（市政工程专业论文）“生物絮凝多级人工湿地渗滤床”处理小城镇污水试验研究.pdf

中文摘要 摘要 研究以开发高效能、低投资、低成本及易于管理的小城镇污水处理技术为目 标：针对传统人工湿地处理效能低、易堵塞等问题，提出了“生物絮凝一多级人工 湿地渗滤床”处理技术，该系统的预处理集水解酸化、生物絮凝及沉淀为一体，人 工湿地渗滤床采用多级形式，在系统中设置了硝化区和反硝化区，并在基质填料 中设置了强化除磷的煤渣和石灰石填料层，强化系统的脱氮除磷效能；同时，对 基质采用科学级配，改善水力特性增强防堵功效。通过试验筛选出了高效富集氮 磷的植物及高效的除磷填料。并通过示范工程生产性试验，得出生物絮凝、生物 化学协同絮凝及多级人工湿地渗滤床运行的关键参数，该处理系统对较高浓度的 城镇污水和冬季低温表现出良好的适应性，拓宽了人工湿地渗滤床应用范围。研 究得出的主要结论如下： 高效脱氮植物筛选试验结果表明：当氨氮和总氮负荷分别为 3 0 9 n h 4 - n m 2 d 和3 6 1 9 t n n m 2 d ，栽种有打碗子、美人蕉、灯心草和芦竹的人 工湿地渗滤床氨氮去除率分别为5 5 7 、5 4 4 、4 4 7 和4 2 o ；总氮去除率分别 为5 0 、4 8 4 、4 1 7 和4 0 o ；植物的脱氮效能依次为：打碗子 美人蕉 灯 心草 芦竹。 除磷基质筛选试验表明：当进水p 0 4 3 。p 浓度为2 9 m g l ，停留时间为4 h 时， 砾石、烧结碎砖和煤渣三种基质的出水p o , 3 。p 浓度依次为2 0 m g l 、1 0 m g l 和 0 4 m g i , ，去除率分别为3 1 0 、7 5 9 和8 6 2 。除磷能力大小依次为：煤渣 烧 结碎砖 砾石；将不同体积煤渣和砾石配比形成的人工湿地渗滤床系统，除磷能 力随着煤渣配比比例的增加而提高，当停留时间为2 h ，v 煤箍：v 漕滤床分别为0 、0 3 、 o 5 和o 7 ，进水p 0 4 3 。一p 浓度为3 1 m g l ，出水p 0 4 3 。- p 分别为2 6 、1 9 m g l 、1 6 m g l 、 1 - 5 5 m g l ，去除率分别为1 6 1 、3 8 7 、4 8 4 和5 0 ，随着v 粕：v 咎# 比例的增 大，去除率逐渐升高，并f 1 , q - t 水p h 也逐渐升高，出水p h 从7 3 上升n l o 3 。试验得 出最适合配比为v u ：v 渗躲= o - 3 。 预处理效能试验研究表明：温度为2 0 一3 5 ，示范工程i 生物絮凝预处 理系统能使进水c o d 、n h 4 + - n 和p 0 4 3 - p 浓度分别为7 4 1 m g l 、8 9 4 8 m g l 和 5 7 m g l ，出水浓度分别为2 6 0 m g l 、7 6 m g l 和4 5 m g l ，去除率分别为6 5 、1 4 9 8 和2 1 ：示范工程i i 生物絮凝预处理系统使进水c o d 、n h 4 + - n 和p 0 4 3 p 浓度分 别为4 9 0 m g l 、9 0 2 m g l 和5 7 m g i , ，出水浓度分别为2 5 0 m g l 、8 0 9 4 m g l 和 4 7 3 m g l ，去除率分别为4 9 、1 0 2 7 和1 7 8 ；采用“生物一化学”协同絮凝强化 预处理，试验结果表明：当p a c 的投加量为3 5 m g l 时，预处理系统能使进水p 0 4 3 - p 重庆大学硕士学位论文 为5 7 m g l ，出水p 0 4 3 p 为2 3 m g l ，去除率为5 9 6 ，较生物絮凝对p 0 4 3 p 去 除率提高了3 8 6 。 当温度为2 0 。c 一3 5 c ，多级人工湿地渗滤床系统有机负荷为4 1 9 c o d m 2 d ， 氮负荷为1 1 6 9 9 t n m 2 d ，可使进水c o d 、n i 4 + n 、t n 和p o ，p 浓度分别为 3 5 2 m g l 、7 0 1 2m g l 、8 2 5 4m g t , 和4 5m g l 的高浓度生活污水，出水浓度分别 为4 7 m g l 、3 2 6 2 m g l 、3 9 7 6 m g l 和2 o m g l ，去除负荷分别为4 2 4 3 9 c o d m 2 d 、 5 9 5 9 t n m z d 和0 3 5 9 p 0 4 3 - p i n 。d 。 当人工湿地渗滤床基质中增加了除磷煤渣层和石灰石层后，温度为 2 5 一3 0 。c ，多级人工湿地渗滤床系统的 i n 去除负荷提高了1 7 2 9 t n m 2 d ，去除 率提高了1 3 6 ；p 0 4 p 的去除负荷提高了o 1 l g p 0 4 - p m 2 d ，去除率提高了1 5 4 。 效能分析表明：“生物絮凝一多级人工湿地渗滤床处理系统”对污染物表现出 较高的去除效能，与传统的人工湿地相比，对c o d 、t n 和p 0 4 3 。p 的去除负荷分 别增加了2 7 2 9 c o d m 2 d 、1 5 9g t n m 2 d 和0 0 8 9 p 0 4 3 。