（模式识别与智能系统专业论文）垂直流人工湿地系统在饮用水源保护中的应用研究.pdf

摘要 于两姜 基于人工湿地污水处理系统的研究现状，本文先对影响垂直流人工湿地净化 效果的因素进行了探索研究，研究内容包括：填料层高度，填料种类、粒径，植 物种类，负荷量等对垂直流人工湿地去除效果的影响。再结合两个应用在饮用水 源保护中的工程实例：甘坑人工湿地工程和石岩河人工湿地工程来研究垂直流人 工湿地系统的效能，研究内容包括：前处理、整体系统对污水处理效果的影响分 析，工程效益分析，并就如何管理维护大型规模垂直流人工湿地提出了有意义的 见解。研究结果表明： 1 、影响垂直流人工湿地系统净化效果的主要因素有：填料特性、植物种类、 水力负荷、预处理系统、日常运行管理维护等。 2 、垂直流人工湿地系统具有较好的抗冲击负荷能力和良好的去除污染物的 能力。 3 、填料层厚度影响垂直流人工湿地的去除效果，相同植物，同种填料条件 下床层越深，对污染物的去除效率越高。 4 、添加特殊成分的新型填料比一般采用的砂砾级配填料处理效果好，对污 染物整体去除效果：铁屑填料 牡蛎壳填料 一般砂砾级配填料。 5 、不同植物种类对污染物的去除率总体效果：象草 风车草 香根草。 6 、小粒径填料对污染物的去除率比大粒径的要高出1 0 以上。 7 、人工湿地的预处理系统非常重要，水解酸化池内置有弹性立体填料的系 统对有机污染物有良好的去除效果，c o d e r 去除范围：2 9 1 5 3 2 ，b o d 。去除范 围：3 0 - - - , 6 3 6 ，为后续人工湿地系统提供可靠稳定的水质。 8 、在污水处理中，垂直流人工湿地系统对c o d mb o d 5 、t n 、n h 3 - n 和 t p 等主要污染物都有良好的处理效果。 9 、垂直流人工湿地污水处理系统具有投资成本低、运行费用低、处理效率 高、景观效果好等优点。 1 0 、人工湿地的运行管理和后期维护对于保证湿地系统运行的长期稳定性和 保证出水水质都是非常关键的。 本研究在垂直流人工湿地系统的处理规模、工艺组合及新型填料的选用等方 面均有一定突破，为垂直流人工湿地在饮用水源保护中的广泛应用提供了实用的 理论依据和实践经验。 关键词：人工湿地饮用水源填料植物前处理处理效果 a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt oc u r r e n tr e s e a r c ho fc o n s t r u c t e dw e t l a n d sw a s t e w a t e rt r e a t m e n t s y s t e m , f i r s t l y , t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c hw i t ht h e f a c t o r sa f f e c t i n gt r e a t m e n t p e r f o r m a n c eo 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 s ，i n c l u d i n gd e c o n t a m i n a t i o no f d i f f e r e n td e p t h so fs u b s t r a t e ，d i f f e r e n tk i n d so fs u b s t r a t e ，d i f f e r e n tp a r t i c l es u b s t r a t e ， d i f f e r e n tp l a n tt y p e s ，a n dd i f f e r e n th y d r a u l i cl o a d i n g ，e t c t h e ni td o e ss o m er e s e a r c h w i t ht h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo f g a n k e n gc o n s t r u c t e dw e t l a n d ss y s t e ma n ds h i y a n r i v e rc o n s t r u c t e dw e t l a n d ss y s t e mw h i c hw e r ea p p l i e di np r o t e c t i n gd r i n k i n gw a t e r s o u r c e i n c l u d i n gt h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fp r e - t r e a t m e n ts y s t e ma n dt h e i n t e g r a ls y s t e m ，b e n e f i t sa n a l y s i sa n dp r o v i d e sc o n s t r u c t i v ev i e w st oh o w t om a n a g e a n dm a