（农业机械化工程专业论文）垂直流人工湿地质流输氧机理研究及系统模型构建.pdf

山东农业大学硕士学位论文 摘要 随着社会主义新农村建设的推进和城郊住宅小区的增加，这些远离城 市排水管网的小规模生活污水处理也迫切需要一种切实可行的方法。人工 湿地污水处理工艺以其低投资、低运转费、低能耗等优点，逐渐受到人们 的重视。尤其是垂直流人工湿地综合了自由表面流人工湿地和潜流人工湿 地的优点，具有很好的净化效果和较强的脱氮能力。人工湿地不同于常规 的污水生物处理技术，以自然传输过程供给的氧与湿地中氮的去除有很大 的关系。本文研究了垂直流人工湿地中质流输氧的机理，探讨了运行方式 对垂直流人工湿地氧传输的影响，利用系统动力学原理对垂直流人工湿地 运行机理进行分析，建立了垂直流人工湿地系统动力学仿真预测模型，并 利用实际小型垂直流人工湿地系统进行了验证，得出以下主要结论： ( 1 ) 在垂直流人工湿地中存在质流输氧现象，使得床体中的氧含量较 其他湿地高，硝化反应被促进，氨态氮的去除率相对较高。床体中水向下 的渗流和空气进入床体的质流过程均符合达西定律，且两者之间有直接因 果关系，每天以质流方式进入湿地床的氧气量与每天湿地的排水量具有线 性关系。 ( 2 ) 在进水负荷一定的情况下，污水应该以间歇的方式分批投配。每 天进水两次污水入渗所需时间累计值最短，为3 7 个小时，即系统隔绝空 气的时间最短，氧传输效果最佳。 ( 3 ) 利用系统动力学原理将垂直流人工湿地系统作为一个完整的生态 系统分析，通过分析碳循环、氮循环、溶解氧、自养微生物、异养微生物 和湿地储水总量的六个子系统及其相互关系，较为全面的考虑了垂直流人 工湿地内部运行规律及进水水质、外界温度等各类因素对出水水质的影 响，得出湿地中碳循环、氮循环和溶解氧三者之间具有强烈的相互影响关 系，微生物的生长参数对污染物的去除具有较大影响。 关键词：垂直流人工湿地质流输氧进水方式系统动力学 垂直流人工湿地质流输氧机理研究及系统模型构建 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go f v i l l a si nt h es u b u r b t h et r e a t m e n to f t h eh o u s e h o l d w a s t e w a t e rp r o d u c e df r o mw h i c hi sc f i t i c a ld u et oi ti sf a rf r o mt h es e w a g e s y s t e mi nc i t y w 池t h ea d v a n t a g e s o fl o wi n v e s t i n g ，l o wn m n i n gc o s t s ， e n e r g y - s a v i n ga n ds i m p l em a i n t e n a n c e ，t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mi sp a i d m o r ea n d , m o r ea t t e n t i o n c o m b i n e dt 1 1 ea d v a n t a g e so fs u r f a c e - f l o ww e t l a n d a n ds u b s u r f a c e f l o ww e t l a n d ，v fc o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sh i g hn i t r o g e n d e s t r u c t i o nr a t ea n dg o o dp u r i f i n g i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fo x y g e ni n p u t b yc o n v e c t i o ni nt h ev fc o n s t r u c t e dw e t l a n da n dt h ee f ：f j c to fr u n n i n gm o d e s t ot h eo x y g e ni n p u tb yc o n v e c t i o ni nt h ev fc o n s t r u c t e dw e t l a n da r ed i s c u s s e d t h em e c h a n i s mo fv fc o n s t r u c t e dw e t l a n di sa n a l y s e db yu s i n gt h et h e o r yo f s y s t e md y n a m i c s a l s o ，as i m u l a t i o nm o d e lo fs y s t e md y n a m i c so fv f c o n s t r u e t e dw e t l a n dw a se s t a b l i s h e da n di sv a l i d a t e db yu s i n gt h es y s t e mo f m i n i t y