人工湿地研究与工程应用

时间：2023-02-19 理论教育版权反馈

【摘要】：硝化能力高于水平潜流人工湿地，可用于处理氨氮较高的污水；但构造比较复杂，且对SS去除率不高。我国对人工湿地的研究开展较晚，直到“七五”期间才开始了对人工湿地的系统研究，并于1990年在北京昌平建成我国首例人工湿地污水处理系统。深圳雁田、四川成都活水公园、天津等地也先后建立了人工湿地系统，对人工湿地处理污水规律及其机理进行了比较系统的研究。

人工湿地研究与工程应用_第四届绿洲论坛报

人工湿地研究与工程应用

中国科学院水生生物研究所

吴振斌　刘碧云

报告提纲

◆　人工湿地及其早期发展

◆　我国人工湿地工程应用状况

◆　复合垂直流人工湿地研究及应用

◆　北京奥林匹克森林公园人工湿地

◆　展望与思考

一、人工湿地及其早期发展

1．人工湿地定义

人工湿地也叫构筑湿地或构建湿地，是在自然湿地降解污水的基础上发展起来的污水处理生态工程技术；

包括自然湿地应有的构成要素，如植物、土壤、水、微生物等；

利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。

2．人工湿地分类(根据水流的行径)

2.1　表面流人工湿地

与自然湿地最类似，废水从湿地表面流过，但其去污效果优于自然湿地系统。

投资少、操作简单、运行费用低；

占地面积较大、水力负荷小、去污能力低。

表面流人工湿地的典型结构（U.S.EPA）

2.2　水平潜流人工湿地

污水从一端水平流过填料床，污水在湿地床的内部流动；

具有保温性较好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点。

水平潜流人工湿地的典型结构（kadlec and knight,1996）

2.3　垂直流人工湿地

污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，污水直接与基质接触，氧可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统。

硝化能力高于水平潜流人工湿地，可用于处理氨氮较高的污水；

但构造比较复杂，且对SS去除率不高。

垂直流人工湿地的典型结构（kadlec and knight,1996）

3．不同类型湿地去除污染物比较

在中国不同类型的人工湿地中，在磷去除方面，表面流人工湿地效率最低。

潜流型人工湿地比表面流要效率高，尤其是去除高水力负荷率的污染物。

4．人工湿地早期发展

表面流湿地系统是20世纪70年代北美洲研发的人工湿地技术；

1960—1980德国研发出水平潜流人工湿地系统并推广至欧洲、澳洲、非洲和亚洲(印度及中国)。如植物根系处理系统（德国）、芦苇床处理系统（英国）。

我国对人工湿地的研究开展较晚，直到“七五”期间才开始了对人工湿地的系统研究，并于1990年在北京昌平建成我国首例人工湿地污水处理系统。该系统采用表面流人工湿地，处理500t/d的生活污水和工业废水，占地面积为2公顷，取得了较好的效果。

1990年7月，国家环境保护总局华南环境科学研究所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建造了处理规模为3100m³/d的人工湿地示范工程，采用潜流湿地与稳定塘相结合的形式。

