土地湿地处理原理及基本工艺.docx
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土地湿地处理原理及基本工艺
土地/湿地解决及工艺
一、土地解决技术概述
污水土地解决是在污水农田灌溉基本上发展起来，污水农田灌溉目是运用水肥资源。
污水农田灌溉没有专门设计运营办法和参数，灌溉水水质、水量是根据作物生长特性、农田灌溉水质原则来拟定。
污水灌田所引起臭气散发，土壤、地下水和植物污染等问题，随着都市迅速发展，人口高度集中，污水大量排放而日益突出。
污水直接灌田已不能满足人们对环境卫生规定,在此基本上发展起来了污水土地解决工艺。
土地解决系统是一种解决污水生态工程技术,它可以简要定义为:
污水通过一定限度预解决,然后有控制地投配到土地上,运用土壤—微生物—植物生态系统自净功能和自我调控机制,通过一系列物理、化学和生物化学等过程,使污水达到预定解决效果,并对污水中氮、磷等资源加以运用,使其成为植物自身营养成分一种污水解决技术。
土地解决系统是由若干某些构成整体,完整土地解决系统由预解决、水量调节与储存、配水与步水、土地解决田间工程、植物、排水及监测等七某些构成。
当前，污水土地解决系统不但可用于市政污水治理，还用于治理垃圾渗滤液、食品加工业废水、肉类加工废水、食用油厂废水、农灌排水和被污染地下水等。
当代意义上土地解决技术以污水解决和运用为前提，注重环境和生态效应。
它如下列四个特性从本质上有别于污水灌溉：
①规定污水在进入土壤－植物系统之前，必要通过恰当预解决，并严格控制水质和水量；
②对投配污水土地解决场土壤、地质、水文等场地条件及污水应用方式有相应规定；
③规定污水土地解决系统在生态构造与净化功能之间能有效配合；
④规定有相应缓冲、调控办法及进出水水质监测系统，能对水力负荷进行有效调节控制和管理，有一定贮存单元或相称办法，保证污水长年解决。
土地解决工艺近年来得以迅速发展，因素由于：
①世界范畴内，大中都市污水已经得到一定限度解决和控制，零散分布小流量集中污水治理问题进入人们视野；
②对居住人数局限性10000人居住区，采用常规解决工艺基建投资大、操作和维护费用高、能耗也高，而土地解决工艺设备简朴，操作管理以便，能耗低，且不存在污泥处置问题，是解决分散居民聚居区生活污水抱负技术；
③常规污水解决厂可有效去除SS和有机物等，但对N、P等营养物质去除率较低（30%~50%），经解决后出水排入自然水体也许引起“富营养化”等环境问题，土地解决法是将污水厂出水回用或回灌经济合理形式；
④常规解决工艺操作复杂，对管理水平规定高，如活性污泥法启动慢，且易浮现污泥膨胀等问题，大量采用常规解决技术小型污水解决厂“建得起，用不起”现象促使人们重新结识对小规模污水解决实际需求。
二、土地解决技术类别及工艺特性
依照解决目的、解决对象不同,土地解决系统可分为慢速渗滤（SR）、迅速渗滤（RI）、地表漫流（OF）、地下渗滤（UG）、湿地系统（WL）等5种工艺类型。
①慢速渗滤系统（SlowRateProcess，简称SR系统）
SR系统合用于渗水性能中档或渗水性能稍高土壤，土层表面种植物，解决过程发生在土壤表面及作物根部区域，大某些污水被植物根部吸取，剩余污水一某些进入地下水或通过土壤内优势流、边壁流等进入就近地表水体，也可通过设计暗渠或井采集而回用。