p ev fc o n s t r u e t e dw e t l a n dp r a c t i c a l l y m a i nc o n c l u s i o n sw e r ed r a w na s f o l l o w i n g s ： ( 1 ) o x y g e ni n p u t i n gb yc o n v e c t i o nc a nb ef o u n d i nt h ev fc o n s t r u c t e d w e t l a n d w h i c hm a k e st h ec o n t e n to f 血eo x y g e ni nt h eb e di sm o r et h a nt h a ti n o t h e rw e t l a n d s i n t e n s i f i e dt h en i t r i f i c a t i o na n di n c r e a s et h en h 4 + - yr e m o v a l r a t e t h et o p d o w np e r c o l a t i o no ft h ew a t e ra n dp r o c e s so ft h ec o n v e c t i o no f a i ri n t ob e di si nc o r r e s p o n d e n c ew i t ht h ed a r c y s1 a ww i t hg r e a tc a u s a l i t y t h e r ei sal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e no x y g e ni n p u t i n ga n dd r a i n e dv o l u m ei n t h ew e t l a n d ( 2 1w i t hc e r t a i nf e e d i n gl o a d i n g ，t h ew a s t e w a t e rs h o u l db ed i s t r i b u t e d i n t e r m i t t e n t l y l o w e s ta c c u m u l a t i v et i m e o f3 7 h rw a so b t a i n e dw h e n f r e q u e n c eo ft h et h ew a s t e w a t e rf e e d i n gi st w od a i l y , w h i c hi n d i c a t e dt h a t b c a e ro x y g e nt r a n s m i s s i o nw a sf o u n da ts h o r ta i ri s o l a t e d ( 3 ) t h ev fc o n s t r u c t e dw e t l a n di sa r i a l y s i s e da sac o m p l e t ee c o s y s t e mb y u s i n gt h ep r i n c i p l eo fs y s t e md y n a m i c s s i xs u b s y s t e m sa n dt h ei n t e r r e l a t i o n b e t w e e nt h e ma r ea l s os t u d i e d t h ei n f l u e n c et ot h et r e a t m e n te 街c i e n c yb yt h e m e c h a n i c a lr u l e s ，t h e q u a l i t y o fw a t e rs u p p l ya n dt h e t e m p e r a t u r ew a s o b s e r v e d t h e r ei sas t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nc a r b o n ，n i t r o g e na n dd i s s o l v e d o x y g e ni nt h ew e t l a n d 砀eg r o w t hp a r a m e t e r so ft h em i c r o b eh a sg r e a t i n f l u e n c et op o l l u t i o nd e s t r u c t i o ni nt h ew e t l a n d k e y w o r d s ：v e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ；o x y g e ni n p u tb yc o n v e c t i o n ； i n f l o wm e t h o d ；s y s t e md y n a m i c s i i y9 0 5 9 g 4 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研 