（环境科学专业论文）复合生态技术处理农村生活污水的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ep r o m p td e v e l o p i n go fs o c i e t ya n de c o n o m y ，a n dt h ec o n t i n u o u s i n c r e a s i n go ft h ea m o u n to fs e w a g e ，s e r i o u sp r o b l e m so fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni n t h ec o u n t r y s i d eh a v eb e e nc a u s e d c o n s i d e r i n gt h eh i 曲c o s to fc o n s t r u c t i o na n d o p e r a t i o n , t h et r a d i t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sn o ts u i t a b l e i nt h er u r a la r e a t h e r e f o r e ，an e wd i s p e r s i v es e w a g em a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi sn e c e s s a r yt ob e d e v e l o p e di nt h ev i l l a g e w ed e v e l o p e dt h eh y b r i de c o s y s t e mt e c h n o l o g yt od e a lw i t h t h es e w a g ei nt h er u r a la r e a , b a s e do nt h ea c t u a lc o n d i t i o ni nt h ec o u n t r y s i d ef o r d i s p e r s i v ew a s t e w a t e r t h es y s t e m i s c o m p o s e d o fa n a e r o b i c r e g u l a t i n g - p o o l ， c o m p l e xs o i lf i l l i n gs y s t e ma n df r e ew a t e rs u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d 1 1 1 ep o l l u t i o n r e m o v a le f f e c to ft h es y s t e mw a sm o n i t o r e d ，i no r d e rt oi m p r o v et h et e c h n o l o g yi nt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h em e c h a n i s mo fn i t r o g e nr e m o v a lw a sa l s os t u d i e di nt h e l a b o r a t o r yd u et oi t sr e l a t i v e l yl o w e re f f i c i e n c yc o m p a r e dt or e m o v a lo fc o da n dt p t h r o u g ht h ec o m p l e xs o i lf i l l i n gs y s t e m i nx i nm ic i t y ，t h ep l a n to p e r a t i o ni n d i c a t e dt h ef o l l o w i n gp o i n t s ( 1 ) a n a e r o b i c r e g u l a t i n g - p o o li s e s s e n t i a ls t r u c t u r e n 0 to n l yi tp l a y e dar o l et ou n i f o r mw a t e r q u a l i t ya n db a l a n c eq u a n t i t yo fw a s t ef l o w ，b u ta l s oh a da no b v i o u sr e m o v a le f f e c to f d i f f e r e n tp o l l u t a n t s b e c a u s eo fi t su n d e r g r o u n dd e s i g n ，t h er e g u l a t i n g - p o o lw a sl e s s a f f e c t e db yt e m p e r a