（环境科学专业论文）潜流人工湿地运行状况及油页岩除磷机理研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，c h i n a sw a t e rs h o r t a g e a n dw a t e r p o l l u t i o np r o b l e mh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s o nt h eo n eh a n dt h em a s s i v en e s hw a t e r r e s o u r c ei sw a s t e d ，o nt h eo t h e rh a n dt h ew a t e rb o d yp o l l u t i o ni n t e n s i f i e sd a y b yd a y f r o ma g l o b a lp e r s p e c t i v e ，t h en o n 。p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fw a t e re n v i r o n m e n th a sb e c o m ea m a j o re v e n t h ep r i m a r ys o u r c eo fp o l l u t i o n t r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e ds e w a g et r e a t m e n t p r o c e s sd o e sn o ta p p l y t on o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o np r e v e n t i o n , w h i l et h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dt e c h n o l o g yh a sb e e n w i d e l ya p p l i c a t e db yi t sg o o dc o o r d i n a t i o nw i t ht h ee n v i r o n m e n t t h em a t r i x ，m i c r o b i o l o g ya n dp l a nc o n s t i t u t ea c o m p l i c a t e de c o s y s t e m c o n s t r u c t e d 、e t l a i l d s c o u l dm a k eg o o du s eo ft h ec o o r d i n a t i o nr o l eo fi t sp h y s i c o c h e m i c a la n db i o l o g i c a l t r i p l e t h r o u g h f i l t r a t i o n ，a d s o r p t i o n , c o p r e c i p i t a t i o n , i o ne x c h a n g e ，a b s o r p t i o na n dm i c r o b i a l d e c o m p o s i t i o no fp l a n t st oa c h i e v eh i g he f f i c i e n c yo fw a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o n t h e r e w i t h t h r o u g h b i o g e o c h e m i c a lc y c l e so fn u t r i m e n ta n dw a t e r , i tc o u l dp r o m o t ep l a n tg r o w t h t h e na c h i e v e r e s o u r c ec y c l ea n dh a r m l e s s t h i sa r t i c l es t u d i e dt h ee f f e c t so ft h em a t r i xa l l o c a t e dp r o p o r t i o na n dp l a n tf i l t r a t i o n t o t h e p o l l u t a n tb ya ni m p r o v e ds 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 ( w s f c w ) t e c h n i c s 锄dt h e f e a s i b i l i t yo ft h eo i ls h a l ea s ha st h em a t r i xo ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d t h ep r i m a r yc o v e r a g e i n c l u d e d ： 1 w a v es 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 ( w 。