（水文学及水资源专业论文）基于微生物实验分析的污水生态处理系统运行管理研究.pdf

基于微生物实验分析的 污水生态处理系统运行管理研究 摘要 水资源是世界上最宝贵的资源之一。水污染却日益严重，这个污染的出现 引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题也被列入世界环保组织的 工作日程。 污水生态处理系统是当前污水处理中的研究热点，本文以石家庄机械步兵 学院的污水生态处理系统为研究背景，通过实验对部分微生物进行计数，分析 其随季节变化的规律，并以人工湿地处理系统为例，运用现代管理理论研究污 水生态处理系统运行优化问题。 实验结果表明：从生物滤池进水到人工湿地出水，水样微生物中原生动物 数量先增后减，但种类增加；而细菌、真菌及放线菌数量依次减少。季节变化 对污水生态处理系统中的微生物数量有一定影响。水样中，细菌总数在十一月 达到最多，真菌和放线菌总数在九月达到最多。土样中，深层土的细菌、真菌 和放线菌总数在七月份时较多；亚硝化菌总数在十一月达到最多；从七月到十 一月硝化菌总数依次减少：而反硝化菌和氨化菌总数增加。 由实验结果的分析可知，影响人工湿地子系统处理效果的因素有有机物含 量、温度、植物种类、植物生长状况等，依据分析成果和管理原理，论文讨论 了人工湿地子系统的运行管理，有助于污水生态处理系统运行效果的进一步提 高。 关键词：污水生态处理系统，平板计数，液体稀释法计数，人工湿地，运行管 理 s t u d yo nm a n a g e m e n t o fw a s t e w a t e re c o t r e a t m e n ts y s t e m b a s e do ne x p e r i m e n to fm i c r o b e sa n a l y s i s a b s t r a c t w a t e ri so n eo ft h ep r e c i o u sr e s o u r c e si nt h ew o r l d h o w e v e r , w a t e rp o l l u t i o ni sm u c h m o r es e r i o u st h a ne v e rb e f o r e a n di th a sa r o u s e dt h ea t t e n t i o no ft h eg o v e r n m e n t si nt h e w o r l d f u r t h e r m o r e ，t h es u b j e c ta tr e s o l v i n gw a t e rp o l l u t i o nh a sb e e nr e g a r d e db yw e oa s t h e i rm a i nj o b n o w a d a y s ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt oe c o t r e a t m e n ts y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e dt h e m i c r o b i a l e c o l o g yo ft h ew a s t e w a t e re c o - t r e a t m e n ts y s t e m o fs h i j i a z h u a n gi n s t i t u t eo f m e c h a n i c a li n f a n t r yb yt h ed i l u t i o np l a t et e c h n i q u e ，m o s tp r o b a b l yn u m b e r i th a sd i s c u s s e d t h ea f f e c t i n ge l e m e n t so ft h ed e a l i n ge f f e c t sa n dt h eo p t i m i z i n gm e t h o d s t h