究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要 贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本 人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质 本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 l 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 敝储虢缘， 跏酶咎衫 日 期：五啦 ：f 加 山东农业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 人工湿地系统 1 1 1 湿地 湿地系统是由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质、水生植 物以及水生生物组成，是具有较高的生产力和较大的活性，处于水陆交接 的复杂生态系统。湿地系统可以分为自然湿地系统和人工湿地系统两类， 人工湿地就是从生态学原理出发，模仿自然湿地生态系统，根据污水处理 的目的加以改造和强化，并利用不同自然条件下水生生物多样性进行群落 时空优化组合的种新型污水处理净化系统。由于人工湿地系统可进行有 效可靠的污水处理，并具有建造和运行费用低、易于维护，可缓冲对水力 和污染负荷的冲击，同时还可提供和间接提供效益( 如水产、畜产、造纸 原料、建材、绿化) 、野生动物栖息、娱乐和教育等优点，近年来逐渐为 人们所认识和重视，并在世界范围内得以迅速发展。 1 1 2 人工湿地及其在污水处理中的应用 近年来，各种污水处理技术在实际应用中取得了不断的发展，特别是 作为二级处理的活性污泥法以其工艺相对成熟、运行稳定、处理效果好而 成为处理生活污水的主流工艺，但传统的活性污泥法基建投资大，运行费 用高，且主要以去除碳源污染物为目的，对氮磷等营养物质的去除则微乎 其微，经处理的水排入水体后仍将引起富营养化等环境问题，同时在我国 当前情况下，单纯依靠传统的处理方法只能延缓水污染的发展趋势，而难 以从根本上解决水污染问题。2 0 世纪7 0 年代以来，人工湿地污水处理技 术的应用和发展为综合解决上述问题提供了一种新的选择。 用于污水处理的人工湿地是以人工建造和监督控制的、与沼泽地相类 似的地面，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。此种湿地系统是在一定长宽比及底面坡度的洼地中，由 土壤和填料( 如砾石等) 混合组成填料床，并在床体表面种植具有处理性能 好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物 ( 如芦苇等) ，污水在床体的填料缝隙或床体表面流动，形成一个独特的基 质一微生物一植物生态系统，对污水进行处理。当人工湿地经过一定时闻 垂直流人工湿地质流输氧机理研究及系统模型构建 的运行后，填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形成生物膜，污水 流经时，固型物被填料及根系阻拦截留，有机质通过生物膜的吸附、同化 及异化作用而得以去除。因植物根系对氧的释放，湿地床层及其周围的微 环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了污水中的氮磷不仅被植 物及微生物作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化一反硝化作用及微生 物过量积累作用从废水中去除。最后通过基质的定期更换或植物收割使污 染物质从系统中去除。一般地，污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过 滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用：污水中可溶性有机物则可通 过植物根系生物膜的吸收及微生物代谢过程而被分解去除。利用人工湿地 处理污水因具有低投资、低运转费、低维持技术、低能耗等优点，近年来 颇受世界各国环保界的重视和推崇，并在水污染治理的实践中显示出强大 的生命力圈。 绝大多数自然和人工湿地由五部分组成：( 1 ) 具有各种透水性的基质， 如土壤、砂、砾石；( 2 ) 适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇； ( 3 ) 水体( 在基质表面上或下流动的水) ；( 4 ) 无脊椎或脊椎动物；( 5 ) 好氧 微生物种群和厌氧微生物种群。 人工湿地系统是一个完整的小生态系统，它形成了内部良好的循环并 具有较好的经济效益和生态效益。具有投资低、出水水质好、抗冲击力强、 增加绿地面积、改善和美化生态环境、视觉景观优异、操作简单、维护和 运行费用低廉等优点。在处理了污水的同时，种草养鱼，又可以用鲜花绿 叶装饰环境，把清水活鱼还给自然，节约资源，是人类与水生生物协调发 展的自然景观，有利于促进良性生态环境的建设，有显著的社会、环境和 经济效益。这种方式尤其适合在中小城市和乡村使用，十分适合我国国情， 具有极其广阔的应用前景。 