，人工湿地具有传统技术所不可比拟的巨 大的综合效益，适合我国国情，具有广阔前景： 我国对整治环境污染问题，尤其对水环境污染的 治理越来越重视； 我国城市污水排放量逐年增加； 传统污水处理厂运营成本偏高、运营管理相对复 杂，许多中小城镇和农村没有足够资金建设传统污 水处理厂。 2021/1/25 33 Thank You！ 2021/1/25 34