（市政工程专业论文）陶粒填料人工湿地处理污水的试验研究.pdf

摘要 在人工湿地处理污水的过程中，湿地中的填料对污染物质的去除起重要作 用。本研究选取8 0 0 级页岩陶粒、8 0 0 级粘土陶粒、4 0 0 级粘土陶粒、2 0 0 级粘 土陶粒及石灰石碎石五种填料，进行试验研究，主要内容包括单一填料、不同填 料组合人工湿地对污染物的去除效果及机理试验研究，填料上生物膜及硝化反 硝化细菌特性的研究，试验结果表明： ( 1 ) 单一填料对污染物质的去除效果试验：8 0 0 级粘土陶粒对c o d 、t n 、 n h 3 - n 等污染物质的平均去除率均为最好，分别达到7 9 、5 6 8 、7 1 5 ；对 t p 平均去除率最好的是2 0 0 级粘土陶粒，去除率为6 2 4 ；各陶粒对污染物质 的去除效果均优于石灰石碎石。 ( 2 ) 组合填料人工湿地对污染物的去除效果试验：8 0 0 级粘土陶粒与4 0 0 级粘土陶粒组合人工湿地对c o d 、t p 、n h 3 - n 等污染物质的去除效果均为最好， 不同陶粒组合人工湿地的处理效果均优于石灰石碎石人工湿地。人工湿地对 c o d 、n h ，- n 的去除效果受季节变化影响，冬季去除率均有不同程度降低。对 c o d 表现出较好的去除效果，冬季去除率仍然保持在5 0 以上。季节变化对1 1 p 的去除效果影响不明显，但随着运行时间的延长，各人工湿地对t p 的去除率均 呈缓慢的降低趋势，至试验结束，石灰石碎石人工湿地的去除率为3 1 9 ，陶粒 组合人工湿地为3 5 6 以上。 ( 3 ) 填料的生物膜特性试验：填料上微生物的生长过程约需2 个月，微生 物生长稳定阶段形成的生物膜量为8 0 0 级粘土陶粒 2 0 0 级粘土陶粒 4 0 0 级粘土 陶粒 8 0 0 级页岩陶粒 石灰石碎石；生物膜活性最高的为8 0 0 级粘土陶粒的。 ( 4 ) 复合垂直流人工湿地硝化反硝化细菌空间分布试验：陶粒内表面硝化 ，反硝化细菌数量均高于外表面；复合垂直流人工湿地上、下行池的亚硝酸菌、 硝酸菌空间分布状况均为上层数量大于中、下层数量，且下行池上层数量最多； 反硝化细菌空问分布为上、下行池下层数量大于中、上层。 关键词：复合垂直流人工湿地陶粒生物膜硝化反硝化 a b s t r a c t d u r i n gt h et x e a t m e n to fw a s t e w a t e ri nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d , t h em e d i a o ft h e c o n s t r u c t e dw e t l a n dp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h er e m o v a lo fp o l l u t a n t s f i v e k i n d so fm e d i ai n c l u d i n g8 0 0 - g r a d es h a l el i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，8 0 0 - g r a d ec l a ys o i l l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，4 0 0 一g r a d ec l a yl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，2 0 0 一g r a d ec l a ys o i l l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，a n dl i m e s t o n eg r a v e lw c l es e l e c t e di nt h i sp a p e rf o re x p e r i m e n t r e s e a r c h m a i nc o n t e n t si n c l u d et h er e s e a r c ho nt h es m b eo rd i f f e r e n tm i xo ff i l l e d m e d i a sr e m o v a le f f e c t sa n dm e c h a n i s mo nt h ep o l l u t a n t s ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eb i o m e m b r a n eo ft h em e d i aa sw e l la sc h a r a c t e r i s t i c so fn i t r a t i o na n dd e n i t r i f y i n g b a c t e r i a t h er e s a l ts h o w e dt h a t - ( 1 ) t h er e m o v a le f f e c t so f t h es i n g l em e d i a ：t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t8 