s f c w ) i si m p r o v e do nt h et r a d i t i o n a l 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 ，f i l e dw i t hg r a v e l ，f l y a s h , c h a r c o a l ，z e o l i t eo nd i 丘打e n t m a t r i x 。f i l l e db e d s t h r o u g hn e a r l y15m o n t h so fo p e r a t i o n ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o c e s s h a sag o o da b i l i t yf o ru r b a ns e w a g e p u r i f i c a t i o n ，t h ec o d e rm o n i t o r i n gs h o w st h a tw a t e rq u a l i t y c a nm e e tg r a d e1 1w a t e rq u a l i t ye f f l u e n ts t a n d a r d s 2 o nt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h em i c r o b i a ln i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o ns v s t e m s w e r et h em a i nf o r mo f n i t r o g e n ，d e n i t r i f i c a t i o no fm a t r i xe f f e c t sw a sn o to b v i o u s ：i nt h es e w a g e t h ep h o s p h o r u se l i m i n a t i o nw a sm a i n l yb yt h em a t r i xs e d i m e n t a t i o na n d f i l t r a t i o n t h es e w a g e f l o w e da l o n gap r o c e s s i n gu n i ti nt u r n , t h ep h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o ni n t h ew a t e rd e c r e a s e d t h r o u g ht h es t u d yi nw i n t e ro fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o n , t h e yb o t hd e m o n s t r a t e d t h ep h e n o m e n o no fp o o rr e m o v a le f f i c i e n c y , t h i s w h i c hr e d u c et h ei m p a c to fm i c r o b i a la c t i v i t y w a sm a i n l yb e c a u s eo ft h el o wt e m p e r a t u r e s 3 w es e l e c t e d a r u n d od o n a xv a r v e r s i c o l o r ,c y p e r u sa l t e r n i f o l i u s ，t h a l i ad e a l b a t a c a n n ag e n e r a l i sa sl a n d s c a p ep l a n t s t h o u g ht h es t u d yo ft h e g r o w t hs t a t eu n d e rl o wt e m p e r a t u r e i i 桂林理工大学硕士学位论文 a n dt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n to fp l a n t so nt h eg r o u n di nd i f f e r e n ts e a s o n sa st h e r e f o m c ev a l u eo np h o s p h o r u sr e m o v a lr a t eo fc o n t r i b u t i o n ，t h em o s ts u i t a b l ep l a n t sw a st h a l i a d e a l b a t a ，w h i c hh a dg o o db i o m a s s ，a n dd r