（农业生物环境与能源工程专业论文）模拟人工湿地不同植物和填料对污水净化效果的影响.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 人工湿地是处理和净化农村生活污水的一个有效途径。本文采用植物复合垂 直潜流填料柱的实验装置模拟小型人工湿地，研究了由4 种植物和2 种填料不同 搭配方式在不同季节、不同进水浓度负荷条件下对不同污染物的净化效果，并对 新型除磷填料的筛选进行了静态吸附试验和动态吸附试验。主要结论如下： ( 1 ) 在所选的4 种植物中，香蒲在模拟人工湿地环境中长势良好，芦苇和荫 草长势一般，鸢尾则较差。其中，香蒲生长量最大；芦苇和荫草由于是第一年移 植，尚未达到应有的生长量，生长状况欠佳；鸢尾则不适宜在长期淹水的环境生 长。4 种植物在2 种不同填料中生长并没有明显差异。 ( 2 ) 在4 种植物中，香蒲对各种污染物的净化能力总体来说最强，其次为芦 苇、葫草，鸢尾则最差；葫草对各污染物有较强的净化能力，且每年可刈割3 4 次，可将氮、磷等污染物从人工湿地中快速转移，因此可将其作为人工湿地植物 加以利用；纯石子填料与石子加煤灰渣填料相比，后者对1 1 p 的净化效果明显高 于前者。 ( 3 ) 不同进水浓度负荷也对各污染物净化效率有影响，进水浓度过高或过 低都会使去除效率下降，本研究的试验结果表明对c o d 浓度为1 5 0 1 8 0 m g l 、t n 浓度为2 0 3 5 m g l 、t p 浓度为1 5 3 m g l , 范围内的进水，人工湿地可表现出高效 的净化能力。 ( 4 ) 2 种填料对c o d 和t n 的去除效果没有明显的影响，植物的不同则对c o d 和t n 的去除效果影响较大；对于耶去除效果的差异主要是由于填料的不同造成 的。不同季节对于c o d 和t n 的去除效果有明显差异，夏季和春季去除效率明显 高于秋冬季，而不同季节对于皿的去除效果并没有明显影响。 ( 5 ) 对于高浓度的含磷废水采用填料的静态吸附试验得n - 粉煤灰复合填 料的吸附容量明显大于加气混凝土废块填料，2 种填料对1 1 p 的吸附等温特征用 l a n g m u i r 吸附方程和f r e u n d l i c h 吸附方程均能较好的描述。对于农村生活污水， 粉煤灰复合填料对1 1 p 的吸附效率较高，但容易吸附饱和，饱和后会产生解吸现 象使去除率急剧下降，而且出水p h 值较高，若用粉煤灰做人工湿地填料应采取 适宜的方法，适宜用作湿地空白床除磷填料；加气混凝土废块填料对耶的吸附 江苏大学硕士学位论文 效率也较高，且吸附持续性较好，解吸现象不严重，适宜作为一种新型除磷填料 加以应用。 关键词：人工湿地、农村生活污水、去除效率、填料、磷 江苏大学硕士学位论文 c o n s t r u c t e dw e t l a n di sa ne f f e c t i v et r e a t m e n tt od e a lw i t ha n dp u r i f yr u r a l d o m e s t i c s e w a g e l a b - s c a l e c o n s t r u c t e dw e t l a n d s 飘r e r cu s e dt o i n v e s t i g a t e p e r f o r m a n c ea n dt h ec o n t r i b u t i o ni nc o n t a m i n a t i o n sp u r i f i c a t i o no f4k i n d so fp l a n t a n d2k i n d so ff i l l e r sb yd e t e r m i n i n gt h ec o n t e n t so fc o n t a m i n a t i o n si nd i f f e r e n t s e a s o n sa n di nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nl o a d i n g sa tt h eb e g i n n i n g i no r d e rt os c r e e no u t n e wf i l l e ro fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，as t a t i ct e s ta n dad y n a m i ct e s ti nt pr e m o v i n ga r e h o l d t h et e s t ss h o wt h a t ： ( 1 ) t y p h a o r i e n t a l i sp r e s ll i v ew e l li n w e t l a n d s ，p h r a g m i t e sa u s t r a l i sa n d p h a l a r i sa r u n d i n a c e al i v ec o m m o n l y , i r i st e c t o r u ml i v eb a d l y t y p h ao r i e