（环境科学专业论文）模拟人工湿地对暴雨径流的处理研究.pdf

摘要 5 ) 出水水质符合城市污水再生利用景观环境用水水质( g b 厂r 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 和城市污水再生利用城市杂用水水质( g b 厂r1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 中 的相关要求，达到了预期设计的目标。 关键词：人工湿地，暴雨径流，沸石，风车草，美人蕉，芦苇 i l a b s t r a c t a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h e s o u r c e so fw a t e r p o l l u t i o ni n t h ee n v i r o n m e n tb e c o m e i n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e d ，b u tt h em a i ns o u r c e so fi t sp o l l u t i o ni n c l u d ep o i n ts o u r c e p o l l u t i o na n dn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n w i t ht h eg r a d u a lc o n t r o lo ft h ep o i n t - s o u r c e p o l l u t i o n ，n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tf a c t o ri na f f e c t i n g w a t e rq u a l i t yo ft h ee n v i r o n m e n t i nt h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，t h ep o l l u t a n t s t r a n s m i tm a i n l yf r o ms t o r m w a t e rr u n o f fi n t ot h ew a t e rb o d y b e c a u s eo ft h es t r o n g e r o s i o ng e n e r a t e db ys t o r mr u n o f f , al a r g en u m b e ro fp o l l u t a n t sm i g r a t ef r o mt h e e a r t hs u r f a c et ot h el a k e i tn o to n l yp o l l u t et h ew a t e rb o d i e so fd o w n s t r e a m ，a f f e c t t h es u p p l yo fw a t e rs o u r c e s ，r e s u l tw a t e re u t r o p h i c a t i o ni nd o w n s t r e a ma r e a sa n d g r o u n d w a t e rp o l l u t i o n ，d a m a g et h ea q u a t i ce c o - e n v i r o n m e n t ，b u ta l s o r e s u l tt h e d e g r a d a t i o ni nr e g i o n a le n v i r o n m e n t a la n de v e ne n d a n g e rt h eh e a l t ho fh u m a nb e i n g s w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a n d o ma n ds u d d e n ，g r e a tc h a n g e si nw a t e rq u a l i t y ，i t i sm o r ed i f f i c u l tt ot r e a tt h es t o r mr u n o f fb yc o n v e n t i o n a ls e w a g et r e a t m e n t t h e r e f o r e ，w es h o u l ds e l e c tt h ea p p r o p r i a t ea p p r o a c ht od e a lt r e a ti ta c c o r d i n gt oi t s c h a r a c t e r i s t i c s c o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sal o to fa d v a n t a g e ss u c ha sl o wo p e r a t i o n c o s t ，s i m p l ep r o c e s