（环境科学专业论文）坡地潜流人工湿地处理养牛场污水试验研究.pdf

study on sloping-subsurface flow wetland for treating cattle sewage a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by cai mingkai supervisor: prof. deng chunguang major: environmental science college of urban construction and environmental engineering of chongqing university april, 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 本文综合分析了湿地科学和人工湿地污水处理技术的国内外研究进展，提出 了研究的目的和意义。传统的潜流人工湿地被称为厌氧床，传氧的限制制约了污 染物的进一步去除。本文从氮的降解着手，提出了分步硝化反硝化的两相脱氮工 艺。整个系统由布水沉淀池、三级好氧湿地、一级厌氧床和一投放大薸和白鲢的 稳定塘组成。各级好氧湿地间存在少许高差并由溢流堰连接，长宽比相对较小且 局部覆土；厌氧床长宽比较大且水深较高。湿地填充石灰石基质，湿地植物选用 水葱和香蒲。经过近半年的运行得到如下结论： 比起水葱，香蒲草能更好的适应重庆长江沿岸的生长环境，由于长江沿岸 时常有较强的风力，中空且高细的水葱容易被吹倒。 石灰石基质在 10cm/d、20cm/d、40cm/d 三种水力负荷下均能将 ph 值 7.0 以下的系统入水有效缓冲至 7.4-7.7。 溢流堰跌水曝气的系统，能使污水有效复氧。溶解氧为 0.2mg/l 左右出水 经过曝气可上升至 4.0mg/l 左右。三级曝气总复氧量约为 12mg/l，入水浓度大则 不利于复氧。 当水力负荷为 20cm/l 时，总氮(tn)的平均入水浓度为 6.67mg/l，平均去 除率为 89.4， 总磷(tp)的平均进水浓度为 3.541mg/l， 平均去除率 82.8。 codcr 平均入水浓度为 343.1mg/l，系统平均去除率为 85.4。在水力负荷为 40cm/d 的 工况下运行，系统仍保持了较高的去除率。 在 20cm/d、 40cm/d 两种水力负荷下， 叶绿素 a 平均出水浓度值为 8.07g/l， 平均去除率为 58.5。在两种水力负荷下，系统对浊度的去除相对稳定，出水浊 度 4.83ntu，平均去除率 62.7，进出水值成正相关性。 浮水植物大薸适合运用于人工易于控制的小范围水面。产出的大薸可以作 为辅助的鸡饲料，在投入 50 元人民币的情况下，产出约 150 元人民币，具有生态 和经济的双重功效。 tn、tp、codcr三种污染物有在本湿地系统中的降解都较好的遵循一级动 力学模型(r2均大于 0.9)。通过降解方程的斜率，求出了 tn，tp，codcr基于面积 的一级动力学去除速率常数值，分别为 100.1、59.9 和 118.0m/y。为同类湿地的设 计提供理论参考。 文章最后做了湿地工程面积计算举例，并提出了进一步研究的方向。 关键词：潜流人工湿地，溢流堰曝气，大薸，一级动力学，速率常数 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract the paper reviews the wetland science and constructed wetland sewage treatment technologies at home and abroad , raised the purpose and significance of research. unlike conventional biological wastewater treatment technology, natural transmission oxygen supply play an important role in the process of degradation of pollutants. traditional undercurrent wetland known as anaerobic bed,oxygen-restricted restricted the removal of pollutants further. the paper start on the degradation of nitrogen, proposed a step-by-step nitrification and denitrification of the two-phase denitrification process.the entire system is composed of water distribution sedimentation tanks, three aerobic wetlands, an anaerobic bed and a stabilization pond put pistia stratiotes l and silver carp.there are some elevation difference between every aerobic wetlands and connect through overflow weir,small aspect ratio and the local soil, anaerobic bed high aspect ratio and greater depth .wetlands filled limestone matrix and planting cattail and scirpus crassipes.after nearly six months of operation come to the following conclusions: compared scirpus crassipes, cattail can better adapt to the growth along the yangtze river in chongqing environment because along the yangtze river often strong winds and high hollow thin scirpus crassipes easily be blown over. 10cm/d, 20cm/d, 40cm/d three