人工湿地技术的概述及应用实例
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科技创新导报 ２００９ ＮＯ．３１ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 人工湿地技术的概述及应用实例
环 境 科 学
杨佩瑾 (北京交通大学土木建筑工程学院环境工程系 北京 100044)
摘 要:人工湿地技术是一项正在不断得到研究和发展的新技术,具有广阔的前景。本文简要介绍人工湿地的概念,原理及其发展,并提 出该技术的优势与不足。同时介绍了美国环保署(EPA)厌氧堆肥人工湿地示范工程以及美国加州橘郡的人工湿地应用于水处理的工程实
而影响湿地的处理能力,还能够参与营养 物 质 的 再 循 环 。这 些 微 生 物 可 分 为 好 氧 型 , 厌氧性以及兼性厌氧型。
1.2.5 动 物 人工湿地为大量无脊椎动物和脊椎动 物 提 供 了 良 好 的 栖 息 环 境 。无 脊 椎 动 物,例 如 昆 虫 和 蠕 虫 ,能 够 粉 碎 沙 砾 ,消 耗 有 机 物 。许 多 昆 虫 的 幼 虫 为 水 生 动 物 ,因 此 在 它 们成长过程中可以消耗大量的物质,这个 过 程 可 能 会 持 续 好 几 年 。无 脊 椎 动 物 与 脊 椎动物构成食物链,在生态方面也起到了 一 定 的 作 用 。无 脊 椎 动 物 在 水 质 改 善 中 起 到了关键的作用,因此它作为湿地最重要 的 动 物 种 类 受 到 广 泛 关 注 。同 时 ,人 工 湿 地 也吸引大批不同种类的两栖动物,龟类,鸟 类以及哺乳动物。 1.3 人工湿地污水处理系统 1.3.1 湿 地 的 净 水 原 理 在人工湿地处理系统中,水由一端导 入,水流在表面上或在基质中流过,而后通 过 出 流 堰 或 其 它 构 筑 物 从 另 一 端 泻 出 。人 工湿地的净水机制包括: ①沉淀悬浮的颗粒物质; ②过滤和化学沉淀流经基质和填料的 水; ③进行化学转化; ④在植物,基质,沉淀物和填料表面进 行吸附和离子交换; ⑤利用微生物和植物破坏和转化污染 物; ⑥ 利用微生物和植物摄取和转化营养 物质。 1.3.2 人工湿地污水处理系统 人工湿地污水处理系统由预处理单元 和人工湿地单元组成,通过合理设计可将 BOD5、SS、营养盐、原生动物、金属离子和其 他 物 质 处 理 达 到 二 级 和 高 级 处 理 水 平 。预 处 理 主 要 去 除 粗 颗 粒 和 降 低 有 机 负 荷 。构 筑 物 包 括 双 层 沉 淀 池 、化 粪 池 、稳 定 塘 或 初 沉 池 。人 工 湿 地 单 元 中 的 流 态 采 用 推 流 式 、 阶 梯 进 水 式 、回 流 式 或 综 合 式 。 1.4 人工湿地的优点及不足 人工湿地具有以下几个优点: ①建造费用较其他处理系统低; ②操作和维护费用低; ③操作和维护仅需定期而非连续性的 现场操作;
prospect. This paper describes the concept,theory and the development of CWS briefly, and points out the advantages and limitations
of this technology. This paper also introduces the anaerobic compost constructed wetlands system technology of USEPA and the CWS
project in California, and then provides some analysis.