深圳雁田、四川成都活水公园、天津等地也先后建立了人工湿地系统，对人工湿地处理污水规律及其机理进行了比较系统的研究。

二、中国人工湿地工程应用调研

1．研究背景（1）

人工湿地优势：净化效率高、建设成本低、运行耗能少、管理维护简单、生态服务比高

1991-2008年间文章题目中含有“人工湿地”的SCI出版物数量

（Liang Zhang et al.,2010）

人工湿地作为一种生态污水处理技术，在全球各国得到广泛研究和工程应用

1．研究背景（2）

1996年：美国和加拿大——176座人工湿地

　　　　　　　　北欧——164座人工湿地

　　　　　　　　东欧——80座人工湿地

　　　　　　　　中国——？？

2006年：欧洲——10000多座人工湿地

　　　　北美——约20000座人工湿地

　　　　东欧——80个已建人工湿地工程

　　　　大洋洲、拉丁美洲——若干

　　　　中国——？？

（R.H.Kadlec and R.L.Knight,1996;J.Vymazal et al.,2008）

2．文献调研平台

3．研究对象

4．我国人工湿地工程建设现状及趋势

4.1我国人工湿地工程建设数量

我国人工湿地工程年建设数量

我国人工湿地已建与在建工程年建设数量随年数变化

注：年数取值为1,2,3……（以2003年为基础，取值为1）；

人工湿地工程年建设数量的单位为sets

自2000年起，我国人工湿地已建工程的年建设数量和增长幅度显著高于在建工程，工程建设总量快速增长

2000年起，人工湿地技术在我国污水处理领域的工程应用日趋成熟，得到普遍认可

5.我国不同类型人工湿地工程应用现状

5.1　不同人工湿地处理多种污水情况

三种人工湿地在我国处理多种污水的工程数量分布

组合式人工湿地在我国处理多种污水的工程数量分布

我国人工湿地系统用于处理＞20种废水，以生活污水、受污染河水、市政综合污水为主

串联式、混合式为我国较多采用的人工湿地主体的组合形式，主要处理生活污水

串联形式：以表面流—垂直流、表面流—水平潜流为主

6．我国人工湿地工程建设占地面积现状

我国八大地理区人工湿地工程占地面积比例分布（注：占地面积单位为m²）

0.1万—100万平方米：在华北、港澳台和华中地区均超过当地工程总量的60%。

1000平方米以内的工程数量在全国范围内均低于当地工程总量的30%

占地面积为1万—100万平方米的工程数量达到工程总量的66.67%。

7．我国人工湿地工程出水现状

我国人工湿地工程已达到的排放标准

地表水环境质量标准（GB3838-2002）

城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）

受纳水体的工程数量：河流＞淡水湖泊＞人工水体

出水回用类型的工程数量：农业灌溉＞补充地表水体＞绿化灌溉、冲厕和清洗马路＞渔业养殖＞工业用水＞其它

许多南方、中部和北方省级行政区的工程出水水质：均能满足农业用水区及一般景观要求水域，一般工业用水区或城镇污水处理厂出水回用等用水要求

出水回用：农业灌溉、补充地表水体和绿化灌溉等6种途径

三、复合垂直流人工湿地研究及应用概况

技术由来

1996—2000年，中国科学院水生生物研究所与欧盟第四个框架计划项目，为国际重大科技合作项目

题目：

热带与亚热带区域水质改善、回用与水生态系重建的生物工艺学对策研究

项目合同人：

中国科学院水生生物研究所

德国科隆大学

德国波恩湖沼研究所

奥地利维也纳农业大学

副合同人：

深圳环境科学研究所

杭州大学

复合垂直流人工湿地关键技术

1．结构与流程

水平—下行—上行多流向复合的湿地结构和流程

好氧—缺氧—厌氧交替的多功能层

基质、氧气、pH、根系、微型生物等理化生物条件梯度分布

复合垂直流人工湿地（IVCW）

2．布配水

U型构造，形成功能饱水层

进水快速投配，形成动态积水层

主滤层中水平和相向垂直均匀流动

IVCW水流特征

3．植物选配

60余种试验植物

20多组高效净化组合

人工湿地植物搭配库

复合垂直流人工湿地运行效果

1．COD周年监测结果（去除率60%～90%）

4．IVCW小试系统对杀虫剂、除草剂的去除效果

复合垂直流人工湿地净化机理及功能优化

1．净化机理

2．湿地基质吸附作用

湿地基质中氮的积累分布

下行流基质氮含量高于上行池基质氮含量，同一池中表层高于中层高于底层。

3．植物对氮磷等营养物质的吸收

两种湿地植物对氮的摄取

植物吸收氮量占去除总氮量的10.2%。因此，人工湿地中单纯依靠植物吸收作用去除氮的作用是不明显的。

不同植物的泌氧参数

水生植物根系释氧速率在一定的光照强度条件下与光照强度成正相关；同一光照条件下，芦苇＞菖蒲＞再力花＞梭鱼草＞香蒲。河海大学，朱伟

复合垂直流人工湿地技术特点

净化功能强，出水污染物浓度可以达到很低水平

适应范围广，可分散亦可集中处理；特别适合于热带、亚热带区域生活污水、受污染地面水的处理

常年运行比较稳定

建设运转费用较低，尤其是运转费低

与景观建设相结合，具有美化环境的效果

在复合垂直流人工湿地方面

获得我国第一个发明专利（2000年）

编制第一项行业验收标准（2007年）（JQB-125-2007）

发表第一篇科技论文（吴振斌等，2000年）

出版第一部专著《复合垂直流人工湿地》（2008年）

四、北京奥林匹克森林公园人工湿地

工程背景

奥林匹克森林公园位于北京市区的北部,城市中轴线的北端,属于北京2008年奥运会的核心区域。奥林匹克森林公园在满足奥运会比赛需要的同时,还充分考虑了奥运会结束后整个公园将成为满足北京市居民文化、体育、休闲需要的重要场所。奥林匹克森林公园作为北京城市的一块“绿肺”，为众多的生物提供一个生存空间，同时对城市热岛效应还有明显的减缓作用。