湿地及湿地污水处理系统(第一部分).doc

湿地及湿地污水处理系统
1 湿地是什么？
湿地(wetland)这一概念在狭义上一般被认为是陆地与水域之间的过渡地带；广义上则被定义为“包括沼泽、滩涂、低潮时水深不超过6米的浅海区、河流、湖泊、水库、稻田等”。

修订概念：“陆地和水域的交汇处，水位接近或处于地表面，或有浅层积水，至少有一至几个以下特征： (1)至少周期性地以水生植物为植物优势种 (2)底层土主要是湿土 (3)在每年的生长季节，底层有时被水淹没。”定义还指湖泊与湿地以低水位时水深2米处为界。这个概念现在被业界和研究者普遍接受。

湿地的类型多种多样，通常分为自然和人工两大类。自然湿地包括沼泽地、泥炭地、湖泊、河流、海滩和盐沼等，人工湿地主要有水稻田、水库、池塘等。根据《人工湿地污水处理工程技术规范》，人工湿地指用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学 、生物三重协同作用使污水得到净化。

《湿地公约》中人工湿地范围：
1水产池塘。例如鱼、虾养殖池塘。
2水塘。包括农用池塘、储水池塘，一般面积小于8公顷。
3灌溉地。包括灌溉渠系和稻田。
4农用泛洪湿地。季节性泛滥的农用地，包括集约管理或放牧的草地。
5盐田。晒盐池、采盐场等。
6蓄水区。水库、拦河坝、堤坝形成的一般大于8公顷的储水区。
7采掘区。积水取土坑、采矿地。
8废水处理场所。污水场、处理池、氧化池等。
9运河、排水渠。输水渠系。
Zk(c)地下输水系统。人工管护的岩溶洞穴水系等。
2 湿地能做什么？
地球上有三大生态系统，即：森林、海洋、湿地。
湿地，被称为“地球之肾”，净化过滤的作用；森林被称为"地球之肺"，减碳造氧的作用。

其作用可总结为六大方面：
1. 保持生物多样性（遗传资源）
2. 景观价值（如九寨沟）
3. 水的生态循环
4. 净化功能
5. 对气候的影响
6. 丰富物产资源

沼泽湿地中有相当一部分的水生植物包括挺水性、浮水性和沉水性的植物，具有很强的清除毒物的能力，是毒物的克星。据测定，在湿地植物组织内富集的重金属浓度比周围水中的浓度高出10万倍以上。正因为如此，人们常常利用湿地植物的这一生态功能来净化污染物中的病毒，有效的清除了污水中的“毒素”，达到净化水质的目的。例如，水葫莲、香蒲和芦苇等被广泛地用来处理污水，用来吸收污水中浓度很高的重金属镉、铜、锌等。在美国的佛罗里达州，有人作了如下试验，将废水排入河流之前，先让它流经一片柏树沼泽地（湿地中的一种），经过测定发现，大约有98%的氮和97%的磷被净化排除了， 湿地惊人的清除污染物的能力由此可见一斑。印度卡尔库塔市（Calcutta）没有一座污水处理厂，该城所有的生活污水都被排入东郊的一个经过改造的湿地复合体中。这些污水被用来养鱼，鱼产量每年每公顷可达2.4吨；也可用来灌溉稻田，每公顷年产水稻2吨左右。另外，还在倾倒固体垃圾的地方种植蔬菜，并用这些污水来浇灌。大量的营养物以食物形式从污水中排除出去。卡尔库塔城东的湿地成为一个如此低费用处理生活污水并能同时获得食物的世界性典范。

