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水土保持毕业论文 水土保持毕业论文 前言人工湿地是一种由人工建造和管理的综合生态系统。迄今为止，各地区已经把人工湿地技术充分地应用到了污水处理中，并且对于污水处理的对象已经由生活污水、农业污水拓展到处理污染物含量较为复杂的工业废水，使得生态、经济、社会效益的有效提升。目前，在美国约有600多座人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水，在丹麦、德国、英国每个国家也都至少有200个地下潜流湿地系统在运行，新西兰也有80多个人工湿地系统被投入使用1。根据人工湿地的运行经验，正常情况下湿地的出水水质可达到农业灌溉水质要求，湿地系统为水禽提供了舒适的沼泽栖息地，并且对于湿地植物收割后，对湿地基本无破坏，湿地的运行维护管理费用低廉。因此，人工湿地的出水一般用于控制农村面源污染或灌溉工程；在挪威，正探索采用人工湿地处理高浓度难降解废水的研究，虽然稳定性和出水指标正在进行着研究，但对污染物的处理效果特别是cod、bod、tp和tn的去除率都达到了较优的效果；英国提出的有关人工湿地可持续排水系统方案，将人工湿地成功应用于住宅、商业区、工业区、公路和机场等地，用于给排水；澳大利还采用人工湿地取代传统的雨水调蓄池净化合流制溢流污水，并积累了大量相关工程经验。我国对于人工湿地生态去污技术的研究以在中小城镇构筑节约型人工湿地为主，成本低廉且运行效果也很好；同时，结合人工湿地技术利用荒漠化的土地对污水进行物理、化学和植物处理，不仅使污水的处理效果有了大大提升，也使荒漠化土地有了可持续利用的价值，在人工湿地构筑的过程中，可以建立大片的生态湿地，对小环境有着良好的作用。目前，国内研究主要针对于人工湿地各个组成成分对tn、tp的去除效果进行研究和分析，并得到了不同湿地构成、不同污染物浓度、不同植物配置对污染物去除率的影响，并得到了人工湿地最优的配置体系。本文以满堂河小流域人工湿地为实例，满堂河人工湿地位于沈阳市东陵区满堂河小流域，纬度:41.9，经度:123.6，属于受季风影响的温带湿润大陆性季风气候。气候特点是：一年四季分明，寒冷期长，雨热同期，干冷同季，降雨充沛，温度适宜，光照充足。年平均气温为7.4，全年无霜期约为153天，年平均降水量为705.4毫米，在满堂河小流域人工湿地 满堂河小流域人工湿地即沈阳市满堂河污水处理厂人工湿地系统，简称满堂河人工湿地。中，共有两种人工湿地类型，24个处理单元，总面积270亩，包括潜流式构筑湿地和景观湿地，其中构筑湿地配置有芦苇、茭白等植物群落，景观湿地利用处理后的出水的污水排入人工湿地进行生态改造，进而建立平衡的湿地生态系统，带动了环境绿化恢复原有的野生群落。然而由于人工湿地在世界范围内只是处于刚起步的阶段，此时针对构筑湿地对污染物消减的数据以及景观湿地的作用分析还是比较少的。目前尤其是冬季，低温对人工湿地中主要机制的影响还在进行着不断的试验及发现工作。人工湿地对污染物的消减作用是不言而喻的，但怎样保护人工湿地以延长其使用年限，在使发挥最大效益的任务中起着关键的作用。人工湿地技术的兴起和进一步的研究，对污水处理及小流域的生态修复有着强有力的推动作用，因此对人工湿地的各项指标数据及其保护措施已经日益成为了人们关注的焦点。在仔细研究了生态去污技术的基础上，结合水土保持专业涵盖的植物学、分析化学等课程进行人工湿地植物配置的研究，得出植物对人工湿地中污染物的脱除作用，并结合园林工程、土壤学等课程对景观湿地的作用进行分析。最后通过计量学方法对该地区人工湿地的现状和生命周期进行评估。相关实验具体实施在满堂河污水处理厂和东陵区环保局实验室做得，实验数据经过校对均在误差允许值之内，其中一部分数据由实验所在单位提供。文中图片由现场拍摄，虽然文中还不免有不足之处，但还是希望可以为东北城郊接壤地区人工湿地在冬季的保护和恢复方面提供支持。1 满堂河人工湿地的组成、净化机理及工艺流程近年来，人工湿地污水处理技术已经广泛应用于处理工业废水和生活污水。随着湿地技术的进一步开发与完善，沈阳市满堂河污水处理中心于2003年9月竣工并试运行，是东北地区第一座采用人工湿地技术进行污水生态处理的示范工程，也是沈阳市污水处理的重点工程之一。人工湿地污水处理系统的优点：1）建造和运行费用低廉；2）易于维护，技术含量低；3）废水处理效果优越，并具有一定的可靠性；4）可缓冲对水力和污染负荷的冲击；5）可提供和间接提供生态、农业和经济效益。1.1 满堂河人工湿地的组成与结构满堂河人工湿地在功能上分为构筑湿地和景观湿地。其中构筑湿地属于潜流型湿地，填料床内基质为粘土、砾石等，共分为七层分布于湿地植物根系和水管中。亚粘土层和砂土层用于提供湿地植物生长所必须的营养物质，并能通过密实的物理结构过滤污水中的污泥等有机污染物。布水管中的污水通过高进低出的水压作用，并经过上述湿地植物根系的吸收以及填料的过滤，到达集水管后，统一流入表流人工湿地进行进一步的过滤，然后再由出水口汇入满堂河下流的河道中完成污水净化过程。