i n t e n a n c el a r g es c a l ev 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 s m a i nr e s u l t s 嬲 b e l l o w ： 1 t h e r ea r em a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo fv e r t i c a lf l o w c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，i n c l u d i n gs u b s t r a t ec h a r a c t e r , p l a n tt y p e s ，h y d r a u l i cl o a d i n g , p r e t r e a t m e n ts y s t e ma n dd a i l yo p e r a t i o n a lg u i d a n c e ，m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e 2 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 ss y s t e mh a sg o o ds h o c kr e s i s t a n c eo fl o a d c a r r y i n gc a p a c i t ya n de x c e l l e n td e g r a d a t i o ne f f e c to f p o l l u t a n t 3 d e p t h so fs u b s t r a t eh a v ea ne f f e c to nt r e a t m e n tp e r f o r m a n c e , m o r ed e p t h so f s u b s t r a t ew i l lh a sb e t t e rr e m o v a lr a t ei nt h es a m ep l a n ta n dt h es a m es u b s t r a t e 4 ss t u d ya p p l i e sn e ws u b s t r a t e ，s o m eo ft h e mh a v eb e t t e rt r e a t m e n t p e r f o r m a n c et h a nn o r m a ls a n d 砀eo r d e ro fw h o l ep e r f o r m a n c e , c o m p o u n ds u b s t r a t e w i t hf eb e t t e rt h a nc o m p o u n ds u b s t r a t ew i t ho y s t e rs h e l l ，c o m p o u n ds u b s t r a t e 谢m o y s t e rs h e l lb e t t e rt h a nc o m p o u n ds u b s t r a t ew i t hn o r m a ls a n d g r a v e l 5 1 1 他o r d e ro ft r e a t m e n tp e r f o r m a n c e 、衍md i f f e r e n tt y p e so fp l a n t s ：p h m i s t u m p u r p u r e u ms c h um a c hb e t t e rt h a ne y p e r u sa l t e r n i f o l i u s ，c y p e t u sa l t e r n i f o l i u sb e t t e r t h a nv 鲥v e d az i z a n i o d e s 6 t h er e m o v a lr a t eo fp o l l u t a n tw i ml i t t l ep a r t i c l es u b s t r a t eh a si m p r o v e da b o v e 10 t h a nb i gp a r t i c l es u b s t m t e 7 p r e - t r e a t m e n ts y s t e mi sa l li m p o r t a n tp a r t t h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo f o r g a n i cp o l l u t a n tb yh y d r o l y z e d - a c i dp o n dw i t hf l e x i b l ea n ds o l i ds t u f fi sv e r yg o o d , r e d u c t i o no fc o d e r ，b o d 5b y2 9 1 - - 5 