er e s u l t so ft h ed i l u t i o np l a t et e c h n i q u e ，t h ea m o u n t so ft h eb a c t e r i a ，v i a b l ef u n g i ， a c t i n o m y c e t eo ft h ew a t e rs a m p l e so r d i n a ld e c r e a s e da st h ef o l l o wo r d e r ：t h ei n f l u e n to f b i o f i l t e r , t h ei n f l u e n to fw a t e rp l a n tt a n k ，t h ee f f l u e n to fw a t e rp l a n tt a n k ，t h ee f f l u e n to f c o n s t r u c t e dw e t l a n d b u tt h ea m o u n to fp r o t o z o a ni sf i r s t l yi n c r e a s e dt h e nd e c r e a s e d ，a n dt h e s p e c i e so fp r o t o z o a na r ei n c r e a s e d t h ea m o u n t so ft h em i c r o o r g a n i s mi n t h ew a s t e w a t e r e c o - t r e a t m e n ts y s t e ma r ec h a n g e dw i t ht h es e a s o n i nw a t e rs a m p l e s ，t h ea m o u n to ft h e b a c t e r i ai sl a r g e s ti nj u l y ；t h ea m o u n t so fv i a b l ef u n g ia n da c t i n o m y c e t ea r el a r g e s ti ns e p i n s o i ls a m p l e s ，t h ea m o u n t so ft h eb a c t e r i a ，v i a b l ef u n g i ，a c t i n o m y c e t ei nt h el o w e rs o i ls a m p l e s a r el a r g e s ti nj u l y f r o mj u l yt os e p t e m b e r ，t h ea m o u n to fn i t r i f y i n gb a c t e r i ai sd e c r e a s e d ；t h e a m o u n t so ft h ed e n i t r i f y i n gb a c t e r i aa n da m m o n i a o x i d i z i n gb a c t e r i aa r ei n c r e a s e d f o r mt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ，t h ef a c t o r st h a t a f f e c tw e t l a n d ss y s t e m c o n t a i no r g a n i cc o n t e n t ，t e m p e r a t u r e ，k i n d so fp l a n t s ，t h eg r o w i n gc o n d i t i o no ft h ep l a n t se c t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l ta n dm a n a g ep r i n c i p l e ，t h ep a p e rd i s c u s s e dr