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1、第七章、人工湿地处理系统,湿地系统的概念,1.概述,滇池边的天然湿地,人工湿地的定义：,-人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处理的。,滇池边的人工湿地,垂直流人工湿地表面布水系统,人工湿地发展史：,20世纪70年代：,- 探索人工湿地的建设与应用,80年代以后：,90年代以后：,- 未把人工湿地作为处理主体，常与稳定塘系统及天然土地处理系统联用。,- 将人工湿地作为处理主体，积极探索其工艺参数、运用范围和处理机理。,Constructed wetlands can be less expensive
2、 to build than other treatment options Operation and maintenance expenses (energy and supplies) are low Operation and maintenance require only periodic, rather than continuous, on-site labour Wetlands are able to treat wastewaters with low organic load (too low for activated sludge) They facilitate
3、water reuse and recycling,人工湿地处理系统的优点：,They provide habitat for many wetland organismsThey can be built to fit harmoniously into the landscape They provide numerous benefits in addition to water quality improvement, such as an environmentally sensitive approach that is viewed with favor by the gener
4、al public,2.CWs去除污染物机理,人工湿地具有独特而复杂的净化机理，利用基质微生物植物复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，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废水的高效净化。同时，通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化和无害化。,（1）悬浮物（SS）的去除,去除区域：进口处510cm内完成,机理：,基质层的填料,植物的根、茎,“过滤、拦截”作用,腐殖层,结论：SS去除效率高低，取决于污水同植物与填料的接触程度,（2）有机物的去除,降解主体： 兼性细菌；厌氧细菌；好氧细菌,（3）氮的去除,去除途径：,植物吸
5、收及其收获而去除,氨的挥发,硝化反硝化作用,有机基质的吸附和阳离子交换作用,-其中微生物的硝化反硝化作用是脱氮的主要过程,-其中氧的供应和碳源数量与质量是限制性因子,（3）氮的去除,图 人工湿地氮循环示意图,空气,水体,土壤,（4）磷的去除,人工湿地中磷的存在形式,人工湿地中磷质量平衡方程,进水输入磷的总量(I) = 出水输出磷的量(E) + 作物吸收磷的量(T)土壤截留磷的量(A),湿地除磷特性,物化吸附、共沉淀生物吸收、直接截留,Ca、Fe、Al、Mg的氧化物或氢氧化物,有机磷,沉积/直接截留,无机磷,生物吸收,异养降解,物化吸附,共沉淀,过饱和CaCO3,土壤、根系层、填料床,吸收,湿地
6、植物/漂浮生物/微生态结构吸收,除磷填料最近研究进展：,矿物填料：,方解石；页岩；赭石；风钢渣等,饮用水处理剩余物：,新问题：出水pH上升；有其它物质溶出,-出水pH稳定；无其它物质溶出；符合循环经济的观点,（5）难降解有机物的去除,去除途径：,-土壤中微生物种类比污水处理构筑物中多得多,微生物的降解作用：,微生物群落与植物群落的协同作用,-有研究发现：芦苇可直接吸收一些难降解的有机物,（6）金属离子的去除,去除途径：,植物吸收和微生物富集作用,土壤胶体颗粒的吸附作用（离子交换）,与S2形成硫化物沉淀,问题：,存在富集而饱和的问题,新增重金属离子对微生物种群的胁迫作用,（7）细菌的去除,去除途
7、径：,基质层的沉降截留作用,植物根系的某些分泌物的灭活作用,影响因素：,水力负荷和水力停留时间,光照杀菌,3、人工湿地的种类,人工湿地的分类,（）自由水面人工湿地,（）潜流型人工湿地,水平潜流,垂直流,复合流,（）自由水面人工湿地,自由水面人工湿地系统示意图,（）自由水面人工湿地,分类（优势水生植物种类）,自由表面人工湿地,挺水植物系统,浮水植物系统,沉水植物系统,各类废水,N、P的去除,N、P的去除,Free surface flow wetlands,（）自由水面人工湿地,优点：,-投资及运行费用低；建造、运行和维护简单,缺点：,相同处理效率，占地面积大于潜流湿地,冬季结冰；夏天会孳生蚊蝇
