1、湿地系统的概念湿地系统的概念滇池边的天然湿地滇池边的天然湿地-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。滇池边的人工湿地滇池边的人工湿地垂直流人工湿地表面布水系统垂直流人工湿地表面布水系统 20世纪世纪70年代年代：- 探索人工湿地的建设与应用探索人工湿地的建设与应用 80年代以后：年代以后： 90年代以后：年代以后：- 未把人工湿地作为处理主体，常与稳定塘系统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。及天然土地处理系统联用。- 将人工湿地作为处理主体，积极探索其工艺参将人工湿
2、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。数、运用范围和处理机理。 Constructed wetlands can be less expensive 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 trea
3、t wastewaters with low organic load (too low for activated sludge) They facilitate water reuse and recyclingThey provide habitat for many wetland organismsv They can be built to fit harmoniously into the landscape They provide numerous benefits in addition to water quality improvement, such as an en
4、vironmentally sensitive approach that is viewed with favor by the general public 人工湿地具有独特而复杂的净化机理，利用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。 去除区域：去除区域：进口处进口处510cm内完成内完成 机理：机理：l 基质层的填料基质层的填料l 植物的根、茎植物的根、茎l 腐殖层腐殖层结论：结论：SS去除效率高低，取决于污
5、水同植物与填料的接去除效率高低，取决于污水同植物与填料的接触程度触程度 降解主体：降解主体： 兼性细菌；厌氧细菌；好氧细菌 去除途径：去除途径：l 植物吸收及其收获而去除l 氨的挥发l 硝化反硝化作用l 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N2+N2ONH3Org-NNH4NO2 - NO3-NH4NO3- 图 人工湿地氮循环示意图空气水体土壤存 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)
6、 = 出水输出磷的量(E) + 作物吸收磷的量(T)土壤截留磷的量(A)湿地除磷特性湿地除磷特性物化吸附、共沉淀物化吸附、共沉淀生物吸收、直接截留生物吸收、直接截留 Ca、Fe、Al、Mg的氧化物或氢氧化物的氧化物或氢氧化物有机磷有机磷沉积沉积/直接截留直接截留无机磷无机磷生物吸收生物吸收异养降解异养降解 物化吸附物化吸附共沉淀共沉淀过饱和过饱和CaCO3土壤、根系层、土壤、根系层、填料床填料床吸收吸收湿地植物湿地植物/漂浮生物漂浮生物/微生态结构吸收微生态结构吸收 除磷填料最近研究进展：除磷填料最近研究进展：l 矿物填料：矿物填料：方解石；页岩；赭石；风钢渣等方解石；页岩；赭石；风钢渣等l
7、饮用水处理剩余物：饮用水处理剩余物：新问题：新问题：出水出水pH上升；有其它物质溶出上升；有其它物质溶出-出水出水pH稳定；无其它物质溶出；符合循环经济的稳定；无其它物质溶出；符合循环经济的观点观点 去除途径：去除途径：-土壤中微生物种类比污水处理构筑物中多得多土壤中微生物种类比污水处理构筑物中多得多l 微生物的降解作用：微生物的降解作用：l 微生物群落与植物群落的协同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有研究发现：芦苇可直接吸收一些难降解的有机物机物 去除途径：去除途径：l 植物吸收和微生物富集作用l 土壤胶体颗粒的吸附作用（离子交换）l 与S2形成硫
8、化物沉淀 问题：问题：l 存在富集而饱和的问题l 新增重金属离子对微生物种群的胁迫作用 去除途径：去除途径：l 基质层的沉降截留作用l 植物根系的某些分泌物的灭活作用 影响因素：影响因素：水力负荷和水力停留时间l 光照杀菌（）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系统示意图分类（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 优点：-投资及运行费用低；建造、运行和维护简单 缺点：l 相同处理效率，占地面积大于潜流湿地l 冬季结冰；夏天会孳生蚊蝇，散发臭味
9、l 有传播病菌的可能水平潜流人工湿地系统示意图垂直潜流人工湿地系统示意图复合潜流人工湿地系统示意图紧凑型复合潜流人工湿地系统示意图 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l 处理效率高l 保温条件好；卫生条件好 垂直潜流人工湿地发展l 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）l 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 垂直潜流人工湿地发展回顾l 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
10、果l 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）l 设计运行的关键问题l 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（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（1）防渗层；）防渗层；（2）基质层；）基质层；（3）腐质层；）腐质层； （4）水层和湿地
