土地湿地处理原理及工艺样本.docx
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土地湿地处理原理及工艺样本
土地/湿地处理及工艺
一、土地处理技术概述
污水土地处理是在污水农田灌溉的基础上发展起来的,污水农田灌溉的目的是利用水肥资源。
污水农田灌溉没有专门的设计运行方法和参数,灌溉水的水质、水量是依据作物生长特性、农田灌溉水质标准来确定的。
污水灌田所引起的臭气散发,土壤、地下水和植物污染等问题,随着城市迅速发展,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的要求,在此基础上发展起来了污水土地处理工艺。
土地处理系统是一种处理污水的生态工程技术,它能够简要定义为:
污水经过一定程度的预处理,然后有控制地投配到土地上,利用土壤—微生物—植物生态系统的自净功能和自我调控机制,经过一系列物理、化学和生物化学等过程,使污水达到预定处理效果,并对污水中氮、磷等资源加以利用,使其成为植物自身营养成分的一种污水处理技术。
土地处理系统是由若干部分组成的整体,完整的土地处理系统由预处理、水量调节与储存、配水与步水、土地处理田间工程、植物、排水及监测等七部分组成。
当前,污水土地处理系统不但可用于市政污水的治理,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、农灌排水和被污染的地下水等。
现代意义上的土地处理技术以污水的处理和利用为前提,注重环境和生态效应。
它以下列四个特征从本质上有别于污水灌溉:
①要求污水在进入土壤－植物系统之前,必须经过适当的预处理,并严格控制水质和水量;
②对投配污水的土地处理场的土壤、地质、水文等场地条件及污水应用方式有相应的要求;
③要求污水土地处理系统在生态结构与净化功能之间能有效配合;
④要求有相应的缓冲、调控措施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,有一定的贮存单元或相当措施,保证污水终年处理。
土地处理工艺近年来得以迅速发展,原因由于:
①世界范围内,大中城市的污水已经得到一定程度的处理和控制,零散分布的小流量集中污水治理问题进入人们的视野;
②对居住人数不足10000人的居住区,采用常规处理工艺的基建投资大、操作和维护费用高、能耗也高,而土地处理工艺设备简单,操作管理方便,能耗低,且不存在污泥处理的问题,是处理分散的居民聚居区生活污水的理想技术;
③常规污水处理厂可有效去除SS和有机物等,但对N、P等营养物质的去除率较低（30%~50%）,经处理后的出水排入自然水体可能引起”富营养化”等环境问题,土地处理法是将污水厂出水回用或回灌的经济合理的形式;
④常规处理工艺操作复杂,对管理水平要求高,如活性污泥法启动慢,且易出现污泥膨胀等问题,大量采用常规处理技术的小型污水处理厂”建得起,用不起”的现象促使人们重新认识对小规模污水处理的实际需求。
二、土地处理技术的类别及工艺特征
根据处理目标、处理对象的不同,土地处理系统可分为慢速渗滤（SR）、快速渗滤（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系统适用于渗水性能中等或渗水性能稍高的土壤,土层表面种植物,处理过程发生在土壤表面及作物的根部区域,大部分污水被植物根部吸收,剩下的污水一部分进入地下水或经过土壤内的优势流、边壁流等进入就近的地表水体,也可经过设计的暗渠或井采集而回用。
SR系统的主要目的:
1）处理污水;2）经过利用污水及其中的营养物,收割作物,获得经济上的回报;3）在干旱区,经过灌溉涵养水体,形成饮用水源;4）经过种植形成一定的开敞空间或绿带,以调节环境和气候。
②快速渗滤系统（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、内填高渗透性土壤的渗池中,土层表面对栽培植物没有要求。
采用表面间歇布水方式,污水被均匀投配到土地表面并很快渗滤地下。
系统主要的水力途径是经过非饱合带的渗流进入收水暗渠及集水井,或直接补给地下水。
RI系统的主要目的是污水处理,当然系统的运行也能达到其它目的,如:
1）回灌地下水或补充就近的地表水体;2）干旱地区用于污水的再生或回用;3）将污水季节性地存放于快渗池下部,以利干旱季节的农灌。
③地表漫流系统（OverlandFlowProcess,简称OF系统）
OF系统适用于透水性较差的粘土和亚粘土,污水借喷灌或浸灌等方式有控制地投配在土地表面,使之形成薄层漫流经过地表,流入下游集水渠直至就近的水体。
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的系统。
