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1、人工湿地的现状与展望,汇报人：,人工湿地概述,01,人工湿地的应用,02,人工湿地的优势,03,未来展望及挑战,04,目录页,人工湿地概述,1,人工湿地概述,著名案例,人工湿地发展的历史与现状,人工湿地概述,人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。,人工湿地发展的历史与现状,从历史的考察看，利用湿地改善水质并非一个新发明，早在古代中国和埃及，这种观念就贯穿于人们的日常生活之中。那时所谓的湿地主要是指天然
2、湿地。20世纪60年代末，通过人工调控的方法对污水进行处理的工艺开始逐渐受到世界各国有关领域研究者们的关注。 人工湿地(Constructedwetland)的概念，是20世纪70年代始才提出的。从起初的实验研究、理论探索，逐步走向今天大规模推广应用，也不过30多年的历史。随着科学家们对人工湿地研究的深人和工艺的改进，现在的人工湿地已发展成一种较为完备和独立的污水处理技术。 有关人工湿地最早报道是 1904 年澳大利亚学者 Brian Mackey的研究，后来出现由德国 Seidel在1953 年研究的 Max-Planck-Institute-Process 处理系统和 Kickuth 于
3、20 世纪 60 年代开发的“根区法”，荷兰 1967年的 Lelystad Process表面流处理系统，美国20世纪70年代NASA的国家空间技术实验室研究的“砾石床”系统。1974年德国首先建造了人工湿地。此后在欧洲国家、美国、加拿达等国家得到推广和规模发展。,人工湿地发展的历史与现状,我国对人工湿地的研究，始于上世纪 50 年代，中国科学院水生生物研究所是最早开展人工湿地生态工程的单位。一大批湿地科学家开展了石化废水的氧化塘生物处理、城市污水和湖泊综合污染、水生态重建等研究，取得了大量的研究成果，为我国污水处理提供了科学方法，为人工湿地的构建和工程示范提供了设计参数，也为进一步深入研究
4、奠定了基础。 20 世纪 90 年代中期吴振斌组织申报成功了欧洲联盟重大国际科技合作项目“热带与亚热带区域水质改善、回用与水生态系统重建的生物工艺学对策研究”。研发了以复合垂直流人工湿地（IVCW）为核心的生态工程技术，对湿地系统的结构流程、植物选择与组合、处理效果、净化机制、运行管理等方面展开了系统研究，发表大量论文并获得国家专利。此研究成果已广泛应用于地表径流面源污染、城镇综合生活污水、渔业养殖、公园水质调控、食品、造纸、矿山等工业废水的处理与回用；也用于河流、湖泊、近岸海域污染水体的修复等诸多领域。 这不仅对推进我国人工湿地的构建、污水处理与回用具有重要指导意义，且在世界范围内人工湿地的
5、研究和应用也产生了重大影响。,著名案例,阿德菜植物园First Creek湿地 Adelaide植物园湿地位于First Creek，这里是一个高度城市化的水路区域，距离Adelaide市中心不远。这片湿地对于改善洪水泛滥，净化污染的暴雨径流具有十分重要的作用，它是含水土层储存和恢复系统（简称ASR）的来源，为众多植物和昆虫提供了栖息地，同时又是一个具有教育意义和娱乐意义的场地，十分有价值。,著名案例,美国波特兰坦纳斯普林斯公园 公园位于波特兰珍珠区，项目场地的前身是一块湿地，后被开发为工业用地。公园的设计理念是：用“现代的新技术再现过去”。因此设计在工业废弃地上重现湿地景观，一方面为城市提供
6、绿色空间，另一方面通过水和湿地生境唤起场地的湿地景观，是对历史的追溯。设计利用场地地形由南向北逐渐降化的特点，汇集周边下垫面的雨水，汇入净化系统，结合喷泉曝气功能形成趣味性水景。场地中的艺术景墙的设置唤起了对于历史铁路的追忆。在城市绿地中，这个小型的湿地公园改善了小气候、丰富了物种多样性，同时为城市提供了休闲娱乐的场所,著名案例,上海世博会后滩湿地公园 后滩公园位于上海2010世博园的核心绿地景观之一，位于上海市中心，位于园区西南角，黄浦江之东岸，延黄浦江的岸线长约1.7km,总面积约为1.42公顷。后滩公园建立了一个可以复制的水系统的生态净化模式，创立了新的公园管理模式，它不仅满足安全疏散、
