人工濕地課件

人工濕地課件第一頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六

對(duì)濕地凈化能力的研究起始于本世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)，德國(guó)科學(xué)家凱瑟·塞德?tīng)?KatheSeidel，1978)和萊因霍爾德·基庫(kù)思(Rein—holdKickuth，1970)，首次調(diào)查了用濕地去除污染水中養(yǎng)分和懸浮固體的可能性。塞德?tīng)栕C實(shí)寬葉香蒲能去除污染水中的大量有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)。在后來(lái)的一些研究中，她證明寬葉香蒲還能通過(guò)從其根部分泌天然抗生物質(zhì)，大大降低廢水中的細(xì)菌濃度，而且它們能隔絕重金屬并清除碳?xì)浠衔?。?duì)這項(xiàng)工作的興趣從德國(guó)擴(kuò)展到歐洲、北美、澳大利亞和全世界。如今，北至加拿大的育空地區(qū)和西北地區(qū)，南到澳大利亞和新西蘭，數(shù)以百計(jì)的天然濕地和人造濕地被用來(lái)處理廢水和暴雨水，該系統(tǒng)的規(guī)模不等，從設(shè)計(jì)處理單門(mén)獨(dú)戶廢水的小系統(tǒng)，到相當(dāng)大的系統(tǒng)，例如墨西哥的—塊人造濕地用來(lái)處理10萬(wàn)多人的廢水。

設(shè)計(jì)由于天然濕地通常是脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，接觸太多的污染物就會(huì)使它不堪重負(fù)，所以最好專(zhuān)門(mén)根據(jù)廢水處理的目的來(lái)設(shè)計(jì)和建造濕地。這些系統(tǒng)被稱(chēng)為人造濕地或蘆葦床。它們有三個(gè)關(guān)鍵組分：植物、微生物和基質(zhì)。耐水的植物扎根于土壤或砂礫基質(zhì)，該系統(tǒng)浸滿了水，基質(zhì)支持著這些植物，而植物的根則為各種微生物提供了家園。

