人工湿地除污机理和对河水净化案例分析.ppt

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1、我国污水处理现状,Click to add title in here,4,1,2,人工湿地处理生活污水节能技术,人工湿地处理污水技术及应用,人工湿地对泉河水质净化处理的应用,5,2,32,4,1,人工湿地简介,人工湿地除污机理和除污系统功能,人工湿地处理污水工艺,人工湿地构建与运行中存在的问题,（1）人工湿地定义,人工湿地系指“人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用使污水得到净化”的一种工程构造体。而天然湿地系指有高等生物（包括动植物及微生物）的水环境，包括沼泽、浅水湖泊、自然河道、水域湖滨带、农田、

2、滨水公园等。,用于曝气的跌水系统,上行垂直潜流湿地里的菖蒲,（2）、人工湿地的组成,人工湿地污水处理系统是一套复杂的、完善的生物净化处理系统，其主要组成要件有3 个，分别是植物、微生物及微型生物、基质。在实际运行中，人工湿地系统的水质净化功能并不仅仅是基质、植物、微生物各自净化功能简单加合的结果。人工湿地的本质之一就是将基质、植物、微生物以合适的构型和配比组合在一起并形成人工生态系统，从而发挥出“1+1+13”的系统效应，达成高效持续的净化效果。,（3）、人工湿地的类型,按照人工湿地工程工艺组合方式，可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地以及复合型人工湿地。复合型人工湿地系指

3、，将不同类型的人工湿地工艺，根据场地、气候环境、水质参数及达标要求等客观条件进行系统、优化组合，使其达到最优的净化和处理效果，其所设计和建造出来的人工湿地即复合型人工湿地。复合型人工湿地是人工湿地建设的常态化工艺组合。,2、人工湿地除污机理和除污系统的功能,2.1.1 悬浮污染物去除机理悬浮污染物在人工湿地中去除的基本机理是拦截、吸附、絮凝和胶体颗粒的沉淀。大量植物根系和饱和状态的基质,使悬浮污染物通过在基质和根区表面的重力沉淀、截留和吸附等作用被分离去除。,2.1.2 溶解污染物去除机理污水中的溶解污染物是通过植物根系的吸收和吸附以及植物根际周围和土壤基质中微生物的分解代谢作用最终被降解去除

4、。根际微生物和根际分泌物在其中起到了重要的作用。根际微生物不仅能够降解吸收污染物质,而且其分泌的酶类也能够降解污染物质。而根际分泌物不仅能为根际微生物提供能源,提高微生物对污染物的降解效率,而且其分泌的酶类对污染物也有直接降解作用。,2.1 人工湿地除污机理,2.1.3 氮去除机理水中氮的去除转化包括很多过程,其中一部分氮可以被湿地中的植物吸收通过收割得以去除。另外,基质也可通过一些物理和化学的途径去除污水中一部分氮。但是氮主要还是在微生物作用下通过硝化、反硝化反应来去除的。植物根际复氧效率对处理效果有很大影响。有实验表明水面以下的植物部分以及附着其上和池壁上的藻类、微型植物通过光合作用产生的

5、氧直接释放到水体能明显引起氧增,而水面以上植物部分光合作用向根部水体输氧的作用并不明显。,2.1.4 磷去除机理磷的去除有很多途径:污水中一部分磷可被植物直接吸收,通过收割得以去除;一部分磷被基质通过吸附或离子交换作用去除;一部分磷作为微生物正常代谢所需要物质被磷细菌转化成溶解性无机磷,有利于植物吸收;还有一部分磷被聚磷菌过量聚磷作用去除。,2.1.5 对重金属的去除机理湿地中金属的去除机理包括离子交换、与湿地中的基质螯合,或转化为不溶性物质沉淀,主要过程包括不溶性重金属随悬浮颗粒沉淀、溶解性重金属与基质和沉积物的离子交换和络合作用、溶解性重金属以难溶性化合物的形式沉淀或者植物对溶解性重金属的

