（环境科学专业论文）人工湿地基质脱氮除磷性能试验研究.pdf

附件3 ： 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已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位做作者。：2 丝丝匿 签字日期：2 生应，么z 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 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( 学校) 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) 本论文是否保密：是影如需保密，保密期限为： 学位论文作者签名： 签字日期：彩年乡 导师嫁吾懈 签字醐：妒年6 月：7 拿 一翟 老声 1 纱” 摘要 近年来，人工湿地作为一种新型的污水生态处理技术在国内外受到了广泛地关注，它不 但具有低投入、低能耗、能脱氮除磷、易操作等优点，还可以在降解污染物的同时，改善和 美化周围生态环境，促进生态环境的良性循环，且具有显著的社会、环境和经济效益。人工 湿地对污水的净化主要是依靠基质的吸附、植物吸收和微生物转化等共同作用，其中基质是 人工湿地的核心部分，对于净化污水，特别是对氮、磷的去除有着重要的作用。 本文选取了炉渣、炉灰、蜂窝煤渣、新型基质( w s c ) 、碎石、牡蛎壳6 种基质，进行 了静态吸附、动态吸附和挂膜试验研究。研究结论如f ： ( 1 ) 炉渣、炉灰、蜂窝煤渣和w s c 对氨氮均有较好的吸附效果，且对氨氮的吸附都 可以用f r e u n d l i c h 和l 柚舯u i r 等温吸附方程很好地描述，4 种基质对氨氮的吸附能力为： 炉灰 炉渣 w s c 蜂窝煤渣，对氨氮的理论饱和吸附量由人到小依次为：炉灰 炉渣 w s c 蜂窝煤渣。 ( 2 ) 6 种基质对总磷的吸附同样可以用f 陀u n d l i c h 和l a n g m u i r 等温吸附方程很好地描 述，研究发现，从相关系数来看，l 舶g m u i r 方程更适合。基质对磷的吸附能力火小为：w s c 炉渣 蜂窝煤渣 炉灰 牡蛎壳 碎石，理论饱和吸附量由大到小依次为：w s c 炉渣 炉灰= 牡蛎壳 碎石 蜂窝煤渣。 ( 3 ) 研究发现：吸附时间、吸附溶液浓度、吸附剂用龟和吸附温度等因素都对基质吸 附氨氮和总磷的效率有一定影响。 ( 4 ) 基质对氨氮和总磷的吸附的最佳动力学模型均为准二级动力学方程。 ( 5 ) 炉渣、炉灰、蜂窝煤渣、w s c 对氨氮的动态吸附均有较好的效果，其中炉灰对氨 氮的去除效果最好，其次为炉渣、w s c ，蜂窝煤渣对氨氮的去除率最差。6 种基质除碎石外， 其余5 种对磷都有很好的动态吸附效果，去除率人小依次为：w s c 炉渣 蜂窝煤渣 牡蛎壳 炉灰 碎石。 ( 6 ) 挂膜试验研究表明：系统在挂膜成功后，4 种基质系统出水率基本达到稳定，炉 渣对氨氮的去除率达7 2 以上，对总磷的去除率达到9 0 以上。炉灰对氨氮的去除率达8 0 以上，对总磷的去除率达7 0 左右。蜂窝煤渣对氨氮的去除率在7 0 左右，对总磷的去除 率在8 3 左右。而w s c 挂膜后对氨氮的去除率达7 0 以上，对总磷的去除率也达到9 7 以 e 。 关键词：人上湿地；基质；脱氮除磷；挂膜 a b s t r a c t i nr e c e my e a r s ，t l l ec o n s t r u c t e d 、v e t l a n d 嬲an e w s e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g yi s 埘d e l yc o n c e m e d i th a l sl o wi n p u t ，l o we n e r g ) ，c o n s 啪p t i o n ，a b i l i t ) rt or e m o v e i l i t r o g e na n dp h o s p h o m sa i l de 嬲yt ob eu s e d ，e t c ，i ta l s 0c a i ld e g f a d ep o l l l 】t a n t sa tt h e s 锄et i n l et l l a tc 锄i i i l p r o v e 趾db e a u t i 匆m es u r r o u n d i n ge c o l o g i c