第二頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六幾乎任何一種水生植物都適合于濕地系統(tǒng)，最常見(jiàn)的有蘆葦(Phragmitesaustralis)、香蒲屬(Typhaspp.)和草屬(Scirpusspp.)。某些植物如蘆葦和香蒲的空心莖能將空氣輸送到根部，所以能為微生物提供額外的氧。一些植物吸收特定金屬或化學(xué)物質(zhì)，其它一些植物分泌能殺死病原體的滲出液。處理一個(gè)人產(chǎn)生的廢水大約需要1—2平方米濕地，通物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和生物過(guò)程的組合來(lái)完成：·懸浮固體到滯水底部，或被濕地基質(zhì)和植物過(guò)濾；·有機(jī)物質(zhì)被植物根部的微生物分解；·硝酸鹽可以被脫氮菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，或被植物吸收；·氨被?xì)菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽；-·磷隨鈣、鐵和鋁化合物沉淀，通過(guò)沉積和吸附于土壤以及植物吸收而被去除；·金屬和有毒化學(xué)物質(zhì)通過(guò)氧化、沉淀和植物吸收來(lái)去除；·病原體在不適宜生存的環(huán)境中逐漸死去并被其它生物所攝取，或被抗菌化合物殺死(雖然濕地中的野生動(dòng)物可能會(huì)引入更多的病原體)。第三頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布局將取決于當(dāng)?shù)氐牡匦?、輸入廢水的性質(zhì)以及特定的處理目標(biāo)。需要多少土地將取決于污染物的輸入負(fù)荷、濕地設(shè)計(jì)和處理目標(biāo)，但一般說(shuō)來(lái)，負(fù)荷越高或處理程度越高，所需的土地面積就越大。人造濕地系統(tǒng)有兩種：表流濕地和潛流濕地。另外，潛流系統(tǒng)可以分為平流濕地和垂直流濕地。表流濕地表流濕地通常是襯有不透水材料層的淺蓄水池，它們充填有土壤或砂礫基質(zhì)，并種上露出水面的植物(見(jiàn)圖9．1)。它們被設(shè)計(jì)成水淹型，所以水位在基質(zhì)表面之上，使廢水在基質(zhì)上面流動(dòng)，通過(guò)稠密的植物。從這點(diǎn)上看，它們模擬天然濕地的水流，表流濕地的建造費(fèi)用較低(根據(jù)系統(tǒng)的大小，建造費(fèi)用為1萬(wàn)—10萬(wàn)美元／公頃)，主要用于土方工程。第四頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六潛流濕地潛流濕地與表流濕地相似，但它們的設(shè)計(jì)是使廢水流過(guò)基質(zhì)，而不是在基質(zhì)上面流動(dòng)，所以水位保持在基質(zhì)表面之下。潛流系統(tǒng)比表流濕地更適合于較冷的氣候，因?yàn)榇蟛糠痔幚戆l(fā)生在地表之下，冬季地表下的環(huán)境一般比地面上要暖和。這種較暖的環(huán)境，加上輸入廢水本身的溫度，可以防止處理床在零下氣溫時(shí)結(jié)冰。潛流濕地不像表流濕地那樣容易產(chǎn)生臭味或蚊子問(wèn)題，而且它們可以處理較高負(fù)荷的廢水。但如果有機(jī)負(fù)荷太高，它們往往會(huì)堵塞。由于這一原因，通常在潛流系統(tǒng)前面有一個(gè)沉淀過(guò)程，目的是去除懸浮固體。此外，常常采用多個(gè)進(jìn)口，盡可能均勻地分散懸浮固體，避免堵塞問(wèn)題。潛流濕地的建造費(fèi)用較高(是表流系統(tǒng)建造費(fèi)用的4—8倍)，主要是砂礫填充費(fèi)用。可以將潛流系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為平流或垂直流(見(jiàn)圖9．2)。平流系統(tǒng)有時(shí)被稱(chēng)為基庫(kù)思法或根區(qū)法，是60年代中期由基庫(kù)思(R．Kikuth)博士首創(chuàng)的。它包括一個(gè)種有蘆葦?shù)妮p粘土或粘第五頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六第六頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六重土矩形床。常常添加鈣和鐵或鋁補(bǔ)充物來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤沉淀磷酸鹽的能力。它的設(shè)計(jì)使廢水水平地流過(guò)蘆葦?shù)母鶉?。這些系統(tǒng)最初很受歡迎，歐洲和英國(guó)建造了數(shù)百個(gè)這類(lèi)系統(tǒng)。遺憾的是，這種系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在著某些問(wèn)題。為了正常發(fā)揮作用，平流系統(tǒng)依靠土壤的高度多孔性以使廢水適度流動(dòng)。基庫(kù)思認(rèn)為，扎進(jìn)土壤的蘆根死后形成了可使廢水流過(guò)的小孔，會(huì)提高土壤的多孔性。幾十年的經(jīng)驗(yàn)證明，情況并非如此。由于土壤的透水性不夠，廢水流過(guò)土壤表面時(shí)產(chǎn)生了很多問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)在廣泛采用砂礫而不是土壤作為平流系統(tǒng)的基質(zhì)。當(dāng)水力負(fù)荷高、土地非常寶貴時(shí)，用砂礫最合適。雖然平流系統(tǒng)能有效降低生化耗氧量，減少懸浮固體，但由于它們相對(duì)缺氧，所以這類(lèi)系統(tǒng)改進(jìn)氨的硝化問(wèn)題。它去除病原體的效果極佳。近年來(lái)，人們逐漸對(duì)垂直流床產(chǎn)生了興趣。在垂直流系統(tǒng)中，以間歇的劑量將廢水施用于床表面，廢水垂直滲透過(guò)多為砂礫的基質(zhì)。間歇投放廢水可促進(jìn)基質(zhì)的氧合作用，這種充氧環(huán)境能更多地去除生化耗氧量并進(jìn)行更大程度的氨硝化。植物在床表面形成一個(gè)墊層，捕集需氧降解的懸浮固體。廢水慢慢流過(guò)時(shí)，基質(zhì)中的細(xì)菌開(kāi)始進(jìn)一步處理。用砂礫作基質(zhì)，避免了以土壤為基礎(chǔ)的平流系統(tǒng)所遇到的傳導(dǎo)性問(wèn)題，而交替的潮濕期和干燥期則可以提高基質(zhì)的固磷作用。第七頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六盡管人們普遍認(rèn)為垂直流床是一種更好的系統(tǒng)，但在某些情況下，平流系統(tǒng)可能是最合適的方案。例如，如果必須要把生化耗氧量和總懸浮固體濃度降至二級(jí)處理標(biāo)準(zhǔn)，但不需要氨硝化，就可以安裝平流系統(tǒng)。在缺氧或厭氧條件下用生物脫氮去除硝酸鹽方面，平流系統(tǒng)也是有用的。將平流系統(tǒng)與垂直流系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)使用可能也有好處，這種方法常常被用來(lái)進(jìn)行完全的二級(jí)處理。如果廢水先通過(guò)垂直流系統(tǒng)，然后再通過(guò)平流系統(tǒng)，就會(huì)得到最徹底的處理效果。垂直流系統(tǒng)中的需氧細(xì)菌將氨硝化為硝酸鹽，適應(yīng)了平流系統(tǒng)缺氧條件的細(xì)菌將硝酸鹽反硝化為亞硝酸鹽和氮?dú)?。廢水在垂直流系統(tǒng)中的滯留時(shí)間短，所以要想有效地去除病原體，最好是讓廢水在平流系統(tǒng)中滯留更長(zhǎng)的時(shí)間。北美大約三分之二的人造濕地是表流系統(tǒng)，而歐洲人則更偏愛(ài)潛流系統(tǒng)。