n t a l i sp r e s l h a st h el a r g e s tb i o m a s s b e c a u s ep h r a g m i t e sa u s t r a l i aa n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e aa r e i nt h ef i r s ty e a rt h a tt r a n s p l a n tt ot h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，a n dd on o ta c h i v et h e i r l a r g e s tb i o m a s s ，s op h r a g m i t e sa u s t r a l i sa n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e ag r o w t hn o tv e r y w e l l i r i st e c t o r u md on o ta d a p tl o n g - t e r md r o w n e dc o n d i t i o n t h e r ei sn or e m a r k a b l e d i f f e r e n c ei ng r o w t ho f4k i n d so fp l a n ti nd i f f e r e n tf i l l e r s 一一 ( 2 ) t y p h ao r i e n t a l i sp r e s lh a st h es t r o n g e s tp u r i f i c a t i o na b i l i t yi n4 k i n d so fp l a n t , t h en e x ta r ep h r a g m i t e sa u s t r a l i sa n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e a ，i r i st e c t o r u mi st h el a s t p h a l a r i sa r u n d i n a c e ah a sq u i t eh i g hp u r i f i c a t i o na b i l i t ya n di tc o u l db ec r a d l e d3 - 4 t i m e say e 碣a n dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o u l db ed i v e r t e df r o mc o n s t r u c t e dw e t l a n d q u i c k l y s op h a 缸r i sa r u n d i n a c e ac a nb eu s e da sc o n s t r u c t e dw e t l a n dp l a n t t h e c o m p o u n df i l l e r so fc a r p o l i t ea n dc o a lc i n d e rh a sah i g he f f i c i e n c yi nt pr e m o v a l ( 3 ) t h ec o n c e n t r a t i o nl o a d i n g s a tt h eb e g i n n i n ga l s oa f f e c tt h ep u r i f i c a t i o n e f f i c i e n c y t h ea p p r o p r i a t ec o n t e n t so fc o n t a m i n a t i o n si ni n f l u e n tw a t e ra r ec o d ： 1 5 0 6 - - 1 8 0 m g l , t n ：2 0 - - 3 5m g l , 口：1 5 3m 叽 ( 4 ) t h ed i f f e r e n c eo fp l a n t si st h ei m p o r t a n tr e a s o ni nc o da n dt nr e m o v a l e f f i c i e n c y ，t h ed i f f e r e n c eo ff i l l e r sp l a y st h es i g n i f i c a n tr o a li nt pr e m o v a lr a t e s t h e r ea r es i g n i f i c a n te f f e c t si nc o da n dt nr e m o v a lr a t e si nd i f f e r e n ts e a s o n s ，t h e r e m o v a lr a t ei ns u m m e ra n ds p r i n ga r eh i g h e rt h a ni na u t u m