人工湿地处理系统教学资料

第七章、人工湿地(shīdì)处理系统第一页，共98页。湿地(shīdì)系统的概念1.概述(ɡàishù)第二页，共98页。滇池边的天然(tiānrán)湿地第三页，共98页。人工(réngōng)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(tōngguò)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。第四页，共98页。滇池(diānchí)边的人工湿地第五页，共98页。垂直(chuízhí)流人工湿地表面布水系统第六页，共98页。第七页，共98页。人工(réngōng)湿地发展史：20世纪(shìjì)70年代：--探索人工湿地的建设(jiànshè)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。第八页，共98页。

Constructedwetlandscanbelessexpensivetobuildthanothertreatmentoptions

Operationandmaintenanceexpenses(energyandsupplies)arelow

Operationandmaintenancerequireonlyperiodic,ratherthancontinuous,on-sitelabour

Wetlandsareabletotreatwastewaterswithloworganicload(toolowforactivatedsludge)

Theyfacilitatewaterreuseandrecycling人工湿地(shīdì)处理系统的优点：第九页，共98页。TheyprovidehabitatformanywetlandorganismsTheycanbebuilttofitharmoniouslyintothelandscapeTheyprovidenumerousbenefitsinadditiontowaterqualityimprovement,suchasanenvironmentallysensitiveapproachthatisviewedwithfavorbythegeneralpublic第十页，共98页。2.CWs去除(qùchú)污染物机理第十一页，共98页。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(shíxiàn)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(shíxiàn)废水的资源化和无害化。第十二页，共98页。（1）悬浮物（SS）的去除(qùchú)去除区域(qūyù)：进口处5～10cm内完成机理(jīlǐ)：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第十三页，共98页。（2）有机物的去除(qùchú)降解(jiànɡjiě)主体：兼性细菌；厌氧细菌；好氧细菌第十四页，共98页。（3）氮的去除(qùchú)去除(qùchú)途径：植物吸收及其收获(shōuhuò)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第十五页，共98页。（3）氮的去除(qùchú)N2+N2ONH3Org-NNH4＋NO2-

NO3-NH4＋NO3-

图人工湿地(shīdì)氮循环示意图[空气(kōngqì)][水体][土壤]第十六页，共98页。（4）磷的去除(qùchú)存在形式说明有机磷化物微生物和植物体内不溶性磷酸盐主要存在形式可溶性磷酸盐唯一可被微生物和利用人工湿地(shīdì)中磷的存在形式人工湿地中磷质量(zhìliàng)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)第十七页，共98页。湿地(shīdì)除磷特性物化吸附(xīfù)、共沉淀生物吸收、直接截留Ca、Fe、Al、Mg的氧化物或氢氧化物(qīnɡyǎnɡhuàwù)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、填料床吸收湿地植物/漂浮生物/微生态结构吸收