t u r ec h a n g e si ns u m m e ra n dw i n t e r , t h er e g u l a t i n g - p o o la v e r a g e r e m o v a lr a t e so fc o d e r , t n ，n h 4 + - na n dt pr e a c h e d5 3 9 6 ，4 1 5 5 ，4 2 1 9 ， 4 8 7 5 a n d5 0 9 0 ，4 3 1 0 ，4 2 9 3 ，5 1 5 1 ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) t h ec o m p l e xs o i l f i l l i n gs y s t e m ( c s f ) w a sb u i l tu n d e rt h eg r o u n ds ot h a ti tw a sl e s sa f f e c t e db yt h e f a c t o r so fe x t e r n a le n v i r o n m e n t c o n s e q u e n t l y ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t s w a sf m ea n ds t a b l e 1 1 1 ep hv a l u eo ft h es e w a g ew a sd i s c h a r g e di n t ot h ec s fw a s b e t w e e n7 5 0 7 8 0i ne a c hs e a s o n mw a t e rt e m p e r a t u r ew a sb e t w e e n2 5 4 0 2 8 3 0 a n d1 2 0 0 1 4 6 0 i ns u m m e ra n dw i n t e r r e s p e c t i v e l y n 坨c s f a v e r a g er e m o v a lr a t e so f c o d e r ，t n ，n h 4 + - na n dt pw e r e6 3 5 4 ，4 9 5 7 ，5 5 4 6 ， 8 5 3 3 a n d7 2 7 2 ，4 6 1 9 ，5 3 5 7 a n d7 3 9 2 i ns u m m e ra n dw i n t e r , r e s p e c t i v e l y ( 3 ) t h et r e a t m e n te f f e c to ff r e ew a t e rs u r f a c es y s t e mw a si n f l u e n c e db y e x t e r n a lf a c t o r ss ot h a tt h er e m o v a lr a t e so fc o d e ra n dt pr e a c h e do v e r4 0 i ne a c h s e a s o n , b u tt h er e m o v a lr a t e so ft na n dn h 4 + - nw e r ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yi n w i n t e rd u et ot h el o w e rt e m p e r a t u r ei nw i n t e r ( 4 ) t h et r e a t m e n te f f i c i e n c yo f p o l l u t a n t so ft h eh y b r i de c o s y s t e mw a sq u i t eg o o d n 圮r e m o v a lr a t e so fc o d e ra n d i i t pw e r ea b o v e9 0 a n dt h et na n dn h 4 + j nr e m o v a lr a t e sw e r ea b o v e7 0 a n d 8 0 r e s p e c t i v e l y o v e r a l l ，t h ec o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t a n t sc a ns t e a d i l ym e e tt h e r e q u i r e m e n to fw a s t e w a t e rd i s c h a r g e ( g b 18 918 2 0 0 2 ) i no r d e rt os t u d yn i t r o g e nr e m o v a lm e c h a n i s mo fc s fs y s t e m ，w ea l s od i d e x p e r i r n e n tw i t hs i m u l a t i o nd e v i c e st oa n a l y s i st