- p 腼2 d 以上a 关键词：人工湿地渗滤床，生物絮凝，除磷填料，脱氮植物 n 英文摘要 a i m i n ga td e v e l o p i n gak i n do fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u et h a th i g he f f i c i e n c y , l o wi n v e s t , l o wo p e r a t i o nc o s ta n do p e r a t i o ns i m p l y , o b j e c tt ot h ep r o b l e mo fl o w e f f i c i e n c ya n dj a m m e de a s i l yi nt r a d i t i o n a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t h et r e a t m e n t t e c h n i q u eo f b i o f l o c o u l a t i o n - - m u l t i s t a g ec o n s t r u c t e dw e t l a n di n f i l t r a t i o nb e d w a sp u t u p h y d r o l y z i n ga c i d i f i c a t i o n ，b i o f l o c c u l a t i o na n ds e t t l i n gw e r ei n c o r p o r a t e di nt h e p r e t r e a t m e n ts y s t e m m u l t i s t a g ew a sa d o p t e di nc o n s t r u c t e dw e t l a n d , t h ea r e ao f n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nw e r es e ti nt h i ss y s t e m ，a n ds u b s t a n c eo fc i n d e ra n d l i m e s t o n ew e r ea d d e dt o i n t e n s i f yp h o s p h o r u sr e m o v a l ，w h i c hc a l le n h a n c e dt h e e f f i c i e n c yo fn i t r o g e na n dp h o s p h o m sr e m o v a l a tt h es a m et i m e , s c i e n t i f i cg r a d u a t i o n o fs u b s t a n c ew a sa d o p t e d , t oi m p r o v eh y d r a u l i cc h a r a c t e rp r o t e c tb l o c k e du p b y e x p e r i m e n t ，p l a n to fh i g he f f i c i e n c yn i t r o g e nr e m o v a la n ds u b s t a n c eo fh i g he f f i c i e n c y p h o s p h o r u sr e m o v a lw e r es c r e e n e do u t t h ek e yp a r a m e t e r so fb i o f l o c c u l a t i o n , b i o l o g i c a l c h e m i c a lf l o c c u l a t i o na n dm u l t i s t a g ec o n s t r u c t e dw e t l a n di n f i l t r a t i o nb e d w e r ep u to u t ，t h i ss y s t e mh a v eg o o dp e r f o r m a n c eo f a d a p t a b i l i t yt oh i g h e rc o n c e n t r a t i o n t o w nw a s t e w a t e ra n dl o wt e m p e r a t u r ei nw i n t e r , a n dw i d d e nt h ea p p l y i n ga r e a t h e m a i nc o n c l u s i o n sc a nb em a d ei nt h i se x p e r i m e n t ： ht h ee x p e r i m e n to ff l t e r i n gp l a n tt h a th i g he f f i c i e n c yo fn i t r o g e nr e m o v a l t h e r e s u l ts h o w e dt h a t ，w h e nt h en h 4 + - na n dt nl o