11、植物）水层和湿地植物作用：作用：阻止污水向地下水体的渗透阻止污水向地下水体的渗透可选用材料：可选用材料：黏土黏土高分子材料高分子材料湿地底部的沉积污泥层可形成天然防渗层湿地底部的沉积污泥层可形成天然防渗层材料：一般采用砾石、土壤或砂材料：一般采用砾石、土壤或砂作用：作用：提供植物生长所需的基质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为微生物提供良好的生长载体组成：落叶、枯枝、微生物和小动物的尸体组成：落叶、枯枝、微生物和小动物的尸体作用：作用：为微生物提供良好的生长载体为微生物提供良好的生长载体过滤作用，可去除污水中的过滤作用
12、，可去除污水中的SS可能作为反硝化的碳源可能作为反硝化的碳源组成：挺水植物；浮水植物；沉水植物组成：挺水植物；浮水植物；沉水植物 作用：作用：l提高湿地的处理效率提高湿地的处理效率l输氧，使床体形成好氧输氧，使床体形成好氧/缺氧缺氧/厌氧反应区厌氧反应区l对有机物、营养物质进行分解和合成代谢对有机物、营养物质进行分解和合成代谢l在冬季有保温作用，减缓处理效率的降低在冬季有保温作用，减缓处理效率的降低 选择原则：选择原则：l能适应当地生长的植物或天然湿地原存优势种l废水特性l多种植物混植或串连种植l采用综合利用价值高的作物，提高经济效益l景观效果好，美化环境，为野生动植物提供良好的生境 系统系统
13、 下行池下行池 ( I ) 上行池上行池 ( II ) P1 芦苇芦苇 Phragmites communis 水葱水葱 Schoenoplectus lacustris P2 茭白茭白 Zizania latifolia 菖蒲菖蒲 Acorus calamus P3 荻荻 Miscanthus sacchariflorus 凤眼莲凤眼莲 Eichhornia crassipes P4 藨草藨草 Scirpus triqueter 苔草苔草 Carex Linn. P5 菰菰 Zizania caduciflora 慈菇慈菇 Sagittaria trifolia P6 (对照对照) P7 宽
14、叶香蒲宽叶香蒲 Typha latifolia 鸢尾鸢尾 Iris pseudacorus P8 水烛香蒲水烛香蒲 Typha angustifolia 灯心草灯心草 Juncus effusus P9 风车草风车草 Cyperus alternifolius 雍菜雍菜 Ipomoea aquatica P10 薏苡薏苡 Coix lacryma-jobi 水花生水花生 Alternanthera philoxeroides P11 光头稗光头稗 Echinochloa colonum 水芹水芹 Oenabthe javanica P12 稗稗 Echinochloa crusgalli 水蓼
15、水蓼 Polygonum hydropiper 湿地植物湿地植物湿地植物湿地植物作用：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 主要设计参数l 水力停留时间与水力负荷l 所需土地面积l 有机负荷和氮负荷l 布水周期和投配时间l 长宽比和底坡l 填料种类、渗透性和渗透速率l 植物的选择 Some parameter for system（a） Hydraulicsl l Hydraulic loading rate qi (HLR) qi=Qi/A (4.1)where A = wetland top surface area(m2) qi = HLR (md-1; often
16、expressed as cm d-1) Qi= wastewater inflow rate (m3d-1) 4.3. Nominal detention 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) qhQAh （b） Water budgetThe dynamic overall water budget for a wetland is where ET
17、 = evapotranspiration rate (m d-1) I = infiltration to groundwater (m d-1) P = precipitation 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)dtdVAIETPQQQ
18、QQsmbCoi)(l 地形l 地质l 土壤的化学条件l 周边河流、公路、铁路和边界拥有权的限制 目标：防止出渗污染地下水；防止地下水入渗 技术指标黏土：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 总原则：l 水质：来水水质；出水水质l 水量l 人工湿地的类型选择 地表径流系统：l 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l 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 水平潜流：l 土壤设计水力传导系数要小于原始介质的水力传导系数l 砾石-典型尺寸：36mm; 510mm;
19、612mm-欧洲最多使用的尺寸为： 812mm 垂直潜流：英国VF湿地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3060mm的圆形砾石 总原则：l 布水均匀l 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 自由水面：FWS型湿地处理系统的入口形式 自由水面：FWS型湿地处理系统的入口形式 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表面流布水系统 潜流人工湿地：潜流湿地处理系统的入口形式 基本数学模型基本数学模型l 水力学：对潜流湿地运用达西模型l 反应器类型：推流式 复杂模型复杂
20、模型l 问题：缺乏边界条件而目前无法工程运用l 降解模型：一级动力学 l l For first-order pollutant uptake (JU): JU=kC l l The net pollutant decrease rate (J): J=k(C-C*) ( Background concentration (C*)First-order equations l l In many treatment wetland cases, infiltration is prevented, there is not significant atmospheric deposition.