u n n i n gm a n a g eo f w e t l a n d ss y s t e m ，i tb ec o n d u c et ot h ei m p r o v e m e n to fp o l l u t e dw a t e rr u n n i n ge f f e c to f e c o t r e a t m e n ts y s t e m k e y w o r d s ：w a s t e w a t e re e o - t r e a t m e n ts y s t e m ，d i l u t i o np l a t et e c h n i q u e , m o s tp r o b a b l y n u m b e r ，w e t l a n d s ，m a n a g e m e n t 表格清单 表1 1 污水生态处理系统中的主要构筑物1 5 表3 1 污水生态处理系统水样的p h 及温度2 1 表3 2 污水生态处理系统水质监测结果2 1 表3 3 污水生态处理系统水样中原生动物计数结果( 单位：个r e ) 2 2 表3 - 4 人工湿地系统中土样表层土中各微生物与c o d 去除率的相关性( r ) 2 6 表3 5 人工湿地系统中土样深层土中各微生物与c o d 去除率的相关性( r ) 2 7 图表清单 图2 - 1 污水生态处理系统的工艺流程图1 3 图2 2 生物滤池1 3 图2 3 水生植物塘1 4 图2 - 4 人工湿地的布局1 4 图2 5 人工湿地中的植物1 5 图2 - 6 生态景观回用16 图3 1污水生态处理系统中c o d 在不同构筑物中的去除率曲线图2 1 图3 - 2 污水生态处理系统水样中七月份细菌、真菌及放线菌总数2 3 图3 3 污水生态处理系统水样中九月份细菌、真菌及放线菌总数2 3 图3 - 4 污水生态处理系统水样中十一月份细菌、真菌及放线菌总数2 4 图3 5 污水生态处理系统水样中细菌随季节的变化：2 4 图3 6 污水生态处理系统水样中真菌随季节的变化2 5 图3 7 污水生态处理系统水样中放线菌随季节的变化2 5 图3 8 人工湿她土样七月份细菌、真菌及放线菌总数2 7 图3 - 9 人工湿地土样九月份细菌、真菌及放线菌总数2 8 图3 1 0 人工湿地土样十一月份细菌、真菌及放线菌总数一2 8 图3 1 1人工湿地土样七月份硝化菌、反硝化菌总数2 9 图3 1 2 人工湿地土样九月份硝化菌、反硝化菌及氨化菌总数一2 9 图3 1 3 人工湿地土样十一月份硝化菌、反硝化菌及氨化菌总数3 0 图3 1 4 人工湿地土样中细菌随季节的变化3 1 图3 1 5 人工湿地土样中真菌随季节的变化，3 1 图3 1 6 人工湿地土样中放线菌随季节的变化3 2 图3 1 7 人工湿地土样中亚硝化菌随季节的变化3 3 图3 1 8 人工湿地土样中硝化菌随季节的变化3 3 图3 1 9 人工湿地土样中反硝化菌随季节的变化3 4 图3 - 2 0 人工湿地土样中氨化菌随季节的变化一3 4 图4 1 种植水葱区细菌数量随月份的变化3 6 图4 - 2 神植水葱区反硝化菌数量随月份的变化3 7 图4 3 七月不同植物种植区表层土样的细菌数3 8 图4 - 4 九月不同植物种植区表层土样的细菌数3 9 图4 5 十一月不同植物种植区表层土样的细菌数3 9 图4 - 6 七月不同植物种植区表层土样的反硝化菌数3 9 图4 7 九月不同植物种植区表层土样的反硝化菌数4 0 图4 8 十一月不同植物种植区表层土样的反硝化菌数植物生长状况的影响4 0 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 金8 墨王些盍堂 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。 学位论文作者繇猡嘞啐签字日期：州年。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目壁王些太堂有关保留、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。