a le n v i r o n m e m ， p r o m o t et l l ee c o l o g i c a je n v i r o r u n e n tv i r t u o u sc i r c l e ，锄di ta l s oh a sas i g l l i f i c 锄ts o c i a l ， e n v i r o 啪e n t a la n d e c o n o m i cb e n e f i t s t h ec o n s t m c t e dw e t l a n df o rw a s t e w a t e r p u r i f i c a t i o ni sm a i n l yb yt h er o l e so fs u b s t r a t ea d s o 印t i o n ，p l a n ta b s o 印t i o na n d m i c r o o r g a n i s mt 啪s f o m a t i o nt o g e t h e r - t h es u b s t r a t ei sav i t a lc o m p o n e mi nt h e c o n s t n i c t e d 、糙t l a n d ，、池i c hp l a y s 锄i m p o i r t a n tr o l eo np u r i 匆i n gt h e w a g es p e c i a l f o rn i t r o g e na i l dp h o s p h o m sr e m o v a l t h et e x ts e l e c t e ds i xk i n d so fs u b s t r a t e st h a ti n c l u d es l a g ，a s h e s ，h o n e y c o m bs l a g ， an e ws u b s t r a t e ( w s c ) ，g r a v e l sa n do y s t e rs h e l lm a l l yt e s t sa r eh o l di n c l u d i n gt h e s t a t i ca d s o r p t i o n ，t h ed y n a n l i ca d s o r p t i o n ，t l l et e s to f f 0 肌i n gm e m b r a n e t h er e s e a r c h c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) s l a g ，a s h e s ，h o n e y c o m bs l a ga n dw s ca l lh a dg o o de 仃e c to na d s o r b i n g a m m o l l i an i t r o g e n ，a 1 1 dt h ef o u rs u b s t r a t e so ft h ea m m o l l i an i t r o g e n a d s o r p t i o n p r o c e s s e sa l lc a nb ed e s c 打b e db yf r e m l d l i c ha n dl a n g m u i re q u a t i o n n l ea d s o 印t i o n e 行e c to r d e ro ft h es u b s t r a t e sw a sa sf o l l o w s ：a s h e s s l a g w a s t es l a gc e m e n t h o n e y c o m bc i n d e r t h eo r d e ro ft h et h e o r e t i c a ls a t u r a t e da d s o r p t i o nv a l u ec a i lb e l ( i l o ma sf o l l o w s ：a s h e s s l a g w s c h o n e y c o m bc i n d e r ( 2 ) s i xs u b s t r a t e so ft h ep h o s p h o r u sa d s o 印t i o np r o c e s s e sa l s oc 锄b ed e s c 曲e d b yf r e u i l d