6、吸收作用。湿地中的植物在修复金属污染的过程中有着重要的作用,包括植物本身的作用以及植物根际分泌物的作用。植物本身作用包括三种类型:植物稳定、植物挥发和植物吸收。而根际分泌物在重金属污染的修复中的作用包括活化重金属元素,使其转化为植物可吸收态;改变金属的化学性质,从而改变其生物有效性和生物毒性;和重金属形成稳定的螯合体,起到固定和钝化作用,进而降低其危害性。,2.2 人工湿地污水处理系统的功能,人工湿地污水处理系统主要由植物、微生物、基质、水体及动物组成,各组成成分分别起着不同的作用,并且相互协同,使得整个湿地生态系统平衡运转,发挥良好的净化功能。,植物植物是人工湿地的重要组成部分。植物包括挺水

7、植物、浮水植物、浮叶植物和沉水植物等。人工湿地净化污水过程中,植物的作用可以归纳为3个重要的方面:回收利用污水中可利用态的营养物质,吸附、富集重金属和一些有毒有害物质;为根区好氧微生物输送氧气;增强和维持介质的水力传输。不同的植物类型对不同的污染物质具有一定的针对性。对氮磷去除效果较好的湿地植物，如茭白、芦苇、水烛、灯心草。对重金属有较好的去除作用的植物是：宽叶香蒲，且对Pb、Zn、Cd 等重金属有较好的去除作用。,微生物微生物系指植物根系周围的区系微生物、基质表面生物膜及周边的微生物，包括细菌、原生动物、次生动物、浮游植物、浮游动物等。人工湿地中微生物是净化污水的“主力军”。其数量在一定程度

8、上可反映人工湿地净化污水的能力。它们把有机质作为丰富的能源，将其转化为营养物质和能量。人工湿地系统中的微生物主要去除污水中的有机质和N，某些难降解的有机物质和有毒物质需要运用微生物的诱发变异特性，培育驯化适宜吸收和消化这些有机物质和有毒物质的优势细菌，进行降解。,人工湿地中的优势菌种有假单胞杆菌属Pseudomonas、产碱杆菌属Alcaligens 和黄杆菌属Flavobacterium，均为生长快速的微生物，其体内含有降解质粒，是分解有机物的主体微生物种群。,假单胞杆菌属,基质基质系指人工湿地池床中填充的沙砾、碎石或土壤，主要起到支撑高等植物生长，基质表面附着微生物形成生物膜的作用，是人工

9、湿地净化污水的主要部件之一。基质,又称填料,是人为设计的由不同大小的砾、沙、土颗粒等按一定厚度铺成的供植物生长、微生物附着的床体。基质是污水处理的主要场所,也是微生物的主要载体，同时又可以为水生植物提供支持载体和生长所需的营养物质，当这些营养物质通过污水流经人工湿地时,基质通过一些物理、化学途径(如吸附、吸收、过滤、沉淀、络合反应和离子交换等)来去除污水中的SS、N、P等营养物质。自由表面流系统多以土壤为基质,潜流与垂直流系统则根据不同的特征污染物选择不同的基质,并须考虑便宜、易于取材等因素。,石子,炉渣,动物动物是作为人工湿地生态系统中必不可少的一部分,其在食物链与营养级的生态平衡中起到重要

10、作用,进而对人工湿地污水处理系统的稳定性作出了重要贡献。目前,关于人工湿地中动物参与污染物净化方面的研究甚少,有研究提到了蚯蚓(Drilonema)能起到清洁垃圾的作用,从而减少了排泥次数。蚯蚓和沙蚕(Nereisdiversicolor)对重金属有富集作用,可以推测这些动物对污水中的重金属去除也能起一些作用。,3、人工湿地处理污水 工艺,1.预处理系统在实际工程中，预处理系统属于污水进入人工湿地污水处理系统前的物理处理工艺，一般包括拦污格栅、缓冲池、沉沙池及快速渗滤池等。实际工程中，往往结合相关工艺进行，如缓冲池结合沉沙池建造。,2.前处理系统前处理系统是指人工湿地污水处理工程的前端（或称前

