1、土地濕地處理原理及工藝(總7頁(yè)

1、土地/濕地處理及工藝一、土地處理技術(shù)概述污水土地處理是在污水農(nóng)田灌溉的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，污水農(nóng)田灌溉的目的是利用水肥資源。污水農(nóng)田灌溉沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)運(yùn)行方法和參數(shù)，灌溉水的水質(zhì)、水量是依據(jù)作物生長(zhǎng)特性、農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定的。污水灌田所引起的臭氣散發(fā)，土壤、地下水和植物污染等問(wèn)題，隨著城市迅速發(fā)展，人口高度集中，污水大量排放而日益突出。污水直接灌田已不能滿足人們對(duì)環(huán)境衛(wèi)生的要求,在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)了污水土地處理工藝。土地處理系統(tǒng)是一種處理污水的生態(tài)工程技術(shù),它可以簡(jiǎn)要定義為:污水經(jīng)過(guò)一定程度的預(yù)處理,然后有控制地投配到土地上,利用土壤微生物植物生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能和自我調(diào)控機(jī)制,通過(guò)一系列物理

2、、化學(xué)和生物化學(xué)等過(guò)程,使污水達(dá)到預(yù)定處理效果,并對(duì)污水中氮、磷等資源加以利用,使其成為植物自身營(yíng)養(yǎng)成分的一種污水處理技術(shù)。土地處理系統(tǒng)是由若干部分組成的整體,完整的土地處理系統(tǒng)由預(yù)處理、水量調(diào)節(jié)與儲(chǔ)存、配水與步水、土地處理田間工程、植物、排水及監(jiān)測(cè)等七部分組成。目前，污水土地處理系統(tǒng)不僅可用于市政污水的治理，還用于治理垃圾滲濾液、食品加工業(yè)廢水、肉類(lèi)加工廢水、食用油廠廢水、農(nóng)灌排水和被污染的地下水等?，F(xiàn)代意義上的土地處理技術(shù)以污水的處理和利用為前提，注重環(huán)境和生態(tài)效應(yīng)。它以下列四個(gè)特征從本質(zhì)上有別于污水灌溉： 要求污水在進(jìn)入土壤植物系統(tǒng)之前，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，并嚴(yán)格控制水質(zhì)和水量； 對(duì)投

3、配污水的土地處理場(chǎng)的土壤、地質(zhì)、水文等場(chǎng)地條件及污水應(yīng)用方式有相應(yīng)的要求； 要求污水土地處理系統(tǒng)在生態(tài)結(jié)構(gòu)與凈化功能之間能有效配合； 要求有相應(yīng)的緩沖、調(diào)控措施及進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)水力負(fù)荷進(jìn)行有效調(diào)節(jié)控制和管理，有一定的貯存單元或相當(dāng)措施，保證污水終年處理。土地處理工藝近年來(lái)得以迅速發(fā)展，原因由于： 世界范圍內(nèi)，大中城市的污水已經(jīng)得到一定程度的處理和控制，零散分布的小流量集中污水治理問(wèn)題進(jìn)入人們的視野； 對(duì)居住人數(shù)不足10000人的居住區(qū)，采用常規(guī)處理工藝的基建投資大、操作和維護(hù)費(fèi)用高、能耗也高，而土地處理工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，操作管理方便，能耗低，且不存在污泥處置的問(wèn)題，是處理分散的居民聚居區(qū)

4、生活污水的理想技術(shù)； 常規(guī)污水處理廠可有效去除SS和有機(jī)物等，但對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除率較低、快速滲濾(RI、地表漫流(OF、地下滲濾(UG、濕地系統(tǒng)(WL等5種工藝類(lèi)型。 慢速滲濾系統(tǒng)Slow Rate Process，簡(jiǎn)稱(chēng)SR系統(tǒng)）SR系統(tǒng)適用于滲水性能中等或滲水性能稍高的土壤，土層表面種植物，處理過(guò)程發(fā)生在土壤表面及作物的根部區(qū)域，大部分污水被植物根部吸收，剩下的污水一部分進(jìn)入地下水或通過(guò)土壤內(nèi)的優(yōu)勢(shì)流、邊壁流等進(jìn)入就近的地表水體，也可通過(guò)設(shè)計(jì)的暗渠或井采集而回用。SR系統(tǒng)的主要目的：1）處理污水；2）通過(guò)利用污水及其中的營(yíng)養(yǎng)物，收割作物，獲得經(jīng)濟(jì)上的回報(bào)；3）在干旱區(qū)，通過(guò)灌溉涵養(yǎng)水

