人工湿地的现状与展望.ppt

人工湿地的现状与展望 汇报人 人工湿地概述 01 人工湿地的应用 02 人工湿地的优势 03 未来展望及挑战 04 目录页 人工湿地概述 1 人工湿地概述 著名案例 人工湿地发展的历史与现状 人工湿地概述 人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面 将污水 污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上 污水与污泥在沿一定方向流动的过程中 主要利用土壤 人工介质 植物 微生物的物理 化学 生物三重协同作用 对污水 污泥进行处理的一种技术 人工湿地发展的历史与现状 从历史的考察看 利用湿地改善水质并非一个新发明 早在古代中国和埃及 这种观念就贯穿于人们的日常生活之中 那时所谓的湿地主要是指天然湿地 20世纪60年代末 通过人工调控的方法对污水进行处理的工艺开始逐渐受到世界各国有关领域研究者们的关注 人工湿地 Constructedwetland 的概念 是20世纪70年代始才提出的 从起初的实验研究 理论探索 逐步走向今天大规模推广应用 也不过30多年的历史 随着科学家们对人工湿地研究的深人和工艺的改进 现在的人工湿地已发展成一种较为完备和独立的污水处理技术 有关人工湿地最早报道是1904年澳大利亚学者BrianMackey的研究 后来出现由德国Seidel在1953年研究的Max Planck Institute Process处理系统和Kickuth于20世纪60年代开发的 根区法 荷兰1967年的LelystadProcess表面流处理系统 美国20世纪70年代NASA的国家空间技术实验室研究的 砾石床 系统 1974年德国首先建造了人工湿地 此后在欧洲国家 美国 加拿达等国家得到推广和规模发展 人工湿地发展的历史与现状 我国对人工湿地的研究 始于上世纪50年代 中国科学院水生生物研究所是最早开展人工湿地生态工程的单位 一大批湿地科学家开展了石化废水的氧化塘生物处理 城市污水和湖泊综合污染 水生态重建等研究 取得了大量的研究成果 为我国污水处理提供了科学方法 为人工湿地的构建和工程示范提供了设计参数 也为进一步深入研究奠定了基础 20世纪90年代中期吴振斌组织申报成功了欧洲联盟重大国际科技合作项目 热带与亚热带区域水质改善 回用与水生态系统重建的生物工艺学对策研究 研发了以复合垂直流人工湿地 IVCW 为核心的生态工程技术 对湿地系统的结构流程 植物选择与组合 处理效果 净化机制 运行管理等方面展开了系统研究 发表大量论文并获得国家专利 此研究成果已广泛应用于地表径流面源污染 城镇综合生活污水 渔业养殖 公园水质调控 食品 造纸 矿山等工业废水的处理与回用 也用于河流 湖泊 近岸海域污染水体的修复等诸多领域 这不仅对推进我国人工湿地的构建 污水处理与回用具有重要指导意义 且在世界范围内人工湿地的研究和应用也产生了重大影响 著名案例 阿德菜植物园FirstCreek湿地 Adelaide植物园湿地位于FirstCreek 这里是一个高度城市化的水路区域 距离Adelaide市中心不远 这片湿地对于改善洪水泛滥 净化污染的暴雨径流具有十分重要的作用 它是含水土层储存和恢复系统 简称ASR 的来源 为众多植物和昆虫提供了栖息地 同时又是一个具有教育意义和娱乐意义的场地 十分有价值 著名案例 美国波特兰坦纳斯普林斯公园 公园位于波特兰珍珠区 项目场地的前身是一块湿地 