Keywords: Constructed wetlands; overview; application
1 人工湿地系统的概述
1.1 人工湿地的概念 湿地是水和陆地的过渡地区,它包括
沼 泽 ,泥 塘 ,涝 滩 ,潮 湿 的 低 洼 地 以 及 河 流 沿 岸 潮 湿 的 土 壤,范 围 很 广 。人 工 湿 地 是 一 种由人工建造和监督控制的,与沼泽地类 似 的 地 面 ,是 一 个 由 植 物 ,动 物 ,微 生 物 和 周围环境所组成的复杂的集成系统。
人工湿地系统是由设计合理的洼地组 成 ,它 包 括 (1)水 体 ,(2)基 质 ,(3)维 管 束 植 物 (大多数情况下),这三种组分是人工操作完 成 。其 他 重 要 组 分 ,比 如 (4)微 生 物 群 和 (5) 水生无脊椎动物,则是自然生长。
1.2.1 水 体 在可以导流入地表水的低洼地带或是 渗透性相对较差的地下层,湿地往往很容 易 形 成 。这 样 的 条 件 是 建 设 湿 地 的 基 础 。 水文条件是设计人工湿地最重要的设 计因素,因为它联系着湿地中的所有功能, 是 决 定 人 工 湿 地 成 败 的 基 本 条 件 。人 工 湿 地的水文学条件与其他地表水和近地表水 没有特别大的不同,但它们在以下几个重 要方面还是存在差异: ①水文条件的轻微变化能够给湿地及 其处理性能带来较大的影响; ②由于水体表面面积较大,深度较浅, 湿地系统通过降水和蒸腾(包括水表面蒸 发和植物蒸腾作用)与大气相互作用; ③植物密度对于湿地的水文具有很大 影 响 。第 一 ,植 物 的 根 、茎 、叶 组 成 的 网 络 可
１ １ ２ 科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
环 境 科 学
④可缓冲对水利和污染负荷的冲击; ⑤使水能够再循环利用; ⑥为许多湿地生物提供栖息地; ⑦ 可 提 供 和 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。 但是,人工湿地还具有以下几个限制 条件: ①比传统的污废水处理系统需要更大 面 积 的 土 地 。只 有 在 可 利 用 的 土 地 足 够 的 情况下,湿地处理系统才相对比较经济。 ② 不 如 传 统 处 理 方 式 稳 定 。湿 地 系 统 的处理效力可能会随着季节性的环境变化 而 发 生 较 大 变 化,诸 如 降 水 或 干 旱 。虽 然 平 均出水水质可以达到要求,但是湿地处理 系统并不能保证出水水质一直保持达标。 ③生物组分对有毒化学物质(如氨,农 药等)较为敏感。 ④污染物或是水流的冲刷可能会导致 处理能力的暂时降低。 ⑤ 湿 地 能 够 承 受 暂 时 的 水 位 降 低 ,但 是无法承受完全干涸。 1.5 人工湿地的类型 人 工 湿 地 可 分 为 。( 1) 表 面 流 湿 地 。( 2) 潜 流 湿 地 。( 3 ) 表 面 流 与 潜 流 混 合 湿 地 系 统 。人 工湿地也可以与传统水处理技术相结合, 用 于 处 理 生 活 污 水 ,农 业 污 水 ,矿 业 废 水 , 雨水等。 1.5.1 表 面 流 湿 地 它由浅盆地,土壤或其它支撑植物根 系生长的介质以及控制水深的构筑物组 成 。水 面 在 地 表 面 以 上 ,植 物 路 出 水 面 ,扎 根于土壤中,水流基本覆盖地表 表 面 流 湿 地 更 像 是 自 然 湿 地 。能 够 用 于水处理,为野生动物提供栖息地,同时也 具 有 美 学 价 值 。在 表 面 流 湿 地 中 ,表 层 含 氧 充 足 ,而 水 层 下 部 和 基 质 则 为 厌 氧 层 。处 理 雨水,矿业废水和农业污水常用表面流湿 地。 表面流湿地也被称作自由表面流湿 地 。它 的 优 势 在 于 投 资 和 运 行 费 用 低,操作 和 维 护 简 便 。主 要 缺 点 是 占 地 面 积 比 较 大 。 1.5.2 潜 流 湿 地 它是一个封闭式的盆地,带有由石头 或 沙 砾 组 成 的 多 孔 基 质 。水 面 在 地 表 面 以 下,水流流经填料床,植物的根深入到填料 床 底 部 。在 美 国 的 大 多 数 人 工 湿 地 系 统 中 , 水流是水平的,而欧洲的系统一般都是竖 直流。 潜流湿地最适用于固体浓度相对较低 的 污 废 水 ,一 般 常 用 于 降 低 生 活 污 水 的 BOD5.它 的 优 点 在 于 能 够 适 应 寒 冷 的 环 境 , 将蚊虫和臭气带来的问题最小化,并且由 于其孔隙多,表面积增大,每个单元吸收的 污染物的潜力比表面流系统更大,占地面 积更小,更适用于公共地区。 潜流湿地的缺点是成本高,因此常被 用 于 小 型 的 处 理 系 统 。另 外 ,潜 流 湿 地 运 行 和维护较表面流湿地成本更高,更不易控 制 。目 前 ,潜 流 湿 地 仍 然 有 许 多 问 题 亟 待 解 决。 1.5.3 混 合 系 统 在混合或多级系统中,不同处理单元
以 延 长 水 流 流 程 ；第 二 ,可 以 避 免 水 体 暴 露 在风和阳光中。