5、體，形成飲用水源；4）通過(guò)種植形成一定的開(kāi)敞空間或綠帶，以調(diào)節(jié)環(huán)境和氣候。 快速滲濾系統(tǒng)Rapid Infiltration Process，簡(jiǎn)稱(chēng)RI系統(tǒng)）RI系統(tǒng)是將污水投配到由不透水層圍合而成、內(nèi)填高滲透性土壤的滲池中，土層表面對(duì)栽培植物沒(méi)有要求。采用表面間歇布水方式，污水被均勻投配到土地表面并很快滲濾地下。系統(tǒng)主要的水力途徑是通過(guò)非飽合帶的滲流進(jìn)入收水暗渠及集水井，或直接補(bǔ)給地下水。RI系統(tǒng)的主要目的是污水處理，當(dāng)然系統(tǒng)的運(yùn)行也能達(dá)到其它目的，如：1）回灌地下水或補(bǔ)充就近的地表水體；2）干旱地區(qū)用于污水的再生或回用；3）將污水季節(jié)性地存放于快滲池下部，以利干旱季節(jié)的農(nóng)灌。 地表漫流系統(tǒng)2

6、55101015251038102050.520.5240.10.31540100100地下滲濾處理系統(tǒng)是將污水投配到距地面約0.5m深，有良好滲透性的地層中，藉毛管浸潤(rùn)和土壤滲透作用，使污水向四周擴(kuò)散，通過(guò)過(guò)濾、沉淀、吸附和生物降解作用等過(guò)程使污水得到凈化.地下滲濾系統(tǒng)適用于無(wú)法接人城市排水管網(wǎng)的小水量污水處理，如分散的居民點(diǎn)住宅、度假村、療養(yǎng)院等。污水進(jìn)入處理系統(tǒng)前需經(jīng)化糞池或酸化(水解池預(yù)處理。濕地系統(tǒng)(WL濕地處理系統(tǒng)是一種利用低洼濕地和沼澤地處理污水的方法。污水有控制地投配到種有蘆葦、香蒲等耐水性、沼澤性植物的濕地上，廢水在沿一定方向流行過(guò)程中，在耐水性植物和土壤共同作用下得以凈化濕

7、地處理可用于直接處理污水或深度處理。污水進(jìn)入系統(tǒng)前需預(yù)處理，方法有化糞池、格柵、篩網(wǎng)、初沉池、酸化(水解池和穩(wěn)定塘等。目前發(fā)達(dá)國(guó)家常將污水進(jìn)行一定程度的預(yù)處理后，在污水廠就近選址，通過(guò)測(cè)定所選污水處理或處置地的土壤性質(zhì)、地面坡度和布局、農(nóng)作物生長(zhǎng)需求、地下水位情況、可用面積大小、當(dāng)?shù)厮匆蟮纫蛩?，確定采用不同的土地處理技術(shù)。三、土地處理工藝的機(jī)理污水流經(jīng)土壤得以凈化的過(guò)程極為復(fù)雜，其凈化機(jī)理是多種作用、多種過(guò)程的綜合過(guò)程。1）土壤的物理作用a）過(guò)濾：污水流經(jīng)土壤，其中的污染物質(zhì)及懸浮顆粒被土壤團(tuán)聚顆粒間的孔隙所截濾，污水得到凈化。影響土壤物理過(guò)濾效果的因素有：團(tuán)聚顆粒的大小、顆粒間孔隙的形狀

8、和大小、孔隙的分布以及污水中懸浮顆粒的性質(zhì)、多少與大小等。b）沉淀：污水中的雜質(zhì)在土壤團(tuán)聚顆粒表面上沉淀去除，土層本身相當(dāng)于一個(gè)有巨大比表面積的沉淀池。c）吸附：在非極性分子間范德華力的作用下，土壤中粘粒能夠吸附土壤溶液中的中性分子；污水中的部分重金屬離子可因陽(yáng)離子交換作用而被置換，吸附并生成難溶性的物質(zhì)被固定在礦物晶格中；土壤中的粘粒、腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)具有強(qiáng)烈的吸附活性，能吸附污水中多種溶解性污染物。2）土壤的化學(xué)作用土壤層是一個(gè)能容納各種物質(zhì)和催化劑的化學(xué)反應(yīng)器，并始終保持動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)污水進(jìn)入土壤層，污染物導(dǎo)致土層中的平衡體系被破壞，則土層內(nèi)必相應(yīng)發(fā)生一系列的氧化還原、吸附、離子交換、絡(luò)合等