o u g h t - r e s i s t a n ta b i l i t y 4 t h er e s e a r c ho nt h eo i ls h a l ea s hf o rp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c ym a i n l yi n c l u d e dt h e s t a t i ca n dd y n a m i ca d s o r p t i o nc h a r a c t e r i c s t h er e s u l t ss h o w e dt h a to i ls h a l ea s hf o rp h o s p h o r u s a d s o r p t i o nh a dag o o de f f e c t t h r o u g ht h es t a t i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n t s ，w e f o u n dt h a tl a n g m u i r i s o t h e r me q u a t i o nl i n e a rf i th e u e lt h et h e o r e t i c a lm a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yi s6 2 5m g k g t h et e n t a t i v ed a t aa n dt h ea c h i e v e m e n tw o u l dh a v eb e t t e rs i g n i f i c a n c eo nt h ec o n s t r u c t e d w e t l a n ds y s t e m so p e r a t i o na n do nt h es a l gr e c y c l e k e y w o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；d o m e s t i cw a s t e w a t e r ；p l a n t s ；o i ls h a l ew a s t es l a g i i i 桂林理工大学硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的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，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员己在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解桂林理工大学有关保留、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印刷本和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权桂林理工大学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) 导师签字：巷售诎、 签字日期：力哆年莎月方日 粞坩 名 e 粼矿叩 诳城僦锢凇蚌 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 随着人类对水资源的利用范围不断扩大，对水的需求量在许多国家和地区已 经超出水资源的产出，水资源危机日益严重。我国是世界上人口最多的国家，随 着城市人口的骤增、农村城镇化和人民生活水平的提高，人均需水量和总需水量 不断增加，城市污水总排放量也随之相应增加。资料显示，目前全国工业和生活 废污水排放量日近2 0 0 0 亿m 3 ，9 0 以上的城市地表水域受到严重污染，近7 5 的主要湖泊污染显著：全国1 1 座大城市中，9 7 的城市浅层地下水受到污染， 4 0 的严重污染；超过1 0 0 0 0 k m 的城市河段，水体丧失了灌溉用水的最基本的 使用功能i l j 。 根据国民经济和社会发展2 0 1 0 年远景规划，到2 0 1 0 年，城市生活污水处理 率要达到5 0 。按照这一要求，就目前的城市生活污水处理率尚不足2 0 而言， 实现城市生活污水的高效、经济的处理方法任重而道远。 目前，对污水的治理途径一般采用建设城市污水处理厂。就我国目前城镇的 经济生活水平来说，建造大型的城市污水处理厂还存在资金和技术等方面的难 题。相比于传统的二级生化处理工艺，投资少、能耗低、维护简单的人工湿地污 水处理技术就越来越多地受到广泛的关注。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 2 0 世纪7 0 年代，人类开始有意识地利用湿地系统进行污水处理。人工湿地 作为一种新的发明，最早出现于1 9 0 4 年澳大利亚b r i a nm a c k n e y 发表的一篇文 章中。1 9 5 3 年德国的s e i d e l 发现芦苇能去除大量的有机物和无机物，进一步研 究发现细菌、重金属及碳水化合物也会大量减少。