0 0 g r a d e c l a ys o i ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t eh a dt h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yf o rc o d ，t n ，n h 3 - n ， w h i c hw a s7 9 5 6 8 a n d7 1 5 r e s p e c t i v e l y , w h i l et h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c y 6 2 4 f o rt pi sg e n e r a t e db y2 0 0 一g r a d ec l a ys o i ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t e t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft h ec l a ys o i ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t ew a sb e t t e rt h a nt h a to ft h el i m e s t o n e g r a v e l ( 2 ) 1 1 1 er e m o v a le f f e c t so ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dw i t hm i x e dm e d i a ： c o n s t r u c t e dw e t l a n d 谢t hc o m b i n a t i o no ft h e8 0 0 一g r a d e c l a y s o i l l i g h t w e i g h t a g g r e g a t ea n d4 0 0 一g r a d em e d i ah a dt h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yf o rc o d ，t pa n d n h 3 - n a tt h es f h d et i m e ，d i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fc l a ys o i ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t e s h a db e t t e rr e m o v a le f f e c t st h a nt h el i m e s t o n eg r a v e l t h er e m o v a le f f e c to ft h e c o n s t r u c t e dw e t l a n do nc o da n dn h 3 - nw a sa f f e c t e db yt h es e a s o n a lv a r i a t i o na n d t h ee f f e c tw o d dd e c r e a s ei nw i n t e rm o r eo rl e s s h o w e v e r , t h er e m o v a le f f i c i e n c yf o r c o dc o u l ds t i l lm a i n t a i na b o v e5 0 i nw i n t e r s e a s o n a lv a r i a 在o nh a dl i t t l ei n f l u e n c e o nr e m o v a le f f e c tf o rt p , b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fv a r i o u sc o n s t r u c t e dw e t l a n d t e n d e dt od e c r e a s es l o w l yw i t ht h ep r o l o n g a t i o no ft i m e c o n s t r u c t e dw e t l a n d 、硒t h l i m e s t o n eg r a v e lh a dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo f3 1 9 w h i l et h a to ft h ec l a ys o i l l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e sw a sa b o v e3 5 6 u n t i lt h ee n do f t h ee x p e r i m e n t ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eb i o m e m b r a n eo f t h em e d i a ：t h eg r o w t hp r o c e s s o fm i c r o b er e q u i r e dn e a r l y2m o n t h sa n dt h eb i o m a s sg e n e r a t e dd u r i n gt h es t a b l e g r o w t hp r o c e s sd e c r e a s e di nt u r n 矗砌8 0 0 一g r a d ec l a ys o i ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ， 2 0 0 - g r a d ec l a ys o i ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，4 0 0 一g r a d ec l a ys o i ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t e , 8 0 0 一g r a d es h a l el i g h t w e i g h ta g g r e g a t et ol i m e s t o n eg r a v e li nt h ee n df t o mt h e e x p e r i m e n t s t h e8 0 0 - g r a d ec l a ys o i ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t eh a dt h eb e s tb i o l o g i c a l a c t i v i t y ( 4 ) s p a c ed i s t r i b u t i o no f t h en i t r a t i o na n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i ai nt h ei n t e g r a t e d v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ：i tv o d 5f o u n dt h a tt h ea m o u n to fn i t r a t i o na n d d e n i t r i f y i n gb a c t 谢ao i lt h ei n t e r f a c ew a sb o t hl a r g e rt h a nt h eo u t e rf a c eo ft h e l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e t h ea m o u n to fn i t r i f i c a t i o no i lt h eu p p n l a y e rw a sl a r g e rt h a n t h em i d d l eo ru n d e rl a y e ro i le i t h e rt h eu p - f l o wc h a m b e ro rt h ed o w n - f l o wc h a m b e r , a n dt h eu p p e rl a y e ro f t h ed o w n - f l o wc h a m b e rh a st h el a r g e s ta m o u n to f n i t r i f i c a t i o n o nt h ec o n t r a r y , t h ed e n i t r i f y i n gb a c t e r i ah a dad i s t r i b u t i o nt h a tt h el a r g e s ta m o u n t e x i s t so i lt h eu n d e rl a y e ro nb o t ht h eu p p e ra n dd o w nc h a m b e r k t y w o r d ：i n t e g r a t e dv e r t i c a lf l o wc o h s h l l c t e dw e t l a n d , l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ， b i o m e m b r a n e ，n i t r a t i o na n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：玉磊加子年弓月予p 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理 论文作者( 签名) ：毫磊细争年j 月弓。日 河海大学硕t 学位论文 第一章综述 1 1 研究背景 水环境的生态修复是目前国内外非常关注的问题，而人工湿地是近年来在这 方面迅速发展的一项新技术。它是将污水投放到人工建造的类似于沼泽地的湿地 上，通过植物、微生物、填料的共同作用净化污水。