人工湿地污水处理技术及工程应用 10页

'全国污水处理节能减排新技术、新工艺、新设施高级研讨会论文集人工湿地污水处理技术及工程应用张统，李志颖(总装备部工程设计研究总院，北京市lo0028)人工湿地工艺是20世纪七十年代发展起来的一种新型污水处理技术，是对天然湿地系统的模拟与强化。人工湿地污水处理系统是将污水有控制地投配到土壤经常处于水饱和状态，并生长有芦苇、香蒲等水生植物的土地上，污水在沿一定方向的流动过程中经耐水植物和土壤联合作用而得到净化的一种土地处理系统。1人工湿地的分类及特点1．1人工湿地的分类根据污水在湿地中水面位置和水流方向的不同，人工湿地可分为：表面流型人工湿地和潜流型人工湿地。(1)表面流型人工湿地水面位于湿地填料层以上，水深一般0．3m～0．5m，水流呈推流式前进(图1)。污水从人口以一定速度缓慢流过湿地表面，部分污水或蒸发或渗入地下，出水由溢流堰流出。近水面部分为好氧层，较深部分及底部通常为厌氧层。在此种类型的湿地中，主要种植挺水植物，如芦苇、香蒲、水葱、灯心草等。浮水植物系统和沉水植物系统，常归为水生植物塘系统。种植挺水植物的自由水面人工湿地(FWS型)多应用于生活污水的深度处理，也有用于处理矿山废水，城市和地表径流，工业废水等。FWS型湿地水力负荷一般较低，达到同等处理效果的条件下，其占地面积要比潜流型大，并且易受季节影响，但其投资少，运行费用低，维护简单。图1表面流人工湿地示意图2潜流型人工湿地该系统水面位于湿地填料以下。它是近年来被广泛研究和应用的湿地处理系统。根据湿地中水流形态，可分为水平流(HF)、竖向流(VF)和复合流3种潜流式人工湿地。水平潜流式湿地水流从进口起在根系层中沿水平方向缓慢流动，出口处设集水装置和水位调节装置(图2)。由于该系统中好氧生化反应所需氧气主要来自大气复氧，数量不足，因而导致脱氮效率不高。但对·48· *缱．埠^IⅢ地7{m处目技$＆l：RRⅢB01)．C01)和瞩盒膳的』：除效果”，受平n影响亦较HHO畦W#Ⅸ目2水}*漉Ⅲ人Immie目垂直}恃漉式湿地其水{j!【疗向和根系膳‘^垂n状态，Ⅲ水收集系统一般设枉湿地底部(图3)，!-j水甲潜耕c蜊棚比，苴作川jc!l=于提高r氧¨污水及垃料q-的转移敢毕，由F儿嵌层为渗透忡良盘『的砂层．水^负荷一般较高，其埘N、P上除敢粜较好，但对ss的去睬则较差。目3|直m^Im地i窟目复合游漉式魁地麒水件漉志既有水平流．也钉嚷由漉(罔4)。刚时也r4选用不M帆物多缎串联使JH。采用复台垂直流人T湿地处理城镇居民巾话污水的研究丧叫．J￡jtNH，一N、rP、COD。、BOO，、TSS、细蔺总数和浊度的去除牢均高选80％以hm水水质达剑『目家杂川水怀准。此外，山于芦管j{有较强的_I{{系亢氧能力．适F放种在床体巾朐：分之一范闸。菱草具有较好的氮磷吸附作用和较弱的根系克氧性能，适于栽种在床体后：分之二段内。利川两者措配的复台植物球人J：滟地综台净化效果优J‘单机物人丁温地。成都市活水公硝^1：§{地塘眯系统采刚茸蒲、芦苇等近30种女^地植物，监测得其m水水质选刊国家地表水Ⅲ类水域水质标准12人工涟地去除污染物的机理人【湿地对污水的处州有十分复杂的净化机理。一般认为，人【湿地生态系统是通过物理、化学及生化反应。豇协M作川净化污止。片cIT物理作用主要是过滤、沉积作用，污水进^湿地，经过填科层及密集的植物茎叶和根系，n，咀i=￡滤，截留污水tft的悬浮物．并机${在填料中；化学反应主要指化学0C淀、吸附，离于交换和瓴化还原反府等．