SR系统重要目：
1）解决污水；2）通过运用污水及其中营养物，收割作物，获得经济上回报；3）在干旱区，通过灌溉涵养水体，形成饮用水源；4）通过种植形成一定开敞空间或绿带，以调节环境和气候。
②迅速渗滤系统（RapidInfiltrationProcess，简称RI系统）
RI系统是将污水投配到由不透水层围合而成、内填高渗入性土壤渗池中，土层表面对栽培植物没有规定。
采用表面间歇布水方式，污水被均匀投配到土地表面并不久渗滤地下。
系统重要水力途径是通过非饱合带渗流进入收水暗渠及集水井，或直接补给地下水。
RI系统重要目是污水解决，固然系统运营也能达到其他目，如：
1）回灌地下水或补充就近地表水体；2）干旱地区用于污水再生或回用；3）将污水季节性地存储于快渗池下部，以利干旱季节农灌。
③地表漫流系统（OverlandFlowProcess，简称OF系统）
OF系统合用于透水性较差粘土和亚粘土，污水借喷灌或浸灌等方式有控制地投配在土地表面，使之形成薄层漫流通过地表，流入下游集水渠直至就近水体。
地面上种植耐水植物供微生物栖息并防止土壤流失，净化机理类似滴滤池等生物膜附着生长系统。
地表漫流系统兼有解决污水与生长植物双重功能。
事实上，天然或人工湿地就是OF系统一种特殊形式。
不同工艺类型污水土地解决系统技术指标比较见表1。
表1 污水土地解决系统不同工艺类型技术指标
技术指标
污水土地解决系统不同工艺类型
慢速渗滤
迅速渗滤
地表漫流
渗滤介质
天然土壤或耕地，渗滤性中档或稍高
渗入性良好天然砂土层
粘土或亚粘土，透水性差，地面坡度2%~8%
年水力负荷
0.6~6m
6~120m
3~21m
布水方式
表面布水或喷灌
表面布水
喷灌或浸灌
每万m3/d水解决规定土地，ha
60~600
2~60
15~120
每周配水深度
1~10cm
10~24cm
5~40cm
预解决水平
普通
普通
格栅或浮渣粉碎
地下水深度
地表如下0.6~0.9m
地表如下3.0m
无严格规定
对植物规定
必不可少
无规定
必不可少
适当气候
较温暖，冬季需贮存
无规定
较温暖，冬季需贮存
设计及管理良好土地解决系统对城乡污水中COD、SS、NH3-N、TN、TP及大肠菌群等污染物有较好解决效果，能达到国家一级排放原则，表2为不同土地解决方式运营效果比较。
表2 不同类型污水土地解决技术解决效果
污染物指标
慢速渗滤
迅速渗滤
地表漫流
平均
最高
平均
最高
平均
最高
BOD5（mg/L）
<2
<5
5
<10
10
<15
SS（mg/L）
<1
<5
2
<5
10
<20
TN（mg/L）
3
<8
10
<20
5
<10
NH3-N（mg/L）
<0.5
<2
0.5
<2
<4
<8
TP（mg/L）
<0.1
<0.3
1
<5
4
<6
大肠菌群（个/L）
0
<100
100
<
0
④地下渗滤（UG）
地下渗滤解决系统是将污水投配到距地面约0.5m深，有良好渗入性地层中，藉毛管浸润和土壤渗入作用，使污水向四周扩散，通过过滤、沉淀、吸附和生物降解作用等过程使污水得到净化.
