1、污水处理技术结课论文课程名称_污水处理技术结课论文 题目名称_ 利用人工湿地处理污水_ 学生学院_ 计算机_ _ 专业班级_ _ _ 学 号_学生姓名_ _ 授课教师_ 蒋_ _ 2016 年 11 月 11 日利用人工湿地处理污水前言二十世纪七十年代以来，政府和社会对我国的水污染防治工作越来越重视，采取了大量措施，并取得了一定的成效。目前，在我国，传统的污水处理工艺，如 A/O，A2/O，SBR 等，还是大部分城市普遍采用的污水处理方式，有效的控制了大城市的水环境污染问题；相对城市而言，无论是在技术上，还是在经济上，治理农村生活污水都是一个大难题。人工湿地技术，是一种处理废水的新技术，我国是
2、在二十世纪七十年代逐步发展起来的，人工湿地具有净化能力强、出水水质好、耐冲击负荷、工艺设备简单、运行维护管理方便、投资少、运行费用低、生态环境效益显著的特点，在一些远离城市污水管网的居民小区、旅游景区、厂矿企业以及污染源分散的城郊和农村，具有广阔的应用前景和可观的环境经济效益。下面就介绍这种人工湿地处理污水的技术。正文1.1 人工湿地的定义与分类（1）人工湿地的定义湿地(wetland) 是分布于陆生和水生生态系统之间具有独特水文、土壤、植被和生物特征的生态系统。目前，最广为接受的是湿地公约(Ramsar)中的定义，湿地系指天然的或人工的，沼泽地、泥炭地，或为淡水、半咸水、咸水水体者，包括低潮
3、时水深不超过 6m 的海域。湿地有“自然之肾 ”的美称。人工湿地对污水净化的原理是根据天然湿地而来的，是一种通过人为建造和监督控制来强化净水能力的污水处理技术。设计和建造人工湿地时，可以选择合理的进出水方式、性能好的填料、常绿植物，来优化人工湿地生态系统的处理效果，净化水质。（2）人工湿地的分类人工湿地分为三种类型：表面流湿地(SFW，SurfaceFlowWetlands)、潜流湿地(SSFW ，SubsurfaceFlowWetlands) 和垂直流湿地 (VFW，VerticalFlow Wetlands)9.l）表面流湿地SFW 也称水面湿地系统，水位较浅，多在 0.10.6m。这是接
4、近于天然湿地的一种形式，污水进入 SFW 时，水下植物的茎、杆上的生物膜对去除有机物起主要作用。由于这种湿地系统降解污染物时不能很好的利用填料表面生长的生物膜及发达的植物根系，所以处理污水的能力相对较低。并且由于湿地系统的卫生条件差，使得夏季蚊蝇滋生、还会散发臭味，从而对湿地周边环境状况产生不良影响。在冬季，由于温度低 SFW 表面容易结冰，温度的变化使得系统的处理效果降低，一般用于气候温和地区。2）潜流湿地SSFW 也称渗滤湿地(infiltration wetlands)，污水在湿地床体内部流动过程中，一方面生长在填料表面的生物膜、发达的植物根系及填料会对进入湿地的污染物进行截留，同时能延
5、长水力停留时间，从而处理效果、处理能力得到提高；另一方面由于水流在地表以下流动，湿地对其具有保温效果，从而气温不会对处理效果产生太大的影响，并且卫生条件相对也较好，所以目前对潜流湿地系统相对研究和应用的较多一些。但 SSFW 的投资比 SFW 要高一些。3）垂直流湿地VFW 的水流，是 SFW 和 SSFW 的综合，污水在湿地中由上而下垂直流经床体后，由出水端底部的集水管收集出水，排出系统。VFW 硝化能力高于SSFW，且占地面积小，但控制相对复杂，建造要求高，且易滋生蚊蝇。以上 3 种人工湿地系统中，应用最多的还是潜流人工湿地。1.2 人工湿地脱氮技术人工湿地利用填料、微生物及动植物群落的物
6、理、化学及生物的相互作用，去除污水中有机物、氮等，是一种复杂的生态系统。湿地通过排水、氨的挥发、植物吸收、微生物硝化/反硝化作用以及介质沉淀吸附等过程去除进入湿地系统中的氮。（1）氨的挥发湿地氨挥发包括 2 部分，湿地地面挥发、植物叶片挥发。氨挥发现象一般发生在湿地水体 PH 大于 8.0 时，通常人工湿地的 pH 在 7.5-8.0 之间，因此，可以忽略湿地地面挥发氨氮的损失。但是，如果以石灰石作为人工湿地的填料时，湿地系统中的 pH 会很高，这种情况下就需要考虑氨氮挥发的损失。近年来，人们开始注意植物叶片氨的挥发，许多研究者发现，农作物叶片氨的挥发现象是存在的。目前，研究者尚不清楚人工湿地
