WAP手机版 加入收藏  设为首页
节水与水资源利用

人工湿地

时间:2014/9/19 17:11:38   作者:绿建之窗   来源:绿建之窗   阅读:812   评论:0
内容摘要: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。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀...

        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。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。

人工湿地

     用途

人工湿地是一个综合的生态系统,它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理,结构与功能协调原则,在促进废水中污染物质良性循环的前提下,充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳效益。
人工湿地的植物还能够为水体输送氧气,增加水体的活性。湿地植物在控制水质污染,降解有害物质上也起到了重要的作用。
湿地系统中的微生物是降解水体中污染物的主力军。好氧微生物通过呼吸作用,将废水中的大部分有机物分解成为二氧化碳和水,厌氧细菌将有机物质分解成二氧化碳和甲烷,硝化细菌将铵盐硝化,反硝化细菌将硝态氮还原成氮气,等等。通过这一系列的作用,污水中的主要有机污染物都能得到降解同化,成为微生物细胞的一部分,其余的变成对环境无害的无机物质回归到自然界中。

湿地生态系统中还存在某些原生动物及后生动物,甚至一些湿地昆虫和鸟类也能参与吞食湿地系统中沉积的有机颗粒,然后进行同化作用,将有机颗粒作为营养物质吸收,从而在某种程度上去除污水中的颗粒物。

      净化污水

人工湿地artifical wetland ,constructed wetland
用人工筑成水池或沟槽,底面铺设防渗漏隔水层,填充一定深度的土壤或填料层,种植芦苇一类的维管束植物或根系发达的水生植物,污水由湿地的一端通过布水管渠进入,以推流方式与布满生物膜的介质表面和溶解氧进行充分的植物根区接触而获得净化。人工湿地分为表面径流人工湿地和人工潜流湿地。
人工湿地与传统污水处理厂相比具有投资少、运行成本低等明显优势,在农村地区,由于人口密度相对较小,人工湿地同传统污水处理厂相比,一般投资可节省1/3—1/2。在处理过程中,人工湿地基本上采用重力自流的方式,处理过程中基本无能耗,运行费用低,污水处理厂处理每吨废水的价格在1元左右,而人工湿地平均不到2毛。
因此,在人口密度较低的农村地区,建设人工湿地比传统污水处理厂更加经济。
人工湿地在农村地区的使用效果也优于传统污水处理厂,首先人工湿地使用纯生物技术进行水质净化,而污水处理厂则使用化学方法,因此污水处理厂在处理过程中会产生大量富含有害化学成分的淤泥、废渣影响环境,而人工湿地则不存在二次污染。其次人工湿地以水生植物水生花卉为主要处理植物,在处理污水的同时还具有良好的景观效果,有利于改造农村环境。另外,人工湿地还拥有可持续的经济效益,在人工湿地上可选种一些具备净化效果和一定经济价值较高的水生植物,在污水处理的同时产生经济效益。
人工湿地的运行管理也比污水处理厂简单、便捷,因为人工湿地完全采取生物方法自行运转因此基本不需专人负责,只需定期清理格栅池、隔油池、每年收割一次水生植物即可。人工湿地中起主要处理作用的还是微生物,不是土壤的过滤作用,所以湿地设计中应包括防止湿地填料堵塞问题、植物死亡问题和过冬问题。人工湿地服务年限一般按照10-15年计算,也就是说设计比较完善的湿地系统15年以后才需要清理填料床,达到服务年限的人工湿地系统在清理填料床后,即可重新投入使用。另外,人工湿地的建设周期短,建设一座传统污水处理厂和完成相关管道的铺设往往需要一年以上,而人工湿地的平均建设周期在3个月以内,因此建设人工湿地见效更快。