用人工湿地来处理生活污水 和工业有机废水，效果很好：一般出水的c o d 能达到3 0 m g l 以下，b o d 能达 到1 0 m g l 以下，远远优于国家排放标准；出水水质可以因进水水质和水力停留 时间不同达到地表水水质标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i 至v 类标准。人工湿地实际上 是一种深度处理的方法，特别适用于饮用水源或景观用水保护，处理后的水可以 直接排入饮用水源或景观用水的湖泊、水库或河流中。因此，在对饮用水源或景 观用水区周边的面源污染物的处理、富营养化水体的处理以及为这些水体提供清 洁的水源补充等方面显示出突出的优势。由于人工湿地造价低、效率高、运行维 护简单，特别适合于中小城镇的水环境修复，而这些地方的水污染导致的水安全 问题是目前最难解决的问题之一。 目前发达国家不仅把此项技术广泛用于生活污水的二级处理，还用于三级处 理，也就是污水的深度处理。传统的城市二级污水处理厂对氮、磷的去除率有限， 解决不了富营养化污染的问题。目前，我国河湖富营养化的主要来源是生活污水 中的氮和磷，城市污水处理厂如果不采取脱氮脱磷的措施，即使全国所有的生活 污水都得到处理，河湖的富营养化也根治不了，而人工湿地对污水中的氮和磷的 去除率非常之高。 目前国内对人工湿地的研究主要集中于所栽培植物品种的选择及其对不同 污染物的去除效果。从人工湿地的构成可见，植物、微生物、填料是其三大组成 部分。因此，仅仅围绕植物来研究是很片面的。国内也有针对填科的研究，但忽 略了填料作为微生物载体这一可能是更重要的作用。挪威从1 9 9 0 年代初开始提 出采用多孔填料作为一种高效填料，结果表明其对污水有良好的处理效果；国内 在滇池面源污染治理中也开始考虑将多孔填料用于人工湿地【。 河海大学硕士学位论文 1 2 研究目的和意义 1 2 1 研究的目的 人工湿地污水处理系统迅速发展，被广泛用于处理多种废水。对于生活污水， 其中主要的污染物质为有机物、n h 3 n 、磷素及悬浮物，而人工湿地对于n 、p 等有较高的去除效果。本文旨在研究填料在湿地处理系统中的作用，通过在多个 填料床中配置不同的陶粒组合，研究不同陶粒组合对污染物质的去除差异，进行 脱氮除磷的效果及机理分析，提出处理效果好的陶粒组合，为陶粒作为人工湿地 填料的可行性及优越性提供参考，为人工湿地填料的多样性提供方案。同时对陶 粒特性对处理效果的作用及影响进行分析，为人工湿地填料的选择提供依据。 1 2 2 研究的意义 人工湿地由填料、植物、微生物共同组成，而填料对污染物质的去除起重要 作用。传统人工湿地填料多为砾石、砂子、土壤、石块等，但这些填料存在对氮 磷去除不高，容易堵塞等问题。陶粒等多孔填料作为水处理填料，具有多孔、质 轻、易挂膜及与生物的相容性好等特点，利于氮磷的去除，并且多孔质轻不易板 结，可以缓解堵塞。因此研究填料的性能、去污机理及开发应用新型填料，对湿 地系统的发展、水污染的治理和水环境生态的保护具有重要意义。 1 3 人工湿地国内外研究进展 1 3 1 人工湿地的特点及类型 人工湿地是本世纪七十年代蓬勃兴起的一种处理污水的方式，是由人工建造 和监督控制的与沼泽类似的地面，利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相 互作用，通过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 的净化作用1 2 1 2 。 根据废水在人工湿地中的流经的方式，人工湿地可分为自由表面流人工湿地 ( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s f w ) 、水平潜流人工湿地( s u bs u r f a c ef l o ww e t l a n d ， s s f v o 、垂直流人工湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ，v f w ) 三种，分别如图1 1 图1 3 。 2 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) 表面流人工湿地与自然湿地最为接近，废水在填料表面流动，水位较 浅，多在o 1 o 6 m 之间。污水中的绝大部分有机污染物质的去除是依靠生长在 植物水下部分的茎、秆上的生物膜来完成的。这种湿地虽具有投资低的优点，但 不能充分利用填料及丰富的植物根系，卫生条件亦不好。这种人工湿地在美国采 用较多。 图1 1 表面流人工湿地图1 2 水平潜流人工湿地 ( 2 ) 水平潜流人工湿地是水在填料表面下潜流，一方面可以充分利用填料 表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表面填料的截留作用，提高处理效果和处 理能力；另一方面，由于水流在地表以下流动，故具有保温性好、处理效果受气 候影响小、卫生条件较好的特点。 ( 3 ) 垂直流湿地的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，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直流人工湿地的硝 化能力高于水平潜流湿地，可用于处理n h 3 - n 含量较高的污水。 图1 3 垂直流湿地 复合垂直流构建湿地是一种新型的具有独特下行流一上行流复合水流方式 的构建湿地系统，是在“九五”期间，中科院水生所与德国科隆大学、奥地利维也 纳农业大学等共同承担的欧洲联盟国际合作项目中提出的【3 】。