人工濕地處理系統(tǒng)PPT

1、12濕地系統(tǒng)的概念濕地系統(tǒng)的概念3滇池邊的天然濕地滇池邊的天然濕地4-人工濕地是人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統(tǒng)，其設計和建造是通過對濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學和生物作用的優(yōu)化組合來進行廢水處理的。5滇池邊的人工濕地滇池邊的人工濕地6垂直流人工濕地表面布水系統(tǒng)垂直流人工濕地表面布水系統(tǒng)78 20世紀世紀70年代年代：- 探索人工濕地的建設與應用探索人工濕地的建設與應用 80年代以后：年代以后： 90年代以后：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)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。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

2、其工藝參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。數(shù)、運用范圍和處理機理。9 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 abl

3、e to treat wastewaters with low organic load (too low for activated sludge) They facilitate water reuse and recycling10They 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, su

4、ch as an environmentally sensitive approach that is viewed with favor by the general public1112 人工濕地具有獨特而復雜的凈化機理，利用復合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學和生物的三重協(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。13 去除區(qū)域：去除區(qū)域：進口處進口處510cm內(nèi)完成內(nèi)完成 機理：機理：l 基質(zhì)層的填料基質(zhì)層的填料l 植物的根、莖植物的根、莖l 腐殖層腐殖層結論

5、：結論：SS去除效率高低，取決于污水同植物與填料的接去除效率高低，取決于污水同植物與填料的接觸程度觸程度14 降解主體：降解主體： 兼性細菌；厭氧細菌；好氧細菌15 去除途徑：去除途徑：l 植物吸收及其收獲而去除l 氨的揮發(fā)l 硝化反硝化作用l 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-其中氧的供應和碳源數(shù)量與質(zhì)量是限制性因子16N2+N2ONH3Org-NNH4NO2 - NO3-NH4NO3- 圖 人工濕地氮循環(huán)示意圖空氣水體土壤17存 在 形 式說 明有機磷化物微生物和植物體內(nèi)不溶性磷酸鹽主要存在形式可溶性磷酸鹽唯一可被微生物和利用 人工濕地中磷的存在形

6、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)18濕地除磷特性濕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的氧化物或氫氧化物的氧化物或氫氧化物有機磷有機磷沉積沉積/直接截留直接截留無機磷無機磷生物吸收生物吸收異養(yǎng)降解異養(yǎng)降解 物化吸附物化吸附共沉淀共沉淀過飽和過飽和CaCO3土壤、根系層、土壤、根系層、填料床填料床吸收吸收濕地植物濕地植物/漂浮生物漂浮生物/微生態(tài)結構吸收微生態(tài)結構吸收 19 除磷填料最近研究進展：除磷填料最近研究進展：l 礦物填料：礦物填料：

7、方解石；頁巖；赭石；風鋼渣等方解石；頁巖；赭石；風鋼渣等l 飲用水處理剩余物：飲用水處理剩余物：新問題：新問題：出水出水pH上升；有其它物質(zhì)溶出上升；有其它物質(zhì)溶出-出水出水pH穩(wěn)定；無其它物質(zhì)溶出；符合循環(huán)經(jīng)濟的穩(wěn)定；無其它物質(zhì)溶出；符合循環(huán)經(jīng)濟的觀點觀點20 去除途徑：去除途徑：-土壤中微生物種類比污水處理構筑物中多得多土壤中微生物種類比污水處理構筑物中多得多l(xiāng) 微生物的降解作用：微生物的降解作用：l 微生物群落與植物群落的協(xié)同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有研究發(fā)現(xiàn)：蘆葦可直接吸收一些難降解的有機物機物21 去除途徑：去除途徑：l 植物吸收和

8、微生物富集作用l 土壤膠體顆粒的吸附作用（離子交換）l 與S2形成硫化物沉淀 問題：問題：l 存在富集而飽和的問題l 新增重金屬離子對微生物種群的脅迫作用22 去除途徑：去除途徑：l 基質(zhì)層的沉降截留作用l 植物根系的某些分泌物的滅活作用 影響因素：影響因素：水力負荷和水力停留時間l 光照殺菌2324（）自由水面人工濕地（）潛流型人工濕地水平潛流垂直流復合流25自由水面人工濕地系統(tǒng)示意圖26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)沉水植物系統(tǒng)各類廢水N、P的去除N、P的去除27 Free surface flow wetlands28 優(yōu)點：-投資及運行費用低；建造、運

