第七章、人工湿地处理系统
1.概述 湿地系统的概念
滇池边的天然湿地
人工湿地的定义：
--人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的 湿地系统，其设计和建造是通过对湿地自然生 态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合 来进行废水处理的。
滇池边的人工湿地
垂直流人工湿地表面布水系统
人工湿地发展史：
Free surface flow wetlands
（Ⅰ）自由水面人工湿地
➢ 优点：
--投资及运行费用低；建造、运行和维护简单
➢ 缺点：
相同处理效率，占地面积大于潜流湿地 冬季结冰；夏天会孳生蚊蝇，散发臭味 有传播病菌的可能
（Ⅱ）潜流型人工湿地
水平潜流人工湿地系统示意图
（Ⅱ）潜流型人工湿地
植物吸收及其收获而去除 有机基质的吸附和阳离子交换作用 氨的挥发 硝化－反硝化作用
--其中微生物的硝化－反硝化作用是脱氮的主要过程 --其中氧的供应和碳源数量与质量是限制性因子
（3）氮的去除
NH3
N2+N2O
[空气]
Org-N
NH4＋ NO2 -
[水体]
NO3-
NH4＋
NO3-
➢ 去除途径：
植物吸收和微生物富集作用 土壤胶体颗粒的吸附作用（离子交换） 与S2－形成硫化物沉淀
➢ 问题：
存在富集而饱和的问题 新增重金属离子对微生物种群的胁迫作用
（7）细菌的去除
➢ 去除途径：
基质层的沉降截留作用 植物根系的某些分泌物的灭活作用 光照杀菌
➢ 影响因素：
Some parameter for system
（a） Hydraulics
Hydraulic loading rate qi (HLR)
qi=Qi/A
(4.1)
where A = wetland top surface area(m2)
qi = HLR (md-1; often expressed as cm d-1) Qi= wastewater inflow rate (m3d-1)
垂直潜流人工湿地系统示意图
（Ⅱ）潜流型人工湿地
复合潜流人工湿地系统示意图
（Ⅱ）复合潜流型人工湿地
紧凑型复合潜流人工湿地系统示意图
（Ⅱ）潜流型人工湿地分析
➢ 优点：（与HFCWs相比）
✓ 充分运用湿地空间 ✓ 发挥系统协同作用 保温条件好；卫生条件好
➢ 缺点：（与HFCWs相比）
处理效果：
不仅对BOD和SS具有良好的处理效果，且与其它类型人工 湿地相比，其对氨氮的硝化也有很好的效率和效果
存在的主要问题
--表面堵塞而产生溢水现象
设计运行的关键问题
--水力负荷（HLR）和氧传递速率（OTR）
（Ⅱ）潜流型人工湿地
结论与展望： （1）垂直潜流人工湿地出水水质可达到：BOD＜
Ah h
(4.5)
Qq
（b） Water budget The dynamic overall water budget for a wetland is
dV Qi Qo QC Qb Qsm (P ET I ) A dt
where ET = evapotranspiration rate (m d-1) I = infiltration to groundwater (m d-1) P = precipitation rate (m d-1)
Q b = bank loss rate (m3d-1) Q c = catchment runoff rate (m3d-1) Q o = output wastewater flow rate (m3d-1) Q sm = snowmelt rate (m3d-1)
t = time (d) V = water storage in wetland (m3)
2.CWs去除污染物机理
人工湿地具有独特而复杂的净化机理， 利用基质—微生物—植物复合生态系统的物 理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、 吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物 分解来实现对废水的高效净化。同时，通过 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，实现废水的资源 化和无害化。
-- 投资费用高
处理效率高
Constructed Wetlands
➢ 垂直潜流人工湿地发展 垂直潜流人工湿地的分类： （1）第一代：间歇式（潮汐流） （2）第二代：连续式（连续流） 运用范围： --城市污水；农村污水；郊区独立住宅污 水；休闲娱乐污水；垃圾渗滤液
➢ 垂直潜流人工湿地发展回顾
（6）目前的研究重点是填料的选择和水力负荷的控制
d Wetlands
4、人工湿地的构造