1.2.2 基 质 ,沉 淀 物 和 填 料 基质用来构建湿地,它包括土壤,砾石 和 诸 如 混 合 肥 料 等 的 一 些 有 机 成 分 。然 后 , 沉淀物和填料由于缓慢的水流速度和湿地 的 高 生 产 率 而 在 湿 地 中 堆 积 。基 质 ,沉 淀 物 和填料具有以下几个重要的作用: ①支持湿地中有机生物的生长; ②基质的渗透性能影响水在湿地中的 运动; ③许多化学和生物变化,尤其是微生 物转化,都在基质中发生; ④基质为许多污染物提供贮存空间; ⑤废料的堆积增加了湿地中有机物的 数 量 。有 机 物 为 物 质 交 换 和 生 物 附 着 提 供 了 场 所 。同 时 有 机 物 也 是 丰 富 的 碳 源,为湿 地中重要的生化反应提供能量来源。 在被水淹没后,土壤和其他基质的物 理 和 化 学 特 征 将 会 改 变 。由 于 水 占 据 了 原 来氧气在基质中的位置,微生物新陈代谢 耗氧速率加快,基质逐渐呈现缺氧状态,这 对于去除氮和金属元素等污染物是非常重 要的。 1.2.3 植 物 维管束植物和非维管束植物(例如藻 类)对 于 人 工 湿 地 系 统 都 非 常 重 要 。藻 类 的 光合作用能够增加水中的溶解氧含量,从 而 影 响 营 养 物 和 金 属 元 素 的 反 应 。维 管 束 植物对于废水处理和径流的影响主要有以 下几种方式: ①稳固基质,限制水流; ② 减 慢 水 的 流 速 ,使 悬 浮 物 质 停 留 ; ③吸收碳,营养物和微量元素并使之 成为植物组织的一部分; ④在大气和沉淀物之间交换气体; ⑤从植物表面产生的氧气为微生物在 基质中创造栖息的场所; ⑥根茎系统增加微生物附着的面积; ⑦死亡和腐烂后变为填料成分。 1.2.4 微 生 物 湿地的基本特点是其功能大部分取决 于 微 生 物 及 其 新 陈 代 谢 的 调 节 。这 些 微 生 物 包 括 细 菌 ,酵 母 菌 ,真 菌 ,原 生 动 物 以 及 藻类(rind algae)。微生物的活动可以将大量 的有机物或无机物转变为无毒或不可溶解 的物质,可以改变基质的氧化还原条件从
环 境 科 学
杨佩瑾 (北京交通大学土木建筑工程学院环境工程系 北京 100044)
摘 要:人工湿地技术是一项正在不断得到研究和发展的新技术,具有广阔的前景。本文简要介绍人工湿地的概念,原理及其发展,并提 出该技术的优势与不足。同时介绍了美国环保署(EPA)厌氧堆肥人工湿地示范工程以及美国加州橘郡的人工湿地应用于水处理的工程实
而影响湿地的处理能力,还能够参与营养 物 质 的 再 循 环 。这 些 微 生 物 可 分 为 好 氧 型 , 厌氧性以及兼性厌氧型。
1.2.5 动 物 人工湿地为大量无脊椎动物和脊椎动 物 提 供 了 良 好 的 栖 息 环 境 。无 脊 椎 动 物,例 如 昆 虫 和 蠕 虫 ,能 够 粉 碎 沙 砾 ,消 耗 有 机 物 。许 多 昆 虫 的 幼 虫 为 水 生 动 物 ,因 此 在 它 们成长过程中可以消耗大量的物质,这个 过 程 可 能 会 持 续 好 几 年 。无 脊 椎 动 物 与 脊 椎动物构成食物链,在生态方面也起到了 一 定 的 作 用 。无 脊 椎 动 物 在 水 质 改 善 中 起 到了关键的作用,因此它作为湿地最重要 的 动 物 种 类 受 到 广 泛 关 注 。同 时 ,人 工 湿 地 也吸引大批不同种类的两栖动物,龟类,鸟 类以及哺乳动物。 1.3 人工湿地污水处理系统 1.3.1 湿 地 的 净 水 原 理 在人工湿地处理系统中,水由一端导 入,水流在表面上或在基质中流过,而后通 过 出 流 堰 或 其 它 构 筑 物 从 另 一 端 泻 出 。人 工湿地的净水机制包括: ①沉淀悬浮的颗粒物质; ②过滤和化学沉淀流经基质和填料的 水; ③进行化学转化; ④在植物,基质,沉淀物和填料表面进 行吸附和离子交换; ⑤利用微生物和植物破坏和转化污染 物; ⑥ 利用微生物和植物摄取和转化营养 物质。 1.3.2 人工湿地污水处理系统 人工湿地污水处理系统由预处理单元 和人工湿地单元组成,通过合理设计可将 BOD5、SS、营养盐、原生动物、金属离子和其 他 物 质 处 理 达 到 二 级 和 高 级 处 理 水 平 。预 处 理 主 要 去 除 粗 颗 粒 和 降 低 有 机 负 荷 。构 筑 物 包 括 双 层 沉 淀 池 、化 粪 池 、稳 定 塘 或 初 沉 池 。人 工 湿 地 单 元 中 的 流 态 采 用 推 流 式 、 阶 梯 进 水 式 、回 流 式 或 综 合 式 。 1.4 人工湿地的优点及不足 人工湿地具有以下几个优点: ①建造费用较其他处理系统低; ②操作和维护费用低; ③操作和维护仅需定期而非连续性的 现场操作;
prospect. This paper describes the concept,theory and the development of CWS briefly, and points out the advantages and limitations
of this technology. This paper also introduces the anaerobic compost constructed wetlands system technology of USEPA and the CWS
project in California, and then provides some analysis.