后被开发为工业用地 公园的设计理念是 用 现代的新技术再现过去 因此设计在工业废弃地上重现湿地景观 一方面为城市提供绿色空间 另一方面通过水和湿地生境唤起场地的湿地景观 是对历史的追溯 设计利用场地地形由南向北逐渐降化的特点 汇集周边下垫面的雨水 汇入净化系统 结合喷泉曝气功能形成趣味性水景 场地中的艺术景墙的设置唤起了对于历史铁路的追忆 在城市绿地中 这个小型的湿地公园改善了小气候 丰富了物种多样性 同时为城市提供了休闲娱乐的场所 著名案例 上海世博会后滩湿地公园 后滩公园位于上海2010世博园的核心绿地景观之一 位于上海市中心 位于园区西南角 黄浦江之东岸 延黄浦江的岸线长约1 7km 总面积约为1 42公顷 后滩公园建立了一个可以复制的水系统的生态净化模式 创立了新的公园管理模式 它不仅满足安全疏散 游憩等候的功能 还承担着湿地保护 科普教育 湿地水处理和生态风景观赏的职能 人工湿地的应用 2 人工湿地的特性 人工湿地的分类 人工湿地的去污机理 人工湿地水质净化的影响因素 人工湿地的特性 湿地是陆地与水生系统之间的过渡地带 有着很高的生产力以及转换 储存有机物和营养盐的能力 湿地处于水陆交错带可对流经其的水流及其携带的营养物质起到过滤净化作用 由于其在水分和化学循环中所表现出来的功能 被誉为 地球之肾 所有的污染处理过程都同时发生在湿地这一单独的 生态系统 反应堆里 湿地作为水污染净化处理的系统有着耐冲击负荷能力强 维护费用低 无二次污染等诸多优势 人们意识到不仅可以利用自然湿地来达到这一目的 更多地开始建立人工湿地以达到更大范围的水污染处理应用 目前 国内外人工湿地在水污染处理方面的研究涉及到工业废水处理 动物排泄物污染 造纸厂污水 城市和农村生活污水以及城市暴雨径流污染等多个方面 人工湿地的分类 20世纪50年代以来的研究表明 人工湿地之所以能实现对废水的高效净化 是因为人工湿地能够利用基质 微生物 植物这个复合生态系统的物理 化学和生物的三重协调作用 通过沉淀与过滤 吸附 离子交换 植物吸收 微生物转化与降解 沉淀析出和泥炭加积等作用去除污染物 同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环 促进植物生长并使其增产 实现废水的资源化与无害化 目前越来越多的城市和地区开始根据不同污染物类型以及当地自然条件 构建不同类型的人工湿地 模拟自然生态系统的运作机理 更加有效地进行各类水污染处理 自由表面流人工湿地 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 天津等地建成不同处理规模的人工湿地处理工程 这些处理系统大多为自由表面流人工湿地 这种类型的人工湿地具有投资少 操作简单 运行费用低等优点 缺点则是占地面积大 水力负荷低 去污能力有限 受气候影响较大 夏季会孽生蚊蝇 散发臭味 表面流人工湿地典型结构如图 又称自由表面流人工湿地系统 freewatersurfaceconstructedwetland 在北美地区采用较多 湿地通常由一个或几个池体组成 池体间设隔墙 底部及墙体采取防渗措施以防止污水扩散 种有效的废水处理技术 池中一般填有土壤 砂或者其它合适的基质供水生植物根系的发育和固定 此类湿地流动水位较浅 多在 0 1 0 6 m 污水在湿地单元中缓慢水平流动 污水中的绝大部分有机物的去除是由生长在植物水下茎杆上的生物膜来完成 与自然湿地最为接近 潜流型人工湿地 水平潜流人工湿地及垂直潜流人工湿地的典型结构如图所示 