1 1 3 人工湿地分类 人工湿地的分类多种多样，按照系统布水方式的不同或污水在其中的 流动方式的不同一般可分为三种类型：自由表面流湿地( s u r f a c e f l o w w e t l a n d ，s f ) 、水平潜流湿地( s u b s u r f a c e f l o ww e t l a n d ，s s f ) 和垂直流人工湿 地( v e r t i c a l - f l o w , v f ) 。 ( 1 ) 自由表面流人工湿地 2 山东农业大学硕士学位论文 自由表面流人工湿地与自然湿地最为接近，废水在填料表面漫流，绝 大部分有机物的去除是由长在植物水下的茎、杆上的生物膜来完成，因而 不能充分利用填料及丰富的植物根系，但效果优于自然湿地。 ( 2 ) 水平潜流人工湿地 水平潜流人工湿地中水在表面下渗流，因而可以充分利用填料表面和 植物根系上的生物膜以及利用表层土和填料截流作用来处理废水，由于水 流在地表下流动，保温性好，处理效果受气候影响小且卫生条件好，负荷 比自由表面流大。 ( 3 ) 垂直流人工湿地 自由表面流人工湿地和水平潜流人工湿地两种湿地类型构造简单、施 工方便，因此过去的研究与应用主要集中在这两种流态上，但这两种类型 的缺点是相对占地面积大，氮去除的效果不如垂直流人工湿地。垂直流人 工湿地水流方式结合了前两种类型的特点，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，因此氧的传输能力较高。但其基建要求 相对前两种来说要高。随着湖泊富营养化的加剧，国外对人工湿地的研究 集中在加强氮、磷的去除效果方面，因此对垂直流人工湿地的研究得到了 发展。 ( 4 ) 组合人工湿地 由于人工湿地占地面积大，影响了其在土地面积紧缺地方的广泛应 用。在近几年里，国外对垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地相结合的组 合人工湿地系统产生了兴趣，因为水平潜流人工湿地具有较好的渗滤性 能，因此去除悬浮性固体和细菌的效果比较好；垂直流人工湿地具有较好 的b o d 5 、c o d e r 去除能力和硝化反应能力，但它容易发生堵塞。另外垂 直流人工湿地间歇进水方式使湿地具有较高的氧传输能力( o t c ) ，而水平 潜流人工湿地保持高的水位则有利于保证缺氧环境下的系统脱氮，所以组 合湿地系统综合了垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地的优点，具有很好 的c o d c r 、b o d 5 、s s 净化效果及完全的硝化和部分的反硝化反应而具有 相对较好的除氮效果，占地面积相对较小。 垂直流人工湿地质流输氧机理研究及系统模型构建 1 2 人工湿地净化机理 1 2 1 基质一微生物一植物系统 人工湿地处理系统的核心是基质一微生物一植物系统，该系统具有生 命的基本特征，好比一个“活的过滤器”，其本身就是可再生的资源，它 是一个充分利用基质一微生物一植物系统的自然条件净化污水的生态系 统，具有高效、安全、可调控的特征。 ( 1 ) 基质物理作用过程 系统中的基质材料一般为砾质砂土、砂壤土。表层基质的颗粒较细， 孔隙率为4 5 5 0 ，且孔隙一半被填充，这样就构成了基质一水一空气 三相体系。基质饱和渗透系统在o 0 6 5 0 c m h 范围内，基质一般为有机质 和无机矿物质所组成，并具有活泼的阳离子代换能力和化学吸附、物理吸 附能力。污水中微小的悬浮颗粒( s s ) 及粘附其上的有机污染物、氮、磷等 在基质表层或颗粒间隔中而被截滤去除，基质层是一个高效的过滤床，其 平均粒径为o 0 1 0 0 3r f l l t l ，相应的孔隙直径为1 5 - 4 5 9 m ，与水处理的滤 池( 粒径为o 5 1 5 m m ，孔隙最小赢径为7 7 1 x m ) 相比，截滤去除污水杂质 的能力要提高2 0 5 0 倍。实践表明，经基质层滤过的水其浊度小于o 5 度， 有的几乎近于零【1 】1 4 5 1 。 基质颗粒上的沉淀作用：污水中的杂质在基质颗粒表面上沉淀从而去 除。基质层是个有巨大比表面积的沉淀池，污水中的杂质在重力作用下 沉淀到颗粒表面上得以去除。 基质的表面吸附作用：污水中的污染物被基质中的填料颗粒吸附去 除。基质中的细砂粒、腐殖质和矿物质具有强烈的吸附活性，能吸附污水 中的各种溶解性污染物，尤其是阳离子。 ( 2 ) 基质化学作用过程 基质层是一个容纳各种物质和催化剂的化学反应器，并始终保持动态 平衡。当污水进入基质层，污染物致使平衡破坏，相应发生了一系列的化 学氧化还原、化学吸附、离子交换、拮抗、络合等反应，污水在基质中的 化学反应作用下得以净化。 ( 3 ) 基质物理化学作用过程 4 山东农业大学硕士学位论文 基质中的粘土、腐殖质等构成了一个复杂的胶体颗粒体系，各种污染 物( 如氮类污染物) 大多也以胶体状态稳定存在于污水中，当污水进入基质 层，原来两种各自独立的体系便构成了新的胶体体系，由于电解质平衡体 系的破坏和基质层中腐殖质等高分子物质的不饱和特性，导致在新的体系 中发生一系列的胶体颗粒的脱稳、凝聚、絮凝和相互吸附等物理化学过程， 从而使污水得以净化3 1 1 4 5 1 。 ( 4 ) 生物作用过程 在基质环境中生长着大量的细菌、真菌、酵母菌、霉菌、原生动物、 后生动物和蚯蚓等生物，并相伴存在一个丰富的基质微生物酶系，是一个 相互依存、协同作用、又相互制约的生态系统，污水中的有机质及氮磷等 营养素在这个生态系统中，通过微生物的降解和吸收等作用而被去除，在 各种机理中，生物作用是最重要的四【4 【5 1 。 1 2 2 有机物的去除 不溶性有机物以s s 形式通过湿地沉淀、过滤从污水中被截留下来， 被微小生物加以利用：而可溶性有机物则通过生物膜的吸附及其新陈代谢 作用被去除，污水中大部分有机物作为异养微生物的有机养分，最终被转 化为微生物及c q 、h 2 0 。研究结果表明，人工湿地对b o d 5 的去除率可 达8 5 9 5 ，c o d c r 去除率可大于8 0 ；城市生活污水通过湿地处理后， 出水b o d s 在1 0 m l l 左右恂j 。 1 2 3 氮的去除 氮在湿地中是一个复杂的生物化学变化过程，包括了7 种价态的多种 有机和无机的转换。由于进水中的有机氮被微生物分解后成为无机氮，所 以，对无机氮的去除是至关重要的。无机氮是植物生长过程中不可缺少的 物质，污水中的无机氮( 包括n h 4 + - n 和n 0 3 - n ) 均可直接被湿地植物摄取， 最终合成植物蛋白质( 固态氮) ，通过植物的收割得以从污水及湿地系统中 去除。在一定条件下，水中的n i - h + - n 转化成n h 3 后，可以挥发到外环境 中。 相对来说，氮的去除主要通过微生物的硝化和反硝化作用进行的。如 前述，由于湿地植物根毛的输氧，湿地中连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态， 垂直流人工湿地质流输氧机理研究及系统模型构建 这相当于许多连续的a a o 处理单元，为保证硝化及反硝化菌的大量存在 提供了必要条件。实际上，湿地中硝化和反硝化作用可同时完成，由于硝 化作用只改变氮的形式( 将n h 4 + - n 转化成n 0 2 n 及n 0 3 - n ) ，反硝化作用 才可使氮得以根本去除( 使n 0 2 n 和n 0 3 - n 变成n 2 和n 0 2 后，从水中挥 发到系统外环境中) ，所以人工湿地比一般城市污水处理系统具有较好的 氮的处理效率，人工湿地总氮去除率可大于6 0 t ”。 1 2 4 磷的去除 人工湿地对磷的去除是由植物吸收、微生物去除及物理化学作用而完 成的。如同无机氮一样，污水中的无机磷在植物吸收及同化作用下，可变 成植物的有机成分( 如同a t p 、d a n 、r n a 等) ，通过植物的收割而得以 去除。 物理化学作用对无机磷的去除，将因填料的种类而有差别，对以砾石 为填料的湿地，磷酸根离子可与砾石中的钙反应生成不溶性磷酸钙而从污 水中沉淀下来，所以从化学反应的角度看石灰石是除磷效果最好的填料 【8 。另外，含铁质的地下水渗入人工湿地，也将有利于磷的去除。 微生物对磷的去除，包括对磷的正常同化作用( 将磷纳入其分子组成) 和对磷的过量积累。一般二级污水处理中，当进水磷含量为1 0 m g l 时， 微生物对磷的正常同化( 形成污泥组成式c 6 0 h 8 7 0 2 3 n 1 2 p l 的一部分) 去除， 仅是进水总量的4 5 1 9 ；微生物除磷主要是通过对其进行强化后，对磷 的过量积累来进行的，使污水中的无机磷在微生物体内变成多聚磷酸盐， 成为微生物细胞的内含物而被固定下来。对磷的过量积累，得益于湿地植 物光合作用中光反应、暗反应，形成根毛输氧、停止输氧，而导致的水中 交替出现的好氧、厌氧状态。r b h a m i d i m a r r i 等的试验表明，当进水总磷 浓度为2 6 3 5 9 m g 1 时，人工湿地磷的总平均去除率为9 0 1 7 1 。 1 3 人工湿地在国内外的研究发展与使用状况 1 3 1 人工湿地在国外的应用研究现状 采用湿地处理废水并不是一个新发明，湿地的形成是由于污水的排 放。当人们开始排放污水或废水时，湿地就开始用于净化污水。由于湿地 6 山东农业大学硕士学位论文 要比河流、湖泊或其他排水道近一些，所以湿地就被当作比较适合的污水 排放地，而其主要是用作处置场所而不是处理场所【9 j 。1 9 5 3 年，德国m a x p l a n c k 研究所的k a t h es e i d e l 博士在研究中发现芦苇能去除大量有机和无 机物，他进一步研究发现一些污水中的细菌，如大肠杆菌、肠球菌、沙门 氏菌在通过种植芦苇时消失【1 0 1 ，并且芦苇等大型植物可以从水中去除重金 属和碳水化合物。在6 0 年代，这些实验室观察开始推广到大规模实验用 以处理工业废水、江河水、地面径流和生活污水。1 9 7 7 年，德国学者k i c k u t h 提出“根区法”( r h i z o s p h e r em e t h o d s ，r z m ) 理论，由于湿地中的挺水植物 对氧的输送、释放、扩散作用，在植物的根须周围微环境中依次出现好氧、 兼氧、厌氧区，有利于硝化、反硝化和微生物对磷的过量积累作用，达到 除氮、磷的效果。“根区法”理论的提出推动了对湿地污水处理的实验研 究 “1 。 