6 0 年代中期s e i d e l 与k i c k u t h 合作并由k i c h u t h 开发了“根区法”。人工湿地污水处理技术的发展经历了两个主 要阶段：第一阶段是在2 0 世纪7 0 年代，采取天然湿地的原有结构以泥沼的形式 存在，而且常将湿地系统与氧化塘处理结合起来以提高氧化塘系统的处理效果： 第二阶段是在2 0 世纪8 0 年代以后，人工湿地发展为由人工建造的、以不同粒径 的砾石和豆石为填料基质的、并种植有一定去污能力的植物处理系统，从此进入 了规模性的应用阶段1 2 】。我国在“七五”期间开展人工湿地的研究，分别在北京昌 平、深圳白泥坑、天津等地建成不同处理规模的人工湿地处理工程，现在已发展 到实际应用阶段。 9 0 年代以来，国外人工湿地污水处理得到极快的发展。目前，在美国有6 0 0 多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水。在丹麦、德国、英国至少有 桂林理工大学硕士学位论文 2 0 0 处人工湿地系统在运行。新西兰也有8 0 多处人工湿地系统投入使用。人工 湿地污水处理技术已广泛应用至农业污水、家畜与家禽粪水、垃圾场渗滤液、城 市暴雨径流或生活污水、富营养化湖水、矿区重金属污水、炼油厂废水及小区景 观设计等。 人工湿地是一个综合的生态系统，具有缓冲容量大、处理效果好的优点，一 般可达n - 级和高级水平，应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理、结构 与功能协调原则。在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生 产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益，是一种良好的 生态废水处理方式，比较适合于处理水量不大、水质变化较小、管理水平不高的 城镇污水和较分散的污水处理。经过2 0 多年的研究，我国人工湿地污水净化技 术的研究已经取得了许多经验参数和理论数据，但是还有许多工作有待于进一步 开展： ( 1 ) 实际应用中，人工湿地系统的工艺设计常常是与其他系统相结合，构成 多水塘处理系统，共同实现污水净化的目标。目前最常见的多水塘组合是人工湿 地与好氧塘、厌氧塘以及兼性塘进行多级串联组合，其目的是为了保证湿地处理 系统具有更高的处理效率，使出水水质更趋稳定。但是其组合方式、组合次序都 会影响到系统出水的水质，因此，与人工湿地组成的多水塘污水复合处理系统也 将是今后的热点研究之一。 ( 2 ) 农业面源污染的研究和治理。目前，面源污染已经远远超过点源污染， 用传统的点源污染控制技术很难治理面源的污染，而人工湿地在这方面具有很明 显、独特的优势和潜力，国外已有一部分人开始了这方面的应用研究，但在国内 尚未见报道。 ( 3 1 由于氮、磷等营养元素是水体营养化的主要原因，所以它们仍然是污染 物中被严格控制的主要目标。因此，在研究去污机制的基础上，构建或调控有利 于稳定地去除氮、磷等营养元素的湿地系统，仍是今后研究和实践的重要内容。 ( 4 ) 决定湿地处理效率的因素除了系统内污染物降解的反应动力学和湿地内 部的水流流态外，还有许多外在的因素如温度、进水负荷、水力停留时间、区域 差异和气候特征以及系统设计类型等，它们都会对污水净化效果产生影响。而且， 目前的研究没有一个统一的对比标准，人工湿地的类型和规模千差万别，诸多研 究结果很大程度上都缺乏可比性。因此，系统地开展具有高对比性的研究也将成 为今后研究的一个重要方向。 ( 5 ) 人工湿地生态系统在寒冷地区的运行状况及其在生态恢复中的应用。大 量的研究表明，温度的降低会影响人工湿地污水净化的效率。因此，气候很可能 成为设计人工湿地的一个限制性因子，针对我国北方大部分寒冷地区与生态环境 2 桂林理工大学硕士学位论文 较差的地区，研究如何利用人工湿地特有的功能特性来改善和恢复恶化的生态环 境具有重要的现实意义1 3 1 。 1 3 人工湿地污水处理技术 1 3 1 人工湿地技术 湿地是一种自然景观，是地球上具有重要环境功能的生态系统。关于湿地， 目前国际上公认的定义出自于1 9 7 1 年2 月2 目诞生的拉姆萨尔公约( 也称湿 地公约) ：“天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带，静止或 流动的淡水、半咸水、咸水水体，包括低潮时水深不超过6 m 的水域。” 1 9 8 9 年，d a h a m m e r 在人工湿地处理生活、工业和农业废水一书中 提到“人工湿地”：由人工设计的、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、沉水植物和动物等组成，并通过其中一系列生 物、物理和化学过程实现对污水的高效净化。人工建造的湿地，其生态系统中的 生物种类多种多样，并处于人为控制之下，综合处理污水的能力收到人工设计控 制，处理能力较强。 根据植物的存在状态，人工湿地主要可划分为浮水植物人工湿地、浮叶植物 人工湿地、挺水植物人工湿地和沉水植物人工湿地，具体见图1 1 人工漫地 褥东艟扬人t 遐炮ll 浮叶植物人工湿地ll 挺水植物入工湿地ii 沉永饭糖人工漫地 寰面i 队t 浸地ii t l t 漉x t n l 地 上行懑泼入工谩地 下行港流人丁灌地 垂直薏谶人t 湿地ii 水平慧i 莨人工漫地 图1 1 人工湿地的分类 复台浓人下灌逸 与传统的污水处理厂相比，人工湿地污水处理技术具有很多优势： 桂林理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 建设成本及运行管理费用低廉【训。