复合垂直流构建湿 地由两个垂直流人工湿地有机组成，两个湿地水流流向相反，分别为下行流和上 行流。污水在湿地系统中的流动完全不需要动力，依靠两池中的水位差推动水流 河海大学硕士学位论文 前进。复合垂直流构建湿地污水中有机物、悬浮物和n 、p 等营养物质均具有较 好的去除效果，并且湿地投资低、运行费用省、维护简单、出水水质好，处理后 的水质可以达到g b 3 8 3 8 2 0 0 2 规定的i i i 类水标准【3 州。秦志伟掣s 1 研究不同水 流方式对氮、磷的净化效果，垂直流与垂直流组合对低浓度污水c o d 和氮最终 处理效果最好，优于水平流和潜流。 1 3 2 人工湿地对污染物的去除机理 人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。湿地系统成熟 后，填料表面和植物根系由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经湿地系 统时，大量的s s 被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、 同化和异化作用而被去除。湿地床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、厌氧和缺氧状态，保证了废水中的氮、磷不仅能被植物 和微生物作为营养成分而直接吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物 对磷的过量积累作用将其从污水中去除，最后湿地床填料的定期更换或栽种植物 的收割而使污染物最终从系统中去除【6 】。 实际上，湿地之所以能够净化污水，除了湿地中的植物、土壤和微生物等成 分的分别作用外，更多的时候还是这些成分的相互作用，导致了湿地具有强大的 净化功能。基质支撑着湿地动植物与微生物的生命过程，基质的任何性状发生改 变都可能影响到生物的生长发育及其对环境的作用，从而影响到它们的净化效 果。微生物种群对湿地基质的很多化学反应产生重要影响，基质中各种元素的循 环与转化都与微生物作用密切相关。植物除吸收与吸附功能外，另一个重要的净 化场所来自其根际微生态系统的综合作用【7 】，固扎在基质中的根系所形成的根际 微生态系统不仅影响土壤的物理结构，更重要的是它具有氧化效应的根际圈影响 着基质中的化学过程，p h 和土壤微生物的活动i s l 。 1 3 2 1 植物的净化机理 植物是人工湿地的主要组成部分，并在其中起着重要作用。研究普遍认为有 植物系统净化污水效果好于无植物对照。一方面水生植物能直接吸收利用污水中 的营养物质供其生长发育，同时还能吸附、富集一些有毒有害物质，另一方面水 生植物通气性能好，根系发达并交织成网，能将氧气输送到根区，为微生物的生 存和降解有机污染物提供了必要的场所和好氧厌氧条件。水生植物是湿地处理系 4 河海大学硕上学位论文 统最明显的生物特征，作用主要表现为：吸收利用、吸附和富集作用；氧的传输 作用；为微生物提供栖息地；维持系统的稳定；有机物的积累作用；增强和维持 介质的水力传输【9 】。 人工湿地中的植物一般选择原则为成活率高和处理性能好、根系发达和耐污 抗寒能力强、具有一定美学和经济价值。目前许多水生植物已经被用于污水处理 的湿地系统。现在应用较多的湿地淡水水生植物优势品种有宽叶香蒲、芦苇、苦 草、软水草和狐尾藻，吴振斌 i o j i 】等报道芦苇一水葱、茭白一菖蒲、草一苔草等 植物组合的垂直流人工湿地系统除磷效率以及稳定性均高于无植物对照，去除率 为4 0 6 5 ，且对藻毒素有一定的去除作用。 1 3 2 2 微生物的净化机理 人工湿地中微生物的活动是湿地净化污水的最主要因素。微生物在湿地养分 的生物地球化学循环过程中往往起核心作用，它们是各类污水中最先出现并对污 染物起吸收与降解作用的生物群体，而且还能捕获溶解的成分给它们的动物或植 物共生体利用。微生物的生物量可作为一个湿地生态系统中土壤物理化学特征， 养分含量变化以及有机质积累与分解的一个有效反映指标 1 2 , 1 3 】。现有研究已经发 现在b o d 5 、c o d 以及氮等降解的过程中微生物都发挥了重要作用。人工湿地中 的优势菌种有假单胞杆菌属( p s e u d o m o n a s ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n s ) 和黄杆 菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) ，均为生长快速的微生物，其体内含有降解质粒，是分解 有机物的主体微生物种群。此外，对于有些难降解的有机物和有毒物须运用微生 物诱导变异特性，培育驯化适宜吸收和消化这些物质的优势种，进行降解。 同时，研究发现湿地中的微生物数目和种类与污水净化效果也有一定的关 系，其数量越多则去除率越高。其中污水中b o d 5 的去除率与湿地细菌总数显著 相关，并与各类微生物都有明显的相关性，n h 3 - n 的去除率与硝化细菌和反硝化 细菌的数量密切相关，污水中总大肠杆菌的去除率与湿地原生动物和放线菌数量 也存在显著相关性。这也从一个方面说明湿地微生物在污染物降解中起到了重要 作用。 