8、，散发臭味,有传播病菌的可能,（）潜流型人工湿地,水平潜流人工湿地系统示意图,（）潜流型人工湿地,垂直潜流人工湿地系统示意图,（）潜流型人工湿地,复合潜流人工湿地系统示意图,（）复合潜流型人工湿地,紧凑型复合潜流人工湿地系统示意图,（）潜流型人工湿地分析,优点：（与HFCWs相比）,充分运用湿地空间,缺点：（与HFCWs相比）,- 投资费用高,发挥系统协同作用,处理效率高,保温条件好；卫生条件好,垂直潜流人工湿地发展,垂直潜流人工湿地的分类：,（1）第一代：间歇式（潮汐流）,（2）第二代：连续式（连续流）,运用范围：,-城市污水；农村污水；郊区独立住宅污水；休闲娱乐污水；垃圾渗滤液,Const
9、ructed Wetlands,垂直潜流人工湿地发展回顾,处理效果：,不仅对BOD和SS具有良好的处理效果，且与其它类型人工湿地相比，其对氨氮的硝化也有很好的效率和效果,存在的主要问题,-表面堵塞而产生溢水现象,-水力负荷（HLR）和氧传递速率（OTR）,设计运行的关键问题,（）潜流型人工湿地,结论与展望：,（1）垂直潜流人工湿地出水水质可达到：BOD10mg/L，TSS10mg/L，NH3-N2mg/L,（2）垂直流人工湿地比水平流具有更高的处理效率,（3）系统的氧传递速率最低也有28gO2/m2d，如设计合理，还能达到更高的传递速率,（4）2m2的系统面积就可将单人产生的污水处理到理想水平
10、,（5）单级或双级系统出水可与HF-VF联用系统出水相当,（6）目前的研究重点是填料的选择和水力负荷的控制,4、人工湿地的构造,Constructed Wetlands,人工湿地组成：,（1）防渗层；（2）基质层；（3）腐质层； （4）水层和湿地植物,（1）防渗层,作用：阻止污水向地下水体的渗透,可选用材料：,黏土高分子材料湿地底部的沉积污泥层可形成天然防渗层,（2）基质层,材料：一般采用砾石、土壤或砂,作用：,提供植物生长所需的基质为污水的渗流提供良好的水力条件为微生物提供良好的生长载体,（3）腐质层,组成：落叶、枯枝、微生物和小动物的尸体,作用：,为微生物提供良好的生长载体过滤作用，可去除
11、污水中的SS可能作为反硝化的碳源,（4）水生植物,组成：挺水植物；浮水植物；沉水植物,作用：,提高湿地的处理效率输氧，使床体形成好氧/缺氧/厌氧反应区对有机物、营养物质进行分解和合成代谢在冬季有保温作用，减缓处理效率的降低,（4）水体植物,选择原则：,能适应当地生长的植物或天然湿地原存优势种,废水特性,多种植物混植或串连种植,采用综合利用价值高的作物，提高经济效益,景观效果好，美化环境，为野生动植物提供良好的生境,湿地植物,湿地植物,（5）水层,作用：,提供污染物降解的场所,提供水生动物和水禽类的栖息场所,5.人工湿地的设计与计算,Constructed Wetlands,（1）湿地处理系统的
12、设计,主要设计参数,水力停留时间与水力负荷,所需土地面积,有机负荷和氮负荷,布水周期和投配时间,长宽比和底坡,填料种类、渗透性和渗透速率,植物的选择,Some parameter for system,（a） Hydraulics,lHydraulic loading rate qi (HLR) qi=Qi/A (4.1)where A = wetland top surface area(m2) qi = HLR (md-1; often expressed as cm d-1) Qi= wastewater inflow rate (m3d-1),4.3. Nominal detentio
13、n time The volumetric flow rate (Q), area (A) and depth (h) , (porosity) Wetland water volume (V): V=Ah (4.4) Nominal detention time (): (4.5),（b） Water budgetThe dynamic overall water budget for a wetland is where ET = evapotranspiration rate (m d-1) I = infiltration to groundwater (m d-1) P = prec
14、ipitation rate (m d-1) Q b = bank loss rate (m3d-1) Q c = catchment runoff rate (m3d-1) Q o = output wastewater flow rate (m3d-1) Q sm = snowmelt rate (m3d-1) t = time (d) V = water storage in wetland (m3),（2）湿地系统的条件,地形,地质,土壤的化学条件,周边河流、公路、铁路和边界拥有权的限制,（3）湿地系统的分区,（4）湿地系统防渗,目标：防止出渗污染地下水；防止地下水入渗,技术指标,黏土