人工湿地系统在发达国家已被用来处理各类不洁的水体,包括家畜与家禽的粪水（Knight et al., 2000; Nguyen, 2000）、尾矿排出液（Wenerick et al., 1989; Mays & Edwards, 2001）、工业污水（Thut, 1993; Gillespie et al., 2000）、农业废水（Rivera et al., 1997; Sun et al., 1999）、垃圾场渗滤液（Staubitz et al., 1989; Trautmann et al., 1989）、城市暴雨径流或生活污水（Thurston, 1999; Laber, 2000）、富营养化湖水（Angelo & Reddy, 1994; Bachand & Horne, 2000）等。
3 城市污水处理机理
3.1 城市污水的构成
1. 生活污水
2. 工业污（废）水
3. 初期雨水
3.2 城市污水的污染指标
1. 物理指标：水温、色度、嗅味（臭味）、固体含量
2. 化学指标：pH、BOD、COD、TOD、TOC
3. 生物指标：细菌总数、总大肠菌群数、病毒
3.2.1 BOD（生物化学需氧量）
在水温20℃，由于微生物的生化活动，将有机物氧化为无机物所消耗的溶解氧的量来表示有机物的量。

这个过程中生成的硝酸根离子（NO3-），此时的氮为硝态氮，后期通过反硝化细菌在无氧环境下作用可转化为二氧化氮排于空气之中，从而实现了水体的脱氮。
3.2.2 COD（化学需氧量）
在酸性条件下，利用强氧化剂将有机物氧化为CO2和H2O所消耗的氧的量，称为化学需氧量。常用的氧化剂包括重铬酸钾和高锰酸钾。
Organic matter(CaHbOc)+Cr2O72-+H+→Cr3++CO2+H2O

这个过程产生的三价铬离子（Cr3+）可通过投入石灰或钡盐将其从水中析出，实现水体净化。
3.2.3 TOD（总需氧量）
是指水中有机物质在燃烧中氧化时所需要的氧量，结果以O2的mg/L表示。TOD只能反映几乎全部有机物质经燃烧后变成CO2、H2O、NO、SO2…所需要的氧量。它比BOD、COD更接近于理论需氧量值。
3.2.4 TOC（总有机碳）
总有机碳是指水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量。水中有机物的种类很多，目前还不能全部进行分离鉴定。常以“TOC”表示。TOC是一个快速检定的综合指标，它以碳的数量表示水中含有机物的总量。但由于它不能反映水中有机物的种类和组成，因而不能反映总量相同的总有机碳所造成的不同污染后果。由于TOC的测定采用燃烧法，因此能将有机物全部氧化，它比BOD5或COD更能直接表示有机物的总量。通常作为评价水体有机物污染程度的重要依据。单位为ppm，ppm是英文parts permillion的缩写，译意是每百万分中的一部分，即表示百万分之（几），或称百万分率。如1ppm即一百万千克的溶液中含有1千克溶质。

对同一水质，TOD/TOC =2~4，理论值为2.67。

3.3 城市污水中的主要污染物
1、固体污染物：
溶解态（颗粒直径＜1nm）、胶体态(直径介于1～200nm)、悬浮态（直径大于200nm）。

2、有机污染物：
具有可生物降解性；使水体发臭

3、富营养污染物：
主要指氮、磷等元素

4、酸、碱、盐类污染物
3.4 城市污水处理方法步骤
3.4.1 去除固体污染物
城市污水的一级处理（物理处理）

处理对象：悬浮物（SS）
处理方法：筛滤截留，重力分离
处理构筑物：
格栅（粗格栅、细格栅、超细格栅）
沉砂池（曝气沉砂池、旋流沉砂池等）
沉淀池（平流式、辐流式等）
粗栅格
曝气沉砂池
辅流式沉淀池
3.4.2 去除胶体及有机污染物
城市污水的二级处理（生物处理）

处理对象：胶体和溶解性有机物（BOD, COD）
处理方法：好氧生物法、厌氧生物法
处理构筑物：
活性污泥法（传统法，氧化沟，SBR）
生物膜法（曝气生物滤池，接触氧化法）

传统活性污泥法流程图

曝气池

氧化沟法

氧化沟又名氧化渠，因其构筑物呈封闭的环形沟渠而得名。它是活性污泥法的一种变型。因为污水和活性污泥在曝气渠道中不断循环流动，因此有人称其为“循环曝气池”、“无终端曝气池”。氧化沟的水力停留时间长，有机负荷低，其本质上属于延时曝气系统
氧化沟示意
氧化沟和沉淀池
氧化沟和转刷

SBR技术装置
SBR是序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法，其核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。