hydraulic loading, limestone can be ph value of less than 7.0water rose to 7.4-7.7. overflow weir drop water aeration system, which enables the effective sewage reoxygenation.do 0.2 mg/l effluent around through aeration can be increased to 4.0mg/l around.3-oxygen aeration total of about 12mg/l, the concentration of water is not conducive to reoxygenation. when the hydraulic loading of 20cm/l, the average tn concentration of influent water is 6.67mg/l,the average removal rate was 89.4%;the average tp influent concentration of 3.541mg/l, with an average removal rate of 82.8%;average codcr influent concentration of 343.1mg/l, with an average removal rate was 85.4%.in the hydraulic loading of 40cm/d, every export value have a certain degree of fluctuation, but still maintained a high removal rate. 20cm/d, 40cm/d two hydraulic load, the average effluent concentration of chlorophyll a value of 8.07 g/l, with an average removal rate was 58.5%.in both hydraulic loading, the system of turbidity removal is relatively stable, and the effluent 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii turbidity 4.83 ntu, the average removal rate of 62.7%, influent and effluent values of a positive correlation. floating plants pistia stratiotes l is suitable for the application of easy control small-scale surface.pistia stratiotes l outputs can be used as the auxiliary chicken feed. 50 yuan invested , the output of about 150 yuan, with ecological and economic effects of the double. the degradation of tn, tp, codcr in the wetland system are better follow first-order kinetic mode (r2 are greater than 0.9).through the slope of degradation equation,obtained tn, tp and codcr based on the size of first-order kinetic removal rate constant value, respectively 100.1,59.9and118.0m/vide a theoretical reference to similar wetlands design the article finally done a project area of wetland example, and put forth suggestions for further research directions. keywords: subsurface flow constructed wetland, aeration over flow weir, pistia statiotes l, first-order kinetic mode, rate constants 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 湿地概述湿地概述 . 1 1.1.1 湿地 . 1 1.1.2 人工湿地 . 1 1.1.3 人工湿地的类型 . 2 1.2 人工湿地处理工艺人工湿地处理工艺 . 4 1.2.1 人工湿地净化机理 . 4 1.2.3 影响人工湿地处理效果的因素 . 6 1.2.4 人工湿地动力学模型 . 8 1.3 国内外人工湿地研究进展国内外人工湿地研究进展 . 10 1.3.1 人工湿地发展简史 . 10 1.3.2 国内人工湿地研究现状 . 11 1.3.3 国外研究现状 . 14 1.4 课题的提出及其实用意义课题的提出及其实用意义 . 15 1.4.1 课题的提出 . 15 1.4.2 研究的目的及意义 . 16 2 实验设计与实验内容实验设计与实验内容 . 17 2.1 实验场地概况实验场地概况 . 17 2.2 试验方案试验方案 . 17 2.3 构筑物设计构筑物设计 . 18 2.3.1 布水沉淀池 . 18 2.3.2 多级串联溢流湿地反映器设计 . 18 2.3.3 湿地植物的选择 . 19 2.3.4 稳定塘的设计 . 20 2.4 实验运行及实验内容实验运行及实验内容 . 21 2.5 试验测试指标、测试方法及监测频率试验测试指标、测试方法及监测频率 . 22 3 实验结实验结果与分析果与分析 . 23 3.1 水葱和香蒲的生长情况水葱和香蒲的生长情况 . 23 3.2 湿地系统运行结果分析湿地系统运行结果分析 . 25 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 3.2.1 污水的 ph 值变化 . 