l i c ha i l dl a i l g m u i re q u a t i o n ，b u tm ) mt h ev i e wo fc o r r e s p o n d i n gc o e 硒c i e n t ， t h el a n g m u i re q u a t i o ni sb e t t e r ，t h ea d s o 印t i o ne 腩c to r d e ro ft h es u b s t r a t e s 傩a s f o l l o w s ：w s c s l a g h o n e y c o m bc i n d e r a l s h e s o y s t e rs h e l l 伊a v e l t h eo m e ro f t h et h e o r e t i c a ls 栅a t e da d s o 印t i o nv a l u ew a sa u sf o l l o w s ：w s c s l a g 鹊h e s = o y s t e rs h e u g 阳v e l h o n e y c o m bc i n d e r ( 3 )t h er e a s e r c hs h o w e dt h a ta d s o r p t i o nt i m e ，a d s o r p t i o ns o l u t i o nc o n c e m r a t i o n ， a d s o r b e md o s a g e 锄da d s o r p t i o nt e m p e r a t u r ea l ih a v eac e r t a j n i m p a c to nt h ee 彘c to ft h e s u b s 仃a t ef o r 踟m o n i an i 仃0 惶r e n 锄dt o t a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ( 4 ) t h eb e s ta d s o 印t i o nd y n a m i cm o d e lo ft h es u b s t r a t e s0 n 锄m 伽i an i t r o g e na n d t o t a lp h o s p h o m sa d s o r p t i o nw a st h e c o n d 1 e v e ld y n 帅i c se q u a t i o n i i ( 5 ) s l a g ，a s h e s ，h o n e y c o m bs l a ga n dw s ca l lh a dg o o da d s o r l ) t i o ne 虢c t so n a m m o i l i a1 1 i t r o g e n ，a m o n gw h i c ha s h e s 、e r eb e 瓯t l l ef o l l o 、啊n ga r es l a g ，w s c ，a i l d t 1 1 eh o n e y c o m bw a sw o r s t s i xs u b s 仃a t e sa l lh a dg o o da d s o r p t i o ne 妇e c t se x c 印t 伊a v e l s ，m eo r d e ro ft h er e m o v mr a t ew a s 嬲f o l l o 、s ：w s c s l a g h o n e y c o m b c i n d e f o y s t e rs h e l l a s h e s g 聆l v e l s ( 6 ) t e s to ff o r i i l i n gm e m b r a n ei n d i c a t e d ：a r e rs u b s n 纵e sf o m i n gm e m b r 2 u n e s u c c e s s 如1 1 y ，t h ee 用u e n to ft h ef o u rs y s t e m sm 衄e ds t e a d i l y t h er e m o v a lr a t eo f a m m o m ai l i t r o g e nb ys l a ga c h i e v e db l o w7 2 ，锄dt h er e m o v a lr a t eo fp h o s p h o m sb y s l a ga c