11、段）处理工艺，其主要作用是通过生物降解，降低污染负荷、分解大颗粒污染分子，将复杂的有机物转化为简单的无机物等。常见的前处理工艺包括生物塘、水解酸化池、接触氧化池等。,3.人工湿地污水处理主体工艺此处所说的主体处理工艺即表面流人工湿地、垂直潜流人工湿地及水平潜流人工湿地3 种工艺类型。一般主处理工艺所占面积约为整个工程面积的60%70%左右，所以称为主体处理工艺。,人工湿地主体工艺对比,水面暴露于大气，污水在人工湿地基质表面漫流，水位较浅，为-。表面流湿地不需要砂砾等物质作填料，造价较低、操作费用较低，但水力负荷较低、占地面积大，其处理能力较低，对氨氮的去除率偏低。,表面流人工湿地,污水由一端进

12、入，经过配水系统（一般由卵石构成）均匀进入基质层，基质层一般由土壤和砾石构成。表层土壤上栽种耐水植物，通常是芦苇，这些植物有发达的根系，可以深入到表土以下的基质层中。对、等有机物和重金属等去除效果好。保温性好、处理效果受气候影响小、卫生条件好的特点。这也是目前研究最为广泛的一种人工湿地系统。,污水水流方向和床区垂直，其水流综合了前两者的特点。污水被投配到床区表面后，淹没整个表面，随后逐步垂直渗流到底部，由底部的集水系统收集后排放。但其建造要求较高，至今尚未广泛使用。,水平潜流人工湿地,垂直潜流人工湿地,4.后处理人工湿地系统的后处理工艺，也叫末端处理工艺，通常起到杀菌消毒、强化出水水质、改善景

13、观效果等的作用。常用的工艺主要包括表流湿地和好氧生物塘（水景塘）造景、沙滤池过滤、紫外线消毒或配药消毒等。,工艺流程简图,4、人工湿地构建与运行中存在的问题,人工湿地作为一种新型技术，具有诸多优点并在国内外得到广泛应用。但也必须明确，目前的应用还不能解决污水处理中的全部问题，很多未知领域和难题有待深入探讨。,4.1 人工湿地工程构建中的科学规划与设计人工湿地生态系统工程，是污水净化的新型研究领域，属于应用科学的范畴。它的设计与构建需要符合自然生态系统整体功能的要求，从生态系统物种共生与物质循环再生、分层多级利用的原理及结构功能相协调原则出发，结合生态工程物质生产工艺的最优化方法进行设计。,从目

14、前实践来看，一个完整的人工湿地污水处理系统工程，在设计与构建时，一般都应包括预处理系统、人工湿地处理系统、湿地出水回用系统三部分组成。根据所处理的污水类型不同和出水水质要求不同，其工程设计有所差异。比如城市生活综合污水和工业污水污染负荷较大,必须考虑构建二级沉淀预处理系统，而对于池塘养殖污水的处理，由于其污染程度相对较低，一般在预处理一级沉淀的基础上，采用人工湿地处理的方法就可取得好的效果。,4.2污水预处理在提高湿地处理效果中的重要性,预处理是在污水进入人工湿地之前，临时储存期间所采取的处理措施。实践中，由于人们对预处理的重要性认识不足，容易忽视这一环节应有的工艺，往往是在湿地处理效果不理想

15、或运行出现淤堵问题时，才去采取工艺改造等补救的措施。这样就会造成建设资金的浪费。,谌伟等采用硅藻土与助凝剂(PAM)复配对污水进行预处理，减轻了湿地系统后续潜滤池堵塞隐患，保证高负荷湿地系统连续运转。,刘家宝等通过在进入湿地前增加接触水解酸化系统，发现对有机污染物的去除有较好的效果，CODcr去除率为30%53.5%；BOD5的去除率为32.5%66.1%。,4.3人工湿地运行中的堵塞问题,一是预处理不到位，污染负荷过大致使大量不溶性有机物进入湿地来不及降解在基质内大量积累，而加速堵塞。,二是基质选择不合理，致使基质比表面积和孔隙率降低。比表面积，是指单位体积的基质所具有的表面积。孔隙率是指基