s ，s t r o n gr e s i s t a n c et os h o c kl o a d i n g ，g o o de f f i c i e n c y ，e a s y m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c ea n ds oo n b u ti t a l s oh a ss o m ep r o b l e m ss u c ha s n e e d i n gl a r g el a n d 、e a s yt op l u ga n da f f e c t e db yp e s t sa n dd i s e a s e s c o m b i n i n gw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t o r m w a t e rr u n o f fa n dl o c a lc o n d i t i o n s ，t h i ss t u d yd e s i g n e da n d e v i c eo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d st ot r e a tt h ep o l l u t a n t s w i t hz e o l i t ea sf i l l e r , t h ed e v i c e g r o w s t h r e ek i n d so f p l a n t s ( p h r a g r n i t e s a u s t r a l i s ，c a n n a i n d i c a ，c y p e r u s a l t e r n i f o l i u s ) i no r d e rt of i n dt h eb e s tc o m b i n a t i o no ft h i sd e v i c e ，i tm o n i t o rt h e s y s t e m sp o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c yb yu s i n gt h ed i f f e r e n th y d r a u l i cl o a d i n ga n d h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e t h er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 ) c o m p a r i n gt ot h et e m p e r a t u r el o wt h a n1 5 ，t h e s et h r e ek i n d so fp l a n t s g r o ww e l la n dt h er e m o v a le f f i c i e n to fp o l l u t a n t sb e c o m e sh i g h e ra n dm o r es t a b i l i t y w h e nt h et e m p e r a t u r ei sb e t w e e n1 5 a n d2 8 ； i i i a b s t r a c t 2 ) p l a n t s a n dm i c r o o r g a n i s m sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h er e m o v a lo f p h o s p h o r u s ，a c c o u n t i n gf o r6 0 o ft h et o t a lp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c y i nt h e d i f f e r e n ts i m u l a t o r s ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u si sd i f f e r e n t ，a n dt h eo r d e r i st h a t “c a n n ai n d i c a s y s t e m “b l a n ks y s t e m “p h r a g r n i t e s a u s t r a l i s s y s t e m “c y p e r u sa l t e r n i f o l i u ss y s t e m ” 3 ) t h ef u n c t i o no fp l a n t sm i c r o o r g a n i s m sa n ds u b s t r a t et or e m o v en i t r o g e ni s a l m o s tt h es a m e ，t h et o t a lr e m o v a le f f i c i e n c yc a nr e a c h7 5 o rm o r e