        结论:在人口密度较低、污染排放较少的农村地区,“人工湿地”生活污水处理设施有很多优点,该处理设施充分利用农户住房周边的地形特点,因地制宜、实施简单,可造在住宅旁的空地上,也可利用水塘以及公园的景观池改造;规模可大可小,可以二三十户家庭共用一块,也可以一户人家造一块;投资少,维护方便,且占地面积小,配合种植水生植物,还可达到美化景观的效果。
净化空气
SS的去除主要靠物理沉淀、过滤作用,BOD的去除主要靠微生物吸附和代谢作用,代谢产物均为无害的稳定物质,因此可以使处理后水中残余的BOD浓度很低。污水中COD去除的原理与BOD基本相同。
N、P去除人工湿地主要利用生物脱氮及植物吸收方法。
作用机理:对污染物的去除与影响物理沉淀可沉淀固体在湿地中重力沉降去除、过滤,通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固体被阻截而去除;化学微生物代谢:利用悬浮的底泥和寄生于植物上的细菌的代谢作用将悬浮物、胶体、可溶性固体分解成无机物;通过生物硝化-反硝化作用去除氮;部分微量元素被微生物、植物利用氧化并经阻截或结合而被去除。自然死亡:细菌和病毒处于不适宜环境中会引起自然衰败及死亡,植物植物代谢利用植物对有机物的吸收而去除,植物根系分泌物对大肠杆菌和病原体有灭活作用植物吸收相当数量的氮和磷能被植物吸收而去除,多年生沼泽生植物,每年收割一次,可将氮、磷吸收、合成后分移出人工湿地系统。
污水进入湿地系统,污水中的固体颗粒与基质颗粒之间会发生作用,水流中的固体颗粒直接碰到基质颗粒表面被拦截。水中颗粒迁移到基质颗粒表面时,在范德华力和静电力作用下以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下,被粘附与基质颗粒上,也可能因为存在絮凝颗粒的架桥作用而被吸附。
此外,由于湿地床体长时间处于浸水状态,床体很多区域内基质形成土壤胶体,土壤胶体本身具有极大的吸附性能,也能够截留和吸附进水中的悬浮颗粒。
物理过滤和吸附作用是湿地系统对污水中的污染物进行拦截从而达到净化污水的目的的重要途径之一。
植物是人工湿地的重要组成部分。人工湿地根据主要植物优势种的不同,被分为浮水植物人工湿地,浮叶植物人工湿地,挺水植物人工湿地,沉水植物人工湿地等不同类型。湿地中的植物对于湿地净化污水的作用能起到极重要的影响。
首先,湿地植物和所有进行光合自养的有机体一样,具有分解和转化有机物和其他物质的能力。植物通过吸收同化作用,能直接从污水中吸收可利用的营养物质,如水体中的氮和磷等。水中的铵盐、硝酸盐以及磷酸盐都能通过这种作用被植物体吸收,最后通过被收割而离开水体。
其次,植物的根系能吸附和富集重金属和有毒有害物质。植物的根茎叶都有吸收富集重金属的作用,其中根部的吸收能力最强。在不同的植物种类中,沉水植物的吸附能力较强。根系密集发达交织在一起的植物亦能对固体颗粒起到拦截吸附作用。

    再次,植物为微生物的吸附生长提供了更大的表面积。植物的根系是微生物重要的栖息、附着和繁殖的场所。相关文献表明,植物根际的微生物数量比非根际微生物数量多得多,而微生物能起到重要的降解水中污染物的作用。