h i e v e db l o w9 0 t h er e m o v a lm t eo fa m m o m am t r o g e nb ya s h e sa c h i e v e d b l o w8 0 ，a i l dt h er e m o v a lr a t eo fp h o s p h o m sa u c h i e v e db l o w7 0 t h er e m o v a lr a t e o fa m m o m a1 1 i t r o g e nb yh o n e y c o m bc i n d e ra c l l i e v e db l o w7 0 ，a n dt h er e m o v a lr a t e o fp h o s p h o m sa c h i e v e db l o w8 3 山1 dt h er e m o v a lr a t eo fa m m o i l i ai l i 们g e nb y w a s t es l a gc e m e n ta c h i e v e db l o w7 0 ，a i l dt h er e m o v a lr a t ea c l l i e v e db l o w9 7 k e y w o r d ：c o n t r a s t e dw e t l a n d ，s u b s t r a t e ，1 1 i t r o g e n 锄dp h o s p h o m sr e m o v a l ， m e m b 啪e f o m l i n g i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 人工湿地系统简介1 1 1 1 人1 ：湿地1 1 1 2 人丁湿地的组成1 1 1 3 人1 ：湿地对氮磷的净化机理2 1 1 4 人t 湿地基质脱氮除磷机理4 1 1 5 影响人上湿地脱氮除磷的主要因素5 1 1 6 人上湿地国内外的应用现状及进展7 1 1 7 人工湿地基质国内外研究状况及进展8 1 2 课题研究背景和研究意义9 1 2 1 课题来源9 1 2 2 研究意义9 1 3 研究内容与技术路线1 0 1 3 1 研究内容l o 1 3 2 技术路线一1 2 第2 章供试基质13 2 1 炉渣13 2 2 炉：灭1 3 2 3 蜂窝煤渣1 4 2 4 新型基质( w s c ) 。1 5 2 5 碎石。l5 2 6 牡蛎壳1 6 2 7 基质物理性质的测定一17 2 7 1 基质的粒径分布：l7 2 7 2 基质p h 的测定1 7 2 7 3 基质孔隙率测定1 7 2 8 本章小结1 8 第3 章基质对氮、磷的静态吸附研究1 9 3 1 试验材料和方法一19 3 1 1 试验材料19 3 1 2 试验药品19 3 1 3 试验仪器19 3 1 4 试验方法一l9 3 2 结果与分析2 0 3 2 1 基质对氮、磷的等温吸附研究2 0 3 2 2 等温吸附方程2 2 3 3 吸附条件对基质吸附氮、磷的效果影响2 5 3 3 1 吸附时间对吸附效果影响2 5 3 3 2 吸附溶液浓度对吸附效果影响2 7 3 3 3 吸附剂鼙对吸附效果影响2 8 3 3 4 温度对吸附效果影响3 0 3 4 基质对氮、磷的吸附动力学研究。3 l 3 4 1 吸附动力学方程简介3 l 3 4 2 基质对氨氮吸附动力学3 4 3 4 3 基质对总磷吸附动力学3 6 3 5 ，j 、结2 i1 i v 第4 章基质对氮、磷的动态吸附研究4 2 4 1 试验材料和方法4 2 4 1 1 试验材料4 2 4 1 2 试验装置4 2 4 1 3 试验水质4 2 4 1 4 试验方法4 3 4 2 结果与分析一4 3 4 2 1 基质对氨氮的动态吸附4 3 4 2 2 基质对总磷的动态吸附4 5 4 3 ，j 、结4 9 第5 章基质择膜处理生活污水试验研究5 1 5 1 生物膜形成机理5 1 5 2 生物膜形成影响因素5 1 5 3 生物膜的玄污机理5 2 5 4 试验材料和方法5 2 5 4 1 试验材料。5 2 5 4 2 试验装置。5 3 5 4 3 试验水质5 3 5 4 4 试验方法5 3 5 5 结果与分析一5 3 5 5 1 基质对生活污水中氨氮的去除情况5 3 5 5 2 基质对生活污水中总磷的去除情况5 4 5 6 j 、结一5 5 第6 章结论与建议5 6 6 1 结论一5 6 6 2 不足与建议5 6 致谢5 8 参考文献5 9 个人简历6 5 v 桂林理j 二人学硕士学位论文 1 1 人工湿地系统简介 第1 章绪论 人工湿地( c o n s t m c t e dw e t l a n d ) 污水处理技术是7 0 年代末发展起来的一种 污水处理新技术【1 1 。