（环境科学专业论文）人工湿地处理城镇生活污水中bod和三氮效率研究.pdf

于无植物时，芦苇的处理效率高于其它植物。美人蕉对污水中氨氮去除有较好的 效果，而香根草对污水中三氮的去除率低于美人蕉和香根草混合湿地。风车草和 香根草混合湿地对污水中氨氮和硝态氮的处理效果要优于单独的风车草湿地或 香根草湿地。 湿地系统中的植物收割会在一段时间内促进湿地对污水中三氮的去除。湿地 中填料的清洗有助于湿地处理污水中的三氮。在一定进水浓度范围内，人工湿地 对生活污水三氮的去除率受污水停留时问的影响。但是当停留时间大于2 d 以上 时三氮去除率变化不大。湿地水力负荷增大会导致污水中三氮去除率下降。 人工湿地处理生活污水中b o d 和三氮的效果明显受到气温的影响。水力负 荷增加超出一定范围时，会导致污水中有机物与氮的去除率下降。一般情况下， 污水在湿地中的停留时间延长，可增加污水中有机物和氮的去除率。人工湿地运 行一段时间后会发生基质堵塞现象，对湿地的处理能力产生不良影响。定期对湿 地植物的收割会部分解决湿地堵塞问题。一般湿地植物的生物量越大，其净化污 水的能力越强。但是植物栽种不宜过密，否则影响湿地系统中污水流动。多种植 物的混合种植比单一种植具有更好的去污效果和稳定性，尤其可以抗病虫害。 关键词：人工湿地，b o d ，三氮，湿地植物 i i t i t l e ：b o da n dn i t r o g e no f d o m e s t i cs e w a g ew e r et r e a t e db yc o n s t r u c t e dw e t l a n d u n d e rd i f f e r e n tp l a n t s m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：l i u y u s u p e r v i s o r ：p r o f x i ab e i c h e n g a b s t r a c t w a t e rp o l l u t i o nb ys e w a g ei ss e r i o u si nu r b a nr e g i o n so fc h i n aa n dt h e c o n s t r u c t i o no f w a s t e w a t e rt r e a t m e n tf a c i l i t i e sc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n to f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h ea d v a n t a g e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n da r er e l a t i v e l yl o wc o s t ， s i m p l eo p e r a t i o n ，s t a b l ee f f l u e n tq u a l i t y , a n dh i g hr e m o v a lr a t e s o fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s b u tt h e r ea r ea l o to fs h o r t a g e s ，l i k ei n s u f f i c i e n to p e r a s t i o n a lf a c t o r s ， w e t l a n dp l a n t sa t t a c k i n gb yp e s t s ，l a c ko fa c c u r a t er u n n i n gp a r a m e t e r s ，a n ds oo n t h e r ea r eal o to fw e t l a n dp l a n t si nc h i n a i ti sn e c e s s a r yt oc h o o s es o m eb r e e d sw i t h g o o da d a p t a b i l i t ya n ds t r o n gd e c o n t a m i n a t ea b i l i t y ar e c o g n i z i n gt ot h e s ep r o b l e m si s a g o o dw a yt oe x t e n da n dd e v e l o pc o n s t r u c t e dw e t l a n d i nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mt h e r ea r e4s p e c i e so fw e t l a n dp l a n t s ：c y p e r u s a t t e r n 扣l i u sl s u b s p , v e r t , e r i az i z a n i o i d e s , p h r a g m i t a s c o m m