人工湿地的工程建设投资大约是城 市污水处理厂的2 3 ，运行管理费则是1 8 至1 1 0 。 表1 1 人工湿地污水处理系统与其他污水处理系统比较表 ( 2 ) 具有强大的生态修复功能。它不仅具有涵养水源、均化洪水、降解污 染物、保护生物多样性的特点，还具有吸收s 0 2 、c 0 2 、氮氧化物、增加氧气、 净化空气、消除城市热岛效应、光污染和吸收噪声等环境调节功能。 ( 3 ) 保护野生动物和提高景观美学价值。人工湿地能够控制土壤侵蚀、防 风护堤，是众多野生濒危动植物特别是珍稀水禽的栖息、繁殖、迁徙、越冬积聚 之地，对保护野生动物和提高局部地区景观的美学价值有很大的益处。 同时，人工湿地技术也存在一些不足： 1 ) 占地面积大，进水负荷小。 人工湿地占地面积与其他污水处理厂相比占地面积大，相当于常规污水处理 厂的l 3 倍。例如，深圳白泥坑人工湿地污水处理工程占地8 4 0 0 m 2 ，而美国密 西根v e r m o n t v i l l e 湿地处理系统占地4 4 h a 。 2 ) 易堵塞，运行周期短。 人工湿地堵塞后，目前还没有很好的恢复对策。国外流行的做法是让堵塞后 的床体经过几周的停床的时间来恢复渗透性。国内有关湿地堵塞的问题有一些报 道，其中雷明等【5 】就土壤堵塞问题进行了全面的描述，并分析了影响堵塞的因素， 他指出，为了维持湿地长期稳定高效的净化效果，必须做好预处理措施，同时采 用高空隙率的填料和优良的挺水植物。 3 ) 处理效果不稳定。 众多研究和实践表明，人工湿地对污水中污染物具有很好的去除效果，特别 是对c o d 、b o d 5 、s s 和大肠菌群等指标，但对n 、p 的去除不稳定，变化较大。 1 3 2 人工湿地系统的构成 绝大多数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 4 桂林理工大学硕士学位论文 下或上流动的水) ；无脊椎或脊椎动物；好氧或厌氧微生物种科6 1 。 1 3 2 1 基质的作用 基质层是人工湿地处理污水的核心部分。在自由水面流人工湿地中，一般直 接采用土壤和植物根系构成基质层。在地下潜流人工湿地中，一般采用砾石填料 和土壤或砂构成基质层【7 1 。叶建峰【8 】等将钢渣应用于生活污水的除磷技术研究， 王富华等p j 将基质应用扩展到油田开发中处理采油污水领域，针对研究较多的沸 石等传统基质，卢少勇等【l o 】提出采用前置沸石和表铺沸石填充方式来改善湿地 中污染物去除效果。随着研究的深入，湿地填料的筛选，不仅要考虑填料的比表 面积等理化性质，还要评价填料对微生物和植物的影响，后者对于构建整体高效 和稳定的湿地系统是非常必要的。张静等【ll 】通过对基质的x 射线荧光光谱和x 射线衍射分析，结果表明，酸性淀粉废水中，页岩中的植物其叶片相对绿度、茎 根比、平均株高等均优于沸石中植物，且页岩中植物对氮磷的吸收也明显高于沸 石中植物的吸收量，表明页岩比沸石更适合植物生长。 人工湿地主要通过基质吸附、化学沉淀等途径对磷进行截留。在筛选除磷填 料时，主要对含氢氧化铁或铝基团的天然矿物质，或能促成钙磷形成的含钙矿物 质进行对比和筛选。近年来，一些通透性好、比表面积大、具有吸附能力的多孔 填料受到研究者的青睐。崔玉波等【l2 】对比火山渣和砂子对污水中氮磷的吸附性 能，结果显示，火山渣因其良好的表面活性和孔隙结构，吸附效果更好。谭洪新 等【l3 j 从化学吸附的角度，诠释了基质对磷的吸附机理。钢渣中的无定性铁和铝 等对磷的化学吸附使得其等温吸附线的斜率较大，并且吸附常数反映出填料吸附 磷的能级。 此外，除了选择合适的基质材料外，填料的级配也会影响湿地处理效果。李 爱权【1 4 】通过研究泥炭、蛭石、砾石以不同体积比( 柱1 比例1 ：1 ：3 ，柱2 比例1 ：1 ：2 ， 柱3 比例l ：l ：1 ，柱4 全为砾石) 组成的复合基质对人工湿地出水的深度除磷效 果。结果显示，复合基质对磷素去除率达到7 7 以上，明显好于单一基质( 去除 率2 1 ) 。 1 3 2 2 植物的作用 植物在污水控制方面有以下优势：1 ) 通过光合作用为净化作用提供能量来 源；2 ) 具有美观可欣赏性，能改善景观生态环境；3 ) 可以收割回收资源；4 ) 可作为介质所受污染程度的指示物；5 ) 能固定土壤中的水分，圈定污染区，防 止污染源的进一步扩散：6 ) 植物庞大的根系为细菌提供了多样的生境，根区菌 落可降解许多种污染物；7 ) 输送氧气至根区，有利于微生物的好氧呼吸【1 5 】。 水生植物是人工湿地系统的特点所在，不同水生植物的根系泌氧性能和吸收 污染物能力是不同的。水生植物的重要功能之一，就是通过植物茎杆的传输作用， 桂林理工大学硕士学位论文 从上部将空气中的氧向下输送到根部，从而在根区形成好氧环境，以利于好氧微 生物对有机质的分解。同时根区附近的微生物通过代谢，消耗了水体中的d o ， 使之出现缺氧环境，有利于系统的反硝化，从而最大限度地去除污水中的氮。