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污水在流经人工湿地生态系统时,通过物理、化学及生化反应的三重作用得以净化。
(1)物理作用:
污水进入湿地,经过基质层及密集的植物茎叶和根系,使污水中的悬浮物颗粒得到过滤,并沉积在基质层中,这一过程也称作物理沉积。
(2)化学作用:
污水流经人工湿地时,经化学反应(化学沉淀、离子交换、氧化还原等)将水中污染物质得到削减、去除。
化学反应取决于所选择的基质类型,例如:
含CaCO3较多的石灰石有助于磷的去除;
含有机物丰富的土壤有助于吸附各种污染物。
(3)生化作用:
生化反应是去除有机污染物的主要作用过程。
空气中的O2经过大型植物的叶、茎的传输到达根部,扩散到周围缺氧的底质中,形成了氧化的微环境,刺激好氧微生物,加快对有机物质的分解;
有助于硝化细菌的生长,可降低废水中的BOD,并将NH3-N转化为NO2-、NO3-。
在缺氧的环境中,经过扩散和渗滤作用,受到反硝化茵的转化之后,以N2和N2O的形式从系统中消失。
2生产实习的目的、任务和意义
2.1实习的目的与任务
生产实习是在专业基础课及专业课学习的基础上,进一步了解所学专业基础知识和技能。
在老师的带领和指导下,了解和学习湿地处理污水的机理、过程以及湿地的发展前景。
重点收集成都活水公园污水处理示范工程、浣花溪湿地工程和凤凰二沟人工湿地污水治理工程的性能和各类构筑物的处理原理,并通过认真的现场听讲和观察记录,完成一份生产实习报告。
2.2生产实习的意义
生产实习是在基础课、专业基础课及专业课学习的基础上,进一步了解所学专业的基本知识和技能。
本次实习通过活水公园污水处理示范工程、凤凰二沟人工湿地污水处理工程和浣花溪人工湿地的参观,和老师的讲解,学习了人工湿地处理污水的工艺过程、净水机理、主要构筑物及其运行管理,为后续的水污染控制工程中土地处理的学习奠定基础。
3实习内容
3.1活水公园污水处理示范工程
3.1.1成都活水公园概况
活水公园是世界上第一座城市综合性环境教育公园,位于中国四川成都,占地24000多平方米。
取自府河水,依次流经厌氧池、流水雕塑、兼氧池、植物塘、植物床、养鱼塘等水净化系统,向人们演示了水与自然界由“浊”变“清”、由“死”变“活”的生命过程。
成都活水园,占地24000多平方米,坐落于成都市中心府南河畔,是一个具国际知名度的环境治理的成功案例。
园中庞大的水处理工程,大大改善了府南河的水质,也因此让市民亲眼目睹水由污变清的自然进程并为之骄傲。
每天有200立方水从河中抽出除去细菌、重金属后再回到河中。
3.1.2成都活水公园人工湿地系统
(1)活水公园人工湿地系统工艺流程图
成都市活水公园人工湿地系统位于府河畔,面积为0.24ha,水源为府河,依次流经厌氧池、流水雕塑、兼氧池、植物塘床系统、鱼塘花船等水净化系统,向人们演示了水与自然界由“浊”变“清”、由“死”变“活”的生命过程。
其工艺流程见图1。
图1活水公园污水处理流程图
活水公园处理污水的主体是人工湿地塘床系统,工艺流程如图2。
图2成都市活水公园人工湿地塘床系统流程图
(2)厌氧沉淀池
厌氧沉淀池是人工湿地生物净水系统的预处理装置,容积780m3。
该池采用物理沉淀厌氧接触与生物膜过滤相结合的方法去除大部分悬浮物和部分可溶性的有机物。