这衅化学厦应的发生{蟹取决于所选择的填料类碰；乍化厦啦主竖指微小物在"铤、)E毓发版钮状态F，通址”环、断键分解成简怛升于、小分子等作川．实现时污染物的降斛和』、除。眭q-构成人r濉地的4个基本錾索郁l；卉啦I虫的净化n水能力，兜儿址人1湿地填料中微生物种群枉污水净化过程中起到极其币婪的作川。 全国污水处理节能减排新技术、新工艺、新设施高级研讨会论文集图4垂直复合潜流式人工湿地示意图人工湿地填料主要由土壤、砂、卵石、人工介质等组成，土壤往往被看成足高效的“活过滤器”，它的净化功能主要由下列要素组成：①绿色植物根系的吸收、转化、降解和生物合成作用；②土壤中的细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、转化和生物的固定化作用；③土壤的有机、无机胶体及其复合体的吸收络合和沉淀作用；④土壤的离子交换作用；⑤土壤和植物的机械截留作用；⑥土壤的气体扩散作用。土壤的净化能力受气候和其他环境条件的影响，在温暖的植物生长季节，对生物可降解的有机污染物，上述要素中①、②、③项起主要作用；对无机盐类、营养元素和重金属等污染物，①、④项起重要作用；对那些易挥发的或者可以转化为气态污染物的，则⑥项起主导作用。还有研究认为含有机质丰富的填料有助于吸附各种污染物，如含CaCO，较多的石灰石有助于磷的去除。湿地填料土壤的物理性能至关重要，一般要求土壤质地为粘土土壤，渗透性为慢中性，土壤渗透率为0．025—0．35cm／h为宜。人工湿地填料中微生物种群在人工湿地污水净化过程中起着极其重要的作用，主要的生物化学反应大多是在微生物和酶的作用下进行的。人工湿地中的微生物极其丰富，这为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。微生物对污水中的主要特征污染物具有显著的去除效果，如N的去除主要通过硝化和反硝化过程，大多数人工湿地处于一种厌氧状态，所以反硝化过程是N去除的主要途径之一。而反硝化过程(NO，2。、NO：一、NO一、N：0、N：)是一个连续的酶促反应，所以在N的去除作用中微生物起了重要的作用。微生物作用是污水中的凯氏氮以及COD去除的主要途径，而磷细菌的数量也与磷的去除率呈明显的正相关。微生物的活性受各种因素的影响：不同的酶活性受不同形态碳的影响。当湿地中碳过量时，N和P就可能成为微生物增长的限制因子。表1人工湿地去除污染物的机理机理BODSSNP重金属难降解有机物细菌备注沉降次主次颗粒物的重力沉降物理过滤主介质过滤作用’吸附主颗粒物的引力沉淀主化学反应化学吸附主一般在介质和植物表面吸附分解主在特定条件F分解细菌代谢主植物吸附和生物降解生物植物代谢一般～般植物的吸收和代谢自然死亡主不适应环境的自然死亡1．3人工湿地的运行特点人工湿地处理系统作为一种低成本、易操作和高效率的污水处理方法，在一定条件下，可以取代常规的处理方法而用于许多种废水的处理，其中最常见的是用于处理生活污水。据资料统计，一般湿地系统的运行费用为传统的二级污水厂的1／10—1／6。由于人工湿地基本上不需要机电设备，故维护·50· 怅绒，肆：人工＆地}}木处理技术度I狸庙用r*是清PB莱道肚管，日作御．一般技术艟完个r，『以承静i，jl需个别々、№人m定捌榆矗．1岛扑的运{r赀川常常足巾小城镇肚农村Jr腱污水处理的限制条件，lnJ人J：湿地则避免r这蝗缺点寅践表叫，低投资低运行赞Ⅲ、低维护技术蚪世廉价的I．