本人授权金目王些太堂可 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、汇编学位论文。 ( 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： 签字日期：洲年 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：z 多夸础了轧 通讯地址： 导臌：专哔知 签字日期：淤，年，月t 日 电话。 邮编： 何 殇日 口 男 刖 特别声明 本学位论文是在我的导师指导下独立完成的。在研究生期间，我的导师要 求我坚决抵制学术不端行为。在此，我郑重声明，本论文没有任何学术不端行 为，如果被查出有任何学术不端行为，一切责任由本人承担。 学位论文签名：汪瑞峰 签字日期：2 0 0 6 年6 月i o 日 致谢 在本论文完成之际，我要衷心地感谢我的导师方必和副教授。他严谨的作 风、科学的态度、渊博的知识，无不深深地影响着我。在此，衷心感谢导师近 三年来对我的教导和关怀。 学位论文从立题之初，到最后完成，无不浸透着导师的心血。近三年来， 方必和老师将多年科研工作中积累的宝贵经验无私地传授给我，使我在学习及 以后的工作中，受益匪浅。 感谢合肥工业大学土木建筑工程学院各位老师，感谢他们在我的学习和论 文工作中给予我的无私的指导和帮助，以及在生活上给我的关怀和照顾。 特别感谢家人一直以来的支持与鼓励。 最后衷心感谢本文引用的参考文献的作者们及将审阅作者论文的老师，感 谢他们为本文所付出的辛勤劳动。 汪瑞峰 2 0 0 6 年5 月于合肥 第一章绪论 我国是个缺水比较严重的国家，人均水资源占有量仅占世界平均水平四分 之一，党的十六大提出了全面建设小康社会的奋斗目标。党的十六届三中全会 强调，要坚持以人为本，树立全面、协调、可持续的发展观，促进经济社会和 人的全面发展，新时期我国治水方针是要正确认识和处理人与自然的辩证关系， 重视和加强水资源的配置、节约、保护，实现人与自然的和谐，但是，经济发 展始终是把双刃剑，随着国民经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，水 资源短缺和水资源污染问题日益突出，已经成为阻碍社会和谐的主要障碍之一， 成为各级政府迫切要解决的问题。 目前，城市污水排量日益增加，给二级污水处理厂带来了极大的压力。在 这种情况下，人们积极寻找能够替代二级处理的方法。污水生态处理技术是一 种廉价、易操作、能长久维持，而且几乎不需要消耗化石燃料和化学药品的理 想的替代二级处理的方法。 i i 污水生态处理系统概述 i i 1 污水生态处理技术 污水生态处理技术是指运用生态学的原理，采用生态工程与环境工程相结 合的手段对污水进行治理与水资源利用的方法【2 】，是生态学四大基本原理在水 资源领域的具体运用【3 l 。 ( 1 ) 循环再生原理 生态系统通过生物成分，一方面利用非生物成分不断地合成新的物质，一 方面叉把合成物质降解为原来的简单物质，并归还到非生物组分中。如此循环 往复，进行着不停顿的新陈代谢作用。这样，生态系统中的物质和能量就进行 着循环和再生的过程。污水生态治理技术的主要目标就是使生态系统中的非循 环组分成为可循环的过程，使物质的循环和再生的速度能够得以维持或加大。 ( 2 ) 和谐共存原理 由于循环与再生的需要，污水的生态处理系统中各种植物与微生物种群之 间、各种植物之间、各种微生物之间和生物与处理系统环境之间和谐共存，植 物给根系微生物提供生态位和适宜的营养条件，促进微生物的生长和繁殖，促 使污水中植物不能直接利用的那部分污染物转化或降解为植物可利用的成分， 反过来又促进植物的生长和发育。如果该处理系统没有它们的和谐共存，处理 系统就会崩溃，就不可能进行有效的污水治理。 ( 3 ) 整体优化原理 污水的生态处理技术涉及点源控制、污水传输、预处理工程、布水工艺、 植物选择和再生水的利用等基本过程，缺一不可，它们构成污水生态处理系统 的整体。对这些基本过程进行优化，才能充分发挥处理系统对污染物的净化功 能和对水、肥资源的有效利用。 ( 4 ) 区域分异原理 由于不同区域在气温、土壤类型、微生物种群和水文条件等方面差异很大， 导致污水中污染物质在迁移、转化、降解等生态行为上具有明显的区域分异。 在污水的生态处理系统设计时，必须有区别地进行布水工艺与植物的选择及结 构配置和运行管理。 生态处理系统处理污水有以下优势【4 】：易于维护，技术含量低：建造 和运行费用低；可缓冲对水力和污染负荷的冲击；可提供和间接提供效益， 如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育等；适 于暴雨径流、农村面源污染等分散源污水的处理。生态处理系统不足之处在于： 占地面积大；不精确的设计运行参数：生物和水力复杂性及对重要工艺 动力学理解的缺乏；易受病虫害影响。 污水土地处理系统是主要的生态处理系统，包括慢速渗滤处理系统、快速 渗滤系统、地表慢流处理系统、湿地处理系统和地下渗滤处理系统等。其中人 工湿地系统是人工建造和监督控制的一种特殊的土地资源和生态环境，其工艺 较为简单、造价低、能耗省、运行稳定，目前已引起全世界环境科学家的高度 重视，对其进行了广泛的研究和应用，许多发达国家的环境学家认为人工湿地 是解决发展中国家污水问题的首要选择【5 】。稳定塘系统是一项古老的污水处理 技术，塘内存活着类型不同的生物，有细菌、藻类、原生动物和后生动物、水 生植物、放养的水禽等，它们共同构成了稳定塘的生态系统，各自对污水净化 起着不同的作用，从这个意义上，可以把稳定塘系统归为生态处理系统【6 】。 1 1 。2 人工湿地 ( 1 ) 人工湿地的概念与特征 湿地是指被地表水或地下水长期或间断性地淹没或饱和，并通常伴生有优 势的水生植被与水生生物的地方。湿地具有十分强大的生态功能，其主要作用 与用途包括生物多样性保护，水源净化、保护与供给，气候调节，野生资源开 发，沼泽渔业，农业灌溉，大众娱乐与旅游，以及生态环境科学研究等诸多方 面。例如，在污水净化方面，湿地被认为是“天然的污水净化器”【l ，7 】。但人们 担心利用天然湿地处理污水会对湿地的生态造成危害，而且天然湿地的地理位 置固定，其中，一些偏僻遥远，不便开展污水处理，特别对都市废水的处理往 往是鞭长莫及；并非所有的天然湿地都有良好的处理功能。因此，为了保护天 然湿地，也为了处理操作的方便，用于污水净化的人工湿地便应运而生了。 人工湿地是指通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地 形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地。人工湿地根据其建造目的不同可 分成四大类：人工生境湿地：协助天然湿地用于生物多样性的保护：人工 2 抗洪湿地：用于控制洪水或泄洪：人工水产湿地：用于农业生产与水产养殖； 人工处理湿地：用于污水污物处理。实际上，大多数人工湿地是用于污水处 理目的，即为处理湿地( t r e a t m e n tw e t l a n d ) 。根据工艺类型可分为：水平流型 人工湿地( h o r i z o n t a lf l o ws y s t e m ，h f s ) 。水平流型人工湿地又存在两种形式： 一种是表面流型人工湿地( 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 ，h s f ) ，具有自由 水面，类似于工程化的沼泽地，属于好氧湿地，废水水平流过基质表面。另一 种形式是潜流型人工湿地( 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 ，h s w ) 。与表面 流型人工湿地相比，其水体在湿地床的表面下流动。垂直流人工湿地( v e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，v f w ) 。垂直流是污水在重力作用下垂直地透过基质 表面并在下部沿一定方向集中于一收集管中排出。其不但具有潜流型人工湿地 的优点，而且能充分利用基质表面，提高处理效率。 与天然湿地相比。