使大部分悬浮物或沉于池底或浮于水面由人工清除。
使部分高分子有机物分解成较简单的物质(如甲烷、二氧化碳、氨氮等)或排入大气或随水流进入下一工序成为动植物生长的养分。
池中雕塑是一滴山泉在显微镜下的形态,表现洁净水的原始自然状态。
图3厌氧沉淀池
(3)水流雕塑
由一串天然的整石雕塑组成,水流在其中回旋荡漾激起浪花,用以曝气充氧以增加水中溶解氧的含量。
图4水流雕塑
(4)兼氧池
兼氧池的容积约为48m3,是人工湿地的前端配水装置,池中有兼氧微生物和植物等对有机污染物和重金属有一定的降解作用。
图5兼氧池
(5)氧化塘
氧化塘又名稳定塘或生物塘,其对污水的净化过程与自然水体的自净过程相似,是一种利用天然净化能力处理污水的生物处理设施。
其净化机理与活性污泥法相似;
土壤渗滤和污水灌溉,统称为废水的土地处理,其净化机理与生物膜法相似。
稳定塘的净化原理是利用了细菌与藻类的互生关系。
藻类进行光合作用释放氧气;
细菌利用藻类产生的氧气分解流入塘内的有机物。
分解产物中的CO2、N、P等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类的营养源;
增殖的细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。
稳定塘内的反应过程:
藻类和光合细菌的光合放氧过程;
好氧反应:
氧化作用、氮氧化作用、硫氧化作用等;
厌氧反应:
硝酸盐还原反应、硫酸盐还原反应、发酵反应等。
图6氧化塘
(6)人工湿地塘床系统
它是一个人工湿地生态系统,是活水公园水处理工程的核心部分,由6个植物塘、12个植物床组成,其中养殖的植物达数十种,包括:
漂浮植物(浮萍、紫萍、凤眼莲)、挺水植物(芦苇、水烛、茭白、伞草、菖蒲、马蹄莲、灯心草)、浮叶植物(莲、睡莲)、沉水植物(金鱼藻、黑藻)等,还有多种鱼类、昆虫和两栖动物。
水流入人造湿地区,这里的芦苇不是长在土里,而是长在石头上。
水从石头之间流过,污染物就被吸附住了。
岩石有吸附的作用,而且石头上也生长着微生物。
它们将污染物分解成为对植物有用的营养。
这里的植物依靠水中的污染物生长,植物枯萎时被清除掉,污染物也就清除掉了。
图7人工湿地塘床系统
活水公园人工湿地塘床系统植物的引种及生物群落的形成
成都市活水公园人工湿地塘床系统位于府河畔,面积为0.24ha,水源为府河。
其中的生物群落主要有两类:
一类是大型水生植物群落,另一类是围绕大型水生植物群落生成的其它水生生物群落。
初期的大型水生植物群落是人工建成的,其物种组成包括挺水植物、浮水植物、沉水植物、浮叶植物,分为优势种和点缀种,共计约30种,见表1。
表1引种植物的种类及名称(拉丁文字名略)
名 称
科 属
名 称
名称
科属
芦 苇
禾本科
草 芦
朱顶红
石蒜科
菱 角
菱 科
菖 蒲
天南星科
莲 睡
莲科
灯心草
灯心草科
香 蒲
香蒲科
蝴蝶花
尾 科
茭 白
芦 竹
野 芋
伞 草
莎草科
水 蔗
睡 莲
睡莲科
甘 蔗
石菖蒲
水 仙
芭 茅
慈 姑
泽泻科
马来眼子菜
眼子菜科
马蹄莲
茳 芏
金鱼藻
金鱼藻科
凤眼莲
雨久花科
姜 花
姜 科
菹 草
浮 萍
浮萍科
美人蕉
美人蕉科
富贵竹
大型水生植物的群落变化