u n i s , i n d i a nc a n n b a n da e g i c e r a sc o r n i c u l a t u m t h ew e t l a n ds y s t e mt r e a t e dd o m e s t i cs e w a g ef r o m l o n g d o n gv i l l a g e i t sa b o u t15 0 m 3a n da b o u tn e u t r a lp h ，a v e r a g eb o d 5117 5 8 m g l ， a v e r a g en h 4 + - n7 8 2 7m g l ，a v e r a g en 0 3 - n3 3 3m g m ，a n da v e r a g en 0 2 二n0 5 3 6 m g l f r o mm a r c h ，2 0 0 3t oj a n u a r y , 2 0 0 4 ，w a t e rs a m p l e sf r o mi n f l u xa n de f f i u xo f t h ew e t l a n dw e r ec o l l e c t e dr e s p e c t i v e l yo n c eaw e e k ，a n da n a l y z e df o rb o d ，n h 4 + - n ， n 0 3 n ，n 0 2 - n ，a n do b s e r v e dg r o w t ho ft h ep l a n t s ，b i o m a s sa n dh e i g h ti nt h es a m e t i m eo fs a m p l i n g ， t h er e s e a r c hw a sp e r f o r m e di n2 0 0 3a n d2 0 0 4 ，m a dt h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r e i l l o b t a i n e db yt h er e s e a r c h ： i nc y p e r u sa l t e r n i f o l i u sls u b s pw e t l a n ds y s i e mt h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so f t h ef o l l o w i n gp o l l u t a n t si nd o m e s t i cs e w a g ew e r e ：b o d s4 03 n h 4 + n3 09 n 0 3 - - n2 9 2 n 0 2 - n71 4 i nv e r t i v e r i az i z a n i o i d e sw e t l a n ds y s t e mt h ea v e r a g e r e m o v a lr a t e so fp o l l u t a n t sw e r e ：b o d 4 5 7 ，n 心+ n 4 1 3 ，n 0 3 一n 4 3l ， n 0 2 - n 7 8 5 i np h r a g m i t a s c o m m u n i sc o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mct h ea v e r a g er e m o v a l r a t e so fp o l l u t a n t si nd o m e s t i cs e w a g ew e r e ：n h ( - n6 6 ，7 ，n 0 3 - - n6 0 ，7 ，n 0 2 - - n 51 o i np h r a g m i t a s c o m m u n i sc o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mdt h ea v e r a g er e m o v a l r a t e so f p o l l u t a n t sw e r e ：n h 4 + - n7 1 9 ，n 0 3 - n6 4 8 ，n 0 2 - n5 4 6 t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn i t r o g e n si nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mw h e r et h e p l a n t sg r o wi sh i g h e rt h a nt h a tw i t h o u tp l a n t ( w h e r en op l a n tg r o w s ) t h e r ei sn o s i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tb e t w e e nd e f f e r e n tt r e a t m e n t sw i t h