地特使r大巾小城镇采JH人l：黼地处理fj水成为，Ⅱ能作为新农村建j5}的一部分，村镇牛活污水处理必须学虑除磷，脱，戚，㈣时女必须址商效、低投资、低延行成本Ii易卡鹊，啪L氍技术这样人工温地成为r优先f以肯虑的I：艺寿2^Im地与其它I艺％较裹2人工湿地的构造人T泓地系统主体站构可以分为叫雎，从下列L依次为防洛膜、域料、上壤以及枘物组成，在^^地土壤和填料中古有大节好氧、菲氧以拉厌钮微生物，日前It水平潜甜(越地的戊川和填科的研究较少，填科膳多采用单一介质；垂直潜漉湿地填料Hli}．1有多种形式．丰要采片j曲堪介质和多联介质。两茁介质根姑粒狰巾小到大由上而下填充；多层介质根据填料中各介质的功能不同．填料堪lⅡ以分为承托膳、过渡L：、反应壕以及过滤J丢等。承托层用于保护和支撑收水管道，一般粒衽较』=，30⋯60；过渡岱将反应培和承托层分开，q，等粒径lO一30mm，避免反j训营嚏料进^收水管道；反应层填充人]‘介质，足牛物降解的主要场所，是微生物浓度最大的区域；过滤层截留污水中大的悬浮卷有机物，般粒径较小．1—5一。目5*‰|i镕*式人I温地椅造填料巾引人人L介质，日的址为r改变填料的物理化学性质，增加填料巾微生物的种群．增强湿地的去污能力，H前采用的介质耵砂、砾柯、沸打、炉涟，瑚粒、碎“，草碳等儿{昆龠物。根据处理闩的不¨，濉地内部采甩午目的内酃构造；(I)多层介质：JljI一处瑚¨染物浓度晰的污水，主婪上脒污水中的悬浮物，有机物，县备排分脱氰除磷功能；主要对象为经过简单预处理的污水：-5J· 全国污水处理节能减排新技术、新工艺、新设施高级研讨会论文集(2)两层介质：用于处理污染物浓度较低的污水，主要去除有机物，强化脱氮除磷功能；主要处理对象为经过强化预处理的污水、微污染的河水、回用于景观水体的污水深度处理、景观水体水质保持；(3)表面流湿地：稳定水质，深度净化；处理二级生物处理出水。3人工湿地的发展方向由于人工湿地的处理效率受温度、填料类型、进水污染物浓度、运行年限等因素的影响，在不同气候条件或不同的运行阶段处理效率变化较大，出水水质不稳定，难以达到处理要求，以及存在易堵塞、占地多、施工难度大等难题，在实际工程应用中，多采用“预处理+人工湿地”组合处理工艺，通过强化预处理单元，来弥补在湿地处理效率降低的情况下，保证出水能够达到处理要求。我们在沈阳四平、酒泉卫星发射中心、北京、广州、桂林所设计的人工湿地运行实践研究发现，在我国寒冷地区冬季或平均水温低于10℃时，单纯的人工湿地对COD的处理效率仅为nOOk一60％左右。因此，根据不同出水水质要求，在经济最优条件下，选择适当的预处理工艺，对保证人工湿地的常年运行效果至关重要。通过强化预处理，再结合湿地处理，湿地采用容易施工的单层介质或双层介质构造，在投资及运行费用增加不多的情况下，不仅解决了人工湿地在推广和施工过程中面临的难题，而且出水还可以达到中水回用的要求，提高了水资源利用效率，比单纯的人工湿地工艺节省了占地。预处理依据出水水质要求以及所处南北方的不同，采用不同的强化处理工艺。预处理程度可深可浅，对于南方，预处理通常简单，对于北方，由于有越冬问题，预处理要求通常会高一些。预处理工艺根据情况不同，可采用沉砂、水解酸化、接触氧化、生物滤池等单一或组合工艺。污水水质经过预处理达到一定要求后，再进人人工湿地进行处理，出水不仅达标，而且部分可直接达到中水回用要求。常采用的预处理工艺有：(1)沉淀预处理沉淀预处理+人工湿地的组合处理工艺通常用作处理受污染的河水或优质杂排水，其水质特点是有机污染物和悬浮物浓度较低，COD一般在100mg／L左右；在工程应用中延长沉淀时间，可去除污水中绝大部分的无机颗粒物和部分有机悬浮物，其目的一方面避免无机颗粒物进入湿地，减少湿地空隙率，从而保持湿地的通透性；另一方面去除有机悬浮物降低湿地的处理负荷。