活水公园人工湿地塘系统几种人工种植的挺水植物优势种中,当年生长旺盛的有香蒲、茭白和伞草,其次是芦苇,菖蒲次之,草芦和芭茅长势最差。
次年及以后,草芦和芭茅逐渐被淘汰,其它均生长旺盛。
草芦床逐渐变为香蒲床,芭茅床改为菖蒲床,百草床中伞草逐渐成为优势种。
点缀种中,芦竹、甘蔗和马蹄莲长势较好,其余的较差,有的自然消亡或被人为淘汰(如慈菇、菱角、朱顶红、富贵竹等)。
试栽的几种竹子均不能正常生长。
植物塘内人工种植的植物中,除莲长势较弱外,其余长势均好。
活水公园人工湿地塘床系统水生生物群落及种群结构见表2。
表2活水公园人工湿地塘床系统生物群落及种群结构(拉丁文学名略)
单元
一级植物塘
一级植物床
二级植物塘
三级植物塘
鱼塘
大型水生植物
凤眼莲、浮萍
芦苇、香蒲、伞草、芦竹、马蹄莲、野芋等
莲
伞草、茭白、菖蒲、香蒲、芦竹、马蹄莲、灯心草
睡莲、金鱼藻、眼子菜、菹草
金鱼藻、眼子菜、菹草
藻类
双菱藻、脆杆藻、柄裸藻、裸藻、颤藻、微囊藻、鱼腥藻、隐藻、绿球藻、实球藻、衣藻等
水绵、双星藻、绿梭藻、实球藻、黄丝藻、双菱藻、脆杆藻、双羽藻、隐藻、柄裸藻、裸藻、微囊藻、束丝藻、鱼腥藻、根管藻、四棘藻等
水绵、实球藻、小球藻、盘星藻、鼓藻、栅藻、团藻、衣藻、双菱藻、脆杆藻、舟形藻、斜杆藻、柄裸藻、裸藻、颤藻、微囊藻、鱼腥藻等
水绵、双星藻、绿梭藻、实球藻、衣藻、纤维藻、卯囊藻、黄丝藻、双菱藻、脆杆藻、双羽藻、柄裸藻、裸藻等
水绵、绿球藻、水球藻、盘星藻、鼓藻、栅藻、团藻、衣藻、双菱藻、脆杆藻、舟形藻、斜杆藻、柄裸藻、裸藻等
双菱藻、双羽藻、脆杆藻、舟形藻、斜杆藻、小球藻、栅藻、团藻、立方藻、颤藻目
水生无脊椎动物
蚤类、轮虫、钟虫、鞭毛虫、纤毛虫、孑孓等
剑水蚤、钟虫、鞭毛虫、毛虫、轮虫动物、软体动物、水生昆虫、昆虫幼体等
蚤类、剑水蚤、轮虫、钟虫、鞭毛虫、纤毛虫、孑孓等
剑水蚤、鞭毛虫、纤毛虫、轮虫动物、软体动物、水生昆虫、昆虫幼体等
蚤类、剑水蚤、虾类、轮虫、钟虫等
蚤类、剑水蚤、虾类、轮虫、钟虫、草履虫等
水生脊椎动物
鲤鱼、鲫鱼等
鲤鱼、鲫鱼、蛙类等
锦鲤、金鱼、鲤鱼、鲫鱼、草鱼
锦鲤、鲤鱼、鲫鱼、蛙类等
锦鲤、金鱼、
(7)水流雕塑
也是充氧过程,使水中氧气升高,避免水发臭。
图8水流雕塑
(8)鱼塘花船
污水经人工湿地塘、床系统净化处理后。
出水可由地表水质国标V类水净化达到Ⅲ类水域,即适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区的水质标准要求。
养鱼塘中养殖有各种观赏鱼类,以水中的养分和微生物为食。
在形成生动景观的同时,还能够通过其生长情况对前面工序净化污水的效果进行直观监测。
图9鱼塘花船
3.1.3活水公园人工湿地系统净水机理
水流通过引导进入厌氧沉淀池,在这里经过物理沉淀作用。
混浊的府南河水被泵入喷泉池,进行活水净化的第一道工序。
泵入池中的污水一部分经物理沉淀作用,使比水重的悬浮物沉于池底,从排泥管排出。
比水轻的悬浮物浮于水面,由人工清理。
另一部分经池中的厌氧微生物分解成甲烷、二氧化碳等难溶气体排入大气,或成较低分子有机物随水流出,进入下一道净化程序。
经过初步沉淀的水,流入一串形似花瓣的莲花石溪,称为水流雕塑。
它巧妙地引入水力学原理,利用落差产生的冲力,使水在一个个石花瓣中活泼欢跳。