t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft nb yp h r a g m i t e sa u s t r a l i sc a nr e a c hu p t o9 8 7 ； 4 ) t h el o n g e rt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，t h eh i g h e ro ft h er e m o v a le f f i c i e n to f p o l l u t a n t s t h e r e f o r e ，i n c r e a s i n gt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ec a ni n c r e a s et h er e m o v a l o fp o l l u t a n t s ； 5 ) q u a l i t yo ft h ee f f l u e n tc a ns a t i s f yt h er e l e v a n tr e q u i r e m e n t sc h i n a c r i t e r i o n s o f t h er e u s eo fu r b a nr e c y c l i n gw a t e r w a t e rq u a l i t ys t a n d a r df o rs c e n i c e n v i r o n m e n tu s e ( g b t1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) a n d s ( t h er e u s eo fr e c y c l i n gw a t e rf o ru r b a n w a t e rq u a l i t ys t a n d a r df o ru r b a nm i s c e l l a n e o u sw a t e rc o n s u m p t i o n ) ) ( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) a n da c h i e v et h ee x p e c t e da i m 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 ，s t o r m w a t e rr u n o f f , z e o l i t e ，c y p e r u s a l t e r n i f o l i u s ，c a n n ai n d i c a ，p h r a g m i t e sa u s t r a l i s i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：百踔签字日期2 卅7 年泛月蟛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太鲎有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权壶昌太堂可以将学位论文的全部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、汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：百垂争导师签名( 手写) ： 签字日期：2 呷年支月上乡日 签字日期劲7 年l z 月 第1 章引言 第1 章引言 1 1 湿地概念 湿地是位于陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡性地带，土壤浸泡在 水中的特定环境下，生长着很多具有湿地特征的植物。湿地广泛分布于世界各 地，拥有众多野生动植物资源，是重要的生态系统。很多珍稀水禽的繁殖和迁 徙离不开湿地，因此湿地被称为“鸟类的乐园 。在人口爆炸和经济发展的双重 压力下，2 0 世纪中后期大量湿地被改造成农田，加上过度的资源开发和污染， 湿地面积大幅度缩小，湿地物种受到严重破坏。湿地是地球上具有多种功能的 独特生态系统，它不仅为人类提供大量食物、原料和资源、而且在维持生态平 衡、保持生物多样性以及调节气候、涵养水源、蓄洪防旱、降解污染物等方面 均有重要作用，被称为“地球之肾，l 由于湿地和水域、陆地之间没有明显边界，加上不同学科对湿地的研究重 点不同，造成湿地的定义一直存在分歧。国际湿地公约采用广义的湿地定义， 指不论其为天然或人工、常久或暂时性的沼泽地、湿地或水域地带，带有或静 止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体，包括低潮时水深不超过六米的水域。 这一定义包含狭义湿地的区域，有利于将狭义湿地及附近的水体、陆地形成一 个整体，便于保护和管理。湿地的研究活动则往往采用狭义定义。美国鱼类和 野生生物保护机构于1 9 7 9 年在“美国的湿地深水栖息地的分类 一文中，重新 给湿地作定义为：“陆地和水域的交汇处，水位接近或处于地表面，或有浅层积 水，至少有一至几个以下特征：( 1 ) 至少周期性地以水生植物为植物优势种；( 2 ) 底层土主要是湿土；( 3 ) 在每年的生长季节，底层有时被水淹没。”