9、行和維護簡單 缺點：l 相同處理效率，占地面積大于潛流濕地l 冬季結冰；夏天會孳生蚊蠅，散發(fā)臭味l 有傳播病菌的可能29水平潛流人工濕地系統(tǒng)示意圖30垂直潛流人工濕地系統(tǒng)示意圖31復合潛流人工濕地系統(tǒng)示意圖32緊湊型復合潛流人工濕地系統(tǒng)示意圖33 優(yōu)點：（與HFCWs相比） 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l 處理效率高l 保溫條件好；衛(wèi)生條件好34 垂直潛流人工濕地發(fā)展l 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）l 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35 垂直潛流人

10、工濕地發(fā)展回顧l 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l 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）l 設計運行的關鍵問題36l 結論與展望：（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

11、的研究重點是填料的選擇和水力負荷的控制3738（1）防滲層；）防滲層；（2）基質(zhì)層；）基質(zhì)層；（3）腐質(zhì)層；）腐質(zhì)層； （4）水層和濕地植物）水層和濕地植物39作用：作用：阻止污水向地下水體的滲透阻止污水向地下水體的滲透可選用材料：可選用材料：黏土黏土高分子材料高分子材料濕地底部的沉積污泥層可形成天然防滲層濕地底部的沉積污泥層可形成天然防滲層40材料：一般采用礫石、土壤或砂材料：一般采用礫石、土壤或砂作用：作用：提供植物生長所需的基質(zhì)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為微生物提供良好的生長載體41組成：落葉、枯枝、微生物

12、和小動物的尸體組成：落葉、枯枝、微生物和小動物的尸體作用：作用：為微生物提供良好的生長載體為微生物提供良好的生長載體過濾作用，可去除污水中的過濾作用，可去除污水中的SS可能作為反硝化的碳源可能作為反硝化的碳源42組成：挺水植物；浮水植物；沉水植物組成：挺水植物；浮水植物；沉水植物 作用：作用：l提高濕地的處理效率提高濕地的處理效率l輸氧，使床體形成好氧輸氧，使床體形成好氧/缺氧缺氧/厭氧反應區(qū)厭氧反應區(qū)l對有機物、營養(yǎng)物質(zhì)進行分解和合成代謝對有機物、營養(yǎng)物質(zhì)進行分解和合成代謝l在冬季有保溫作用，減緩處理效率的降低在冬季有保溫作用，減緩處理效率的降低43 選擇原則：選擇原則：l能適應當?shù)厣L的植

13、物或天然濕地原存優(yōu)勢種l廢水特性l多種植物混植或串連種植l采用綜合利用價值高的作物，提高經(jīng)濟效益l景觀效果好，美化環(huán)境，為野生動植物提供良好的生境44 系統(tǒng)系統(tǒng) 下行池下行池 ( I ) 上行池上行池 ( II ) P1 蘆葦蘆葦 Phragmites communis 水蔥水蔥 Schoenoplectus lacustris P2 茭白茭白 Zizania latifolia 菖蒲菖蒲 Acorus calamus P3 荻荻 Miscanthus sacchariflorus 鳳眼蓮鳳眼蓮 Eichhornia crassipes P4 藨草藨草 Scirpus triqueter 苔草

14、苔草 Carex Linn. P5 菰菰 Zizania caduciflora 慈菇慈菇 Sagittaria trifolia P6 (對照對照) P7 寬葉香蒲寬葉香蒲 Typha latifolia 鳶尾鳶尾 Iris pseudacorus P8 水燭香蒲水燭香蒲 Typha angustifolia 燈心草燈心草 Juncus effusus P9 風車草風車草 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

15、頭稗光頭稗 Echinochloa colonum 水芹水芹 Oenabthe javanica P12 稗稗 Echinochloa crusgalli 水蓼水蓼 Polygonum hydropiper 濕地植物濕地植物45濕地植物濕地植物464748作用：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4950 主要設計參數(shù)l 水力停留時間與水力負荷l 所需土地面積l 有機負荷和氮負荷l 布水周期和投配時間l 長寬比和底坡l 填料種類、滲透性和滲透速率l 植物的選擇51 Some parameter for system（a） Hydraulicsl l Hydraulic lo

16、ading 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) 52 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 detentio

17、n time (): (4.5) qhQAh 53（b） Water budgetThe 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 = bank loss rate (m3d-1) Q c = catchment runoff rate (m3d-1) Q o = output wastewater flow r

18、ate (m3d-1) Q sm = snowmelt rate (m3d-1) t = time (d) V = water storage in wetland (m3)dtdVAIETPQQQQQsmbCoi)(54l 地形l 地質(zhì)l 土壤的化學條件l 周邊河流、公路、鐵路和邊界擁有權的限制5556 目標：防止出滲污染地下水；防止地下水入滲 技術指標黏土：小于108 m/s的水力傳導率塑料膜：0.510.0mm厚Monarflex（帶有玻璃纖維增強劑）：0.50.75mm厚57 總原則：l 水質(zhì)：來水水質(zhì)；出水水質(zhì)l 水量l 人工濕地的類型選擇58 地表徑流系統(tǒng)：l 土壤的構造-多數(shù)植物

