1、A,1,第七章、人工濕地處理系統(tǒng),A,2,濕地系統(tǒng)的概念,1.概述,A,3,滇池邊的天然濕地,A,4,人工濕地的定義：,-人工濕地是人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統(tǒng)，其設(shè)計和建造是通過對濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用的優(yōu)化組合來進行廢水處理的。,A,5,滇池邊的人工濕地,A,6,垂直流人工濕地表面布水系統(tǒng),A,7,A,8,人工濕地發(fā)展史：,20世紀70年代：,- 探索人工濕地的建設(shè)與應(yīng)用,80年代以后：,90年代以后：,- 未把人工濕地作為處理主體，常與穩(wěn)定塘系統(tǒng)及天然土地處理系統(tǒng)聯(lián)用。,- 將人工濕地作為處理主體，積極探索其工藝參數(shù)、運用范圍和處理機理。,A,9,Constr

2、ucted 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 treat wastewaters with low organic load (too low fo

3、r activated sludge) They facilitate water reuse and recycling,人工濕地處理系統(tǒng)的優(yōu)點：,A,10,They provide habitat for many wetland organisms They can be built to fit harmoniously into the landscape They provide numerous benefits in addition to water quality improvement, such as an environmentally sensitive appro

4、ach that is viewed with favor by the general public,A,11,2.CWs去除污染物機理,A,12,人工濕地具有獨特而復(fù)雜的凈化機理，利用基質(zhì)微生物植物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對廢水的高效凈化。同時，通過營養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán)，促進綠色植物生長并使其增產(chǎn)，實現(xiàn)廢水的資源化和無害化。,A,13,（1）懸浮物（SS）的去除,去除區(qū)域：進口處510cm內(nèi)完成,機理：,基質(zhì)層的填料,植物的根、莖,“過濾、攔截”作用,腐殖層,結(jié)論：SS去除效率高低，取決于污水同植物

5、與填料的接觸程度,A,14,（2）有機物的去除,降解主體： 兼性細菌；厭氧細菌；好氧細菌,A,15,（3）氮的去除,去除途徑：,植物吸收及其收獲而去除,氨的揮發(fā),硝化反硝化作用,有機基質(zhì)的吸附和陽離子交換作用,-其中微生物的硝化反硝化作用是脫氮的主要過程,-其中氧的供應(yīng)和碳源數(shù)量與質(zhì)量是限制性因子,A,16,（3）氮的去除,圖 人工濕地氮循環(huán)示意圖,空氣,水體,土壤,A,17,（4）磷的去除,人工濕地中磷的存在形式,人工濕地中磷質(zhì)量平衡方程,進水輸入磷的總量(I) = 出水輸出磷的量(E) + 作物吸收磷的量(T)土壤截留磷的量(A),A,18,濕地除磷特性,物化吸附、共沉淀 生物吸收、直接截

6、留,Ca、Fe、Al、Mg的氧化物或氫氧化物,有機磷,沉積/直接截留,無機磷,生物吸收,異養(yǎng)降解,物化吸附,共沉淀,過飽和CaCO3,土壤、根系層、填料床,吸收,濕地植物/漂浮生物/微生態(tài)結(jié)構(gòu)吸收,A,19,除磷填料最近研究進展：,礦物填料：,方解石；頁巖；赭石；風(fēng)鋼渣等,飲用水處理剩余物：,新問題：出水pH上升；有其它物質(zhì)溶出,-出水pH穩(wěn)定；無其它物質(zhì)溶出；符合循環(huán)經(jīng)濟的觀點,A,20,（5）難降解有機物的去除,去除途徑：,-土壤中微生物種類比污水處理構(gòu)筑物中多得多,微生物的降解作用：,微生物群落與植物群落的協(xié)同作用,-有研究發(fā)現(xiàn)：蘆葦可直接吸收一些難降解的有機物,A,21,（6）金屬離子

7、的去除,去除途徑：,植物吸收和微生物富集作用,土壤膠體顆粒的吸附作用（離子交換）,與S2形成硫化物沉淀,問題：,存在富集而飽和的問題,新增重金屬離子對微生物種群的脅迫作用,A,22,（7）細菌的去除,去除途徑：,基質(zhì)層的沉降截留作用,植物根系的某些分泌物的滅活作用,影響因素：,水力負荷和水力停留時間,光照殺菌,A,23,3、人工濕地的種類,A,24,人工濕地的分類,（）自由水面人工濕地,（）潛流型人工濕地,水平潛流,垂直流,復(fù)合流,A,25,（）自由水面人工濕地,自由水面人工濕地系統(tǒng)示意圖,A,26,（）自由水面人工濕地,分類（優(yōu)勢水生植物種類）,自由表面 人工濕地,挺水植物系統(tǒng),浮水植物系統(tǒng)