7、植物氨挥发所起的作用。（2）沉淀及介质吸附湿地填料对污水中有机态形式的氮，起到了拦截过滤的作用。同时，植物、土壤颗粒、厌氧微生物也可以吸收铵态氮。湿地填料可以直接吸附，也可以通过离子交换进行氮的固定。目前，在人工湿地填料的选择上，逐渐倾向多样化。一般认为，铵态氮被湿地填料吸收后，最终也会被其它途径转化掉，因此填料除氮的贡献不明显。但研究认为，湿地填料非常重要，它不仅可以作为植物的生长介质，为微生物提供了大量的附着界面，而且可以直接通过物理化学作用净化污水。有些土壤有较大的阳离子交换能力，对氮的去除有重要贡献，甚至可以提高硝化作用。湿地去除氨氮的主要机理，是土壤介质对氨氮的吸附。带电土壤粒子对
8、NH4+的吸附，能延长离子滞留时间。矿质土壤除氮相对于有机土壤更快。（3）微生物硝化 /反硝化作用硝化过程主要由 2 步构成， NH4+或 NH3 被亚硝化细菌（Nitrosomonas）转化成 NO2-，NO2-被硝化细菌（Nitrobacter）氧化成 NO3-。亚硝酸盐的形成由 2 步构成， NH2OH 是中间产物。Nitrobacter 的生长是整个硝化过程的限制步骤。反硝化作用，实质上是硝酸盐的生物还原过程，包括多步反应：NO3-NO2- NON2ON2。在湿地中，硝化/反硝化作用，被认为是人工湿地去除氮最主要的形式。无论哪种湿地，硝化/反硝化都是主要的脱氮过程。湿地通过进水携氧、大
9、气复氧、植物根系输氧等形式在湿地床体内形成许多好氧微区域，在这些微区域氨氮转化成硝态氮，溶液中氨氮浓度降低，使得土壤溶液中高浓度和中低浓度的氨氮之间形成浓度梯度，氨氮可以持续地扩散到好氧微区域进行硝化作用。同时植物也会吸收部分硝态氮，对脱氮的贡献，根据湿地处理污水类型及运行情况不同，植物对硝态氮的吸收情况有较大差别。为了将 TN 在湿地中的去除率提高到最大限度，需要硝化/ 反硝化速率能够均衡，想要氮的去除效果好，硝化和反硝化作用都不能过高17。通常情况下，在潜流人工湿地中，湿地环境主要是厌氧的，反硝化速率比硝化速率明显要高，硝化作用被认为是脱氮的限制性步骤。因此，人工湿地脱氮的关键，是提高人工
10、湿地的硝化能力。有研究显示，想要促进硝化菌的生长，可以通过种植水生植物，尤其是输氧能力强的植物，来扩大植物根系的好氧区，进而提高硝化反应速率以及系统对 TN 的去除效果18。然而，更多的研究也表明，单纯地想通过植物根系的输氧，来提高人工湿地的硝化速率的效果并不明显，不管何种植物，根茎在潜流湿地中的伸展基本上限制在 0.3m 的填料层中，根系占据床体的填料不超过一半，从而容易造成湿地底部环境缺氧，缺氧不利于硝化作用的进行，所以导致湿地硝化作用差。因此，想要使系统对 TN 的去除效果显着，有效的办法就是使氧气与微生物的接触机会增大，目前，大多湿地采用间歇布水的方式，让系统处于干湿交替的状态，保证充
11、足的氧气供应，促进硝化菌生长。（4）植物吸收在湿地脱氮过程中，水生植物的作用至关重要，O2 需要通过植物输送至根部，微生物的附着介质也是由植物及根系提供的，并且植物还可以直接吸收氮。氨氮和硝态氮都可以被湿地植物吸收，但是植物主要利用的氮的形式是硝态氮。目前，植物收割对湿地脱氮所起的作用，文献对此报道各有不同。一个生长季植物吸收氮量相对湿地进水氮量很小。大部分的研究者认为，植物吸收的氮素只是湿地脱除总氮素的小部分而已。在植物腐烂期，它们对氮的去除仍具有重要影响，有机物的释放充当了反硝化的碳源。1.3 人工湿地脱氮典型方法（1）滴滤池 人工湿地组合工艺滴滤池是生物湿地的最初形式，填充塔中填满滤料，
12、并且滤料中充满空气，污水均匀的喷洒到滤料上，通过滤料上附着的微生物进行去除。滴滤池主要包含滤料床层、构筑物、布水（或注水）系统、集水系统、通风系统五部分。农村生活污水排放比较分散，经济情况也较差，针对这个特点，采用自然净化，将滴滤池与人工湿地联合使用，用于处理农村生活污水，具有开创性，并且可行性强。在采用滴滤池-人工湿地组合系统处理农村生活污水时应注意：1）保证滴滤池系统均匀布水，使滤料润湿均匀，能获得良好的生物膜结构，提高处理效果。2）滴滤池采用自然通风，供氧无需能耗，但在季节变化时需考虑温差对滴滤池通风效果的影响。3）滴滤池运行时，需要考虑温度的影响，特别是在冬季应加强保温措施。4）由于滴