21、 Under this special set of conditions, Q=constant along the length of the wetland (y), and area (A) l l For a specified inlet concentration (Ci) this integrates to *)(CCKAJAdydCQqkQkACCCCiOexpexp* l l For those pollutants that have C* values very close to zero, namely nitrate, phosphorus and ammonia
22、 nitrogen, (4.13) reduces to (4.14)qkQkACCiOexpexp 6.2 Temperature equationsTemperature 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
23、 () have been estimated for data sets with adequate operational temperature data.20)-(T20kkT6.3 人工湿地生态动力学模型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机理和内在联系，划分成许多各自独立的“箱子箱子” 和联系各和联系各个个“箱子箱子” 的物质流和能量流。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将每个生物、物理、化学过程的物质流和能量流定义成各自
24、独立的反应方程（幂次方程或微分方程），为每个过程确定独立的反应方程（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。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。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（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。有限元程序等）或自编程序对概念模型进行实现和运算。径流进水水温阳光TPTP降水表覆水层
25、TP附着生物浮游植物大型植物枯枝层腐殖层表层土壤深层土壤水位影响出水蒸发渗漏水深影响水流磷流能量流控制流表面流人工湿地中磷去除的箱式生态动力学模型示意图表面流人工湿地中磷去除的箱式生态动力学模型示意图 水 中 TP 进 水 出 水 进 水 通 量 进 水 浓 度 水 深 湿 地 面 积 进 水 流 量 H R T 植 物 渗 透 植 物 生 长 速 率 植 物 吸 收 植 物 中 TP 浓 度 温 度 微 生 物 微 生 物 吸 收 和 释 放 活 性 沉 淀 土 壤 吸 收 深 层 沉 淀 微 生 物 TP 浓 度 渗 透 速 率 吸 收 和 释 放 速 率 土 壤 吸 收 速 率 土 壤
26、解 吸 速 率 土 壤 解 吸 活 性 沉 淀 深 度 深 层 沉 淀 深 度 水 中 TP 浓 度 AS 中 的 TP 浓 度 植 物 落 叶 腐 败 释 放 腐 败 释 放 速 率 D S 中 的 TP 浓 度 残 体 枯 叶 速 率 生态动力学模型生态动力学模型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：水中总磷的变化可以用一级动力学方程描述为： ）磷的）磷的微生物和植物等的生长吸收微生物和植物等的
27、生长吸收dTP_Microorganism_Uptake = (Microorganism_Growth_Rate Microorganism_Respiration_Rate) TP_in_MicroorganismdTP_Macrophyte_Uptake = (Macrophyte_Growth_Rate Macrophyte_Respiration_Rate) TP_in_Macrophyte）土壤吸附、渗透）土壤吸附、渗透dTP_Absorption = SS_Sedimentation_Rate TP_in_SS Water_Depth （TP_Absorption_Rate TP
28、_Desorption_Rate ） TP_in_Water Water_VolumndTP_Infiltration = TP_Infiltration_Rate TP_in_ActiveSoil / ActiveSoil_Volumn）腐殖层的分解释放）腐殖层的分解释放dTP_Detritus_Release = Detritus_Decomposition_Rate TP_in_Detritus出 水 中 总 磷 浓 度 的 实 验 值 和 模 型 计 算 值 的 比 较 （ 春 季 ）0.001.002.003.004.005.006.000246810停 留 时 间 （ d）出水总磷