ea n dw i n t e r b u tt h e r ei s n os i g n i f i c a n te f f e c ti nt pr e m o v a lr a t ei nd i f f e r e n ts e a s o n s 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) t h ec o m p o u n df i l l e r so ff l ya s hh a st h es t r o n g e rr e m o v a la b i l i t yt h a nt h ef i l l e r o fa u t o c l a v e da e r a t e dc o n c r e t ei n h i g hp h o s p h o r u sc o n t e n ts e w a g e b o t ho ft h e c h a r a c t e r so fa d s o r p t i o ns o t h e r mo ft w ok i n d so ff i l l e ra c c o r dw i t l l l a n g m u i r a d s o r p t i o ni s o t h e r ma n df r e u n d i c ha d s o r p t i o ni s o t h e r m t h ec o m p o u n df i l l e r so ff l y a s h h a sh i g h e ra d s o r p t i o n e f f i c i e n c yi nr u r a ld o m e s t i cs e w a g e ，b u ti t r e a c h e s s a t u r a t i o ne a s i l y t h ea d s o r p t i o ne f f i c i e n c yd e c l i n eq u i c k l ya f t e rs a t u r a t i o n ，a n dt h e p hi ne f f l u e n tw a t e ri sq u i t eh i g h i ts h o u l da d o p ts o m ea p p r o p r i a t em e a s u r e sw h e n f l ya s ht ob eu s e df o rf i l l e ri nc o n s t r u c t e dw e t l a n d s a u t o c l a v e da e r a t e dc o n c r e t e a l s oh a sq u i t eh i g h a d s o r p t i o ne f f i c i e n c ya n dp u r i f i c a t i o ns t a b i l i t y , n oo b v i o u s s a t u r a t i o n s oi ti sf i tt ob eu s e df o rn e wf i l l e ri nt pr e m o v a l k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，m r a ld o m e s t i cs e w a g e ，r e m o v a lr a t e ，f i l l e r , p h o s p h o r u s i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容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和汇编本学位论文。 保密，口在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。团 学位论文作者签名： 洲d 年6 月f 归 翩丹：墨雨 硼弹扣廖日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：解开 日期：硼佯6 月廖日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 我国农村生活污水特点 随着我国工农业生产的发展，人口的增长，环境污染问题日益严重。由于我 国目前工业污染对农业生产的影响比较大，在一定程度上掩盖了农业本身的非点 源污染的矛盾。 根据建设部2 0 0 5 年1 0 月村庄人居环境现状与问题调查报告，对我国具有 代表性的9 个省4 3 个县7 4 个村庄的入村入户调查显示：9 6 的村庄没有排水渠道 和污水处理系统，生产生活污水随意排放：8 0 的村庄将垃圾堆放在路边甚至水 源地、泄洪道以及水塘边，严重影响环境和危害居民身心健康。目前我国农村生 活污水排放量每年约为8 0 亿。9 0 亿t ，污水量还在不断增加，并且具有有机物浓度 高、日变化系数大侣5 巧o ) t 1 , 2 1 、间歇排放的特点。农村生活污水主要为淘米、洗 菜、洗澡和洗厕废水。