具体分布见下图：图1-1 满堂河潜流型构筑湿地剖面图fig.1-1 profile of mantangriver subsurface flow artificial wetlands上图清晰的表明了潜流型构筑湿地上种植作物为芦苇时的布置，包括七层土壤结构构成的床体和布、集水管道。 景观湿地是由一系列相互配置的植物群落组成的，主要通过植物根系及土壤完成对污水的进一步净化。满堂河小流域的人工湿地中的景观湿地的构成不仅达到了一定的园林效果，还为周围的鸟类提供了环境良好的栖息地。在草本植物的基础上进行了乔灌木混交，并种植有果树、景观花卉，达到了经济效益与生态效益的均衡发展。1.2 人工湿地的净化机理人工湿地生态系统由相互联系的三类要素组成：人工基质、水生植物和微生物。人工基质为微生物的生长提供稳定的依附表面，为水生植物提供载体和营养物质；水生植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外，还有输送氧气到植物根部和维持水力传输的作用；而微生物通过代谢作用降解污水中的有机污染物。满堂河人工湿地拥有两种形式的湿地，它们分别具有不同的污水处理作用和价值。其中构筑湿地属于水平潜流式人工湿地，是满堂河污水处理中心的核心处理单元，包括农大湿地系统、满堂湿地系统和试验田三大部分组成。在试验田中包括有3个单元，每个单元分别填充土壤和一定级别的填料形成的混合结构，床体表面种植芦苇和茭白。水生植物与在水中、填料中生存的动物和微生物形成利于污水净化的生态环境。当污水流经构筑人工湿地的同时，生物系统与填料系统共同作用，通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解，实现对污水的高效率净化处理；景观湿地由3个人工湖、2条溪流和各种植物群落组成，典型植物包括杨树、柳树、银杏、火炬树等乔木，杏、李、樱桃、山楂等果树，四季玫瑰、锦带、丁香、连翘、木绣球等观花灌木，福禄考、景天、月季等花卉，苔草、荇菜、泽泻、菖蒲等溪边植物。建设植物群落通过疏密和高低错落的树种、花卉特点配置出形状多样，层次分明，色彩丰富的湿地园林绿地景观。以常绿树种作用背景，依据各种灌木和草本花卉的生长条件和特性，因地制宜地点缀其中，在春季有万花争春，在夏季供动物飞鸟及人类休憩，秋季有果实成熟，冬季的银装素裹更为满堂河小流域增添了景观效果。景观湿地将处理后的污水再次深加工，效果成倍增加，排入满堂河下流后，降低了原被污染的河流的有害污染物的含量。1.2.1 有机物去除机理废水中有机物种类繁多，但对于主要含烃类、脂肪、蛋白质以及挥发性物质（如乙醇、丙酮等），对不溶性有机物的去除主要依靠人工湿地中填料的吸附、过滤作用和自身的沉淀功能。有资料表明：如不溶性ss，可在进水的10m以内去除90%2。但对于浓度过高的污水，需要通过一定的停留时间来进行过滤和沉降。可溶性有机物则主要依靠湿地中植物的吸收作用。湿地植物的根系通过动力将可溶性有机物运送并固定，也可利用根系生物膜的吸附作用达到吸收净化效果。同时湿地中的微生物则利用分解代谢作用除去了污染物。由于本人工湿地的来水中主要有机物有甲苯、淀粉、油脂等物质，微生物先将污染物水解成小分子有机物后，通过同化作用吸收。经过测定，有预处理的人工湿地对ss的去除率为87.5%，无预处理的人工湿地为80%。1.2.2 氮的去除机理污水中的氮元素主要是通过植物对含氮化合物的吸收利用作用，主要是nh4-n；填料和植物根部对含氮化合物吸附、过滤作用；微生物的硝化与反硝化的分解作用以及氨自身的物理挥发。满堂河人工湿地主要针对生活污水的处理，污水中的nh4-n含量较多，主要采用植物和微生物去氮，无机氮作为营养元素被供给植物生长，后经过收割完成去除过程；流经人工湿地的污水中含有丰富的碳源，当碳源和系统压力发生变化时，可发生以下微生物反应：1）存在于土壤中的微生物在压力平衡的条件下进行呼吸作用：2）当压力降低和压力升高时，分别进行硝化反应和反硝化反应： ; 此时，微生物将nh4-n转化成氨，生成的氨在有氧状态时通过硝化作用，亚硝酸氧化细菌将氨氧化成亚硝酸，或硝酸氧化细菌将亚硝酸氧化成硝酸，生成的产物可以直接被植物利用。同时发生另一种反应的可能性增加，这就是氨的氧化反应：;而另一部分没有被植物吸收利用的氨在水体中的循环，其中的一部分还可以与土壤中的阳离子发生反应，但生成的化学物质都比较活泼，这样氨又有可能被再次释放到水体中，造成了氨的循环。从上述反应式和叙述的氨元素转化过程可以看出，参加反应的氨被转化成有机物吸收到植物体内或成为、气体从人工湿地排放出去。1.2.3 磷的去除机理对于生活污水，p的含量也是不容忽视的。p元素过多易导致水体富营养化。与去除n元素相似，满堂河人工湿地对p元素的去除主要也是通过植物、填料以及微生物的共同作用来完成的。有研究者指出上述三者对磷的去除速度以填料最快，水生植物最慢2。由于满堂河人工湿地采用的填料是由土壤、砂和砾石组成，砾石和土壤对的最大吸附量分别为0.107mg/g和1.11mg/g3。