在近二三十年内，创造湿地( c r e a t e dw e t l a n d ) 、工程湿地( e n g i n e e r e d w e t l a n d ) 、构筑湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 、处理湿地( t i e a t m e n tw e t l a n d ) ，这 些定义在h 猢e r 【1 2 】和k a d l e ca n dk n i g h t t l 3 1 的文章里有描述，但专家更倾 向用c o n s t r u c t e dw e t l a n d 或t r e a t m e n tw e u a n d 作为一个技术术语一j 。在国内 的文献上基本用“人工湿地”这一概念。第一个完整的人工湿地是1 9 7 4 年在西德建成的，2 0 世纪8 0 年代人工湿地得到迅速发展。近年来，国外 对人工湿地系统的研究日益重视，并己召开过四次国际会议，提出一些有 关的机理和参考设计规范及数据【1 4 1 。 近年来，湿地技术在欧洲、美国及世界各国迅速发展【i5 j 【l ，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【l7 1 。法国现有芦苇床湿地2 0 0 多个。 美国在1 9 8 8 年至1 9 9 3 年问就建立起了几百个人工湿地，这些湿地大多用 于处理家庭污水。用于处理工业污水则始于2 0 世纪9 0 年代，主要用于采 矿业、农业和暴雨流泻、家畜处理、食品和蔬菜加工厂以及燃煤发电厂【1 8 】。 人工湿地作为一种基建、运行费用相对较低的废水处理工艺，近年来， 奥地利的供水、水生态和废弃物管理研究所、环境卫生工程和水污染控制 n ( i w g a s i g ) 为解决发展中国家的水污染问题，向一些发展中的国家推 广了人工湿地技术，与墨西哥、肯尼亚、乌干达、尼泊尔等国家进行了合 7 垂直流人工湿地质流输氧机理研究及系统模型构建 作【9 1 ，人工湿地在一些不发达的热带和亚热带国家得到了一定的研究与应 用【1 9 1 。 总之，不仅对垂直流系统，而且对所有人工类型的系统都需要深入研 究以改良和优化工程设计参数，另外还需对系统的长期运营能力和管理问 题进行研究。人工湿地系统在达到其最优效率时，需2 3 个生长周期。 因为据已有数据，当上下表面植物密度增大时，处理效率提高，所以需要 建成几年后才能达到稳定的运行。目前人工湿地技术最大问题在于缺乏长 期运行系统的详细资料。尽管如此，由于人工湿地不仅可以用于城市和各 种工业废水的二级处理，还可用于高级处理中的深处理和对农田径流的处 理，在有些情况下，人工湿地可能是唯一适用技术，因而人工湿地得到越 来越广泛的使用。 1 3 2 人工湿地技术在我国的应用研究 由于我国经济发展水平不高，用于污染治理的资金有限，分配到小城 镇的资金更是有限，而许多地方，尤其是中小城市和乡村尚缺乏具有一定 操作管理及技术水平的人员，所以对于中国的广大中小城镇，一般不适合 采用传统的投资高、耗能大、运行管理要求高的活性污泥处理工艺，而应 该采用更为经济、简易、节能和有效的处理技术，因此人工湿地处理工艺 引起了人们的注意，更重要的是，人工湿地系统可以促进废水中植物营养 素的循环，构成了一个完整的生态系统。它是一项低投资、低能耗、低运 行费、氮、磷去除率高的治理工程技术，具有较好的经济效益和生态效益。 这项技术适合我国国情，尤其适合广大农村、中小城市的污水处理。 我国在“七五”期间开始人工湿地的研究。首例采用人工湿地处理污 水的研究始于1 9 8 8 1 9 9 0 年在北京昌平进行的自由表面流人工湿地，处 理量为5 0 0 f f d 的生活污水和工业废水，占地2 h a ，水力负荷4 7 c m d ，水 力停留时间为4 ，3 d ，b o d 负荷5 9 k g h a - d ，处理水解池或原污删。 1 9 9 0 年，国家环保局华南环境科研所和深圳东深供水局在深圳白泥 坑建立实验基地，占地8 4 0 0 i 1 - 1 2 ，处理3 1 0 0 l i d 的城镇综合污水。对b o d 的去除率平均为8 8 - - 9 4 ，且白泥坑污水中有机物浓度变化很大，但出水 有机物浓度并不随进水浓度的变化而产生较大变化，c o d 的进水负荷较 高，但出水浓度均能低于6 0 m g m ，处理工艺如图1 1 所示【2 “。 山东农业大学硕士学位论文 _ 一碎石床 原污水i 潜流湿地 ，曼虿赉l 一兼性塘 潜流湿地i l 碎石床l ， 潜流湿地l 出水 图1 1 白泥坑污水处理系统工艺流 f i 9 1 1p r o c e s so f w a s t ew a t e rt r e a t m e n ts y s t e mo f b a i n i k e n g 1 9 8 9 - - 1 9 9 0 年，天津环保科研所建立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 水中主要污染物之间的规律进行探索。结果负荷符合二级处理的标准，有 较高且稳定的脱氮除磷效果，季节性差异较d d 2 2 1 。 1 9 9 8 年，在山东省荣城市建成的荣成市污水处理厂，利用闲置盐碱 地，采用自然湿地处理工艺，共占用芦苇荒地8 0 t u n 2 ，处理规模为2 o x 1 0 4 m 3 ，d ，承担市区及沿途1 0 多个村庄约1 2 万居民的生活污水及少量工 业废水的处理。处理工艺流程如图1 2 所示。 弧怔寸咂至h 夏豆 匝匦 囤! ! ! ( 芦苇、水草、微生物) i ：。 