第七章 人工湿地 哈哈哈

第七章人工湿地（不清楚删减哪儿，自己慢慢看着吧，哈哈哈哈哈哈哈哈）一、人工湿地类型生产型人工湿地景观湿地工程湿地这里的人工湿地主要指工程湿地狭义定义基于污染物降解功能的人工湿地——工程湿地。

人工湿地是为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由基质、植物、微生物和水体组成的复合体，利用生态系统中基质-水生植物-微生物的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。

发展概况最早用于处理污水的人工湿地可追溯到1903年建在英国约克郡Earby的人工湿地，这个湿地连续运行到1992年（Hiley,1994）。

人工湿地研究真正受到关注始于20世纪70年代，1974年建于西德的Othfrensen湿地是世界上第一个完整的人工湿地，到了1977年，Seidel 与Kickuth合作并由Kichuth提出根区法理论（The Root-zone Method），使人工湿地作为一种独特的污水处理技术进入水污染防治领域。

我国从20世纪70年代起，开始用人工湿地处理污水，到80年代取得迅猛发展，1987年天津市环保所在我国建成了第一个芦苇湿地工程。

近十年间，无论是已开发国家(如：美国、英国、挪威、澳大利亚)或开发中国家（如：南非、印度、中国）均陆续被研究。

目的大多是将人工湿地当作二级或高级处理程序。

二、人工湿地生物净化技术的原理在一定的填料上种植特选的植物，将污水投放到人工建造的类似于沼泽的湿地上。

当富营养化水流过人工湿地时，经沙石、土壤过滤，植物根际的多种微生物活动，使水质得到净化。

1. 工程湿地构造–通常建造在洼地，湿地底部填充不透水材料或是粘土，–再按照一定的粒级填充卵石和砂土，–最后在湿地床上栽种能有效去除污染物的植物，构成一个湿地生态系统。

2、人工湿地污水处理的特点人工湿地的优点主要有：建造和运行费用便宜；易于维护；可进行有效可靠的废水处理；可提供或间接提供效益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐、教育等。

人工湿地的缺点主要有：占地面积大；不精确的设计运行参数；生物和水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏；易受病虫害影响。

3、按照污水在湿地床中的水流方式的不同人工湿地分为三种形式:表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地表面流人工湿地(Surface Flow Constructed Wetlands )类似于自然湿地，污水从湿地床表面流过，污染物的去除依靠植物根茎的拦截作用以及根茎上生成的生物膜的降解作用。

表面流人工湿地特点这种湿地造价低，运行管理方便，但是，占地大，水力负荷小，净化能力有限，不能充分利用填料以及植物根系的作用;湿地中的O2来源于水面扩散与植物根系传输，系统运行受气候影响大，在处理废水的过程中容易产生异味、孽生蚊蝇水平潜流人工湿地(Subsurface Flow Constructed Wetlands)污水从一端水平流过填料床，其由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设防水层。

水平潜流人工湿地特点水力负荷与污染负荷较大，对BOD、COD、SS及重金属等处理效果好，Ｏ2源于植物根传输，少有恶臭与蚊蝇现象，但控制相对复杂，脱N和P效果欠佳垂直流人工湿地(Vertical Flow Constructed Wetlands )是结合表面流与潜流式人工湿地的特点而成。

污水从湿地表面纵向流入填料床底，床体处于不饱和状态，Ｏ2通过大气扩散与植物根传输进入湿地，硝化能力强，适于处理氨氮含量高的污水，但处理有机物能力欠佳,控制复杂，夏季易滋生蚊蝇。