7、游憩等候的功能，还承担着湿地保护、科普教育、湿地水处理和生态风景观赏的职能。,人工湿地的应用,2,人工湿地的特性,人工湿地的分类,人工湿地的去污机理,人工湿地水质净化的影响因素,人工湿地的特性,湿地是陆地与水生系统之间的过渡地带,有着很高的生产力以及转换、储存有机物和营养盐的能力。湿地处于水陆交错带可对流经其的水流及其携带的营养物质起到过滤净化作用,由于其在水分和化学循环中所表现出来的功能,被誉为“地球之肾”。 所有的污染处理过程都同时发生在湿地这一单独的“生态系统”反应堆里。湿地作为水污染净化处理的系统有着耐冲击负荷能力强、维护费用低、无二次污染等诸多优势,人们意识到不仅可以利用自然湿地来达
8、到这一目的,更多地开始建立人工湿地以达到更大范围的水污染处理应用。目前,国内外人工湿地在水污染处理方面的研究涉及到工业废水处理、动物排泄物污染、造纸厂污水、城市和农村生活污水以及城市暴雨径流污染等多个方面。,人工湿地的分类,20世纪50年代以来的研究表明,人工湿地之所以能实现对废水的高效净化,是因为人工湿地能够利用基质微生物植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用,通过沉淀与过滤、吸附、离子交换、植物吸收、微生物转化与降解、沉淀析出和泥炭加积等作用去除污染物,同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环,促进植物生长并使其增产,实现废水的资源化与无害化。目前越来越多的城市和地区开始根据
9、不同污染物类型以及当地自然条件,构建不同类型的人工湿地,模拟自然生态系统的运作机理,更加有效地进行各类水污染处理,自由表面流人工湿地,我国在“七五”期间开展人工湿地的研究,分别在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同处理规模的人工湿地处理工程,这些处理系统大多为自由表面流人工湿地,这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点,缺点则是占地面积大,水力负荷低,去污能力有限,受气候影响较大,夏季会孽生蚊蝇、散发臭味。,表面流人工湿地典型结构如图，又称自由表面流人工湿地系统（free water surface constructed wetland），在北美地区采用较多。湿地通常由一个
10、或几个池体组成，池体间设隔墙，底部及墙体采取防渗措施以防止污水扩散。种有效的废水处理技术。 池中一般填有土壤、砂或者其它合适的基质供水生植物根系的发育和固定。此类湿地流动水位较浅，多在(0.10.6)m，污水在湿地单元中缓慢水平流动，污水中的绝大部分有机物的去除是由生长在植物水下茎杆上的生物膜来完成，与自然湿地最为接近。,潜流型人工湿地,水平潜流人工湿地及垂直潜流人工湿地的典型结构如图所示。潜流湿地的主体结构类似表面流人工湿地，但污水在基质中流动时，水面低于基质表面，呈潜流状态，因而一方面充分利用了基质表面生长的生物膜、丰富的植物根系及基质的截留作用，提高了处理效果和处理能力，另一方面由于水流
11、一直在基质表面以下流动，避免了表面流湿地中的蚊蝇及臭味问题，并一定程度上降低温度变化的影响。,潜流型人工湿地的污染物降解接触点多，微生物丰富，耐冲击；负荷较大，占地面积小，污水处理效率高。缺点是建造费用高，有机负荷较高时，容易发生堵塞，因此维护和管理费用也较高。,潜流型人工湿地,水平潜流人工湿地污水从以水平方式在基质空隙中流动，污染物在微生物、基质和植物的共同作用下，通过一系列的物理、物化和生物作用得以去除。与表面流湿地相比，水平潜流湿地水力负荷高，对BOD、COD、SS、重金属等污染物的去除效果较好，且无恶臭和蚊蝇孳生，是目前采用最广泛的一种湿地形式。但控制相对复杂，N、P去除效果不如垂直流