    特点

人工湿地处理系统具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、运行费用低等特点,非常适合中、小城镇的污水处理。
人工湿地处理系统可以分为以下几种类型:(1)自由水面人工湿地处理系统;(2)人工潜流湿地处理系统。(3)垂直水流型人工湿地处理系统。
优缺点
人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统,具有如下优点:
①建造和运行费用便宜
②易于维护,技术含量低
③可进行有效可靠的废水处理
④可缓冲对水力和污染负荷的冲击
⑤可提供和间接提供效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育。
但也有不足
①占地面积大
②易受病虫害影响
③生物和水力复杂性加大了对其处理机制、工艺动力学和影响因素的认识理解,设计运行参数不精确,因此常由于设计不当使出水达不到设计要求或不能达标排放,有的人工湿地反而成了污染源。
另外,据已有数据,当上下表面植物密度增大时, 人工湿地系统处理效率提高,在达到其最优效率时,需2~3个生长周期,所以需建成几年后才达到完全稳定的运行。因此,目前人工湿地技术最大问题在于缺乏长期运行系统的详细资料。
总的来说, 人工湿地污水处理系统是一种较好的废水处理方式,特别是它充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳效益,因此具有较高的环境效益、经济效益及社会效益,比较适合于处理水量不大、水质变化不很大、管理水平不很高的城镇污水,如我国农村中、小城镇的污水处理。人工湿地作为一种处理污水的新技术有待于进一步改良,有必要更细致地研究不同地区特征和运行数据以便在将来的建设中提供更合理的参数。

    历史

       运用人工湿地处理污水可追溯到1903年,建在英国约克郡Earby,被认为是世界上第一个用于处理污水的人工湿地,连续运行直到1992年。而人工湿地生态系统在世界各地逐渐受到重视并被运用,还是在20世纪70年代德国学者Kichunth提出根区法(the root-zone-method)理论之后开始的,根区法理论强调高等植物在湿地污水处理系统中的作用,首先是他们能够为其根围的异养微生物供应氧气,从而在还原性基质中创造了一种富氧的微环境,微生物在水生植物的根系上生长,他们就与较高的植物建立了共生合作关系,增加废水中污染物的降解速度,在远离根区的地方为兼氧和厌氧环境,有利于兼氧和厌氧净化作用,另一方面,水生植物根的生长有利于提高床基质层的水力传导性能。

         类型

        1.地表流人工湿地

表面流湿地与地表漫流土地处理系统非常相似,不同的是:(1)在表面流湿地系统中,四周筑有一定高度的围墙,维持一定的水层厚度(一般为10~30cm);(2)湿地中种植挺水型植物(如芦苇等)。

    向湿地表面布水,水流在湿地表面呈推流式前进,在流动过程中,与土壤、植物及植物根部的生物膜接触,通过物理、化学以及生物反应,污水得到净化,并在终端流出。

人工湿地

潜流式人工合成湿地
人工湿地的核心技术是潜流式湿地。一般由两级湿地串联,处理单元并联组成。湿地中根据处理污染物的不同而填有不同介质,种植不同种类的净化植物。水通过基质、植物和微生物的物理、化学和生物的途径共同完成系统的净化,对BOD、COD、TSS、TP、TN、藻类、石油类等有显著的去除效率;此外该工艺独有的流态和结构形成的良好的硝化与反硝化功能区对TN、TP、石油类的去除明显优于其他处理方式。主要包括内部构造系统、活性酶体介质系统、植物的培植与搭配系统、
布水与集水系统、防堵塞技术、冬季运行技术。

潜流式人工合成湿地的形式分为垂直流潜流式人工湿地和水平流潜流式人工湿地。利用湿地中不同流态特点净化进水。经过潜流式湿地净化后的河水可达到地表水Ⅲ类标准,再通过排水系统排放。

人工湿地

垂直流潜流式人工湿地:
在垂直潜流系统中,污水由表面纵向流至床底,在纵向流的过程中污水依次经过不同的专利介质层,达到净化的目的。垂直流潜流式湿地具有完整的布水系统和集水系统,其优点是占地面积较其它形式湿地小,处理效率高,整个系统可以完全建在地下,地上可以建成绿地和配合景观规划使用。

人工湿地

水平流潜流式人工湿地:
是潜流式湿地的另一种形式,污水由进水口一端沿水平方向流动的过程中依次通过砂石、介质、植物根系,流向出水口一端,以达到净化目的。
人工湿地
沟渠型人工湿地:
沟渠型湿地床包括植物系统、介质系统、收集系统。主要对雨水等面源污染进行收集处理,通过过滤、吸附、生化达到净化雨水及污水的目的。是小流域水质治理、保护的有效手段。
人工湿地