是依据土地处理系统及水生植物处理污水原理，由人工建立 的具有湿地性质的污水处理生态系统2 1 。 1 1 1 人工湿地 湿地是指自然或人工形成的、长久或暂时的沼泽地、湿原、泥碳地或水域地 带；可以是静止的或流动的，可以为淡水，半咸水或咸水水体，包括低潮时水深 不超过6 米的水域【3 1 。 人工湿地是由人工建造和监督控制的与自然湿地相类似的人工生态系统，是 在一定长宽比例的洼地中，按一定的坡度，人为地填充选定级配的石、砂、土壤 等一种或几种基质( 也称为人工湿地填料) ，在基质表层选择性地种植一些根系发 达、成活率高、抗水性强、生长周期长、处理效果好、美观而又具有一定经济价 值的水生植物( 如芦苇、菖蒲、美人蕉等) ，形成一个独特的集基质、植物和微生 物于一体的污水生态处理系统【4 刀。 1 1 2 人工湿地的组成 人工湿地主要是由基质、植物、微生物三部分构成。 ( 1 ) 基质：基质是人工湿地的重要组成部分，往往被看成是高效的“活过滤 器”【引，它不仅为水生植物提供载体和营养物质，还为微生物生长提供稳定的依 附表面【9 1 。当污水流经人工湿地时，基质通过自身的一些物理和化学途径( 如吸 收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等) 来去除污水中的氮、磷等营养物质i l 训。 目前广泛用于人工湿地的基质有沙土，砂粒，土壤，沸石等。 ( 2 ) 植物：植物在人工湿地中也十分重要。它不但具有良好的观赏价值， 还可以吸收和利用污水中的一些氮、磷等营养物质，吸附和富集一些重金属及有 毒害物质，同时它还为根区的好氧微生物输送氧气，增强和维持介质的水力传输 【1 1 1 。目前常用于人工湿地的植物有芦苇、水葱、美人蕉、菖蒲等。 ( 3 ) 微生物：由于植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根区，在植物 根系周围微环境中就会出现好氧区、兼氧区和厌氧区。废水中大部分有机物可在 好氧区被好氧微生物分解。因此，微生物在人工湿地中同样有着非常重要的作用。 人工湿地中常见的微生物有放线菌、磷细菌、硫细菌、亚硝化细菌、硝化细菌等。 桂林理工大学硕十学位论文 1 1 3 人工湿地对氮磷的净化机理 1 1 3 1 人工湿地中氮的存在形式 人工湿地系统中氮包括无机氮和有机氮。无机氮最主要的存在形式是n h 3 ， 还有n o 一、n 0 3 一、n 2 0 、n 2 以及溶解的n 2 等。有机氮主要的存在形式是尿素、 氨基酸、胺类、嘌呤和嘧啶等。在人工湿地中，氮循环是一个非常复杂的过程。 在植物、微生物和基质的共同作用下，各种形态的氮之间可以互相转化，其转化 途径包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、氨气的挥发作用、基质的吸附作用 以及植物和微生物的吸收作用等。 1 1 3 2 人工湿地脱氮机理 人工湿地脱氮途径主要有四种：氨气的挥发作用、植物吸收作用、微生物氨 化、硝化和反硝化作用以及基质吸附和沉淀过滤等。 ( 1 ) 氨气的挥发作用 氨态氮在污水中以( n h 3 和n h 4 + ) 两种形式存在，n h 3 和n h 4 + 之间的平衡转 化主要是受温度和p h 的影响。氨挥发是物化过程，氨氮解离平衡方程为【1 2 j 3 】： n h 3 ( a q ) + h 2 0 = n h 4 十+ o h 。 氨挥发由水中的p h 、n h 4 + 浓度、温度、风速、太阳辐射、水生植物种类、状态 和数量以及系统的p h 等多种因素来综合决定。 ( 2 ) 植物吸收作用 氮是植物的必需元素。植物吸收的氮素主要是铵态氮和硝态氮，也包括一些 小分子含氮有机物如尿素和氨基酸等。无机氮可以被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中去除【l4 1 。铵态氮的去除受植物供氧的影 响，植物输送氧气至根区，根区的好氧环境为硝化细菌提供了良好的环境，通过 硝化反应使氨态氮氧化成硝酸盐，再通过反硝化反应将硝酸盐还原成气态氮而从 水中逸出。但是植物所需的氮量非常小，因此人工湿地的植物宜选择生长快、组 织氮含量高和单位产量高的植物【l5 1 。国内外学者对植物氮含量和去氮能力进行 了大量研究。研究表明湿地植物组织的氮浓度和储存量受植物类型、组织类型、 进水浓度和季节的影响1 1 6 】。 ( 3 ) 微生物作用 微生物作用主要分为氨化过程、硝化过程和反硝化过程。 氨化过程是将有机氮转化为无机氮的过程。氨化作用在好氧、厌氧和兼性厌 氧的环境下均可发生，通常在好氧条件下，氨化作用更容易进行【l 刀。氨化速度 与温度、p h 值、系统的供氧能力、碳氮比、系统中的营养物以及土壤的质地与 2 桂林理丁人学硕十学位论文 结构有关。 硝化过程是将氨氮转变成硝酸盐氮，是氨氮去除的主要过程。硝化反应过程 实际是由两组自养型好氧微生物通过两个过程( 1 ) 和( 2 ) 来完成的。 n h 4 + + 1 5 0 2 n 0 2 。+ 2 h + h 2 0 ( 1 ) n 0 2 + - 0 5 0 2 n 0 3 。 ( 2 ) 亚硝酸根是反应中间体。硝化菌从铵或亚硝酸根的氧化过程中获得能量，新细菌 细胞合成以二氧化碳为碳源。硝化作用与温度、p h 值、溶解氧浓度、水的碱度、 无机碳源、微生物数量、游离氨浓度、亚硝氮浓度、重金属、有毒有机物和碳氮 比等有关。 反硝化过程是指氧气耗尽后最先发生的缺氧反应，即由异养微生物将硝酸根 还原为分子氮。反硝化过程是耗能过程，电子传递到硝酸盐或是亚硝酸盐中，产 生n 2 、n 2 0 、n o 。反硝化作用与氧浓度、氧化还原电位、基质类型、基质湿度、 温度、p h 值、反硝化细菌、有机物质和有无存水等有关。 ( 4 ) 基质吸附及沉淀过滤作用 人工湿地基质对氮的去除主要是靠基质的吸附作用和离子交换作用。还原态 氨氮较稳定且能被吸附到基质的活性部位。但基质活性部位对氨氮的离子交换作 用是快速且可逆的，不可能长期去除氨氮，因为湿地系统中的氨氮通过硝化作用 而减少，系统会自动重新建立交换平衡。所以在连续流系统中吸附的氨氮会与溶 液中的氨氮保持平衡。影响基质吸附氮的因素有温度、水体含氮浓度、p h 、基 质理化性质、水力停留时间等。 1 1 3 3 人工湿地中磷的存在形式 人工湿地系统中的磷主要以溶解态和颗粒态两种形式存在，可以分为：无机 磷酸盐( h 2 p 0 4 、h p 0 4 2 。、p 0 4 3 ) 、聚合磷酸盐( p y r o - 、m e 协、p o l y - ) 和有机磷酸盐 化合物等。其中无机磷酸盐主要来自于洗涤剂、暴雨径流等，有机磷化合物主要 来自于生物过程、生活污水中的食物残余、人畜排泄物和处理废水中的活性或非 活性生物( 如来自处理池内的藻类和细菌) 等。污水进入人工湿地系统后，经过 各种复杂的物理、化学和生物作用，其中的磷会发生各种形式的循环和转化。 1 1 3 4 人工湿地除磷机理 人工湿地中磷的去除主要是通过植物的积累和吸收作用1 8 1 、微生物的生物 化学作用以及基质吸附、络合和沉淀作用共同完成i 捌。 ( 1 ) 植物作用 磷和氮是植物生长的必需元素，植物在人工湿地净化污水的过程中起着重要 作用，可分为直接净化作用和间接净化作用。直接净化作用是指植物通过吸收、 梓林理工大学硕七学位论文 吸附和富集等作用直接去除污水中污染物2 1 1 。污水中的无机磷在植物吸收和同 化作用下被合成a r p 等有机成分，通过收割而从系统中去除。植物吸收去除的 磷素占总磷的3 2 3 7 【2 2 】。间接净化作用是指植物根茎输送氧气，增强和维持 基质的水力传输，影响水力停留时间，而且根系巨大的表面积会附着大量微生物， 根际会创造利于各种微生物生长的微环境2 3 五4 1 。因此，植物对磷的净化作用与植 物的类型和季节有密切关系。 ( 2 ) 微生物作用 微生物对磷的作用主要包括微生物对磷的正常吸收和过量积累【2 5 】，湿地中 某些细菌种类因从污水中吸收超过其生长所需的磷，而使微生物细胞的内含物储 存过量积累，可通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。 ( 3 ) 基质作用 人工湿地中基质通过离子交换、专性与非专性吸附、络合和沉淀等作用直接 去除氮、磷等营养物质。在湿地中，除磷的最主要方式就是基质对磷素的吸附作 用1 2 6 j 。由于人工湿地基质中大都含有丰富的金属元素，如铁、铝、钙、镁等， 有利于生成溶解度很低的磷酸盐而固定下来。因此，人工湿地中基质的理化性质 对磷的去除有重要影响1 2 1 1 4 人工湿地基质脱氮除磷机理 1 1 4 1 人工湿地基质脱氮机理 基质是人工湿地的基本构成，是人工湿地的重要组成部分，是湿地的载体。 研究表明，人工湿地基质对氮的去除起着不可忽视的作用。是由于微生物的硝化 作用和反硝化作用对氮的去除起主要作用，而生物膜的生长与基质的比表面有着 密切关系。