潜流湿地的主体结构类似表面流人工湿地 但污水在基质中流动时 水面低于基质表面 呈潜流状态 因而一方面充分利用了基质表面生长的生物膜 丰富的植物根系及基质的截留作用 提高了处理效果和处理能力 另一方面由于水流一直在基质表面以下流动 避免了表面流湿地中的蚊蝇及臭味问题 并一定程度上降低温度变化的影响 潜流型人工湿地的污染物降解接触点多 微生物丰富 耐冲击 负荷较大 占地面积小 污水处理效率高 缺点是建造费用高 有机负荷较高时 容易发生堵塞 因此维护和管理费用也较高 潜流型人工湿地 水平潜流人工湿地污水从以水平方式在基质空隙中流动 污染物在微生物 基质和植物的共同作用下 通过一系列的物理 物化和生物作用得以去除 与表面流湿地相比 水平潜流湿地水力负荷高 对BOD COD SS 重金属等污染物的去除效果较好 且无恶臭和蚊蝇孳生 是目前采用最广泛的一种湿地形式 但控制相对复杂 N P去除效果不如垂直流人工湿地 垂直流湿地分为下向流和上向流两种 下向流垂直流湿地以其操作相对简单更为常用 污水从湿地表面流入 从上到下流经湿地基质层 由底部流出 上向流水流方向反之 由于氧气可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统 其内部充氧更为充分 有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行 氮 磷去除效果较好 自由漂浮的大型植物人工湿地 过去人工湿地去污功能的研究多在芦苇或香蒲等湿地上进行 用自由漂浮的大型植物人工湿地去除污染物的研究相对较少 随着人们生活水平的提高 极大地促进了畜牧业的发展 但同时 由于对牲畜的排泄物及冲洗圈舍的废水处理不当给生态环境造成了严重的污染 目前 部分地区开始建造自由漂浮的大型植物人工湿地来净化畜牧养殖排放的废水 以去除废水中的氮 磷和有机污染物 在这种系统中 废水从湿地表面流过 覆盖整个植物根系 系统中的植物通过光合作用和根系的渗透作用将氧传输到根圈介质 并且为与氮磷循环有关的微生物生长提供良好的环境 微生物是消除污染物的作用者 它能够在去除氮 磷等营养物的同时把有机质转化为营养物质和能量 根系通过吸收废水中的氮 磷以及其他营养元素以便满足植物生长需要 最终收获系统中的植物把废水中的氮 磷等污染物去除 该系统的主要优势在于设施简单 投资少 建造简易 管理方便 病虫害亦较少发生 去污效果良好 适用范围广泛 它不仅适用于污染物含量高的养猪场等畜牧业污水治理 也适用于污染物浓度较低的生活污水的治理 该系统所选择的植物种类对污水中采用常规方法难以处理的氮 磷的吸收去除能力较强 并且通常情况下该系统中生长的植物不需人为另外施肥 利用水体中的氮 磷等营养物质即可满足植物的生长需要 且收获的植物可作为饲料喂养牲畜 目前在此类人工湿地种植的植物主要有水葫芦 美人蕉 风车草等 人工湿地的去污机理 人工湿地脱氮机理人工湿地脱除水体中氮素的主要方法 1 利用植物去除水体中的氮素 湿地植物的根 茎 叶等组织对氮素有着不同的吸收能力 2 利用基质吸附水体中氮素 3 利用硝化 反硝化作用脱氮 其中 硝化 反硝化作用是当前湿地去除水体中氮素的最主要机理 硝化反应如下 NH4 2O2 NO3 2H H2O硝化作用与湿地内部溶解氧 DO 有着密切关联 通常DO充裕时 硝化过程可以顺利进行 反硝化反应如下 NO3 2e 2H NO2 H2ONO2 e 2H NO H2O2NO 2e 2H N2O H2ON2O 2e 2H