8、,沉水植物系統(tǒng),各類廢水,N、P的去除,N、P的去除,A,27,Free surface flow wetlands,A,28,（）自由水面人工濕地,優(yōu)點：,-投資及運行費用低；建造、運行和維護簡單,缺點：,相同處理效率，占地面積大于潛流濕地,冬季結(jié)冰；夏天會孳生蚊蠅，散發(fā)臭味,有傳播病菌的可能,A,29,（）潛流型人工濕地,水平潛流人工濕地系統(tǒng)示意圖,A,30,（）潛流型人工濕地,垂直潛流人工濕地系統(tǒng)示意圖,A,31,（）潛流型人工濕地,復(fù)合潛流人工濕地系統(tǒng)示意圖,A,32,（）復(fù)合潛流型人工濕地,緊湊型復(fù)合潛流人工濕地系統(tǒng)示意圖,A,33,（）潛流型人工濕地分析,優(yōu)點：（與HFCWs相比）

9、,充分運用濕地空間,缺點：（與HFCWs相比）,- 投資費用高,發(fā)揮系統(tǒng)協(xié)同作用,處理效率高,保溫條件好；衛(wèi)生條件好,A,34,垂直潛流人工濕地發(fā)展,垂直潛流人工濕地的分類：,（1）第一代：間歇式（潮汐流）,（2）第二代：連續(xù)式（連續(xù)流）,運用范圍：,-城市污水；農(nóng)村污水；郊區(qū)獨立住宅污水；休閑娛樂污水；垃圾滲濾液,Constructed Wetlands,A,35,垂直潛流人工濕地發(fā)展回顧,處理效果：,不僅對BOD和SS具有良好的處理效果，且與其它類型人工濕地相比，其對氨氮的硝化也有很好的效率和效果,存在的主要問題,-表面堵塞而產(chǎn)生溢水現(xiàn)象,-水力負荷（HLR）和氧傳遞速率（OTR）,設(shè)計運

10、行的關(guān)鍵問題,A,36,（）潛流型人工濕地,結(jié)論與展望：,（1）垂直潛流人工濕地出水水質(zhì)可達到：BOD10mg/L，TSS10mg/L，NH3-N2mg/L,（2）垂直流人工濕地比水平流具有更高的處理效率,（3）系統(tǒng)的氧傳遞速率最低也有28gO2/m2d，如設(shè)計合理，還能達到更高的傳遞速率,（4）2m2的系統(tǒng)面積就可將單人產(chǎn)生的污水處理到理想水平,（5）單級或雙級系統(tǒng)出水可與HF-VF聯(lián)用系統(tǒng)出水相當,（6）目前的研究重點是填料的選擇和水力負荷的控制,A,37,4、人工濕地的構(gòu)造,Constructed Wetlands,A,38,人工濕地組成：,（1）防滲層； （2）基質(zhì)層； （3）腐質(zhì)層；

11、 （4）水層和濕地植物,A,39,（1）防滲層,作用：阻止污水向地下水體的滲透,可選用材料：,黏土 高分子材料 濕地底部的沉積污泥層可形成天然防滲層,A,40,（2）基質(zhì)層,材料：一般采用礫石、土壤或砂,作用：,提供植物生長所需的基質(zhì) 為污水的滲流提供良好的水力條件 為微生物提供良好的生長載體,A,41,（3）腐質(zhì)層,組成：落葉、枯枝、微生物和小動物的尸體,作用：,為微生物提供良好的生長載體 過濾作用，可去除污水中的SS 可能作為反硝化的碳源,A,42,（4）水生植物,組成：挺水植物；浮水植物；沉水植物,作用：,提高濕地的處理效率 輸氧，使床體形成好氧/缺氧/厭氧反應(yīng)區(qū) 對有機物、營養(yǎng)物質(zhì)進行

12、分解和合成代謝 在冬季有保溫作用，減緩處理效率的降低,A,43,（4）水體植物,選擇原則：,能適應(yīng)當?shù)厣L的植物或天然濕地原存優(yōu)勢種,廢水特性,多種植物混植或串連種植,采用綜合利用價值高的作物，提高經(jīng)濟效益,景觀效果好，美化環(huán)境，為野生動植物提供良好的生境,A,44,濕地植物,A,45,濕地植物,A,46,A,47,A,48,（5）水層,作用：,提供污染物降解的場所,提供水生動物和水禽類的棲息場所,A,49,5.人工濕地的設(shè)計與計算,Constructed Wetlands,A,50,（1）濕地處理系統(tǒng)的設(shè)計,主要設(shè)計參數(shù),水力停留時間與水力負荷,所需土地面積,有機負荷和氮負荷,布水周期和投配