16、质所具有的孔隙与基质总体积之比，二者都是影响堵塞的重要因素。,三是水力负荷过大导致有机物短期内大量积累形成湿地水流短路，而出现堵塞。,人工湿地的推广与应用过程中，堵塞问题成为国内外学者越来越关注的问题，也是人工湿地污水处理中存在的主要技术问题。引起堵塞的原因：,人工湿地在北方寒冷地区越冬和运行问题人工湿地在我国南方地区因气温高，冬季仍可以正常运行，而在北方地区气温可下降到420 以下，因而必须采取保温措施才能运行。近年来有不少学者对此进了研究，概括起来主要有植物覆盖（含草碳）、地膜覆盖、冰雪覆盖及几种方法。李亚峰等选择炭化后的芦苇屑作为保温材料，监测出水温度一直保持稳定在9 以上，湿地床内生物

17、反应仍然进行，生化效果明显。,4.4人工湿地在北方寒冷地区越冬和运行问题,微生物法（唐美珍*，李婷婷）等由山东南四湖人工湿地底泥中分离出6 株生长较好的耐冷菌，并从中筛选出1 株能高效去除模拟污水中COD、总磷、氨氮的菌株，其去除率可分别达到62.92%、56.42%、50.63%。经鉴定该菌株为黄假单胞菌。耐冷菌在湿地对城市污水的生物治理中具有良好的应用前景和很大的发展空间。,耐冷菌在湿地对城市污水的生物治理中具有良好的应用前景和很大的发展空间。,耐冷菌在湿地对城市污水的生物治理中具有良好的应用前景和很大的发展空间。,耐冷菌在湿地对城市污水的生物治理中具有良好的应用前景和很大的发展空间。,5

18、、人工湿地系统对泉河水质净化处理的应用,泉河是山东省济宁市汶上县一条重要的河流，工业点源、农业面源污染使得泉河污染，水质超标。为净化水质，建设了泉河河道走廊人工湿地工程，总长度23 km，规模319.7 hm2，总投资5 170 万元。主要采用河道滞留塘+表面流人工湿地组合工艺，处理汶上县污水处理厂外排水、沿河周边农村生活污水及农田退水，污水处理规模2.0 万m3/d。工程2010 年10 月开工，2011 年6 月建成并正常运行。,1、工程简介,2、泉河及水质现状,泉河是济宁市南四湖流域汶上县的一条重要河流，长69 km，流域面积626 km2，是汶上县引水蓄水、引水回灌的主要河道，由东北向

19、西南纵贯全县，其上游由北泉河和南泉河组成，在小店子村南汇入南水北调东线调水干线京杭运河。泉河同时也是汶上县主要的纳污河道，县污水处理厂外排水、沿河周边农村生活污水及农田退水的排入，使泉河遭到不同程度的污染。水质仅达到地表水类标准，距离南水北调东线工程水污染防治规划要求的地表水类标准相差甚远。泉河各河段中高等水生植物稀少，仅在河道浅水区能看到少量野生水草，有少量浮游植物；除汛期外基本没有鱼类；枝角类和挠足类等大型浮游动物数量稀少；由于水体底层缺氧，深水河床区基本无大型底栖动物存在。,3、人工湿地系统工程设计,3.1工程设计进、出水参数,处理规模：工程总处理规模定为2 万m3/d。,进、出水水质：

20、,3.2 工艺流程,工程采取河道滞留塘+表面流人工湿地组合工艺。工程位于K22+200（汶上县污水处理厂排水口）至K0+000(泉河下游与梁济运河交汇处)的泉河河道内，区段河道长约23 km。分别在K15+450、K8+700 处建设两座橡胶坝（分别为1#、2#），将污染河水拦截在河道内。充分利用浅滩、缓坡等河道自然条件增加水面，在开阔河道区域开挖建设河道滞留塘，在滞留塘内人工布设水草，对河道两侧的滩地进行整地，在不同水深处分别种植湿生植物、挺水植物、浮叶植物、沉水植物，恢复河道生态。通过植物带的优化配置，构建一处物种多样性丰富、水质净化能力强、景观效果美观的河道走廊湿地生态系统，保障河流水质