人工基质密实的结构可通过吸附、过滤、沉淀和离子交换作用将不可溶的大分子p去除；可溶性的磷化物在污水中与一些金属离子如铝、镁等发生离子交换反应，从而生成不溶性磷化物。不溶性的磷化物将被人工基质吸附、沉淀，后通过水压对磷化堆积物的冲刷，将这些污染物以污泥的方式排除湿地。浮水植物对p元素的去除主要是通过自身的吸附作用，依据经验芦苇、茭白的除去能力较其他品种的植物强，实验证实，植物根部的吸收能力大于茎部，叶片和茎对n、p的积累量最大。1.2.4 有害微生物的去除机理有害微生物可通过物理、化学和生物的综合作用被去除。在人工湿地的环境下，去除有害微生物的物理因素包括过滤、沉淀、富集和紫外辐射作用；也可通过氧化及其他植物或微生物产生的抗生素、噬菌体等生物化学作用使有害微生物自然死亡或被吸收消化。1.3 构筑湿地系统流程及运行图1-3 构筑湿地布水图fig.1-3 water distribution plan of artificial wetlands图中所示为组成满堂河构筑湿地的两大部分的布水系统，即水处理运行图。其中农大处理系统是满堂河人工湿地处理的核心部分，处理对象针对沈阳农业大学的生活污水。面积占整个潜流构筑湿地面积的2/3。分为24个处理单元，并由一条长约280m的布水渠平均分为两部分，两侧设有与布水渠平行分布的集水渠，位于距离布水渠东西25m处，用于集流和压流。集流渠两侧设有11个操作井，以便观察湿地水流状况，随时调整水位，最后统一汇入出水口。1.4 景观湿地系统的运行景观湿地回用水主要来源于经构筑湿地二次净化处理后的部分中水。景观水的布水流程是通过总集水渠内的水流经三通阀门井，一部分水经过水流量计排入满堂河，另一部分进入景观湿地。在景观湿地中设有回流泵，经pvc管线连接，将水直接调入湿地中的一个人工湖，形成大回流。同时在集水井中也设有回流泵，经另外一条pvc管线，调入另一人工湖，形成小回流。 为了便于清理和维护，利用操作井下方的憋水点分别调控两个溪流的水流量，以达到利用水的流速变化带动水体内绿苔等杂物向下游流走。另外，憋水点除了可以调控上述两个溪流的流量外，还可以起到抬高湖面的整体水位的效果。在清理湖后，利用打开憋水点的办法，可以因瞬时水流速的增大而带走大量的漂浮杂物，达到清理湿地床的目的。 景观湿地中的大小回流还可以调节，人工湿地的水质。当人工湖或构筑湿地出水的水质过差时，可以及时关闭大小回流，防止各湖水的水质受到影响。如果是由于藻类疯长所致要及时清理水体中的绿苔，如果是由于构筑湿地来水水质变差所致，则等到水质变好后再可开大大小回流。当水质过差影响整体景观用水时，可采用湖体清淤方法，延水的流向使湖水外流，停止回溯，到不自流时，可清理后重新调水，使整个水体重新循环。2人工湿地污染物去除分析为了讨论人工湿地对污水中污染物的消减作用，本次试验分为两组，一组以有预处理的污水进入构筑湿地前后的各项指标为样本，另一组以无预处理的污水进入构筑湿地前后的各项指标为样本，得出数据说明构筑湿地在正常运行状态下对污染物的消减作用。2.1 指标与分析方法选取cod、bod和ss作为测定指标，并以各指标去除百分比反映构筑湿地污染物去除状况。2.1.1化学需氧量codmn所谓cod，就是化学需氧量（chemical oxygen demand），是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。表示水中还原性物质多少的一个指标。针对本试验的水样对象为生活污水，所以考虑用已学过的方法测定，即高锰酸钾法测定cod，为了避免酸性高锰酸钾被氧化导致的结果偏差，改用碱性高锰酸钾法测定。反应原理是：，发生后再将溶液调成酸性，加入草酸钠。结合测定原理，试验步骤为：1）取25ml水样于250ml锥形瓶中，加蒸馏水l00ml，加硫酸10ml，再加入浓度为0.1的硝酸银溶液5ml以除去水样中的氯离子，摇匀后准确加入0.005 moll-1高锰酸钾溶液10 ml记为v1，将锥形瓶置于沸水浴中加热30min，氧化需氧污染物。冷却后加0.013moll-1草酸钠标准溶液10ml，摇匀至溶液呈无色。在7080的水浴中用0.005moll-1高锰酸钾溶液滴定至微红色，30s内不褪色即为终点，记下高锰酸钾溶液的用量为v2 。2）在250 ml锥形瓶中加入100 ml蒸馏水和10 ml硫酸，移入草酸钠标准溶液，摇匀，在70 80 的水浴中，用0.005moll-1高锰酸钾溶液滴定至溶液呈微红色，30s内不褪色即为终点，记下高锰酸钾溶液的用量为v3。3）在250 ml锥形瓶中加入蒸馏水100 ml和10 ml硫酸，在70 80 下，用 0.005moll-1高锰酸钾溶液滴定至溶液呈微红色，30s内不褪色即为终点，记下高锰酸钾溶液的用量为v4。按下式计算：式中：；为水样体积；2.1.2 构筑湿地的bod5bod5就是五日的生化需氧量，表示五日的时间里，水中有机物等需氧污染物含量的综合指标。