定义还指湖泊 与湿地以低水位时水深2 米处为界，按照这个湿地定义，世界湿地可以分成二 十多个类型，这个定义目前被许多国家的湿地研究者接受。 湿地的水文条件是湿地属性的决定性因素。水的来源( 如降水、地下水、 潮汐、河流、湖泊等) ，水深，水流方式，以及淹水的持续期和频率决定了湿地 的多样性。水对湿地土壤的发育有深刻的影响。湿地土壤通常称为湿土或水成 土。中国湿地面积占世界湿地的1 0 ，位居亚洲第一位，世界第四位。在中国 境内，从寒温带到热带、从沿海到内陆、从平原到高原山区都有湿地分布，一 第1 章引言 个地区内常常有多种湿地类型，一种湿地类型又常常分布于多个地区。中国1 9 9 2 年加入湿地公约，截至2 0 0 9 年2 月，列入国际重要湿地名录的湿地已达3 6 处。 1 1 1 人工湿地的定义 人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面1 2 j ，将污水、污泥 有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中， 主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用， 对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化 还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸 收及各类动物的作用。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、砂和砾石：适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物如芦苇和 美人蕉；水体( 在基质表面下或表面上流动的水) ；无脊椎或脊椎动物；好氧或厌 氧微生物种群。 1 2 人工湿地的类型 国内外学者对人工湿地的分类多种多样。人工湿地按主要植物类型不同分 为浮水大型植物系统、挺水大型植物系统和沉水植物系统1 3 1 浮水植物主要用于 n 、p 去除和提高稳定塘的去除效率。沉水植物系统还处于实验室研究阶段，主 要应用领域为初级处理和二级处理后的精处理。按污水在湿地床中流动的方式 分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地i 引 ( 1 _ ) 表面流人工湿地( s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，s f w ) 表面流人工湿地也称水面湿地系统。在表面流人工湿地中，污水在湿地的 表面流动，水位较浅，多在l - 9 m 之间。污水从进水口流入，缓慢的通过湿地 达到出水口，然后排出。在这个过程中，污水与一个由好氧、厌氧和兼氧区直 接接触。这种系统与自然湿地最为接近，污水中的大部分有机污染物的去除是 依靠生长在植物水下部分的茎、竿上的生物膜来完成的。这种湿地系统的优点 是投资低、操作简单、运行费用低，缺点是占地面积较大、水力负荷较小、处 理能力低、卫生条件差，在我国北方一些地区由于冬季气候寒冷而不能正常运 行。 2 第1 章引言 p l a n b 图表1 1 表面流人工湿地构造示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ( 2 ) 水平潜流人工湿地( s u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，s s f w ) 水平潜流人工湿地系统也称渗滤湿地系统。在水平潜流型人工湿地系统中， 污水在湿地床的内部流动。污水在基质问流动的过程中，污染物质在植物、微 生物以及基质的共同作用下，通过一系列复杂的物理、化学以及生物作用得以 去除。因而一方面可以充分利用基质表面生长的生物膜、丰富的根系及表层土 和基质的截留等作用，以提高其处理效果和处理能力；另一方面则由于水流在 地表下流动，故具有保温性能好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好等优 点。是目前研究和应用较多的一种湿地处理系统。但这种处理系统的投资要比 表面流系统高些，对氮、磷的去除效果不如表面流湿地系统好。 p b n 重s 擒嚣密疆嚣“磁 黝勰雄蒜器 图表1 2 水平潜流人工湿地构造示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ( 3 ) 垂直流人工湿地( v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，v f w ) 垂直流人工湿地系统中的水流综合了表面流湿地系统和潜流湿地系统的特 性，水流在基质床中基本呈由上向下的垂直流，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。因此，垂直潜流系统对污水有较高的好 3 第1 章引言 氧处理能力。与水平流系统相比具有较高的好氧处理能力m 【6 1 。由于具有较好 的传氧能力，这类人工湿地的硝化能力远高于水平流系统，可用于氨氮含量较 高污水的处理1 7 】【8 1 。 