技术要求

随着环境保护的迅速发展,人们对湿地功能也有了广泛的认识。湿地作为"地球之肾",担负着对地球自然水体的净化和处理功能。由于城市中天然湿地的逐渐减少和消亡,因此人工湿地以其独到的优越性受到了越来越多的关注和发展。
人工湿地系统水质净化技术作为一种新型生态污水净化处理方法,其基本原理是在人工湿地填料上种植特定的湿地植物,从而建立起一个人工湿地生态系统。当污水通过湿地系统时,其中的污染物质和营养物质被系统吸收或分解,而使水质得到净化。
人工湿地系统水质净化的关键在于工艺的选择和对植物的选择及应用配置。如何选择和搭配适宜的湿地植物,并且将其应用于不同类型的湿地系统中成了我们在营建人工湿地前必须思考的问题。
1.人工湿地污水处理系统植物的选用原则(1)(2)
1.1 植物在具有良好的生态适应能力和生态营建功能;
管理简单、方便是人工湿地生态污水处理工程的主要特点之一。若能筛选出净化能力强、抗逆性相仿,而生长量较小的植物,将会减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多麻烦。一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植物。
1.2 植物具有很强的生命力和旺盛的生长势;
① 抗冻、抗热能力
由于污水处理系统是全年连续运行的,故要求水生植物即使在恶劣的环境下也能基本正常生长,而那些对自然条件适应性较差或不能适应的植物都将直接影响净化效果。
② 抗病虫害能力
污水生态处理系统中的植物易滋生病虫害,抗病虫害能力直接关系到植物自身的生长与生存,也直接影响其在处理系统中的净化效果。
③ 对周围环境的适应能力
由于人工湿地中的植物根系要长期浸泡在水中和接触浓度较高且变化较大的污染物,因此所选用的水生植物除了耐污能力要强外,对当地的气候条件、土壤条件和周围的动植物环境都要有很好的适应能力。
1.3 所引种的植物必须具有较强的耐污染能力;
水生植物对污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附着生长在根区表面及附近的微生物去除的,因此应选择根系比较发达,对污水承受能力强的水生植物。
1.4 植物的年生长期长,最好是冬季半枯萎或常绿植物;
人工湿地处理系统中常会出现因冬季植物枯萎死亡或生长休眠而导致功能下降的现象,因此,应着重选用常绿冬季生长旺盛的水生植物类型。
1.5 所选择的植物将不对当地的生态环境构成隐患或威胁,具有生态安全性;
1.6 具有一定的经济效益、文化价值、景观效益和综合利用价值。
若所处理的污水不含有毒、有害成分,其综合利用可从以下几个方面考虑:①作饲料,一般选择粗蛋白的含量>20%(干重)的水生植物;②作肥料,应考虑植物体含肥料有效成分较高,易分解;③生产沼气,应考虑发酵、产气植物的碳氮比,一般选用植物体的碳氮比为25~30.5/1;④工业或手工业原料,如芦苇可以用来造纸,水葱、灯心草、香蒲、莞草等都是编制草席的原料。
由于城镇污水的处理系统一般都靠近城郊,同时面积较大,故美化景观也是必须考虑的。
然而在实际工作中,很多人工湿地的工艺设计者和建设者考虑得最多的是植物的独有性和观赏价值等表在因素,没有考虑到栽种该植物后的植株生长效果、湿地的运行效果、生长表现以及对生态的安全性等,导致人工湿地在运行一段时间后功能骤降或运行费用剧增,最后导致系统瘫费或闲置。