i 陌稠面诽陌森再丽j i 小海生态塘i + 一提升泵房 卜l 净水沟卜叫净支水沟i + j l ，- - - - - _ jl jl ji l _ j 湿地处理单元 图1 2 污水处理工艺流程 f i g 1 2p r o c e s so f w a s t ew a t e rt r e a t m e n tr o n g c h e n g 该处理厂于1 9 9 8 年1 0 月开始投入运行，经过三年满负荷运行，出水 水质稳定，出水c o d 小于1 2 0 m g l l ，b o d 5 小于3 0 m g l ，处理后出水水 质优于国家二级排放标准，处理成本仅为0 1 6 元m 3 ，具有投资少，运行 管理简单，费用低等特点，而且从长远考虑，还具有改进生态系统结构， 促进物质能量的循环，保护湿地系统，防止近海区域赤潮的优点：污水的 直接资源化可进行淡水养鱼，水生植物种植，能获得一定的经济效益【2 3 1 。 9 垂直流人工湿地质流输氧机理研究及系统模型构建 2 0 0 3 年l o 月，东北第座人工湿地生态污水处理厂进入冬季调试阶 段，其占地6 3 公顷，日处理污水3 万m 3 【2 4 1 ，2 0 0 4 年7 月，北京城区最 大的人工湿地北京元大都公园人工湿地建成，面积达1 7 0 0 0 m 2 2 5 j 。 2 0 0 4 年1 1 月，云南首块规模化人工湿地大清河入湖河口复合人工 湿地建成，经过4 个月的试运行，可日处理污水2 0 0 0 m 3 ，湿地水中的主 要富营养化指标均优于国家排放标准中的一级a 标准【2 6 】。 华中农业大学的李科德等人在1 9 9 2 1 9 9 3 年采用人工模拟芦苇床处 理生活污水并对其净化机理、效能进行了研究，结果表明，芦苇床的优势 菌属是假单胞属、产碱杆菌属、黄杆菌属，原生动物以肾形虫居多，床内 根际微生物数量与污染物去除率之间有明显相关性。污水中的有机污染物 是通过芦苇床内各种微生物的协同作用而去除；n h 4 + - n 主要是通过硝化 作用和反硝化作用的连续反应而去除：总大肠菌群的去除一方面是由于原 生动物的捕食作用和某些放线菌产生的拮抗作用，另一方面是受营养、温 度、p h 值等因素的影响：s s 和o p 0 4 一p 的去除主要是通过沉淀、过滤、 吸附、固结等理化作用而实现【2 7 【2 8 】。 中国环境科研院刘文祥在1 9 9 4 6 1 9 9 5 8 ，采用有漂浮植物、沉水植 物、挺水植物及草滤带组成的人工湿地对控制农田径流污染进行了研究。 占地1 2 5 7 m 2 ，利用低洼弃耕地改造而成，设计停留时间1 5 d 。处理结果 较好，总投资2 3 万元，仅需要一般性管理，运行费极少【2 9 1 。 中科院南京植物所采用人工湿地系统处理酸性铁矿废水，面积 1 3 0 m 2 ，流量0 5 m 3 h ，运行两个月表明：p h 由2 6 升到6 1 ，铜离子去除 9 9 7 ，铁离子去除9 9 8 ，锰离子去除7 0 9 ，每年运行费用5 1 0 万 元【3 0 】。 中科院水生科学院水生生物研究所的成水平、夏宣铮等研究了香蒲、 灯心草人工湿地对城镇污水和人工污水污染物的净化效果；植物根系实际 生长深度、微生物及酶的空间分布；探讨了人工湿地对污水中污染物质的 去除机制，表明香蒲、灯心草是武汉及北纬3 0 。附近地区人工湿地较为 适宜的水生植物，特别是灯心草冬季生长良好，是更为理想的净水植物； 认为人工湿地介质、水生植物和微生物三者的综合作用是人工湿地去除污 水中氮、磷和c o d 的主要机制【3 1 】【3 2 】【3 3 1 。中科院水生科学院水生生物研究 1 0 山东农业大学硕士学位论文 所的吴振斌等人对垂直流人工湿地水力学特点与污水净化效果的关系进 行了研究，并用2 个串联的c s t r 模型对垂直流人工湿地内部水流流态进 行了较好的模拟【3 4 1 1 3 5 1 。武汉大学的张甲耀等人对人工湿地污水处理系统 氮去除及氮转化细菌进行了研究。在冬季较寒冷的大港油田，天津环境保 护科学研究院将水面湿地和渗滤湿地进行优化组合处理其生活污水，取得 了较好的运行效果。 国内对人工湿地这项技术的研究应用尚处于起步阶段，有关工艺设计 资料和应用实例还不是多见，有待结合我国不同地区的具体情况，深入开 展研究工作，取得适合不同地区，不同环境气候条件下不同污水特性的实 用数据，以促进其在我国适当地区的推广应用。 1 3 3 垂直流人工湿地氧传输机理在国内外研究现状 g r e e n 在系统中增设了输气管，然后利用漫灌快排使系统充分进气， 以增加内部的溶解氧来提高系统的硝化反应能力，结果大大提高了 n h 4 + - n ( 氨氮) 的去除能力，该实验从化学计量上证明n h 4 + - n 的去除机理 主要是硝化反应，如果氧的供给量足够，则n h 4 + _ n 的去除率存在个最 大值。而t n ( 总氮) 的去除还需经过一个反硝化过程。硝化反应是好氧的 过程，反硝化反应却需要在缺氧状态下进行，如果垂直流人工湿地中没有 饱和水层，较高的氧传输能力将使得反硝化反应不能发生，所以在垂直流 人工湿地中t n 的去除率仍然较低1 3 ”。f e l d e 和k u n s t 在实验室内分别研 究了垂直流人工湿地和没有植物的土柱c o d c r 的去除和n 的转化机制及 影响因素，结果显示c o d c r 和n i - h + - n 的去除率可达9 0 以上，但t n 的 去除率却只有2 0 - - 4 0 ，污染物的去除和分解的程度主要受湿地供氧 多少的影响【3 7 】。