h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s n l er e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h es y s t e mh a dt h eb e s tr e m o v a le f f e c to fn i t r o g e nd u et oa p e r f e c t e f f e c to fn 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 h e ns e tt h es a t u r a t i o nl i n ea t4 0c m 1 1 1 e r e m o v a lr a t e so fn h 4 + - na n dn 0 3 。j nw e r ea b o v e4 0 w h e ns e tt h es a t u r a t i o nl i n ea t 0 c m ，t h ed e n i t r i f i c a t i o nr e a c t i o n sw e r en o ts u f f i c i e n tr e l a t i v et on i t r a t i o nr e a c t i o n ss o t h a tn 0 3 - ni n t h ee m u e n ti sh i g h e r w h e ns e tt h es a t u r a t i o nl i n ea t6 0 c m , t h e n i t r a t i o nr e a c t i o n sw e r en o ts u f f i c i e n t r e l a t i v e t od e n i t r i f i c a t i o nb e c a u s eo ft h e d e f i c i e n c yo fo x y g e ni nt h es y s t e m ，a n dt h en h 4 十- na n dn 0 3 。nr e m o v a lr a t e sw e r e 3 1 5 8 a n d7 5 0 1 ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：e c o l o g i c a lt e c h n o l o g y , d o m e s t i cs e w a g e ，c o m p l e xs o i lf i l l i n g s y s t e m ，f r e ew a t e rs u r f a c ew e t l a n d ，m e c h a n i s mo fn i t r o g e n r e m o v a l i i i 绪论 第1 章绪论 国家环保部发布的( ( 2 0 0 8 年环境统计年报显示，2 0 0 8 年全国废水中化学 需氧量( c o d ) 排放量为1 3 2 0 7 万吨【l 】，比上年下降4 4 ，其中；工业废水中 化学需氧量排放量4 5 7 6 万吨，工业化学需氧量排放量占化学需氧量排放总量的 3 4 6 。生活污水中化学需氧量排放量8 6 3 1 万吨，比上年下降o 9 生活化学需 氧量排放量占化学需氧量排放总量的6 5 4 。同期，全国废水中氨氮( n h 3 - n ) 排放量1 2 7 0 万吨，其中，工业氨氮排放量2 9 7 万吨，工业氨氮占氨氮排放总 量的2 3 4 。生活氨氮排放量9 7 3 万吨，生活氨氮占氨氮排放总量的7 6 6 同 期我国城镇污水处理率不足7 0 ，与发达国家相比有很大差距，因此，对于我 国这样一个水资源严重短缺、环境污染严重的国家，加快污水治理的步伐、提 高水资源循环利用率已势在必行。随着农村经济的发展以及城市污染向农村的 转移，占我国绝大面积的农村面临着越来越严峻的环境保护形势，尤其是生活 污水的任意排放不仅导致地下水的污染，而且加重了河流、湖泊等地表水的污 染，同时导致病原体的转播，严重影响了人们身体健康与生活质量。这些状况 相悖于我国社会发展整体要求以及新时期农村建设要求。农村水污染治理将直 接影响我国绝大多数人和地区的环境质量。当前应用最广泛活性污泥处理技术 由于投资大、建设周期长、耗能高、运行管理复杂适用于大中城市污水治理， 不适合农村地区分散性污水治理，而投资少、耗能低、易管理的复合生态污水 处理技术是一种非常好的替代方案。 1 1 厌氧折流板反应器概述 1 1 1 厌氧折流板反应器简介 厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r , a b r ) 是由美国斯坦福大学的 m c c a r t y 等人于上世纪八十年代初提出的一种高效厌氧反应器【2 1 。它集上流式厌 氧污泥床和分阶段多相厌氧反应器于一体，不仅大大提高了厌氧反应器的复合 和处理效率，而且还增强了反应器的稳定性以及抗外来因素( 有毒有害物质， 绪论 高污染负荷等) 冲击能力，是水污染防治领域一项新技术。 