15、：小于108 m/s的水力传导率,塑料膜：0.510.0mm厚,Monarflex（带有玻璃纤维增强剂）：0.50.75mm厚,（5）基质的选择,总原则：,水质：来水水质；出水水质,水量,人工湿地的类型选择,（5）基质的选择,地表径流系统：,土壤的构造,-多数植物在沙壤土中生长良好，过多的岩石和黏土则不利,土壤的化学状态,-过于酸性或碱性的土壤会限制植物对营养物质的摄取,（5）基质的选择,水平潜流：,土壤,设计水力传导系数要小于原始介质的水力传导系数,砾石,-典型尺寸：36mm; 510mm; 612mm,-欧洲最多使用的尺寸为： 812mm,（5）基质的选择,垂直潜流：,英国VF湿地床分层的
16、填料分布,（6）进水结构,总原则：,布水均匀,出水均匀,尽可能形成理想推流；无死区,验证方法：,示踪试验,问题：示踪剂的选择,（6）进水结构,自由水面：,FWS型湿地处理系统的入口形式,（6）进水结构,自由水面：,FWS型湿地处理系统的入口形式,（6）进水结构,水平潜流：,水平潜流湿地处理系统的入口形式,表面流布水系统,（7）出水结构,潜流人工湿地：,潜流湿地处理系统的入口形式,6.人工湿地的动力学,Constructed Wetlands,基本数学模型,水力学：对潜流湿地运用达西模型,反应器类型：推流式,复杂模型,问题：缺乏边界条件而目前无法工程运用,降解模型：一级动力学,Construct
17、ed Wetlands,l For first-order pollutant uptake (JU): JU=kC l The net pollutant decrease rate (J): J=k(C-C*) ( Background concentration (C*),First-order equations,lIn many treatment wetland cases, infiltration is prevented, there is not significant atmospheric deposition. Under this special set of co
18、nditions, Q=constant along the length of the wetland (y), and area (A) lFor a specified inlet concentration (Ci) this integrates to,lFor those pollutants that have C* values very close to zero, namely nitrate, phosphorus and ammonia nitrogen, (4.13) reduces to (4.14),6.2 Temperature equationsTempera
19、ture effects on k or kv can be summarized by use of the modified Arrhenius equation: (4.15)where kT is the rate constant at temperature T and k20 is the rate constant at 20. Values of the temperature correction factor () have been estimated for data sets with adequate operational temperature data.,6
20、.3 人工湿地生态动力学模型,将人工湿地中发生的各个生物、物理、化学过程根据其发生机理和内在联系，划分成许多各自独立的“箱子” 和联系各个“箱子” 的物质流和能量流。,将每个生物、物理、化学过程的物质流和能量流定义成各自独立的反应方程（幂次方程或微分方程），为每个过程确定各自特有的反应动力学参数。,模型中的各个物质流和能量流均以物料平衡基础上的数量交换，而非经验模型和一级动力学模型中所采用的的浓度表示。,一般通过各种建模软件（Model Maker、Stella、Matlab、有限元程序等）或自编程序对概念模型进行实现和运算。,表面流人工湿地中磷去除的箱式生态动力学模型示意图,生态动力学模型,
21、dTP/dt = TP_In + TP_Resuspension + TP_Detritus_release TP_Sediment TP_Microorganism_Uptake TP_Out,水中总磷的变化可以用一级动力学方程描述为：,）磷的微生物和植物等的生长吸收,dTP_Microorganism_Uptake = (Microorganism_Growth_Rate Microorganism_Respiration_Rate) TP_in_Microorganism,dTP_Macrophyte_Uptake = (Macrophyte_Growth_Rate Macrophyte