a ds e p a r a t e l yi s3 0 9 n i - h + - n m 2 da n d 3 6 1 9 t n n m z d i nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dt h a tp l a n tc o i xl a c h i y m a j o b ilc a n n a ， r u s ha n da r u n d od o n a x l ，t h en h 4 + - nr e m o v a lr a t es e p a r a t e l yi s5 5 7 ，5 4 4 ，4 4 7 a n d4 2 0 、；t h et nr e m o v a lr a t es e p a r a t e l yi s 5 0 、4 8 4 、4 1 7 a n d4 0 0 ；t h e e f f i c i e n c yo fn i t r o g e nr e m o v a li s ：c o i xl a c h r y m a j o b il c a n n a r u s h a r u n d od o n a x l ( 砻i nt h ee x p e r i m e n to ff l t e r i n gs u b s t a n c eo fp h o s p h o r u sr e m o v a l t h er e s u l ts h o w , i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fp 0 4 3 p2 9 m g l 瑚限= 4 h ，e f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fp 0 4 3 - p i ng r a v e l 、b r o k e nb r i c ka n dc i n d e re a c hi s2 0 m g l 、1 0 m g l a n d0 4 m 扎r e m o v a lr a t e e a c hi s3 1 0 、7 5 9 a n d8 6 2 e f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u sr e m o v a li sc i n d e r b r o k e n b r i c k g r a v e l i n t h e c o n s t r u c t e d w e t l a n d o f a d m i x t u r e o f c i n d e r a n d g r a v e l ，e f f i c i e n c y o f p h o s p h o r u sr e m o v a li n c r e a s e dw i t hc u b a g ep r o p o r t i o no fc i n d e r ：g r a v e l h r t = 2 ，t h e c u b a g ep r o p o r t i o no fc i n d e r ：g r a v e le a c hi s0 、0 3 、0 5a n d0 7 ，i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f p 0 p = 3 1 m g le f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fp 0 4 3 。- ps e p e r a t e l yi s2 6 m g l 、1 9 m g l 、 1 6 m e l a n d1 5 5 m g 化r e m o v a lr a t ee a c hi s1 6 1 、3 8 7 、4 8 4 a n d5 0 ，r e m o v a l m 重庆大学硕士学位论文 r a t er i s e dw i t ht h ec u b a g ep r o p o r t i o no fc i n d e r ：g r a v e li n c r e a s e d ，a n de f f l u e n tp h i n c r e a s e da l s o ，e f f l u e n tp hi n c r e a s e df r o m7 3t oi 0 3 t h eo p t i m a lc u b a g ep r o p o r t i o no f c i n d e r ：g r a v e li s0 3b ye x p e r i m e n t n er e s e a r c ho fp r e t r e a t m e n ts h o wt h a t ，t e m p e r a t u r e2 0 3 5 c ，i n f l u e n t c o n c e n t r a t i o no fc o d 、n h 4 + na n dp 0 4 3 pe a c hi s7 4 1 m g l 、8 9 4 8 m g la n d5 7 m “ e f f l u e n tc o n c e n t r a t i o nf r o mb i o f l o c c u l a t i o ns y s t e md e m o n s t r a t i o ne n g i n e e r i n gii s 2 6 0 m g l 、7 6 m g la n d4 5 m g 化r e m o v a lr a t es e p a r a t e l yi s6 5 、1 4 9 8 a n d2 1 i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o d 、n h 4 + - na n dp o ? 