自由表面流湿地在欧洲发展缓慢。

瑞典1994年在Wittgren建一座占地22公顷的自由表面流湿地。

在北美约200座湿地处理系统有2/3是自由表面流湿地，其中一半又是自然湿地。

地下潜流系统在欧洲应用较多，有几百座。

在丹麦，德国，英国等国家都至少有200个系统在运行。

此技术还在快速发展，绝大多数系统种植有芦苇，也有种植其它湿地植物的。

择。

人工湿地不仅可用于城市和各种工业废水的二级处理，还可用于高级处理中的精处理和对农田径流的处理4、根据湿地中植物的存在状态，可分为：浮水植物系统；沉水植物系统；挺水植物系统。

湿地类型1—浮水植物系统浮水植物系统：以浮水植物为主，植物繁殖能力强，可通过光合作用由根系向水体放氧，可通过植物吸收有效去除N、P及重金属等污染物，浮水植物目前主要用于N和P的去除和提高稳定塘的效率。

湿地类型2—沉水植物系统沉水植物系统：以沉水植物为主，该系统还处于试验阶段。

湿地类型3—挺水植物系统挺水植物系统：以挺水植物为主，植物根系发达，可通过根系向基质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖，便于污染物的多途径降解，目前人工湿地主要指挺水植物系统。

四、人工湿地设计与实施（一）人工湿地净化机理1.有机污染物的去除–较大的不溶性有机颗粒经沉降过滤被填料与植物截留，并可部分被微生物降解;–污水中的可溶性有机物可被植物根系与填料表面上的生物膜吸附、吸收和代谢作用;–通过对填料的定期更换和植物收割将新的有机体从湿地中去除。

2. N和P的去除N 循环人工湿地: P 循环在高浓度的污染条件下，植物吸收的氮磷的量会超过自身生长所需要的量，最后通过收割植物而使氮磷等污染物从污水和湿地系统中去除。

实验表明，在湿地使用的第一年，营养物质在植物根部的含量占到35%以上，随着时间的增长，根部的营养物质含量还会增加到75%以上。

所以，仅仅通过收割植物地面上部分而去除的氮营养元素，仅占去除总氮量的8%－16% 3. 重金属的去除重金属的去除机理：–吸附作用：与土壤、沉积物、颗粒和可溶性有机物的结合；–生物吸收：被植物和微生物吸收。

重金属去除效率取决于植物类型和重金属类型–浮萍植物能够贮存大量铜、镉、硒–镉、铜、镍、铅和锌与硫化物形成不溶性化合物–铬、铜、铅和锌与有机物质结合成复杂的化合物–铬和铜能与粘土通过化学键结合，并被固定起来4. 病原菌的去除-人工湿地提供了去除病原菌的途径通过沉降作用去除–研究表明：57% 总大肠杆菌、62% 粪便大肠杆菌、98% 贾第鞭毛虫病、87% 似隐孢菌都能被湿地去除。

–细菌聚积在沉淀物表面：会受到人为活动干扰通过根系结构过滤概括来说，对各具体污染物的去除机理：–物理沉淀作用去除悬浮物；–物理沉淀作用和生物降解作用去除有机物；–物理化学吸附作用、化学固定作用和植物吸收作用去除重金属；–氧化还原作用和植物吸收作用去除N；–化学固定作用和植物吸收作用去除P；–物理沉淀作用和微生物间的相互作用去除病原微生物。

（二）设计原理工程湿地被设计用于去除可溶性和固体有机物、TSS、氮、磷、重金属、烃类，以及病原菌和病毒，其设计需要特别注重流域、水文条件、集水区地形、化学负荷、土壤以及植被等。

1. 流域当构建一个工程湿地时，应该既考虑其在流域中的作用，也要考虑其在该地区更广的生态系统背景中的作用。

–这些作用包括对地表水和地下水潜在的水质影响(物理的、化学的、生物的、热力的);–周围和上游的土地利用;–与野生生物迁移和候鸟迁徙路径有关的湿地的位置;–引入非本土动植物物种的潜在威胁;–当地居民对其流域内构建湿地适宜性的理解。