说明水中有机物由于微生物的生化作用进行氧化分解，使之无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总数量。主要仪器有：恒温培养箱（20）、溶解氧瓶、虹吸管。实验原理指在一个特定型号不透气的瓶子里盛满样品，在特定温度下培养5天，分别测定培养前后的溶解氧，由二者之差即可计算出bod值。由于开始的溶解氧是在稀释之后确定的，所以bod测试中应包括测试之后摄取的所有的氧。步骤如下：1）水样ph7.5，则用高浓度的酸液进行中和，再用经过驯化的微生物接种液（驯化7d的含生活污水的满堂河河水）的稀释水（适量水加入氯化钙、氯化铁、硫酸镁、磷酸缓冲溶液各1ml，溶解氧饱和，水温20，ph=7.2的溶液）进行稀释以减少有毒物质的浓度。2）放置1.5h后，由求得的cod值乘以一定的系数得到稀释倍数，本试验中系数取1.0。3）采集水样，由于水温较低，将水样迅速升温至20左右，充分振摇，赶出过量饱和的溶解氧，加塞。其中一瓶用碘量法测定进行溶解氧测定，另一瓶瓶口密封，放入培养箱5d，5d后测定溶解氧。4）按照1.0倍的稀释比例，用虹吸法沿筒壁先引入部分接种稀释水（5ml/l接种液加于稀释水中）于1000ml量筒中，均匀加入水样，再引入接种稀释水至800ml，用带胶板的玻璃棒上下搅匀。5）另取两个溶解氧瓶，用虹吸法装满接种稀释水做空白试验。同样测定当日溶解氧和5d溶解氧。得到数据后，按照公式：其中：、为接种稀释和水样分别在培养液中所占比例。2.1.3 构筑湿地中的ssss即水质中的悬浮物（suspended substance）的缩写，水质中悬浮物指水样通过孔径为0.45m的滤膜截留在滤膜上并于103105 烘干至恒重的固体物质，是衡量水体水质污染程度的重要指标之一。一般用滤膜称重法测定来测定。所用仪器有：烘箱、称量瓶、孔径0.45mm的滤膜以及相应滤器。步骤：1）取干净水样并分成两份，平均试验。将滤膜放在开口的称量瓶中，放于103105下烘干2h，取出待冷却后，盖好瓶盖称重直至恒重为止，重量记为a。2）去除漂浮物，分别取出振荡均匀的水样。用上步的过滤膜过滤；用蒸馏水冲洗35次后，再用10ml石油醚分两次淋洗残渣。3）取下滤膜，放入原称量瓶内，在103105烘箱中开盖烘2h后取出，冷却后盖盖称重至恒重，重量记为b。记录数据，按照以下公式计算：2.2 结果与讨论利用现有试验仪器，并运用所学专业知识，结合本厂一些经验、数据，依据上述测定方法对构筑湿地进出水的各指标进行了分析，结果见表2-1：表2-1 试验结果对比表table.2-1 the results comparison tablebod5/mgl-1cod/mgl-1ss/mgl-1无预处理有预处理无预处理有预处理无预处理有预处理来水出水来水出水来水出水来水出水来水出水来水出水126.6715.0053.819.75245.6448.5594.8819.26154.1620.8448.139.92表中数据可以由公式计算出去除效率：式中，为污染物去除效果； 为来水污染物浓度； 为出水污染物浓度；计算结果表明满堂河无预处理的构筑湿地对bod5、cod、ss的去除效率分别为88.16%、80.23%、和86.48%；有预处理的构筑湿地对bod5、cod、ss的去除效率都约为81.88%、79.70%、79.39%，数据表明构筑湿地的处理效果达到了排放要求（见表2-2）。另外依据表中的数据，发现存在有一定的规律：无预处理的构筑湿地的污染物含量高于有预处理构筑湿地，同时，无预处理构筑湿地的去除率也高于有预处理的构筑湿地，说明构筑湿地污染物去除率与污染物的浓度存在一定的线性关系。另外，一部分经过构筑湿地的出水通过布水管线回流至分布在构筑湿地旁的景观湿地中，进行自然状态下的水质净化并构成稳定的生态小环境。表2-2 本地执行标准table.2-2 the implementation standards of this aere排入污水处理厂的水污染物最高允许排放浓度/mg/l 五日生化需氧量（bod5）250化学需氧量（cod）450悬浮物（ss）300总氮（tp）50磷酸盐（p）5.0直接排放的水污染物最高允许排放浓度五日生化需氧量（bod5）10化学需氧量（cod）50悬浮物（ss）20总氮（tp）15磷酸盐（p）0.5注：表2-2，根据辽宁省质量技术监督局、辽宁省环境保护局在2008年7月1日发布共同发布，2008年投入实施的辽宁省地方标准污水综合排放标准，db21/1627-2008。 3人工湿地中植物对污染物的去除作用植物是人工湿地的重要组成部分之一，植物通过自身生理代谢作用不但可以分解和吸收污水中的部分污染元素，使之毒害作用大幅度降低，促进水体中的氧气平衡；而且还能利用水中的n、p元素作为生长原料，向土壤环境中释放大量的分泌物，如糖类、醇类、氨基酸等，这些物质为微生物的生长提供了丰富的营养，促进硝化细菌、反硝化细菌、磷细菌、纤维素分解菌等微生物的生长，促进氮、磷的释放及转化，从而间接的提高对污水的净化率。植物同时还能改良土壤，绿化土地，改善区域小气候，促进生态环境的良性循环。