。一pe a c hi s4 9 0 m g l 、9 0 2 0 m g la n d 5 7 m 叽e f f l u e n tc o n c e n t r a t i o nf r o mb i o f l o c c u l a t i o ns y s t e md e m o n s t r a t i o ne n g i n e e r i n g i ii s2 5 0 m g l 、8 0 9 4 m g la n d4 7 3 m 以r e m o v a lr a t es e p a r a t e l yi s4 9 、1 0 2 7 a n d 1 7 8 ( dt e m p e r a t u r e2 0 c 3 5 c ，w h e nt h eo r g a n i ca n dn i t r o g e nl o a da l e4 1 9 c o d m 2 d a n d1 1 6 9 9 t n m 2 d i n f l u e n th i g hc o n c e n t r a t i o no fc o d 、n i - 1 4 + - n 、t na n dp 0 4 3 - pe a c h i s3 5 2 m 叽7 0 1 2m 如8 2 5 4m e la n d4 5m 如e f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fp 0 4 - p s e p e r a t e l yi s4 7 m 叽3 2 6 2m 叽3 9 7 6m g la n d2 0m 儿t h er e m o v a ll o a d s e p a r a t e l yi s4 2 4 3 9 c o d m z d 、5 9 5 9 t n m 2 da n do 3 5 g p 0 4 3 - p m 2 d a f t e rc i n d e ra n dl i m e s t o n ew e r ea d d e dt om u l t i s t a g ec o n s t r u c e dw e t l a n d i n f i l t r a t i o nb e d ，t e m p e r a t u r e2 5 - 3 0 。c ，1 7 2 9 t n m 2 dr e m o v a ll o a db ei n c r e a s e di n c o n s t r u c t e d ，r e m o v a lr a t ei n c r e a s e d1 3 6 ；0 1 1 9 t n m z dr e m o v a ll o a db ei n c r e a s e di n c o n s t r u c t e d r e m o v a lr a t ei n c r e a s e d1 5 4 ( dn ea n a l y s i st ot r e a t m e n te f f i c i e n c ys h o wt h a t ，t h et r e a t m e n te f f i c i e n c yo f “b i o f l o c e u l a t i o n - - m u l t i s t a g ec o n s t r u c t e dw e t l a n di n f i l t r a t i o nb e d ”i sh i g h e r ，c o m p a r e d t ot r a d i t i o n a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，i t sr e m o v a ll o a do fc o d ，t na n dp 0 4 3 - pe a c h i n c r e a s e dm o r et h a n 2 7 2 9 c o d m 2 d 、1 5 9g t n m 2 da n d0 0 8 9 p 0 4 3 - p m z d k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e d w e t l a n di n f i l t r a t i o nb e d ，b i o f l o c c u l a t i o n , s u b s t a n c eo f p h o s p h o r u sr e m o v a l ，p l a n to fn i t r o g e nr e m o v a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本 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谢意。 