N2 H2O 人工湿地的去污机理 人工湿地脱氮机理反硝化作用与湿地进水中碳源含量有着密切关联 当湿地内部碳源充足时 反硝化过程可以正常进行 在湿地中 硝化反应仅改变氨氮的形态 使其转变成硝态氮 但硝态氮还是存在于水体中 湿地并未从真正意义上将氮去除 而反硝化反应则是完全将水体中的硝态氮转化为气态氮 完成了湿地脱氮的最终目标 从这个意义而言 反硝化作用对人工湿地去除水体中氮素而言意义重大 湿地系统中因植物根系对氧的传递释放 使其周围的环境中依次出现好氧 缺氧 厌氧状态 保证了废水中的氮不仅能通过植物和微生物作为营养吸收 还可以通过硝化 反硝化作用将其除去 最后通过植物的收割将氮从污水和湿地系统中去除 人工湿地的去污机理 人工湿地中脱磷机理人工湿地去除水体中磷的主要方式有物理作用 生物作用和化学作用 物理作用 磷通过其自身重力作用沉降后被去除 生物作用 1 湿地中植物利用根 茎 叶等组织吸收水体中的磷 2 湿地中丰富的微生物也可以积累并去除一部分水体中的磷 化学作用 1 磷发生化学反应形成沉淀后被去除 2 基质或植物通过吸附过程去除水体中的磷元素 植物收割和基质更替是最终将磷从人工湿地中去除的有效途径 作为湿地植物生长的必需元素 磷通常因为植物根部的呼吸作用而被吸附在植物根系附近 或者直接被植物吸收利用后除去 此外 基质吸附作用通常由其表面性质决定 基质的矿物组成和pH也决定了其对磷的沉淀作用 微生物的同化和积累对磷去除也有重要贡献 因此微生物的种类和数量是湿地除磷的重要衡量参数 人工湿地的去污机理 人工湿地中有机物的去除机理有机物进入人工湿地的主要途径 1 湿地进水中带入的有机物 2 湿地微生物及植物在代谢过程中所产生的降解物质 3 大气沉降中的含碳化合物和水体中的碳水化合物 人工湿地去除有机物的主要方式 1 通过物理作用将悬浮性有机污染物从水体中去除 湿地中的基质和植物可拦截水体中的悬浮性有机污染颗粒 并最终通过沉降作用将其去除 2 通过氧化还原反应降解水体中易生物降解的有机物质 使其分解为小分子的可溶性物质 3 通过微生物作用去除难降解的有机物质 湿地中有着数量繁多且品种丰富的微生物 其可处理并去除各类复杂的有机物质 此外 植物也可以通过吸收作用协同去除难降解的有机物质 人工湿地水质净化的影响因素 植物在人工湿地中 植物不仅具有景观效应 更是湿地获取氧气的重要途径 因为植物的存在 湿地内部可形成好氧及厌氧交替的环境 有利于多种微生物的繁殖生长 同时为微生物降解各类污染物质提供适宜的环境条件 此外 植物本身也可以吸附和吸收氮 磷 悬浮物及有机物等多种污染物质 例如 金鱼藻可有效去除水体中的氮和有机物 狐尾藻可有效去除水体中的磷酸盐 有机物和氨氮 荷花及睡莲除了可有效去除水体中的N P及有机物染物外 还对PAHs Cu Cr和Pb等污染物质也较好的吸收效果 水葱可吸收水体中有机物 氮磷及重金属类物质 且对5000mg L的高含盐量再生水具有较好的去除效果 在选择湿地植物时 尽可能筛选当地生物量大 根系粗广 去污能力强的植物 同时 注重植物间的正确搭配 使植物发挥协同去污能力 提高湿地的除污效果 人工湿地水质净化的影响因素 基质基质对人工湿地净化水体有着重要作用和意义 1 为微生物提供生长表面 2 为植物生长提供介质 3 通过吸附 过滤和沉淀等方式净化污染物 不同种类的基质除污能力不同 这取决于基质的理化属性 例如 孔隙率大的基质更易使污水渗透到湿地中 有利于湿地基质内部形成各类去污效应 进一步提高基质的除污效率 国内外对人工湿地基质的研究主要集中在 