25 3.2.2 溶解氧的变化分析 . 27 3.2.3 系统对 tn 的去除效果分析 . 29 3.2.4 湿地系统对 tp 的去除效果分析 . 31 3.2.5 湿地系统对 cod 的去除 . 33 3.2.6 系统对叶绿素 a 的去除 . 35 3.2.7 系统对浊度的去除 . 36 3.2.8 小结 . 37 3.3 稳定塘运行结果分析稳定塘运行结果分析 . 38 3.3.1 水生动植物生长状况 . 38 3.3.2 稳定塘对污物的去除分析 . 40 3.3.3 稳定塘的经济效益分析 . 43 3.3.4 小结 . 43 3.4 与相近湿地系统处理效果对比分析与相近湿地系统处理效果对比分析 . 46 4 基于一级动力学模型的人工湿地设计方法研究基于一级动力学模型的人工湿地设计方法研究 . 46 4.1 一级动力学模型研究一级动力学模型研究 . 46 4.1.1 tn 一级动力学模型拟合及速率常数计算 . 46 4.1.2 tp 一级动力学模型拟合及速率常数计算 . 48 4.1.3 codcr一级动力学模型拟合及速率常数计算 . 49 4.1.4 小结 . 51 4.2 实际工程设计举例实际工程设计举例 . 51 5 结论与建议结论与建议 . 53 5.1 结论结论 . 53 5.2 本文创新点本文创新点 . 54 5.3 研究建议研究建议 . 54 致致 谢谢 . 55 参考文献参考文献 . 56 附附 录录 . 60 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 湿地概述 1.1.1 湿地 湿地系统是由水、永久性或间歇性处于水保和状态下的基质、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。目前被普遍接受的湿地定义为湿地公约的定义：不论其为天然或人工、 长久或暂时性的沼泽、泥炭地或水域地带、静止或流动、淡水、半咸水、咸水体， 包括低潮时水深不超 6 米的水域；同时还包括邻接湿地的河湖沿岸、沿海区域以 及湿地范围内的岛屿或低潮时水深不超米的海体水域。按此定义，湿地包括湖泊、 河流、沼泽、滩涂地、盐湖、盐沼以及海岸带区域的珊瑚滩、海草区、红树林和 河口等类型1。 湿地是自然界最生物多样性的生态系统和人类最重要的生存环境之一，水力 文明和水文文明的建立和发展均以湿地为基础；在人类生存的漫长过程中，湿地 与人类的生存、繁衍、发展息息相关。湿地为人类提供充沛的水自然，为人类提 供了丰富的食物资源。湿地不仅为人类生产、生活提供多种资源，而且具有巨大 的环境功能和效益。湿地是野生动物，尤其是鸟类，最重要的栖息地。国际上将 森林、海洋、湿地并称为全球三大生态系统2。 1.1.2 人工湿地 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 组合的一种新型污水处理净化系统。绝大多数自然和人工湿地由五部分组成： 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(在基质表面上或下流动的水)；无脊椎或脊椎动物； 好氧微生物种群和厌氧微生物种群。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。 目前我国不少污水处理厂投资费用相对较大，存在有钱建设、无钱维护运行 的状况，一些中小城市建设的常规活性污泥法污水处理厂尤其如此。除资金缺乏 外，管理人员难以掌握和操作技术含量高的处理设备也是其不成功的主要原因之 一。可见，解决水污染必须处理好治理费用和效益的矛盾、寻求高效、经济、节 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 能的废水治理和资源化技术是当务之急。人工湿地(constructed wetland，cw)污水 处理技术是 20 世纪七八十年代发展起来的一种污水生态处理技术。由于它能有效 地处理多种多样的废水，如生活污水、工业废水、垃圾渗滤液、地表径流雨水、 合流制下水道暴雨流水，且能高效地去除有机污染物，氮、磷等营养物，重金属， 盐类和病原微生物等多种污染物。同时具有运行维护管理方便，投资及运行费用 低等特点，近年来获得迅速的发展和推广应用3。 人工湿地克服了化学方法净化污水易造成二次污染、物理方法净化污水治标 不治本的缺点，能发挥其投资费用省、运行费用低及运行耗能低和污水处理效果 好的优势。此外，在指导思想上达到用生态的方法处理污水的目的，强调人与自 然和谐相处，融合了自然净化和生物膜法优点，将污水净化、污水资源化及美化 环境有机结合起来，因而在土地资源较为充裕的欧洲国家、美国和澳大利亚等国 得到广泛应用。在某些发展中国家，如中国也非常重视该法，并将其应用于污水 治理中，已取得较好的治理效果4。 1.1.3 人工湿地的类型 人工湿地可按污水在湿地床中流动的方式不同而分为三种类型： 地表流湿地(s urface flow wetland，sfw)、潜流湿地(subsurface flow wetland，ssfw)和垂直 流湿地(vertical flow wetland,vfw)5。 地表流湿地 地表流湿地系统也称为水面湿地系统。在地表流湿地系统 中，污水在湿地的表面流动，水位较浅，多在 0.1-0.6m 之间。这样系统与自然湿 地最为接近，污水从进口以一定深度缓慢流过湿地表面，部分污水蒸发或渗入湿 地，出水经溢流堰流出。sfw 接近水面的部分为好氧层，较深部分及底部通常为 厌氧层，因此具有某些与兼性塘相似的性质，但是由于湿地植物对阳光的遮挡， 一般不会在像兼性塘中藻类大量繁殖的情况。植物的根系和被水层淹没的茎、叶 起 到微生物载体作用，可以在其表面形成生物膜，通过其中微生物的分解和合 成代谢作用，能有效地去除污水中有机污染物和营养物质。这是自由水面型湿地 去除污染物的主要机制。 这种系统难以充分利用生长在填料表面的生物膜和生长丰富的植物根系对污 染物的降解作用，其处理能力较低。同时，这种湿地系统的卫生条件较差，易在 夏季滋生蚊蝇、产生臭味而影响湿地周围的环境；在冬季或北方地区易发生表面 结冰问题及系统的处理效果受温度变化影响大的问题，因而在实际工程应用较少。 但是这种湿地具有投资低的优点。 潜流湿地 潜流湿地系统也称为渗滤湿地系统。在潜流湿地系统中，污水 在湿地床内部流动，因而一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 物根系及表层土和填料截流等的作用，以提高其处理效果和处理能力；另一方面 则由于水流动在地表以下流动，故具有保温性较好、处理效果受气候影响小、卫 生条件好的特点。