(2)水解酸化预处理水解酸化预处理单元利用水解和产酸微生物，将污水中的固体、大分子和不易生物降解的有机物降解为易生物降解的小分子有机物，使得污水在后续的处理单元以较少的能耗和较短的停留时间下得到处理。水解酸化工艺有两个最为显著的特点：其一，水解单元可取代传统的初沉池，水解单元对有机物的去除率远远高于传统的初沉池；其二更为重要的是经过水解处理，污水中的有机物不但在数量上发生了很大变化，而且在理化性质上发生了更大变化，使污水更适宜后续的生物处理。水解反应是典型的生物反应，因此温度变化对水解反应的影响符合一般的生物反应规律，即在一定的范围内，温度越高，水解反应的速率越大。但研究表明，当温度在10℃一20℃之间变化时，水解反应速率变化不大，由此说明，水解微生物对低温变化的适应性较强。经过水解酸化过程后，污水中有机物的降解过程大大缩短，在同等条件下，将有利于提高人工湿地的处理效率。以水解酸化作为预处理的工艺特点是在无需额外增加能耗的情况下，使污水的性质发生变化，大大提高污水的可生化性，有利于保证湿地的处理效率。．S2． 张统，等：人工湿地污水处理技术及工程应用(3)生物接触氧化预处理生物接触氧化通常有两种形式：好氧接触氧化和厌氧接触氧化。通常情况下，好氧生物反应的速率远高于缺氧条件下的反应，采用好氧接触氧化作为人工湿地工艺的预处理单元将大大降低人工湿地的有机负荷。生物接触氧化单元的主要控制参数是停留时间。以好氧接触氧化为主体的处理工艺停留时间一般为4—6小时，将好氧接触氧化作为预处理单元时，控制接触氧化的停留时间为2～4小时，一方面降低生物接触氧化单元的工程造价，另一方面节省了能耗，同时通过好氧接触氧化处理，降低了人工湿地的处理负荷，保证了出水效果。接触氧化单元受温度的影响较小，冬季条件下仍然能够保持较好的处理效果。因此，以好氧接触氧化作为预处理单元，适合于北方寒冷地区以及要求出水水质较高的地区，经过消毒后出水可直接回用。以厌氧生物接触氧化作为预处理单元首先能得到较好的出水水质，降低了后续人工湿地的负荷和工程投资，而且无需额外增加能耗，适用于进水有机污染物浓度较高以及常年平均气温较高的地区。当采用接触氧化工艺作为预处理单元时，在接触氧化单元后需增加沉淀池，保证污泥不被带入人工湿地。(4)生物滤池预处理生物滤池有三种形式：普通生物滤池、厌氧生物滤池和曝气生物滤池。用作人工湿地的预处理时，通常采用普通生物滤池。普通生物滤池处理效果好，COD去除率可达50％以上，出水水质稳定，无需人工供氧；缺点是占地面积大，卫生状况差。普通生物滤池采用低负荷运行，一方面保证一定的去除率；另一方面防止填料内生物膜增长过快，导致滤层堵塞。以生物滤池作为预处理，工程投资小，运行费用低，适用于偏远地区远离城市中心，对卫生状况和出水水质要求不高的地区。生物滤池与生物接触氧化类似，在出水中含有脱落的生物膜，因此，生物滤池预单元后必须设置沉淀池。4工程实例4．1项目简介中国人民解放军某师，位于南方某市。营区背靠自然山体，该营区总面积3．6万平方公里，现有各类营房建筑面积17．6万平方米。该营区生活用水由市政自来水供给，工业用水和杂用水主要由5口自备井供给，营区地下水资源丰富，地下水位较高，水质符合国家标准要求。