本章首先介绍了满堂河小流域人工湿地中构筑湿地的植物选择以及景观湿地的植物群落构建，从植物多样性和功能方面讨论和评价满堂河小流域人工湿地的植物配置优势。然后分析了冬季无植物群落的人工湿地对污染物的去除效果，与原有数据即有植物群落的人工湿地去除污染物的效率进行比较。并讨论冬季景观湿地对土壤改良的作用。3.1 构筑湿地的植物选择根据构筑湿地的来水特点，考虑了地带性、地域性种类，并结合经济价值和湿地园林化建设的要求，满堂河人工湿地植物以挺水植物为主，如芦苇和茭白，其中芦苇居多，并配有一定数量的香蒲（l），这种挺水类型的植物根系发达，可通过根系向基质输送氧分，使基质中形成多种类型的需氧小区，有利于微生物的生存繁殖，以便增加污染物的降解途径。不同植物对不同污染物的处理效果各异，芦苇是多年生草本禾本科，具有长而粗壮的匍匐根状茎，可滞留沉积物、有害有毒物质和富营养物质，不仅能吸收富营养有机物，还能通过纵横交织的根和地下茎将含高矿物质的水通过沉淀和脱氧作用从水中排出，减少地下水的污染。芦苇是半水生半陆生的过渡性植物，可有效分解酚物质，防止土壤的次生盐渍化，并能以有机质的形式贮存碳元素，进而调整区域温度，减少温室气体的排放。香蒲能去除污水中的有机物如氯化烷烃，并可吸收钴、镍、锰，其根部能分泌天然抗生物质，降低污水中的有害微生物含量；其空心茎有利于空气的输送，为微生物提供额外的氧分。茭白生长量大，具有较强的吸收n、p的能力。3.1.1 芦苇芦苇是c3植物，根系较浅但比较发达。栽植于与水体隔开并抽干的土壤基质上，等间距为4060cm，一般情况下早春3月下旬芦苇开始返青，随后芦苇开始生长，生长曲线呈单峰式，生物量极大值出现在10月底11月初。由于芦苇栽植后无需人工管理，且通过根茎繁殖在1年内即可达到一定密度，所以芦苇作为污水处理中抑制水体富营养化、净化水质的主要植物。但今年冬季较长由于季节限制，本试验开始时，芦苇地上部分尚未开始增长且仍然停留在上一年收割后的状态，这就为研究冬季人工湿地去除污染物提供了条件。3.1.2 茭白茭白是禾本科植物，菰属，多年生挺水型水生植物，具有很大的生长量并有较强的吸收氮磷的能力。茭白出苗在4月初左右，此时的萌芽期生长期的水位不宜过高，但在分蘖后期可适当上水，这时处理污水所发挥的作用达到最大。而在冬季可保持浅水状态，土壤保持湿润避免干旱。茭白的生长周期可分为四个阶段：萌芽期、分蘖期、孕茭期和休眠期。试验开始时，本地茭白正处于休眠期，地上部分已全部枯死，地下部分保持养分并配有分蘖芽和分株芽休眠。茭白与芦苇两种植物的配比采用构筑湿地前方为芦苇，后部有8排茭白的形式。其中还配有一定数量的香蒲，用以增加植物群落的多样性来提高污水净化效率。3.2 景观湿地的植物配置与园林效果由于景观湿地的来水对象主要来源于经构筑湿地二次净化处理后的部分中水。根据辽宁省地方标准污水排放综合标准，已知排入构筑湿地的污水tn=50mg/l，tp=5.0 mg/l，经过测定和计算，排出无预处理的构筑湿地来水为tn=15 mg/l，tp=0.5 mg/l，此来水作为景观湿地供水。各色植物配置其中，蜿蜒小溪和平静的湖面构成了景观湿地美丽的风景。3.2.1 乔木中心园区典型的乔木为杨树和柳树。杨树植后管理十分重要，在杨树的管理中，施肥进行结束后，进行整形工作，修枝是提高树干质量，培育干形通直高达、圆满无节良材的必要措施。栽植时要剪去苗木侧枝，及时抹芽并在秋季落叶期去除侧枝，以防止树液流动带来感染。满堂河景观湿地内的杨柳树，除正常的病虫害剪枝和冬季剪枝以外，道路两侧的树木侧枝一律达到了2.5m以上。2008年始满堂河景观湿地拥有20多棵银杏树，集中种植在园区中心地带。经过有关专家的帮助，通过将木质部钻孔（深度5cm，与枝干成45）并注入能量释放剂，同时在银杏根部施入生根剂的方法，克服了该树种叶小而少的缺点，实施措施后，获得了良好的效果。生长优良的银杏树具有相当的可观性和经济价值。园区南部种植了火炬树，火炬树是漆树科漆树属落叶小乔木，高8m左右，小枝粗壮，密生长柔毛。奇数羽状互生复叶，小叶11-23枚，长圆形至披针形，缘有锯齿，叶轴无翅。雌雄异株，雌花色泽似火。入秋全部叶色呈红艳或橙黄色，具有相当高的观赏价值而且耐寒、耐旱、耐盐碱，根系浅但水平根发达，萌蘖性强易于管理，极少出现病虫害。紫叶李位于园区西部，是蔷薇科李属小乔木。树冠呈圆形或扁圆形，小枝呈红褐色。叶呈卵形或倒卵形边缘有锯齿，色呈紫红色。花为单生或2-3朵聚生，粉红色；果实则为黄绿色并有紫色晕。树木色彩多样，不同的季节拥有不同的景观，对土壤的适宜性强，果实可食，非常具有趣味性。红豆杉与其他树种或果树进行套种，由于其喜荫、耐旱耐寒、对环境的适宜能力强等特点，管理简便。其中，东北红豆杉具有古老的历史，成材时间也较长。但具有相当强的生命力，有千年不衰的能力，可作药用。在景观湿地中种植此树种的意义很大，对恢复周边环境，建立稳定的生态平衡起着一定作用。