另 外，水生植物自身也能吸收一部分营养物质，研究发现，不同的水生植物对营养 物质的吸收能力是不同的i l6 j 。 污水湿地中最常采用的植物有香蒲( t y p h as p p , s c i r p u ss l a p ) 、芦苇 ( p h r a g m i t e sa u s t r a i l s ) 、灯心草( j u n c u se f f u c u s 厶) 等各种水生作物。金 陵石油化工公司炼油厂采用人工湿地处理技术处理炼油废水。其植物为香蒲 ( t y p h as p p , s c i r p u ss l a p ) ，凤眼莲( e i c 肋o r n i ac f a s s i p o s ( 五t a r t ) s o l m s ) 和菖蒲( a c o r u sc a l a m u s 锄) 。马鞍山南山矿区建造的人工湿地选择抗酸性 较强的几种植物如水葱( s c i r p u st a b e r n a e m o n t a n i6 r e e l ) 、香蒲( t y p h a s p p , s c i r p u ss p p ) 、芦苇( p h r a g m i t e sa u s t r a i l s ) 、菖蒲( a c o r u sc a l a m u sl i n n ) 、 凤眼莲( e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ( m a r t ) ) 在工程中加以应用。 由工程实例可以看出，处理污水的人工湿地在植物筛选上是有所侧重的【1 7 l ： 1 ) 优选本土植物( 尤其在气候适宜而植物物种丰富的地区) ，慎重引入外来 植物，尤其在邻近湖泊水库的湖滨湿地中，避免引发生物安全性问题。 2 ) 优先选用营养物吸收能力强的物种。主要考察植物对污水和土壤中氮和 磷的吸收能力，吸收能力体现在其生物量与组织营养物含量两个方面。 3 ) 优先选用耐受水位变化能力强的物种。在雨季和旱季明显的地区，以及 湖滨地区人工湿地的全年稳定运行尤为重要。 4 ) 优先选用抗寒能力强的物种。抗寒能力强的物种有助于保持寒冷季节和 寒冷地区植物的活性和湿地的去除效果。 5 ) 优先选用根系发达、茎叶茂密和生物量大的物种。植物吸收营养物的量 增加，湿地内部水流改善，透气性增强。 6 ) 选择抗逆性强，即抗病虫害能力和抗气温变化强的物种。有助于湿地生 态系统健康稳定发展。 7 ) 优先选择有经济价值的物种。通过收获这些植物的能产生经济价值的组 织，如花卉、茎叶和果实等，可期为湿地的运行和管理提供经费支持。顺畅的运 输和销售途径是至关重要的。 8 ) 所选植物应具有一定的景观美化功能。这可改善湿地所在区域的小环境， 而且可以提升湿地所在区域的旅游和教育价值。 9 ) 根据实际情况的需要，在盐沼地区如果需要选用人工湿地技术，那么必 须考虑选择耐盐能力强的植物物种。 1 0 ) 合理搭配不同植物物种。多物种的生态系统比单一物种的系统要稳定。 6 桂林理工大学硕士学位论文 有些植物具有分泌不利于其它植物生长的物质。研究发现，宽叶香蒲、水葱和苔 草等植物体腐烂产生的化学物质对芦苇生长和繁殖具有抑制作用。 在人工湿地净化污水过程中，植物潜在的主要作用可以归纳为四个方面： 直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附和富集重金属和有毒有害物质； 为微生物吸附生长提供更大的表面积；为根区好氧微生物输送氧气；增强 和维持基质的水力传输性能。 1 3 2 3 微生物的作用 在湿地系统中，基质、水生植物和微生物是人工湿地发挥净化作用的三个主 要因素，湿地中的微生物是其生态系统中的重要组成部分，丰富的微生物资源为 湿地污水处理系统提供了足够的分解者。 人工湿地对氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用。废水中的 无机氨作为植物生长过程中不可缺少的物质，可以直接被植物吸收并通过植物收 割从废水和湿地中去除。但植物直接吸收只占很少的一部分，主要的去除途径是 通过微生物的硝化、反硝化作用来完成【1 8 l 。 郭如美等【l9 】通过对泗洪潜流式人工湿地芦苇根际及填料表面的氨化细菌、 亚硝化菌和反硝化细菌含量水平进行测定、比较研究。结果显示，d o 浓度呈现 区域性变化，符合“根区理论”，根面上各类细菌数量比填料的表面多l 2 个数 量级。李今等【2 0 】从基质生物膜、生物膜厚度和脱氢酶活性等方面研究了复合垂 直流人工湿地中生物膜的特性。其研究显示，进水污染负荷高有利于基质生物膜 的积累，此外，生物膜的厚度受到养分和氧传质的限制，当膜厚度大于最佳膜厚 度时，生物活性降低，造成处理效率降低。 1 3 3 人工湿地去除污染物机理 人工湿地是一种新型的废水处理工艺，它由人工基质和生长在基质上的植物 组成，形成一个独特的“基质一植物微生物生态系统，通过过滤、吸附、共 沉、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。