学位论文作者签名：蒲f 乇 签字日期：习年n 细日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：v 禹见 导师签名： 签字日期岬年r 月加日签字日期：习年n 功日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 本项目利用重庆市科委、重庆市环保局、重庆市建委实施“重庆市小城镇建设 科技专项一重庆市小城镇建设关键技术研究与示范”之机，针对山地小城镇污水的 收集特点以及污水水量小，水质、水量波动大的特点，从重庆小城镇的实际状况 出发，开发出高效、低投资、低能耗、易于管理的具有显著特色的小城镇生活污 水处理技术；在现有技术的基础上，重点研究人工湿地强化处理系统的技术集成， 并通过在江津聚奎中学建设示范工程，优化人工湿地污水处理系统的结构及功能 参数。 1 2 人工湿地污水处理系统概述 1 2 1 人工湿地的概念及特征 美国著名的湿地研究、设计与管理专家h a m m e r 博士等【1 i 将人工湿地定义为 “一个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、 挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体( c o m p l e x ) ”。不过，此定义有两点值得 商榷，一是人工湿地既然是模拟自然湿地，通常就应该存在饱和基质、植物、水 体等组成要素，因此定义存在不必要的重复；二是挺水植物、沉水植物、动物三 者不一定同时存在人工湿地中，因此定义尚不够严谨。鉴于此，有人认为人工湿 地是指通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地形，根据人们 的需要人为设计与建造的湿地。人工湿地根据其建造目的不同至少可分成四大类1 2 1 ： 人工生态湿地，协助天然湿地用于生物多样性的保护。人工抗洪湿地，用于 控制洪水或泄洪。人工水产湿地，用于农业生产与水产养殖。人工处理湿地， 用于污水处理。实际上，大多数人工湿地是用于污水处理目的，即为处理湿地 ( t r e a t m e n tw e t l a n d ) 。与天然湿地相比，人工处理湿地一般具有以下特征：面积较 小，大多在1 0 0 m 2 1 0 h a 左右：生物种类较少，有些新建的湿地可能只有几种 甚至只有一种人工种植的植物；水体较污浊或含有不同程度的污染物；一般 都具有排灌系统；离都市、社区或工矿区较近。有目的地建造湿地生态系统还 是一项相对较新的技术。尽管人类历史一直都有关于围湖、建塘筑田进行人工利 用的记载，且至少在4 0 5 0 年前，就有了湿地生态功能与水生植物净化污水研究， 但真正为污水处理目的而建造湿地直n 2 0 世纪7 0 年代才开展起来，“人工湿地”或 类似的术语也在此时才开始相继问世，如“m a n m a d ew c t l a n d 、“e n g i n e e r e d w e t l a n d ”、“c r e a t e dw e t l a n d 、“a r t i f i c i a lw e t l a n d ”或“c o n s t r u c t e dw e t l a n d ”等。当首届 重庆大学硕士学位论文 国际人工湿地处理污水大会于1 9 8 8 年在美国召开后, c o n s t r u c t e dw e t l a n d ”才开始逐 渐取代上述其他术语而成为“人工湿地”的通用名词【3 】o 1 2 1 人工湿地的类型与各自的优缺点 人工湿地是人工建造和监督控制的、工程化的沼泽地，国内外学者对人工湿 地系统的分类多神多样【4 - 列。从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同或 水在系统中流式不同一般可分为自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直 潜流人工湿地。不同类型人工湿地对特征污染物的去除效果不同，具有各自的优 缺点： 自由表面流人工湿地。这种类型的人工湿地和自然湿地类似，废水从湿 地表面流过。但是，自由表面流人工湿地是人工设计、监督管理的湿地系统，去 污效果优于自然湿地系统。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，但占地面积较大，水力负荷率较小，去污能力有限。自由表面流人 工湿地中氧的来源主要靠水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用，但 传输能力十分有限。这种类型的湿地系统的运行受气候影响较大，夏季有孳生蚊 蝇的现象。 水平潜流人工湿地。这种类型的人工湿地因污水从一端水平流过填料床 而得名。