地下渗滤系统合用于无法接人都市排水管网小水量污水解决，如分散居民点住宅、度假村、疗养院等。
污水进入解决系统前需经化粪池或酸化（水解）池预解决。
⑤湿地系统（WL）
湿地解决系统是一种运用低洼湿地和沼泽地解决污水办法。
污水有控制地投配到种有芦苇、香蒲等耐水性、沼泽性植物湿地上，废水在沿一定方向流行过程中，在耐水性植物和土壤共同作用下得以净化
湿地解决可用于直接解决污水或深度解决。
污水进入系统前需预解决，办法有化粪池、格栅、筛网、初沉池、酸化（水解）池和稳定塘等。
当前发达国家常将污水进行一定限度预解决后，在污水厂就近选址，通过测定所选污水解决或处置地土壤性质、地面坡度和布局、农作物生长需求、地下水位状况、可用面积大小、本地水源规定等因素，拟定采用不同土地解决技术。
三、土地解决工艺机理
污水流经土壤得以净化过程极为复杂，其净化机理是各种作用、各种过程综合过程。
1）土壤物理作用
a）过滤：
污水流经土壤，其中污染物质及悬浮颗粒被土壤团聚颗粒间孔隙所截滤，污水得到净化。
影响土壤物理过滤效果因素有：
团聚颗粒大小、颗粒间孔隙形状和大小、孔隙分布以及污水中悬浮颗粒性质、多少与大小等。
b）沉淀：
污水中杂质在土壤团聚颗粒表面上沉淀去除，土层自身相称于一种有巨大比表面积沉淀池。
c）吸附：
在非极性分子间范德华力作用下，土壤中粘粒可以吸附土壤溶液中中性分子；污水中某些重金属离子可因阳离子互换作用而被置换，吸附并生成难溶性物质被固定在矿物晶格中；土壤中粘粒、腐殖质和矿物质具备强烈吸附活性，能吸附污水中各种溶解性污染物。
2）土壤化学作用
土壤层是一种能容纳各种物质和催化剂化学反映器，并始终保持动态平衡。
当污水进入土壤层，污染物导致土层中平衡体系被破坏，则土层内必相应发生一系列氧化还原、吸附、离子互换、络合等反映，使进入污染物质或被氧化、还原，或被吸附、吸取，或变为难溶性沉淀等，以重新建立新平衡，在这一过程中，污水得以净化。
例如金属离子可与土壤中无机和有机胶体颗粒生成螯合化合物；有机物与无机物复合化而生成复合物；调节、变化土壤氧化还原电位，可以生成难溶性硫化物；变化pH值，可以生成金属氢氧化物；某些化学反映还可以生成金属磷酸盐等物质，从而沉积于土壤中。
3）土壤物理化学作用
土壤中粘土、腐殖质构成了复杂胶体颗粒体系，而各种污染物大多也以胶体状态稳定存在于污水中。
当污水进入土层，本来两种各自独立体系便构成新胶体体系。
由于电解质平衡体系破坏和土壤层中腐殖质等高分子物质不饱和特性，导致在新体系中发生一系列胶体颗粒脱稳、凝聚、絮凝和互相吸附等物理化学过程，从而使污水得以净化。
4）土壤生物作用
在土壤环境中生长着大量细菌、真菌、酵母菌、原生动物、后生动物、腔肠动物、各种昆虫等，并存在一种丰富土壤微生物酶系。
污水中有机质及氮和磷等营养素在这个生态系统中，通过微生物降解和吸取，某些营养物质转化为有机质贮存在生物体内，从而与水分离。
重要污染物去除途径如下：
1）BOD去除
BOD大某些是在土壤表层土中去除。
土壤中具有大量种类繁多异养型微生物，它们能对被过滤、截留在土壤颗粒空隙间悬浮有机物和溶解有机物进行生物降解，并合成微生物新细胞。
当解决水BOD负荷超过土壤微生物分解BOD生物氧化能力时，会引起厌氧状态或土壤堵塞。
2）磷和氮去除
在土地解决中，磷重要是通过植物吸取，化学反映和沉淀（与土壤中钙、铝、铁等离子形成难溶磷酸盐），物理吸附和沉积（土壤中黏土矿物对磷酸盐吸附和沉积），物理化学吸附（离子互换、络合吸附）等方式被去除。
其去除效果受土壤构造、阳离子互换容量、铁铝氧化物和植物对磷吸取等因素影响。
氮重要是通过植物吸取，微生物脱氮（氨化、硝化、反硝化），挥发、渗出（氨在碱性条件下逸出、硝酸盐渗出）等方式被去除。
其去除率受作物类型、生长期、对氮吸取能力，以及土地解决系统工艺等因素影响。
3）悬浮物质去除
污水中悬浮物质是依托作物和土壤颗粒间孔隙截留、过滤去除。