湿地中基质的氧化还原电位通过影响植物或微生物生长代谢过程间接 影响着湿地的除氮效纠2 引。此外，湿地基质的含水率对除氮效率也有一定的影 响，当土壤水分含量大于田问的持水量时，就可能发生反硝化作用，土壤含水率 增加，反硝化作用增强。湿地运行时，土壤处于饱水状态有利于反硝化作用进行。 1 1 4 2 人工湿地基质除磷机理 人工湿地中的基质在为植物和微生物提供生长介质的同时，还能通过离子交 换、专性与非专性吸附、络合和沉淀等作用直接去除磷。当污水流经人工湿地时， 基质通过一些物理和化学的途径( 如吸收、吸附、过滤、离子交换、络和反应等) 来除去污水中的氮、磷等营养物质。 首先，基质在某种程度上是作为一个“磷缓冲器”来调节污水中磷浓度的，在 固液混合体系中，固体对溶液中的溶质都有一定的吸附作用。当污水流经人工湿 4 桂林理t 大学硕士学位论文 地时，其中的磷通过扩散作用而被吸附到基质表面，并可沿基质表面孔道进一步 向其内部迁移。其次，基质表面存在着电荷和表面电势，使基质表面带有静电， 可以吸附水中的一些离子。污水中带负电的磷酸盐受基质表面所带正电荷的吸引 而被吸附到基质表面。因此，影响湿地除磷效果还有基质的氧化还原电位等i 驯。 第三，人工湿地基质中大都含有丰富的金属元素，如铁、铝、钙、镁等，这些元 素与磷酸根结合有利于生成溶解度很低的磷酸盐而固定下来。研究表明，钙与磷 的吸附相关性最强【3 0 1 。c a 2 + 易与溶液中的磷酸根离子发生反应，可以生成不同类 型的c a - p 沉淀。如：无定型磷酸钙、磷酸二钙、二水合磷酸二钙、磷酸三钙、 磷酸八钙和轻基磷酸钙等【3 。 1 1 5 影响人工湿地脱氮除磷的主要因素 1 1 5 1 人工湿地的形式 人工湿地根据污水流过的方式可分为表面流、潜流、水平流和垂直流等。表 面流人工湿地，水力路径以地表推流为主，在处理过程中，主要通过植物茎叶拦 截、基质吸附过滤和污染物自然沉降来达到去除污染物的目的。表面流人工湿地 一般水力负荷较小，由于冬季温度下降、湿地植物枯萎，系统对于氮磷的去除效 果较差。潜流人工湿地，污水在湿地床的表面下流动，一方面可以充分利用基质 表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和基质截留等作用来提高处理效果 和处理能力；另一方面由于水流在地表下流动，保温性较好，处理效果受气候影 响较小，且卫生条件较好，是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统， 但此系统的投资比表面流人工湿地系统略高【3 2 1 。水平流人工湿地在欧洲得到广 泛利用，对t s s 和c o d 的去除效果较好，但对氮、磷的去除率较差。垂直流人 工湿地的硝化除氨效果较好，但反硝化效果较差。因此，为了提高人工湿地脱氮 除磷效果，常常将几种流型的湿地组合起来1 3 引。 1 1 - 5 2 基质 基质是人工湿地的重要组成部分。人工湿地中基质的理化性质与其脱氮除磷 能力有密切关系【3 4 】。研究表明，基质粒径大小和孔隙率高低对吸附剂的比表面 积和吸附质的扩散速率都有影响，粒径越小，孔隙率越高，吸附剂的比表面积越 大，吸附质的扩散速率也越大，就越容易吸附。其次，基质中铁、铝、钙、镁等 元素的含量是决定其除磷能力的关键因素。 1 1 5 3 植物 不同植物对氮的吸收能力不同，蒋跃平等【3 5 】考察了2 1 种湿地植物对水体中 桂林理t 火学硕士学位论文 氮磷去除率的贡献，结果发现，植物体的生物量与体内氮磷的累积量成j 下比。 p 1 1 i l i p 等【3 6 1 研究指出，混栽植物系统对硝态氮的去除效果好于单一植物系统，增 大人工湿地中植物的栽培密度有利于提高脱氮效率。不同植物的除磷效果差别也 很大，选择合适的植物，在恰当的时间收割，既能有效除磷又有经济价值。雒维 国【3 7 】等研究也指出植物湿地磷去除率明显高于空白湿地，植物根系及附近微生 物的降解吸收作用大大增强了湿地基质的拦截吸收功能，从而整体上改善了磷的 去除效果。朱克等【3 9 】研究发现美人蕉在湿地冬季运行中表现良好，其较高的生 物量有利于植物对污水中氮磷的吸收。 1 1 5 4 进水水力负荷 人工湿地中的氮、磷主要是通过微生物及植物的吸收以及基质的物理化学作 用去除。水力负荷过低，易造成湿地系统厌氧，微生物原先在好氧环境下过量吸 收的氮、磷又重新释放，致使去除率下降；而水力负荷过大时，容易导致基质快 速达到吸附饱和，从而缩短湿地的运行时间。 1 1 5 5 季节和温度 由于植物生长发育和微生物新陈代谢等生命活动受季节和温度的影响很大， 因此，季节和温度是影响人工湿地脱氮除磷效率的一个重要因素。