3 2 ，3 0 - - - 6 3 6 r e s p e c t i v e l y i tc a no f f e r r e l i a b l ea n ds t e a d yw a t e rq u a l i t yt of o rt h ef o l l o w - u pv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e d w 甜a n d s 8 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 ss y s t e mh a sg o o dt r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo f i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 c o d e r , b o d 5 ，t n ，n h 3 na n d t pi ns e w a g et r e a t m e n t 9 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 sp r o v i d em a n yb e n e f i t s ，i n c l u d i n gl o w i n v e s t m e n t ，c h e a po p e r a t i o n a lf 砖，l l i g ht r e a t m e n te f f i c i e n c i e s ，a n dl a n d s c a p i n g 10 o p e r a t i o n a lg u i d a n c ea n dm a i n t e n a n c eo v e r h a u lo fv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d ss y s t e ma r ev e r yi m p o r t a n tf o rs t a b i l i z a t i o no fs y s t e ma n do u tw a t e rq u a l i t y t 嫩sr e s e a r c hm a k e sb r e a k t h r o u g hi ns c a l eo ft r e a t m e n ts y s t e m ，c o m b i n e d t r e a t m e n tp r o c e s sa n ds u b s u m e ，e t c i ta l s op r o v i d e st h e o r ya n de x p e r i e n c e sf o rw h a t 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 ss y s t e r ae x t e n s i v e l ya p p l i e si np r o t e c t i n gd r i n k i n g w a t e rs o u r c e k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d d r i n k i n gw a t e rs o u r c e s u b s t r a t e p l a n t sp r e t r e a t m e n tt k a t m e n tp e r f o r m a n c e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：逊睦日期：地丛占：璺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 王尘：l 至 导师签名： 魄进弓 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国饮用水源的污染现状 水污染和水资源缺乏是当今世界重大的环境问题之一，也是人类面临的严重 挑战n 1 。随着我国工农业生产的飞速发展，严重超标的废水、废物和废气的排放 越来越多，饮用水水源污染日趋严重，而我国饮用水来源主要以大的河流湖泊为 主。然而根据经济合作与发展组织( o e c d ) 在北京发布的( o e c d 中国环境绩效评 估报告，中国1 3 的河流和1 4 近岸海域遭到严重污染，主要城市中近半城市饮 用水源不合格砼1 。长江、黄河、淮河、海河和珠江等七大水系中，水质仍呈恶化 趋势，已不适合做饮用水源的河段接近4 0 口3 。其中海河3 5 和辽河2 5 的河段，以 及淮河仍处于重度污染，一些河道丧失了使用功能阻3 。“三湖 太湖、巢湖、滇 池水环境恶化的趋势还在发展，不少地方水质已经沦为v 类和劣v 类，富营养化 状态达到中度和重度。其中2 0 0 7 年4 月以来，太湖、巢湖相继爆发蓝藻，导致城 市饮用水水源被污染，整个城市没水喝。在我国城市水域中7 8 的河段已不适合 做饮用水水源。 