29、浓度（mg/L）LC2P实 验 值LC2P模 型 计 算LC4P实 验 值LC4P模 型 计 算LC6P实 验 值LC6P模 型 计 算出水中总磷浓度的实验值和模型计算值的比较（夏季）0.001.002.003.004.005.006.000246810停留时间（d）出水总磷浓度（mg/L）LC2P实验值LC2P模型计算LC4P实验值LC4P模型计算LC6P实验值LC6P模型计算出水中总磷浓度的实验值和模型计算值的比较（秋季）0.001.002.003.004.005.006.000246810停留时间（d）出水总磷浓度（mg/L）LC2P实验值LC2P模型计算LC4P实验值LC4P模型计算L
30、C6P实验值LC6P模型计算出水中总磷浓度的实验值和模型计算值的比较（冬季）0.001.002.003.004.005.006.000246810停留时间（d）出水总磷浓度（mg/L）LC2P实验值LC2P模型计算LC4P实验值LC4P模型计算LC6P实验值LC6P模型计算模型计算与试验监测值之间的误差为模型计算与试验监测值之间的误差为9.13% 美国密歇根州的Vermontville村：l 植物：香蒲兼性稳定塘4.4hm2渗滤土地床4.6hm2生活污水农业灌溉l 设计流量：380m3/d；服务期限：20年（已运行25年）l 工艺流程图： 美国密歇根州Vermontville： 出水水质可达到
31、美国农业灌溉水质要求l 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 法国处理原城市污水20年经验总结l 人工湿地类型：垂直流人工湿地l 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
32、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 丹麦人工湿地就地处理农村单户生活污水：l 主要研究内容 根区氧化系统设计指南 垂直流人工系统设计指南 柳树湿地系统设计指南l 问题 对除磷，还没有适宜的技术方案（目前使用化学法除磷） 美国加利福尼亚州Chevron Richment炼油厂：l 工艺流程图：工业废水厂区雨水排放人工湿地l 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 中国云南滇池人工湿地脱氮除磷：l 主要研究内容：（1）
33、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 中国云南滇池人工湿地脱氮除磷：l 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 中国云南洱海人工湿地脱氮除磷：l 工艺流程
34、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 德国某养猪厂：l 工艺流程图：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 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342.395总氮157417689磷酸根1340.4999钾88511787铜1.140.0895l 芦苇床对养猪废水的处理效果 美国俄勒冈州立大学牛奶厂：l 湿地个数：6块 (每块：26.75.5147m2)l 植物：2块种植香蒲；4块种植芦苇l 湿地类型：自由流人工湿地l 填料：细砂/泥质黏土/亚黏土l 有机
35、负荷74kg/hm2d；氨氮浓度100mg/L 美国俄勒冈州立大学牛奶厂：污染物第一年去除率 (%)第二年去除率 (%)粪大肠杆菌80908995BOD40505972COD40505359总凯氏氮50555459总磷40505359总固体基本不变l 第一年和第二年处理效率比较 挪威Esval处理厂：垃圾渗滤液l 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 挪威Esval处理厂：l 去除效率污染物去除率 (%)BOD88COD91TOC71TN83TP88Fe88E.coli95 英国伦敦东郊Dagenham：河流l 工艺流程图：生物转盘（二级处理）雨
36、水芦苇湿地（合流制三级处理）合流制下水道雨水芦苇湿地（分流制）溢流井溢流雨水导流井分流制下水道暴雨人工湿地中SS的研究l 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：l 去除效率调查结果 (加*数据为TN) ：SSBODNH3-NNO3-NE.Coli城市径流城市径流湿地湿地76 (3695)24 (-5781)31 (062)33 (-1768)(5288)滞留塘滞留塘73 (1399)53 (1099)92 (8699)植物塘植物塘55 (4691)40 (069)29 (080)高速公路径流高速公路径流湿地湿地(5070)18(1020)*(5090)表面流表面流(1375)15 (532)45 *(1060)*82 (7599)潜流潜流73 (1399)53* (1096)*92 (8699)