1 , 3 2 3 填料的净化机理 填料是人为设计的由不同大小的砾、沙、土颗粒等按一定厚度铺成的供植物 生长、微生物附着的床体。该体系通过一些物理、化学途径( 如吸附、吸收、过 河海大学硕士学位论文 滤、沉淀、络合反应和离子交换等) 来去除污水中的s s 、n 、p 等营养物质。同 时，其为植物、微生物生长以及0 2 传输提供了必备条件。自由表面流系统多以 土壤为填料，潜流与垂直流系统则根据不同的特征污染物选择不同的填料，并须 考虑便宜、易于取材等因素。填料不同，对污染物的去除能力也有差异。 在湿地系统中，填料对氮的去除起着不可忽视的作用。由于微生物的硝化和 反硝化作用对氮的去除起主要作用，并且比表面积大的填料有利于生物膜的生 长，因此，寻找一种比表面积大的填料更有利于氮的去除。此外，人工湿地以相 对粗糙的沉积物作为填料较好，因为废水比较容易渗透到填料内部，从而除氮的 各种机理可以在填料内部充分地发生【】。李旭东 1 5 1 研究表明沸石对n h 3 - n 的吸 附、离子交换作用是除氮的主要途径，在同样的进水水质和水力负荷下，沸石床 在除氮方面明显优于砾石床。权新军等【j6 j 利用改性天然沸石处理富营养化水体 的试验结果表明，天然沸石对n h 3 - n 地去除最大可达8 2 。 污水中磷的去除主要依靠填料地吸附、沉淀、络合等作用。以p 为特征的污 水，最好选择飞灰和页岩为填料，其次是铝矾土、石灰石和膨润土等，泡沸石与 油页岩对p 的吸附能力较差，不宜选用【17 1 。缪绅裕等【l s 】研究人工污水中磷的过 程中，在模拟秋茄湿地系统中的分配与循环中发现，加入系统中的磷主要存留在 土壤中，留存于植物体和凋落叶中的很少。k r r c d d y 的研究中也发现，在人工 湿地中7 8 7 的磷可能通过沉淀或吸附反应而降解，其中p h 值将起到十分 重要的作用。可溶性的无机磷化物很容易与土壤中的舢3 + 、f e 3 + 、c a 2 + 等发生吸 附和沉淀反应，其中土壤与c a 2 + 易于在碱性条件下发生作用，而与舢3 + 、f ，主 要是在中性或酸性环境条件下发生反应，其中钙与磷地吸附相关性最科1 9 1 。 1 3 3 人工湿地国内外研究及应用现状 人工湿地的概念最初是由德国的s e i d e l 及其合作者于1 9 6 6 年建立芦苇湿地 处理生活污水是提出的。自1 9 7 4 年前联邦德国首先建造人工湿地污水处理系统 以来，这项技术在欧洲许多国家得到推广应用，并在美国和加拿大等国得到迅速 发展。目前，欧洲已有6 0 0 0 余座人工湿地系统在运行之中，其处理规模有大有 小，其中丹麦1 9 9 7 年有芦苇床湿地1 3 4 个，至2 0 0 2 年，英国有人工湿地6 2 8 个，其中用做三级处理的水平流人工湿地为4 6 3 个。法国现有芦苇床湿地2 0 0 多个，德国e i n s d o f f 垂直流湿地系统建于1 9 9 6 年，面积8 0 0 m 2 ，日处理水量3 5 l 一， 6 河海大学硕t 学位论文 沃尔夫斯堡1 9 9 6 年建设的垂直流湿地系统其占地面积6 7 0 m 2 ，日处理水量2 0 m 3 。 北美有1 0 0 0 多座人工湿地，其中自美国田纳西河流域管理局于1 9 8 5 年在美国东 部建造了一系列的人工湿地系统以处理该流域内的污水以来，至今已有6 0 0 多座 不同类型的人工湿地应用于城市污水、工业废水和农业径流、暴雨径流等的处理。 在澳大利亚和南非则用于处理各类废水。新西兰也有8 0 多座人工湿地在运行之 中。 人工湿地在我国的研究和应用始于2 0 世纪8 0 年代中期。天津环保所于1 9 8 7 年建成了我国第一座芦苇湿地处理系统，并在1 9 8 9 1 9 9 0 年建立1 1 个实验单元 研究芦苇湿地对城市污水的处理能力，并对水力负荷、有机负荷、停留时间及季 节等与污水中主要污染物间规律进行探索。1 9 9 0 年国家环保局华南环保所在深 圳白泥坑建造了人工湿地示范工程，占地8 4 0 0 m 2 ，处理3 1 0 0 t d 的城镇综合污水。 北京市环保所在北京市昌平区建成了日处理规模为5 0 0 0 0 m 3 的芦苇湿地处理系 统示范工程，占地2 h a ，水力负荷4 7 c r a 3 c m 2 d ，h r t ：4 3 d ，b o d 负荷： 5 9 k g b o d s h a d ，处理水解池出水或原污水。人工湿地处理系统已广泛应用于我 国污水处理领域，并取得了良好的效果。 人工湿地用于景观生态建设也取得了一定的成果。1 9 9 6 年胶南市充分利用 风河下游北岸的大片盐碱荒滩，修建芦苇湿地系统，不仅很好地处理了工业废水 和生活污水，而且吸引鸥鹭、燕鹊栖息，取得了良好的生态效益【2 0 】。2 0 世纪末 建成的成都活水公园展示了人工湿地系统处理污水新工艺的以水为主体的环境 科学公园，使生态与环境效益完美结合，实现了污水资源化利用。1 9 9 7 年深圳 市环科所建成深圳洪湖公园人工湿地每日可处理污水1 0 0 0 吨，其水质已达到国 家地面水标准。人工湿地还广泛用于处理各种废水，如处理矿山酸性废水、炼油 废水、猪场污水、造纸废水【2 1 , 2 2 2 3 斟1 等。 1 3 4 人工湿地填料的研究现状 人工湿地系统是由基质、植物、微生物组成，基质层是人工湿地处理污水的 核心部分。夏汉平等【2 5 】认为填料是湿地的基质与载体，填料的所有理化性状都 可能影响到它对污水的处理效果。