因生活习惯、生活方式、经济水平等的差异，全国各地农 村生活污水排放的水质水量有较大差异。我国农村生活污水的基础资料严重缺 乏，据有关研究显示 3 1 ，太湖流域农村生活污水水质状况如下：c o d 为2 0 0 m g l ， 总氮为3 0 m g l ，氨氮为2 3 m g l ，总磷为5 m g l 。生活污水中含有较高的人畜粪尿 成份，氮、磷含量特别是磷含量较高，故处理时不仅要消减有机物还要进行脱氮 除磷【4 】。 同时由于我国农村人口聚居相对比较分散，集中居住的人口规模小，且农村 经济水平较低，不利于采用大规模的管网收集系统与大规模的污水处理方式，宜 采用分散收集与分散处理的小规模生态化处理方式。而且我国农村地区大多财政 收入不富裕，人均收入不高，技术水平相对落后，而人工湿地污水处理工艺正是 顺应时代发展要求的一种简单有效的生态污水处理技术。 1 2 人工湿地 1 2 1 人工湿地的由来 湿地作为陆地与水域的过渡地带，它不仅为野生动植物提供生长和繁殖的场 所，同时还具有净化水质、降解污染物、调节气候，维持整个地球生命支持系统 稳定等服务功能1 5 】，因而被誉为“地球的肾脏 。由于天然湿地资源具有有限性， 江苏大学硕士学位论文 难以长期超负荷承受各种有毒有害物质及氮、磷等营养元素的污水输入，加上各 国纷纷采取促使保护这些天然湿地系统。因此，采用人工模拟自然湿地来净化污 水的技术也应运而生。 人工湿地是为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的 饱和填料、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体【6 】。简单地说，就是通过 模拟天然湿地的结构和功能，在一定的地理位置，根据人们的需要进行人为设计 与建造的湿地。 1 2 2 人工湿地的净化机理 人工湿地对污水的净化有着非常复杂的机理过程。植物吸收、微生物代谢以 及填料的吸附、过滤、沉淀在人工湿地污染物的去除过程中起着关键作用，其中 包含了物理、化学和生物三重效果的共同作用的结果。对于不同污染物的去除， 湿地各部分的作用也不同。 1 2 2 1 对有机物的去除 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；可溶性有机物则通过植物根系的生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而 被分解去除，废水中大部分有机物最终被微生物转化为微生物体内细胞物质及 c 0 2 和h 2 0 。新生的有机体最终通过填料的定期更换而从人工湿地系统去除。有 研究表明f 7 1 人工湿地对b o d 5 的去除率在8 5 9 0 之间，对c o d 的去除率可达 8 0 以上。 1 2 2 2 对氮的去除 图1 1 所示为各种状态的有机氮和无机氮在人工湿地中的变化规律。原废水 中的氮一般以有机氮和氨氮的形式存在：废水中的有机氮在处理过程中被异养微 生物首先转化为氨氮，而后氨氮在硝化菌的作用下被转化为无机的亚硝态氮和硝 态氮，最后通过反硝化以及植物根系的吸收作用而从系统中去除。废水中的无机 氮则可通过植物的生长吸收而被去除。但是，人工湿地中的氮主要是通过微生物 的硝化和反硝化作用而被去除的。如前所述，湿地系统中的植物根系的输氧及对 氧的释放，使得床体内部存在许多好氧、缺氧和厌氧区，这相当于许多串联或并 联的a 2 o 单元，使硝化和反硝化作用在湿地中同时发生。这使得人工湿地处理系 统具有比传统活性污泥法更强的脱氮能力，同时其工程投资也比a o t 艺大为节 2 江苏大学硕士学位论文 省。资料表明，人工湿地对t n 的去除率可达6 0 以上同。 好氯 状态 厌氧 状态 图1 1 人工湿地中氮的变化规律 1 2 2 3 对磷的去除 湿地对磷有很好的去除效果。理论上人工湿地对磷的去除是植物吸收、填料 的吸附过滤和微生物转化三者共同作用的结果。但最主要的是填料对磷的吸附和 沉淀作用。有关研究发现【8 】人工湿地植物根区磷酸酶活性与t p 的去除率不相关性 显著。也有人发现湿地生态系统中磷的主要被截留在土壤中，而在植物体内和落 叶中很少，而且仅有少数的水生植物可以吸收磷【9 】，如棒灯芯草、凤眼莲等，大 多数植物的根部对磷的吸收能力较弱，所以植物和微生物对p 的去除只能起较小 的作用，而起不到削减磷的主要作用。一些研究发现土壤吸附与沉淀作用去除的 即可高达总去除量的9 0 以上【l o l 。 1 3 人工湿地植物对污水净化的研究进展 在人工湿地植物种类应用方而，国内外均是以水生植物类型为主，尤其是挺 水植物。在国内湿地植物种类的应用主要借鉴了国外的经验，最常用的植物种类 与国外基本一致。