l 姊瓣识撇# p t p 嚣嚣i 。t t 醐r i 费嚣凌：嚣1 意甚：i ) 图表1 3 垂直流人工湿地构造示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d 1 3 不同类型人工湿地的优缺点 ( 1 ) 表面流人工湿地和自然湿地类似，废水从湿地表面流过，但是，表面流 人工湿地是人工设计、调控和监督管理的湿地系统，去污效果明显优于自然湿 地系统，这种类型的人工湿地具有投资少、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、去污能力有限。表面流人工湿地中氧的来源 主要靠水体表面大气扩散自然复氧、植物光合作用通过植物根系的传输，但传 输能力十分有限。这种类型的湿地系统的运行受气候影响较大，夏季有孽生蚊 蝇的现象。 ( 2 ) 水平潜流人工湿地，因污水从一端水平流过基质床而得名。它由一个或 多个基质床组成，床体填充基质，床底设有防渗层，防止污染地下水。与表面 流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷相对较高，对b o d 、c o d 、s s 、 重金属等污染指标的去除效果好，而且很少有恶臭和孽生蚊蝇现象。目前，水 平潜流人工湿地已被美国、日本、澳大利亚、德国、瑞典、英国、荷兰和挪威 等国广泛使用。这种类型人工湿地的缺点是控制相对复杂，脱p 、除n 的效果 不如垂直潜流人工湿地，还因为过水断面较小潜流人工湿地相对易被堵塞等。 ( 3 ) 垂直潜流人工湿地，污水从湿地表面纵向流向基质床的底部，床体处于 不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物根系传输进入人工湿地系统内部。垂直 潜流人工湿地的硝化能力高于水平潜流人工湿地，可用于处理氨氮较高的污水。 4 第1 章引言 其缺点是对有机物的处理能力不如水平潜流人工湿地系统，落干淹水时间较长， 控制相对复杂，夏季有孽生蚊蝇的现象1 9 j 。 人工湿地还有其他不足：首先，人工湿地栽种的植物类型恰当与否，直接 关系着系统处理污水的效率和经济效益。植物类型的选取受到了气候条件的限 制。表面流湿地在哈尔滨等北方城市的冬季是不可行的，只宜采用潜流湿地。 其次，人工湿地占地面积较大，人工湿地净化的效果与污水在湿地中流动的时 间和空间充足与否有着很大的相关关系。与传统的污水处理厂相比，人工湿地 污水处理系统需要较大的占地面积，人工湿地还有基质容易饱和，人工湿地能 有效地去除污水中的有机物、悬浮物、氮、磷、重金属、病原体等污染物质。 但是随着时间的推移，部分营养物质会逐渐地积累，湿地中的微生物相应地繁 殖，如果维护不当，便很容易产生淤积、阻塞现象。 但人工湿地也有它不可比拟的优点，譬如人工湿地系统在处理暴雨径流方 面，有着去除效率高、投资小、运行成本低，已经广泛的应用于各类市政，生 活及面源污染产生的污水的处理。从目前国内外投资建成的人工湿地处理系统 来看，尽管各地在投资、占地、处理量的规模上有所差别，但总体上人工湿地 系统的平均运行费用只为传统污水处理厂的十分之一到二分之一。 1 4 人工湿地的净化机理 多年的研究表明，人工湿地具有独特而复杂的净化机理，它能够利用基质、 微生物和植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过 滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化， 同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产， 实现废水的资源化和无害化。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( 在基质表面下或表面上流动的水) ；4 ) 好氧或厌氧微生物 种群；5 ) 无脊椎或脊椎动物i l 训。湿地系统正是在这种有一定长宽比和底面坡度 的洼地中由土壤和基质( 如砾石等) 混合组成基质床，废水在床体的基质缝隙中流 动或床体表面流动，并在床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强、生 命周期长、美观及具有经济价值的水生植物( 如芦苇、蒲草等) 形成一个独特的动 植物生态系统，对废水进行处理i l 。基质、水生植物和微生物是人工湿地的主 5 第1 章引言 要组成部分。基质为微生物的生长提供稳定的依附表面，为水生植物提供载体 和营养物质，并通过一些物理和化学途径净化污水；水生植物除直接吸收利用 污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外，还有输送氧气到根区和 维持水力传输的作用；微生物的代谢作用是污水中有机污染物降解的主要机制。 同时它们相互联系，互为因果，形成一个有机的系统。 1 4 1 氮的去除机理 人工湿地对营养物质的净化效果及能力是人们关注的焦点，有关的内容在 人工湿地处理污水效果研究方面的文献中多有涉及。人工湿地对氮的去除率有 高有低，变化范围较大。对北美数据库中所包含的1 1 5 个人工湿地的统计分析表 明，绝大多数人工湿地对总氮的去除率大于5 0 1 12 1 。 