是目前研究和应用比较多的一种湿地处理系统。但这种湿地系 统的投资要比地表流系统高些。 通过控制水流的连续性,近年来由伯明翰大学提出潮汐潜流人工湿地污染处理 系统。芦苇床被充水和排干交替变换，床体充水过程中空气被挤出，排水过程中 新鲜的空气被带入床内。伯明翰大学最新研究成果表明，当水被排出芦苇床，有 机污染物留在基质内时是氧消耗量最大的时刻。因此，排水过程中进入的新鲜空 气可看作是去除污染物的氧源。通过这种交替的进水和空气运动，氧的传输速率 和消耗量大大提高，极大地提高了芦苇床的处理效果。但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，限制了水和空气在床体内的流动，降低 了处理效果。因此，设计中考虑有备用床交替运行，以便利用闲置期进行生物降 解。 垂直流湿地 垂直流湿地系统中的水流综合了地表流湿地系统和潜流湿 地系统的特性，水流在填料床中基本呈现由上向下的垂直流，水流流经床体后被 铺设在出水端底部的集水管收集而排出处理系统。 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 bod5、codcr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(otc)， 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 codcr、bod5、ss 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6,7。 人工湿地系统是一种正在不断得到研究、应用和发展之中的污水处理实用技 术。由于其具有投资低、处理效果好、操作管理简单、维护和运行费用低等特点， 正越来越多的得到人们的关注。这项技术是适合目前我国国情的一项污水处理技 术，尤其是广大农村地区、中小城镇地区的污水处理。但国内对这项技术的研究 和应用尚处于起步阶段，有关工艺设计资料及应用的实例还不多见，因此有待结 合我国不同地区的具体情况，深入地开展这方面的研究工作，取得适合不同地区、 不同环境气候条件及污水特性的实用数据，以促进其在适当地区的推广应用。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 1.2 人工湿地处理工艺 1.2.1 人工湿地净化机理 基质微生物植物系统 人工湿地处理系统的核心是基质微生物植物系统，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 质微生物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 45-50，且孔隙一半被填充，这样就构成了基质水空气三相体系。基质 饱和渗透系统在 0.06-50cm/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(ss)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被截滤从而去 除，基质层是一个高效的过滤床，其平均粒径为 0.01-0.03mm，相应的孔隙直径为 1.5-4.5m，与水处理的滤池(粒径为 0.5-1.5mm，孔隙最小直径为 77m)相比，截 滤去除污水杂质的能力要提高 20-50 倍。实践表明，经基质层滤过的水其浊度小 于 0.5 度，有的几乎近于零。 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 质层是一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 而去除。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 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。 4) 生物作用过程 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 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8,9,10。 有机物的去除 不溶性有机物以 ss 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 co2、 h2o。 研究结果表明，人工湿地对 bod5的去除率可达 85-95，codcr 去除率可大于 80；城市生活污水通过湿地处理后，出水 bod5在 10mg/l 左右11。 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 nh4-n 和 no3-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 nh4 -n 转化成 nh3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，这相当于许 多连续的 a2o 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 nh4-n 转化成 no2-n 及 no3-n)，反硝化作用才可使氮得以根本去除(使 no2-n 和 no3-n 变成 n2和 n2o 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 6012。 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 atp、dan、rna 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13。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 10mg/l 时， 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 微生物对磷的正常同化去除，仅是进水总量的 4.5-19；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。 1.2.3 影响人工湿地处理效果的因素 植物的影响 植物具有一定的除氮能力，即氮的同化作用。在一般情况下，植物吸收氮量 与系统去除的总氮量相比，约占总去除氮量的 8%-16% 。当系统负荷较低时, 植 物吸收营养物质的作用比较