21、达标出境。人工湿地污水净化工艺流程见图1。,3.3 主要单元设计,3.3.1 橡胶坝,1#橡胶坝控制河水水位为36.82 m，保持原河道坡降1/4 500，回水长度6 750 m，底板高程为34.32 m，坝袋净高2.5 m，设计正常挡水位36.82 m，坝长30 m。2#橡胶坝控制河水水位为35.32 m，保持原河道坡降1/4500，回水长度6 750 m，底板高程为32.82 m，坝袋净高2.5 m，设计正常挡水位35.32 m，坝长60 m。,3.3.2 河道滞留塘,该区段从K22+200（县污水处理厂排水口）至K8+700(2#橡胶坝)，该段河道长约13.5 km，河底宽35 65 m

22、，河底高程32.7 37.0 m，槽边坡1 2，河堤内距80 120 m，河道比降1/6350 1/4500。占地面积约54 hm2，设计流量2 万m3/d，停留时间60 d，有效容积72.5万m3。优化植物组合，在靠近橡胶坝水深0.6 1.0 m 的河道较浅区内分片配置莲和睡莲等水生植物，在水深1.0 1.5 m 的深水区配置人工水草和本地常见的喜温、净化能力较强的金鱼藻、苦草、黑藻、红线草及喜凉的菹草等。,3.3.3 表面流人工湿地,1）新建表面流湿地部分:位于K22+200（汶上县污水处理厂排水口）至K8+700(2#橡胶坝)的泉河河道内。该段湿地工程占用的河道长度约13.5 km，经1

23、#和2#橡胶坝蓄水后，水面平均宽40 80 m，调整滩地高程，维持河道弯曲度。在河道两侧水深相对较浅处（0 0.6 m），配置具较强净化能力的湿生植物（水葱、水芹、千屈菜、芦竹）和挺水植物（香蒲、芦苇、茭白）；水深较深处（0.6 1.5 m）配置沉水植物（黑藻、金鱼藻、菹草）。,设计参数：设计流量 2万 m3/d，总面积27 hm2，有效水深 0.3 1.0 m，水力负荷1.9 cm/d，停留时间27 d，CODCr 去除负荷0.3 g/(m2d),NH3-N 去除负荷0.04 g/(m2d)。,2）修复表面流湿地部分:位于K8+700(2#橡胶坝)至K0+000（入口）段的8.9 km 泉河

24、河道内，主要开展生态修复。该段河道比降平缓，河槽底部平缓，河槽平均宽65 m。适当调整河槽两侧滩地高程，在河道两侧水深相对较浅处（0 1.2 m），配置具较强净化能力的湿生植物（水葱、水芹、千屈菜、芦竹）和挺水植物（香蒲、芦苇、茭白）；水深较深处（1.0 2.0 m）配置浮叶植物（莲、野菱、睡莲）。,3.3.4 植物配置原则 根据耐污性生长适应能力根系发达程度、经济价值、美观等要求，同时兼顾因地制宜原则，选择植物物种。基于对当地本土湿地植物的研究分析，选择芦苇、香蒲等作为人工湿地工程的挺水植物先锋物种，野菱、睡莲和莲作为浮叶植物先锋物种，金鱼藻、苦草和黑藻作为沉水植物先锋物种。,2012 年湿

25、地进水口年均CODCr、氨氮浓度分别为37.8 mg L 和2.14 mg L 时，湿地出水口年均CODCr、氨氮浓度降低至19.6 mg L 和0.29 mg L，CODCr 和氨氮去除率分别达到48.1%和86.4%，出水达到地表水类标准。据测算，2012 年可消减CODCr219 t、氨氮29 t。,工程建设前,工程建设后,4、人工湿地运行结果,湿地工程实施后，自然湿地景观得到了恢复，泉河河道内污水横流，寸草不生的景观得以改变，基本恢复到天然河道状态泉河湿地植物种类由原先的13 科19 种增加到16 科27 种，湿地系统的物种多样性明显提高，泉河下游河段已发现鲤鱼、鲢鱼、草鱼等鱼类。,工程建设前,工程建设后,