2.人工湿地植物特性的研究及植物配置分析
2.1 根据植物类型分析
2.1.1 漂浮植物
漂浮植物中常用作人工湿地系统处理的有水葫芦、大薸、水芹菜、李氏禾、浮萍、水蕹菜、豆瓣菜等。
根据对这些植物的植物学特性进行分析,发现它们具有以下几个特点:①生命力强,对环境适应性好,根系发达;②生物量大,生长迅速;③具有季节性休眠现象,如冬季休眠或死亡的水葫芦、大薸、水蕹菜,夏季休眠的水芹菜、豆瓣菜等。生长的旺盛季节主要集中在每年的3-10月或9月-次年5月;④生育周期短,主要以营养生长为主,对N的需求量最高。
由于漂浮植物具有上述的植物学特性,因此,在进行人工湿地植物配置的时候我们必须充分考虑它们各自的优点:①由于这类植物的环境适应能力强,因此在进行植物配置时应当作地方优势品种予以优先考虑;②人工湿地系统中,水体中养分的去除主要依靠植物的吸收利用,因此,生物量大、根系发达、年生育周期多和吸收能力好的植物成为我们选择的目标;③利用植物季节性休眠特性,我们可以给予正确的植物搭配,如冬季低温时配置水芹菜而夏季高温时则配置水葫芦、大薸等适宜高温生长的植物,以避免因植物品种选择搭配单一而出现季节性的功能失调现象;④由于这类植物以营养生长为主,对N的吸收利用率要高,因此,在进行植物配置时应重视其对N的吸收利用效果,可作为N去除的优势植物而加以利用,从而提高系统对N的去除效果。
2.1.2 根茎、球茎及种子植物
这类植物主要包括睡莲、荷花、马蹄莲、慈姑、荸荠、芋、泽泻、菱角、薏米、芡实等。它们或具有发达的地下根茎或块根,或能产生大量的种子果实,多为季节性休眠植物类型,一般是冬季枯萎春季萌发,生长季节主要集中在4-9月。
根茎、球茎、种子类植物具有以下特点:①耐淤能力较好,适宜生长在淤土层深厚肥沃的地方,生长离不开土壤;②适宜生长环境的水深一般为40-100CM左右;③具有发达的地下块根或块茎,其根茎的形成对P元素的需求较多,因此,对P的吸收量较大;④种子果实类植物,其种子和果实的形成需要大量的P和K元素。(3)
由于这类植物具有以下特点,因此在进行人工湿地植物应用配置时应予以充分考虑:①基于这些植物的特性,其应用一般为表面流人工湿地系统和湿地的稳定系统;②利用这些植物的生长(主要是块根、球茎和果实的生长)需要大量的P、K元素的特性,将其作为P去除的优势植物应用,以提高系统对P的去除效果。
2.1.3 挺水草本植物类型
这类植物包括芦苇、茭草、香蒲、旱伞竹、皇竹草、藨草、水葱、水莎草、纸莎草等,为人工湿地系统主要的植物选配品种。这些植物的共同特性在于:①适应能力强,或为本土优势品种;②根系发达,生长量大,营养生长与生殖生长并存,对N和P、K的吸收都比较丰富;③能于无土环境生长。
根据这类植物的生长特性,它们可以搭配种植于潜流式人工湿地,也可以种植于表流式人工湿地系统中。
根据植物的根系分布深浅及分布范围,可以将这类植物分成四种生长类型,即深根丛生型、深根散生型、浅根丛生型和浅根散生型。
(1)深根丛生型的植物,其根系的分布深度一般在30CM以上,分布较深而分布面积不广。植株的地上部分丛生,如皇竹草、芦竹、旱伞竹、野茭草、薏米、纸莎草等。由于这类植物的根系入土深度较大,根系接触面广,配置栽种于潜流式人工湿地中更能显示出它们的处理净化性能。
(2)深根散生型植物根系一般分布于20-30CM之间,植株分散,这类植物有香蒲、菖蒲、水葱、藨草、水莎草、野山姜等,这类植物的根系入土深度也较深,因此适宜配置栽种于潜流式人工湿地。