目前，我国饮用水源环境污染问题突出，全国有3 2 亿人用水不安全，有 1 9 亿人饮用污染水，水中有害物质含量超标。据中国环境监测总站2 0 0 6 年6 月发布的1 1 3 个环境保护重点城市集中式饮用水源地水质月报，有1 6 个城市 水质全部不达标，占重点城市的1 4 强1 ；有7 4 个饮用水源不达标，占重点城市饮 用水源的2 0 1 ；有5 2 7 亿吨水量不达标占重点城市总取水量的2 3 3 。 此外就农村饮用水情况而言，存在的主要问题是缺水和水质污染程度严重。 据全国农村饮水安全工程“十一五规划显示到2 0 0 5 年底我国农村仍有3 1 2 亿人饮水不安全，其中水质不达标人数高达2 2 0 亿，农村饮用水符合饮水卫生 标准的比例约6 6 ，有3 4 的农村人口饮用水存在水质污染或者污染隐患。同时 因设备简陋、干旱引起的季节性缺水问题依然存在 1 。我国大部分农村水源受 到了生活污水、化肥、农药、养殖畜禽粪便、工业废水等的污染，水源水质越来 越差。调查资料表明，农村6 0 的水源周围存在污染源。目前，农村的分散式供 水、小规模集中式供水，普遍缺乏必要的水处理设施、消毒设施和水质检测设备， 人们直接饮用水源水，造成饮用水中细菌学指标、污染物、有害矿物成分超标等 问题，因此加强对农村饮用水源的保护就显得尤为重要。农村饮用污染地表水的 人口主要分布在南方，饮用污染地下水的人口主要分布在中南、华北地区。饮用 水源污染，造成水中致病微生物及其他有害物质含量严重超标，易导致疾病流行， 有的地方还因此暴发伤寒、副伤寒以及霍乱等重大传染病，个别地区癌症发病率 居高不下。 北京工业大学工学硕上学位论文 1 2 饮用水源保护对策及研究现状 饮用水源保护对策如下： ( 1 ) 、完善水源区内截排管网，削减点源污染：完善流域污水干、支管建设， 将雨污水管道延伸至居民用户和工业区。提高污水收集率，将污水收集至水源区 外的集中污水处理厂处理后排放，削减点源入库负荷。 ( 2 ) 、建设流入水源的河流水质净化工程：建设入库河流水质净化工程，在 受污染较严重的河流下游采用人工湿地、前置库等工艺对污染河流进行水质净 化。而人工湿地作为一种价廉、有效、可广泛应用的生态处理新技术，近年来得 到了飞速的发展。目前它已被广泛应用于生活污水、工业废水，采油废水，农业 非点源污染的治理与控制等领域，显示出了人工湿地对水质净化方面的优势和潜 力。 ( 3 ) 、实现一级保护区的封闭式管理，彻底清理一级保护区内果园、养殖场、 违章建筑、采石场等，并形成长效管理机制。 ( 4 ) 、发展生态农业：在二级水源保护区内发展生态农业。积极开展农业废弃 物的综合利用，推广虫害无害化治理技术，大力提倡科学使用农药、化肥，尤其 提倡使用生物农药和有机复合肥料，并加强执法监管力度，制定单位面积化肥、 农药用量控制使用技术标准，加强科学施肥、用药的技术推广工作 ( 5 ) 、控制内源污染：对水源区淤泥、流入河流入口泥沙垃圾进行清理。选择 合适的清淤工艺，并妥善处置清淤所得淤泥。 ( 6 ) 、减少水源地周围水土流失：对己破坏的地方开展生态修复工作，裸露 地块要种植植被，防止水土流失。 ( 7 ) 、完善环卫设施，加强地面保洁力度。 ( 8 ) 、加强环境监管力度。 ( 9 ) 、完善在线监测和监控系统，增强环境事故应急能力。 对于地表饮用水源，许多国家的水源保护条例明确规定禁止污染物直接排入 水源，所以对于水源来说完善截污管网建设，处理净化流入水源的分散型城镇污 水是饮用水源保护工作中的重点。 国外研究现状： 对于地表饮用水源，许多国家的水源保护条例明确规定禁止污染物直接排入 水源。7 0 年代，发达国家纷纷制定水源保护条例，强调严格控制点源污染，削减非 点源，保护地表饮用水源。 美国流域计划管理机构对流域数据进行统一汇集，鉴别污染物及其来源， 制定管理目标和流域管理条例，选定管理措施，对流域点源和非点源进行管理， 第1 章绪论 量暑| 量鼍皇皇蔓量皇舅皇曹量量皇| 置昌詈暑詈量皇詈鼍皇毫皇曼蔓富u ip i ri 鲁皇皇皇皇 实现流域污染总量控制和污水处理。为了配合流域饮用水源的管理，国家环保局 还设置了土地利用与水源水质监测参考项目表，用于与非点源管理有关的水质检 测阳3 。非点源污染的管理和控制方面的研究以美国的“最佳管理措施 最具代表 性，它提倡运用非生物工程n 们、生物工程措施“日削减非点源，并在部分工程措施 设计标准n 别、效果评价n 3 3 和经济效益分析n 耵方面也有一定的发展。 在德国，对饮用水库采取的控制富营养化的措施包括三方面：汇水区( 点源、 非点源) 的措施；入库( 湖) 进水口的措施；库( 湖) 内的措施。其中进水口措 施：从汇水区来的水经过若干河流流入水库湖泊，在它们流入库( 湖) 之前可采 用以下办法进行控制：( a ) 渗透沟；( b ) 渗透池；( c ) 活性铝过滤器；( d ) 预储水库；( e ) 脱磷处理厂等。对水体内的措施有：( a ) 控制内负荷； ( b ) 生物控制等。 国内研究现状： 我国于1 9 8 9 年颁布饮用水水源保护区污染防治管理规定，开始开展饮 用水源的保护研究工作。近年来，饮用水水源因环境的恶化污染日趋严重，已经 严重威胁到了人们的生命健康，因此各地对饮用水源保护工作开展研究，尤其在 控制点源污染，削减非点源污染上取得了不菲的成绩。 