d i f f e r e n tp l a n t si nt h e w e t l a n ds y s t e m ，b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c i e si nt h et r e a t m e n tw i t hr e e dw e r eal i t t l e h i g h e r t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fn h 4 + - ni nw a s t e w a t e ra r eh i g h e ri nt h ew e t l a n d s s y s t e mw i t hi n d i a nc a n n a t h em u l t i p l a n tw e t l a n dw i t hc y p e r u sa l t e r n i f o l i u sl s u b s pa n dv e r t i v e r i az i z a n i o i d e sh a dab e t t e rr e m o v a lr a t eo fn i t r o g e n st h a nt h e c y p e r u sa l t e r n i f o l i u s 三s u b s pw e t l a n d o rt h ev e r t i v e r i az i z a n i o i d e sw e t l a n d t h er e m o v a lo fn i t r o g e n sc a nb ei m p r o v e db yr e a p i n gp l a n tp e r i o d i c a l l y t h e p a s s i n gc h a n n e lo fw a s t e w a t e ri nt h ew e t l a n dc a nb ei m p r o v e db yc l e a n i n gt h el i t t e ro f p l a n to ut h es u r f a c eo ft h ew e t l a n d t h er e m o v i n ge f l i c i e n c i e so fb o d ，n h 4 + n ， n 0 3 - - na n dn 0 2 - - nw e r ei n f l u e n c e db yt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) ，a n dt h e t e s t i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a t e so fni n c r e a s e dw i t hh r ti n c r e a s i n g w h e nh r ti sl o n g e rt h a n2 d ，t h er e m o v a lr a t e sw e r em a i n l ye f f e c t i v e t h er e m o v a l r a t eo fn i t r o g e n sd e c r e a s e dw i t ht h ew a t e rl o a di nw e t l a n di n c r e a s i n g t h ea b o v er e s u l t sr e v e a l e d ：t h er e m o v i n ge f f i c i e n c i e so fb o d ，n h 4 * - n ， n 0 3 - na n dn 0 2 。- nw e r ei n f l u e n c e db yw e a t h e r c h a n g i n go fm o n i t o r a lf a c t o r ss h a l l i n f l u e n c et h er e m o v a lr a t eo f n i t r o g e n s g e n e r a l l y , t h er e e dg r o w i n gi nt h ec o n s t r u c t e d w e t l a n dp o s s e s s e dac o m p l e xa n dw e l l - d e v e l o p e dr h i z e l s y s t e mt ok e e ph i g h c a p a b i l i t yo fp o l l u t a n tr e m o v a l w e t l a n dp l a n t sa r ei m p o r t a n tf o rt h ec o n s t r u c t e d i v w e t l a n d sb e c a u s et h e f o l l o w i n ga d v a n t a g ea s p e c t s ：l o n gg r o w t hp e