1 1 2a b r 反应器工作原理 在反应器内部设竖向导流板( 图1 1 ) ，将反应器分割成几个串联的反应室， 每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥反应床，污泥以颗粒状或絮凝形式 存在。由于导流板的作用使污水上下折流前进，在上下流动过程中，污水与污 泥床层充分接触，水中的污染物被污泥中的微生物充分降解得以去除。借助于 水体流动和反应过程中产生的气体，室内的污泥做上下膨胀和沉降运动，由于 导流板的阻挡以及污泥自身的沉降作用导致其在水平方向流动缓慢，保证了格 室中的污泥浓度即微生物数型】。由此可见，虽然在结构上a b r 可以认为是多 个上流式厌氧污泥床系统( u p - f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ，u a s b ) 的简单串联 5 1 ，但在工艺上截然不同于后者，a b r 整体上更接近于推流工艺，而u a s b 可 以被近似认为是完全混合式。a b r 不仅具备良好的复合流态特性，而且还是一 个多相运行反应器1 6 j 。 a b r 独特的分格式结构使得每个反应格室中可以驯化培养出与该反应室内 污水水质、环境条件相适应的微生物群落，从而使厌氧反应产酸相和产甲烷相 沿水平流方向得到分离，a b r 系统在整体性能上相当于一个两相厌氧反应器。 普遍认为，两相厌氧工艺通过产酸相和产甲烷相的分离，产酸菌和产甲烷菌可 以在各自的最适应环境中生存，有助于提高微生物的活性和反应器的处理效果 及其稳定性。 表1 - 1a b r 反应器的优点 2 绪论 进水 山个0个山个山个山1 、。 图1 - 1a b r 反应器常用结构形式 1 1 3a b r 工艺操作条件选择 沼气 出水 正确合理的工艺操作不仅可以保证系统健康稳定的运行，而且可以提高系 统的处理效果，主要考虑以下几个方面：( 1 ) 启动方式选择：厌氧反应器的启 动方式有两种，一是固定进水中基质浓度，逐渐缩短水力停留时间( h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ，h r t ) 。二是固定h r t 逐渐增加进水基质浓度。wpb a r b e r 【7 】等 研究表明，a b r 采取第一种启动方式较好，即固定基质浓度逐步缩短h r t 。a b r 通常采用较低的初始负荷，以有利于污泥的生长与成熟，较长的h r t 启动，反 应期内的气液上升流速较小，可以较少污泥的流失，保证室内的产甲烷菌数量。 ( 2 ) 温度：温度是影响厌氧反应重要因素之一，在特定范围内，提高温度不仅 可以加快有机物的分解，还可以降低污泥混合液的粘度，这将直接导致有机物 在废水中的沉降和扩散缓慢，悬浮性和胶体性的c o d 降解困难【8 1 ，处理效果降 低。sn a c h a i y a s i t 9 研究发现，在中等负荷条件下，温度由3 5 降低到2 5 时， a b r 反应器的处理效果没有明显变化，但是当温度继续降低到1 5 时其降解效 率明显降低，原因就是低温降低了细菌的活性以及可溶性细胞代谢产物的增加。 反应器应该在高温条件下启动，待反应器成熟后【1 0 】可以在相对低温条件下持续 运行。( 3 ) p h 值与碱度：p h 值是影响厌氧反应的重要因素之一，只有在p h 接近 中性条件下产甲烷过程才能有效进行【l l 】，p h 高于8 o 或者低于6 3 时反应速率 将大大降低。碱度的作用是中和产酸阶段产生的挥发性脂肪酸，使系统建立有 效的缓冲能力，根据具体情况可加入一定量的n a 2 c 0 3 。( 4 ) h r t h r t 直接 影响a b r 对c o d 的去除效率峭j ，不同的h r t 决定了不同的污水上升流速，而 上升流速又决定了泥水的混合程度。对于低浓度废水建议采用较短的h r t ，以 3 绪论 缓和反应器后部污泥基质不足的问题，但是h r t 也不宜过短，如果停留时间过 短容易造成反应器内产生沟流现象，不仅处理效果降低还会造成污泥的流失。 处理高浓度废水时建议采用较长的h r t ，因为，此时产气是促进泥水混合的主 要因素，上升流速的可控范围较宽，过短的h r t 容易造成污泥流失。( 5 ) 回 流：将反应器的出水回流是提高水力负荷的常用方法，同时还可以解决反应器 前端由于挥发脂肪酸过多引起的p h 降低及稀释有毒有害物质，并可以在处理蛋 白质废水时抑制丝状茵的生长。但是，另有研究表明尽可能不用回流，因为不 合理的回流将加剧反应器内液体的混合，改变水力流态增加死区容积【l 二1 3 】。另 外，回流将造成反应器内趋于单相状态，破坏产酸菌和产甲烷菌各自的生存环 境以及两者相互协同的功能。 此外，挥发性脂肪酸( v f a ) 浓度，容积负荷、进水方式、有机负荷等也是a b r 运行过程中需要注意的事项。 1 2 复合土壤填料系统概述 1 2 1 复合土壤填料系统简介 复合土壤填料系统( c o m p l e xs o i lf i l l i n g ，c s f ) 是在土壤渗滤系统的基础上 发展起来的一种新兴的污水处理技术。传统土壤渗滤技术由于渗透性差导致水 力负荷较低，处理能力有限，占用土地面积大，本文研究的c s f 技术，利用多 种渗透性较好的材料按照不同比例配制而成，提高了系统的水力负荷以及处理 效果，节省了土地面积。