这一方面极富动感和观赏价值,同时使水在回旋、震荡中充分地曝气充氧,增强水中的含氧量。
水通过水流雕塑后,进入微生物池,也叫兼氧池。
它的深度为1.6米、容积为48立方米。
污水在池中被微生物部分净化后,从微生物池泵入植物池。
由此,水变得清亮了,水中的鱼游得很欢畅。
最后,被净化了的水流出。
3.1.4活水公园湿水处理效果
(1)府河整体水质变化情况
府河的水质清污交替的变化对活水公园人工湿地塘床系统中的一、二级植物塘的鱼类和一级植物床碎石基质层中的微生物影响很大。
因为在5月~12月下旬期间,是府河的平水期和丰水期,水环境容量大,水质较好,溶解氧(DO)较高。
活水公园人工湿地塘床系统是在全程有氧状态下运行的,形成好氧微生物膜体系和相应的生态系统。
进入枯水期,府河径流量明显减少,府河水质恶化以突变的方式出现,如图10。
此时DO为未检出,CODCr为69.9~143.2mg/L,BOD5为24.7~42.9mg/L,使初级植物塘、初级植物床碎石基质层中严重缺氧,使其中的好氧微生物受到致命伤害,并危及下级单元,进而使某些好氧生物受到影响。
府河的这种缺氧状态要一直持续到枯水期结束。
此段时间,活水公园人工湿地生态系统会逐渐形成与缺氧环境及污水水质相适应的新的兼氧微生物或厌氧微生物体系。
图10 府河水质变化情况
(2)人工湿地塘床系统处理污水的生态滤池作用
人工湿地塘床系统是由各种湿地单元与各种各样的高、低等生物和所处的开放式的环境共同构成了较为完整的生态系统,该系统对污水的逐级净化过程就象层层过滤一样,使进水得到净化。
根据国家地表水环境质量标准Ⅱ类水域水质标准(以下简称Ⅱ类水质标准),府河枯水期超标的参数和污染物有:
CODCr、BOD5、TP、NH3、Tcoli、Oil、LAS和Ar-OH等,对活水公园人工湿地塘床系统有影响的污染物有TN和S2-。
活水公园人工湿地塘床系统对它们的去除率见表3、表4。
监测结果表明,活水公园人工湿地塘床系统出水水质达到了Ⅱ类水域水质标准。
由此可见,人工湿地塘床系统是具有净化污水功能的生态滤池。
表3 活水公园人工湿地塘床系统对污染物的去除率(%)
序号水质指标厌氧池塘Ⅲ进鱼I戏水池总排口
1TP18.6754.7389.3393.9397.40
2TN19.7753.8489.2793.7994.35
3NH3-83.9739.7289.5597.4695.12
4S2—-557.26-6.4580.6575.8185.48
5Oil2.1973.8791.2496.3596.35
6LAS-1.0231.9890.3693.9190.86
7Ar-OH38.1090.4895.2495.2495.24
8Tcoli90.0094.5899.9699.9899.97
表4 各级单元BOD5、CODCr去除率(%)
位置BOD5CODCr位置BOD5CODCr
厌氧池29.8535.42塘Ⅳ63.1969.99
塘Ⅰ45.8064.70塘Ⅴ88.1785.26
塘Ⅱ45.5855.23戏水池88.6689.07
塘Ⅲ54.3776.28
3.1.5成都活水公园湿地系统应用前景
成都是个滨水区丰富的城市。
有府南河、江安河、清水河等。
但是由于这些年的快速发展,河流污染严重,水流污染问题亟待解决。
活水公园案例可以为解决城市河流污染问题提供良好范例。