r i o d ，l i t t l e s e c o n d a r yp o l l u t i o n ，s i m p l em a n a g e m e n t ，a n dg o o ds i t e v i e w i n g p l a n tb i o m a s s h a r v e s t i n gc a nr e d u c et h ei n p u to fo r g a n i cm a t e r i a lo fp l a n tt ot h ew e t l a n d ，s oi t i s s i g n i f i c a n tf o rk e e p i n gt h es u s t a i n a b l ea b i l i t yo fc o n s t r u c t e dw e t l a n dt oh a r v e s tp l a n t a n de l i m i n a t el i t t e rp e r i o d i c a l l y e n h a n c ea n ds t a b i l i z et h eh y d r a u l i ct r a n s p o r t a t i o no f s t u f f i n gm a t e r i a l sc a ni n c r e a s et h er e m o v a lr a t eo fn i t r o g e n s h o w e v e 5d i e b a c ko f p l a n t ，g r o w nw e e da n ds h a l l o we x t e n s i o no fr o o ti nt h ew e t l a n d ，w h i c ha f f e c tt h e g r o w t ha n dr e m o v a le f f i c i e n c yo fp l a n t si nw e t l a n d ，a r ep r o b 1 e m sf o rs o i lc l o g g i n g w e t l a n d sw i t hs i n g l es p e c i e sa r ei n f e r i o rt ot h o s eg r o w i n gm u l t i s p e c i e sb o t hi n r e m o v a le f f i c i e n c yo fn i t r o g e n sa n do r g a n i cp o l l u t a n t sa n di nr e s i s t i n gd i s e a s ea n d p e s t s k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，b o d ，n i t r o g e n ，w e t l a n dp l a n t v 人工湿地处理城镇生活污水中b o d 和三氮效率研究 1 1 引言 第1 章前言 在我国，人口增加伴随着工农业生产的发展，造成大量污水未经处理排入水 体，水体中各种污染物的量超过环境的自净容量而引起水环境的严重恶化。目前， 全国年废水排放量达到4 0 0 亿t 以上，其中只有2 4 的工业废水和4 的生活污 水经过处理，相应的造成全国8 0 的饮用水水源受到污梨i l 【2 】。据统计，全国6 0 0 座城市中大约有4 0 0 余座城市存在不同程度的缺水问题，其中有1 3 0 多座城市严 重缺水【3 】。在监测的7 8 条河流中，有7 0 的河流受到各种废水的污染 4 1 。 为了实现水资源的可持续利用，寻找有效的污水净化方法成了研究的重点。 常用的废水处理方法有物理法、化学法和生物法等，或将这几种方法联合使用。 但是，从目前的经验看，物理法和化学法都在不同程度上有后处理的麻烦，而生 物法所需的生化= 级处理厂由于基建投资大，能耗高，因而难以在中小城市和经 济不发达的国家中推广p j 。在土地短缺、地价昂贵的大城市采用活性污泥法为处 理工艺是可行的，但由于其基建、运行所需费用商，运行、维护管理难度大而不 利于中小城镇及乡村采用。在我国，已建成的污水处理设施远远不能满足污水处 理的要求，如果污水全部采用传统方法处理，则国家财力无法负担，且在小城镇 里，大型污水处理厂不适合处理分散的污水l l 】。 因此，需要研究、发展和推广简便有效的污水处理技术来改变目前水资源缺 乏的状况。采用多种方式处理污水，研究开发生态工程用以净化污水是一条降低 污水处理的能耗、投资的重要途径。研究高效率、低能耗、低投资成本、易管理、 可持续使用的污水处理技术是目前世界各国水污染治理的一个重要方向，而对于 我国这样的发展中国家则有更加重大的意义。人工湿地技术是国际上近2 0 年发 展起来的一种废水处理技术，其特点是建设投资少、处理效果好、运行维护方便、 氮磷去除率高等1 6 】。 人工湿地处理城镇生活污水中b o d 和三氮效率研究 1 2 湿地与人工湿地 1 9 7 1 年联合国湿地公约拉姆萨尔公约将湿地定义为：“湿地系指不论其 为天然或人工、常久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动， 或淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的水域”【4 】。 