Keywords: Constructed wetlands; overview; application
1 人工湿地系统的概述
1.1 人工湿地的概念 湿地是水和陆地的过渡地区,它包括
沼 泽 ,泥 塘 ,涝 滩 ,潮 湿 的 低 洼 地 以 及 河 流 沿 岸 潮 湿 的 土 壤,范 围 很 广 。人 工 湿 地 是 一 种由人工建造和监督控制的,与沼泽地类 似 的 地 面 ,是 一 个 由 植 物 ,动 物 ,微 生 物 和 周围环境所组成的复杂的集成系统。
人工湿地系统是由设计合理的洼地组 成 ,它 包 括 (1)水 体 ,(2)基 质 ,(3)维 管 束 植 物 (大多数情况下),这三种组分是人工操作完 成 。其 他 重 要 组 分 ,比 如 (4)微 生 物 群 和 (5) 水生无脊椎动物,则是自然生长。
1.2.1 水 体 在可以导流入地表水的低洼地带或是 渗透性相对较差的地下层,湿地往往很容 易 形 成 。这 样 的 条 件 是 建 设 湿 地 的 基 础 。 水文条件是设计人工湿地最重要的设 计因素,因为它联系着湿地中的所有功能, 是 决 定 人 工 湿 地 成 败 的 基 本 条 件 。人 工 湿 地的水文学条件与其他地表水和近地表水 没有特别大的不同,但它们在以下几个重 要方面还是存在差异: ①水文条件的轻微变化能够给湿地及 其处理性能带来较大的影响; ②由于水体表面面积较大,深度较浅, 湿地系统通过降水和蒸腾(包括水表面蒸 发和植物蒸腾作用)与大气相互作用; ③植物密度对于湿地的水文具有很大 影 响 。第 一 ,植 物 的 根 、茎 、叶 组 成 的 网 络 可
１ １ ２ 科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
环 境 科 学
④可缓冲对水利和污染负荷的冲击; ⑤使水能够再循环利用; ⑥为许多湿地生物提供栖息地; ⑦ 可 提 供 和 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。 但是,人工湿地还具有以下几个限制 条件: ①比传统的污废水处理系统需要更大 面 积 的 土 地 。只 有 在 可 利 用 的 土 地 足 够 的 情况下,湿地处理系统才相对比较经济。 ② 不 如 传 统 处 理 方 式 稳 定 。湿 地 系 统 的处理效力可能会随着季节性的环境变化 而 发 生 较 大 变 化,诸 如 降 水 或 干 旱 。虽 然 平 均出水水质可以达到要求,但是湿地处理 系统并不能保证出水水质一直保持达标。 ③生物组分对有毒化学物质(如氨,农 药等)较为敏感。 ④污染物或是水流的冲刷可能会导致 处理能力的暂时降低。 ⑤ 湿 地 能 够 承 受 暂 时 的 水 位 降 低 ,但 是无法承受完全干涸。 1.5 人工湿地的类型 人 工 湿 地 可 分 为 。( 1) 表 面 流 湿 地 。( 2) 潜 流 湿 地 。( 3 ) 表 面 流 与 潜 流 混 合 湿 地 系 统 。人 工湿地也可以与传统水处理技术相结合, 用 于 处 理 生 活 污 水 ,农 业 污 水 ,矿 业 废 水 , 雨水等。 1.5.1 表 面 流 湿 地 它由浅盆地,土壤或其它支撑植物根 系生长的介质以及控制水深的构筑物组 成 。水 面 在 地 表 面 以 上 ,植 物 路 出 水 面 ,扎 根于土壤中,水流基本覆盖地表 表 面 流 湿 地 更 像 是 自 然 湿 地 。能 够 用 于水处理,为野生动物提供栖息地,同时也 具 有 美 学 价 值 。