现在,成都滨水区大部分只有些许绿化,可用做交通,供游人休憩。
若学习活水公园,将滨水地带开辟作为集净水游憩功能为一体的公园。
再由这些绿地和公园交织成城市绿色网络。
绿地及公园既具观赏作用,又有净化城市水体的功能,就像是城市的肺。
蔓生的低密度城市被转变成由绿地分割的、有一定大小限制的、中高密度的城市居民网络,大多数居民生活在步行或者自行车尺度的工作通勤距离内。
而这些城市网络则以道路交通系统和城市绿地编织的网络联系和分割。
既体现了成都休闲的市民文化,又净化了河水。
3.1.6小结
通过对活水公园的参观以及老师的讲解,了解了活水公园处理污水的工艺过程和每一级构筑物及其作用机理。
活水公园人工湿地塘床系统中的大型水生植物群落是人工湿地生态系统的骨架,起着支撑系统的作用,同时还发挥着净化、美化、绿化环境的作用;
大型水生植物群落的建立显示出了优胜劣汰、适者生存的自然选择规律的作用,并发生了适应性变化。
各单元中逐渐形成了各自的生物种群。
初级塘床的水生生物群落受府河水水质清污交替变化影响明显,主要是鱼类和微生物。
人工湿地塘床系统是经过人为模仿自然净化过程并进行优化配置进而强化了的具有处理污水功能的生态系统,对污水的逐级净化过程由生态系统各级层层过滤,人工湿地塘床系统就是一座生态滤池。
并且,其出水具有一定的生物安全性,真正实现了污水资源化,这种资源化不仅对人类是必要的,对水生态系统也是有益的。
3.2凤凰河二沟人工湿地污水治理工程
3.2.1凤凰河二沟人工湿地概述
成都市凤凰河二沟属沙河上游支流,其上游沿岸及周围城区无清污分流的排水管网,所有生活污水、乡镇企业污水、农灌废水及地表径流水都未经治理直接排入凤凰河二沟,造成凤凰河二沟河水污染严重,水体发黑发臭,影响城市市容,影响市自来水五厂、二厂的取水水源安全。
为解决河水污染问题,保障饮用取水水质,成都市水务局投资建设凤凰河二沟湿地公园。
该湿地公园占地面积2.18×
105m2,采用“前置处理人工快渗”和“人工湿地”两大工艺组合,一期建设规模20000t/d,于2007年4月竣工并投入使用。
该湿地公园为我国西南地区最大生态治污湿地。
图11凤凰二沟人工湿地
3.2.2凤凰河二沟人污水处理工艺及主要构筑物
(1)工艺流程
凤凰河二沟湿地公园水环境修复工程工艺由两部分组成,其中人工格栅、机械格栅、平流沉淀池、人工快渗池属于前处理单元,湿地系统属于深度处理单元。
其工艺流程如图12所示。
图12工艺流程
(2)格栅
将沙河的水经过拦截,全部进入处理单元中,格栅放在最前端,主要是拦截大的漂浮物及悬浮物,起机械阻隔作用,同时,格栅起着净化水质和保护设备的作用。
图13格栅
(3)预沉池
污水污水在处理过程中,因为水量会发生变化,例如在降雨、枯水期和丰水期都有变化,所以,预沉池不仅可以沉淀悬浮物和颗粒,同时,还可以调节水量水质,使处理连续,并不会损坏设备。
图14预沉池
(4)平面沉淀池
图15平面沉淀池示意图
水沿水平方向流过沉降区并完成沉降过程。
作用:
把能够沉淀的颗粒进行沉淀,再由人工捞出表面的细小悬浮物去除一般悬浮物,通过重力沉降的作用,悬浮物沉降下来,部分污染物被去除,为后续处理起到一定作用,水力停留时间4h。
图16平面沉淀池
(5)人工快渗系统(CRI)