一般在春、秋 季节的去除率较高，而在冬季温度较低时去除率低。这与冬季植物枯萎、停止生 长有关。r e d d y 等【1 9 】认为，温度每升高1 0 ，好氧氨化作用的速率提高一倍。 v y m a z a l 等【1 6 】发现在土壤中，硝化作用的最佳温度范围是3 0 4 0 ，反硝化作用 的温度范围在1 0 3 0 之间。雏维国等【3 7 】研究发现，污水中各种形态磷的去除率 变化趋势与气温的变化趋势是一致的，两者在冬季同时降到最低点，在春夏季较 大幅度上升。所以季节温度的周期变化会对介质的除磷能力产生影响，使得磷的 去除率发生周期性的波动【3 8 】。朱华丽【4 0 1 研究了不同月份湿地系统对污染物的去 除效果，研究发现，7 、8 月份植物生长旺盛，总磷和氨氮的去除率较高。而在 冬季植物生长缓慢，系统处理效果下降。 1 1 5 6p h 值 研究发现，p h 对人工湿地中微生物去除氮磷等营养物质有较大的影响。在 酸性和中性p h 条件下，根区附近的亚硝化细菌和硝化细菌活动增强，其中硝 化作用占主导地位；而当处于碱性p h 条件下时，n h 3 的蒸发作用以及可溶性 正磷酸盐的化学沉淀作用就占主导作用，从而影响了湿地对氮磷等营养物质的去 除【4 1 1 。 6 桂林理1 ：人学硕士学位论文 1 1 5 7 溶解氧 溶解氧不但是植物和微生物生命活动所必需的，而且溶解氧含量也是制约硝 化作用和反硝化作用的主要因素。溶解氧直接决定着湿地内部的氧化还原条件， 厌氧条件通常与湿地中磷的释放有关，而好氧条件与湿地中磷浓度的降低有关。 溶氧水平越高，越有利于磷的降解和微生物对磷的吸收利用。 1 1 5 8 水力停留时间 人工湿地系统中水力停留时间也是影响脱氮除磷效果的一个重要因素。水力 时间延长，有利于提高人工湿地系统的脱氮效率。随着停留时间的延长，系统中 总氮、n h 4 + - n 和t k n 的浓度呈指数降低，同时也易引起污水滞留和厌氧区扩大， 易造成湿地系统中的厌氧，从而抑制微生物的呼吸作用和嗜磷菌的降解吸收作 用。水力停留时间过短，生化反应不充分，无法达到嗜磷菌和微生物降解有机磷 所需的时间，可能有部分嗜磷菌也随水流带出系统。过大的流速对基质的冲击也 使原先被吸附在基质或植物根茎表面的磷被出水冲出系统，整体上造成磷去除率 下降。k a d l e c 和k j l i g h t 【4 2 】研究发现，在湿地处理系统木尾部分( 植被净化区) 中，1 2 d 的停留时间就可以达到9 0 硝态氮的去除率。因此，水力停留时间对 于湿地设计非常重要，时间过短达不到好的处理效果甚至不达标，而时间较长则 是一种浪费。 1 1 6 人工湿地国内外的应用现状及进展 1 9 7 2 年由k i c h u t i l 提出了“根区理论”，采用栽种芦苇的水平潜流湿地使有 机物降解，硝化反硝化去除n ，沉淀去除p ，标志着人工湿地污水处理机理的初 步萌芽。此后，人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染 处理领域。2 0 世纪8 0 、9 0 年代，人工湿地在欧洲、美国、加拿大、日本等地得 到了广泛的应用。目前美国、英国、德国、法国、丹麦等国家都有数百座人工湿 地系统在运行。在美国有多处人工湿地工程用于处理工业和农业废水多处人工湿 地被用于处理煤矿废水，近处人工湿地用于处理暴雨径流，超过处人工湿地用于 处理奶产品加工废水【4 3 1 。法国现有芦苇床湿地多个，新西兰也有大约8 0 个人工 湿地在使用。在亚洲，人工湿地也有许多研究和应用。比较典型的是日本渡良獭 蓄水池人工湿地。早期的人工湿地主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂 出水，目前已被国内外许多学者或工程技术人员投入大量的精力，经过工艺改进 或者与其他系统进行组合，采用间歇负荷和合理选用基质，并引入一些传统处理 技术的理论，使得人工湿地还可以用于农业面源污染、城市或公路径流等非点源 污染的治理。在发达国家，人工湿地用于处理各种类型的废水，如生活污水、矿 7 桂林理工大学硕士学位论文 业酸性废水、农业废水、垃圾渗滤液、城乡暴风雨雨水等。国际上曾就人工湿地 处理系统召开过四次研讨会，总结了各国人工湿地污水处理的经验，提出了一些 有关的机理、设计规范和参考数据，标志着人工湿地系统作为一种独具特色的新 型污水处理技术正式进入了水污染控制领域。 我国对人工湿地的研究较晚，在“七五”期间才开始人工湿地的研究，但主要 是机理研究，仍处于起步阶段。直到1 9 8 7 年天津市环保所建成了我国第一个芦 苇湿地，1