深圳作为中国第一经济特区，近年来因为人口的迅速增长，产生了大量污染 物，也对水环境尤其是饮用水源造成了严重威胁。对此，深圳市对甘坑、石岩、 铁岗等水库的保护做了大量的工作。深圳政府部门为控制水源的点源污染与非点 源污染投入了巨大的资金，深圳市环境科学研究所受其委托，运用其专利技术“高 效复合垂直流人工湿地工艺”先后设计了甘坑、石岩河、塘头河等人工湿地水质 净化工程，对流入水库的受污染河流进行拦截处理净化后再排入水库。目前这些 人工湿地工程运行状况良好，出水水质完全满足要求，这对削减入库污染物、保 护水库水质起到了举足轻重的作用。 盛学良n 钉等借鉴国内外先进的湖泊管理的成功经验，提出江苏省金坛市饮用 水源的保护方案：( 1 ) 实施截污工程杜绝污染物进入水源，从根本上解决水质 污染特别是有机污染的问题；( 2 ) 实施截污工程的配套引水工程；( 3 ) 发展以 芦苇为主的湿地生态处理工程，用于改善上游来水水质，防止水污染向下游转移； ( 4 ) 包括建设围湖芦苇荡、环湖林带、绿色食品基地以及污泥处置，建立环湖 绿色自然保护带工程。以此保证水源地的水质安全，保证人民的生命健康。 本文通过对高效垂直流人工湿地处理位于水源保护区的分散型城镇污水的研 究，阐述高效垂直流人工湿地技术在饮用水源保护中的重要意义。 1 3 人工湿地分类及净化机理 1 3 1 人工湿地分类 湿地是陆地与水体之间的过渡地带，是一种高功能的生态系统，具有独特的 生态结构和功能。一般认为，湿地主要是沼泽地、泻湖、泥炭地，也包括湖泊、 河流、水库、滩涂、三角洲、河口三角湾等。但由于人类的不合理开发，湿地资 源在我国受到很大破坏。在特殊时期和环境条件下，研究和建立人工湿地生态系 统是对自然湿地生态系统的适度补充，也是对其退化功能的恢复性建设。张忠祥、 钱易n 6 3 等给出天然湿地与人工湿地比较明确的界定：天然湿地系统以生态系统的 保护为主，以维护生物多样性和野生生物良好生境为主，净化废水是辅助性的， 是以不破坏和降低生态环境质量为前提的；人工湿地系统是通过人为地控制条 件，利用湿地复杂特殊的物理、化学和生物综合功能净化废水，并以此为主。湿 地系统按水流方式分类见图1 - 1 。 图卜1 人工湿地系统按水流方式分类 f i g 1 1c a t e g o r i e so f c o n s t r u c t e dw e t l a n db yw a t e rf l o w 绝大多数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 上或下流动的水) ；4 ) 无脊椎或脊椎动物；5 ) 好氧或厌氧等微生物种群。在人工 湿地系统中，湿地植物在湿地系统中具有三个间接的重要作用：1 ) 显著增加微生 物的附着( 植物的根、茎、叶) ；2 ) 湿地植物可将大气氧传输至根部，有利于微生 物的好氧呼吸；3 ) 增加或稳定土壤的透水性。 一般人工湿地系统n 钉都具有的优点：1 ) 建造和运行费用便宜；1 ) 易于维护， 技术含量低：3 ) 可进行有效可靠的废水处理；4 ) 可缓冲对水力和污染负荷的冲击； 5 ) 可产生效益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动植物栖息、娱乐 和教育。但人工湿地系统也存在不足：1 ) 占地面积大；2 ) 不精确的设计运行参数； 3 ) 生物和水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏；4 ) 易受病虫害影响。各种 类型人工湿地系统的特点见表1 1 。 表卜1 各类人工湿地系统特点 t a b l e1 1c l a s s i f i c a f i o nc h a r a c t e r so f d i f f e r e n tc o n s t r u c t e dw e t l a n d s 1 3 2 净化机理 人工湿地系统是人为设计的可工程化的湿地系统，其去除机理和去除途径与 自然湿地的相同n 羽。多年的研究表明，人工湿地能够利用基质一微生物一植物这个 复合生态系统的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、共沉、离 子交换、植物吸收和微生物分解的综合反应过程将水中的沉降固体、胶体物质、 b o d 。、n 、p 、重金属、难降解有机物、细菌和病毒等去除，实现对污水的高效净 化，显示了强大的多功能净化能力，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，实现废水的资源化与无害化。人工湿地净化 污水主要机理n 喇见表卜2 。 