1 9 9 4 年的中国湿地生态环境保护规划会议上对湿地的解释是：处于陆地 与水域的交汇处，水位接近或处于地表面，或有浅层积水，一般以低水位时水深 2 m 处为界，并具有以下特征：( 1 ) 至少周期性的以水生，湿生植物为植物优势 种；( 2 ) 低层土主要是湿生土壤：( 3 ) 在每年的生长季节底层土被水淹没4 个月 以上【4 i 。 从生态学角度，湿地是指由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质以 及水生植物和其他水生生物所组成的，具有较高生产力和较大活性、处于水陆交 接相的复杂生态系统。湿地是一种具有多种功能和使用价值的生态系统，其在蓄 洪防旱、调节气候、控制土壤侵蚀、促淤造陆、降解环境污染等方面有着极其重 要的作用f l 】1 7 。 而人工湿地是一项可持续发展的污水处理技术，是于二十世纪七十年代发展 起来的一种新型污水处理技术。人工湿地系统是人为监控的，在一定长宽比及地 面坡度的洼地上由土壤、沙、石等混合成的填料床和在床体上种植具有处理性能 好、成活率高、抗水性强、生长期长、美观且具有经济价值的植物，及在水中、 填料中生存的动物、微生物所组成的独特生态环境，污水流经床体表面和床体填 料缝隙时，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等实现对 污水的高效净化【8 】 9 1 。 美国的湿地专家h a m m e r 博士等将人工湿地定义为“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”【l o l 。 1 3 利用湿地处理污水的发展历史 利用天然湿地处理污水比传统的污水处理方法( 活性污泥法和稳定塘法等) 人工湿地处理城镇生活污水中b o d 和三氮效率研究 更经济、易操纵、高效、稳定、持久、能耗少、无须化学试剂，同时其可促进农 业、渔业的发展。不过，天然湿地存在淤积、效率低、占地面积大等缺点。 而 且天然湿地资源的有限性难以长期、大量超负荷地承受富含各种有毒有害物质、 病原微生物及n 和p 等营养元素的污水输入。污水中的有毒物质和病菌可能对 湿地造成严重危害，比如损害湿地生物多样性；导致湿地功能退化，甚至湿地的 消亡。另外，天然湿地的地理位置不一定合适，比如一些偏僻遥远的湿地则不便 开展污水处理，特别是对都市污水的处理；而且，有些天然湿地处理污水能力不 高1b o 1 1 1 。 在二十世纪六十年代中期，d r s e i d e l 与d r k i c k u t h 合作并由d r k i c k u t h 在 6 0 年代中期开发了“根区法”( i 屹m ) 理论，这是人工湿地技术大量研究的开始幢1 。 有目的地建造湿地生态系统还是一项相对较新的技术，而为处理污水设计、建造 湿地是2 0 世纪7 0 年代才开展起来的，“人工湿地”等类似的术语也在此时才开始 相继问世，如“m a i l l r l a d ew e t l a n d ”、“e n g i n e e r e dw 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 ”才开始逐渐取代其他术语而成为 “人工湿地”的通用名词 】1 f 10 1 。1 9 9 6 年9 胃在奥地利维也纳召开的第4 届国际研讨 会，提出了人工湿地的有关机理和一些可供参考的设计规范和数据，标志着人 工湿地系统作为一种独特新型废水处理技术正式进入水污染控制领域【卯。 相对于天然湿地，人工湿地具有以下一些特征：占地面积较小，一般在1 0 0 m 2 1 0 h a ；湿地植物种类较少，只有几种甚至只有1 种人工种植的植物：水 体含有不同种类、不同浓度的污染物：一般都有排灌系统；离城市、工厂或 矿区较近【1 0 1 。 1 4 人工湿地的分类 人工湿地可根据湿地中主要植物形式分为：1 浮水植物系统：2 挺水植物系 统：3 沉水植物系统。目前一般人工湿地系统都是挺水植物系统。挺水植物系统 可按水流方式的不同主要分为四种类型：地表流湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ： s f w ) 、潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ：8 s f w ) 、垂直流湿地( v e r t i c a lf l o w 人工湿地处理城镇生活污水中b o d 和三氮效率研究 w e t l a n d s ： v f w ) 、潮汐流湿地( t i d a lf l o ww e t l a n d s ：t f w ) 。浮水植物系统 主要用于n 、p 营养物的去除和提高传统稳定塘的效率。沉水植物系统还处于实 验室阶段，其主要应用于初级处理和二级处理后的精处理【1 3 l 【i 。 地表流湿地系统：在此系统中，废水在湿地的土壤表层流动，水深较浅( 一 般在o 1 o 6 m ) 。这种系统与天然湿地最为接近，污水中的大部分有机污染物是 依靠生长在植物水下部分的茎、竿上的生物膜来去除的。