原污水经过预处理之后被均匀的分配到c s f 系统中， 在重力和复合土壤填料毛细管力作用下做扩散运动，在迁移过程中污染物通过 机械截留、吸附作用、化学沉淀、植物吸收以及微生物的降解作用得到去酬1 4 1 。 c s f 系统具有投资少、管理简便、运行费用低、处理效果好、建在地下受外界 恶劣天气影响较小、没有臭味不影响周围环境等优点，在国内外越来越受到重 视【1 5 1 。 4 绪论 1 2 2c s f 系统净化机理 污水在c s f 系统中的净化过程非常复杂，包括物理、化学、生物等多种作 用，总体可以分为生物机制和非生物机制【1 团，在系统运行初期或系统启动阶段， 由于微生物的数量比较小、种类不够丰富，净化作用以非生物机制即物理、化 学作用为主导，污染物通过过滤沉淀、离子交换以及氧化还原反应等途径得到 去除。当系统运行成熟后，微生物的数量和种类大大增加，微生物降解等生物 机制也随之占主导地位【l 刀。 ( 1 ) 有机物的去除 在生活污水中颗粒c o d 含量一般比较耐1 8 】，首先：有机物颗粒由于渗滤介 质及其表面微生物的过滤吸附作用而被截留在系统内【1 9 1 ，最终被微生物特别是 好氧微生物降解而得以去除 通过填料的机械过滤与吸附作用将有机物从污水中去除，此处的吸附主要 有两个方面的内容：一是填料中的介质颗粒对悬浮物和溶解性有机污染物颗粒 的吸附作用，二是填料颗粒表面的生物以及介质颗粒之间的生物絮体对对有机 污染物的吸附作用。系统对有机物的去除不仅与原水中颗粒性有机物的含量有 关，还与滤料介质的性质有关。滤料介质的表面积越大，孔径越小吸附性就越 好对颗粒有机物去除率就越耐2 0 1 。正是由于填料的这种物理过滤截留和吸附作 用为水中有机污染物的进一步氧化分解与生物吸收创造了有利条件。 a m y l 2 l 】认为，在复合土壤填料系统中，有机物的去除主要靠微生物的降解， 吸附仅占很小部分，在第一步中被填料介质机械截留与吸附的有机物逐步的被 水解成为无机小分子，最终被微生物氧化分解。好氧微生物的分解是有机物去 除的主要途径，在好氧条件下，好氧微生物将有机物分解成中间产物，一部分 中间产物被微生物利用合成自身物质，另一部分则被直接氧化成为无机小分子， 此过程是耗氧过程，需要保证足够的氧气。王书文等瞄】认为b o d 。的去除基本上 都在氧气相对充足的填料表层进行。在系统厌氧环境中，生活污水中少量的大分 子聚合物和表面活性剂被厌氧微生物分解成易于生化降解的小分子物质，使污 水的可生化性加强【2 3 j c o d 降解同化作用大大加快。总的来说，为了提高系统对 生活污水中有机物的去除效果，需要保证系统的透气性，这也是c s f 技术需要 不断完善与发展的方面之一。 ( 2 ) 氮的去除 5 绪论 通常情况下，生活污水中的氮以铵态氮和有机氮的形式存在，氮的去除机 理非常复杂，主要的脱氮途径有：微生物脱氮、填料的吸附以及植物的吸收， 其中；微生物脱氮是c s f 系统中氮的主要去除途径。微生物脱氮分为三个相互 关联的过程： 1 氨化作用即在微生物作用下将污水中的有机氮转化为n i - h + - n ，氨化作用非常 迅速，在一般污水处理设施中都可以完成，所以微生物除氮的关键是硝化反硝 化作用。 2 硝化作用即将氨化过程产生的n h 4 + - n 在好氧的条件下 2 4 1 ( d o 0 5m e l ) 首先氧化为n 0 2 - n 再进一步氧化为n 0 3 - n ，此过程由亚硝化菌和硝化细菌共同 完成，该反应为： n h 3 + 2 0 2 一n 0 3 + h 2 0 + 3 4 6 6 9 k j 硝化过程要求足够的溶解氧浓度，当d o 浓度低时，无机自养的硝化细菌和有机 异养的好氧细菌开始竞争电子受体( 氧为电子受体) ，而有机异养的好氧细菌有 更高的生长速率和细胞生长系数，导致硝化细菌的生长受到抑制。因此低的d o 浓度无法满足n f h + - n 氧化成n 0 3 - n ，从而影响t n ( 或n i - h + - n ) 的去斛2 5 1 。 3 反硝化作用反硝化作用是指在缺氧或厌氧( d o 0 3 o 5m g l ) 条件下， n 0 3 - n 在微生物作用下作为电子受体被还原为n 2 或者n 2 0 ，反应式为： n 0 3 。- - * n 0 2 - n o 胡也o 叱 2 n 0 3 。+ 10 h ( 有机电子供体) 一n 2 + 4 h 2 0 + 2 0 h n 0 2 - + 3 h ( 有机电子供体) 一n 2 + 2 h 2 0 + o h 相比于c s f 系统对有机物和总磷( t p ) 的高效去除，不同系统对氮的去除 效果差别很大，一些处理系统去除氮的效果较差【2 6 之引，也有报道一些系统氮的去 处率达到7 0 , - , 9 0 t 2 9 3 1 1 。 虽然植物生长需要一定的氮，例如植物可以直接利用硝酸氮和铵态氮，但 是植物吸收对总氮的去除率很有限一般不超过总去除率的2 0 t 2 2 1 ，在很大程度 上植物的存在只是为微生物的生长提供了较好的生长环境【3 2 1 ，氮的去除主要还 是通过硝化反硝化作用来完成，依靠植物吸收达到提高系统对总氮去除能力的 空间不大；为系统提供良好的硝化和反硝化条件即好氧和厌氧环境是提高系统 对氮去除的根本途径p 引。 ( 3 ) 磷的去除 有人认为【蚓总磷和无机氮的浓度分别达到0 0 2m g , l 与o 3m w l 的水体，标 6 绪论 志着已经处于富营养化状态。但也有人认为，水体营养物质的负荷量达到临界 值：总磷浓度为0 2 0 5m g ( l a ) ，总氮浓度为5 1 0m g ( l a ) ，即标志着 水体已经处于富营养化状态【3 4 1 。还有人认为【3 3 】只有磷才是防止水体富营养化应 当控制的营养元素。无论是何种观点，由于磷的过度排放导致水体富营养化的 观点得到了众人的普遍认同。 磷的去除机理主要有土壤化学固磷、植物的吸收以及微生物的作用，其中 最主要的作用是土壤化学固磷即土壤对磷的吸附和化学沉淀作用。土壤固定磷 的能力与土壤中金属离子( a 1 、f e 和c a ) 的多少以及土壤的氧化一还原状态和 p h 值有关 3 6 - 3 7 】，土壤中灿、f e 和c a 等金属离子的含量越多，在还原条件和较 高的p h 值条件下有利于土壤固定磷【2 引，土壤作为磷的一个巨大的储存库，对磷 有极强的吸附固定能力，污水中9 9 的磷可被吸附而贮存在土壤中【2 0 】。 ( 4 ) 微生物病原体的去除 o r o n 和m i c h i o 3 9 - 4 0 等研究发现c s f 系统可以有效去除污水中的寄生虫以及 病原微生物，c s f 系统中病原微生物的去除途径主要是：系统的吸附、干燥以 及生物体的吞噬作用等，大量的实践证明，c s f 系统对病原微生物有很好的去 除效果【4 l j ，这在卫生防疫方面较差的偏远农村地区有重要意义。 图卜2 复合土壤填料系统净化机理 7 绪论 1 2 3c s f 系统应用和研究现状 ( 1 ) 工程实例 复合土壤填料相关技术在国外发展的比较成熟，发达国家已经建成了许多 应用工程。虽然我国起步较晚，但是发展很快，在应用复合填料系统处理生活 污水方面取得了显著的成就，各地相继建设了许多类似系统。应用实例( 表1 2 ) 表明，复合土壤填料技术在处理分散型生活污水方面有着自己独特的优势，是 实现环境保护和污水资源化的重要途径之一。 ( 2 ) 理论研究 由于自身独特的优势，c s f 系统越来越受到人们的重视，人们对其理论研 究方兴未艾，主要集中在以下几个方面：填料的组成、填料层的厚度、系统堵 塞、提高氮的去除率以及水力负荷研究方面，近几年由于生物学技术的发展， 有关c s f 系统生化方面的研究逐步的兴起，可能成为未来研究的重点。 表1 - 2 国内外c s f 工程实例 1 2 4c s f 系统存在的问题 c s f 系统虽然有其自身的优势，但也存在着系统堵塞以及除氮效果较差等 问题。 ( 1 ) 系统堵塞 c s f 系统堵塞会降低填料介质的水力传导性能，导致其渗透性降低，随着 8 绪论 污水水位上升，蒸发量增加系统出水量减小，最终导致水资源回收率降低。更 重要的是阻碍了系统的输氧能力，造成系统内部氧气供应不足，好氧微生物数 量和活性降低，氧化分解和硝化反应不彻底，严重影响净化污水效果【4 5 】。c s f 系统堵塞的原因主要有：悬浮物堵塞填料空隙：悬浮物堵塞过程比较迅速， 并且很难恢复，尤其是无机悬浮物造成的堵塞，因此；在进入系统之前，污水 应该在预处理设施中有足够的停留时间以去除悬浮物的含量【4 6 1 。微生物作用 堵塞填料空隙：随着系统的逐步成熟，微生物生长旺盛，研究表明，微生物降 解有机物过程中产生的中间产物即胞外多糖是系统堵塞的主要原因 4 6 4 7 1 ，可以 通过调节污水中的c n 防止此类堵塞的发生【4 引。生化反应产生的气体对系统 的堵塞：在复杂的力学作用下，微生物在厌氧好氧反应过程中产生的c 0 2 、c h 4 、 n 2 等气体，如果不能及时的排除系统，就被分割成数段残留在填料的空隙中形 成“固态”气体，造成空隙中的内压增大，导致污水无法通过，造成系统堵塞【4 9 】。 通过干湿交替，间歇布水的方式可以有效地防止此种堵塞。供氧不足引起的 堵塞：当污水被分配到系统重视含有高浓度的有机物，此时有机物的分解需要 消耗氧气，如果氧气供应不足，一方面导致有机物分解不彻底，造成有机物在 系统中的积累，另一方面，造成氧化还原电位降低，造成系统中微生物的氧化 活性降低口3 1 ，复合土壤填料还原水平高，颗粒有机污染物和微生物的分泌物不 能及时得到降解，它们在复合土壤填料空隙中越聚越多，最终导致复合土壤填 料系统的堵塞。 ( 2 ) 系统脱氮效果较差 相对于c s f 系统对有机物和磷的高效去除，系统对氮去除效率不高，氮的 去除和以下几个方面有关温度：微生物的活性和温度有直接的关系，当温度 降低时硝化和反硝化菌的活性降低，导致它们脱氮效率下降瞄】。碳氮比( c n ) ： 大多数反硝化菌为异养菌，在进行反硝化过程需要消耗能量，因此，必须保证 足够的碳源，合适的c n 是保证脱氮高效的关键，张建【5 0 】等提出中间分流强化 脱氮技术：在系统中部增加补水管，直接引入化粪池出水以增加碳源，达到提 高脱氮的效果。氧化还原条件：即合适的好氧厌氧环境，硝化菌需要在好氧 条件下进行硝化反应，而反硝化反应需要厌氧环境，如何保证好氧厌氧环境是 c s f 系统研究的重要方向。