蛙石 沸石 页岩陶瓷 砾石 石英砂 粉煤灰 钢渣 干渣 白云石等 在选择湿地基质时 最先筛选去污能力强的当地材料 提高去污效能的同时 减少基质材料的使用成本 此外 还要重视基质之间的搭配使用 以发挥基质之间的协同净化能力 提高人工湿地去污效率 人工湿地水质净化的影响因素 碳源在人工湿地中 碳源对于湿地反硝化过程的顺利进行有着重要的意义和作用 投加不同碳源后湿地的反硝化效果存在差异 目前 人工湿地中外加碳源主要有如下几类 1 乳糖 葡萄糖和蔗糖等传统固体碳源 2 乙醇 乙酸钠和草酸等传统液体碳源 这类传统碳源不仅使用成本较高 且对水源安全具有一定影响 考虑到上述传统碳源制品的使用弊端 新型固体碳源正日益受到关注 包括 1 秸秆 湿地植物枯叶及其提取液 2 稻壳 棉花及报纸等天然有机物 新型固体碳源易得 经济且高效 是提高人工湿地脱氮效率的重要研究方向 此外 藻类生物量中富含蛋白质 氨基酸和碳水化合物等 如对藻类资源加以合理利用 其可用作天然碳源物质 人工湿地水质净化的影响因素 溶解氧溶解氧 DO 含量对人工湿地水质净化有着重要意义 尤其对净化水体中的氮和有机物有着重要影响 湿地中DO主要来源 植物泌氧作用 大气自然复氧和水体更新复氧 大气自然复氧是湿地内氧含量的主要来源 温度对饱和DO含量有着直接影响 水体更新复氧 湿地内每一次进水及排水过程中 都会将溶解氧带入水体 植物泌氧是指湿地中植物利用光合泌氧能力 通过根 茎和叶等组织将O2传送至根区 丰富根区的氧环境 与此同时远离根系的区域则保持缺氧 厌氧环境 为湿地内降解各类污染物质的微生物提供了相应的生境 人工湿地水质净化的影响因素 微生物微生物是人工湿地水质净化过程中重要的参与者 作为湿地生态系统中的生物主体 微生物通过降解和吸收作用去除水体中的污染物质 微生物群落的组成和其功能的发挥将决定人工湿地的水质净化效果 人工湿地中微生物群落特征与湿地构造有着密切关联 而微生物活性则与温度直接相关 人工湿地的构造决定了其内部呈现好氧 厌氧交替的过程 通常湿地上层由于植物根系泌氧作用和大气复氧作用而呈现好氧环境 有利于好氧微生物的生长和活动 而湿地下层往往呈现厌氧状态 有利于厌氧微生物的生长或活动 夏季高温有利于提高微生物的活性 使微生物加速分解污染物质 而秋冬季节随着微生物活性下降 湿地中污染物去除率随之下降 杜刚等发现 人工湿地中微生物数量与总氮去除率之间呈现显著相关性 梁威等发现 湿地中微生物数量与凯氏氮 KN 以及COD的去除率存在显著相关性 刘慎坦等研究发现 湿地基质中硝化细菌和反硝化细菌的数量与氨氮和总氮的去除呈现显著相关性 湿地中微生物数量与密度越高 越有利于湿地去除和分解水体中的污染物 人工湿地的优势 3 具有较高的处理效率 具有多重生态服务功能 植物再资源化利用 发展的驱动力 人工湿地具有较高的处理效率 近年来 依据不同污水处理目的 研发出了复合型人工湿地 即将一个或多个表面流人工湿地与一个或多个潜流型人工湿地以串联或并联的方式连接起来运行 有利于硝化和反硝化作用的发生 达到更好的氮去除效果 通过文献 研究报告 网络等途径的数据搜索 研究分析了我国50个污水处理厂和202个人工湿地的进出水数据 结果发现 人工湿地的氨氮 NH4 N 总氮 TN 总磷 TP 化学需氧量 COD 和生物需氧量 BOD5 的平均去除率分别为59 8 44 3 62 1 73 4 和81 8 表1 而污水污水处理厂相应的平均处理效率为30 30 1 40 77 9 和83 9 在氮 