(3)浅根散生型的一些植物如美人蕉、芦苇、荸荠、慈姑、莲藕等,其根系分布一般都在5-20CM之间。由于这些植物的根系分布浅,而且一般原生于土壤环境,因此适宜配置于表流式人工湿地中。
(4)浅根丛生型的植物如灯心草、芋头等丛生型植物,由于根系分布浅,且一般原生于土壤环境,因此仅适宜配置于表面流人工湿地系统中。
2.1.4 沉水植物类型
沉水植物一般原生于水质清洁的环境,其生长对水质要求比较高,因此,沉水植物只能用作人工湿地系统中最后的强化稳定植物加以应用,以提高出水水质。
2.1.5 其它类型的植物
一些如水生景观植物之类的,由于长时间的人工选择,使其对污染环境的适应能力比较弱,因此也只能作为最后的强化稳定植物或湿地系统的景观植物而应用。
2.2 根据植物原生环境分析
根据植物的原生环境分析,原生于实土环境的一些植物如美人蕉、芦苇、灯心草、旱伞竹、皇竹草、芦竹、薏米等,其根系生长有一定的向土性,配置于表面流湿地系统中,生长会更旺盛。但由于它们的根系大都垂直向下生长,因此,净化处理的效果不及应用于潜流式湿地中;对于一些原生于沼泽腐殖层、草炭湿地、湖泊水面的植物如水葱、野茭、山姜、藨草、香蒲、菖蒲等,由于其生长已经适应了无土环境,因此更适宜配置于潜流式人工湿地;而对于一些块根块茎类的水生植物如荷花、睡莲、慈姑、芋头等则只能配置于表面流湿地中。
2.3 根据植物对养分的需求类型分析
根据植物对养分的需求情况分析,由于潜流式人工湿地湿地系统填料之间的空隙大,植物根系与水体养分接触的面积要较表流式人工湿地湿地广,因此对于营养生长旺盛、植株生长迅速、植株生物量大、一年有数个萌发高峰的植物如香蒲、水葱、苔草、水莎草等植物适宜栽种于潜流湿地;而对于营养生长与生殖生长并存,生长相对缓慢,一年只有一个萌发高峰期的一些植物如芦苇、茭草、薏米等则配置于表面流湿地系统。
2.4 根据植物对污水的适应能力分析
不同植物对污水的适应能力不同。一般高浓度污水主要集中在湿地工艺的前端部分。因此,在人工湿地建设时,前端工艺部分如强氧化塘、潜流湿地等工艺一般选择耐污染能力强的植物品种。末端工艺如稳定塘、景观塘等处理段中,由于污水浓度降低,因此可以更多考虑植物的景观效果。
3.小结
一个人工湿地系统的建立,植物的选择和配置是很重要的考虑因素。在系统建立和植物栽种配置时要将系统的主要功能与植物的植物学特性充分结合起来考虑。只有这样,才能充分发挥不同植物各自的优势,达到更好的处理净化效果。
湿地植物的栽种配置要根据具体的应用环境和系统工艺来确定,对于一些应用工艺范围较广的植物类型,要充分考虑其在该工艺中的优势,能使其充分发挥自己的长处而居于主导地位。
为达到全面的处理和利用效果,应进行有机的搭配,如深根系植物与浅根系植物搭配,丛生型植物与散生型植物搭配,吸收N多的植物与吸收P多的植物搭配,以及常绿植物与季节性植物的季相搭配等。在进行综合处理的一些工艺或工艺段中,切忌配置单一品种,以避免出现季节性的功能下降或功能单一。作为湿地公园规划建设的人工湿地还要考虑景观搭配。


相关评论

通信地址 北京市海淀区西直门交大东路60号大隐名座3号楼3A层3A10         邮编:100044 网站合作QQ:4993067| 13693161205(北京)| 010-56208639

 京ICP备14061276号-2