13、滤池不能彻底去除营养物质，脱落的生物膜会随出水带出，不能直接排放，需后续处理。将滴滤池出水经人工湿地系统处理，不仅能去除有机物、SS，还能去除 N、P 营养素，经济可行。5）根据农村特点，人工湿地处理系统可以选择性地种植水生型蔬菜食用，还可种植木本植物进行木材生产，产生一定的生态及经济效益。滴滤池与人工湿地相结合，具有处理农村生活污水的独创性，投资低、能耗少、运行成本低、管理简单。同时考虑了资源化处理，适合农村地区的实际情况，利于在农村推广。（2）垂直流 水平流组合工艺为了湿地出水氮素达到尽量低的水平，使脱氮效果更理想，许多学者将各类湿地进行组合研究。垂直流水平流组合就是最常见的组合方式。法国
14、研究垂直流水平流复合人工湿地始于 20 世纪 80 年代早期，到了 80年代末，该系统得到了更进一步的研究。我国研究复合湿地较早的是吴振斌和梁威等，他们通过测定比较生长在复合垂直流人工湿地和天然环境条件下菰和石葛蒲根区微生物类群数量及其根区填料酶活性发现：复合垂直流人工湿地有利于根区微生物的生长，对同种植物而言，在天然条件下根区微生物的数量生长的相对较少，在复合系统中，硝化、反硝化细菌的数量级最高可达 3 个以上。水平流人工湿地中，溶解氧水平有限，硝化反应不能很好的进行，而垂直流人工湿地却不同，它能提供较好的溶解氧环境，使硝化反应顺利进行，但相应的，反硝化反应在此环境下难以进行。在复合系统中，
15、水平流湿地和垂直流湿地能够实现优势互补，经过复合系统的处理，有机物能得到较好的去除效果，氮素在系统中能被完全的硝化和部分的反硝化，从而使出水总氮浓度达到更低成为可能。（3）三段式潜流湿地三段式潜流湿地是在传统水平流湿地的基础上改造而来的，由于湿地容易形成缺氧环境，抑制硝化作用的进行，不利于脱氮，在传统水平流湿地的基础上加以改造，建成以接触槽为间隔的若干区域，将湿地进行划分，可以使湿地中气液自然接触复氧，也可以采用人工微曝气供氧，使湿地中溶解氧充足，提高脱氮效果。1.4 拟进行研究围绕木本植物-填料- 微生物共生系统中紧密的相互作用关系，为进一步丰富人工湿地水处理技术理论与方法，根据对水平潜流人
16、工湿地已有的认识，以耐水湿木本植物设计潜流式园林湿地，解决冬季保温难、床体堵塞和植物收割造成的二次污染问题，并通过设计的正交试验方案探明潜流式园林湿地的结构参量木本植物种类、填料、水力停留时间等与污染物去除效率之间的优化设计模式，为潜流式园林湿地的生态化组合工艺设计和操作运行提供指导。通过研究系统中好氧反硝化细菌的脱氮能力，为生物强化湿地脱氮工艺的应用提供帮助。 2 总结潜流式园林湿地系统由木本植物、填料和微生物组成，同样是一种利用填料、微生物及植物群落的物理、化学及生物的相互作用，通过过滤、吸附、沉淀、微生物分解吸收、植物吸收等过程实现对污水进行净化的复杂生态系统。其核心在于以耐水湿园林乔木
17、取代水生植物，利用乔木强大的根系，提供良好的过滤条件，防止系统的堵塞，强化湿地中氧的传输，增大微生物的附着面积，促进微生物的硝化和反硝化作用，砂层、土壤层以及植物根系层均对湿地起到良好的保温作用，有利于氮磷污染物长期、稳定地去除。潜流式园林湿地是基于潜流式人工湿地的改造，湿地容积视处理水质、水量及规划绿地情况确定，不另占耕地或少占土地。池体为地下式或半地下式混凝土结构，潜流式园林湿地的主体结构包括池体、浅水槽、深水槽。池体内由下而上依次设有填料层、隔离层、透水砖步道层、树木层，池中布设穿孔透气竖管。拟进行试验研究所采用的潜流式园林湿地是在潜流式人工湿地基础上的改造，通过发现人工湿地长期运行暴露出的一系列问题，采用大型耐水湿园林乔木替代水生草本植物作为湿地的植物种类进行试验，避免了年年收割和生态安全性问题，还具有生产木材、绿化和持续性净化功能，能实现环境与景观、经济与社会效益的一致性。
