人工濕地汙水處理技術

2019-02-27 16:13:16 湖北欧美色情在线環保石化設備有限公司

人工濕地是由人工建造和控製運行的與沼澤地類似的地麵,將汙水、汙泥有控製的投配到經人工建造的濕地上,汙水與汙泥在沿一定方向流動的過程中,主要利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用,對汙水、汙泥進行處理的一種技術。其作用機理包括吸附、滯留、過濾、氧化還原、沉澱、微生物分解、轉化、植物遮蔽、殘留物積累、蒸騰水分和養分吸收及各類動物的作用。

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淨化汙水:

用人工築成水池或溝槽,底麵鋪設防滲漏隔水層,

填充一定深度的土壤或填料層,種植蘆葦一類的維管束植物或根係發達的水生植物,汙水由濕地的一端通過布水管渠進入,以推流方式與布滿生物膜的介質表麵和溶解氧進行充分的植物根區接觸而獲得淨化。人工濕地分為表麵徑流人工濕地和人工潛流濕地。

人工濕地與傳統汙水處理廠相比具有投資少、運行成本低等明顯優勢,在農村地區,由於人口密度相對較小,人工濕地同傳統汙水處理廠相比,一般投資可節省1/3—1/2。在處理過程中,人工濕地基本上采用重力自流的方式,處理過程中基本無能耗,運行費用低,汙水處理廠處理每噸廢水的價格在1元左右,而人工濕地平均不到2毛。

因此,在人口密度較低的農村地區,建設人工濕地比傳統汙水處理廠更加經濟。

人工濕地在農村地區的使用效果也優於傳統汙水處理廠,首先人工濕地使用純生物技術進行水質淨化,而汙水處理廠則使用化學方法,因此汙水處理廠在處理過程中會產生大量富含有害化學成分的淤泥、廢渣影響環境,而人工濕地則不存在二次汙染。其次人工濕地以水生植物水生花卉為主要處理植物,在處理汙水的同時還具有良好的景觀效果,有利於改造農村環境。另外,人工濕地還擁有可持續的經濟效益,在人工濕地上可選種一些具備淨化效果和一定經濟價值較高的水生植物,在汙水處理的同時產生經濟效益。

人工濕地的運行管理也比汙水處理廠簡單、便捷,因為人工濕地完全采取生物方法自行運轉因此基本不需專人負責,隻需定期清理格柵池、隔油池、每年收割一次水生植物即可。人工濕地中起主要處理作用的還是微生物,不是土壤的過濾作用,所以濕地設計中應包括防止濕地填料堵塞問題、植物死亡問題和過冬問題。人工濕地服務年限一般按照10-15年計算,也就是說設計比較完善的濕地係統15年以後才需要清理填料床,達到服務年限的人工濕地係統在清理填料床後,即可重新投入使用。另外,人工濕地的建設周期短,建設一座傳統汙水處理廠和完成相關管道的鋪設往往需要一年以上,而人工濕地的平均建設周期在3個月以內,因此建設人工濕地見效更快。

結論:在人口密度較低、汙染排放較少的農村地區,“人工濕地”生活汙水處理設施有很多優點,該處理設施充分利用農戶住房周邊的地形特點,因地製宜、實施簡單,可造在住宅旁的空地上,也可利用水塘以及公園的景觀池改造;規模可大可小,可以二三十戶家庭共用一塊,也可以一戶人家造一塊;投資少,維護方便,且占地麵積小,配合種植水生植物,還可達到美化景觀的效果。

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淨化空氣:

SS的去除主要靠物理沉澱、過濾作用,BOD的去除主要靠微生物吸附和代謝作用,代謝產物均為無害的穩定物質,因此可以使處理後水中殘餘的BOD濃度很低。汙水中COD去除的原理與BOD基本相同。

N、P去除人工濕地主要利用生物脫氮及植物吸收方法。

作用機理:對汙染物的去除與影響物理沉澱可沉澱固體在濕地中重力沉降去除、過濾,通過顆粒間相互引力作用及植物根係的阻截作用使可沉降及可絮凝固體被阻截而去除;化學微生物代謝:利用懸浮的底泥和寄生於植物上的細菌的代謝作用將懸浮物、膠體、可溶性固體分解成無機物;通過生物硝化-反硝化作用去除氮;部分微量元素被微生物、植物利用氧化並經阻截或結合而被去除。自然死亡:細菌和病毒處於不適宜環境中會引起自然衰敗及死亡,植物植物代謝利用植物對有機物的吸收而去除,植物根係分泌物對大腸杆菌和病原體有滅活作用植物吸收相當數量的氮和磷能被植物吸收而去除,多年生沼澤生植物,每年收割一次,可將氮、磷吸收、合成後分移出人工濕地係統。