磷的去除方面人工湿地比污水处理厂具有优势 人工湿地具有多重生态服务功能 人工湿地的主要设计目的是对污水进行净化 此外 人工湿地还能提供多重生态服务功能 人工湿地能吸收二氧化碳释放氧气调节区域微气候 通过植物生物量生产固碳 阻滞沙尘 降低噪声 人工湿地系统在污水净化工程中促进植物的生长 增加绿化面积 并能为动植物提供栖息地 有利于生物多样性的保护 人工湿地在处理城市公园 绿地景观水 河湖滨岸带等地表水质的同时 还能为人们提供更舒适的生活环境和教育娱乐用途等 具有显著的社会 环境和经济效益 自然湿地虽也具有固碳 教育及娱乐等功能 但比起污水处理厂 人工湿地而言 其污水处理能力明显较低 而污水处理厂虽然具有一定的污水处理能力 但却不具备上述其他的生态服务功能 人工湿地系统不仅可以作为一种可持续的景观生态系统 还可以达到处理污水的目的 充分发挥湿地植物的多重生态功能 在人地矛盾紧张的中国无疑是一种值得大范围推广的污水处理发展模式 人工湿地具有多重生态服务功能 自然湿地 人工湿地 污水处理厂的生态系统服务功能 人工湿地的植物再资源化利用 人工湿地植物是其污水处理的核心 在人工湿地污水处理过程中起着重要作用 主要包括直接吸收氮 磷等污染物 通过根系输氧促进根区的氧化还原反应与好氧微生物活动 以及增强和维持介质的水力传输等 人工湿地中种植的植物类型主要有四种 浮叶植物 如睡莲等 漂浮植物 如凤眼蓝等 挺水植物 如芦苇等 沉水植物 如金鱼藻等 目前 挺水植物被广泛用于人工湿地污水处理系统 国内外对人工湿地植物的研究多集中在植物吸收氮效率 植物与微生物作用机制机理 植物选种配置等方面 事实上 人工湿地植物不但可以去除废水污染物 还可直接吸收利用污水中可利用态的氮 磷等营养物质 供其正常生长 以达到促进废水中营养物质循环和再利用的目的 而此项研究一直被人们忽视 目前我国实际运行的人工湿地中 植物被收割后普遍没有得到妥善处置 造成了资源浪费和二次污染等问题 如把这部分植物收集起来 用做生物质能原料便可实现人工湿地系统的再资源化利用 同时还有可能解决传统生物质发电的原料供应与农作物争地的矛盾问题 从理论上讲 人工湿地植物有与玉米秸秆等相近的热值 具有较高的纤维素含量和较低的木质素含量 可以通过沼气发酵 燃料乙醇技术 生物质固体成型燃料技术等加以利用 成为一种较具潜力的生物质能源原料 但在实际运用中还有很多问题尚需进一步研究 如人工湿地运行处理效果 生物量生产及其能源转化技术的协调性等 中国人工湿地发展的驱动力 我国传统的污水处理管理方式多采取 自上而下 的管理模式即由中央 地方政府拨款进行建造 然而这种管理形式对于人工湿地的应用推广效果并不理想 一些政府建设的人工湿地由于不恰当的运输和管理模式甚至不能维持良好运行 究其原因多在于公众和社会团体对人工湿地认知较少 导致人工湿地污水处理系统存在不负责任和义务脱节的 公地的悲剧 随着近年来污水处理市场化运作PPP新模式的出现 可以通过配套融资政策弥补该行业重资产运营模式的短板 这种 自下而上 的驱动机制正慢慢成为政府投资引导之外的另一重要发展驱动力 同时 随着科学技术的发展 网络大数据的普及应用 以及人们环保意识的提升 人们越来越关注人工湿地污水处理技术的发展 特别是我国大部分地区土地资源都较为紧张的情况下 公众更期待人工湿地的高处理运行功能和多重的生态系统服务功能 这种由社会力量 自下而上 的驱动将能使人工湿地的效率发挥最大化 因此 在环境政策管理方面迫切需要加强公众 社会机构 当地企业等的 刺激 驱动作用 共