营区内污水It排放量约为l800吨，无专门污水管网，污水部分排人营区内的池塘，部分通过营区内排水沟排入营区南面的雾花河，雨污合流制，浪费了宝贵的水资源，同时对营区及周围环境造成污染危害。该营区东区，污水日排放量为600吨，直接排人营区内两座分别为60m×40111和110mX30nl的池塘。通过详细论证研究，拟将东区现有的池塘改造成人工湿地和水生植物塘，建设一座600In3／d的污水处理站。·53． 全国污水处理节能减排新技术、新工艺、新设施高级研讨会论文集4．2设计依据(1)《城市污水再生利用分类》(GB／T18919—2002)；(2)《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》(GBl8920-2002)；(3)《城市污水再生利用景观环境用水水质标准》(GBl8921-2002)；(4)《污水再生利用工程设计规范》(GB50335-2002)；(5)《室外排水设计规范》(GBJl4—87)；(6)《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)；(7)《给水排水设计手册》，中国建筑工业出版社，北京，2000年10月；4．3设计水质及处理要求设计水量设计污水处理量：600in3／d。设计水质污水水质按一般生活污水考虑，设计进水水质如下：表3东区污水站进水水质l项目pHCODBODssNH。+一NI水质参数6-9250mg／L180mg／L200mg／L30mg／LI处理要求执行《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》(GBl8920-2002)，城市绿化水质标准：表4东区污水站执行水质标准序号项目城市绿化lpH值6．5—9．02色度，N"lq．J303浊度，度104嗅无不快感觉5溶解性总固体，mg／L10006BOD5，mg／L207COD。。，mg／L508氨氮(以N计)，mg／L204．4工艺流程设计工艺流程图新建营区污水处理站拟采用人工湿地处理技术，预处理采用厌氧接触氧化工艺，该工艺已在多项中水处理工程中实际应用，并取得良好的处理效果，其工艺流程如下。工艺流程主体构筑物说明图6东区污水处理工艺流程图·54· 张统，等：人工湿地污水处理技术及工程应用污水经过格栅去除漂浮物和大的悬浮物质，沉砂池去除污水中的砂石等无机物，厌氧接触氧化池通过特殊的结构设计，将原水中的非溶解态有机物截留并逐步转变为溶解态有机物，同时通过厌氧反应去除部分有机物；沉淀池进行泥水分离，防止厌氧接触氧化出水中的污泥进入湿地，堵塞湿地布水管；水生植物塘中种植不同的植物，利用水生植物和水生动物的协同净化作用进一步降解污水中的有机物，特别是氮磷等引起富营养化的物质，水生植物塘出水直接回用于营区绿化、冲洗道路等，雨季处理后溢流排出营区。4．5工艺参数(1)格栅污水中含有大量较大颗粒的悬浮物和漂浮物，格栅的作用就是截留并去除上述物质，对水泵及后续处理单元起保护作用。本工艺采用间隙为5mm的机械格栅，以减轻劳动强度和改善工作条件，污水通过格栅后进入沉砂池。工艺参数：设备宽度：600mm，栅条宽度：5lnln，栅隙：5mm安装角度：600，总安装高度：2200mm；栅槽宽度：700mill，栅槽深度：l200mm。(2)沉砂池本设计采用平流式沉砂池，具有截留无机颗粒效果好、工作稳定、构造简单和排砂方便等优点。保证后续处理单元的稳定运行。工艺参数：平面尺寸：4．0x1．0m，有效水深：1．Om；沉砂斗深：1．1Ill，上口宽：1．6m，下口宽：0．