人工湿地组成：
（1）防渗层； （2）基质层； （3）腐质层； （4）水层和湿地植物
（1）防渗层
作用：阻止污水向地下水体的渗透 可选用材料：
➢ 黏土 ➢ 高分子材料 ➢ 湿地底部的沉积污泥层可形成天然防渗层
水力负荷和水力停留时间
3、人工湿地的种类
人工湿地的分类
（Ⅰ）自由水面人工湿地
（Ⅱ）潜流型人工湿地
水平潜流 垂直流 复合流
（Ⅰ）自由水面人工湿地
自由水面人工湿地系统示意图
（Ⅰ）自由水面人工湿地
➢分类（优势水生植物种类）
自由表面 人工湿地
挺水植物系统 浮水植物系统 沉水植物系统
各类废水 N、P的去除 N、P的去除
（4）水生植物
➢ 作用： 提高湿地的处理效率 输氧，使床体形成好氧/缺氧/厌氧反应区 对有机物、营养物质进行分解和合成代谢 在冬季有保温作用，减缓处理效率的降低
➢组成：挺水植物；浮水植物；沉水植物
（4）水体植物
➢ 选择原则：
能适应当地生长的植物或天然湿地原存优势种 废水特性 多种植物混植或串连种植 采用综合利用价值高的作物，提高经济效益 景观效果好，美化环境，为野生动植物提
Operation and maintenance expenses (energy and supplies) are low
Operation and maintenance require only periodic, rather than continuous, on-site labour
图 人工湿地氮循环示意图
[土壤]
（4）磷的去除
➢ 人工湿地中磷的存在形式
存在形式 有机磷化物 不溶性磷酸盐 可溶性磷酸盐
说明 微生物和植物体内
主要存在形式 唯一可被微生物和利用
➢ 人工湿地中磷质量平衡方程
进水输入磷的总量(I) = 出水输出磷的量(E) + 作物吸收磷 的量(T)＋土壤截留磷的量(A)
➢ 20世纪70年代：
-- 探索人工湿地的建设与应用 ➢ 80年代以后：
-- 未把人工湿地作为处理主体，常与稳定塘系统 及天然土地处理系统联用。
➢ 90年代以后： -- 将人工湿地作为处理主体，积极探索其工艺参 数、运用范围和处理机理。
人工湿地处理系统的优点：
Constructed wetlands can be less expensive to build than other treatment options
（1）悬浮物（SS）的去除
➢ 去除区域：进口处5～10cm内完成
➢ 机理： 基质层的填料 植物的根、茎 腐殖层
“过滤、拦截”作用
结论：SS去除效率高低，取决于污水同植物与填料的接 触程度
（2）有机物的去除
➢ 降解主体： 兼性细菌；厌氧细菌；好氧细菌
（3）氮的去除
➢ 去除途径：
4.3. Nominal detention time
The volumetric flow rate (Q), area (A) and depth (h) ,ε (porosity)
Wetland water volume (V): (4.4)
V=Ahε
Nominal detention time (τ):
They can be built to fit harmoniously into the landscape
They provide numerous benefits in addition to water quality improvement, such as an environmentally sensitive approach that is viewed with favor by the general public
湿地植物
（5）水层
作用：
➢ 提供污染物降解的场所 ➢ 提供水生动物和水禽类的栖息场所
Constructed Wetlands
5.人工湿地的设计与计算
（1）湿地处理系统的设计
➢ 主要设计参数 水力停留时间与水力负荷 布水周期和投配时间 有机负荷和氮负荷 所需土地面积 长宽比和底坡 填料种类、渗透性和渗透速率 植物的选择
供良好的生境
系统 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12
湿地植物
下行池 ( I ) 芦苇 Phragmites communis 茭白 Zizania latifolia 荻 Miscanthus sacchariflorus 藨草 Scirpus triqueter 菰 Zizania caduciflora (对照) 宽叶香蒲 Typha latifolia 水烛香蒲 Typha angustifolia 风车草 Cyperus alternifolius 薏苡 Coix lacryma-jobi 光头稗 Echinochloa colonum 稗 Echinochloa crusgalli