13、時間,長寬比和底坡,填料種類、滲透性和滲透速率,植物的選擇,A,51,Some parameter for system,（a） Hydraulics,l Hydraulic loading rate qi (HLR) qi=Qi/A (4.1) where A = wetland top surface area(m2) qi = HLR (md-1; often expressed as cm d-1) Qi= wastewater inflow rate (m3d-1),A,52,4.3. Nominal detention time The volumetric flow rate (

14、Q), area (A) and depth (h) , (porosity) Wetland water volume (V): V=Ah (4.4) Nominal detention time (): (4.5),A,53,（b） Water budget The dynamic overall water budget for a wetland is where ET = evapotranspiration rate (m d-1) I = infiltration to groundwater (m d-1) P = precipitation rate (m d-1) Q b

15、= 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),A,54,（2）濕地系統(tǒng)的條件,地形,地質(zhì),土壤的化學(xué)條件,周邊河流、公路、鐵路和邊界擁有權(quán)的限制,A,55,（3）濕地系統(tǒng)的分區(qū),A,56,（4）濕地系統(tǒng)防滲,目標：防止出滲污染地下水；防止地下水入滲,技術(shù)指標,黏土：小于108 m/s的水

16、力傳導(dǎo)率,塑料膜：0.510.0mm厚,Monarflex（帶有玻璃纖維增強劑）：0.50.75mm厚,A,57,（5）基質(zhì)的選擇,總原則：,水質(zhì)：來水水質(zhì)；出水水質(zhì),水量,人工濕地的類型選擇,A,58,（5）基質(zhì)的選擇,地表徑流系統(tǒng)：,土壤的構(gòu)造,-多數(shù)植物在沙壤土中生長良好，過多的巖石和黏土則不利,土壤的化學(xué)狀態(tài),-過于酸性或堿性的土壤會限制植物對營養(yǎng)物質(zhì)的攝取,A,59,（5）基質(zhì)的選擇,水平潛流：,土壤,設(shè)計水力傳導(dǎo)系數(shù)要小于原始介質(zhì)的水力傳導(dǎo)系數(shù),礫石,-典型尺寸：36mm; 510mm; 612mm,-歐洲最多使用的尺寸為： 812mm,A,60,（5）基質(zhì)的選擇,垂直潛流：,英國

17、VF濕地床分層的填料分布,A,61,（6）進水結(jié)構(gòu),總原則：,布水均勻,出水均勻,盡可能形成理想推流；無死區(qū),驗證方法：,示蹤試驗,問題：示蹤劑的選擇,A,62,（6）進水結(jié)構(gòu),自由水面：,FWS型濕地處理系統(tǒng)的入口形式,A,63,（6）進水結(jié)構(gòu),自由水面：,FWS型濕地處理系統(tǒng)的入口形式,A,64,（6）進水結(jié)構(gòu),水平潛流：,水平潛流濕地處理系統(tǒng)的入口形式,A,65,表面流布水系統(tǒng),A,66,（7）出水結(jié)構(gòu),潛流人工濕地：,潛流濕地處理系統(tǒng)的入口形式,A,67,6.人工濕地的動力學(xué),Constructed Wetlands,A,68,基本數(shù)學(xué)模型,水力學(xué)：對潛流濕地運用達西模型,反應(yīng)器類型：

18、推流式,復(fù)雜模型,問題：缺乏邊界條件而目前無法工程運用,降解模型：一級動力學(xué),Constructed Wetlands,A,69,l For first-order pollutant uptake (JU): JU=kC l The net pollutant decrease rate (J): J=k(C-C*) ( Background concentration (C*),First-order equations,A,70,l In many treatment wetland cases, infiltration is prevented, there is not signi

19、ficant atmospheric deposition. Under this special set of conditions, Q=constant along the length of the wetland (y), and area (A) l For a specified inlet concentration (Ci) this integrates to,A,71,l For those pollutants that have C* values very close to zero, namely nitrate, phosphorus and ammonia n

20、itrogen, (4.13) reduces to (4.14),A,72,6.2 Temperature equations Temperature 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 () have b