汙水進入濕地係統,汙水中的固體顆粒與基質顆粒之間會發生作用,水流中的固體顆粒直接碰到基質顆粒表麵被攔截。水中顆粒遷移到基質顆粒表麵時,在範德華力和靜電力作用下以及某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用下,被粘附與基質顆粒上,也可能因為存在絮凝顆粒的架橋作用而被吸附。

此外,由於濕地床體長時間處於浸水狀態,床體很多區域內基質形成土壤膠體,土壤膠體本身具有極大的吸附性能,也能夠截留和吸附進水中的懸浮顆粒。

物理過濾和吸附作用是濕地係統對汙水中的汙染物進行攔截從而達到淨化汙水的目的的重要途徑之一。

植物是人工濕地的重要組成部分。人工濕地根據主要植物優勢種的不同,被分為浮水植物人工濕地,浮葉植物人工濕地,挺水植物人工濕地,沉水植物人工濕地等不同類型。濕地中的植物對於濕地淨化汙水的作用能起到極重要的影響。

首先,濕地植物和所有進行光合自養的有機體一樣,具有分解和轉化有機物和其他物質的能力。植物通過吸收同化作用,能直接從汙水中吸收可利用的營養物質,如水體中的氮和磷等。水中的銨鹽、硝酸鹽以及磷酸鹽都能通過這種作用被植物體吸收,最後通過被收割而離開水體。

其次,植物的根係能吸附和富集重金屬和有毒有害物質。植物的根莖葉都有吸收富集重金屬的作用,其中根部的吸收能力最強。在不同的植物種類中,沉水植物的吸附能力較強。根係密集發達交織在一起的植物亦能對固體顆粒起到攔截吸附作用。

再次,植物為微生物的吸附生長提供了更大的表麵積。植物的根係是微生物重要的棲息、附著和繁殖的場所。相關文獻表明,植物根際的微生物數量比非根際微生物數量多得多,而微生物能起到重要的降解水中汙染物的作用。

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人工濕地處理係統特點:

人工濕地處理係統具有緩衝容量大、處理效果好、工藝簡單、投資省、運行費用低等特點,非常適合中、小城鎮的汙水處理。

人工濕地處理係統可以分為以下幾種類型:(1)自由水麵人工濕地處理係統;(2)人工潛流濕地處理係統。(3)垂直水流型人工濕地處理係統。

優缺點

人工濕地汙水處理係統是一個綜合的生態係統,具有如下優點:

①建造和運行費用便宜

②易於維護,技術含量低

③可進行有效可靠的廢水處理

④可緩衝對水力和汙染負荷的衝擊

⑤可提供和間接提供效益,如水產、畜產、造紙原料、建材、綠化、野生動物棲息、娛樂和教育。

但也有不足

①占地麵積大

②易受病蟲害影響

③生物和水力複雜性加大了對其處理機製、工藝動力學和影響因素的認識理解,設計運行參數不精確,因此常由於設計不當使出水達不到設計要求或不能達標排放,有的人工濕地反而成了汙染源。

另外,據已有數據,當上下表麵植物密度增大時, 人工濕地係統處理效率提高,在達到其最優效率時,需2~3個生長周期,所以需建成幾年後才達到完全穩定的運行。因此,目前人工濕地技術最大問題在於缺乏長期運行係統的詳細資料。

總的來說, 人工濕地汙水處理係統是一種較好的廢水處理方式,特別是它充分發揮資源的生產潛力,防止環境的再汙染,獲得汙水處理與資源化的最佳效益,因此具有較高的環境效益、經濟效益及社會效益,比較適合於處理水量不大、水質變化不很大、管理水平不很高的城鎮汙水,如我國農村中、小城鎮的汙水處理。人工濕地作為一種處理汙水的新技術有待於進一步改良,有必要更細致地研究不同地區特征和運行數據以便在將來的建設中提供更合理的參數。

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摘要:人工濕地作為一種新型的汙水處理係統,具有眾多的優點。分析了人工濕地的特點、組成、分類及運行機理,總結了人工濕地係統在我國汙水處理中應用的發展曆史及優勢,結合有關工程實例,得出國內應用濕地汙水處理存在的問題,最後對人工濕地汙水處理係統在我國的應用及前景做了展望。