在床体内部填充多孔的、有较大比表面积的填 料，可以改善湿地的水力学性能，为微生物提供更大的附着面积，同时增强系统 对污染物( 尤其是氮、磷) 的去除能力。污水中磷的去除主要依靠基质的物理化 河海大学硕士学位论文 学作用，基质的去除磷效果与基质中的钙和铁元素的含量以及存在的形态有关 瞄l 。基质层的作用有以下几个唧：( 1 ) 提供水生植物生长所需的基质；( 2 ) 为 污水在其中的渗流提供良好的水利条件；( 3 ) 为微生物提供良好的生长载体，填 料作为微生物的载体，直接影响着微生物的生长、繁殖、脱落和整个过程，影响 水处理的效果。对填料性能的要求是：比表面积大，附着的微生物量大，孔隙率 高，孔大小适宜；生物亲和性好，微生物挂膜快，老化生物膜易脱落；稳定性高， 抗酸碱，不易老化：充氧效率高；质轻，机械强度大，使用寿命长；安装维修方 便，价格便宜。 目前，广泛应用的人工湿地填料主要有土壤、不同粒径的砂石、卵石、砂粒、 沙子、石块等，但由于这些填料对氮和磷的去除率不高，因此人们也不断地研究 和应用新型填料。 尹连庆【2 8 】等用粉煤灰构建的湿地系统对c o d 、n h 3 - n 、t p 等都有较好的去 除能力，对n 、p 的去除效果优于常规二级生化处理。崔理华【2 9 】等用煤灰渣人工 土壤组成垂直流人工湿地系统对化粪池出水中t p 的去除率达到7 5 9 2 ，其 处理出水中t p 浓度达到了城市污水二级生化处理二级排放标准。朱夕圳3 0 】等人 选取石英砂、煤灰渣和高炉渣配以有机质和土壤组成人工土填料构成垂直流人工 湿地，高炉渣基质对化粪池出水中t p 的去除率高达7 8 9 2 。袁东海【3 l 】等人 研究了砂子、沸石、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰和矿渣7 种人工湿地基质 材料净化污水磷素的机理，结果表明，矿渣、粉煤灰有很好的磷素去除效果，蛭 石、黄褐土和下蜀黄土次之，沸石和砂子的去除效果较差。郭本华【3 2 】等人用碎 石、沸石和页岩陶粒构建潜流湿地处理污水中的磷素，在水力停留时问为3 d 下， 碎石单元对t p 去除效果最好，页岩陶粒次之。李旭东、周琪【3 3 1 等人用沸石、砾 石分别作为人工湿地的填料进行了对比试验，发现在相同进水水质和水力停留时 间的条件下，沸石潜流人工湿地的脱氮效果最佳。徐丽花、周琪1 3 4 选用沸石、 沸石一石灰石、石灰石3 种填料作为湿地基质进行了对比研究，结果表明沸石、 沸石一石灰石系统对n h 3 - n 保持很高的去除率。清华大学的唐种删 】等人开展 了以沸石为填充介质的人工湿地技术研究，结果表明该技术应用于控制暴雨径流 中的氮的污染是可行的。周小平1 3 6 1 等用炉渣、碎石、碎砖头和碎陶片等4 种基 质处理富营养化水体中的n 、p ，炉渣对n 、p 都表现出较好的去除效果，碎砖 河海大学硕士学位论文 头和碎陶片对t n 、t p 则没有表现出去除效果，碎石对n 、p 表现出一定的处理 效果，且较长的换水周期好于较短的换水周期的处理效果。聂发辉【3 7 】研究了蛭 石吸附污水中n h 3 n 的吸附容量，其饱和容量达2 0 8 3 m g l 超过现在广泛使用的 沸石，这为蛭石作为一种新型填料提供了基础数据和理论依据。谭洪新【3 8 】研究 了钢渣、页岩、砾石和棕色土壤等湿地填料对磷的等温吸附特性，最大吸附量为 钢渣 页岩 棕色土壤 砾石，并由页岩、钢渣构建潜流人工湿地用于城市污水 a o 工艺生化反应器出水的除磷处理，磷的去除主要靠钢渣断完成，与其吸附规 律相吻合。毛艳丽【3 9 】通过粉煤灰与芦苇构建的模拟人工湿地对化粪池出水中 n h 3 n 和t p 的去除率分别为7 4 8 8 4 4 和7 9 1 8 9 7 ，为平项山市粉煤 灰的资源化利用提供一条新途径。丁晔【蚰瞎研究碎石床、碎石+ 沸石床以及炉渣 + 沸石床湿地系统对猪场污水的处理效果，探讨了传统型湿地系统与新型湿地系 统的应用。崔玉波【4 l 】对比火山渣与沙子对氮磷的吸附性能，结果表明，火山渣 具有良好的表面活性和孔隙结构，与表面光滑的砂子相比，火山渣具有更强的吸 附效果。 以陶粒为填料在水处理领域应用较广泛，主要是作为生物滤池的填料。因为 陶粒作为填料的一种，不仅材料低廉易得，而且具有轻质、多孔、易挂膜及与生 物的相容性好等特点，特别适合我国国情。近年来，陶粒作为水处理填料得到广 泛的应用，填料作为微生物的载体，直接影响着微生物的生长、繁殖和脱落的整 个过程，影响水处理的效果。陶粒是由粘土或泥岩、页岩、煤矸石、粉煤灰等主 要原料，经加工成粒或粉磨成球，再烧涨成的人造轻骨料。陶粒内部多孔，比表 面积大，化学和热稳定性好，因之具有较强的吸附性能，而且易于再生。 陶粒作为填料的一种，不仅材料低廉易得，而且具有轻质、多孔、易挂膜及 与生物的相容性好等特点。目前对陶粒的研究与应用主要是作为生物滤池的填 料。肖文胜【4 2 】比较了不规则页岩和普通球形粘土陶粒在上流式曝气生物滤池中 处理生活污水的处理效果，结果表明两种填料对c o d 、s s 的去除均能达到满意 效果。赵颖等人【4 3 】对国产球形生物陶粒和进口专利填料b i o l i t e s ( 膨胀硅铝酸 盐) 在曝气生物滤池( b a f ) 处理城市污水厂二级出水的应用效果及反应器运行 特征进行了对比研究。