9、反應(yīng)，使進(jìn)入的污染物質(zhì)或被氧化、還原，或被吸附、吸收，或變?yōu)殡y溶性的沉淀等，以重新建立新的平衡，在這一過(guò)程中，污水得以凈化。例如金屬離子可與土壤中的無(wú)機(jī)和有機(jī)膠體顆粒生成螯合化合物；有機(jī)物與無(wú)機(jī)物的復(fù)合化而生成復(fù)合物；調(diào)整、改變土壤的氧化還原電位，能夠生成難溶性硫化物；改變pH值，能夠生成金屬氫氧化物；某些化學(xué)反應(yīng)還能夠生成金屬磷酸鹽等物質(zhì)，從而沉積于土壤中。3）土壤的物理化學(xué)作用土壤中的粘土、腐殖質(zhì)構(gòu)成了復(fù)雜的膠體顆粒體系，而各種污染物大多也以膠體狀態(tài)穩(wěn)定存在于污水中。當(dāng)污水進(jìn)入土層，原來(lái)兩種各自獨(dú)立的體系便構(gòu)成新的膠體體系。由于電解質(zhì)平衡體系的破壞和土壤層中腐殖質(zhì)等高分子物質(zhì)的不飽和特性，

10、導(dǎo)致在新的體系中發(fā)生一系列的膠體顆粒的脫穩(wěn)、凝聚、絮凝和相互吸附等物理化學(xué)過(guò)程，從而使污水得以凈化。4）土壤的生物作用在土壤環(huán)境中生長(zhǎng)著大量的細(xì)菌、真菌、酵母菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物、腔腸動(dòng)物、各種昆蟲(chóng)等，并存在一個(gè)豐富的土壤微生物酶系。污水中的有機(jī)質(zhì)及氮和磷等營(yíng)養(yǎng)素在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，通過(guò)微生物的降解和吸收，部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)貯存在生物體內(nèi)，從而與水分離。主要污染物的去除途徑如下：1）BOD的去除BOD大部分是在土壤表層土中去除的。土壤中含有大量的種類(lèi)繁多的異養(yǎng)型微生物，它們能對(duì)被過(guò)濾、截留在土壤顆?？障堕g的懸浮有機(jī)物和溶解有機(jī)物進(jìn)行生物降解，并合成微生物新細(xì)胞。當(dāng)處理水的BOD負(fù)荷超過(guò)土

11、壤微生物分解BOD的生物氧化能力時(shí)，會(huì)引起厭氧狀態(tài)或土壤堵塞。2）磷和氮的去除在土地處理中，磷主要是通過(guò)植物吸收，化學(xué)反應(yīng)和沉淀(與土壤中的鈣、鋁、鐵等離子形成難溶的磷酸鹽，物理吸附和沉積(土壤中的黏土礦物對(duì)磷酸鹽的吸附和沉積，物理化學(xué)吸附(離子交換、絡(luò)合吸附等方式被去除。其去除效果受土壤結(jié)構(gòu)、陽(yáng)離子交換容量、鐵鋁氧化物和植物對(duì)磷的吸收等因素影響。氮主要是通過(guò)植物吸收，微生物脫氮(氨化、硝化、反硝化，揮發(fā)、滲出(氨在堿性條件下逸出、硝酸鹽的滲出等方式被去除。其去除率受作物的類(lèi)型、生長(zhǎng)期、對(duì)氮的吸收能力，以及土地處理系統(tǒng)的工藝等因素影響。3）懸浮物質(zhì)的去除污水中的懸浮物質(zhì)是依靠作物和土壤顆粒間的

12、孔隙截留、過(guò)濾去除的。土壤顆粒的大小、顆粒間孔隙的形狀、大小、分布和水流通道，以及懸浮物的性質(zhì)、大小和濃度等都影響對(duì)懸浮物的截留過(guò)濾效果。若懸浮物濃度太高、顆粒太大會(huì)引起土壤堵塞。4）病原體的去除污水經(jīng)土壤過(guò)濾后，水中大部分的病菌和病毒可被去除，去除率可達(dá)9297。其去除率與選用的土地處理系統(tǒng)工藝有關(guān)，其中地表漫流的去除率略低，但若有較長(zhǎng)的漫流距離和停留時(shí)間，也可達(dá)到較高的去除效率。5）重金屬的去除重金屬的去除主要是通過(guò)物理化學(xué)吸附，化學(xué)反應(yīng)與沉淀等途徑被去除的。重金屬離子在土壤膠體表面進(jìn)行陽(yáng)離子交換而被置換、吸附，并生成難溶性化合物被固定于礦物晶格中；重金屬與某些有機(jī)物生成可吸性螯合物被固定