水文条件是湿地设计中最重要的变量。

水文条件，依次取决于气候、水的流速、河流和径流的季节性模式，以及可能的地下水影响。

不恰当的水文条件会导致工程湿地的失败。

水文条件包括积水期与深度变化、季节和年际波动、水力负荷速率等参量。

(1) 积水期与深度变化工程湿地最基础设计参量之一是积水期与水深度。

随时间的变化，具有季节性水深度波动变化的湿地对生物多样性和生物地球化学过程有着最大的潜力。

在工程湿地的启动阶段，需要低水位来避免破坏新长出的挺水植物，然而连续的淹水对于漂浮植物和沉水植物却是必需的。

如果湿地植物是从种子发芽开始生长的，精确阶段性的水位降低是必需的。

植物建立的启动阶段可能会花2-3年，而形成一个充足沉积物过滤层可能还会在其后再花2-3年时间(2) 季节和年际波动暴雨和季节性洪水很少直接影响人工废水处理湿地，但它们能显著地影响面源径流从而控制湿地。

–在农村大多数注入湿地的磷会被吸收到沉淀物中，所以当外界冲刷因素最大时（在暴雨和在冬天及早春，而植被覆盖较低时），会导致高含量磷的加载。

水文条件季节性变动基本有一定规律，但年际间变化却经常是不确定的。

(3)水力负荷速率:–单位时间内，通过单位面积的水量叫水力负荷。

–Knight总结了几十个用于废水处理的工程湿地，发现水力负荷速0.7-5 cm.d-1，他推荐表面流工程湿地水力负荷速率范围为2. 5 -5cm.d-1，潜流工程湿地水力负荷速率范围6-8cm.d-1。

–在设计湿地时，需要考虑集水区的地形。

–在湿地设计中，植物需要有向―上坡‖移动的空间，以防由于水流比预计更大或需增强处理能力。

4. 化学负荷–水流注入湿地，可能会携带一些有益物质，也可能带来对湿地功能有害的化学物质。

若注入湿地的化学物质超过它的负荷能力，不仅起不到净化作用，还会成为化学物质的源。

5. 基质/土壤–基质，又称填料，是人为设计的由不同大小的砾、沙、土颗粒等按一定厚度铺成的供植物生长、微生物附着的床体。

–目前可用基质主要有土壤、碎石、砾石、煤块、细沙、粗砂、煤渣、多孔介质、硅灰石和工业废弃物中的一种或几种组合的混合物。

具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作用，能将水体中的SS，N，P等营养物质有效去除。

1）人工湿地基质的构建–从基质的种类、粒径和厚度三方面加以考虑：不同基质的人工湿地其净化效果不同。

基质粒径的大小是影响湿地系统水力传导性的主要因素, 直接关系到污染物在湿地中的停留时间和系统的空隙度。

基质粒径在0-30mm之间, 最常选用的粒径范围是4- 16mm基质的厚度一般需根据所栽种植物的种类及根系的生长深度确定,基质厚度在0.5-1.0m 之间, 大多数在0.6- 0.8m 之间。

2）有机质含量–土壤有机质含量对于滞留化学物质具有重要作用。

–有机土能够通过离子交换除去一些污染物（如重金属)，还能够通过提供反硝化作用所需要的能源和厌氧条件来帮助除氮。

–但在大多数工程湿地的建造中，会避免使用有机土，因为有机土营养含量低，会造成较低的pH，并且常无法满足有根水生植物的生长需要。

3）营养物–有机土、壤土或沙土的低营养水平影响了植物最初的生长。

–虽然在某些情况下，肥料对种植植物和促进生长是必需的，但还是应该尽量避免，因为湿地可能会因此而成为营养物质的汇。

表面流人工湿地多以土壤为基质，潜流与垂直流系统则根据不同的特征污染物选择不同的基质，并须考虑便宜、易于取材等因素以SS，BOD和COD为特征的污水，须根据水力停留时间、水容量以及出水水质等因素，选择土壤、细沙、砾石、瓦片或灰渣中的一种或多种为填料。