人工处理湿地一般具有以下特征：面积较小，大多在 1 0 2 1 0 4 m 2 左右；生物种类较少，有些新建的湿地可能只有几种甚至只有一 种人工种植的植物；水体较污浊或含有不同程度的污染物；一般都具有排 灌系统；离都市、社区或工矿区较近。有目的地建造湿地生态系统还是一项 相对较新的技术i l 芦j 。 ( 2 ) 人工湿地处理污水机理 1 ) 植物的去污机理 植物是湿地中最重要的去污成分之一。用于处理湿地的植物通常是生长快、 生物量大、吸收能力强的水生草本植物。在通过吸收移走养分的能力方面，挺 水植物被普遍认为不如水葫芦( e i c h h o r n i a c r a s s i p e s ) 这类漂浮植物，因为后者往 往有极快的繁殖速度，且根系直接从水体中吸收养分与元素，并对悬浮颗粒产 生过滤与吸附效果 9 1 。不同元素通过植物吸收移走的量也呈较大差异。以n 和 p 为例，挺水植物吸收2 0 0 - 2 5 0 0 k g n h a 1 年d 和3 0 5 0 0 k g n h a 1 年；漂 浮植物则呈现较大的吸收量，约2 0 0 0 k gn h a 1 年1 和3 5 0 k g n h a 1 年， 而沉水植物较低，仅为7 0 0 k g n h a 1 年1 和小于1 0 0 k g n h a - 1 年1 【1 0 。2 1 。但 总的来说，植物通过吸收带走的养分与金属量一般情况下都只能占污水中总量 的一小部分【1 1 , 1 3 1 ，而且被吸收的量大部分还聚积在根内 1 4 , 1 6 , 1 9 】。例如，在柏木 属( c y p r e s s ) 湿地系统中，植物体内所包含的n 和p 量分别仅占污水中各自总量 的2 0 和1 蚶”1 。但对草本植被来说情形就可能完全不同。例如，有芦苇( p h r a g m i t a sc o m m u n i s ) 存在时，湿地对n h 4 n 的去除率接近1 0 0 ，而无芦苇时，仅 为4 0 7 5 t 1 7 1 ；t h u t t l 8 】也发现湿地草本植物通过吸收能移走大量养分，尽管它 们对b o d 和t s s 的去除效果较低。因此，如果能持续收获草本植物( 如芦苇) 成熟的茎叶就可保证污水中的养分被持续有效地移走 1 9 , 2 0 】。但目前大规模应用 持续收获法去除污水养分与有毒物质的做法还不很成功，主要是受经费、持续 性和收获物处置( 防止二次污染) 等因子的影响【2 1 】；而且草本植物所吸收的重金 属含量( 如f e 和m n ) 也只能占到水体中的极小部分( 分别为1 和2 ) ，有些甚 至低于0 1 1 4 , 2 2 j 。 湿地植物有适应缺氧土壤条件的结构与特征，像发达的通气组织，可占到 植物体积的6 0 7 0 ，以利于0 2 在体内运输并传送到根区，这不仅可满足植 物在无氧环境中的呼吸需要，而且促进根区的氧化还原反应与好气微生物活动 p ，2 ”。湿地植被还影响水的运动，植物密度与生活型都会影响到植物减缓水流 的速度，从而带来悬浮颗粒吸附与沉降的差异 2 4 , 2 5 1 。另外，植物还为微生物的 活动提供巨大的物理表面，植物根系表面也是重金属和一些有机物沉积的场所 【1 1 17 ，2 6 】。有些植物( 如芦苇或s c r i r p u sl a c u s tr i s ) 的根系分泌物还能杀死污水中的 大肠杆菌和病源菌1 2 ”。 2 1 土壤的净化机理 土壤是湿地的基质与载体，其去污过程来自离子交换、专性与非专性吸附、 螯合作用、沉降反应等。实际上，土壤对污水中p 和重金属的净化主要就是通 过上述反应实现的，其反应产物最终吸附或沉降在土体内，从而使土体内这些 元素的含量急剧升高，几年之后即可高达入水浓度的1 0 1 0 0 0 0 倍以上 1 4 , 2 8 l 。植 物根系的吸收、滞留与腐烂，土体内无机与有机成分对金属的强烈固持很可能 是土壤具有强大聚积能力的原因1 1 4 , 2 9 。土壤吸附金属的量在表层深1 0 c m 的范 围内不会随深度增加而有明显下降，也就是说，从地表往下至少深1 0 c m 的土 层的吸附能力是基本一致的【l4 1 。可以说，土壤的所有理化性状都可能影响到它 对污水的处理效果，其中最重要的影响因子之一要数氧化还原电位e h l 2 3 , 3 0 1 。