3.2.2 灌木1）丁香：桃金娘科丁香属，有药用价值并可作为香料，配置于人工湖岸边，2）多季玫瑰：蔷薇科落叶灌木，有喜暖、喜光、耐旱和忌湿的特点，因此其配置远离人工湖的湿润土地，散植于园区南部。3）榆叶梅：蔷薇科，花色可由深红渐变为粉红色再变为粉白色，枝叶茂密，植于园区草地、园区小路边和人工湖畔。并将榆叶梅植于常绿树木前，或配置在堆石边，配置方式为三株丛植，与连翘搭配种植。4）连翘：木犀科连翘属，蔓生落叶灌木。花金黄色气味微香。具有很强的萌蘖能力，早春即可开花，一部分植于休息室墙隅，另一部分与榆叶梅配植。5）红王子锦带：忍冬科落叶灌木，喜光、耐寒，畏水涝。丛植于园路中。6）四季锦带：孤植于园区中心部，增加景观效果。7）木绣球：忍冬科半常绿灌木，喜光少害，作为配植植物于榆叶梅丛植。3.2.3 果树在园区西部种植了四种果树：梨树、李树、杏树和樱桃树。园区西部的表面流水质较好，日照条件良好，土壤较疏松，为果树的绿色生长提供了条件。3.2.4 花卉1）草本花卉有：景天、福禄考、石竹、地被菊、荷兰菊、马蔺草。2）木本花卉主要是月季。3）水生植物有：荇菜、泽泻、驴蹄草、鸢尾花。3.2.5 草坪景观湿地中的草坪以禾本科结缕草为主，结缕草耐寒性较强，抗干旱、耐贫瘠、耐踩踏，绿色期长。冬季休眠，-20亦能安全过冬。播种量为8g/m2。为了提高草坪抗性，景观湿地在草种配置时混栽了一定数量的假俭草和天堂草。3.2.6 景观湿地植物配置图3-1 满堂河小流域景观湿地鸟瞰图fig.3-1 birds eye view of mantangriver artificial wetlands3.3 植物群落与人工湿地去除污染物效果的影响3.3.1 冬季构筑湿地植物根部对n、p的消减效果满堂河构筑湿地主要的植物是芦苇和茭白，但其中芦苇的数量较多。由于冬季芦苇地上部分已被收割，仅留有地下交错的根部，因此本试验只取芦苇根部作为样本，研究芦苇根部对污染物的消减效果。根据样品营养元素浓度，植物生物量以及地上地下生物量比例计算单株植物的营养元素浓度。试验样地取四块11m2，分别位于构筑湿地中央轴线布水管线两侧2m处。植株全氮包括两种形式：硝态氮和铵态氮。在日常工作中，硝态氮采用紫外分光光度法直接测定，铵态氮采用纳氏比色法测定。由于上一年收割的时间为10月末，收割时的生物量经过测定达到了最大值4.2kg/m2，地上部分平均生物量达到2.94kg/m2，地下部分平均生物量1.06kg/m2， n的累积量为90.3g/m2，对p的积累量达到18.6g/m2。在本试验中，植株全氮和全磷运用植物学方法测定，植株溶液在测定前应用植物样品在浓h2so4溶液中，经过脱水、碳化、氧化作用后，再加入h2o2 ，h2o2升温利用强氧化反应分解有机物，使有机态氮全部转化为无机铵盐。同时，样品中的有机磷也转化为无机磷酸盐，故用同一消煮液分别测定n、p。1） 蒸馏法测定全氮方法中有两种过程，蒸馏过程的原理为：；;滴定过程的反应：主要仪器有150ml细口瓶、250ml三角瓶；万分之一电子天平、电热板或普通电炉、定氮仪。主要试剂有浓h2so4、300gl-1h2o2、10moll-1 naoh溶液、甲基红溴甲酚绿混合指示剂、20gl-1硼酸指示剂溶液、0.02moll-1 h2so4标准溶液、0.01moll-1 h2so4标准溶液。步骤：将样品磨细并用0.250.5mm筛子筛后，称烘干的样品0.1000g，置于100ml三角瓶中，消毒后吸取清液10ml置于蒸馏管，蒸馏管置于定氮仪相应位置上，在150ml三角瓶中加硼酸2ml，并加指示剂2滴，调指示剂和硼酸ph=4.5，摇匀，将三角瓶置于定氮仪冷凝管末端，管口离硼酸液面以上34cm处，向蒸馏管中加入10moll-1 naoh溶液约约5ml，通入蒸气蒸馏，待馏出液体积约50cm时，蒸馏完毕。 按照滴定过程，记录样品消耗h2so4标准酸的体积数v1。按照公式：式中：为全氮含量；v1 为样品测定所消耗标准酸ml数； v0为空白试验所消耗标准酸ml数； c为标准酸（h+1）的浓度moll-1；ts为分取倍数取0.1；2）钒钼黄比色法测定全磷的含量。在酸性条件下，磷元素经过一定反应成为黄色溶液。主要仪器：50ml容量瓶；723型分光光度比色计；主要试剂：钒钼酸铵试剂、6moll-1 naoh溶液、2，6二硝基酚指示剂、p标准溶液（ugml-1）。步骤：吸取待测液（同全氮测定）10ml，分别置于50ml容量瓶中，加2，6二硝基酚指示剂2滴 ， 用6moll-1naoh 调ph至刚显黄色， 加钒钼酸铵试剂10ml，用水定容。摇匀，放置5min ，用分光光度计在450nm处比色。以空白液调节仪器零点。标准曲线制作：分别吸取50ugml-1的p标准溶液0、1.0、2.5、5、7.5、10.0、15.0ml，于50ml容量瓶中，15min显色后，用723型分光光度比色计进行比色。该标准系列p的浓度分别为0、1.0、2.5、5、7.5、10.0、15.0 ugml-1。按照公式：式中：为全磷含量； 为从标准曲线查得显色液p的质量浓度(ug/ml)； 为显色液体积(ml)； 为分取倍数取0.1。 