地表流湿地系统具有投 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、氧传 输能力有限( 主要靠水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用) 、去污 力低、卫生条件差( 夏季有孳生蚊蝇的现象，还会有臭味) 、受气候影响较大( 在 我国北方一些地区由于冬季气候寒冷而不能正常运行) 等缺点1 1 4 】0 6 1 。 潜流湿地系统：在此系统中，污水在湿地床的内部流动，因而比地表流湿地 系统有一些优点。首先，可以充分利用湿地填料表面生长附着的生物膜、湿地植 物丰富的根系及湿地表层土和填料的截留作用，这就提高了湿地处理污水的效果 和湿地的处理能力。其次，由于水流在湿地表层以下流动，因而保温性能好、受 气候影响小、卫生条件较好。这种系统利用了植物根系的输氧作用，称为污水处 理的根区方法( r z m ) ，是目前研究和应用较多的一种湿地处理系统。潜流人工 湿地具有以下一些优点：水力负荷大、污染负荷大、保温效果好、对b o d 、c o d 、 s s 、重金属等污染指标的去除效果好、很少有恶臭和蚊蝇孳生。潜流湿地系统的 缺点是控制相对复杂，投资要比表面流系统高，对氮、磷的去除效果不如垂直流 湿地系统好f 1 2 】 1 4 1 17 1 。 垂直流湿地系统：此系统中的水流综合了地表流湿地系统和潜流湿地系统的 特点，污水从湿地表面纵向流到填料床的底部，氧可通过大气扩散和植物根系传 输进入系统。垂直流人工湿地系统的硝化能力要高于水平流人工湿地，所以可用 于处理含氨氮较高的污水。但是对有机物的去除能力则不如水平流人工湿地系 统，而且垂直流湿地系统落干与淹水的时间较长，运行控制比较复杂，夏季还有 孽生蚊蝇的现象。垂直流人工湿地由于具有较高的净化效率和较小的占地面积等 优点而被越来越多地应用于污水处理。垂直流人工湿地根据水流方向又可分为上 行流人工湿地、下行流人工湿地和潮汐流人工湿地【1 4 】【1 7 】【1 8 j 。 4 人工湿地处理城镇生活污水中b o d 和三氮效翠研究 潮汐流湿地系统：伯明翰大学利用芦苇床进行了试验，提出了这种湿地系统。 在此系统中，芦苇床被交替地淹没和排干。先是向床内充水，在此过程中空气被 排出，而床的基质填料逐渐被淹没：而当芦苇床完全被水充满以后，开始将水完 全再排出，在排水过程中空气则被带入床内。在排水过程中进入的新鲜空气是微 生物去除污染物的氧源。通过这种交替的进水和进气过程，提高了氧的传速速率 和消耗量，因而提高了芦苇床的处理效果。但是，潮汐流湿地会由于填料堵塞， 抑制了水和空气在床体内的流动，从而降低处理效果【1 5 j 。 1 5 人工湿地的工艺 人工湿地的工艺流程主要有推流式、阶梯进水式、回流式和综合式4 种，这 几种流程各有其优缺点。阶梯进水式可避免湿地床前部堵塞，使湿地植物长势均 匀，利于湿地床后部的硝化脱氮作用；回流式可对进水进行一定的稀释，且增加 了水中的溶解氧，减少了出水中出现的臭味；回流还可促进湿地床中的硝化、反 硝化作用。综合式则即设置了出水回流，还将进水分布至湿地床的中部，减轻了 湿地床前端的负荷1 6 】【2 0 1 1 2 ”。 根据处理规模的大小，人工湿地的运行可进行多种方式的组合，常用的有单 一式、并联式、串联式和综合式等。人工湿地还常与氧化塘等进行串联组合。人 工湿地作为二级生物处理工艺应用，为确保其处理系统的稳定性，延长人工湿地 处理寿命，增加其处理能力，一般要增加相应的预处理及后处理设施。预处理主 要用于去除粗颗粒和降低有机负荷，预处理还可以防止在贮存污水及进水过程中 产生臭气，肪止污水污染土壤、地下水和植物。预处理部分构筑物包括格栅、沉 砂池、沉淀池、稳定塘等【1 3 l 1 6 1 1 2 2 1 2 3 1 。 1 6 人工湿地的利用情况 1 6 ，1 国外湿地技术应用现状 目前全球有数千个人工与天然湿地用于污水处理，面积从不足2 0 0 m 2 到 4 0 0 0 h a 不等【1 0 1 。在欧洲和北美，数以千计的天然湿地和人工湿地被应用于处理多 人t 湿地处理城镇生括污水中b o d 和三氨效率研究 种类型废水。早期的人工湿地主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂的出 水，经过许多学者和工程技术人员的工艺改进，或与其他系统进行组合，现已开 始用于农业面源污染、城市或公路径流等非点源污染的治理，还将其应用于处理 垃圾场渗出液、矿山酸性废水、淀粉工业废水、制糖工业废水、褐煤热解废水、 炼油废水、油砂废水、油田采出水、造纸废水、食品加工和奶制品加工废水等【2 4 】 1 1 2 1 2 5 1 1 3 6 2 7 1 2 8 1 。如c h e s a p e a k e 用一套人工湿地系统处理乳牛场的废水【”1 。路易斯 安那利用人工湿地解决天然湿地的丧失和地表水的污染，每年可以节约1 5 0 万美 元【3 0 l 。1 9 9 9 年以来，美国石油局全面开展了人工湿地处理石油废水的研究与应用。 加拿大和澳大利亚的研究人员在二十世纪九十年代将人工湿地成功应用于石油 化学工业各个环节的废水处理，取得了很好的环境效益，同时也为类似废水的处 理提供了一条新途径【3 l j 。 