湿 地的一个重要特征是存在好氧与厌氧界面，从而使土体内的e h 变幅高达 1 0 0 0 m v ( 3 0 0 + 7 0 0 m v ) ，而旱地土壤的e h 通常只在4 0 0 7 0 0 m v 范围内变化 2 3 , 3 1 】。这意味着湿地土壤能发生比旱地土壤多得多的氧化还原反应，如有机化 合物的降解反应，金属氧化物的还原反应，硝化- 反硝化反应，产沼k k ( c 0 3 。 或c 0 2 被还原成c h 4 ) 等 3 0 】。土壤中无机磷等元素有效性与溶解状态也明显受 e h 高低的影响。此外，土壤( e h ) 还会通过影响植物或微生物生长和代谢来间接 影响湿地的去污效果【2 。 3 ) 微生物的净化机理 微生物在湿地养分的生物地球化学循环过程中往往起核心作用，它们是各 类污水中最先出现并对污物起吸收与降解作用的生物群体，而且还能捕获溶解 的成分给它们的动物或植物共生体利用。 人工湿地处理污水时，有机物的降解和转化主要由植物根区微生物活动来 完成。湿地植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根区，在植物根须周围微 环境中依次出现好氧区、兼氧区和厌氧区，为好氧微生物和厌氧微生物大量存 在提供了条件，废水中大部分有机物在好氧区内被好氧微生物氧化分解，而在 还原区域内则经厌氧细菌的发酵作用将有机物分解。细菌能使含氮化合物转化 4 为可供植物和微生物利用的含氮无机化合物，真菌具有强大的酶系统，能引起 纤维素、木质素、果胶等的分解，能分解蛋白质化合物释放氨；放线菌是降解 含氮和不含氮化合物的积极参与者，还能形成抗生物质维持湿地生物群落的动 态平衡；磷细菌能将有机状态的、不可直接利用的磷素降解为简单的、可供植 物及微生物吸收的磷化物，并在厌氧条件下提供短链脂肪酸；硫细菌能将有机 硫化物降解为无机硫化物再从污水中除去；含氮化合物的去除则先由亚硝化细 菌和硝化细菌在好氧条件下将其降解为硝酸和亚硝酸，又在缺氧条件下经反硝 化细菌将其还原为n 2 0 或氮气。由此可见，人工湿地微生物的代谢活动是废水 中有机物降解的基础机制，废水中的有机污染物包括含氮、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 为水生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。 人工湿地中微生物的种类和数量是极其丰富的，这为人工湿地污水处理系 统提供了足够的分解者。芦苇床系统的根表面根际土的细菌数量可达1 0 8 个g 干重，且季节变化大，慢流渗透土地系统的水稻土中氨化细菌数量在1 0 7 个g 于重以上【3 2 1 ，香蒲、灯心草人工湿地中细菌、放线菌、真菌数量大，且季节变 化大，空间分布不均匀【3 ”。研究证实污水中b o d 和c o d 的去除率与微生物数 日明显相关；污水中n h 3 n 的去除率与根区的硝化细菌和反硝化细茵数量相关 性极显著：而磷元素的去除率则与根际中的磷细菌数日呈正相关【3 4 】 4 ) 处理湿地的综合作用机理 实际上，湿地之所以能够净化污水，除了湿地中的植物、土壤和微生物等 成分的分别作用外，更多的时候还是这些成分的相互作用，导致了湿地具有强 大的净化功能。 湿地土壤支撑着湿地动植物与微生物的生命过程，土壤的任何性状发生改 变都可能影响到生物的生长发育及其对环境的作用，从而影响到它们的净化效 果。微生物种群对湿地土壤的很多化学反应产生重要影响，土壤中各种元素的 循环与转化都与微生物作用密切相关，而这些微生物过程又受土壤e h 与p h 的 强烈影响。微生物的生物量随着土壤e h 的降低而降低，结果土壤酶活性与有 机碳，n 和p 的矿化反应也随之下降，它们之间有显著的相关性( p 0 6 m 。 根据实际需要，慢渗生态处理系统可设计为处理型与利用型两种类型，前 者在尽可能小的土地面积上处理尽可能多的污水，选择的植物为有较高耐水极 限，较大去除氮磷和有关污染物的能力，生长季长和管理方便的植物。后者一 般应用于水资源短缺的地区，在尽可能大的土地面积上利用污水，以便获取更 大的植物生产量。