第八頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六

性能與常規(guī)系統(tǒng)相比，濕地有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，只要有現(xiàn)成的土地，濕地的建造費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)都很便宜。其次，它們能有效地處理廢水——實(shí)際上，在去除某些污染物方面，它們比常規(guī)處理系統(tǒng)更有效。它們比常規(guī)系統(tǒng)更靈活，而且對(duì)負(fù)荷率方面的變化不太敏感，尤其能很好地應(yīng)付沖擊負(fù)荷。它們還形成了野生動(dòng)物生境和綠色空間。不利的是，濕地需要大量的土地。在鄉(xiāng)村地區(qū)這可能不成問(wèn)題，但在土地非常寶貴的城市就是一大障礙(濕地鼓吹者們指出，如果城市能從數(shù)百公里外的水源處用管道輸送飲用水，那么它就沒(méi)有理由不把廢水用管道輸送到類(lèi)似距離的、更容易獲得土地的鄉(xiāng)村地區(qū)進(jìn)行處理)。關(guān)于人造濕地去除污染物效率方面的報(bào)告差異很大，從幾乎是零到90％以上，但一般來(lái)講它們的去污效果都不錯(cuò)(見(jiàn)表9．2)。很多差的結(jié)果是因?yàn)橄到y(tǒng)超負(fù)荷、管理不善、設(shè)計(jì)差、最適合去除滬的污染物或尚未完全建成。幾位研究人員認(rèn)為，濕地性能方面的易變性不應(yīng)被解釋為濕地不可靠或不可預(yù)測(cè)，而是表明需要制定一個(gè)大家都能接受的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

第九頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六濕地不可能總是最有效地運(yùn)行。因?yàn)樗鼈円揽恐参锖臀⑸镒饔?，所以在植被完全建立之?這可能需要幾個(gè)季節(jié)的時(shí)間)，不可能達(dá)到最高的去污效率，這也意味著在溫帶氣候條件下，濕地在冬季的運(yùn)行效果不如夏季好，尤其是在除氮方面。寒冷的溫度會(huì)減慢反應(yīng)，而且植物會(huì)死亡或休眠。但微生物整個(gè)冬季都在植物根上保持活躍狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)發(fā)揮作用，不過(guò)效率有所降低。濕地是一項(xiàng)較新的技術(shù)，這是另一個(gè)不利的條件。如上所述，需要制定該設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建造標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。以土壤為基礎(chǔ)的濕地系統(tǒng)中最常見(jiàn)的困難是如何使土壤保持部分充氣狀態(tài)，尤其是在平流床情況下。如果人造濕地的需氧成分超負(fù)荷或水太深，就沒(méi)有足夠的氧供系統(tǒng)有效地發(fā)揮作用。結(jié)果會(huì)造成植物生長(zhǎng)不良，生化耗氧量和氨的去除率下降。人造濕地的預(yù)期壽命問(wèn)題尚未解決：它們以最佳速率去除污染物的壽命能持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間。理論上講，這個(gè)問(wèn)題對(duì)除磷尤為關(guān)鍵，因?yàn)橥寥乐械牧诐舛葧?huì)逐漸增加，直至達(dá)到飽和點(diǎn)。但實(shí)際上，最早的人造濕地已經(jīng)運(yùn)行了幾十年，還都未達(dá)到磷飽和。