在 表 面 流 湿 地 中 ,表 层 含 氧 充 足 ,而 水 层 下 部 和 基 质 则 为 厌 氧 层 。处 理 雨水,矿业废水和农业污水常用表面流湿 地。 表面流湿地也被称作自由表面流湿 地 。它 的 优 势 在 于 投 资 和 运 行 费 用 低,操作 和 维 护 简 便 。主 要 缺 点 是 占 地 面 积 比 较 大 。 1.5.2 潜 流 湿 地 它是一个封闭式的盆地,带有由石头 或 沙 砾 组 成 的 多 孔 基 质 。水 面 在 地 表 面 以 下,水流流经填料床,植物的根深入到填料 床 底 部 。在 美 国 的 大 多 数 人 工 湿 地 系 统 中 , 水流是水平的,而欧洲的系统一般都是竖 直流。 潜流湿地最适用于固体浓度相对较低 的 污 废 水 ,一 般 常 用 于 降 低 生 活 污 水 的 BOD5.它 的 优 点 在 于 能 够 适 应 寒 冷 的 环 境 , 将蚊虫和臭气带来的问题最小化,并且由 于其孔隙多,表面积增大,每个单元吸收的 污染物的潜力比表面流系统更大,占地面 积更小,更适用于公共地区。 潜流湿地的缺点是成本高,因此常被 用 于 小 型 的 处 理 系 统 。另 外 ,潜 流 湿 地 运 行 和维护较表面流湿地成本更高,更不易控 制 。目 前 ,潜 流 湿 地 仍 然 有 许 多 问 题 亟 待 解 决。 1.5.3 混 合 系 统 在混合或多级系统中,不同处理单元
以 延 长 水 流 流 程 ；第 二 ,可 以 避 免 水 体 暴 露 在风和阳光中。
1.2.2 基 质 ,沉 淀 物 和 填 料 基质用来构建湿地,它包括土壤,砾石 和 诸 如 混 合 肥 料 等 的 一 些 有 机 成 分 。然 后 , 沉淀物和填料由于缓慢的水流速度和湿地 的 高 生 产 率 而 在 湿 地 中 堆 积 。基 质 ,沉 淀 物 和填料具有以下几个重要的作用: ①支持湿地中有机生物的生长; ②基质的渗透性能影响水在湿地中的 运动; ③许多化学和生物变化,尤其是微生 物转化,都在基质中发生; ④基质为许多污染物提供贮存空间; ⑤废料的堆积增加了湿地中有机物的 数 量 。有 机 物 为 物 质 交 换 和 生 物 附 着 提 供 了 场 所 。同 时 有 机 物 也 是 丰 富 的 碳 源,为湿 地中重要的生化反应提供能量来源。 在被水淹没后,土壤和其他基质的物 理 和 化 学 特 征 将 会 改 变 。由 于 水 占 据 了 原 来氧气在基质中的位置,微生物新陈代谢 耗氧速率加快,基质逐渐呈现缺氧状态,这 对于去除氮和金属元素等污染物是非常重 要的。 1.2.3 植 物 维管束植物和非维管束植物(例如藻 类)对 于 人 工 湿 地 系 统 都 非 常 重 要 。藻 类 的 光合作用能够增加水中的溶解氧含量,从 而 影 响 营 养 物 和 金 属 元 素 的 反 应 。维 管 束 植物对于废水处理和径流的影响主要有以 下几种方式: ①稳固基质,限制水流; ② 减 慢 水 的 流 速 ,使 悬 浮 物 质 停 留 ; ③吸收碳,营养物和微量元素并使之 成为植物组织的一部分; ④在大气和沉淀物之间交换气体; ⑤从植物表面产生的氧气为微生物在 基质中创造栖息的场所; ⑥根茎系统增加微生物附着的面积; ⑦死亡和腐烂后变为填料成分。 1.2.4 微 生 物 湿地的基本特点是其功能大部分取决 于 微 生 物 及 其 新 陈 代 谢 的 调 节 。这 些 微 生 物 包 括 细 菌 ,酵 母 菌 ,真 菌 ,原 生 动 物 以 及 藻类(rind algae)。微生物的活动可以将大量 的有机物或无机物转变为无毒或不可溶解 的物质,可以改变基质的氧化还原条件从