水力负荷：水力负荷过高，导致停留时间不足， 污水中的氮来不及去除就被排除系统。 9 绪论 1 3 1湿地定义 1 3 人工湿地技术概述 湿地指天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭地或者水域地带， 具有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水体，包括低潮时水深不超过六米 的水域喳1 1 。享有“地球之肾”的美誉。 1 3 2 人工湿地的概念和分类 人工湿地是指根据土地处理系统以及水生植物净化污水的原理，人工建成 的具有自然湿地性质的生态污水处理系统。其主要有五部分组成：水、基质、 植物、水生动物以及微生物。人工湿地处理系统可以分为：自由表面流人工湿地 ( 1 臣e ew a t e rs u r f a c e ，f w s ) 和人工潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o w ，s s f ) 5 2 。，而潜流湿 地又可以分为：垂直式潜流湿地( v e r t i c a ls u b s u r f a c ef l o w , v s s f ) 和水平式潜流湿 地( h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o w , h ss f ) 。 ( 1 ) 自由表面流人工湿地：f w s 系统是由水池或槽沟组成，底部及四周挡土墙铺 有防渗材料以防止污水渗透或者污染地下水，污水在其表层流动，水深较浅， 通常在0 1 - 0 6m 之间( 如图1 3 ) 。由于水体较浅不仅阳光可以直接照射到水体底 部，而且底部与表面的营养物质容易进行交换，空气中的氧也容易到达其底部， 因此微生物种类和数量较多，当污水与水生植物的根部接触，污染物被根区的 基质以及附着在其上面的生物膜过滤、吸附最终被微生物降解。 图卜3 表面流人工湿地剖面图 1 0 绪论 由于表面流人工湿地中的构筑物比较简单，所以其优点在于建造费用和运 行费用比较低、管理简便；缺点是水力负荷小，容易滋生蚊蝇并有臭味，环境 卫生不易控制。 ( 3 ) 水平式潜流人工湿地：h s s f 系统的特点是污水从堆积有石子的一端进入系 统，以近似水平流的方式在系统表面以下流向出水口( 图1 - 4 ) ，在此过程中， 污染物得到有效降解。介质系统中的填料一般是水力传导性能较好的材料，水 生植物要求种植维管束类( 芦苇、香蒲等) ，以有利于氧气的输送。 在h s s f 系统中，污水流经介质时，污染物被介质表面的生物膜、丰富的植 物根系、表面土以及填料过滤吸附，最终被微生物降解。因此，h s s f 系统可以 比f w s 系统承受较高的水力负荷。由于污水在此系统中有较长的水力停留时间， 对有机物、悬浮物以及重金属的去除效果更好【5 3 l 。水体在系统表面以下，所以 卫生条件较好，不会产生恶臭，孳生蚊蝇。虽然h s s f 比f w s 投资略大，但由于 其独特的优势，是国际上应用较多的一种湿地系统，不足之处就是去除氮磷的 效果差一些。 图卜4 水平式潜流人工湿地剖面图 ( 3 ) 垂直式潜流人工湿地：v s s f 系统特点是污水在表面被均匀的分配到系统 上部，然后垂直通过介质层( 图1 5 ) 。氧通过空气扩散或者植物输送或者随同 水流进入系统内部，国外情况表明v s s f 系统由于能提供较多的氧气，硝化能力 较强，对铵态氮含量较高的污水去除效果好于h s s f ，但是国内的运行结果却恰 好相反【3 2 1 ，主要的原因可能是在反硝化过程中缺少碳源。相对于h s s f 系统v s s f 1 1 绪论 系统经常需要较小的面积【5 4 1 ，比较适合于人多地少的我国南方地区，但是需要 较高的技术支持和建设费用【5 5 1 。 布 图卜5 垂流式潜流人工湿地剖面图 1 3 3 人工湿地净化机理 人工湿地系统是一个复杂的生态系统，污染物在物理、化学以及生物协同 作用【5 6 j 下得以去除，有机污染物的去除主要依靠基质与土壤中微生物的降解， 悬浮物由于基质的过滤得以去除，氮的去处主要途径是微生物的硝化反硝化作 用【5 刀，磷的去处主要依靠化学沉淀和植物的吸收，也有人认为植物生长对磷的 去除扮演一个次要的作用【5 5 1 。人工湿地的净化机理主要有以下三种： ( 1 ) 基质的过滤吸附作用：污水进入湿地后，污水中的固体颗粒与基质发生碰撞 并被吸附，由于湿地床中的土壤长时间被水浸泡，许多区域形成了土壤胶体， 土壤胶体本身具有极大的吸附功能，能够截留与吸附污水中的悬浮物，起到净 化污水的作用。 ( 2 ) 湿地植物的作用：植物是湿地系统的重要组成部分。虽然对植物在湿地中的 作用存在争论【5 卯，但经验表明：种有植物的湿地比无植物的湿地具有较高的污 染物去除能力，可能的原因：在植物的根部参与光合作用的一部分氧气被允 许转移到根周围区域，参与微生物降解污染物的活动中。因为植物的根部有 较大的表面积，大量的微生物栖息于此处，并且根部区域微生物的氧化还原电 绪论 位和硝化速率都要高于无植物生长区域的微生物。每个植物的根部都可以被认 为一个微小的好氧缺氧处理系统。植物对污染物的吸收作用。 ( 3 ) 微生物的降解作用：微生物是湿地系统中污染物降解的主力军。