土壤颗粒大小、颗粒间孔隙形状、大小、分布和水流通道，以及悬浮物性质、大小和浓度等都影响对悬浮物截留过滤效果。
若悬浮物浓度太高、颗粒太大会引起土壤堵塞。
4）病原体去除
污水经土壤过滤后，水中大某些病菌和病毒可被去除，去除率可达92％～97％。
其去除率与选用土地解决系统工艺关于，其中地表漫流去除率略低，但若有较长漫流距离和停留时间，也可达到较高去除效率。
5）重金属去除
重金属去除重要是通过物理化学吸附，化学反映与沉淀等途径被去除。
重金属离子在土壤胶体表面进行阳离子互换而被置换、吸附，并生成难溶性化合物被固定于矿物晶格中；重金属与某些有机物生成可吸性螯合物被固定于矿物晶格中；重金属离子与土壤某些组分进行化学反映，生成金属磷酸盐和有机重金属等沉积于土壤中。
四、人工湿地
1、发展和简介
当前，国内绝大某些都市污水解决厂采用老式活性污泥二级生化解决工艺，该工艺工程基建投资大能耗高，运营维护费用大，对管理技术规定高，难以在中小都市推广。
因而，在国内大力开发具备高效，简易，低耗生物污水解决技术具备很大意义。
人工湿地系统是一项污水解决新技术，具备投资低，出水水质好、抗冲击力强、增长绿地面积、改进和美化生态环境、操作简朴、维护和运营费用低廉等长处。
这项技术适合国内国情，特别适合广大农村，中小都市污水解决，具备极其辽阔应用前景。
人工湿地（CONSTRUCTEDWETLAND）也叫构建湿地，是一种人工建造和监督控制与沼泽类似地面，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中物理，化学和生物作用和优化组合来进行，也是运用这三种作用协调关系作用来进行废水解决。
它运用土壤（滤料）一微生物一植物这个复合生态系统中物理、化学和生物综合伙用解决污水和某些工业废水，使水质得到不同限度改进；同步通过营养物质和水分生物地球化学循环，增进绿色植物生长并使其增产，实现污水资源化和无害化。
它可用作生活污水和工业废水二级和三级解决。
国内在“七五”期间开始人工湿地研究。
1990年7月．国家环保局华南环保所在深圳白泥坑建造了解决规模为3100m人工湿地示范工程；1988—1990年，在北京昌平进行了自由表面人工湿地解决系统研究；1989—1991年，天津环保科研所建立11个实验单元研究芦苇湿地对都市污水解决能力，并对水力负荷、有机负荷、停留时间及季节等与污水中重要污染物间规律进行摸索；12月深圳市开始建设沙田人工湿地污水厂，运用人工湿地解决系统来解决污水。
美国是世界上拥有人工湿地污水解决系统最多国家。
当前在美国有600多处人工湿地工程用于解决市政，工业和农业废水。
在欧洲某些国家，如丹麦，德国，英国等至少有200处人工湿地系统在运营。
此外，在新西兰，日本，澳大利亚以及某些非洲国家，人工湿地解决技术也得到了广泛应用。
当前，人工湿地应用于生活污水解决，工业废水解决，农业污水解决，都市污水解决，出水普通都优于常规二级解决效果。
2、构成
绝大多数自然和人工湿地由五某些构成：
1）具备各种透水性基质，如土壤、砂、砾石
2）适于在饱和水和厌氧基质中生长沉水或挺水植物，如芦苇
3）水体（在基质表面下或上流动水）
4）无脊椎或脊椎动物
5）好氧或厌氧微生物种群
湿地系统在这种有一定长宽比和底面坡度洼地中由土壤和填料（如砾石等）混合构成填料床，废水在床体填料缝隙中流动或在床体表面流动，并在床体表面种植具备性能好、成活率高、抗水性强。
生长周期长、美观及具备经济价值水生植物（如芦苇、蒲草等）形成一种独特动植物生态系统，对废水进行解决。
湿地植物具备三个间接重要作用：
1）明显增长微生物附着（植物根茎叶）
2）湿地中植物可将大气氧传播至根部，使根在厌氧环境中生长
3）增长或稳定土壤透水性
植物通气系统可向地下某些输氧，根和根状茎向基质中输氧，因而可向根际中好氧和兼氧微生物提供良好环境。
植物数量对土壤导水性有很大影响，芦苇根可松动土壤，死后可留下互相连通孔道和有机物。
土壤，砂，砾石基质作用：
为植物提供物理支持：