第十八页，共98页。除磷填料(tiánliào)最近研究进展：矿物(kuàngwù)填料：方解石；页岩；赭石(zhěshí)；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第十九页，共98页。（5）难降解(jiànɡjiě)有机物的去除去除(qùchú)途径：--土壤中微生物种类(zhǒnglèi)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第二十页，共98页。（6）金属离子(lízǐ)的去除去除(qùchú)途径：植物吸收(xīshōu)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第二十一页，共98页。（7）细菌(xìjūn)的去除去除(qùchú)途径：基质层的沉降截留(jiéliú)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第二十二页，共98页。3、人工湿地(shīdì)的种类第二十三页，共98页。人工(réngōng)湿地的分类（Ⅰ）自由水面(shuǐmiàn)人工湿地（Ⅱ）潜流(qiánliú)型人工湿地水平潜流垂直流复合流第二十四页，共98页。（Ⅰ）自由水面(shuǐmiàn)人工湿地自由水面人工(réngōng)湿地系统示意图第二十五页，共98页。（Ⅰ）自由水面(shuǐmiàn)人工湿地分类（优势(yōushì)水生植物种类）自由表面人工(réngōng)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的去除第二十六页，共98页。Freesurfaceflowwetlands第二十七页，共98页。（Ⅰ）自由水面(shuǐmiàn)人工湿地优点(yōudiǎn)：--投资及运行费用(fèiyong)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，散发臭味有传播病菌的可能第二十八页，共98页。（Ⅱ）潜流型人工(réngōng)湿地水平潜流人工(réngōng)湿地系统示意图第二十九页，共98页。（Ⅱ）潜流(qiánliú)型人工湿地垂直(chuízhí)潜流人工湿地系统示意图第三十页，共98页。（Ⅱ）潜流(qiánliú)型人工湿地复合潜流(qiánliú)人工湿地系统示意图第三十一页，共98页。（Ⅱ）复合潜流(qiánliú)型人工湿地紧凑型复合潜流(qiánliú)人工湿地系统示意图第三十二页，共98页。（Ⅱ）潜流型人工湿地(shīdì)分析优点(yōudiǎn)：（与HFCWs相比）充分运用湿地(shīdì)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；卫生条件好第三十三页，共98页。垂直潜流人工(réngōng)湿地发展垂直(chuízhí)潜流人工湿地的分类：（1）第一代：间歇式（潮汐(cháoxī)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ConstructedWetlands第三十四页，共98页。垂直潜流(qiánliú)人工湿地发展回顾处理(chǔlǐ)效果：不仅(bùjǐn)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第三十五页，共98页。（Ⅱ）潜流(qiánliú)型人工湿地结论(jiélùn)与展望：（1）垂直潜流人工湿地出水水质(shuǐzhì)可达到：BOD＜10mg/L，TSS＜10mg/L，NH3-N＜2mg/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/m2·d，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（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第三十六页，共98页。4、人工湿地(shīdì)的构造ConstructedWetlands第三十七页，共98页。人工湿地(shīdì)组成：（1）防渗层；（2）基质层；（3）腐质层；（4）水层(shuǐcénɡ)和湿地植物第三十八页，共98页。（1）防渗层作用(zuòyòng)：阻止污水向地下水体的渗透可选用(xuǎnyòng)材料：黏土高分子材料湿地底部的沉积(chénjī)污泥层可形成天然防渗层第三十九页，共98页。（2）基质(jīzhì)层材料(cáiliào)：一般采用砾石、土壤或砂作用(zuòyòng)：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第四十页，共98页。（3）腐质层组成：落叶、枯枝(kūzhī)、微生物和小动物的尸体作用(zuòyòng)：为微生物提供良好的生长载体过滤(guòlǜ)作用，可去除污水中的SS可能作为反硝化的碳源第四十一页，共98页。（4）水生植物组成：挺水植物(zhíwù)；浮水植物(zhíwù)；沉水植物(zhíwù)作用(zuòyòng)：提高湿地的处理效率输氧(shūyǎnɡ)，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第四十二页，共98页。（4）水体(shuǐtǐ)植物选择(xuǎnzé)原则：能适应当地生长的植物(zhíwù)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第四十三页，共98页。湿地(shīdì)植物第四十四页，共98页。湿地(shīdì)植物第四十五页，共98页。第四十六页，共98页。第四十七页，共98页。（5）水层(shuǐcénɡ)作用(zuòyòng)：提供(tígōng)污染物降解的场所提供水生动物和水禽类的栖息场所第四十八页，共98页。5.人工(réngōng)湿地的设计与计算ConstructedWetlands第四十九页，共98页。（1）湿地处理(chǔlǐ)系统的设计主要设计(shèjì)参数水力(shuǐlì)停留时间与水力(shuǐlì)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第五十页，共98页。Someparameterforsystem（a）Hydraulicsl

Hydraulicloadingrateqi(HLR)qi=Qi/A(4.1)whereA=wetlandtopsurfacearea(m2)qi=HLR(md-1;oftenexpressedascmd-1)Qi=wastewaterinflowrate(m3d-1)

第五十一页，共98页。4.3.NominaldetentiontimeThevolumetricflowrate(Q),area(A)anddepth(h),ε(porosity)

Wetlandwatervolume(V):V=Ahε(4.4)Nominaldetentiontime(τ):