目前，多数研究人员认为硝化与反硝化作用是氮主要的去除途径【1 3 】1 1 4 l 。硝 化作用是在好氧的条件下，由硝化茵将氨氮转化为硝酸盐的过程，由于它只改 变了氮在水中的化合态，并没有降低水体中氮的含量，因此对于防止水体富营 养化，并没有根本解决问题。而要使氮得以根本去除，最重要的途径就是反硝 化作用。在大多数湿地中，硝化速率比反硝化速率要慢得多，因此第一过程决 定了第二过程的实际速犁1 5 1 6 1 氮是植物生长的必需元素，废水中的无机氮包括n i - l + n 和n 0 3 - n ，均可 以被人工湿地中的植物吸收，合成植物蛋白质，最后通过植物的收割形式从人 工湿地的废水中去除。但到目前为止，关于植物的吸收作用和微生物的硝化与 反硝化作用哪一个是氮去除的主要途径，还没有最终定论。r e e de ta l i r 7 】和 b a c h a n d l l 8 j 认为，植物的吸收不是氮的主要去除途径，微生物的硝化与反硝化作 用才是人工湿地系统中氮去除的主要途径；另一方面， k o o t t a t p e i t g l 通过实验发 现，植物的吸收是氮去除的主要机理。 1 4 2 磷的去除机理 磷是影响水体中藻类和水生生物最重要的营养元素，有资料报道l m g l 的 无机磷在春季就可以使藻类爆发n 们。人工湿地对磷的去除是植物吸收、微生物 去除及物理化学作用三方面共同作用的结果。 如同无机氮一样，无机磷也是湿地植物必需的养分。废水中无机磷在植物 吸收及同化作用下可变成植物的a t p 、d n a 及r n a 等有机成分，通过植物的 6 第1 章引言 收割而去除【2 1 1 。微生物对磷的去除包括它们对磷的正常同化和对磷的过量积累。 在一般二级污水处理系统中，当进水磷含量为l m g l 时，微生物对磷的同化吸 收去除仅是进水总磷量的4 5 1 9 ，所以，微生物除磷主要是通过强化后对 磷的过量积累来完成的。 物理化学作用包括基质对磷的吸附及基质与磷酸根离子的化学反应，这种 作用对无机磷的去除会因基质的不同而有差别。在自然湿地和表面流湿地中， 绝大部分研究都表明对污水中被去的磷素大部分都沉积在基质的表层中，这一 表层的成分主要是有机质，有机无机磷素可能通过沉降作用聚集于基质表层。 由于石灰石及含铁质基质中的钙离子和铁离子可与p 0 4 3 + 反应生成沉淀而去除， 因而它们是除磷效果较好的基质。在湿地系统中，起主要脱磷作用的是基质的 吸附与沉淀作用。一些研究发现：基质通过吸附与沉淀作用去除的t p 高达总去 除量的9 0 以上1 2 2 j 。 1 4 3 有机物的去除机理 人工湿地对有机物有较强的去除能力，主要通过植物、微生物和基质的去 除。不溶性的有机物通过沉淀、过滤从废水截留下来，被微小生物加以利用。 可溶性的有机物通过生物膜的吸收、吸附和生物降解作用而去除。有机物通过 植物根际附近的环境吸附，经过同化和异化作用得以去除，同时，植物根系对 氧的传递释放，使污染物不仅被植物、微生物吸收，还可以通过硝化、反硝化、 累积、降解、络合、吸附等作用而显著增加去除率，颗粒态有机物的去除与s s 类似。有机物可通过好氧或厌氧降解，好氧降解所需要的氧气由大气扩散直接 供给或从植物的根部透进根区附近。在人工湿地系统中可沉降有机物的去除是 很快的，这是因为表面流湿地系统有近乎静止的条件，而潜流人工湿地系统中 则是由于沉积和过滤作用快速去除可沉降的有机物。废水中可溶性有机物则可 通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。在表面 流系统中，可溶解b o d 的去除主要是附着生长的微生物的作用，反应所需要的 氧来源于水面的复氧作用，因为这里没有藻类生长，植物传送到根区的氧气会 在土壤中被消耗，而无助于水中溶解氧的增加。结果表明，人工湿地对b o d ； 的去除率可达8 5 9 5 ，c o d c r 的去除率达8 0 ，城市污水通过人工湿地处 理后，出水b o d 5 在1 0 m g l 左右1 2 3 】。北京环境科学研究所的试验表明，不溶性 b o d 5 ( 约占总b o d 5 的5 0 左右) 1 2 4 1 和c o d e r ，在进水5 m 的距离内可迅速除 7 第1 章引言 去，在这以后，可溶性的有机物的降解则相对缓慢些【瑚随着积累过程地不断 进行，人工湿地中的微生物也相应地繁殖生长，通过对基质床地定期更换及对 湿地植物地收割而将积累地有机物从湿地中出去。 1 4 4 病原菌及其他污染物( s s 、重金属) 的去除机理 由于自然死亡和不利于生存的自然环境，使得大多数自然处理技术可以去 除病原菌。研究发现，人工湿地可以减少病原菌数量。生活污水中常见的人体 病原菌按其机能分为病毒、细菌、真菌、原生动物和寄生虫五类。污水是对病 原菌不利的环境，而且诸多因素如自然死亡、温度、紫外线、不利的水化学、 捕食和沉淀作用都会引起病原茵数量的减少。兼性塘内污水中的病毒、细菌、 寄生虫都会去除一定的比例。在天然塘净化系统中许多减少病原菌的过程相当 于或者好于湿地处理系统的效果。 病原菌是由水中的悬浮物带入湿地中的。它与悬浮固体( s s ) 的去除和水力停 留时间有关。由s s 带入的病原菌通过沉淀、拦截等达到去除目的。病原菌被分 离后分布在湿地的不同地点，但都必须与它们周围有机群体竞争存活。