人工湿地系统 中污染物去除机理可概括如表1 2 7 桂林理工大学硕士学位论文 有机物悬 氯磷 重细荫 机理易降瘫降浮 素索 金和病说明 解 解物 属 毒 沉降 oooooo 颞牲物的重力沉降 物过滤 ooo 颗粒物经i ，壤、植物的根鼯被过滤 理吸附 oo 颞粒物之m 的；l 力 挥发o m i 】挥发 与不同溶解的化合物结合或生成不 沉淀 o 溶物 化 吸附 oo 在摹质和植物衷蕊吸附 学 分解o 不稳定化合物矗蘩外线照射或氯化、 还廒条件下分解 细菌 通过悬泞的，底牺的和楂物附着的细 代谢 荫去除殷体颗莘电物和溶解性有机物 生 硝化和硬硝化作用 物 樯物 ooooo o 植物的吸收和代谢 代谢 自然 死亡 在不适应环境条件下的自然死亡 陡：主要作用；o 次要作用；o 一股作用 袁1 2 人工湿地污染物去除机理 1 3 3 1 有机物的去除机理 污水中的有机物包括颗粒性有机物和溶解性有机物。前者通过沉淀和过滤可 迅速去除，截留下来的不溶性有机物被微生物加以利用；而溶解性有机物则通过 植物的吸收和微生物作用降解。微生物降解有机物分为好氧降解和厌氧降解。由 好氧异养菌控制的好氧降解可以表述如下： c h 2 0 + 0 2 = c 0 2 + h 2 0 由兼性厌氧菌和专性厌氧菌控制的厌氧过程分步进行。首先，复杂的有机物 如纤维素、淀粉水解为单糖，再酵解为丙酮酸；将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基 成有机酸和氨；脂类水解为各种低级脂肪酸和醇，如乙酸、丙酸、乙醇、c 0 2 、 氢和硫化氢等。第二阶段在微生物( 产氢产乙酸细菌) 作用下将第一阶段的产物 进一步分解为乙酸和氢气。第三阶段由两组生理不同转性厌氧的产甲烷菌群来完 成，一组是将氢气和c 0 2 合成甲烷或一氧化碳和氢气合成甲烷；另一组是乙酸 脱羧生成甲烷和c 0 2 ，或利用甲酸、甲醇及甲基胺裂解为甲烷。第四阶段是同型 产乙酸阶段，是同型产乙酸菌将h 2 、c 0 2 转化为乙酸过程。 b o d 的去除包括几个生物化学过程：好氧呼吸、厌氧消减和硫酸盐还原 ( c h 3 c o o h + h 2 s 0 4 = 2 c 0 2 + 2 h 2 0 + h 2 s ) 。约5 0 的进水b o d 在处理床体前段即 可除去，一般出水b o d 浓度约为l o m g l 。由于湿地特有的环境，形成了系统中 好氧菌、兼性菌及厌氧菌的良好生存状态。尤其是土壤表层，微生物活性较高， 8 桂林理工大学硕士学位论文 对有机物的去除能力较强，但当表层土壤被淹没，就会阻止好氧循环，进而加强 并平衡了好氧厌氧循环，为微生物充分发挥作用提供了条件。 1 3 3 2 脱氮机理 废水中无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质可以直接被植物摄取，合 成植物蛋白质等物质，通过植物收割而从废水和湿地系统中去除。但人工湿地中 的氮主要通过微生物的硝化和反硝化而被去除【2 1 】。有研究表明，湿地系统平均的 可以除去8 6 - 9 8 的氨氮，大于9 9 的亚硝态氮，约8 2 - 9 9 的硝态氮和9 5 - 9 8 的总无机氮。【2 2 湿地中氮的形态转化情况【2 3 】见图1 2 。 n 地 n 2n 一- n 2 0 图i 2 人工湿地污水处理系统中的氮形态转化图 3 挥发，硝化，反硝化，植物、动物和微生物吸收，氨化，硝酸盐氨化，固 氮，离子交换，吸附，与周围水体交换，o d 降水带入的氮 硝化作用分为两步：亚硝化和硝化： n h 4 + + 1 5 0 2 = n 0 2 + 2 h + + h 2 0 n 0 2 。+ o 5 0 2 = n 0 3 。 n h 4 + + 2 0 2 = n 0 3 + 2 h + + h 2 0 硝化细菌利用氧气，通过氧化n h 4 + 和亚硝酸盐获得能量，并利用c 0 2 合成 新细胞。 人工湿地除氮效率受到许多因素影响。首先，植物的存在有利于系统中硝化 作用的发生 2 4 】主要是因为植物根部可以形成微好氧环境，加强硝化和反硝化过 9 桂林理工大学硕士学位论文 程。其次，温度与季节。湿地水体和土壤温度的变化，会影响到微生物的活性， 进而影响到系统的效率。v y m a z a l 的研究表明氨化过程与温度关系最为密切i z 5 。 在季节方面，人工湿地去除效果夏季明显高于冬掣2 们。再有，湿地基质所有理 化性状都可能影响到它对污水的除氮效果。土壤含水率大于田间持水量的6 0 时，就可能发生反硝化作用，土壤含水率增加，反硝化作用随之增删2 7 1 。微生 物的生物量可作为一个湿地生态系统中土壤物理化学特征，养分含量变化以及有 机质累积与分解的一个有效反映指标【2 引。与人工湿地除氮有关的微生物主要是 氨化、硝化和反硝化细菌。反硝化细菌使硝化作用的产物硝态氮还原成n 2 0 、 n 2 ，达到从系统中去除氮的目的。 1 3 3 3 除磷机理 湿地去除磷的主要机理为土壤或颗粒介质的吸附、植物吸收和沉淀储存。与 其他污染物不同，磷和泥沙颗粒表面具有很强的亲和性。进入水体中的含磷污染 物在随水体扩散、迁移的同时，部分污染物会被水体中的悬浮泥沙颗粒吸附，并 随泥沙颗粒的沉降、再悬浮及水平方向上的运动而迁移。一些研究发现，土壤吸 附与沉淀作用去除的总磷可高达总去除量的9 0 以上【2 9 】。由此，填料在湿地除 磷方面扮演重要角色。在筛选除磷填料时，主要对含氢氧化( 或氧化) 铁或铝基 团的天然矿物质，或能促成钙磷形成的含钙矿物质进行对比和筛选【l 引。