19、在沙壤土中生長良好，過多的巖石和黏土則不利l 土壤的化學狀態(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59 水平潛流：l 土壤設計水力傳導系數(shù)要小于原始介質(zhì)的水力傳導系數(shù)l 礫石-典型尺寸：36mm; 510mm; 612mm-歐洲最多使用的尺寸為： 812mm60 垂直潛流：英國VF濕地床分層的填料分布項目厚度/cm填 料頂層8粗 砂上層15直徑6mm的圓形礫石下層10直徑12mm的圓形礫石底層15直徑3060mm的圓形礫石61 總原則：l 布水均勻l 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62 自由水面：FWS型濕地處理系統(tǒng)的入口形式63 自由水面：

20、FWS型濕地處理系統(tǒng)的入口形式64 水平潛流：水平潛流濕地處理系統(tǒng)的入口形式65表面流布水系統(tǒng)表面流布水系統(tǒng)66 潛流人工濕地：潛流濕地處理系統(tǒng)的入口形式6768 基本數(shù)學模型基本數(shù)學模型l 水力學：對潛流濕地運用達西模型l 反應器類型：推流式 復雜模型復雜模型l 問題：缺乏邊界條件而目前無法工程運用l 降解模型：一級動力學69 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*)Fir

21、st-order equations70 l l In many treatment wetland cases, infiltration is prevented, there is not significant atmospheric deposition. 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 *)(

22、CCKAJAdydCQqkQkACCCCiOexpexp*71 l l For those pollutants that have C* values very close to zero, namely nitrate, phosphorus and ammonia nitrogen, (4.13) reduces to (4.14)qkQkACCiOexpexp72 6.2 Temperature equationsTemperature effects on k or kv can be summarized by use of the modified Arrhenius equat

23、ion: (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 been estimated for data sets with adequate operational temperature data.20)-(T20kkT736.3 人工濕地生態(tài)動力學模型人工濕地生態(tài)動力學模型將人工濕地中發(fā)生的各個生物、物理、化學過程根據(jù)其發(fā)生將人工濕地中發(fā)生的各個生物、物理、

24、化學過程根據(jù)其發(fā)生機理和內(nèi)在聯(lián)系，劃分成許多各自獨立的機理和內(nèi)在聯(lián)系，劃分成許多各自獨立的“箱子箱子” 和聯(lián)系各和聯(lián)系各個個“箱子箱子” 的物質(zhì)流和能量流。的物質(zhì)流和能量流。將每個生物、物理、化學過程的物質(zhì)流和能量流定義成各自將每個生物、物理、化學過程的物質(zhì)流和能量流定義成各自獨立的反應方程（冪次方程或微分方程），為每個過程確定獨立的反應方程（冪次方程或微分方程），為每個過程確定各自特有的反應動力學參數(shù)。各自特有的反應動力學參數(shù)。模型中的各個物質(zhì)流和能量流均以物料平衡基礎上的數(shù)量交模型中的各個物質(zhì)流和能量流均以物料平衡基礎上的數(shù)量交換，而非經(jīng)驗模型和一級動力學模型中所采用的的濃度表示。換，而非

25、經(jīng)驗模型和一級動力學模型中所采用的的濃度表示。一般通過各種建模軟件（一般通過各種建模軟件（Model Maker、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。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。徑流進水水溫陽光TPTP降水表覆水層TP附著生物浮游植物大型植物枯枝層腐殖層表層土壤深層土壤水位影響出水蒸發(fā)滲漏水深影響水流磷流能量流控制流表面流人工濕地中磷去除的箱式生態(tài)動力學模型示意圖表面流人工濕地中磷去除的箱式生態(tài)動力學模型示意圖 75水 中 TP 進 水 出 水 進 水 通 量 進 水 濃 度 水 深 濕 地 面 積 進 水 流 量 H R T 植

26、 物 滲 透 植 物 生 長 速 率 植 物 吸 收 植 物 中 TP 濃 度 溫 度 微 生 物 微 生 物 吸 收 和 釋 放 活 性 沉 淀 土 壤 吸 收 深 層 沉 淀 微 生 物 TP 濃 度 滲 透 速 率 吸 收 和 釋 放 速 率 土 壤 吸 收 速 率 土 壤 解 吸 速 率 土 壤 解 吸 活 性 沉 淀 深 度 深 層 沉 淀 深 度 水 中 TP 濃 度 AS 中 的 TP 濃 度 植 物 落 葉 腐 敗 釋 放 腐 敗 釋 放 速 率 D S 中 的 TP 濃 度 殘 體 枯 葉 速 率 生態(tài)動力學模型生態(tài)動力學模型76dTP/dt = TP_In + TP_Res