13、于礦物晶格中；重金屬離子與土壤的某些組分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成金屬磷酸鹽和有機(jī)重金屬等沉積于土壤中。四、人工濕地1、發(fā)展和簡(jiǎn)介目前，我國(guó)絕大部分城市的污水處理廠采用傳統(tǒng)的活性污泥二級(jí)生化處理工藝，該工藝工程基建投資大能耗高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大，對(duì)管理技術(shù)要求高，難以在中小城市推廣。因此，在我國(guó)大力開(kāi)發(fā)具有高效，簡(jiǎn)易，低耗的生物污水處理技術(shù)具有很大意義。人工濕地系統(tǒng)是一項(xiàng)污水處理新技術(shù)，具有投資低，出水水質(zhì)好、抗沖擊力強(qiáng)、增加綠地面積、改善和美化生態(tài)環(huán)境、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)適合我國(guó)國(guó)情，尤其適合廣大農(nóng)村，中小城市的污水處理，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。人工濕地(CONSTRUCTE

14、D WETLAND也叫構(gòu)建濕地，是一種人工建造和監(jiān)督控制的與沼澤類(lèi)似的地面，其設(shè)計(jì)和建造是通過(guò)對(duì)濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理，化學(xué)和生物作用和優(yōu)化組合來(lái)進(jìn)行的，也是利用這三種作用的協(xié)調(diào)關(guān)系作用來(lái)進(jìn)行廢水的處理。它利用土壤(濾料一微生物一植物這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的綜合作用處理污水和一些工業(yè)廢水，使水質(zhì)得到不同程度的改善；同時(shí)通過(guò)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán)，促進(jìn)綠色植物生長(zhǎng)并使其增產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)污水的資源化和無(wú)害化。它可用作生活污水和工業(yè)廢水的二級(jí)和三級(jí)處理。我國(guó)在“七五”期間開(kāi)始人工濕地的研究。1990年7月國(guó)家環(huán)保局華南環(huán)保所在深圳白泥坑建造了處理規(guī)模為3100m的人工濕地示范工程；

15、19881990年，在北京昌平進(jìn)行了自由表面人工濕地處理系統(tǒng)的研究；19891991年，天津環(huán)?？蒲兴?1個(gè)實(shí)驗(yàn)單元研究蘆葦濕地對(duì)城市污水處理能力，并對(duì)水力負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷、停留時(shí)間及季節(jié)等與污水中主要污染物間規(guī)律進(jìn)行探索；2000年12月深圳市開(kāi)始建設(shè)沙田人工濕地污水廠，利用人工濕地處理系統(tǒng)來(lái)處理污水。美國(guó)是世界上擁有人工濕地污水處理系統(tǒng)最多的國(guó)家。目前在美國(guó)有600多處人工濕地工程用于處理市政，工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢水。在歐洲的一些國(guó)家，如丹麥，德國(guó)，英國(guó)等至少有200處人工濕地系統(tǒng)在運(yùn)行。此外，在新西蘭，日本，澳大利亞以及一些非洲國(guó)家，人工濕地處理技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。目前，人工濕地應(yīng)用于生活

16、污水處理，工業(yè)廢水處理，農(nóng)業(yè)污水處理，城市污水處理，出水一般都優(yōu)于常規(guī)二級(jí)處理效果。2、組成絕大多數(shù)自然和人工濕地由五部分組成：1）具有各種透水性的基質(zhì)，如土壤、砂、礫石2）適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長(zhǎng)的沉水或挺水植物，如蘆葦3）水體(在基質(zhì)表面下或上流動(dòng)的水4）無(wú)脊椎或脊椎動(dòng)物5）好氧或厭氧微生物種群濕地系統(tǒng)在這種有一定長(zhǎng)寬比和底面坡度的洼地中由土壤和填料(如礫石等混合組成填料床，廢水在床體的填料縫隙中流動(dòng)或在床體表面流動(dòng)，并在床體表面種植具有性能好、成活率高、抗水性強(qiáng)。生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、美觀及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物(如蘆葦、蒲草等形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)廢水進(jìn)行處理。濕地植物具有三個(gè)間接