国内外研究过的湿地植物主要有芦苇( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) 、 香蒲( t y p h aa n g u s t i o l i a ) 、水稻( o r y z as a a v a ) 、荻( m i s c a n t h u ss a c c h a r i f l o r u ) 、菱白 ( z i z a n i al a t i f o l i a ) 、黑三棱( s p a r g a n i u ms t o l o n i f e r u m ) 、蕉草( s c i r p u st r i q u e t e r ) 、水 葱( s c i r p u st a b e r n a e m o n t a n i ) 、灯芯草似n c u ss p ) 、水生鸢尾( i r i s p s e u d a c o r u s ) ( 3 l 名黄菖蒲、黄花莺尾) 、美人蕉( c a n n ai n c u c a ) 、旱伞草( c y p e r u sa l t e r n i f o l i u s ) ( 又名 风车草) 、香根草( v e t i v e r i az i z a n i o i a e s ) 、慈姑( s a g i t t a r i at r i f o l i a ) 、泽泻c a l i s m a o r i e n t a t e ) 、菖蒲( a c o r u sc a l 锄岫等【1 1 ，1 2 1 。其中芦苇和茭白的污水净化能力得到广 泛认可，香蒲、美人蕉等的净化能力有待进一步得到验证。 3 江苏大学硕士学位论文 t a n n e r 通过对潜流湿地系统中芦苇、香蒲的收割实验发现，每克干重芦苇、 香蒲能净吸收污水中1 5 3 2 m g 射1 3 】；k a r a t h a n a s i s 等报道在对b o d 的去除效率 上，种植植物的潜流型人工湿地系统为7 0 7 5 ，而不种植植物的人工湿地系统 的为6 3 ，在对t s s 的去除效率上，种植植物的潜流型人工湿地系统( 8 8 。9 0 ) 比无植物系统( 4 6 ) 要高许多【1 4 】；成水平等人【1 5 , 1 6 , 1 7 】对香蒲、灯芯草人工湿地 净化污水的效果、空间和机理进行了系列研究，研究表明用该人工湿地处理城镇 污水，出水水质总体上达到国家i 、类地面水标准，灯芯草湿地对污水中凯氏 氮、t p 、c o d e r 的去除率维持在9 4 以上，氨氮( n i - 1 4 + - n ) 的去除率为 8 2 7 。9 9 7 9 ，在人工湿地净化污水过程中，其上层为较佳净化空间；鲁敏【1 8 】 等通过试验的方法对比研究了香蒲、美人蕉、菖蒲、芦苇等七种武汉地区常见植 物对生活污水的处理效果，试验表明：各种植物的人工湿地系统对c o d e r 、t n 、 邛有明显的去除效果；徐德福等的研究表明，种植美人蕉、菩提子、凤眼莲和 芦苇的湿地，对氮、磷去除率分别是1 0 9 1 5 9 3 2 和5 0 1 3 。8 7 2 6 t 1 9 1 ；进行 城镇污水处理试验中发现，种植香蒲和灯芯草的人工湿地中氮、磷的含量分别比 无植物的对照填料中的含量低1 8 一2 8 和2 0 一3 1 ，可见香蒲和灯芯草吸收利 用了污水中部分的氮和磷f 刎。植物不仅能吸收污水中的氮、磷，同时还能吸收 污水中的重金属，阳承胜等研究了重金属p b 、z n 、c u 和c d 在4 种人工湿地优 势植物宽叶香蒲、芦苇、茬芷和狗牙根体内的分布与积累规律，结果表明，4 种 植物都具有极强的吸附和富集重金属的能力，且重金属主要富集在植物根部和地 下茎【2 1 1 。 刘春常等【捌研究几种植物在生长过程中对人工湿地污水处理效果的影响， 结果发现植物生长过程中，植物高度能反映污水处理效果总体上的变化；不同植 物对人工湿地污水处理效果影响不明显。植物对氮、磷的吸收量与其自身生物量 呈显著正相关；植物生长旺盛期的污水净化能力明显高于植物衰老期或生长停滞 期；沉水植物对重金属的富集能力大于漂浮植物大于挺水植物；同株植物根部对 重金属的富集能力大于凋落物大于地下茎大于地上茎大于叶，即一般是水下大于 水上嗍。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 人工湿地填料对污水净化的研究进展 传统的人工湿地的填料采用土壤、砂、砾石等。不同的填料对不同污染物的 吸附性能、微生物附着性能不同。目前国内外在研究的填料主要有：塑料、沸石、 石灰石、石英砂、煤灰渣、高炉渣、草炭、粉煤灰( e 、活性炭、陶瓷、蛭石、 自然岩石与矿物材料等。每种填料性能各有优缺点，应根据具体原污水的水质和 经济分析结论进行选择，以充分发挥填料的作用。为了综合发挥各填料优势，潜 流湿地床往往由多种填料组成，填料级配十分重要，可以有效去除各种污染物质， 同时有效避免堵塞，提高运行周期。 湿地填料一直被公认为是进入湿地系统的磷的最终归宿。磷去除率与湿地填 料类型密切相关，即填料特殊的理化性质以及特定的吸附能力影响磷的去除1 2 4 1 。 d r i z o 等【2 5 , 2 6 1 综合比较了铝土矿、页岩、沸石、石灰石、轻质陶粒、飞灰、油性 页岩等7 种填料对磷的去除效果，认为页岩对磷的去除效果最好。s a k a d e v a n 2 7 1 等以土壤、沸石、鼓风炉渣、钢炉渣等材料作为人工湿地填料进行了吸附磷的比 较，研究表明：鼓风炉渣、钢炉渣的吸附效果明显好于其它填料，试验取用的两 种土壤的最大吸磷量分别为1 1 5 3 m g l 【卧9 3 4 m g k g ，而鼓风炉渣最大吸磷量为 4 4 2 0 0 m g k g ，超过土壤吸磷量4 0 倍；回归分析表明：活性铝的吸磷作用大于活性 铁，两者联合作用效果更好。