22、_Respiration_Rate) TP_in_Macrophyte,）土壤吸附、渗透,dTP_Absorption = SS_Sedimentation_Rate TP_in_SS Water_Depth （TP_Absorption_Rate TP_Desorption_Rate ） TP_in_Water Water_Volumn,dTP_Infiltration = TP_Infiltration_Rate TP_in_ActiveSoil / ActiveSoil_Volumn,）腐殖层的分解释放,dTP_Detritus_Release = Detritus_Decomposit
23、ion_Rate TP_in_Detritus,模型计算与试验监测值之间的误差为9.13%,7.人工湿地的应用实例,Constructed Wetlands,（1）生活污水处理,美国密歇根州的Vermontville村：,植物：香蒲,设计流量：380m3/d；服务期限：20年（已运行25年）,工艺流程图：,（1）生活污水处理,美国密歇根州Vermontville：,出水水质可达到美国农业灌溉水质要求,运行经验：,湿地系统为水禽提供了合适的沼泽栖息地,每年收割45次对湿地基本无破坏,湿地的运行维护管理费用低廉,-1990年总费用为4200美元，其中3400美元用于劳动力和土地,（1）生活污水处理
24、欧洲最新进展,法国处理原城市污水20年经验总结,人工湿地类型：垂直流人工湿地,主要结论：,（1）该系统对未经预处理的城市污水有良好的处理效果，尤其是对COD、SS和氨氮的硝化,（2）系统中氨氮的硝化是最敏感的过程,（3）系统出水COD60mg/L；SS15mg/L；TKN8mg/L,（4）污染物的去除效率同负荷和植物种类相关,（5）第一级人工湿地中污泥年积累量15mm左右，因此应每1015年清理一次污泥,丹麦人工湿地就地预处理农村单户生活污水：,就地预处理单户生活污水人工湿地示意图,（1）生活污水处理欧洲最新进展,丹麦人工湿地就地处理农村单户生活污水：,主要研究内容,根区氧化系统设计指南,垂直
25、流人工系统设计指南,柳树湿地系统设计指南,问题,对除磷，还没有适宜的技术方案（目前使用化学法除磷）,（1）生活污水处理欧洲最新进展,（2）化工废水处理,美国加利福尼亚州Chevron Richment炼油厂：,工艺流程图：,建设运行经验：,条件合适时，淤积的氧化塘改建为人工湿地是可行的,湿地可为水禽提供很有价值的栖息地,湿地稳定运行的最关键因素是控制污水负荷,-人工湿地上鸟类数量有200万只，鸟的种类达85种之多,（3）农村非点源污染控制,中国云南滇池人工湿地脱氮除磷：,主要研究内容：,（1）人工湿地脱氮的工艺参数研究,（2）脱氮动力学参数和不同去除途径质量平衡研究,（3）人工湿地除磷的工艺参
26、数研究,（4）不同负荷下，除磷途径的质量平衡研究,（5）在有无植物和不同植物条件下，湿地床对除磷的除磷效果对比研究,（3）农村非点源污染控制,中国云南滇池人工湿地脱氮除磷：,主要结论：,（1）人工湿地对氮、磷具有良好去除效果,（2）水力停留时间越长，对氮、磷的去除效果越好,（3）当HRT3天时，TN的去除效率大于60%，TN的去除符合一级推流动力学方程,（4）在低负荷下，植物吸收是TP去除的主要途径,（5）在高负荷下，基质吸附和沉淀作用是TP去除的主要途径，但植物吸收可有效得提高TP的去除率,（3）农村非点源污染控制,中国云南洱海人工湿地脱氮除磷：,工艺流程图：,多级人工湿地,（4）农业废水处
27、理,德国某养猪厂：,工艺流程图：,（4）农业废水处理,德国某养猪厂：,芦苇床对养猪废水的处理效果,（4）农业废水处理,美国俄勒冈州立大学牛奶厂：,湿地个数：6块 (每块：26.75.5147m2),植物：2块种植香蒲；4块种植芦苇,湿地类型：自由流人工湿地,填料：细砂/泥质黏土/亚黏土,有机负荷74kg/hm2d；氨氮浓度100mg/L,（4）农业废水处理,美国俄勒冈州立大学牛奶厂：,第一年和第二年处理效率比较,（5）垃圾渗滤液处理,挪威Esval处理厂：,垃圾渗滤液,工艺流程图：,厌氧塘,曝气塘,出水,自由表面人工湿地,水平潜流人工湿地,第一级,第二级,第四级,第三级,（5）垃圾渗滤液处理,挪威Esval处理厂：,去除效率,（6）雨水处理,英国伦敦东郊Dagenham：,河流,工艺流程图：,（6）雨水处理澳大利亚最近研究,暴雨人工湿地中SS的研究,主要研究内容,（1）暴雨人工湿地出水中无机SS与有机SS比例,（2）TSS的k-C*降解模型,（3）人工湿地中TSS的累积情况的研究,（4）出水因为再悬浮产生的SS的研究,英国处理城市地表雨水径流调查：,去除效率调查结果 (加*数据为TN) ：,