一般它 们的存活率很低，如果接近水面，很容易被大气降水或u v 射线所消杀【2 6 1 。 悬浮固体物质在湿地中去除的基本机理即为絮凝和胶体颗粒的沉淀。在潜 流湿地中相对低速的水流和大的接触表面使得系统中的s s 去除率相对较高。大 量植物根系和饱和状态的基质使固态悬浮物被根系以及基质阻挡截留。潜流湿 地系统像一个水平或垂直的重力过滤器，使s s 通过在基质和根区面的生物膜上 的重力沉淀( 自由沉淀和絮凝) 、渗透、吸附作用而被分离。值得注意的是，如果 有难降解固体物质的积累，则会导致系统入水末端附近水头损失的增加，系统 流速降低，局部出现堵塞现象。此时，则要分区停水，缓解上述现象的发生。 植物、动物生长时需要金属。但是，金属浓度过高时就会产生毒性。有些 金属，例如砷、银、镉、铅等即使在低浓度时也会有毒。湿地与微量金属通过 多种方式相互作用，可以有效地去除金属，主要的作用机理是：与基质、沉 积物、颗粒和可溶性有机物的结合；作为不可溶的盐类沉淀下来，主要是硫 化物和氢氧化物；被植物和微生物吸收。金属被吸收的程度要视金属类型和 湿地植物类型而定。另外，通过p h 和氧化还原电位的调节，使这些不可溶性的 金属转化为可溶性金属，或被植物、藻类和细菌所吸收。浮游植物水萍对钙、 铜、硒有很强的聚集力，但对铬的作用不大，对镍和锌的作用就更微乎其微了。 8 第1 章引言 在潜流湿地中，缺氧的条件使大多金属留在沉淀的t s s 中，而且很难再溶解， 根据这个机理，通过提高湿地系统中磷的浓度可以降低铅的浓度。 1 5 人工湿地数学模型 人工湿地逐渐被认为是一项可行的废水处理方法，各种湿地模型的开发也 随之开始出现。模型的目的是帮助人们设计湿地以及评估湿地的处理效果。 1 5 1 生态动力学模型 人工湿地的生态动力学模型是以“箱式 模型理论为基础，将人工湿地系 统中各种生物、物理、化学降解去除途径划分成许多个独立的“箱子” ( c o m p a r t m e n t s ) 和反应过程，针对每个降解去除途径和反应过程分别进行深入细 致的研究，分析它们互相之间的协调拮抗作用和控制影响因素，对每个“箱子 及反应过程进行定义，确定其具体的质量平衡方程、反应公式f 一般为动力学方 程1 和相关动力学参数，并通过实验测定、文献查找等方法获得各种相关生态动 力学参数，然后运用各种建模软件对概念模型进行实现，并以人工湿地系统的 运行数据对各个参数和过程定义进行分析、演算、校验和修正，最终得到一个 统一完整的生态动力学模型【2 7 2 8 1 目前对人工湿地生态动力学模型的研究还刚刚起步。2 0 0 1 年w y n n l 2 9 1 等提出 了水平潜流人工湿地的箱式机理模型。模型由6 个彼此关联的模块组成，分别 为碳循环、氮循环、水平衡、氧平衡和异养细菌及自养细菌的代谢。模型建立 在动力学方程之上，涉及4 2 个物理、微生物和生物参数。用串连釜式反应器描 述水流的混合状态，用d a r c y 公式描述空隙流。模型采用s t e l l a 软件实现。 l a n g e r g r a b e r l 3 0 3 1 】借鉴了h e i l z e l 3 2 】等提出的活性污泥模型( a s m ) a - q 生化反应过程 的描述，提出基于将污染物多组分划分，涉及不同组分传质、降解多项过程的 c w2 d ( c o n s t r u e t e d w e t l a n d2 - d i m e n t i o n a l ) 模型。模型详尽地给出了在人工湿地中 废水主要组分的传质与反应动力学。w a n g 等【3 3 j 对表流人工湿地中磷生态动力学 模型的研究表明，虽然各种生态动力学模型所采用的概念示意图大同小异，但 模型中对各个途径的动力学描述和在软件中的实现方法，因各位学者观点的不 同可能存在着相当大的差异。而且模型中设计植物、微生物的生长、死亡，土 壤中物质的运移等多个学科的交叉，这一复杂性也导致模型中采用了一些经验 公式而非机理公式，再加上模型实验方法仍未完全成熟，致使大量的模型参数 9 第1 章引言 中有些难以实验测定或不得不采用估算值和类似的文献值【3 4 1 1 5 2m o n o d 动力学模型 在传统的污染处理设施和附着型生物处理系统中，可以观察到随着进水浓 度的增加，反应动力学会从零级变为一级。所以假设湿地中的生物过程与其他 的生物系统一样，符合m o n o d 动力学： 百d c “” 南】 竖二皆矗卜鲁南idz kckc 一= = 一l l = = 一l q l+ i弘l+ l ( 公式1 1 ) ( 公式1 2 ) 式中，k o ，广零级体积速率常数；l 【0 r 零级面积速率常数；k _ 一湿地 饱和常数；卜湿地床的长度；湿地床的孔隙率；a 湿地的横截面 面积；q 一进水流量。 对于某一湿地床，l 【0 v 和床体积v 一定，其所能承受的微生物的最大数量 也是一定的，所以其最大去除速率也存在一个上限值，即l 【o v v 。m o n o d 动力 学的设计方程都是由污染物稳态时的质量平衡得到的，是湿地床的静态宏观模 型，没有考虑到传质效率，即假定物质从液相迁移到生物膜的过程没有阻力。 1 5 3w y n n 动态箱式模型 2 0 0 1 年，w y n n 等【3 5 】提出了水平流人工湿地的箱式机理模型。模型由6 个 彼此关联的模块组成，分别为：碳循环、氮循环、水平衡、氧平衡和异养细菌 及自养细菌的代谢。