试验结果表明，国产球形生物陶粒与进口专利b i o u i e s 填料b a f 对城市污水厂二级出水中c o d 、浊度和n h r n 的去除效能基本相同， 9 河海大学硕士学位论文 且国产球形生物陶粒b a f 在运行周期和反冲洗等方面比进口专利b i o l i t e s 填 料稍具优势。汪艳霞等人h 4 j 对生物接触氧化法中采用y d t 填料、炉渣填料和陶 粒填料处理污水进行了对比研究，研究结果表明在相同的试验控制条件下，陶粒 反应器的挂膜容易，挂膜周期短，且生长有生物膜的陶粒填料有较强的承受环境 条件变化的能力。对以c o d 、n h 3 n 及s s 为去除目标的城市污水，陶粒填料的 处理效果最好，) t 填料次之，炉渣填料最差。清华大学试验室对页岩陶粒、 粘土陶粒、砂、褐煤、沸石、炉渣、麦饭石、焦炭等滤料进行了筛选，并与生物 活性炭进行了比较，认为陶粒、砂子、大同沸石和麦饭石优于其他滤料。 将陶粒应用于人工湿地也有研究、报导，但并不多见。赵桂瑜等人研究了干 渣、沸石、页岩陶粒和白云石四种基质对水体中磷素的吸附作用，结果表明，干 渣对磷素的吸附量最大，其次是沸石和页岩陶粒，白云石对磷素的吸附量最小。 四种基质对磷素的吸附速率依次为：干渣 页岩陶粒 沸石 白云石。郭本华【3 2 】 等人用碎石、沸石和页岩陶粒构建潜流湿地处理污水中的磷素，在水力停留时间 为3 d 下，碎石单元对t p 去除效果最好，页岩陶粒次之。秦志伟等【5 1 比较了在两 种污水浓度下，人工湿地选用不同基质和水流方式时的处理效果。结果表明对 c o d 的处理效果陶粒 蛭石 炉渣 沙子 腐殖质，陶粒有比较大的比较面积，可 以为微生物提供更大的生存空间；而陶粒相对蛭石、沙子对磷的去除效果较高。 对于高浓度污水，将陶粒和蛭石结合作为人工湿地基质，对总氮和c o d 的处理 效果较好。对于低浓度污水，选用陶粒和腐殖质作为基质，出水水质较好。 1 3 5 人工湿地的优势与不足 人工湿地处理污水的建造和运营成本低廉，并且易于维护。经济效益显著。 人工湿地对污水的处理效率高，研究数据表明，人工湿地处理污水的效果优于传 统的污水处理工艺【4 5 1 。一般对污水中b o d 5 的去除率在8 5 9 5 之间，c o d 去除率可达8 0 以上，处理后出水中b o d 5 的浓度在1 0 m g l 左右、s s 浓度小于 2 0 m g l ，对n 的去除率可达6 0 ，对p 的去除率可达9 0 以上，对农药类、细 菌总数等去除率在9 0 * , 以上而且人工湿地具有较强的耐冲击负荷的能力。有研 究表明，在复合式人工湿地、推流式人工湿地和潜流式人工湿地中增加污染负荷 和延长水力停留时间都能增加污染物的去除1 4 6 , 4 7 1 。 人工湿地的缺点在于净化过程缓慢，且需要较大的土地面积来达成所要求的 河海大学硕士学位论文 处理效率。而且，人工湿地系统在经过若干时间之后也会步入老化减弱甚至丧失 对某些污染物的去除能力。因此，人工湿地的维护、保养与更新一直是阻碍其发 展的一大难题。并且气温的降低会影响人工湿地的正常运行，使污染物的去除率 降低，因此，在冬季湿地需要覆盖隔离这样的保温措施或增加人工湿地的构筑深 度来达到保温的效果。这是人工湿地在北方地区运行所必需要解决的问题。 1 4 研究内容 ( 1 ) 陶粒特性试验。对使用的陶粒填料特性进行测定，了解内部结构及其 成分组成，分析其作为人工湿地填料的合理性。 ( 2 ) 单一填料处理污水试验。对4 种单一陶粒和碎石进行污水净化试验， 比较各填料对污水的净化效果，探讨组合填料人工湿地的作用机理。 ( 3 ) 模拟人工湿地试验。测定模拟人工湿地进、出水中主要污染物质浓度， 比较不同填料组合的去除效果，提出净化效果好的填料组合，同时比较季节对湿 地系统的影响。研究复合垂直流人工湿地不同高度填料层对污染物的去除规律。 ( 4 ) 生物量的测定。试验采用陶粒作为人工湿地的填料，其孔隙度较大， 比表面积大，有利于生物膜的附着、生长。测定填料上生物膜的生长量，分析其 对污染物去除的机理。 ( 5 ) 填料生物膜活性的测试。在填料的生物膜生长成熟时期测定不同填料 的生物膜活性，比较各填料对生物膜的影响。 ( 6 ) 模拟人工湿地不同填料层的硝化反硝化细菌数量的测定。在模拟人工 湿地稳定运行阶段，取不同高度的填料测试其上的硝化反硝化细菌数量，并测 试填料外表面和内表面数量差异，探讨多孔填料对微生物的促进作用。 1 5 技术路线 本论文研究技术路线如图1 4 所示 河海犬学硕士学位论文 图1 4 论文技术路线 河海大学硕士学位论文 第二章人工湿地单一填料对生活污水净化效果的试验研究 近年来，人工湿地污水处理技术已经在污水处理中得到了广泛的应用，并取 得了较好的处理效果。人工湿地的填料是其重要组成部分，不同的填料对污染物 的去除能力也存在差异。陶粒作为水处理填料在水处理领域应用较广泛。由于陶 粒的原料不同、加工工艺不同，使得不同陶粒之间的物理化学特性存在差异，对 污染物质的处理效果也显示出差异。因此本试验选用四种陶粒，其产地不同、原 料不同、物理化学特性不同，进行单一填料处理生活污水的试验研究，并与人工 湿地传统应用的石灰石碎石进行比较。 2 1 试验材料与方法 2 1 1 试验填料 陶粒作为水处理填料在水处理领域得到了广泛的应用，陶粒内部多孔，比表 面积大，化学和热稳定性好，因之具有较强的吸附性能，而且易于