g r a y 等以钙化海藻( m a e d ) 为填料，与以往试验数据 比较，发现钙化海藻除磷能力等同于页岩和钢渣【2 8 1 。袁东海【刎、谭洪新刚等人 分别选取了几种填料作磷的吸附试验，结果表明钢渣的吸附效果最好，其最大吸 磷量为5 0 4 9 0 m g k g ，而同比砂子的最大吸磷量仅为3 0 2 m g k g 。尹连庆等人【3 1 】认 为，用粉煤灰( e a ) 作为人工湿地填料具有极大可行性，耶有良好的去除能力，对 p 的去除效果优于常规二级生化处理，f a 填料湿地在水力负荷比较大的情况下， 对口去除效果比砾石还好，因此为人工湿地提供了一个廉价的填料材料。 1 5 研究内容与技术路线 作者通过文献的查阅、工程的实践观察表明：目前在植物筛选方面，人们研 究的湿地植物主要有芦苇、芦竹、香蒲、风眼莲、睡莲、灯芯草等 3 2 , 3 3 , 3 4 1 ，对于 欧洲广泛采用的稿草在国内应用于人工湿地的实例尚未见报道；在模拟试验中往 往只研究填料或者植物对污染物的净化效果，而构建包括填料、植物在内的完整 5 江苏大学硕士学位论文 的模拟人工湿地、研究不同的植物与填料组配的人工湿地系统的整体运行效果的 研究以及全年不同季节净化效果的动态监测比较少；对于新型经济、高效的除磷 填料的筛选并不广泛；粉煤灰虽然在以前试验研究中被证实作为人工湿地填料的 可行性，但其粒径较小，容易在长期运行过程中发生堵塞问题，所以对于粉煤灰 应用于污水处理应探求合适的方法。 鉴于此，本实验主要研究内容如下： ( 1 ) 采用常规的芦苇、香蒲、鸢尾植物及本地特有植物稿草四种植物作为 供试的湿地植物，同时选用石子和石子加煤灰渣两种填料，构建模拟人工湿地系 统，比较不同植物和不同填料对污染物的净化效果。 ( 2 ) 监测一年中不同季节各系统对不同污染物的净化效果，对比不同季节 的净化效果，筛选出去污能力强、观赏价值高、经济效益优、适合本地区应用的 人工湿地系统。 ( 3 ) 进行粉煤灰复合填料除磷效果及新型除磷填料的筛选研究，以期得到 经济、高效的新型除磷填料，可作为对经人工湿地处理后的污水的一种强化除磷 措施，从而为人工湿地去污技术的优化设计和推广提供科学依据，为进一步完善 人工湿地的功能，最大效率地发挥其作用、减少投资成本提供基础数据。 技术路线如图1 2 所示。 人工湿地模拟装置除磷填料筛选试验 1r - 不同植物、填料组配的净化效果研究 静态吸附试验 动态吸附试验i 上 liil 不同季节 h 不同污染物h 不同系统 j l ， 除磷优势填料选择依据 植物、填料优化配置依据 提出优化的设计方案 图1 2 技术路线 6 江苏大学硕士学位论文 第二章不同配置模拟人工湿地对污染物的净化研究 对于人工湿地系统而言，选择合适的水生植物尤为重要。通常植物的选择遵 循以下原则：本土性、净化能力强、根系发达、枝叶茂密、抗逆能力强、景观与 经济价值一体性等【3 5 1 。根据郝建朝等【3 6 】的研究结果证明稿草可以作为人工湿地 的适生植物，同时藕草也适合做动物饲料和造纸原料，具有一定的经济价值，并 且荫草属于华东地区的当地物种，在本地区生长状态良好。本试验在选择常规的 芦苇、香蒲等湿地植物的基础上，同时将藕草作为人工湿地植物构建模拟人工湿 地系统，研究其对污染物的净化效果。 本试验主要研究不同湿地植物和填料搭配的模拟人工湿地系统对农村生活 污水中各污染物的去除效果，比较各模拟人工湿地系统在不同季节对污水的净化 能力，探求产生净化效果差异的原因，为湿地植物、填料的选择和提高人工湿地 的污水处理效率提供参考依据。 2 1 材料和方法 2 1 1 供试材料 供试植物为多年生草本植物芦苇、香蒲、蒴草和鸢尾等4 种当地物种。 ( 1 ) 芦苇：禾木科芦苇属，又称芦、苇子。多年生挺水或沼生植物；具粗 壮匍匐根状茎；秆高1 3 m ；叶鞘圆筒形，叶舌有毛；叶片长1 5 - 4 5 c m ；宽1 3 5 c m ， 稍下垂，下部枝腋具白柔毛；小穗通常含和7 花：颖果长圆形；花、果期7 。1 1 月。生于河流、湖泊边缘及水塘、沼泽、水库等地，适应性强，从水深几厘米到 米以上均能成活；广泛分布于全国温带地区。芦苇主要为编织芦席和造纸原料； 嫩时含大量蛋白质和糖分，为优良饲料；嫩芽也可食用，秆可作各种工艺品原料； 根状茎叫做芦根，药用，有健胃和镇呕、利尿的功效【3 7 1 。 ( 2 ) 稿草：又叫草芦，禾木科多年生草木植物，根系强大具根状茎，茎秆 通常单生或少数丛生，呈黄色或深棕色，茎较粗，直立，光滑无毛，高6 0 1 5 0 c m ； 有6 8 节。叶鞘无毛，下部长于节间而上部短于节间；叶舌薄膜质，长2 3 m m ； 叶片扁平，幼嫩时微粗糙，长6 3 0 c m ，宽1 - 1 8 c m 。常生于低温多水的河岸两 边和湖边地带，抗逆性强，即耐滞，又能抗旱，还能耐寒，在高寒地区能安全越 7 江苏大学硕士学位论文 冬。在土壤p h 值4 9 墙4 的范围内都能良好地生长。在温带地区，一般于3 丹 中、下旬返青，7 月中下旬种子成熟。一般每年刈割3 4 次，并不影响其生长发 育。在我国东北、华北、西北、华东、华中地区均有分布。荫草是一种很有推广 价值的牧草，并且其茎秆还可用来编织用具或作为造纸原料【蚓。 ( 3 ) 香蒲：香蒲属是香蒲科一单属，水生或沼生，为多年生宿根性沼泽草 本挺水植物，植株高1 4 2 0 m ，有的高达3 0 m 以上，根状茎白色，长而横生， 节部处生许多须根，老根黄褐色。茎圆柱形，直立，质硬而中实。叶扁平带状， 长达l m 多，宽2 3 c m ，光滑无毛，在我国分布广泛【3 9 】。对土壤要求不严，以含 丰富有机质的塘泥最好，较耐寒。研究表明：湿地植物香蒲对受污染河水中c o d 、 氨氮及1 1 p 均具有较好的去除效果【柏】。植株本身又有一定的经济价值，如蒲草是 造纸原料，蒲黄入药有止血、消炎、利尿的作用【4 1 1 。 ( 4 ) 鸢尾：多年生草本，叶多基生，剑形，中脉明显或无，基部鞘状。只 有花茎而无地上茎，花序生于分枝的顶端或仅在花茎顶端生1 朵花，花较大，紫 色、蓝紫色、黄色；耐寒性较强；喜生于排水良好的湿润土裂4 2 l ；在中原、西 南和华东一带分布广泛，其花型大而美丽，具有较高的观赏价值。其根状茎可作 中药，全年可采，具有消炎作用。 前3 种植物于2 0 0 9 年2 月采自江苏镇江长江边自然湿地，鸢尾采于江苏大学绿 化带内。 填料设置了石子( 填料i ) 和石子加煤灰渣( 填料i i ) 两种处理。供试的煤 灰渣为江苏大学锅炉房煤炭燃后废渣，石子为建筑用粒径大小不等的普通石子。 2 1 2 试验装置 采用植物复合垂直潜流填料柱的实验装置模拟小型人工湿地，每套装置由下 行柱和上行柱( 按污水流向) 构成。下行柱和上行柱内径相同为2 0 c m ，下行柱 柱高1 0 0 e r a ，上行柱9 0 c r a ，进水口位于下行柱9 0 c m 处，出水口位于上行柱8 0 c m 处，比进水口低1 0 c i n 以保证污水自重力流，材质为p v c 管。具体如图2 1 所示。 填料i 配方：上层2 0 c m 为粒径1 2 c m 的小石子，中层2 0 c m 为粒径为3 - - 4 c m 的 中石子，底层4 0 c r a 为粒径5 - - 6 c m 的大石子 填料h 配方：上层2 0 c m 为粒径1 2 c m 的煤灰渣，中层2 0 c m 为粒径3 - 4 c m 的中 石子，底层4 0 c m 为粒径5 6 c m 的大石子。 8 江苏大学硕士学位论文 以上均为上行柱的填料配比，下行柱的中层填料高度为3 0 c m ，其他与上行 柱同。 出水口 图2 1 人工湿地小试实验装置简图 由4 种植物和两种填料组配成8 组不同类型的模拟人工湿地系统( 如表2 1 所 示) ，每组3 个重复。 表2 18 组模拟人工湿地的植物与填料的组配方式 填料i 填料i i ai a i i bi b i i ci c di d i i 模拟人工湿地构建后，稳定1 5 d ，其间用磁力泵加自来水试运行3 次，检验 其完好性。对上述4 种供试植物材料，先分别进行一段时间的种植培养，待各种 植物生长正常后，于3 月初选择每种植物株型基本一致的个体，分别植入到各模 拟人工湿地实验装置中，每种植物种植密度参考实际人工湿地的种植密度。对植 物的生长状况进行动态观测并于5 月、8 月、1 2 月和次年4 月进行植物株高的测 量；分别于6 月、1 1 月和次年3 月进行夏、秋冬和春季水质指标的测定。 2 1 3 污水配制方案 每个季节的试验测定时间为3 0 - 4 0 天，农村生活污水因各地的生活习惯、生 活水平、气候条件等差异，浓度变化比较大，参考太湖流域农村生活污染源调查 9 江苏大学硕士学位论文 数据：c o d 浓度平均值为2 0 5 m g l ，t n 为6 2 5 m g l ，t p 为5 s m g l 。据此由 不同数量的葡萄糖、k h 2 p 0 4 、尿素及其他少量微量元素等药品人工配制5 批不 同浓度的生活污水，分5 次投入到湿地中( 见表2 2 ) ，水力停留时间为2 4 h 。 表2 2 污水配制方案 2 1 4 污然物浓度分析测定方法 各水样的测定均在采集后的3 天内完成。 化学需氧量( c o d ) 的测定采用重铬酸钾氧化法； 总氮( t n ) 的测定采用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法； 总磷( 皿) 的测定采用过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法； p h 的测定采用p h 值快速测定仪法。 各指标测试方法均按国家环保局编制的水和废水监测分析方法进行【4 3 1 。 2 2 模拟人工湿地植物的生长状况 对4 种植物的株高变化进行了动态测定，结果如表2 3 所示。 表2 3 植物的株高变化 采集 填料i 中填料i i 中 1 0 毋 n 弱 侈 笱 勰 m 好 乾 蟛 ：合 帖 订 酷 甜 一 s ! 卯 插 舛 孙 伪 鼹 蛳 配 姐 鸺 踟 抡 n n 苇 草 尾 蒲 芦 祷 鸢 香 江苏走学硕士学位论文 22 1 芦苇生长情况 如图2 0 所示，( a ) 、( ”、( c ) 分别为芦苇在夏季、秋冬季和春季试验时的长 势情况，在两种填料中芦苇和香蒲相比长势一般，移植后到5 月份的3 个月间生 长速度较快，从1 2 c 血长到了6 0 c m 多。在8 月底时株高达到1 2 5 c m 、1 3 6 c m ， 比香蒲要差。之后将其刈割，不久又有新芽发出。芦苇在两种填料中生长状况差 别不大，在填料中的长势珞好于在填料i 中。