17、的重要的作用：1）顯著增加微生物的附著(植物的根莖葉2）濕地中植物可將大氣氧傳輸至根部，使根在厭氧環(huán)境中生長(zhǎng)3）增加或穩(wěn)定土壤的透水性植物通氣系統(tǒng)可向地下部分輸氧，根和根狀莖向基質(zhì)中輸氧，因此可向根際中好氧和兼氧微生物提供良好環(huán)境。植物的數(shù)量對(duì)土壤導(dǎo)水性有很大影響，蘆葦?shù)母伤蓜?dòng)土壤，死后可留下相互連通的孔道和有機(jī)物。土壤，砂，礫石基質(zhì)的作用：為植物提供物理支持：為各種復(fù)雜離子、化合物提供反應(yīng)界面，為微生物提供附著。水體為動(dòng)植物、微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。3、分類(lèi)該系統(tǒng)根據(jù)占主導(dǎo)地位的水生植物，人工濕地可分為浮生植物系統(tǒng)、沉水植物系統(tǒng)和挺水植物系統(tǒng)三種濕地系統(tǒng)。根據(jù)廢水流動(dòng)模式，又可分為自由表面流(

18、Free Surface Flow和潛流(Subsurface Flow，其構(gòu)造如圖1和圖2所示。圖1圖2自由表面流濕地中，廢水在填料表面流動(dòng)，水位較淺，一般為0.20.4m，最短水力停留時(shí)間為10天。該系統(tǒng)投資少，比較接近自然濕地，但是負(fù)荷低，受氣候影響大，且衛(wèi)生條件不是很好，容易引起夏季滋生蚊蠅，冬季低溫結(jié)冰等問(wèn)題，盡管造價(jià)低廉，但實(shí)際應(yīng)用很少。潛流濕地中，廢水在填料表面下流動(dòng)，填料床底層為小豆石，中層為礫石，上層覆蓋表層土壤層，種植耐水植物，為保證潛流污水在床內(nèi)的均勻流態(tài)，需布置合理的床內(nèi)配水系統(tǒng)和集水系統(tǒng)。其負(fù)荷高，處理效果好，受氣候影響小，且衛(wèi)生條件好，在實(shí)際中應(yīng)用最廣。人工濕地污水

19、處理系統(tǒng)由預(yù)處理單元和人工濕地單元組成。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)布局可將BOD，SS，氮磷營(yíng)養(yǎng)物，重金屬離子，病菌和一些難降解有機(jī)物處理達(dá)到更高的水平。4、優(yōu)缺點(diǎn)人工濕地系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的二級(jí)處理系統(tǒng)而言，具有以下優(yōu)點(diǎn)：建造、操作及維護(hù)費(fèi)用低；節(jié)省能源，無(wú)二次污染：處理過(guò)的水可循環(huán)再利用；提供許多濕地生物的棲息地；容易實(shí)現(xiàn)中水回用；可承受進(jìn)流量的大幅度的變化；水資源的永續(xù)管理；具有一定的景觀觀賞功能；在海岸地區(qū)具有防風(fēng)的功能；可提供一些非直接的效益，如綠色空間及教育研究。其缺點(diǎn)有：土地面積需求大；凈化處理速度緩慢；廢水需經(jīng)過(guò)預(yù)處理；易滋生蚊蠅；關(guān)于人工濕地的設(shè)計(jì)，建設(shè)和運(yùn)行還缺少統(tǒng)一的規(guī)范，缺乏精確的參數(shù)；其中生物組織對(duì)毒性化學(xué)物質(zhì)敏感(如農(nóng)藥或殺蟲(chóng)劑。5、數(shù)學(xué)模型研究和應(yīng)用雖然近年來(lái)，歐洲和北美已有上千座人工濕地建成，但這些應(yīng)用的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都是建立在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上的，這一污水處理技術(shù)并不為人們所完全掌握，人們對(duì)人工濕地去除污染物的內(nèi)在機(jī)制尚缺乏定量化的了解，人工濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行常常缺乏模型的指導(dǎo)，對(duì)人工濕地設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期水質(zhì)目標(biāo)和長(zhǎng)期的運(yùn)行效果缺乏準(zhǔn)確可靠的預(yù)測(cè)手段，因此影響了這一高效低耗的生態(tài)污水處理技術(shù)的推廣和應(yīng)用，而人工濕地生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型的不斷完善可以從根本上解決這一問(wèn)題。人工濕地模型理論基礎(chǔ)主要包括一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、衰減方程以及生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型