(4.5)第五十二页，共98页。（b）WaterbudgetThedynamicoverallwaterbudgetforawetlandis

whereET=evapotranspirationrate(md-1)I=infiltrationtogroundwater(md-1)P=precipitationrate(md-1)Qb=banklossrate(m3d-1)Qc=catchmentrunoffrate(m3d-1)Qo=outputwastewaterflowrate(m3d-1)Qsm=snowmeltrate(m3d-1)t=time(d)V=waterstorageinwetland(m3)第五十三页，共98页。（2）湿地系统(xìtǒng)的条件地形(dìxíng)地质(dìzhì)土壤的化学条件周边河流、公路、铁路和边界拥有权的限制第五十四页，共98页。（3）湿地系统(xìtǒng)的分区第五十五页，共98页。（4）湿地(shīdì)系统防渗目标(mùbiāo)：防止出渗污染地下水；防止地下水入渗技术指标黏土(niántǔ)：小于10－8m/s的水力传导率塑料膜：0.5~10.0mm厚Monarflex（带有玻璃纤维增强剂）：0.5~0.75mm厚第五十六页，共98页。（5）基质(jīzhì)的选择总原则(yuánzé)：水质(shuǐzhì)：来水水质(shuǐzhì)；出水水质(shuǐzhì)水量人工湿地的类型选择第五十七页，共98页。（5）基质(jīzhì)的选择地表径流(jìngliú)系统：土壤(tǔrǎng)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第五十八页，共98页。（5）基质(jīzhì)的选择水平(shuǐpíng)潜流：土壤(tǔrǎng)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：3~6mm;5~10mm;6~12mm--欧洲最多使用的尺寸为：8~12mm第五十九页，共98页。（5）基质(jīzhì)的选择垂直(chuízhí)潜流：英国VF湿地(shīdì)床分层的填料分布项目厚度/cm填料顶层8粗砂上层15直径6mm的圆形砾石下层10直径12mm的圆形砾石底层15直径30~60mm的圆形砾石第六十页，共98页。（6）进水结构(jiégòu)总原则(yuánzé)：布水(bù shuǐ)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：示踪剂的选择第六十一页，共98页。（6）进水结构(jiégòu)自由(zìyóu)水面：FWS型湿地处理(chǔlǐ)系统的入口形式第六十二页，共98页。（6）进水结构(jiégòu)自由(zìyóu)水面：FWS型湿地处理系统(xìtǒng)的入口形式第六十三页，共98页。（6）进水结构(jiégòu)水平(shuǐpíng)潜流：水平潜流湿地处理(chǔlǐ)系统的入口形式第六十四页，共98页。表面流布(liúbù)水系统第六十五页，共98页。（7）出水(chūshuǐ)结构潜流(qiánliú)人工湿地：潜流(qiánliú)湿地处理系统的入口形式第六十六页，共98页。6.人工(réngōng)湿地的动力学ConstructedWetlands第六十七页，共98页。基本(jīběn)数学模型水力学：对潜流湿地(shīdì)运用达西模型反应器类型(lèixíng)：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ConstructedWetlands第六十八页，共98页。

l

Forfirst-orderpollutantuptake(JU):JU=kCl

Thenetpollutantdecreaserate(J):J=k(C-C*)(Backgroundconcentration(C*))First-orderequations第六十九页，共98页。

l

Inmanytreatmentwetlandcases,infiltrationisprevented,thereisnotsignificantatmosphericdeposition.Underthisspecialsetofconditions,Q=constantalongthelengthofthewetland(y),andarea(A)

l

Foraspecifiedinletconcentration(Ci)thisintegratesto

第七十页，共98页。l

ForthosepollutantsthathaveC*valuesveryclosetozero,namelynitrate,phosphorusandammonianitrogen,(4.13)reducesto

(4.14)第七十一页，共98页。6.2TemperatureequationsTemperatureeffectsonkorkvcanbesummarizedbyuseofthemodifiedArrheniusequation:(4.15)wherekTistherateconstantattemperatureT℃andk20istherateconstantat20℃.Valuesofthetemperaturecorrectionfactor(θ)havebeenestimatedfordatasetswithadequateoperationaltemperaturedata.第七十二页，共98页。6.3人工湿地(shīdì)生态动力学模型将人工湿地中发生(fāshēng)的各个生物、物理、化学过程根据其发生(fāshēng)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(wùzhì)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（ModelMaker、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。第七十三页，共98页。表面流人工湿地(shīdì)中磷去除的箱式生态动力学模型示意图第七十四页，共98页。生态(shēngtài)动力学模型第七十五页，共98页。dTP/dt=TP_In+TP_Resuspension+TP_Detritus_release