5m，斗壁与水平面的倾角为55。。停留时间：12min(3)厌氧接触氧化池污水处理的主要预处理单元，内置悬挂式网状填料，增加池中微生物的量，具有较强的抗有机负荷冲击的能力。工艺参数：容积：219．42m3；有效容积：1601113有效尺寸：10．0×4．0x4．0(m)停留时间：6．OH内置填料：144m2(4)沉淀池作用是对接触氧化池出水进行泥水分离，防止厌氧池出水带入的污泥造成人工湿地的堵塞。设计参数：容积：219．42n13；有效容积：160m3有效尺寸：4．0x4．0x4．0(m)；分两格，每个有效尺寸：2．0x4．0x4．0(m)内置污泥回流泵一台，型号50JYWQ20～1200一1．1，出水管径50哪，流量20m3／h，扬程8m，功·55· 全国污水处理节能减排新技术、新工艺、新设施高级研讨会论文集率1．1kw。(5)中间水池中间水池有效尺寸：2．0x4．0x4．0(n"1)停留时间：1．28h内置污水提升泵两台，型号50JYQW25-5一I．5，出口管径50in／n，流量25m3／h，扬程5m，功率1．5kw，一用一备。(6)人工湿地利用填料表面生长的微生物的分解作用、填料层和生物膜的吸附阻滤作用、以及植物生长吸收等作用的协同净化效果，使污水中的污染物得以高效分解去除；同时利用微生物内源呼吸原理，在人工湿地内部微生物增殖与消解达到平衡，实现人工湿地系统污泥的零排放。根据现场条件，人工湿地通过现有池塘改造。湿地尺寸：50．0x40．0(m)，分成两块；(7)水生植物塘在水生植物塘中种植各种对废水中氮磷有较强吸收作用的植物，同时培养各种观赏性的水生动物，利用水生植物和水生动物的协同净化作用进一步降解人工湿地出水中的有机物，保证出水的水质的稳定性，同时也增加营区的水面景观。根据营区的实际条件，对现有的池塘实施改造，在池塘中划分不同的区域，分别种植芦苇、水葱、蒲草、凤眼莲等水生植物，利用水生植物对污染物的特殊吸收作用进一步去除污水中的氮磷等营养性污染物。水生植物塘尺寸：100．0mX30．0m。4．6运行效果该项目目前已正常运行将近三年，检测出水各项指标见表5：表5出水水质指标I项目pHCOD／mg／LSS／mg／LNH4+一N／mg／LN03一N／mg／LTP／mg／LlJ结果6～9}24．03，08．05．2}0．8l电话：010—66358601E—mail：xyz_lxy@163．e_,om·56· 人工湿地污水处理技术及工程应用作者：张统，李志颖作者单位：总装备部工程设计研究总院,北京市100028本文读者也读过(6条)1.郑姝卉.李振.白娟.ZhengShuhui.LiZhen.BaiJuan浅析我国人工湿地污水处理技术[期刊论文]-山东水利2009(9)2.王晓东人工湿地在水处理中的应用[期刊论文]-中小企业管理与科技2010(18)3.刘恩玲.谢拾冰.LIUEn-ling.XIEShi-bing人工湿地污水处理技术应用研究[期刊论文]-河北农业科学2008,12(1)4.汪萍人工湿地污水处理技术[期刊论文]-科学咨询2008(17)5.张秋贞.王立形.郭淑琴人工湿地处理系统的构成与运行管理[会议论文]-20086.刘汉湖.张红振.白向玉.LIUHan-hu.ZHANGHong-zhen.BAIXiang-yu人工湿地污水处理系统优化设计模型[期刊论文]-水资源保护2008,24(3)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7259104.aspx'