它由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层，防止污 染地下水。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大和污染 负荷大，对b o d 、c o d 、s s 、重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和 孳生蚊蝇现象。目前，水平潜流人工湿地已被美国、日本、澳大利亚、德国、瑞典、 英国、荷兰和挪威等国家广泛使用。这种类型人工湿地的缺点是控制相对复杂， 脱氮、除磷的效果不如垂直潜流人工湿地。 垂直潜流人工湿地。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，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直潜流人工湿 地的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。其缺点是对 有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统，排干淹水时间较长，控制相对复 杂，夏季有孳生蚊蝇的现象。 除此之外，还有潮汐流人工湿地，其特点是填料床交替地被充满水和排干( 在 向床内充水的过程中孔隙被挤出，床的基底材料逐渐被淹没，当填料床完全饱和 后，水就全部被排出，在排水的过程中新鲜的空气被带入床内。这种类型的人工 湿地，通过这种交替的进水和空气运动，氧的传输速率消耗量大大提高，提高了 湿地床的处理效果。但是潮汐流湿地运行一段时间后。床体可能会被大量的生物 所堵塞，从而限制了水和空气在床体内的流动而使处理效果降低。为此，需要备 用床交替运行，便于利用闲置期进行生物降解。 2 1 绪论 表1 1 三种类型人工湿地处理污水系统比较 t a b l e l 1t h ec o m p a r i s o no ft h r e ek i n d so fc w s s y s t e m 特征表面流湿地水平潜流湿地垂直流湿地 水体流动表面漫流基质下流动纵向流动 水力负荷较低较高较高 处理效果一般对有机物和重金属去对氮磷去除较好 除较好 系统控制简单、受季节影响大相对复杂相对复杂 环境状况夏季有恶臭孳生蚊蝇良好夏季有恶臭孳生 蚊蝇 1 2 3 人工湿地的组成及功能 人工湿地一般由五部分组成：具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石； 适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；水体( 在基质表面下或 者表面上流动的水) ；好氧或厌氧微生物种群；无脊椎动物或脊椎动物 6 1 。 水生植物 植物是湿地中必不可少的一部分，它通过自身的生长及协助湿地内的物理、 化学、生物等作用去除湿地中的营养物质。植物还可以延长水在湿地内的停留时 间、沉淀悬浮颗粒，为微生物的生长提供可依附的表面，同时还有输送氧气到根 区、提高水在土壤中的传导等作用【”。 植物的选择应该尽量考虑增加系统的生物多样性。生态系统的物种越多，结 构越复杂，则其稳定性越高，也能延长湿地的寿命，污水净化效率也会提耐8 ，9 一o l 。 国内外对芦苇、香蒲、菖蒲、水葱等植物进行了大量的研究。结果表明，不 同的植物对湿地内污染物的去除效率是不同的，去除率与湿地内废水的性质、当 地的气候、土壤等性质有关。挺水植物比沉水植物具有更高的去除营养物质的能 力川。由于草本植物为一年生，必须进行收割，并可以带来一定的经济效益，但也 给湿地系统的管理带来了麻烦。通过收割植物可以彻底的从湿地中去除一部分被 植物所吸收的营养元素，其余营养元素则留在水下或根部作为新生长出植物的营 养。重复收割可以加快营养物质从湿地中去除，但频繁收割可能会使根部缺乏营 养，使正常生长受到破坏用。有关报道表明：木本植物作为人工湿地的主要植被其 处理效果和芦苇接近【1 0 】：不管土壤的孔隙率如何，大型植物可以稳定根际间的导 水性相当于粗砂2 5 年1 6 j 。 微生物 自然界中碳、氮、磷等元素的循环离不开生物的活动。人工湿地的污水处理， 3 重庆大学硕士学位论文 有机物的降解和转化也主要是由植物根区微生物的活动来完成的。人工湿地中微 生物的活动是废水中有机物降解的主要机制。 人工湿地中的微生物是极其丰富的，这为人工湿地污水处理系统提供了足够 的分解者。李科得等人研究发现芦苇床系统根表面根际的细菌数量可达到1 0 5 个 克干重，且趋于稳定，季节变化不大【l l ，1 2 1 。香蒲、灯心草人工湿地中细菌、放线 菌、真菌数量大，且季节变化大，空间分布不均匀i 埘。杨桂芳等1 1 4 】在慢渗透土系 统中的水稻土壤中研究发现氨化细菌的数量在1 0 。个克干重以上。不同的生境，人 工湿地微生物群落结构和活力也不一样。d u n c a n 1 5 l 以土壤呼吸量和反硝化酶活力 ( d e a ) 等为指标比较了人工湿地与天然湿地微生物之间的差别，发现人工湿地 中d e a 显著的高于天然湿地，而突然呼吸量则正好相反，天然湿地中明显高于人 工湿地。李科得等人【1 1 l 比较了芦苇床系统与天然芦苇场中根际土的细菌、真菌、 放线菌的数量，结果发现人工芦苇系统中各类微生物的数量明显的高于天然芦苇 场。 