研究表明，草类植物最有利于使处理型慢渗生态处理系统的 水力学负荷达到最大，目前，已发展成为替代三级深度处理的重要水处理技术 之一，在一定条件下尚可替代二、三级处理。 快渗生态处理系统是将污水有控制地投配到具有良好渗滤性能的土壤表 面，污水通过重力作用在向下渗滤过程中经过生物氧化、硝化、反硝化、过滤、 沉淀和还原等一系列作用而得到净化的污水处理工艺类型。其工艺目标主要包 括污水处理与再生水补给地下水：用地下暗管或竖井收集再生水以供回用；通 过拦截工程措施，使再生水从地下进入地表：再生水季节性地贮存在具有回收 系统的处理场之下，在作物生长季节用于灌溉。 在系统设计时，需要考虑的关键工艺参数主要有：土壤渗透系数为 o 3 6 0 6 m d ；年水力负荷为6 1 5 0 m a ，年有机负荷为3 6 1 0 4 k g b o d ( h m 2 a ) ， 此外，场地工艺参数的选择也是重要的，包括：地面坡度 1 5 m ， 地下水位 1 5 m ，由于快渗生态处理系统对b o d 5 ，s s 和大肠杆菌等具有很高的 处理效率，对植物类型没有严格要求，有时甚至在没有植物覆盖的情况下也能 保证出水水质。如果结合适当的化学强化处理，可以完全保证该工艺在北方地 区于严寒的冬天条件下也能正常运行，并可有效地缓解干旱地区水资源严重缺 乏的问题。 1 2 2 地表漫流生态处理系统 地表漫流生态处理系统是将污水有控制地投配到生长多年生牧草、坡度和 缓、土地渗透性能低的坡面上，使污水在地表沿坡面缓慢流动过程中得以充分 净化的污水处理工艺类型。该系统的工艺目标是：在低预处理水平达到相当于 二级处理出水水质；结合其他强化手段，对有机污染及营养物负荷的处理可达 到较高水平：再生水收集与回用。 适合地表漫流生态处理系统建设的工艺条件与参数主要有：地面最佳坡度 为2 8 ；土壤类型选择渗透性能低的土壤，以黏土、亚黏土最为适宜，或在 o 3 0 6 m 处以下有不透水层；年水力负荷为3 - 2 1 m a ，年有机负荷为 1 5 x 1 0 4 k g b o d ( h m 2 - a ) ；植物类型选择是保持系统有效运行的最基本条件，以 根系发达、对污染物耐性强且具有一定吸收固定能力的植物为主，避免作物作 为处理组分进入系统，因此常常采用不同类型的草类进行混合种植。 由于地表漫流生态处理系统对污水预处理要求程度较低，出水以地表径流 收集为主，对地下水影响最小，在处理过程中，除少部分水量蒸发和渗入地下 外，大部分再生水经集水沟回收。 i 2 3 湿地生态处理系统 污水的湿地生态处理系统是将污水有控制地投配到土壤- 植物微生物复合 生态系统，并使土壤经常处于饱和状态，污水在沿一定方向流动过程中在耐湿 植物和土壤相互联合作用下得到充分净化的处理工艺类型。该处理系统的工艺 目标包括：直接处理污水；对经人工或其它工艺处理后的污水进行再处置或深 度处理；利用污水营造湿地自然保护区，为野生群落提供有价值的生态栖息地。 在进行湿地生态处理系统设计时，需要考虑的工艺参数包括：土壤渗透系数 o 1 2 m d ；年水力负荷为3 - 3 0 m a ，年有机负荷为1 8 x 1 0 4 k g b o d ( h m 2 a ) ；地面 坡度 o 3 m ；最常用的修复植物有芦苇属、灯芯草属、香蒲属和 簏草属植物。 按照生态单元湿地生态处理系统可分为自然湿地生态处理系统、人工湿地 生态处理系统和构造湿地生态处理系统等3 大基本类型。其中，自然湿地生态处 理系统是在天然湿地基础上在不改变其基质的前提下辅以必要的工程措施而建 成的污水处理系统，人工湿地生态处理系统是在人工湿地基础上在不改变其基 9 质的前提下辅以必要的工程措施而建成的污水处理系统，构造湿地生态处理系 统则主要是指通过工程技术手段改变湿地基质或重新建造的湿地状污水处理系 统。按照水流路径，构造湿地生态处理系统可划分为水平表面流湿地生态处理 系统、垂直流湿地生态处理系统、亚表面或潜流湿地生态处理系统及浮筏系统 等。其中，表面流构造湿地生态处理系统类似于自然湿地生态处理系统，水流 运行速度低，基质通常由砂砾、碎石、黏土或泥炭土等介质组成，在亚表面或 潜流湿地生态处理系统中，污水以水平流或垂直流穿过基质，基质由土壤、砂、 岩石或人工介质组成，净化过程发生于