为各种复杂离子、化合物提供反映界面，为微生物提供附着。
水体为动植物、微生物提供营养物质。
3、分类
该系统依照占主导地位水生植物，人工湿地可分为浮生植物系统、沉水植物系统和挺水植物系统三种湿地系统。
依照废水流动模式，又可分为自由表面流（FreeSurfaceFlow）和潜流（SubsurfaceFlow），其构造如图1和图2所示。
图1
图2
自由表面流湿地中，废水在填料表面流动，水位较浅，普通为0.2—0.4m，最短水力停留时间为10天。
该系统投资少，比较接近自然湿地，但是负荷低，受气候影响大，且卫生条件不是较好，容易引起夏季滋生蚊蝇，冬季低温结冰等问题，尽管造价低廉，但实际应用很少。
潜流湿地中，废水在填料表面下流动，填料床底层为小豆石，中层为砾石，上层覆盖表层土壤层，种植耐水植物，为保证潜流污水在床内均匀流态，需布置合理床内配水系统和集水系统。
其负荷高，解决效果好，受气候影响小，且卫生条件好，在实际中应用最广。
人工湿地污水解决系统由预解决单元和人工湿地单元构成。
通过合理设计布局可将BOD，SS，氮磷营养物，重金属离子，病菌和某些难降解有机物解决达到更高水平。
4、优缺陷
人工湿地系统相对于老式二级解决系统而言，具备如下长处：
建造、操作及维护费用低；节约能源，无二次污染：
解决过水可循环再运用；提供许多湿地生物栖息地；容易实现中水回用；可承受进流量大幅度变化；水资源永续管理；具备一定景观观赏功能；在海岸地区具备防风功能；可提供某些非直接效益，如绿色空间及教诲研究。
其缺陷有：
土地面积需求大；净化解决速度缓慢；废水需通过预解决；易滋生蚊蝇；关于人工湿地设计，建设和运营还缺少统一规范，缺少精准参数；其中生物组织对毒性化学物质敏感（如农药或杀虫剂）。
5、数学模型研究和应用
虽然近年来，欧洲和北美已有上千座人工湿地建成，但这些应用设计和运营都是建立在记录数据和经验公式基本上，这一污水解决技术并不为人们所完全掌握，人们对人工湿地去除污染物内在机制尚缺少定量化理解，人工湿地设计和运营经常缺少模型指引，对人工湿地设计时预期水质目的和长期运营效果缺少精确可靠预测手段，因而影响了这一高效低耗生态污水解决技术推广和应用，而人工湿地生态动力学模型不断完善可以从主线上解决这一问题。
人工湿地模型理论基本重要涉及一级动力学模型、衰减方程以及生态动力学模型：
一级动力学方程被广泛应用于湿地设计和对湿地污染物去除效果预测。
该方程重要考虑解决负荷与解决效率之间关系，污染物在人工湿地中空间上浓度变化普遍呈现出一种指数衰减趋势，模型推导以基质降解服从一级反映动力学为基本。
经常假设模型中某些参数如速率常数等为常量，与水力负荷或进水浓度无关，以及湿地中水流形态为稳定活塞流等。
这些一级动力学模型普通表达式为：
Co=Ciexp（-k*t）
式中：
C。
：
进水浓度；
Ci：
出水浓度；
K：
速率常数；
T：
水力停留时间
衰减方程是建立在大量运营数据基本上，它将人工湿地视做一种“黑箱”，仅仅根据污染物进水浓度和出水浓度，通过人为定义简朴线性方程或幂次方程对运营数据拟合，还也许在方程中加入流量、温度、停留时间等因素影响，从而建立一种“输出”对“输入”记录响应关系。
人工湿地生态动力学模型是以“箱式”模型理论为基本，将人工湿地系统中各种生物、物理、化学降解去除途径划提成许各种独立“箱子"和反映过程，针对每个降解去除途径和反映过程分别进行进一步细致研究，分析它们互相之间协调拮抗作用和控制影响因素，对每个“箱子”及反映过程进行定义，拟定其详细质量平衡方程、反映公式（普通为动力学方程）和有关动力学参数，并通过实验测定、文献查找等办法获得各种有关生态动力学参数，然后运用各种建模软件对概念模型进行实现，并以人工湿地系统运营数据对各个参数和过程定义进行分析、演算、校验和修正，最后得到一种统一完整生态动力学模型。
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