研究同时发现，微生物的数目和种类与污水净化效果也有一定的关系。李科 得等研究发现芦苇系统内根际微生物与污染物去除之间有明显的相关性；污水中 b o d 、c o d 的去除率与微生物的数目都有较明显的相关性；污水中n t t 3 n 的去除 率与根际区的硝化菌和反硝化菌的数量相关性极其显著；而磷元素的去除率与根 际的磷细菌数目呈正相关【1 1 | ”l 。 基质 目前，广泛应用的人工湿地基质主要有砂粒、沙子、土壤、石块。新型填料 也在不断的得到研究和应用，特别是沸石由于其独特的性能，近年来成为了国内 外学者研究的热点。徐丽花等采用沸石石灰石复合基质的人工湿地来净化污水， 处理效果极佳【1 7 1 。聂发辉利用蛭石作为湿地填料进行研究，对氨氮的去除效果极 佳【1 8 】。c d b a r t o n a d k a r a t h a n a s i s 利用石灰石和其他填料组合来处理酸性矿区废 水，也取得了较好的效果【1 9 l 。这些基质一方面为微生物的生长提供未定依附表面， 同时也为水生物提供了载体和营养物质。当污水流经人工湿地时，基质通过一些 n s t r u c t e dt r e a t m e n tw e t l a n d s m w a t s c i t e h ，1 9 9 7 ，3 5 ( 5 ) ：1 1 - - 1 7 4 2 b r i x ，h f u n c t i o n so fm a c r o p h y “si nc o n s t r u c t e dw e t l a n d s j 】w h t s c i 1 3 人工湿地污染物去除机理 1 3 1 污染物去除途径 人工湿地对s s 的去除途径 s s 中含有有机物和无机物，但主要含有粪便有机物和有机颗粒，如病毒。颗 4 1 绪论 粒的密度和大小变化很大，不同密度、不同大小的颗粒物具有不同的去除机理和 路径。在人工湿地中s s 的去除是相当迅速的物理过程，主要去除机理为沉淀、凝 聚和表面吸附。布水、流速、湿地植物的均匀性、风、主导风向等都会影响水体 波动和混合凝聚、沉淀、再悬浮和细颗粒物表面吸附。 人工湿地对有机物的去除途径 人工湿地最显著的特点之一是对有机物有较强的处理能力；不溶性有机物通 过湿地的沉淀、过滤等作用可以很快被截留而被微生物利用；可溶性有机物通过 植物根系的生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程转化为微生物体内细胞物质、 c 0 2 和h 2 0 。新生的有机体最终通过基质的定期更换而从人工湿地系统中去除。有 研究表明，人工湿地对b o d 的去除率在8 5 一9 0 之间，对c o d 的去除率可以 达到8 0 以上m j 。 对氮的去除途径 氮作为植物所需的重要营养元素之一，通常以多种形态存在于废水中，会引 起水体的富营养化，以至于降低水体水质和影响水体功能，所以长期以来污水除氮 一直是污水处理的一项很重要的任务。在人工湿地除氮研究中，除氮效率是系统很 重要的性能指标之一。除氮方法很多，其中生物处理法是最有效的方法，它是通过 一系列好氧或厌氧作用，使氮的化合物转变成为氮气而去除。 在湿地中氮主要使通过水生植物的吸收，微生物的硝化和反硝化以及氮的挥 发途径被去除。氮在湿地系统中呈现一个复杂的生物地球化学循环，它包括了七 种价态的多种转换，氮的转化是受土壤氧化还原特性影响的，微生物分解的复杂 过程。研究表明，污水中的无机氮可作为植物生长过程中不可缺少的物质而直接 被植物摄取，并合成植物蛋白质等有机氮，通过植物的收割可使之从污水和湿地 系统中去除，但是这一部分仅占总氮的8 一1 6 ，因而不是主要的脱氮过程。在 人工湿地系统中，植物根茎下部形成有利于微生物实现硝化作用的好氧微区，同 时远离根际周围的厌氧区，枯枝、碎屑及底质层中可以利用的碳源又提供了反硝 化条件，所以人工湿地的脱氮主要是靠微生物的硝化、反硝化来实现1 2 2 1 。 对磷的去除途径 人工湿地对磷的去除是通过微生物的积累、植物的吸收和填料床的物理化学 作用等几方面的协同作用共同实现的。人工湿地去除磷主要是由于吸附、结合与 c a 、a l 、f c 和土壤颗粒的沉淀反应及泥炭积累，其中泥炭积累是最可持续的工艺。 当系统中填料的吸附量达到饱和，且进水浓度较低时，会发生磷的释放，使得出 水磷的浓度高于进水磷的浓度。另外，腐烂的植物组织会成为磷的释放源，为了 去除植物中积累的磷，有必要定期收割湿地植物。 袁东海等人嘲研究了砂子、沸石、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰和矿渣 5 重庆大学硕士学位论文 七种人工湿地基质材料净化污水磷素的机理。基质磷素饱和吸附试验表明，矿渣 和粉煤灰净化磷素能力最强，其次为蛭石、黄褐土和下蜀黄土，砂子和沸石净化 磷素能力最差，由于砂子和沸石颗粒较粗，过滤性能较好，适合作为潜流型人工 湿地的基质，为了提高磷素净化容量，可以在砂子和废水基质中添加磷素吸附性 能较强的基质材料。粉煤灰和矿渣基质磷素吸附容量很大，且磷素释放量低，是 一种较好的净化磷素的基质材料，但是其碱性较大，不适合植物的生长，可以作 为人工湿地砂子基质或土壤基质的中间吸附层。