第十頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六維護(hù)和保養(yǎng)人造濕地系統(tǒng)的管理方面涉及許多工作。首先，如果以平行方式同時(shí)使用幾個(gè)床，那么就應(yīng)定期將輸入廢水流從一個(gè)床轉(zhuǎn)移到另一個(gè)床。這些系統(tǒng)可能偶爾需要沖洗，而且應(yīng)當(dāng)定期監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)，以確保其不超負(fù)荷。像任何廢水處理系統(tǒng)一樣，應(yīng)不斷地檢測(cè)出水，以測(cè)量系統(tǒng)的性能，確保達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。最后一點(diǎn)是，植物有時(shí)需要人給一些關(guān)照，如種植、除草和季節(jié)性收獲。應(yīng)用人造濕地用于處理多種廢水，其中包括城市廢水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)徑流、城市暴雨水、填埋場(chǎng)瀝濾液、造紙廢水和礦山酸性排水?？梢愿鶕?jù)下列情況來(lái)設(shè)計(jì)人造濕地：特定的氣候條件、輸入廢水的特性、所需的出水質(zhì)量以及可利用土地的特性。下面舉幾個(gè)實(shí)例。

第十一頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六城市廢水人造濕地最大量地用于處理城市廢水。人們成功地用它處理來(lái)自活性污泥和氧化塘系統(tǒng)的一級(jí)出水、二級(jí)出水以及化糞池廢水。在北美，人造濕地通通常用來(lái)為較大城市中心的城市廢水提供三級(jí)處理。而歐洲一般用于小城鎮(zhèn)和村莊的廢水的二級(jí)處理。一些政府部門(mén)還專(zhuān)門(mén)制定了利用人造濕地處理城市廢水的政策。在英國(guó)英格蘭中部地區(qū)和威爾士，地方水公司在人口不到2000、需要三級(jí)處理的社區(qū)建造人造濕地。結(jié)果約有100個(gè)小社區(qū)污水處理廠現(xiàn)已采用人造濕地，進(jìn)一步處理二級(jí)出水和暴雨溢流。城市暴雨水表流濕地處理城市暴雨水十分有效而且已被廣泛應(yīng)用。通過(guò)降解暴雨水中存在的很多農(nóng)藥、有機(jī)化合物、油和油脂，表流濕地改善了水質(zhì)。它們還暫時(shí)貯存雨水，改變了雨水的流速，從而減弱流量，讓?xiě)腋」腆w有機(jī)會(huì)沉淀。濕地常常用作系列滯留池或滲濾池。農(nóng)業(yè)徑流用人造濕地處理農(nóng)業(yè)暴雨水或圍欄育肥場(chǎng)徑流方面，雖然已發(fā)表的資料較少，但確有幾個(gè)成功的實(shí)例。一種簡(jiǎn)單的方法是在農(nóng)田與溪流、河流或池塘之間建立一個(gè)濕地緩沖區(qū)。安大略省正在建造幾個(gè)這樣的項(xiàng)目，在農(nóng)場(chǎng)圍欄育肥地的徑流和奶牛場(chǎng)的沖洗水流入當(dāng)?shù)厮乐?，用人造濕地?duì)其進(jìn)行過(guò)濾。第十二頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六工業(yè)廢水濕地有很多潛在的工業(yè)應(yīng)用。人造濕地可以用來(lái)去除金屬，調(diào)整pH值，降低生化耗氧量并過(guò)濾懸浮顆粒。例如，用它們來(lái)處理制酪工業(yè)、肉食加工廠和油脂廠的廢水、煤堆和灰堆的暴雨徑流、造紙廢水以及礦山的酸性排放水(礦山酸性排水)。爭(zhēng)論：人造濕地中植物的作用目前對(duì)植物在廢水處理方面所起作用的重要性方面，還存在著一些爭(zhēng)論。雖然一些研究人員認(rèn)為植物是人造濕地的必要部分，但其他研究人員則認(rèn)為它們的價(jià)值主要在美學(xué)方面。實(shí)際上，植物發(fā)揮幾種作用：美學(xué)、臭味控制和昆蟲(chóng)控制，以及或多或少促進(jìn)廢水處理(見(jiàn)表9．3)。讓我們來(lái)更詳細(xì)地論述每一種功能。第十三頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六第十四頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期六濕地植物的美學(xué)功能是一種重要作用，但卻常常被人們低估。人造濕地令人愉快的外觀吸引了很多人，使他們想到生態(tài)污水處理。人造濕地改善相鄰地區(qū)的景觀，并為野生動(dòng)物提供生境。很多人造濕地兼作公共娛樂(lè)區(qū)，吸引徒步旅行者、慢跑者和觀鳥(niǎo)者。植物及其枯枝落葉層形成了一個(gè)自然過(guò)濾器，有助于控制臭味。這使得濕地對(duì)相鄰社區(qū)來(lái)說(shuō)更令人愉快和更可接受。它們還阻礙雜草的生長(zhǎng)，并使昆蟲(chóng)不致在水面上繁殖過(guò)多。就