表1 - 2 人工湿地系统去除污染物的机理n 6 3 t a b l e1 - 2w a s t e w a t e xt r e a t m e n tm e c h a n i s m so c o m 证gi nc o n s t r u c t e dw e t l a n d s 反应机理 对污染物的去除与影响 可沉降固体在预处理的酸化( 水解) 池及湿地中沉降去除 物 沉降 可絮凝固体也通过絮凝沉降去除；随之，引起b o d 5 、n 、p 、重 理 金属、难降解有机物、细菌和病毒等的去除 的 通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可 过滤 絮凝固体被阻截而去除 磷及重金属通过化学反应形成难溶解化合物或与难溶解化合物 沉淀 一起沉淀去除 化 磷及重金属被吸附在基质和植物表面，某些难降解有机物也能通 学 吸附 的过吸附作用去除 ， 通过紫外辐射、氧化还原等反应过程，使难降解有机物分解或变 分解 成稳定性较差的化合物 生 微生物 通过悬浮的、填料上的和寄生于植物上的细菌的代谢作用将凝聚 物性固体、可溶性固体进行分解；通过生物硝化反硝化作用去除 的 代谢 氮；微生物也将部分重金属氧化并经阻截或结合而被去除 植物代谢 通过植物对有机物的吸收而去除，植物根系分泌物对大肠杆菌和 植 一 病原体有灭活作用 物 的 植物吸收相当数量的氮、磷、重金属及难降解有机物能被植物吸收而去除 自然死亡细菌和病毒处于不适宜环境中会自然腐败及死亡 1 3 2 1 基质的净化机理 目前广泛应用的人工湿地主要由沙粒、沙土、土壤、石块为基质，这些基质 一方面为微生物的生长提供稳定依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养 物质。当水体流经人工湿地时，基质通过吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反 应等一些物理和化学的途径来净化除去水体中的n 、p 等营养物质，k r r e d d y 在研究中发现在人工湿地中7 - - 一8 7 的磷可能通过沉淀或吸附反应而降解，其中 p h 值将起到十分重要的作用 2 3 o 研究发现：在酸性土壤( p h 6 5 ) ，无论好氧还是厌 氧，均以不溶性c a p 沉淀为主。一般认为磷酸根离子主要通过配位体交换而被 吸附到f e 3 + 和a 1 3 + 的表面，磷酸根离子替换f e 和a 1 水合氧化物表面的水或羟基， 而在水合氧化物的配位球内形成单齿和双核络合物幢射。研究还发现废水中的可溶 性磷酸盐通过物理作用使得磷沉积存储于基质内部。但人工湿地内部的沉积作用 并不是永久性的，至少有部分是可逆的。如果水体中磷的浓度较低，或者植物收 割后，基质沉积物里就会有部分磷被重新释放出来。 1 3 2 2 水生植物的净化机理 湿地植物在人工湿地污水净化中起着十分重要的作用。陋5 3 人工湿地系统中， 植物可以：( 1 ) 直接吸收、利用污水中可利用态的营养物质，吸附和富集重金 属及一些有毒有害物质；( 2 ) 通过光合作用为净化作用提供能量来源；( 3 ) 能 输送氧气至根区，有利于微生物的好氧呼吸；( 4 ) 其庞大的根系为微生物提供 了多样的生存环境，根区的微生物群落可降解多种污染物；( 5 ) 其根系生长能 增强和维持介质的水力传导；( 6 ) 还可以作为人工湿地所受污染程度的指示物， 可固定土壤中的水分，圈定污染区，防止污染源的进一步扩散；( 7 ) 还具有美 观可欣赏性，能改善景观生态环境；( 8 ) 通过收割回收成为有用植物资源。人 工湿地是通过植物根区，经过微生物的降解、植物的吸收利用和一些物理、化学 等过程而净化废水的。从上文可知人工湿地植物的两个相当重要的功能为：输送 氧气到根区和维持介质的水力传输。由于植物将氧气输送到根区，致使人工湿地 植物根区的还原态介质中形成了氧化态的微环境，这种根区有氧区域和缺氧区域 的共同存在使得根区的还原态介质穿透作用，在介质的水力传输中得到加强和维 持。人工湿地植物根系常形成一个网络样的结构，在这个网络中根系不仅能直接 吸附和沉降水体中的氮磷等一些营养物质，而且还为微生物的吸附和代谢提供了 良好的生物物化环境条件。同时附近的微生物通过代谢，消耗了水体中的d o ， 使之呈现厌氧状态，而厌氧状态有利于反硝化过程，从而能最大限度地除去污水 中的n 0 3 一n 。湿地植物本身主要是通过根系从废水中吸收营养物质加以利用、吸 附和富集重金属及一些有毒害的物质，其净化效果与根系的组成、长势和生长深 度密切相关，同时水生植物对介质的输氧能力和穿透介质的作用也与根系的发达 程度相关，不同植物的人工湿地废水净化效果存在着差异，因此选择合适的植物 种类在净化水体过程中至关重要。 人工湿地较广泛地应用于生活污水、金属矿酸性废水、畜牧业、食品工业废 水等的处理研究及实际应用之中。由于湿地植物根系的吸收作用固定了部分营养 物质，因此，应对湿地植物进行收割，以防植物残体腐烂、营养物质重新进入人 工湿地；而对于净化金属酸性矿水的湿地植物也应及时处理，对植物残体进行收 集、焚烧回收或固定重金属。如何形成适宜的人工环境，即建造适宜的人工湿地 生态系统，供植物良好生长，充分发挥其各种功能：如何选择植物种类以及多种 类的优化组合，达到更好的调控人工湿地的净化功能以及回收废水资源等均需进 一步研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 3 微生物的净化机理 人工湿地污水处理系统是通过植物一基质一微生物的协同作用实现对污染物 的净化，其中微生物在对污染物的吸附和降解中起着核心作用旺朝。人工湿地处理 水体时，有机物的降解和氮化合物的脱氮作用、磷化合物的转化等主要是由植物 根区的微生物活动来完成的。