1人工濕地汙水處理係統概述

1.1人工濕地係統的組成

人工濕地主要由三部分組成:植物、微生物、填料。植物如蘆葦、風車草等水生植物,可以直接吸收汙水中的有機物作為其生長的營養物質,也可以吸附、富集一些有毒的重金屬,可以將空氣中的氧氣輸送到根區,為床體中好氧和厭氧微生物提供良好的環境。微生物在濕地對汙水中汙染物的生物降解過程中起到了重要的作用,有機物被生物膜吸附後通過微生物的呼吸作用去除。填料如土壤、砂子、礫石等,是微生物生長的空間和場所,是濕地水生植物的載體。

1.2人工濕地係統的分類

1.2.1表層流人工濕地表層流人工濕地在外貌和功能上都與自然濕地最為相似,廢水在土壤的上層水平流動,固態懸浮物被填料及根係阻擋截留,通過濕地而沉澱,同時微生物也附著在填料或植物的根莖葉上,發揮生物降解作用。

1.2.2潛流人工濕地廢水從濕地表麵縱向流入填料床的底部,床體處於不飽和狀態,氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地係統,但生物作用主要是厭氧反應。

1.2.3立式流濕地水流動情況綜合了表層流式和潛流式的特點,但其建造要求高,易滋長蚊蠅,尚不多見。

1.3人工濕地汙水處理係統的特點

濕地係統的投資和運行費用平均僅為傳統二級汙水廠的1/10~1/2,費用低。基本上都能達到規定的汙水排放標準。

據現有資料分析, 濕地處理係統不僅可處理以耗氧有機物和氮、磷等營養物質為主的生活汙水,尤其是對重金屬和酸性的有機及無機礦物質汙染有良好的去除效果。且對負荷變化的適應能力強,能全年運轉,管理維護方便,但北方地區冬季易結冰。

2 我國人工濕地汙水處理係統現狀

2.1 應用現狀

近年來, 我國在人工濕地的技術開發方麵取得了一定的進展。1988~1990 年,在北京昌平進行了表層流人工濕地處理係統的研究, 處理量為500t/d 的生活汙水和工業廢水,占地2hm2,水力負荷為4.7cm/d,COD 去除效率為81.2%, BOD 去除效率為85.8%。1990 年7月,國家環保局華南科學研究所在深圳市郊設計、建成了白泥坑人工濕地汙水處理試驗工程, 整個係統采用潛流式植物碎石體和兼性穩定塘相組合的設計,COD去除效率為71%, BOD 去除效率為90%。深圳市河流綜合治理重點工程之一的沙田人工濕地汙水處理廠,於2000 年12 月開始建設,2001 年7 月建成投產,處理規模為5000m3/d, 占地2 萬m2,COD 去除效率76%,BOD 去除效率78%。目前,山東省也在積極開展人工濕地係統的設計、規劃工作。

人工濕地除處理生活汙水外, 還廣泛應用於處理農業麵源汙染、垃圾場滲濾液、富營養化水體、采油廢水、采礦廢水等。隨著研究的逐漸深入,人工濕地還被用於改善飲用水源的水質, 如利用人工濕地改善北京官廳水庫水質,出水基本滿足地麵水Ⅲ類標準。

2.2 人工濕地處理汙水在國內的優勢

2.2.1 麵源汙染的控製

長期以來, 村鎮與社區的汙水處理沒有受到應有的重視。據統計,95%以上的生活汙水及糞便廢水被直接排入地下或江河湖泊,加重了水汙染控製的難度。因此, 可將適當負荷的人工濕地汙水處理係統應用於麵源汙染控製。

2.2.2 城市汙水處理的經濟型模式

目前, 國內外普遍采用二級生化處理工藝來集中處理量大麵廣的生活汙水, 往往需要龐大的充氧曝氣設施, 大規模的收集管網, 較高的運行費用和管理水平。同時,去除氮、磷汙染物的能力較差,易造成受納水體的富營養化。應用人工濕地進行小型分散化的汙水就地處理模式,不需要大量的汙水收集管網,而且其建造費用可由開發商、居民和政府共同承擔,在某種意義上緩解了水汙染日益增多與政府資金短缺之間的矛盾。

2.2.3 飲用水源和景觀用水的保護

人工濕地係統較能充分地利用自然中的濕地植物以及基質的自然淨化能力, 並在汙水淨化工程中促進植物的生長, 增加綠化麵積, 並為野生動物提供棲息地,有利於生態環境的建設。利用人工濕地處理係統處理城市公園、綠地景觀水的同時, 也美化了環境, 為市民、遊人創造了良好的生態環境,取得了顯著的社會、環境和經濟效益。