1 6 2 国内湿地技术应用现状 我国“七五”期间开始了对人工湿地较大规模的研究【32 1 。首例采用人工湿地处 理污水的研究工作始于1 9 8 7 年，由天津市环境保护研究所建成的占地6 h m 2 的处 理规模为1 4 0 0 m 3 d 。的芦苇湿地工程【3 3 】。1 9 8 8 1 9 9 0 北京市北郊昌平卫星城的 人工湿地系统将自由水面人工湿地用于污水的处理t 3 4 1 。1 9 9 0 年，国家环保局华 南环境科学研究所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建造了占地面积1 2 6 h r n 2 处理 规模31 0 0 m s d 的人工湿地示范工程【3 ”。1 9 9 9 年2 月到8 月，深圳市环境科学研 究所设计了“洪湖公园人工湿地系统水质净化工程”，它通过净化严重受污染的河 水补充到景观湖泊，从而使污水得到回用 3 6 1 。云南玉溪市将抚仙湖原来的菜地和 鱼塘改造成人工湿地。他们通过建立拦污网、污水沉淀池、生物氧化塘大面积 的水平潜流人工湿地和表面流人工湿地，栽种高密度的水芹菜、水蕹菜、菱、芦 苇、香蒲等经济作物，并以经济植物的不断收获来达到移出氮、磷等污染物的效 果。每年还能提供鲜鱼和水生蔬菜，经济收入可支付运行管理费用，实现了“以 收养管”的目标【”1 。1 9 9 9 年，漳州市天宝造纸厂采用荒废的低洼地建造日处理l o o t 的小型水葫芦一水草人工湿地，进行厂外废水治理，出水灌溉果园 3 8 】。盐城市双 灯纸业有限公司利用沿海滩涂种植了芦苇人工湿地，用造纸废水进行灌溉，每年 6 人工湿地处理城镇生活污水中b o d 和三氮效率研究 可收割大量的芦苇，有效解决了造纸原料供应问题1 3 9 1 。2 0 世纪末建成的成都活 水公园更展示了人工湿地污水处理新工艺用“绿叶鲜花装饰大地，把清水活鱼送 还自然”的魅力”。在“八五”攻关课题“滇池防护带农田径流污染控制工程技术研 究”中，首次将处理城市生活污水的人工湿地工程技术用于处理农田废水，取得 了满意的社会环境效益【4 ”。另外还有很多利用实例：如采用人工湿地保护繁殖丹 顶鹤；用人工湿地去除乳制品废水中的c o d ，b o d ，氨氮和磷【6 】【4 “。人工湿地 处理铁矿酸性排放水、炸药车间排放水等【4 3 1 。 1 7 研究进展 1 7 1 人工湿地的去污机理 湿地系统的基质表露和植物根系表面生长了大量微生物形成生物膜，当污水 流经湿地时，大量的s s 被基质和植物根系截留，有机污染物则通过生物膜的吸 收作用而被去除，湿地床系统中因植物根系对氧的传递释放，使植物根系环境依 次呈现好氧、缺氧和厌氧状态，使污水中的氮磷通过硝化、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，植物和微生物同时将其作为营养成分而 直接吸收，最后通过湿地床基质的定期清理和湿地植物的收割而使污染物最终从 系统中去除【1 舯 4 4 1 。 实际上，人工湿地处理污水的功能是植物、基质、微生物、动物以及众多环 境因子综合作用的结果，它们之间相互影响、相互促进、相互制约，组成了强大 的净化功能。表1 1 列出了人工湿地的各种去污机理及重要程度 2 2 4 5 】。 蜀宴蠹专g j0q一苫旺世胀h嚣崭焉芬g 8b苫旺世：薹州r曩磊q。吕吕付吕苗。窆旺世酶删蟥山 签型 悻师啪sg 世删鄹 薹| 重堇 餐蔷锰辎州叫晕蜊薛 爿螫杂 霉罢霉翟州目 镫超匪基莲靶呕蜊 意sr如懈繇 忙督树，萋k 0 靶而姆霉交琏岛雾椰晕芒 逝，g霉靶裴求琏靶菠器娶擎 蜉群厘如娶槲卜肄镫娶裰娶蝥 r 刊n蟋霉芒足熙g 恳筌s 恻捌餐g 畚如媒s 紧耀g 靶u g 毁 梨鞋挂晕隧巢掣世旺s 卜碌 ss 聚媲删鼎醛! g 世靶芒 霉梨巢k 肆嚣，甚g 跬悃媒皿 强 醛醛黼岬建k 辜蝥处逝最旺岛g 袒螵 g 趸。 恳+ 1 砗 量冒磊 “山 世忙雾 樱涟暑厶山 哩m 高 矧耀薹量山山 搭山山山们 舔z山“ 口 o u山们 口 o 山 键肇器们们山 蟋墩器 山 a 0 口 g + 蓉 蓁耋董零萋 攒i = 1 善蕾萝 京鼍名 耋| 粪耄| 言鼋寓 奎名名 = 霎| ：垂_ 舅 g 山 g ，旦 a 逝烽莲r j 篷琏 蜉捌螫j 馨螫求 里耄 剐尉蜷峰 扑蟋扑扑 褡七 器s 捌 l 末晕丰k 暮晕 勺。鲁u吕勺磊一苟享q廿芑暑苗iiou丑-皇对；葛对事“ii一若置口ko砷g焉iuq叫茜一 尉幂蛉悄g嗣赠h、r_【j_【懈 强睾爵矩犀凸o*2呈州蕈嚣哥剥孽黠o、r 人工湿地处理城镇生活污水中b o d 和三氮效率研究 1 7 2 影响人工湿地去污的因素 1 7 2 1 基质 不同的基质对潜流型湿地的处理效果影响较大，其中土壤基质的去污功能不 如砾石基质。潜流人工湿地处理以s s 、c o d 和b o d 为特征污染物的污水时， 可以选用土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣中的一种或几种为基质【2 “。以 除p 为目的的人工湿地最好选择飞灰或页岩为基质，其次是铝矾土、石灰石和膨 润土，泡沸石和油页岩对p 的吸附能力较差，不宜选用1 4 6 1 。