12、人工湿地。 垂直流湿地分为下向流和上向流两种，下向流垂直流湿地以其操作相对简单更为常用，污水从湿地表面流入，从上到下流经湿地基质层，由底部流出。上向流水流方向反之。由于氧气可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统，其内部充氧更为充分，有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行，氮、磷去除效果较好。,自由漂浮的大型植物人工湿地,过去人工湿地去污功能的研究多在芦苇或香蒲等湿地上进行,用自由漂浮的大型植物人工湿地去除污染物的研究相对较少。随着人们生活水平的提高,极大地促进了畜牧业的发展,但同时,由于对牲畜的排泄物及冲洗圈舍的废水处理不当给生态环境造成了严重的污染。目前,部分地区开始建造自由漂浮的大型植物人工
13、湿地来净化畜牧养殖排放的废水,以去除废水中的氮、磷和有机污染物。 在这种系统中,废水从湿地表面流过,覆盖整个植物根系,系统中的植物通过光合作用和根系的渗透作用将氧传输到根圈介质,并且为与氮磷循环有关的微生物生长提供良好的环境,微生物是消除污染物的作用者,它能够在去除氮、磷等营养物的同时把有机质转化为营养物质和能量,根系通过吸收废水中的氮、磷以及其他营养元素以便满足植物生长需要,最终收获系统中的植物把废水中的氮、磷等污染物去除。 该系统的主要优势在于设施简单、投资少、建造简易、管理方便,病虫害亦较少发生,去污效果良好,适用范围广泛,它不仅适用于污染物含量高的养猪场等畜牧业污水治理,也适用于污染物
14、浓度较低的生活污水的治理,该系统所选择的植物种类对污水中采用常规方法难以处理的氮、磷的吸收去除能力较强,并且通常情况下该系统中生长的植物不需人为另外施肥,利用水体中的氮、磷等营养物质即可满足植物的生长需要,且收获的植物可作为饲料喂养牲畜。目前在此类人工湿地种植的植物主要有水葫芦、美人蕉、风车草等。,人工湿地的去污机理,人工湿地脱氮机理 人工湿地脱除水体中氮素的主要方法： （1）利用植物去除水体中的氮素，湿地植物的根、茎、叶等组织对氮素有着不同的吸收能力； （2）利用基质吸附水体中氮素； （3）利用硝化-反硝化作用脱氮。其中，硝化-反硝化作用是当前湿地去除水体中氮素的最主要机理。硝化反应如下：
15、NH4+2O2NO3-+2H+H2O 硝化作用与湿地内部溶解氧（DO）有着密切关联，通常DO充裕时，硝化过程可以顺利进行。 反硝化反应如下： NO3-+2e-+2H+=NO2-+H2O NO2-+e-+2H+=NO+H2O2 NO+2e-+2H+=N2O+H2O N2O+2e-+2H+=N2+ H2O,人工湿地的去污机理,人工湿地脱氮机理 反硝化作用与湿地进水中碳源含量有着密切关联，当湿地内部碳源充足时，反硝化过程可以正常进行。在湿地中，硝化反应仅改变氨氮的形态，使其转变成硝态氮，但硝态氮还是存在于水体中，湿地并未从真正意义上将氮去除。而反硝化反应则是完全将水体中的硝态氮转化为气态氮，完成了湿
16、地脱氮的最终目标。从这个意义而言，反硝化作用对人工湿地去除水体中氮素而言意义重大。,湿地系统中因植物根系对氧的传递释放,使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态,保证了废水中的氮不仅能通过植物和微生物作为营养吸收,还可以通过硝化、反硝化作用将其除去,最后通过植物的收割将氮从污水和湿地系统中去除。,人工湿地的去污机理,人工湿地中脱磷机理 人工湿地去除水体中磷的主要方式有物理作用、生物作用和化学作用。 物理作用：磷通过其自身重力作用沉降后被去除。 生物作用：（1）湿地中植物利用根、茎、叶等组织吸收水体中的磷； （2）湿地中丰富的微生物也可以积累并去除一部分水体中的磷。 化学作用：（1）磷发生化学反应形成沉淀后被去除； （2）基质或植物通过吸附过程去除水体中的磷元素。 植物收割和基质更替是最终将磷从人工湿地中去除的有效途径。作为湿地植物生长的必需元素，磷通常因为植物根部的呼吸作用而被吸附在植物根系附近，或者直接被植物吸收利用后除去。此外，基质吸附作用通常由其表面性质决定，基质的矿物组成和pH也决定了其对磷的沉