经过计算，全氮含量为94.75g/m2，全磷含量为19.17g/m2，人工湿地中的植物体地上部分营养元素n、p浓度(来自22种植物50个样本)按平均值高低顺序为：np，变异系数分别42.39%和49.18%。4根据已有资料获得数据，为讨论冬季植物对n、p元素的积累效果，选择植物营养元素浓度()的计算公式4:来直观的表述当地上部分生物量不存在时的现象（运用公式与利用植物学植株中含n、p方法测得的结果误差小于0.5%，因此结果可用）：式中，为植物营养元素浓度；为地上部分浓度；为植物地上部分生物量；为地下部分浓度，为地下部分生物量。植物元素积累量()的计算公式为:式中，为植物生物量。计算得出pa(n)1=361.2 g/m2 ；pa(p)1=74.4 g/m2 。由于冬季植物地上部分被收割，只存有地下部分则=0，=0：再次得出数据：pa(n)2=95.71 g/m2 ；pa(p)2=19.26 g/m2 。同理，对于周边尚未布水地区种植的同种植物取样，依照上述步骤得出在无污水条件下植物元素积累量()。(n)2=95.22g/m2 ；(p)2=19.25 g/m2 。3.3.2 结论若消减效果用%表示，则：得出结论取整：=49% ；=10% 。即冬季芦苇对n、p元素的消减效率分别为：49%、10%。3.3.3 冬季景观湿地枯枝落叶层对园区土壤的基本作用本试验中涉及的景观湿地建成已有2年时间，枯枝落叶层的平均厚度为2-3cm；枯枝落叶层下土壤厚度约为12cm，ph=6.5。1）土壤含水量的试验步骤：先将干净铝盒在天平上称重；取样后（取样量占铝盒体积的2/3）重量记为，开盖在105的烘箱中烘干6h以上至恒重，重量记为，利用公式：2）土壤容重测定利用环刀法（环刀体积为100cm3）计算土壤容重如下：其中，为环刀及湿土重量；为为环刀重量；为土壤含水量。3）土壤孔隙度的计算：按照以下公式，此时土壤密度取=2.65g/cm34）重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量用电子天平称0.05g风干、筛选磨细、消毒后的土壤样本置入150ml三角瓶中，进行加温消煮后，目测瓶内溶液的总体积约为60ml，加入35滴邻菲啉指示剂，然后用0.1mol/l硫酸亚铁标准溶液滴定消煮后剩余的重铬酸钾，溶液的变色过程是先由橙黄变为蓝绿，再变为棕红，即达终点。空白试验取0.5g粉末状二氧化硅代替土壤样本。根据公式：式中，为有机物含量； 、为滴定空白、样品时硫酸亚铁溶液体积ml； 为硫酸亚铁标准溶液浓度； 为1/4碳原子的摩尔质量数，g/mol； 1.1为修正系数。 1.724从碳含量换算成有机质含量的系数。5）电位法测定土壤ph主要仪器设备有：酸度计、ph玻璃电极、饱和甘汞电极、搅拌器。主要试剂有：ph4.01标准缓冲液、ph6.87标准缓冲液、ph9.18标准缓冲液。根据标准缓冲液ph值与温度对照表试验过程中的室外温度约为5，则缓冲液ph分别取3.999、6.951、9.395。仪器校准后，称取通过2mm筛的风干土样10.0g，置于50ml高型烧杯中，加入25ml 0.1mol/l kcl溶液中，搅动1min，使土样充分分散，隔绝空气静置30min，然后将ph玻璃电极的球部插入土壤悬液中，同时将甘汞电极插入上部澄清液中，将悬液轻轻转动，待电极电位达到平衡，按下读数开关，读出ph=6.5。3.3.4 结论通过查阅历史资料，了解满堂河流域其他地区历年同时期土壤自然含水量为19%，土壤容重为1.6 g/cm3，孔隙度为39.6%，ph=8，属于有机质含量一般，结构较差的弱碱性土壤。经过计算得出的景观湿地地区土壤含水量比其他地区历年土壤含水量高出8.5个百分点。土壤容重为1.2 g/cm3，土壤孔隙度为54.7%。土壤的通气性有了明显的改观，土壤中有机质的含量15%，土壤酸碱度由碱性土改良为弱酸性土，适宜各种乔灌草植物以及花卉的生长，吸引来多种鸟类动物，增加了该地区的生物多样性和景观观赏价值。4 构筑湿地中基质对污染物的去除作用4.1 基质吸附理论分析由于冬季植物的污染物去除作用达不到要求，因此冬季构筑湿地去除污染物的形式基本上等同于人工湿地系统运行的初期，即污染物主要是通过填料的物理截留4。满堂河构筑湿地中设置了四层砾石，主要基质组成就是砾石，首层基质为粘土，因此吸附作用以粘土为例进行分析。由于粘土一般由硅酸盐矿物组成，含有sio2、al2o3、矿物质和有机物质，其中的sio2、al2o3对污水中的有害有机物和金属离子有吸附能力。研究粘土矿物中主要含有高岭土、蒙脱土、海泡石。4.1.1 粘土的活化与离子交换粘土的物理活化一般可利用热处理；而化学活化一般用20%h2so4和hcl，利用氧化和提高酸性的方法去除污水中的金属离子。对于粘土中的主要组分sio2、al2o3，根据化学反应的顺序可以得出粘土中氧化物对生活污水中的重要阳离子交换顺序：sio2：k+na+li+；ca2+mg2+al2o3：k+na+li+；mg2+ ca2+ba2+4.1.2 对nh4+和金属阳离子的吸附粘土上因离子交换作用而置换上h+，从而形成了酸中心，酸中心失去电子后负离子被吸附在带正电的粘土表面上，形成了化学吸附过程将阳离子nh4+和金属阳离子吸附。