s c h 6 n e r k l e e 等人对奥地利的s t r e n g b e r g 作为污水三级处 理的6 0 0 m 2 垂直流人工湿地进行了研究，结果也表明t n 的去除率相对较 低，n i - h + - n 为4 0 - - 9 0 ，而t n 只有5 一1 0 【3 8 1 。而两个顺次相连 的v f 湿地，一个水位非常低没有饱和水层，另外一个水位高床体直处 于饱和状态，运行时在第二个湿地床加入了碳源，结果t n 的去除率达到 了7 8 口9 1 ，所以v f 湿地具有较好的n h 4 + - n 去除效果但对t n 的去除却 存在局限性。氧的供给与湿地中氮的去除有很大的关系，研究湿地床中氧 的传输具有重要意义。 垂直流人工湿地质流输氧机理研究及系统模型构建 土壤空气按其物理状态可分为自由态、吸附态和溶解态三种，自由态 空气存在于土壤孔隙中：吸附态空气是指土壤颗粒表面吸附的空气；溶解 态空气是指溶解于土壤水中的空气【4 0 1 ，土壤中氧的传输机制包括质流和扩 散两个过程。人工湿地作为一种特殊的土地，其中的空气状态和通气机制 也类似于土壤，而大型湿地植物通常具有根区释氧的作用，所以人工湿地 中氧的传输主要有三条途径：质流输氧( i n p u tb yc o n v e c t i o n 或m a s s t r a n s p o r t a t i o n ) 、扩散输氧( i n p u tb yd i f f u s i o n ) 和植物根区输氧( i n p u to v e r r h i z o m e s ) 。从植物根部表面上的氧化铁的锈色可以证明水生植物通过根向 根区输氧，但定量的测定却有很大的差别【4 1 】【4 2 1 。据研究，高大水生植物 根内部有通气系统，在根区附近有较高的氧，因而根要比其他植物的根长 【4 3 】。不同的人对芦苇根的释氧量进行了研究，分别为0 0 2g e m 2 d 】，1 2 g e m 2 d p5 1 ，5 一1 2g ，m 2 d 1 4 6 1 。一些学者认为植物根区释氧的作用相对质流输 氧和扩散输氧是很小的 4 7 】。 质流输氧是由于土壤中空气压力梯度的作用，在垂直流人工湿地中这 种梯度的产生是由于出水而在基质中形成了真空区，引起空气的整体流 入。目前有一些模型描述了氧在土壤中的扩散规律，而污水在介质中运行 时氧的传输规律却未见报道。一些学者认为扩散输氧是重要的过程 4 8 1 1 4 9 ， 而一些则认为扩散输氧作用可以忽吲5 0 1 。通过扩散和质流方式的输氧量受 一系列变量的影响，而这些变量很难定量的确定。其中决定氧传输的一个 重要的参数是水的含量，而它主要决定于其中所含的生物量。湿地不同的 布水技术而导致表层水不同的动力学反应对氧的输入也有很大的影响。因 此氧的传输随着时间和空间的变化而变化，很难对这两种方式给出一个全 面的描述 4 9 】。湿地水力负荷、有机负荷、进水频率等运行方式及介质类型 等都影响湿地中水的含量因而影响氧的含量。 德国学者p l a t z e r 和m a u c h 对l i e b e n 和m e r z d o r f 两地的垂直流人工 湿地床进行了研究，在不同的进水条件下测到的湿地不同深度处的氧的含 量有一定差别，l i e b e n 的进水条件是污水浓度 k 匠( c o d3 9 0m g e l ，n g e s 7 6 m g e l ) ，但水力负荷大，一天进水两次，在1 0 c m 、3 0c m 和5 0c m 的深 度处氧的百分含量分别是7 0 、4 6 、3 0 ；而m e r z d o r f 进水条件是污水浓 度高( c o d6 9 0m g ，l ，n g e s1 2 3m g e l ) i i 百水力负荷小，相应深度处的氧的 1 2 山东农业大学硕士学位论文 含量则是5 3 、2 4 、1 8 ，表明质流输氧在湿地氧的传输中具有显著的作用 【5 1j p l a t z e r 还测定了人工湿地中的氧气扩散系数为3 5x1 0 q c m 2 s ( 包括 根区输氧) ，根据f i c k 定律得出湿地中氧的传输速率为l9 0 2 h i t l 2 ，并粗 略估算了传递输氧和扩散输氧量 5 2 1 ： 扩散输氧q 【g ，d 】= 1 【go j ( h m 2 ) 】湿地床面积【m 2 】x ( 2 4 【h 】一1 5 h 】 x 每天进水次数) 传递输氧q g d 】- o 3 【9 0 2 e l 每天进水星 m 3 d 】1 0 0 0 l m 3 g u i l l o t e a u 在没有种植植物的沙柱上研究了柱内的氧气含量，装置是 直径3 0 c m ，由5 层1 5c m 的细砂组成的沙柱，每层之间留有一定空间， 可以从预留的空间取样用气体色谱仪测定气体组成。运行方式是7 天一个 周期，三天进水和四天落干交替进行，结果表明如果发生了堵塞现象，氧 既不会通过扩散传输也不会通过传递传输，在第2 、3 天时沙柱1 5 c m 、3 0 c m 和4 5c m 处的氧含量从起始时的1 4 降到1 ，并且在4 天的落干期间 氧也得不到恢复：如果没有堵塞，氧的消耗