地表漫流系统兼有处理污水与生长植物的双重功能。
实际上,天然或人工湿地就是OF系统的一种特殊形式。
不同工艺类型污水土地处理系统的技术指标比较见表1。
表1 污水土地处理系统不同工艺类型的技术指标
技术指标
污水土地处理系统的不同工艺类型
慢速渗滤
快速渗滤
地表漫流
渗滤介质
天然土壤或耕地,渗滤性中等或稍高
渗透性良好的天然砂土层
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水处理要求土地,ha
60~600
2~60
15~120
每周配水深度
1~10cm
10~24cm
5~40cm
预处理水平
一般
一般
格栅或浮渣粉碎
地下水深度
地表以下0.6~0.9m
地表以下3.0m
无严格要求
对植物的要求
必不可少
无要求
必不可少
适宜气候
较温暖,冬季需贮存
无要求
较温暖,冬季需贮存
设计及管理良好的土地处理系统对城镇污水中的COD、SS、NH3-N、TN、TP及大肠菌群等污染物有很好的处理效果,能达到国家一级排放标准,表2为不同土地处理方式运行效果的比较。
表2 不同类型污水土地处理技术的处理效果
污染物指标
慢速渗滤
快速渗滤
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）
地下渗滤处理系统是将污水投配到距地面约0.5m深,有良好渗透性的地层中,藉毛管浸润和土壤渗透作用,使污水向四周扩散,经过过滤、沉淀、吸附和生物降解作用等过程使污水得到净化.
地下渗滤系统适用于无法接人城市排水管网的小水量污水处理,如分散的居民点住宅、度假村、疗养院等。
污水进入处理系统前需经化粪池或酸化（水解）池预处理。
⑤湿地系统（WL）
湿地处理系统是一种利用低洼湿地和沼泽地处理污水的方法。
污水有控制地投配到种有芦苇、香蒲等耐水性、沼泽性植物的湿地上,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
湿地处理可用于直接处理污水或深度处理。
污水进入系统前需预处理,方法有化粪池、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程度的预处理后,在污水厂就近选址,经过测定所选污水处理或处理地的土壤性质、地面坡度和布局、农作物生长需求、地下水位情况、可用面积大小、当地水源要求等因素,确定采用不同的土地处理技术。
三、土地处理工艺的机理
污水流经土壤得以净化的过程极为复杂,其净化机理是多种作用、多种过程的综合过程。
1）土壤的物理作用
a）过滤:
污水流经土壤,其中的污染物质及悬浮颗粒被土壤团聚颗粒间的孔隙所截滤,污水得到净化。
影响土壤物理过滤效果的因素有:
团聚颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状和大小、孔隙的分布以及污水中悬浮颗粒的性质、多少与大小等。
b）沉淀:
污水中的杂质在土壤团聚颗粒表面上沉淀去除,土层本身相当于一个有巨大比表面积的沉淀池。
c）吸附:
在非极性分子间范德华力的作用下,土壤中粘粒能够吸附土壤溶液中的中性分子;污水中的部分重金属离子可因阳离子交换作用而被置换,吸附并生成难溶性的物质被固定在矿物晶格中;土壤中的粘粒、腐殖质和矿物质具有强烈的吸附活性,能吸附污水中多种溶解性污染物。
2）土壤的化学作用
土壤层是一个能容纳各种物质和催化剂的化学反应器,并始终保持动态平衡。
当污水进入土壤层,污染物导致土层中的平衡体系被破坏,则土层内必相应发生一系列的氧化还原、吸附、离子交换、络合等反应,使进入的污染物质或被氧化、还原,或被吸附、吸收,或变为难溶性的沉淀等,以重新建立新的平衡,在这一过程中,污水得以净化。
例如金属离子可与土壤中的无机和有机胶体颗粒生成螯合化合物;有机物与无机物的复合化而生成复合物;调整、改变土壤的氧化还原电位,能够生成难溶性硫化物;改变pH值,能够生成金属氢氧化物;某些化学反应还能够生成金属磷酸盐等物质,从而沉积于土壤中。
3）土壤的物理化学作用
土壤中的粘土、腐殖质构成了复杂的胶体颗粒体系,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,原来两种各自独立的体系便构成新的胶体体系。
由于电解质平衡体系的破坏和土壤层中腐殖质等高分子物质的不饱和特性,导致在新的体系中发生一系列的胶体颗粒的脱稳、凝聚、絮凝和相互吸附等物理化学过程,从而使污水得以净化。
4）土壤的生物作用
在土壤环境中生长着大量的细菌、真菌、酵母菌、原生动物、后生动物、腔肠动物、各种昆虫等,并存在一个丰富的土壤微生物酶系。
污水中的有机质及氮和磷等营养素在这个生态系统中,经过微生物的降解和吸收,部分营养物质转化为有机质贮存在生物体内,从而与水分离。
主要污染物的去除途径如下:
1）BOD的去除
BOD大部分是在土壤表层土中去除的。
土壤中含有大量的种类繁多的异养型微生物,它们能对被过滤、截留在土壤颗粒空隙间的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。
当处理水的BOD负荷超过土壤微生物分解BOD的生物氧化能力时,会引起厌氧状态或土壤堵塞。
2）磷和氮的去除
在土地处理中,磷主要是经过植物吸收,化学反应和沉淀（与土壤中的钙、铝、铁等离子形成难溶的磷酸盐）,物理吸附和沉积（土壤中的黏土矿物对磷酸盐的吸附和沉积）,物理化学吸附（离子交换、络合吸附）等方式被去除。
其去除效果受土壤结构、阳离子交换容量、铁铝氧化物和植物对磷的吸收等因素影响。
氮主要是经过植物吸收,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、硝酸盐的渗出）等方式被去除。
其去除率受作物的类型、生长期、对氮的吸收能力,以及土地处理系统的工艺等因素影响。
3）悬浮物质的去除
污水中的悬浮物质是依靠作物和土壤颗粒间的孔隙截留、过滤去除的。
土壤颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状、大小、分布和水流通道,以及悬浮物的性质、大小和浓度等都影响对悬浮物的截留过滤效果。
若悬浮物浓度太高、颗粒太大会引起土壤堵塞。
4）病原体的去除
污水经土壤过滤后,水中大部分的病菌和病毒可被去除,去除率可达92％～97％。
其去除率与选用的土地处理系统工艺有关,其中地表漫流的去除率略低,但若有较长的漫流距离和停留时间,也可达到较高的去除效率。
5）重金属的去除
重金属的去除主要是经过物理化学吸附,化学反应与沉淀等途径被去除的。
重金属离子在土壤胶体表面进行阳离子交换而被置换、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;重金属离子与土壤的某些组分进行化学反应,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,中国绝大部分城市的污水处理厂采用传统的活性污泥二级生化处理工艺,该工艺工程基建投资大能耗高,运行维护费用大,对管理技术要求高,难以在中小城市推广。
因此,在中国大力开发具有高效,简易,低耗的生物污水处理技术具有很大意义。
人工湿地系统是一项污水处理新技术,具有投资低,出水水质好、抗冲击力强、增加绿地面积、改进和美化生态环境、操作简单、维护和运行费用低廉等优点。
这项技术适合中国国情,特别适合广大农村,中小城市的污水处理,具有极其广阔的应用前景。
人工湿地（CONSTRUCTEDWETLAND）也叫构建湿地,是一种人工建造和监督控制的与沼泽类似的地面,其设计和建造是经过对湿地自然生态系统中的物理,化学和生物作用和优化组合来进行的,也是利用这三种作用的协调关系作用来进行废水的处理。
它利用土壤（滤料）一微生物一植物这个复合生态系统中物理、化学和生物的综合作用处理污水和一些工业废水,使水质得到不同程度的改进;同时经过营养物质和水分的生物地球化学循环,促进绿色植物生长并使其增产,实现污水的资源化和无害化。
它可用作生活污水和工业废水的二级和三级处理。
中国在”七五”期间开始人工湿地的研究。
1990年7月．国家环保局华南环保所在深圳白泥坑建造了处理规模为3100m的人工湿地示范工程;1988—1990年,在北京昌平进行了自由表面人工湿地处理系统的研究;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城市污水处理能力,并对水力负荷、有机负荷、停留时间及季节等与污水中主要污染物间规律进行探索;12月深圳市开始建设沙田人工湿地污水厂,利用人工湿地处理系统来处理污水。
美国是世界上拥有人工湿地污水处理系统最多的国家。
当前在美国有600多处人工湿地工程用于处理市政,工业和农业废水。
在欧洲的一些国家,如丹麦,德国,英国等至少有200处人工湿地系统在运行。
另外,在新西兰,日本,澳大利亚以及一些非洲国家,人工湿地处理技术也得到了广泛的应用。
当前,人工湿地应用于生活污水处理,工业废水处理,农业污水处理,城市污水处理,出水一般都优于常规二级处理效果。
2、组成
绝大多数自然和人工湿地由五部分组成:
1）具有各种透水性的基质,如土壤、砂、砾石
2）适于在饱和水和厌氧基质中生长的沉水或挺水植物,如芦苇
3）水体（在基质表面下或上流动的水）
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的洼地中由土壤和填料（如砾石等）混合组成填料床,废水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动,并在床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强。