第二年春季芦苇的株高为6 0 c m 多，与香蒲相同。根据前人的研究嗍，芦苇移植后的前两年生长量较小，到第 三年后逐步达到正常的生长量，因此芦苇生长情况不如香蒲。 黼竣暇 ( a ) 夏季长势圈耽冬季长势圈 ( c ) 春季长势圈 围2 2 芦苇长势圈 222 蕊草生长情况 如图2 3 所示，、( b ) 、( c ) 分别为稿草在夏季、秋冬季和春季试验时的长 势情况。在两种填料中荫草均长势良好，春夏季一直生长茂盛。从移栽初期1 1 锄 长到5 月份株高达4 0 c m 多，8 月份时长至9 0 c m 左右，之后将其刈割，有新芽 发出，且生长状况在秋冬季也较好，到次年春季4 月份，植物又达到6 0 ，7 0 c m 高蘑草在两种填辩中生长状况差别不大，在填科中的长势略好于在填料i 中。 盛草的长势和香蒲相比则较为一般，根据阻往的研究嗍，蕊草一般在移栽后的 第二年才能达到正常的生物量，因此长势也不如香蒲。 b - 芝二= l 盘= ：互蕊- 艟 ( i ) 夏季长势图秭教冬季长势图( c ) 春季长势圈 图2 3 蕊草长势图 n 江苏大学硕士学位论文 223 鸢尾生长情况 如图2 4 所示( a ) 、( ”、( c ) 分别为鸢尾在夏季、秋冬季和春季试验时的长 势情况，移栽时为1 1 锄，在5 月份时长至1 8 锄、1 7 锄，在夏季时长势良好，8 月份时株高为3 0 a n 多秋季之后生长缓慢，有些叶片开始枯黄，长势日渐不佳， 春季时有个别植株叶片千枯。鸢尾在两种填料中生长情况没有明显差别。鸢尾长 势不佳可能是由于鸢尾适宜生长在潮湿地区或周期性淹水的环境中，而在模拟人 工湿地中长期处于淹水环境，不利于鸢尾的生长。 团澈藿鞫蝴谳i i 鬟 ( a ) 夏季长势圈 224 香蒲生长情况 秋冬季长势图 ( c ) 春季长势图 圈2 4 鸢尾长势图 如图2 5 所示，( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为香蒲在夏季、秋冬季和春季试验时的长 势情况在两种填料中香蒲均长势良好移栽时为1 7 c ，到5 月份时达近8 0 咖， 8 月份时则睦至1 6 0 c m 左右，生长量达到最大，之后植物开始衰老。8 月底将其 刈割之后有新芽发出，次年春季植株高度可达9 0 a m 左右。香蒲在两种填料中 生长状况没有明显差别。和其他3 种植物相比，香蒲的长势最好。 ( a 1 夏季长势图 嘞秋冬季长势图( c ) 春季长势翻 图25 香蒲长势图 同时对8 组模拟人j ：湿地系统进行观察，发现夏季试验结束后各组水体均呈 江苏大学硕士学位论文 淡绿色，水体表面可以看见绿色水藻，其桶壁也可以观测到水藻。香蒲和另外3 种植物相比，根系密度很大，可以清楚得看到其根系布满了整个湿地上层。 从以上各图和表中数据可以看出：在两种填料中，香蒲的生长状况较好，芦 苇和稿草的生长情况一般，夏季过后开始衰老，刈割之后都会生出新芽；鸢尾生 长速度则较为缓慢，夏季过后长势日渐不佳，甚至有的植株叶片枯黄败落。4 种 植物中香蒲的生长量是最大的，根系也最为发达，其次为芦苇、葫草。芦苇和葫 草在填料i i 中的长势略优于填料i 中，但差异不大，说明这两种植物比较适合偏 碱性的生长环境；鸢尾和香蒲在两种填料中的长势则基本没有差异。 2 3 各模拟人工湿地系统对不同污染物的净化效果与分析 2 3 1 夏季模拟人工湿地系统对不同污染物的净化效果 2 3 1 1 夏季不同湿地系统对不同负荷污水的c o d 净化效果 根据污水处理前和处理后的c o d 浓度，计算各组的c o d 去除率，取重复 试验结果的平均值，绘制不同浓度负荷条件下各人工湿地系统夏季c o d 净化率 变化曲线，如图2 6 所示。 孚 褂 基 建 1 0 01 2 01 5 01 8 02 1 0 浓度( m g l ) 图2 68 组不同人工湿地夏季c o d 净化率 ai bi ci di ai i b i i ci i d 由图2 6 可知：8 组模拟人工湿地系统对不同浓度负荷的c o d ，净化效果不 同，整体去除率随c o d 进水浓度的增加先增大后减小。 各组之间比较：组bi i 即祷草和填料i i 搭配的组合对不同浓度负荷生活污水 伯们 江苏大学硕士学位论文 的c o d 净化效果最好，平均去除率最高，达8 1 9 ，尤其是在进水c o d 初始浓 度为1 5 0 m g l 左右时，去除率可达9 4 7 ；而组di 、di i 和a i i 即香蒲和填料 i 、填料搭配的组合、芦苇和填料i i 搭配的组合对不同浓度负荷污水中c o d 也保持了较高的去除率和稳定性，去除率都在7 0 以上。 进行方差分析得填料i 、填料i i 净化率的p 值为0 0 8 4 ，大于显著性水平0 0 5 ， 所以填料i 、填料i i 对c o d 净化效率无显著性差异。各组间净化效果的差异主 要是由于植物不同造成的。植物根系微生物能促进有机污染物质分解，提高湿地 c o d 的净化能力，不同植物系统形成不同的微生物群落，造成了对c o d 去除效 率的差异，与其它报道相一致l “一。在本研究中，各组植物在夏季均长势良好， 故可以判断不同植物对c o d 净化能力的差异，总体来说，4 种植物对c o d 净化 能力差异不明显，香蒲稳定性