人工湿地系统中的 磷7 0 8 0 由于沉淀或吸附作用存在于土壤中，植物体和调落叶中的磷很少 f j 。基质对无机磷的去除作用因填料不同而存在差异，含有较多的铁、铝氧化物 的土壤中，易生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝，使土壤固磷作用大大增加：以 砾石为填料的湿地，砾石中的钙可以将废水中的无机磷生成不溶性磷酸钙而在废 水中沉淀【7 】。花岗石和粘性土壤为基质的人工湿地对污水中磷的去除率达9 0 以 上。潜流式人工湿地内部不同填料层的硝化能力不同，在土壤层下填充炉渣可以 提高系统整体的硝化能力，炉渣层在氨氮转化中起主要作用1 1 2 i 。石英砂、煤灰渣 和高炉渣不同基质垂直流人工湿地对城市污水的净化效果研究表明：煤灰渣基质 湿地污水中有机物和氮磷去除率不如高炉渣基质，高炉渣基质对总磷的去除率最 高。石英砂基质虽然去除率一般，但其导水能力最好，水力负荷最高 9 1 1 4 7 1 。 土壤的所有理化性状都可能影响到它对污水的处理效果，其中最重要的影响 因子之一要数氧化还原电位e h 。土壤中无机磷等元素有效性与溶解状态也明显 受e h 高低的影响。此外，土壤( e h ) 还会通过影响植物或微生物生长和代谢来 间接影响湿地的去污效果【1 0 1 1 4 8 1 。 潜流式人工湿地中潲化能力沿水流方向逐渐减小【2 0 1 。湿地有机质积累随着基 质中的深度和离入水e l 的距离都呈下降趋势1 4 9 1 1 5 们。 1 7 2 2 温度的影响 水温在2 5 0 左右时湿地处理污水效果最好，低于1 0 * c 时，处理效率会明显下 人工湿地处理城镇生活污水中b o d 和三氮效率研究 降，所以一般夏天的处理效果要好过冬天，但温度高于3 0 又会对硝化与反硝化 过程产生抑制。但y a n g 等发现，当湿地运行一段时间( 如3 年) 后，去污率基 本不受环境因子( 如温度、进水流量等) 的影响【1 0 】。b a v o r 等研究表明，在湿地 处理b o d 的一级反应中温度的影响不大。j e n s s e n 等研究表明，低温情况下，植 物根际微生物个体活性虽然减弱但其总数却有所增加。此外，冬季水体的溶解氧 浓度也比高温季节高，有利于微生物降解有机污染物，而且冬季不溶性有机污染 物易于絮凝，从而有利于被基质过滤去除【5 “。 1 7 2 3 湿地植物 湿地不同种类植物之间存在竞争作用，包括对光、水、营养等环境因素的竞 争以及植物之间通过释放化学物质，影响周围植物的生长。某些植物的凋落物经 水淋或微生物的作用也会释放出化学物质，抑制自身的生长。如芦苇腐烂后产生 的乙酸、硫化物等会抑制芦苇本身的生长发育，造成芦苇衰退【4 6 1 。a m s t r o n g 等认 为植物体腐烂、超负荷有机污染物冲击或富营养化等产生的植物毒素( 如有机酸、 硫化物等) 在芦苇组织中的富集是引起芦苇衰退的主要原因【9 1 。 高浓度的n 、p 污水影响植物的正常生长。原因是植物大量地吸收并积累了 n h 4 + 而引起的单盐毒害作用。当污水中凯氏氮的浓度达至t j 5 4 5 m g l ( 或氨氮 2 4 7 m g l ) 时，人工湿地中的香蒲叶将枯黄或致死，且短期内难以恢复【s 2 】。 不同的植物种类以及植物不同的部位、不同生长期吸收能力不相同，且吸收 能力随污水浓度升高而增强。植物生长期湿地对n 和p 的去除效果高【5 3 】【5 4 】。季节 性和挺水植物比一年生植物和沉水植物具有更高的去除营养物的能力”1 1 4 6 】f 5 5 】。 植物能吸附、富集重金属p b 、e d 、h g 、a s 、c a 、c r 等，其吸收积累能力为 沉水植物 飘浮植物 挺水植物。植物不同部位吸收污染物的浓缩倍数不同，一 般根 茎 叶。植物对污染物的吸收以被动吸收为主，增加植物和废水的接触时 间，可增强植物对污染物的去除率唧【1 2 】 5 6 1 。 湿地植物有发达的通气组织，以利于0 2 在体内运输并传送到根区，满足植 物在无氧环境中的呼吸需要，同时促进根区的氧化还原反应与好气微生物的活 动。湿地植物还影响水的运动，植物密度与生长状况会影响水流的速度，从而带 1 0 人工湿地处理城镇生活污水中b o d 和三氨效率研究 来污水中污染物吸附与沉降的差异10 1 m 。植物根系有疏导水流与传递氧气的功 能，但植物生长过度、根系过于发达则可使湿地系统内部空隙度下降，导致水流 不畅，减少了长期停留于湿地系统的水量，从而不利于污水净化儿”1 。 目前，各国湿地研究者进行了一系列的植物处理污水的研究：两栖榕人工湿 地对t n ，t p ，c o d c r 和b o d 5 的去除率分别为5 4 2 、4 0 9 、7 2 4 和7 4 - 3 ， 与无植物系统相比较，去除率分别提高了1 7 、1 2 、1 0 8 t l1 1 1 5 引。种植风车 草的潜流型人工湿地对t n ，t p ，c o d c r 和b o d 5 的去除率分别为6 4 、4 7 、 7 4 和7 4 ，与不种植物的人工湿地相比，t n ，t p ，c o d c r 和b o d 5 的去除率分 别提高了2 8 、1 9 、1 4 和1 3 【3 ”。复合生物湿地系统( 导流生物氧化沟) 在治 理天然橡胶废水实际运用中，能使废水中的主要污染指标大大下降，s s 、