污水流经 系统时，湿地床、植物根部以及介质表面附着的微生物通过各种机理净化水质。 好氧微生物通过呼吸作用将废水中的大部分有机物分解成二氧化碳和水，厌氧 微生物将有机物分解成二氧化碳和甲烷，硝化细菌将n h 4 + - n 氧化成n 0 3 - n ，而 反硝化菌将n 0 3 - n 还原成n 2 或n 2 0 等等，经过一系列的作用，污水中的有机 污染物一部分得到降解同化构成细胞自身物质，其余部分转换成对环境无害的 无机物。 湿地系统中甚至还生存着一些原生动物和后生动物，甚至某些昆虫也能吞 食系统中沉淀有机颗粒物，然后进行同化在一定程度上起到了净化水质的作用。 1 3 4 湿地植物的选择 虽然植物在人工湿地中的作用存在争论，有人研究发现在湿地系统中仅 2 8 8 3 2 8 的氮能被植物吸收利用【5 5 1 ，另有报道称不同的水生植物对磷吸收能 力不同，相同植物不同部位磷的积累也不同，磷无规律的转移表明：磷在有机 体内的积累受有机体的种类及其生长环境有关，该研究还表明植物自身的吸收 对磷的去除是非常有限的【5 引，但是经验表明，有植物生长的人工湿地的确较无植 物生长的人工湿地净化效果要好。植物存在的意义在于：改变了湿地系统中的 微环境，增强了其它途径对污染物的去除，间接地增强了湿地系统去除污染物 的能力，从这方面讲，植物的存在是非常重要的，水生植物的选择一般考虑以 下几个方面【5 9 】： ( 1 ) 要求具有良好的生态适应能力和生态营建功能 管理简单方便是湿地生态系统的重要特点之一，若能筛选出生长量小，净 化能力强的植物将会给管理尤其是植物后处理带来很大方便，一般以当地植物 为主。 ( 2 ) 具有很强的生命力和旺势的生长 抗冻、抗热性抗病虫害能力对当地环境( 气候、土壤以及其他植 物) 的适应能力。 ( 3 ) 必须有很强的耐污染能力 绪论 由于植物长时间浸泡在水中，各种污染被其根区的微生物降解，因此，必 须选择根系发达，在污水中长势良好的植物。 ( 4 ) 生长期长、冬季半枯萎或常绿植物 尤其是在我国北方地区，夏季过后植物生长逐渐减弱，到了冬季开始枯萎 甚至腐败，导致植物的净化功能下降，所以最好选用常绿型的植物。 ( 5 ) 对当地生态环境不构成安全隐患，具有生态安全性 ( 6 ) 具有一定经济、观赏价值 如果污水中不含有有毒有害的成分，植物成熟收割后可以用来加工饲料、 生产沼气、用作肥料等。 1 3 5 人工湿地研究现状 人工湿地属于土地处理法的一种，我国早在古代就已经开始应用。但是最 早开始公开报道的是在1 9 0 4 年由澳大利亚人b r i a nm a c k n e y 提出【5 2 】，上世纪五 十年代，德国人d r l k a t h es e i d e l 发现芦苇对有机物和无机物有很强的去除能力， 到了六十年代，研究人员开始从实验室小规模研究推广至大规模实验研究用于 处理生活污水、工业废水，湖泊水以及地表径流。到了上世纪六十年代中后期， 根据d r s e i d e l 的理论，荷兰开发出一种现称为l e l y s t a dp r o c e s s 的处理系统并在 全国大规模推广。d r l s e i d e l 与d r l k i c k u t h 合作并由后者于1 9 7 2 年提出了著名 的“根区理论 ，这一理论及大地推动了人工湿地的建设 6 0 1 。七十年代之后， 研究人员在应用过程中逐渐发现人工湿地存在着一系列的缺陷，人们开始对人 工湿地的建设变得谨慎，在以后的几年中，科研人员逐步的解决了大部分技术 难点，使湿地技术更加完善与成熟。上世纪八、九十年代在欧美相继召开了关 于人工湿地的研讨会，提出了许多关于湿地的净化机理和处理系统建设的参考 规范与数据。1 9 9 6 年第四届国际研讨会的召开标志人工湿地作为独特的污水处 理方法进入了水污染控制领域【6 1 1 。目前，在欧美有大量的人工湿地系统被用来 处理市政、工业和农业废水，但是遇到的主要问题就是潜流湿地容易堵塞例。 我国人工湿地工程虽然起步较晚，但是发展非常迅速，自上世纪八十年代 第一座湿地系统建成后全国各地相继建成了许多湿地系统，1 9 8 9 年北京昌平建 成的自由表面流人工湿地用来处理生活污水和工业废水。结果表明，处理效果 好于传统的二级处理工艺。9 0 年代初深圳市白泥坑湿地示范工程1 6 2 j 的建设，为 1 4 绪论 我国人工湿地建设提供了大量的参考数据。1 9 9 6 年山东省胶南市湿地工程建成， 用于处理工业废水和生活废水( 两者体积比值为1 ：4 ) 取得了很好的生态效益【6 3 1 。 1 9 9 7 年内蒙赤峰宁城污水处理厂的建成为人工湿地污水处理技术在我国北方地 区的研究和应用提供了依据畔】。成都活水公园建设使人工湿地的生态和社会效 益得以充分展示。2 0 0 6 年郑州市郑东新区人工湿地建成，总面积为4 万i n 2 ，日 处理污水l 万吨，出水水质达到国家地表水二类水质标准已经成为中央商务区 一道靓丽的风景。同时郑州市政府规划投资数亿元利用人工湿地技术对境内贾 鲁河进行全面治理。 人工湿地已经被广泛用于处理农村生活污水、市政废水、工业废水、养殖 废水、垃圾渗滤液、面源污染以及对已经遭受污染的湖泊或河流进行修复等众 多方面。 1 s 2 试验内容及研究