其原理是在快速渗滤系统的基础上,采用渗透性能良好的介质(以一定级配的天然河砂为主,并掺入活性矿物质填料),利用干湿交替的运转方式,污水在通过快渗池时产生综合的物理、化学和生物反应,使污染物得以去除。
CRI系统采用干湿交替的运行方式,即在各渗池里淹水和落干相互交替。
可采用自动控制和人工管理相结合的方式,并定期进行翻耕。
CRI系统净化机理包括过滤、生物膜作用以及吸附三个过程。
有机物的去除主要由过滤截留、吸附和生物降解作用共同完成;
SS通过预处理和过滤作用去除;
氨氮通过硝化(落干)和反硝化(淹水)脱去;
磷则与渗滤池中的特殊填料形成磷酸钙沉淀而去除。
图17人工快渗系统(左图是淹水,右图是落干)
凤凰二沟人工快渗系统共9个系统,占地面积约18000m3,每一个系统深度为2米,在最上层是砂砾,下层主要是生物菌及矿物质,通过生物菌对污染物的去除以及矿物质对污染物的吸附作用而去除。
系统交替进行,24小时连续工作,每一个系统工作4小时为一周期,处理水量约200-900t,处理费用0.23元/t。
图18为一个系统不水管的简单构造,其中采用大阻力配水系统,其形式为带有配水干管和配水支管(有穿孔)组成的配水系统,优点布局简单,配水均匀性好,造价低。
图18一个快渗系统布水管渠平面示意图
(6)人工湿地处理系统
处理掉部分污染物的水经收集被泵入到凤凰河二沟另一岸的人工湿地污水处理系统。
人工湿地按1—8系列组成,1—8子系统由一级生物塘、一级植物碎石床、二级生物塘、二级植物碎石床和植物滤沙池组成(人工湿地系统示意图见图19)。
经过人工快渗系统处理过的污水在人工湿地经沉淀、吸附、氧化还原、微生物分解等作用,达到无害化,成为促进植物生长的养分和水源。
此外,对系统中的植物、动物、微生物及水质的时空变化设有几十个监测采样管,便于采样分析,为保护湿地生态及物种多样性的研究提供了实验场地,有较高的科技含量和研究价值。
人工湿地中种植有漂浮植物:
浮萍、紫萍、大藻、凤眼莲、喜旱莲子草等;
挺水植物:
芦苇、芦竹、姜花、伞草、香蒲、水竹芋、灯芯草、问荆等;
沉水植物:
金鱼藻、黑藻等几十种,与自然生长的多类鱼、昆虫和两栖动物等构成了良好的湿地生态系统。
图19人工湿地系统示意图
3.2.3凤凰河二沟水污染治理示范工程处理效果
(1)进出水水质情况
考虑到该河污染以生活污水为主,凤凰二沟被划定为Ⅲ水域的实际情况,因此,其设计的进出水指标主要考虑为对CODcr、BOD5、NH3-N、SS和TP的控制:
前处理系统(人工快渗)设计出水指标要求达到《城镇污水处理污染物排放标准(GB18918-2002)》中一级A标准(TP除外,TP≤1.3mg/L),人工湿地处理系统出水指标要求优于《城镇污水处理污染物排放标准(GB18918-2002)》中一级A标准,其各系统具体设计进出水水质标准详见表5。
表5设计进出水水质标准
工程
CODcr
BOD5
NH3-N
SS
TP
人工快渗系统
设计进水指标
≤419
≤111
≤49
≤230
≤3.59
设计出水指标
≤50
≤10
≤5(8)
≤1.3
处理率%
88.1
91.0
89.8(83.7)
95.7
63.8
人工湿地系统
≤8
≤50-200
设计出水标准
≤40
≤2
≤0.4
处理率
20
60
- 配套讲稿:
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