植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根区，从 而形成了根表面及附近区域的氧化状态，水体中大部分有机物质在这一区域被好 氧微生物利用氧而分解成为c o 。和水，有机氮化物等则被这一区域的硝化细菌所 硝化；离根表面较远的区域氧气浓度降低，属于兼性区，硝化作用仍然存在，但 主要是依靠反硝化细菌将有机物降解，并使氮素物质以氮气的形式释放到大气 中；而在在根区的还原状态区域，则是经过厌氧细菌的发酵作用，将有机物质分 解成二氧化碳和甲烷释放到大气中。由于人工湿地存在着这样一些氧化区、兼性 区、还原区，不同区域微生物群的相互配合作用而将有机物以及氮素化合物等去 除：此外，这种多样的环境中，微生物也可将有机氯等化合物降解。对于水体中 的磷化合物，可溶性磷酸盐( h p o 和h ：p o , 一) 被植物根吸收并同化为植物的有机 成分( 如a t p ，磷脂、辅酶、r n a 和d n a 等) ，无机磷及溶解性较差的无机磷酸盐 都不能直接被植物吸收利用，只有当磷酸钙等可溶解性差的磷化合物溶解，磷才 能被植物吸收利用，从而通过植物的收割而将磷从水体和湿地系统中带走。因此， 人工湿地微生物的代谢活动是水体中有机物降解的基础机制，水体中的有机污染 物质包括含氮、磷等元素的物质，主要是经过人工湿地中的微生物代谢活动，降 解成终极产物释放到大气中，或为植物及微生物可以吸收利用的营养物质，或转 化成为对水环境无害或毒害减少的物质。 人工湿地的微生物群是极其丰富的，其群落结构与活力也随环境的不同而不 同。d u n c a n 等啪3 以土壤呼吸量、反硝化酶活力( d e a ) 等为指标，比较了人工湿 地与天然湿地微生物之间的差异，发现人工湿地中反硝化酶活力( d e a ) 显著高 于天然湿地，而土壤呼吸量正好相反，天然湿地中明显高于人工湿地。研究发现 啪3 ：微生物的数目和种类与水体净化效果也有一定的关系，水体中b o d ；和c o d 。 的去除率与微生物的数目都有较明显的相关性；水体中的n h 3 _ n 的去除率与根区 的硝化细菌和反硝化细菌数量的相关性极显著；而磷元素的去除率则与根际中的 磷细菌数目里正相关。 垂直流人工湿地处理系统是一种价廉、快速有效的、可广泛应用的新技术， 应加强垂直流人工湿地的生物学基础研究，特别是加强垂直流人工湿地微生物的 研究，充分地发挥生物学效应，使垂直流人工湿地技术更加完善，垂直流人工湿 地的净化机理目前还不是很成熟，初步推断反应机理如下( 式卜1 式l 、6 和图 卜2 ) ，因其反应机理非常复杂，所以需要进行更深入探讨。 空气 + 污水 一塑生塑_ co ，t + h o 0 1cxhy nz pn zz wn ，+ 乞? 雌些一w 。j n o3 生起_ n ：t 含n 、p 物质一 必_ 苴呻2 4 米高太植物 植冀望系雌堕世斗微生物繁精 砂i 植物根系旦bo ，_ 微生物呼吸 ( 卜6 ) ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( i 5 ) 圈卜2 垂直流 工湿地剖面图 f i g l - 2p r o f i l eo f v e r t i c a l f l o wc o n s m l c t e d w e t l a n d 1 4 国内外人工湿地的研究现状 人工湿地水质净化系统是人工设计的、模拟自然湿地结构与功能的复合体， 由水、处于水饱和状态的基质、挺水植物、沉水植物和动物组成，并通过其中一 系列生物、物理、化学过程实现污水净化。 目前世界各国都投入了大量精力以改良人工湿地技术，将些传统污水处 理技术引入人工湿地。如北美湿地工程公司借鉴污泥回流技术和鼓风曝气开发了 循环流湿地工艺和通风强化床工艺”。这些工艺目前已被成功应用卜数年前还被 认为不适宜采用人工湿地处理污水的地区( 太冷或污水浓度太高) “。在德国科隆 莱茵河故道休闲湖泊已经建立了复合垂直流人工湿地污水处理系统，有效地净化 湖水；在德国”波恩、奥地利维也纳”“等地也成功应用于农村和市政污水处理， 人工湿地已成为了全球性的水污染控制工艺。 我国对人工湿地研究起步较晚，在“七五”、“八五”期间开始对人工湿地 的工艺特征、技术要点和工艺参数等方面展开了研究，并在全国建成多处人工湿 北京工业大学工学硕士学位论文 地污水处理系统，并展开了利用人工湿地处理各种污水的研究。首例采用人工湿 地处理污水的研究工作始于1 9 8 8 - - - 1 9 9 0 年在北京昌平进行的自由水面流人工湿 地。1 9 9 0 年，国家环保局华南环科所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建造了占地 8 4 0 0 m 2 、城镇综合污水处理规模3l o o t d 的人工湿地水质净化系统示范工程。 1 9 8 9 - - 一1 9 9 1 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规律 进行了研究。