模型建立在动力学方程之上，涉及4 2 个物理、微生物和生 物参数。用串连釜式反应器描述水流的混合状态，用d a r c y 公式描述空隙流。模 型采用s t e l l a 软件实现。磷和悬浮固体的去除主要依据物理化学而非生物作 用，因此没有将其纳入到模型中。模型的重要假设之一是规定s s 的去除率为 1 0 0 ，这基于湿地出水中颗粒性物质含量极低，s s 近乎为零。模型输入参数有： 温度、时间、降雨量、流速、进水b o d 、氨氮、硝酸盐氮、有机氮、溶解氧。 模型输出参数有：流速、出水b o d 、氨氮、硝酸盐氮、有机氮、溶解氧。w y n n 模拟水平潜流人工湿地低频率测定( 2 周1 次) 的长期( 1 年) 动态变化表明，模型可 反映系统季节性的变化。r o u s s e a u 3 6 l 模拟了高频率测定( 每天3 次) 的短期( 1 2 天) 1 0 第1 章引言 动态变化也有较好的效果。但两位研究者都没有模拟出实测出水的“小振幅 动态变化，说明w y n n 动态箱式模型构架中忽略了水平潜流人工湿地一些重要的 过程。 动态箱式模型很好地概括了人工湿地中的主要过程及各系统主要要素间的 相互作用，且基础数据易于获得，软件实现容易且可视性强。但其缺陷也不少： 需要估算1 5 个初始状态和评价4 2 个参数；模型忽略一些重要的微生物过 程，如模型没有包含生物膜中的传质因素；模型对水流流态的描述简单略显 粗糙；缺乏描述颗粒态物质的子模型，无法描述系统长期运行后因固体累计 对空隙率和水力传导系数产生的影响；模型将b o d 和有机氮的溶解态和颗粒 态组分比例规定为定值，这与废水中该组比例变化不相符合；用b o d 表征有 机物而非通用的c o d 描述方法f 3 7 1 ，与其它模型可能存在不兼容的问题。 1 5 4e r g u n 水力学模型 对于表面流湿地污水处理系统，通常使用经过修改后的曼宁公式【3 8 】来计算 表面流湿地的水头损失： s 1 2 - v ( 1 甩) ( 3 ) 】 ( 公式1 3 ) 式中：s 为水力坡度( 无量纲) ，v 为平均流速( m s ) ，1 1 为曼宁阻力系数( m s 1 届) ，h 为湿地平均水深( m ) ，1 1 是水深、流速、茎的密度以及其他表面阻力因素 的函数。 在潜流湿地系统中，水流为层流时，适合d a r c y 公式，如果是紊流，则适合 以下公式1 3 9 ，柏】： s = a v + b v 2 ( 公式1 4 ) 可见，其既非渗流中的线性关系，亦非明渠流动中的二次方关系。式中的 系数q 和b 依赖于介质的粒径、孔隙度、水温等因素，一般要由实验确定。如 公式中的系数q 和1 3 用下式表达： a = ( 1 5 0 t p g ) 【( 1 - e ) ( d p e ) 】2( 公式1 5 ) i b = 1 7 5 ( 1 e ) ( d p e g ) ( 1 9 )( 公式1 6 ) 式中：为动力粘滞系数，p 为介质密度，d p 为基质平均粒径。 第1 章引言 1 6 国内外研究状况 1 6 1 国内研究状况 我国对人工湿地的研究开始较晚，直到“七五期间才开始了对人工湿地 较大规模的研究，大致落后发达国家十余年，应用上也相对迟缓。1 9 9 0 年7 月， 国家环保局华南环保所在深圳白泥坑建造了处理规模为3 1 0 0 m 3 d 的人工湿地示 范工程，占地面积为1 2 6 h m 2 ，水力负荷为9 5 4 - 1 0 0 7 m d 1 4 ，理论停留时间为 2 2 5 h ，白泥坑人工湿地污水处理系统运行几年以来，对进出水水质进行了监测， 取得的结果是令人满意的，年平均去除率b o d 达9 0 ，s s 达9 3 ，c o d 达 8 0 4 7 i 捌，可以看作是国内首次实践；位于深圳市中心的洪湖人工湿地污水净 化系统设计规模为1 0 0 0 m 3 d ，湿地植物池占地为2 4 0 0 m 2 ，采用二级湿地植物池 进行污水净化，工艺流程为：污水粗滤池一高位水池一布水系统一湿地系统一出 水，平均停留时间2 4 h ，系统平均的进水负荷为0 5 0 3 m d1 4 3 l ，从布吉河里抽取 污水，经人工湿地净化后为洪湖补充清洁水量作为景观用水，该系统己正常运 行3 年多，2 0 0 2 年1 0 月被国家环保总局评为“国家重点环境保护实用技术示范 工程 ，其对c o d 、b o d 、s s 和氨氮等主要污染指标的去除率均在8 2 以上。 深圳市龙岗区沙田人工湿地净化系统的设计规模为5 0 0 0 m 3 d ，湿地植物池占地 面积为1 0 0 0 0 m 2 ，采用三级湿地值物池进行净化，出水排入河流。 此外，在北京昌平和天津等地也先后建立了人工湿地系统，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， 1 9 8 9 年建成了北京昌平表面流人工湿地，处理量为5 0 0 k g d 的生活污水和工业 废水，处理效果良好，优于传统的二级处理工艺。天津市环保所在实验室建立 了人工湿地的研究系统，对人工湿地处理污水规律进行了比较系统的研究。 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 间的规律进行探索。此后，国家环境保护局与中国科学院各单位相继采用人工 湿地处理