27、uspension + 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方程描述為：水中總磷的變化可以用一級動力學方程描述為： 77）磷的）磷的微生物和植物等的生長吸收微生物和植物等的生長吸收dTP_Microorganism_Uptake = (Microorganism_Growth_Rate Microorganism_Respiration_Rate) TP_in_MicroorganismdTP_Macrophyte_Uptake = (Macrophyte_Growth_Rat

28、e Macrophyte_Respiration_Rate) TP_in_Macrophyte78）土壤吸附、滲透）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_VolumndTP_Infiltration = TP_Infiltration_Rate TP_in_ActiveSoil / ActiveSoil_Volumn）腐殖層的分解釋放）腐殖層的分解釋放dTP_Detritus_Rel

29、ease = Detritus_Decomposition_Rate TP_in_Detritus79出 水 中 總 磷 濃 度 的 實 驗 值 和 模 型 計 算 值 的 比 較 （ 春 季 ）0.001.002.003.004.005.006.000246810停 留 時 間 （ d）出水總磷濃度（mg/L）LC2P實 驗 值LC2P模 型 計 算LC4P實 驗 值LC4P模 型 計 算LC6P實 驗 值LC6P模 型 計 算出水中總磷濃度的實驗值和模型計算值的比較（夏季）0.001.002.003.004.005.006.000246810停留時間（d）出水總磷濃度（mg/L）LC2P實

30、驗值LC2P模型計算LC4P實驗值LC4P模型計算LC6P實驗值LC6P模型計算出水中總磷濃度的實驗值和模型計算值的比較（秋季）0.001.002.003.004.005.006.000246810停留時間（d）出水總磷濃度（mg/L）LC2P實驗值LC2P模型計算LC4P實驗值LC4P模型計算LC6P實驗值LC6P模型計算出水中總磷濃度的實驗值和模型計算值的比較（冬季）0.001.002.003.004.005.006.000246810停留時間（d）出水總磷濃度（mg/L）LC2P實驗值LC2P模型計算LC4P實驗值LC4P模型計算LC6P實驗值LC6P模型計算模型計算與試驗監(jiān)測值之間的誤

31、差為模型計算與試驗監(jiān)測值之間的誤差為9.13%8081 美國密歇根州的Vermontville村：l 植物：香蒲兼性穩(wěn)定塘4.4hm2滲濾土地床4.6hm2生活污水農(nóng)業(yè)灌溉l 設計流量：380m3/d；服務期限：20年（已運行25年）l 工藝流程圖：82 美國密歇根州Vermontville： 出水水質(zhì)可達到美國農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)要求l 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83 法國處理原城市污水20年經(jīng)驗總結l 人工濕地類型：垂直流人工濕地l 主要結論：（1）該

32、系統(tǒng)對未經(jīng)預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（5）第一級人工濕地中污泥年積累量15mm左右，因此應每1015年清理一次污泥84 丹麥人工濕地就地預處理農(nóng)村單戶生活污水：就地預處理單戶生活污水人工濕地示意圖85 丹麥人工濕地就地處理農(nóng)村單戶生活污水：l 主要研究內(nèi)容 根區(qū)氧化系統(tǒng)設計指南 垂直流人工系統(tǒng)設計指南 柳樹濕地系統(tǒng)設計指南l 問題 對除磷，還沒有適宜的技術方案（目前使用化學法除磷）86 美國加利福尼亞州Chev

33、ron Richment煉油廠：l 工藝流程圖：工業(yè)廢水廠區(qū)雨水排放人工濕地l 建設運行經(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87 中國云南滇池人工濕地脫氮除磷：l 主要研究內(nèi)容：（1）人工濕地脫氮的工藝參數(shù)研究（2）脫氮動力學參數(shù)和不同去除途徑質(zhì)量平衡研究（3）人工濕地除磷的工藝參數(shù)研究（4）不同負荷下，除磷途徑的質(zhì)量平衡研究（5）在有無植物和不同植物條件下，濕地床對除磷的除磷效果對比研究88 中國云南滇池人工濕地脫氮除磷：l 主要結論：（1）人工濕地對氮、磷具有良好去除效果（2）水力停留時間越長，對氮、磷的去除效果越好（3）當HRT3天時，TN的去除效率大于60%，TN的去除符合一級推流動力學方程（4）在低負荷下，植物吸收是TP去除的主要途徑（5）在高負荷下，基質(zhì)吸附和沉淀作用是TP去除的主要途徑，但植物吸收可有效得提高TP的去除率89