生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物（如芦苇、蒲草等）形成一个独特的动植物生态系统,对废水进行处理。
湿地植物具有三个间接的重要的作用:
1）显著增加微生物的附着（植物的根茎叶）
2）湿地中植物可将大气氧传输至根部,使根在厌氧环境中生长
3）增加或稳定土壤的透水性
植物通气系统可向地下部分输氧,根和根状茎向基质中输氧,因此可向根际中好氧和兼氧微生物提供良好环境。
植物的数量对土壤导水性有很大影响,芦苇的根可松动土壤,死后可留下相互连通的孔道和有机物。
土壤,砂,砾石基质的作用:
为植物提供物理支持:
为各种复杂离子、化合物提供反应界面,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
该系统根据占主导地位的水生植物,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。
根据废水流动模式,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,一般为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,可是负荷低,受气候影响大,且卫生条件不是很好,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的均匀流态,需布置合理的床内配水系统和集水系统。
其负荷高,处理效果好,受气候影响小,且卫生条件好,在实际中应用最广。
人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。
经过合理的设计布局可将BOD,SS,氮磷营养物,重金属离子,病菌和一些难降解有机物处理达到更高的水平。
4、优缺点
人工湿地系统相对于传统的二级处理系统而言,具有以下优点:
建造、操作及维护费用低;节省能源,无二次污染:
处理过的水可循环再利用;提供许多湿地生物的栖息地;容易实现中水回用;可承受进流量的大幅度的变化;水资源的永续管理;具有一定的景观观赏功能;在海岸地区具有防风的功能;可提供一些非直接的效益,如绿色空间及教育研究。
其缺点有:
土地面积需求大;净化处理速度缓慢;废水需经过预处理;易滋生蚊蝇;关于人工湿地的设计,建设和运行还缺少统一的规范,缺乏精确的参数;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,但这些应用的设计和运行都是建立在统计数据和经验公式基础上的,这一污水处理技术并不为人们所完全掌握,人们对人工湿地去除污染物的内在机制尚缺乏定量化的了解,人工湿地的设计和运行常常缺乏模型的指导,对人工湿地设计时的预期水质目标和长期的运行效果缺乏准确可靠的预测手段,因此影响了这一高效低耗的生态污水处理技术的推广和应用,而人工湿地生态动力学模型的不断完善能够从根本上解决这一问题。
人工湿地模型理论基础主要包括一级动力学模型、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的设计和对湿地污染物去除效果的预测。
该方程主要考虑处理负荷与处理效率之间的关系,污染物在人工湿地中空间上的浓度变化普遍呈现出一种指数衰减的趋势,模型的推导以基质的降解服从一级反应动力学为基础。
经常假设模型中的一些参数如速率常数等为常量,与水力负荷或进水浓度无关,以及湿地中的水流形态为稳定的活塞流等。
这些一级动力学模型一般的表示式为:
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行数据基础上的,它将人工湿地视做一个”黑箱”,仅仅依据污染物进水浓度和出水浓度,经过人为定义的简单线性方程或幂次方程对运行数据的拟合,还可能在方程中加入流量、温度、停留时间等因素的影响,从而建立一种”输出”对”输入”的统计响应关系。
人工湿地的生态动力学模型是以”箱式”模型理论为基础,将人工湿地系统中各种生物、物理、化学降解去除途径划分成许多个独立的”箱子"和反应过程,针对每个降解去除途径和反应过程分别进行深入细致的研究,分析它们互相之间的协调拮抗作用和控制影响因素,对每个”箱子”及反应过程进行定义,确定其具体的质量平衡方程、反应公式（一般为动力学方程）和相关动力学参数,并经过实验测定、文献查找等方法获得各种相关生态动力学参数,然后运用各种建模软件对概念模型进行实现,并以人工湿地系统的运行数据对各个参数和过程定义进行分析、演算、校验和修正,最终得到一个统一完整的生态动力学模型。
升级会员 