黄褐土、下蜀黄土、蛭石由于其 通透性较差，多作为表面流人工湿地基质，因此磷素吸附容量较大，如通过加强 湿地植物的管理，短期内不会达到磷素吸附的饱和。 1 3 2 人工湿地污水中氮、磷的去除机理 近年来，大量研究发现氮和磷能刺激藻类和光合水生生物的生长，使水体富 营养化规剧。对减少废水中营养盐( 特别是氮、磷) 的排救星已引起了世界范围的 重视，特别是在发达国家，对排放水中氮和磷含量有严格的控制标准。因此，研 究人工湿地对污水中氮磷的去除机制十分必要，近年来已进行了不少研究。现有 的研究发现人工湿地对氮、磷的去除主要是通过水生植物、基质以及微生物的共 同作用来完成的。下面将介绍这一方面的主要研究进展。 基质 目前广泛应用的人工湿地主要由沙粒、沙土、土壤、石块为基质，这些基质 一方面为微生物的生长提供稳定依附表面，嗣时也为水生植物提供了载体和营养 物质。当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学的途径( 如吸收、吸 附、滤过、离子交换、络合反应等) 来净化除去污水中的n 、p 等营养物质。缪绅 裕等在研究人工污水中的磷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i 矧。 研究发现：可溶性的无机磷化物很容易与土壤中的铝、铁、钙离子等发生吸 附和沉淀反应，其中土壤与钙离子易于在碱性条件下发生作用，而与铝、铁离子 主要是在中性或酸往环境条件下发生反应。一般认为磷酸根离子主要通过配位体 交换而被吸附到忍“和彳r + 离子的表面2 5 1 。与此同时，大量的研究还发现废水 中的磷只是被吸附停留在土壤的表面。同时研究还发现这种吸附沉淀反应也不是 永久地沉积在土壤里，至少部分是可逆的。如果污水中磷的浓度较低，土壤里就 会有部分磷被重新释放到水中。土壤的作用在某种程度上是在作为一个“磷缓冲器” 来调节水中磷的浓度，那些吸附磷最少的土壤最容易释放磷【2 7 , 2 8 j 。 植物 植物在人工湿地污水净化中起着十分重要的作用。一方面植物自身能吸收一 部分营养物质，同时它的根区为微生物的生存和降解营养物质提供了必要的场所和 6 1 绪论 好氧，厌氧条件t 2 4 l 。人工湿地植物根系常形成一个网络样的结构，在这个网络中根系 不仅能直接吸附和沉降污水中的氮、磷等一些营养物质，而且还为微生物的吸附 和代谢提供了良好的生物物化环境条件。同时附近的微生物通过代谢，消耗了水 体中的溶解氧，使之呈现厌氧状态，而厌氧状态有利于反硝化过程，从而能最大 限度地除去污水中的n o f - n1 2 9 l 。 水生生物去除氮、磷的机制之一是通过植物本身的吸收作用。研究发现不同 的植物种类以及植物体不同的部位其吸收能力都不相同。缪绅裕等研究发现，人 工湿地经过一段时间运行以后，植物体各器官含磷量各不相同，它们依次为叶 根 茎 胚轴，且都随污水浓度升高而升高。此外，在植物体的不同生长期其磷含量 也不相同1 2 4 1 。 水生生物重要的功能之一就是将氧气从上部输送至根部，从而在根区或根际 形成一种好氧环境，这一环境能刺激有机物质的分解和硝化细菌的生长，从而达 到去除污水中氮、磷等营养物质的目的p o , 3 1 1 。利用水生植物净化污水的效果主要 依靠植物运送氧气到根区的能力。因此选择合适的水生植物种类在净化污水过程 中至关重要。有人研究了风眼莲等八种水生植物净化污水的能力，结果发现，夏 季水生植物去除氮的效果顺序依次为：凤眼莲( e i c h h o m i ac r a s s i p c ss o l m s ) ) 浮莲 ( p i s t i as t r a t i o t e s ) 水鳖( h y d r o c o t y l eu m b e l l a t au 浮萍( l e m n am i n o o 槐叶萍 ( s a l v i n i ar o t u n df o l i a ) 紫萍( s p i r o d e l ap o l y r h i z a ) e g e f i a ( e g e f i ad e n s ap l a n c h ) 。而在 冬季其去除效果依次为：水鳖 风眼莲 浮萍 浮莲 紫萍 槐叶萍 e g e f i a 。同时研 究还发现，在这八种水生植物中，夏季去除磷效果最好的是凤眼莲和e g e f i a ，冬季 去除磷效果最好的是水鳖和浮萍【3 1 1 。詹发萃等人在国家叫二五”攻关“综合生物塘技 术及黄州城区污水综合生物塘处理研究”中也发现，在风眼莲、藻菌系统、人工水 草系统及水花生( a l t e m a n t h e r ap h i l o x e m i d e sg r e b e s ) 等几种不同的生态系统中，水 生植物去污效果依次为：风眼莲 菌藻系统 人工水草好氧系统 人工水草厌氧系统 f 3 2 】。 微生物 自然界中碳、氮、磷等元素的循环离不开微生物的活动。人工湿地处理污水 时，有机物的降解和转化也主要是由植物根区微生物活动来完成的。人工湿地中 微生物的活动是废水中有机物降解的主要机制。水生植物通过通气组织的运输， 将氧气输送到根区，从而形成了根表面及附近区域的氧化状态。废水中大部分有 机物质在这一区域被好氧微生物利用而分解成为c 0 2 和h 2