生物膜法
生物膜法处理废水就是使废水与生物膜接触，进行固、液相的物质交换，利用膜内微生物将有机物氧化，使废水获得净化，同时，生物膜内微生物不断生长与繁殖。生物膜法与活性污泥法最大的区别在于生物载体（填料）的引入。
生物载体（填料）：固体表面（砾石，焦炭，石英砂，陶粒，塑料板、管、环，化学纤维丝、束、团）。
在有氧的条件下，使污水与生物载体表面对流接触，经过一段时间后，生物载体表面被一层膜状活性污泥——生物膜所覆盖，这一过程工程上称为生物挂膜。其生长过程是这样的：当有机废水或由活性污泥悬浮液培养而成的接种液流过载体时，水中的悬浮物及微生物被吸附于固相表面上，其中的微生物利用有机底物而生长繁殖，逐渐在载体表面形成一层粘液状的生物膜。这层生物膜具有生物化学活性，又进一步吸附、分解废水中呈悬浮、胶体和溶解状态的污染物。
生物膜代谢示意图
生物膜生长到一定时期，随着自身变厚和水利冲刷会逐渐脱落，而新的生物膜又会在填料载体表面生长。在正常运行情况下，整个反应器的生物膜各个部分总是交替脱落的，系统内活性生物膜数量相对稳定，膜厚2～3mm，净化效果良好。

生物膜法也是人工湿地污水处理系统的基础。
3.4.3 去除富营养污染物
属城市污水处理的三级处理（深化处理）

水体的富营养化，一般采用的指标是：水体中氮质量分数超过0．2一0．3mg/L，磷质量分数大于0．01一0．02mg/L，生化需氧量大于10mg/L，pH值7—9的淡水中细菌总数每毫升超过l0万个，表征藻类数量的叶绿素一a质量分数大于10µg／L。

防治水体富营养化首先要控制营养物质，主要是防止氮和磷进入水体。

1.除氮
就生活污水而言，氮主要是以有机氮和氨氮的形式存在的，无论是有氧还是在无氧环境下有机氮都可以转化成氨氮，只是产物和速率不同而已，这样，氨氮在有氧的环境下，在亚硝酸菌和硝酸菌的作用下发生硝化反应，转化成硝态氮，这个构筑单元一般叫做好氧池，有的也叫曝气池。硝态氮在反硝化细菌的作用下，在缺氧环境之下发生硝化反应，生成氮气释放到大气中，完成了脱氮。这个构筑单元一般叫做缺氧池。

2.除磷
大的方向是两个：生物除磷和化学除磷。
生物除磷通过聚磷菌过量的吸附游离的磷，然后通过排泥（剩余污泥）的方式排出系统，达到除磷的目的。
化学除磷就是添加含铁或铝的混凝剂如聚合氯化铝达到除磷的目的。
3.4.4 去除酸碱盐类污染物
属城市污水处理的三级处理（深化处理）

根据重金属废水中所含重金属元素进行分类，一般可以分为含铬(Cr)废水、含镍(Ni)废水、含镉(Cd)废水、含铜(Cu)废水、含锌(Zn)废水、含金(Au)废水、含银(Ag)废水等。

废水中的重金属是各种常用方法不能分解破坏的，而只能转移它们的存在位置和转变它们的物理和化学形态。例如，经化学沉淀处理后，废水中的重金属从溶解的离子状态转变成难溶性化合物而沉淀下来，从水中转移到污泥中；经离子交换处理后，废水中的金属离子转移到离子交换树脂上；经再生后又从离子交换树脂上转移到再生废液中。总之，重金属废水经处理后形成两种产物，一是基本上脱除了重金属的处理水，一是重金属的浓缩产物。

重金属废水处理方法通常有沉淀法、物理化学法、电化学处理技术、生物化学法；以上所述方法都有各自的优缺点，在使用这些方法的时候需要根据重金属废水的具体特点进行方案的设计。
3.4.5 污水处理过程中的污泥处理
处理目的：减量，稳定，综合利用
处理方法：物理法，化学法，生物法
处理构筑物：浓缩池；消化池；污泥脱水机械；沼气利用设备
3.4.6 城市污水处理厂典型处理工艺流程