深圳市环境科学研究所参与了一项欧盟与中国合作的国际合作研 究，该课题研究的主导思想是利用能耗低、运行费用低的人工湿地系统和生态学 方法净化污水，在深圳市洪湖公园建成了人工湿地研究试验点，修建了小试和中 试试验工程，现已建成深圳布吉甘坑人工湿地工程( 日处理水量1 6 7 m 3 ) 、深 圳石岩人工湿地工程( 日处理水量5 5 万m 3 ) 和深圳宝安塘头河人工湿地污水处理 工程( 日处理水量2 万m 3 ) 等等。 在欧洲和北美用于市政和工业污水处理的人工湿地超过了60 0 0 座和l0 0 0 座 璐副。英国建造了一个5 h m 2 的芦苇床人工湿地系统，共由7 个芦苇床组成，日处理 化工废水量0 3 万m 3 d 1 。美国建有加利福尼亚洲炼油厂人工湿地( 占地 1 2 1 4 h m 2 ) 、佛罗里达洲大沼泽营养物去除人工湿地工程啪1 ( 占地15 4 3 h m 2 ) 等湿地 工程，美国佛罗里达洲坦帕市建有一人工湿地( 占地7 5 0 m 2 ) 洲，用来处理雨水， 研究人员对其中一块雨水湿地处理系统进行了详细的研究。德国口鄙用人工湿地处 理一个养猪厂的废水，该厂养猪5 5 0 0 0 头；德国k a s s e l 大学k i k u t h 教授对芦苇床 湿地进行了大量的科学研究，研究的废水包括经不同水平预处理的废水、农业污 泥、食品工业废水、造纸工业废水、化工废水及重金属废水、垃圾填埋场渗滤液 等。 美国俄勒冈州立大学设计建设了6 个研究性质的人工湿地处理系统。这个工 程的目的是确定不同季节在不同水力负荷、不同营养物和固体及有机物负荷的条 件下，人工湿地的处理效率，以预计处理废水在排放前的最后净化嗍。 同济大学张军等对表面流人工湿地中n h 。- n 的去除机理作了深入的研究，研 究了湿地的反应类型和生态动力学模型等1 。中科院张虎成和田卫等铂采用实验 室模拟研究了以盐碱土壤为基质的不同湿地植物人工湿地系统以及对水中低质 量浓度氮和磷的去除效率。实验表明，芦苇系统、香蒲系统、车钱草系统和无植 物系统均对水中低质量浓度的n 具有净化效果。3 种植物系统相比，香蒲系统的净 化效果较其他二者较佳，芦苇系统与车钱草的净化效果相当；同时实验也表明4 种湿地系统对低质量浓度的p 不具有净化效果，随着水力停留时间的增加，系统 中的p 质量浓度反而会有所增加。 南京大学袁东海等与中国科学院南京植物研究所任全进等懈1 以无植被、基质 为河砂的潜流型人工湿地为对照，研究了石菖蒲、灯心草和蝴蝶花3 种类型植被、 第1 章绪论 基质均为河砂的潜流型人工湿地净化生活污水c o d 。、t n 的效果。结果表明，在污 水c o d 。，浓度小于2 0 0 m g l 、t n 浓度小于3 0 m g l 的低浓度范围里，无植被的人工湿 地和有植被的人工湿地对污水中c o d 。、t n 均有很好的去除效果，两者差异不大， 其c o d 。，去除率均达9 0 以上，t n 的去除率达8 0 以上。随着污水中c o d 。和t n 浓度的 增加，无植被人工湿地和有植被人工湿地去除c o d 。，和t n 的效果均有不同程度下 降，两者差异明显，有植被的人工湿地能维持较高的c o d 。，、t n 的去除效果，无植 被的人工湿地c o d 。，和t n 去除效果下降很快，植被在人工湿地系统去除污水c o d 。 和t n 过程中起着重要的作用嘞】。 中山大学王忠全等呻1 采用蕹菜、油菜、美人蕉、水葫芦、水花生、水浮莲等 6 种适应人工湿地的植物试验，在水培情况下研究了它们对h g 、c d 、p b 、c r 、c u 、 z n 等6 种重金属的适应性，以综合考虑了植物的适水性与对重金属耐性的生物量 为指标，得出了植物对6 种重金属模拟废水综合耐性，由强到弱的排序为美人蕉 一水葫芦一油菜一水浮莲一蕹菜一水花生。不同植物对于其中一种重金属的单一 耐性也有差异，美人蕉对c r 、h g 、z n 耐性较强，水浮莲对p b 、c u 、c d 耐性较强。 同济大学张旭东等3 对沸石潜流湿地、砾石潜流湿地和自由表面流人工湿地 脱氮除磷性能进行了中试对比试验研究，结果表明：在相同进水水质和水力停留 时间为l d 的运行条件下，沸石潜流湿地脱氮效果最佳，t n 去除率接近6 0 ；砾石 潜流湿地除磷效果最佳，t p 去除率可达7 0 ；自由表面流人工湿地脱氮除磷效果 介于沸石和砾石潜流湿地之间。 葛滢等h 2 3 研究了菩提子、美人蕉和黑麦草垂直流人工湿地生态工程在杭州气 候条件下，净化流入西湖污水的效果，比较了不同季节、不同水力负荷条件下系 统的净化效果及其间的差异。结果表明该湿地对t n 、c o d c 。b o o 。的总去除率在 4 0 - - - 5 0 之间，t p 的去除率在6 0 - - - 7 0 之间，n h 3 _ n 的去除率达9 0 以上。春夏季 的净化效果优于秋冬季，全年t n 、t p 、c o d 。、b o o 。的最低去除率分别保持在3 0 、 6 0 9 6 、4 0 、3 5 左右，在同一时期不同的水力负荷( 2 0 0 - - 1 2 0 0 m m d ) 下系统净化效 果无明显差异。 岳春雷等h 3 3 采用复合垂直流人工湿地处理了城镇居民生活污水，结果表明， 该新型人工湿地对城市生活污水具有良好的净化作用，对n h 。一n 、t p 、c o d 二、b o d 。、 t s s 、细菌总数和浊度的去除率高达8 0 以上，出