－TP_Sediment

－TP_Microorganism_Uptake

－TP_Out水中总磷的变化(biànhuà)可以用一级动力学方程描述为：第七十六页，共98页。ⅰ）磷的微生物和植物等的生长(shēngzhǎng)吸收dTP_Microorganism_Uptake=(Microorganism_Growth_Rate－Microorganism_Respiration_Rate)×TP_in_MicroorganismdTP_Macrophyte_Uptake=(Macrophyte_Growth_Rate－Macrophyte_Respiration_Rate)×TP_in_Macrophyte第七十七页，共98页。ⅱ）土壤吸附(xīfù)、渗透dTP_Absorption=SS_Sedimentation_Rate×TP_in_SS÷Water_Depth＋（TP_Absorption_Rate－TP_Desorption_Rate

）×TP_in_Water÷Water_VolumndTP_Infiltration=TP_Infiltration_Rate×TP_in_ActiveSoil/ActiveSoil_Volumnⅲ）腐殖层的分解(fēnjiě)释放dTP_Detritus_Release=Detritus_Decomposition_Rate×TP_in_Detritus第七十八页，共98页。模型计算与试验监测(jiāncè)值之间的误差为9.13%第七十九页，共98页。7.人工(réngōng)湿地的应用实例ConstructedWetlands第八十页，共98页。（1）生活(shēnghuó)污水处理美国(měiɡuó)密歇根州的Vermontville村：植物(zhíwù)：香蒲兼性稳定塘4.4hm2渗滤土地床4.6hm2生活污水农业灌溉设计流量：380m3/d；服务期限：20年（已运行25年）工艺流程图：第八十一页，共98页。（1）生活(shēnghuó)污水处理美国(měiɡuó)密歇根州Vermontville：出水水质(shuǐzhì)可达到美国农业灌溉水质(shuǐzhì)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4~5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第八十二页，共98页。（1）生活(shēnghuó)污水处理—欧洲最新进展法国(fǎɡuó)—处理原城市污水20年经验总结人工湿地(shīdì)类型：垂直流人工湿地(shīdì)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COD≤60mg/L；SS≤15mg/L；TKN≤8mg/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10～15年清理一次污泥第八十三页，共98页。丹麦—人工湿地就地预处理农村单户生活(shēnghuó)污水：就地预处理单户生活(shēnghuó)污水人工湿地示意图（1）生活污水处理(wūshuǐchǔlǐ)—欧洲最新进展第八十四页，共98页。丹麦(dānmài)—人工湿地就地处理农村单户生活污水：主要研究(yánjiū)内容根区氧化系统(xìtǒng)设计指南垂直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—欧洲最新进展第八十五页，共98页。（2）化工(huàgōng)废水处理美国(měiɡuó)加利福尼亚州ChevronRichment炼油厂：工艺流程(ɡōnɡyìliúchénɡ)图：工业废水厂区雨水排放人工湿地建设运行经验：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种之多第八十六页，共98页。（3）农村(nóngcūn)非点源污染控制中国—云南滇池人工(réngōng)湿地脱氮除磷：主要研究(yánjiū)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第八十七页，共98页。（3）农村(nóngcūn)非点源污染控制中国—云南滇池(diānchí)人工湿地脱氮除磷：主要(zhǔyào)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HRT>3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的去除率第八十八页，共98页。（3）农村(nóngcūn)非点源污染控制中国—云南洱海(ěrhǎi)人工湿地脱氮除磷：工艺流程(ɡōnɡyìliúchénɡ)图：废水出水入洱海沉淀池厌氧塘收集系统配水系统人工湿地人工湿地多级人工湿地第八十九页，共98页。（4）农业(nóngyè)废水处理德国某养猪厂：工艺流程(ɡōnɡyìliúchénɡ)图：养猪废水固体废物农业用水厌氧消化池人工湿地生物气：城镇供暖消化污泥：农田肥料第九十页，共98页。（4）农业(nóngyè)废水处理德国某养猪厂：污染物进水(mg/L)出水(mg/L)去除率(%)氨氮13649893硝态氮342.3