植物吸 收无机磷和吸收无机氮都是在吸收同化作用下，将无机磷变成植物体的组成部 分，然后通过植物收割去除。 基质对磷素的吸收存在化学吸附位饱和的限制，而出现解吸问题。植物自身 吸收是磷唯一的持续性去除机理。 1 3 4 人工湿地的运行和维护 为了保证人工湿地污水处理系统正常运行，需要进行一定的控制和维护。虽 然设计时取保守的负荷率，采取了一些不太需要维护的简单机械控制，但湿地处 理系统仍然会产生生态变化以及难以持续满足水质限制标准等问题。因而，湿地 系统的运行、维护和管理是湿地系统污水处理和生态修复效果的重要保证。 1 3 4 1 人工湿地的监测和控制 日常监测是保证人工湿地处理系统正常运行的关键，监测资料需要由技术人 员进行分析，并确定相应的运行方案。需要监测的指标包括温度、d o 、p h 值、 导水率、b o d 5 、t s s 、c 1 、s 0 4 、n o 。- n 、n h 4 + - n 、t k n 、t p 、金属、毒性物 质等。 通过监测湿地水质的变化，可以间接反映湿地中的微生物在净化污染物过程 中的生长状况。因为湿地中的微生物种类很多，不可能进行有效检测，通过检测 水中有机物分解、硝化和反硝化，以及溶解氧浓度的变化，可以间接说明微生物 l o 桂林理工大学硕士学位论文 的活性。如果水质朝着恶化方向发展，表明微生物活性受到影响，污染物负荷和 水深等参数就需要进行相应调整。 1 3 4 2 植物管理 湿地植物在湿地中微生物生长和污染物质净化方面起着重要作用，因此维护 其健康生长对系统的运行是非常重要的。首先是选择合适于湿地环境条件变化的 湿地植物种类，确保其适应新的生存环境。当水生植物不适于新的生存环境时， 需调整植物种类并重新种植，可通过调节出水装置来调节水位。 湿地进污水之前，已栽种植物需4 - - 6 周的培育期。在湿地运行的第一年， 每隔一段时间下调水位一次，为湿地全面充氧，维持幼苗的正常生长【3 0 j 。 1 3 4 3 基质堵塞 湿地中堵塞层的形成是有机固体物在填料内部颗粒间隙的沉积、填料间隙内 生物量生长和分解以及填料本身所含物质的化学沉淀反应等造成的，堵塞后将严 重影响污染物的去除效果【3 。 当垂直流人工湿地用来治理含较多不易降解的s s 成分时，堵塞容易发生。 可以通过废水的前处理，减少进水中的s s 来防止堵塞的发生。减少由植物造成 有机物堵塞的办法是选择一种植物品种，其残留物中所含难降解化合物的水平较 低或者定期收割植物的地上部分以及定期去除系统表面积累的有机物粘膜。 1 4 课题来源、研究内容 1 4 1 课题的来源 本课题为自选专题研究。课题名称：潜流人工湿地运行状况分析暨基质除磷 机理研究。 1 4 2 研究的目的和意义 随着城市化建设的步伐不断加快，小城市也迅速发展起来，人口的集中化及 其企业的增加使得城市污水排放量也不断增加，但是由于小城市基础设施建设远 远落后于大城市建设的发展，污水处理设施的不完善导致某些局部地方污水无序 乱流，这不仅直接污染了其城市自身生态环境，而且造成了河湖水体的严重污染， 已成为区域性水环境的重要污染源。同时，由于小城市郊区紧临城镇及农村，畜 禽养殖，水产养殖、农药及化肥等面源污染也极为严重，均对居民的饮用水安全 和生存环境构成严重威胁，制约了其经济发展。由于对有限的淡水的需求和耗用 日益增长，不仅对水的需求迅速增加，而且废水和污水的排放量也相应增加，结 果使海洋、湖泊和地下水受到严重的污染，影响人类的生活和健康。作为一种新 兴、有效的污水处理途径，人工湿地越来越多地被重视和采纳。 桂林理工大学硕士学位论文 目前，大中城市的污水和工业污水的污染己受到重视，基本上采取了一定的 治理措施。但对于中小城市( 尤其小城镇) 污水的处理情况就不容乐观了。在很 多经济欠发达的地区污水处理设施都不完善，有些地方甚至都没有这些处理设 施，西部地区更是如此。这不仅对当地的水环境造成了污染，而且严重阻碍了经 济的发展。因此，中小城镇污水的处理势在必行。探讨适合中小城市污水处理的 工艺具有重要意义。随着研究的深入，人工湿地处理效率不断提高，应用范围不 断扩大，在理论和实践上都不断有新的发展。中国中小城镇众多，人口密集，资 金及技术有限，发展大型污水厂有较大的困难，湿地污水处理技术符合中国国情， 具有广泛的应用前景。 人工湿地作为一种新型的生态处理技术，具有成本低，运行费用少，低能耗 及操作简便等这些优势。这一技术在经济相对比较弱的西部地区值得推广应用， 尤其适合一些中小城市及广大农村的污水处理。本课题中的人工湿地试验场地就 建在桂林市北冲污水净化厂区内，该厂就位于桃花江边附近，厂周边有企业、村 落、住宅小区和旅游景点。因此该试验比较具有地方代表性，通过结合桂林地区 的具体情况，深入开始试验研究工作，得出一些实验分析数据和运行经验，以利 于该工艺在广西的推广使用，同时也给其他在地理位置、气候等条件相近的地区 提供一定借鉴和参考。 1 4 3 研究的内容 本论文的研究主要包括以下几方面： ( 1 ) 波式潜流人工湿地冬季条件下，污水中氮磷的去除效果分析。主要考 察低温脱氮及基质除磷过程中不同形态磷的去除规律； ( 2 ) 通过定期收割，测定植物地上部分氮磷含量，考察不同月份植物中氮 磷的吸收规律； ( 3 ) 沿水流方向，监测各处理单元有机物及氮磷浓度变化。分析污染物去 除的动力学特征； ( 4 ) 通过油页岩灰渣的磷等温吸附试验，评价其作为污水处理中基