粘土中的高岭土无吸附能力，而蒙脱土具备层片结构，因此论及粘土的吸附作用时以蒙脱土为例，蒙脱土晶间层可吸附阳离子，当粘土与含有一、二价阳离子的溶液达到平衡时，用一价或二价阳离子占据的表面分数来判断粘土对阳离子的吸附作用：在含有0.005mol/l的一价阳离子和0.0025mol/l的二价阳离子不同组合的混合液中，蒙脱土中一价阳离子的覆盖度（%）为nh4+-mg2+（0.32）、nh4+-ca2+（0.27）、nh4+-ba2+（0.20）5。4.1.3 对有机污染物的吸附粘土中的蒙脱土和海泡石对有机物有一定的吸附能力，以1kg的土粒样本溶液为单位，当土粒的吸附作用达到稳定平衡时所吸附的有机物的量记为平衡吸附量。根据生活污水中含有的主要污染物的成分，以芳烃为例，粘土对各种芳烃的平衡吸附量见表4-16：表4-1 粘土对芳烃的吸附量table.4-1 clay on the adsorption of aromatic项目芳烃平衡吸附量mgl-1苯甲苯乙苯邻二甲苯701333501464.2 微观吸附作用的研究方法研究微观吸附时，假设吸附是单分子层的，二元溶液两种组分的分子摩尔面积相等的条件下，用langmuir方程来计算其表面的吸附量7，反应固体表面发生吸附现象以说明构筑湿地的基质对污染物的消减作用。固液界面的吸附可看作溶液相（l）与表面相（s）组分间的交换7：又有公式： （式4-1）其中，为吸附恒定时固体表面的吸附量；为吸附恒定时介质中污染物的浓度为理论吸附饱和量；k为常数其中，、分别是吸附平衡时吸附相中溶剂与溶质的摩尔分数、分别是体相溶液中溶剂与溶质的活度。通过变换可用对作图可求得ns和k，坐标参考图如下：0.80.10.30.51.0x1s-x1=(1/ns)n0x/m1.05.0x1k=100k=10k=5k=2k=1图4-1 不同k值时理想体系的u型复合等温线8fig.4-1 different ks ideal system for u-shaped complex isotherm将k带入（式4-1），即可得出微观状态下吸附恒定时固体表面的吸附量。4.3 宏观填料吸附量的计算根据不同填料不同时间的吸附过程有公式： （式4-2）式中，为吸附剂的吸附量mg/g； 、吸附前后溶液中n、p的浓度mg/l； 为溶液体积100ml； w为吸附剂用量g；4.4 基质对tn、tp的去除来水在基质吸附作用前的n、p的浓度可以通过植物吸收后的tn和tp浓度得到，分别为25.5mg/l和4.0mg/l。吸附后同样用第三章介绍的方法进行了测定，溶液体积取1l，吸附剂分别取砾石、砂土和粘土，都为100g。按照公式，计算得出总体基质各组分对tn的平均去除效果，如表4-2：表4-2 基质对tn的去除效果表table.4-2 matrix effect on tn removal项目吸附量/ mgg-1时间/min砾石砂土粘土100.0160.0040300.0170.0090600.0180.0130900.0220.0150.00181200.0240.0170.0023通过人工湿地的基质进行除磷效果比较，结果表明：砾石对污水磷素的处理效果最好9，因此我们选用砾石为主要物质研究湿地中基质对tp的消减作用，这里用砂土作为第二研究对象，由于粘土对tp的吸附量大于砾石和砂土的吸附量，样品溶液浓度不与上述两物质一致，故将粘土作为单独评价的对象，通过对饱和吸附量和最大解吸量的计算，并结合运用公式（4-2）初步将粘土对tp的吸附效果为：2.1344 mgg-110。而砾石和砂土对tp的吸附量结果，如表4-3：表4-3 对tp的去除效果table.4-3 matrix effect on tp removal项目吸附量/ mgg-1时间/min砾石砂土100.00100.0008300.00210.0012600.00270.0022900.00300.00261200.00350.0029根据上述数据可以得出：砂土、砾石和粘土基质的联合使用对tp的去除效果比它们单独使用效果明显11。同时，基质对tn、tp的吸附量在考虑了解吸效果后，发现数值在2h内呈上升趋势。并且当污染物浓度在一定的范围内增加的时候，吸附量也是增加的，但增加到一定时间后达到最大值。例如砾石基质分别置于不同质量浓度(080 mg/l)的磷溶液中理论最大吸附量为0.107mgg-112。根据满堂河构筑湿地的类型、面积，基质的组成成分、填充深度（1m）以及试验进行的时间（2h内），在冬季植物群落无吸收作用的条件下，可估算出整体对污染物tn、tp的去除效率：;式中，、分别为基质对tn、tp的吸附量（mg）； 、分别为砾石、砂土和粘土的一般密度，取=2.75g/cm3、=2.65 g/cm3、=1.7 g/cm3； 、分别为砾石、砂土和粘土基质层的厚度，取=0.7cm、=0.2cm、=0.1cm； 为湿地基质面