21、een estimated for data sets with adequate operational temperature data.,A,73,6.3 人工濕地生態(tài)動力學(xué)模型,將人工濕地中發(fā)生的各個生物、物理、化學(xué)過程根據(jù)其發(fā)生機理和內(nèi)在聯(lián)系，劃分成許多各自獨立的“箱子” 和聯(lián)系各個“箱子” 的物質(zhì)流和能量流。,將每個生物、物理、化學(xué)過程的物質(zhì)流和能量流定義成各自獨立的反應(yīng)方程（冪次方程或微分方程），為每個過程確定各自特有的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。,模型中的各個物質(zhì)流和能量流均以物料平衡基礎(chǔ)上的數(shù)量交換，而非經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃鸵患墑恿W(xué)模型中所采用的的濃度表示。,一般通過各種建模軟件（Model M

22、aker、Stella、Matlab、有限元程序等）或自編程序?qū)Ω拍钅Ｐ瓦M行實現(xiàn)和運算。,A,74,表面流人工濕地中磷去除的箱式生態(tài)動力學(xué)模型示意圖,A,75,生態(tài)動力學(xué)模型,A,76,dTP/dt = TP_In + TP_Resuspension + TP_Detritus_release TP_Sediment TP_Microorganism_Uptake TP_Out,水中總磷的變化可以用一級動力學(xué)方程描述為：,A,77,）磷的微生物和植物等的生長吸收,dTP_Microorganism_Uptake = (Microorganism_Growth_Rate Microorganis

23、m_Respiration_Rate) TP_in_Microorganism,dTP_Macrophyte_Uptake = (Macrophyte_Growth_Rate Macrophyte_Respiration_Rate) TP_in_Macrophyte,A,78,）土壤吸附、滲透,dTP_Absorption = SS_Sedimentation_Rate TP_in_SS Water_Depth （TP_Absorption_Rate TP_Desorption_Rate ） TP_in_Water Water_Volumn,dTP_Infiltration = TP_Infi

24、ltration_Rate TP_in_ActiveSoil / ActiveSoil_Volumn,）腐殖層的分解釋放,dTP_Detritus_Release = Detritus_Decomposition_Rate TP_in_Detritus,A,79,模型計算與試驗監(jiān)測值之間的誤差為9.13%,A,80,7.人工濕地的應(yīng)用實例,Constructed Wetlands,A,81,（1）生活污水處理,美國密歇根州的Vermontville村：,植物：香蒲,設(shè)計流量：380m3/d；服務(wù)期限：20年（已運行25年）,工藝流程圖：,A,82,（1）生活污水處理,美國密歇根州Vermont

25、ville：,出水水質(zhì)可達到美國農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)要求,運行經(jīng)驗：,濕地系統(tǒng)為水禽提供了合適的沼澤棲息地,每年收割45次對濕地基本無破壞,濕地的運行維護管理費用低廉,-1990年總費用為4200美元，其中3400美元用于勞動力和土地,A,83,（1）生活污水處理歐洲最新進展,法國處理原城市污水20年經(jīng)驗總結(jié),人工濕地類型：垂直流人工濕地,主要結(jié)論：,（1）該系統(tǒng)對未經(jīng)預(yù)處理的城市污水有良好的處理效果，尤其是對COD、SS和氨氮的硝化,（2）系統(tǒng)中氨氮的硝化是最敏感的過程,（3）系統(tǒng)出水COD60mg/L；SS15mg/L；TKN8mg/L,（4）污染物的去除效率同負荷和植物種類相關(guān),（5）第一級人工

26、濕地中污泥年積累量15mm左右，因此應(yīng)每1015年清理一次污泥,A,84,丹麥人工濕地就地預(yù)處理農(nóng)村單戶生活污水：,就地預(yù)處理單戶生活污水人工濕地示意圖,（1）生活污水處理歐洲最新進展,A,85,丹麥人工濕地就地處理農(nóng)村單戶生活污水：,主要研究內(nèi)容,根區(qū)氧化系統(tǒng)設(shè)計指南,垂直流人工系統(tǒng)設(shè)計指南,柳樹濕地系統(tǒng)設(shè)計指南,問題,對除磷，還沒有適宜的技術(shù)方案（目前使用化學(xué)法除磷）,（1）生活污水處理歐洲最新進展,A,86,（2）化工廢水處理,美國加利福尼亞州Chevron Richment煉油廠：,工藝流程圖：,建設(shè)運行經(jīng)驗：,條件合適時，淤積的氧化塘改建為人工濕地是可行的,濕地可為水禽提供很有價值的棲息地,濕地穩(wěn)定運行的最關(guān)鍵因素是控制污水負荷,-人工濕地上鳥類數(shù)量有200萬只，鳥的種類達85種之多,A,87,（3）農(nóng)村非點源污染控制,中國云南滇池人工濕地脫氮除磷：,主要研究內(nèi)容：,（1）人工濕地脫氮的工藝參數(shù)研究,（2）脫氮動力學(xué)參數(shù)和不同去除途徑質(zhì)