2.2.4 人工濕地的資源化利用

人工濕地處理分散型生活汙水的一個重要優勢,便是經過人工濕地係統處理淨化的汙水可做中水回用,以解決目前普遍麵臨的水資源危機。在農村地區,可以利用淨化後的汙水用於當地農業灌溉、水產養殖等; 在城鎮社區, 生活汙水集中於人工濕地係統處理後,可直接用於社區的花木澆灌等,兼具了綠化和美化小區環境的作用。

2.2.5 其他

此外, 在人工濕地係統推廣種植用於生產生物質能源的植物,具有很大的經濟潛力。目前,多數能源植物的研究尚處於實驗和示範階段, 而我國在能源植物作為濕地植物種植方麵所開展的工作幾乎空白。

2.3 國內應用濕地汙水處理存在的問題

2.3.1 工藝存在的問題

我國在人工濕地係統應用中普遍存在的問題有:
①淤積阻塞。造成這種情況的原因,往往是汙水沒有經過預處理直接排入濕地,或是在人工濕地運行的初期,植物根係不發達導致去除懸浮物能力較差, 有些情況下, 甚至是由於進水水力負荷太大或是洪水暴雨對人工濕地床體的衝擊而造成堵塞。
②坡降變化。由於水流的不斷流動、衝刷, 造成處理單元的坡降發生改變, 致使配水不均,增加了單位麵積處理單元的水力負荷,同時也使得有機負荷的區域分配不均,降低了處理效果。
③水生動植物對處理係統的影響。
④對周圍土壤有滲透的影響。

2.3.2 土地資源可利用性的製約

一般來說,人工濕地處理負荷較低,因此占地麵積較大。以深圳沙田汙水廠為例,處理1m3 汙水需要濕地的麵積為1.88m2 如果考慮前期處理,總用地為4m2/m3。如果以每人每天平均用水300L 計算,則平均處理一個人每天所產生的汙水便需要1.2m2 的麵積。由深圳白泥坑人工濕地汙水處理試驗工程可知, 處理1m3 汙水需要濕地的麵積為2.7m2 左右, 相較於傳統生化二級處理,單位汙水處理用地明顯較大,特別是我國大部分地區土地資源都較為緊張的情況下, 人工濕地汙水處理係統的應用更受影響。

2.3.3 氣候條件的製約

我國南方地區洪水及雨季對人工濕地的運行影響很大, 往往改變了實地處理單元中的坡降甚至淹沒濕地,嚴重影響了係統。而在北方地區,氣溫則是影響構建濕地運行的最重要因素, 係統的處理效率最低或者甚至為零。

2.3.4 缺乏相關的數據和統一規範

由於我國人工濕地汙水處理技術起步較晚, 且目前投入運行試驗的人工濕地汙水處理係統較少, 所以關於人工濕地的設計、建造、運行、維護等過程的相關數據和資料,目前還沒有係統的統計和整理,長期運行係統的數據也缺乏可靠積累。

3 展望

人工濕地是一種很有發展前景的汙水處理係統,今後應該從以下幾個方麵尋求新的突破。

3.1 建立人工濕地數據庫

由於各地的氣候條件, 濕地規模, 負荷率, 幾何布置,植物種類構成,及廢水的類型構成等變化很大, 因而對人工濕地很難有統一的設計和運行參數。因此,建立必要的數據庫,有助於濕地係統的設計和管理維護。

3.2 進一步探索人工濕地機理

由於其所涉及機理的複雜性和領域的廣泛性, 雖然有些機理研究已經得到初步的認可, 但是仍有許多問題需要進一步研究。比如,目前仍未完整地建立起各種汙染物的去除反應動力學模型, 現有的模型基本為一些經驗模型而無法得到廣泛的應用。

3.3 改良人工濕地技術

目前, 世界各國都投入了大量精力以改良人工濕地技術,將一些傳統汙水處理技術引入人工濕地。除了對現有的人工濕地係統進行研究以改良和優化工程設計參數外, 對係統的長期運行能力和管理問題也正在得到深入研究。例如,選擇適當的操作方式,以防止填料的堵塞;選擇新型的填料,以確保長期的除磷效果;選擇新型的水生植物,以提高濕地係統的綜合效益等。

3.4 加強濕地植物生物質能的利用研究

濕地植物具有很大的生物質能價值, 開發合適的經濟的生物質能的利用技術,最大化人工濕地係統資源利用,在發揮其生態效益的同時,可增加一定的經濟效益。