（环境工程专业论文）baf强化人工湿地工艺处理生活污水试验研究.pdf

北京化工大学博士学位论文 b a f 强化人工湿地工艺处理生活污水试验研究 摘要 人工湿地技术作为一种生态的污水处理方式，以其廉价、易于管理、 具有良好环境效益的优势得到广泛的应用，当前人工湿地的主要问题是系 统的脱氮能力差，尤其是硝化反应率低。曝气生物滤池在废水处理上已得 到较多的应用，该工艺有机物容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短、 能耗及运行成本低，同时该工艺对有机物和氨氮处理效果较好，出水水质 较好，主要用于微污染水、生活污水、预处理水等的深度处理上。本课题 提出了b a f 强化人工湿地处理生活污水工艺和灰漠土作为人工湿地基质 填料，解决湿地硝化能力差以及氮、磷污染物去除效率低的难题，为湿地 的广泛应用提供技术支持。 本课题主要包括以下研究内容：潜流人工湿地处理生活污水的试验 研究；b a f 处理生活污水的试验研究；强化工艺处理生活污水的试 验研究；强化工艺污染物反应动力学研究。通过研究得出以下结论： ( 1 ) 湿地对污染物的去除效果随着运行水位的升高而提高，在本试 验条件下，湿地运行水位在6 5 c m 处污染物去除效果优于其他水位，适于 本试验湿地的水力负荷为o 8 1 0 2 m 3 ( m 2 h ) 。相同条件下，垂直流人工湿 地污染物去除效果高于水平流湿地10 左右，说明垂直流在去除效果上具 有优势。 ( 2 ) p h 值是硝化过程的重要影响参数，适于本试验的p h 值为9 0 u 摘要 左右。c o d n 对湿地c o d 的去除效果影响较小，而对对氨氮的去除效果 影响则较大。复合湿地对污染物的去除效果较稳定，对c o d 平均去除率 为7 5 9 3 ，出水浓度主要受进水浓度影响；对氨氮的平均去除率为 2 5 0 5 ，对总氮的去除率总体不高，平均去除率为2 6 4 4 ；对t p 的平均 去除率为7 4 1 4 。 ( 3 ) l a n g m u i r 等温方程比f r e u d l i c h 等温方程能更好地拟合基质对磷 的等温吸附效果，灰漠土对磷的理论饱和吸附量( g o ) 为6 8 8 1 8 m g k g ，炉 渣对磷的理论饱和吸附量( g o ) 为5 2 1 5 8 m g k g 。基质对磷的吸附量均随溶 液p h 值的增加而增加，在酸性或弱碱性环境下，基质对磷的吸附量随p h 值的变化较缓慢，在碱性环境下，基质对磷的吸附量随p h 值升高迅速增 加。同时，溶液中阴离子的存在削弱基质对磷吸附效果，阳离子存在可增 强基质对磷吸附效果。 ( 4 ) 气水比和水力负荷是影响b a f 处理效果的主要因素，气水比为 3 ：1 及水力负荷1 2 8 m 3 ( m 2 h ) 运行条件下，既可保持b a f 对有机物和氨氮 的有效去除，又不浪费动力消耗。b a f 作为单独处理单元对有机物和氨 氮的去除率分别达到6 5 4 3 和6 9 2 5 ，但对t n 和t p 的去除效果不太 理想，分别为9 9 7 和l o 4 1 。 ( 5 ) 强化工艺对各污染物的去除效率较b a f 及人工湿地工艺单独工 艺均有提高，其中对氨氮与总氮的提高幅度较大，主要是因为强化工艺发 挥了各单独工艺在处理不同形态氮素污染物上的优势，并采用了合理的组 合方式，使两种处理工艺实现了优势互补，实现污染物的有效去除。 ( 6 ) 对污染物沿程形态的研究表明污染物变化规律各有差异。c o d i i i 北京化工大学博士学位论文 在湿地中呈现沿程递减规律，且湿地前段对有机污染物的去除占主导作 用。湿地中前1 2 段是氨氮去除起主导作用，但水平流湿地后段氨氮浓度 出现小幅回升，这可能是因为相对于水平流来说垂直流湿地中污染物更容 易向下转移流出，而水平潜流湿地不容易直接流出，导致在湿地后端有机 氮的分解释放，氨氮浓度回升。 ( 7 ) 建立了强化系统污染物去除动力学模型，通过与实测数据的对 比，验证了建立模型对系统出水c o d 、氨氮和总氮模拟的有效性，其理 想模拟分别为6 5 、8 0 和1 0 0 。通过模拟结果的对比，证实了模型对 系统的模拟效果，但建立的模型仍不具有工程设计功能，有待进一步研究 以期完善。 综上所述，b a f 强化人工湿地处理工艺的特征在于将b a f 组成的硝 化段和潜流湿地组成的反硝化段进行整合，污水首先通过配水系统进入 b a f ，通过曝气去除有机物及强化硝化作用，最后流经潜流湿地中进行反 硝化作用，实现氮的高效去除。 关键词：b a f ；g d s ；人工湿地；强化工艺；生活污水；反应机理 i v a b s t r a c t s t u d yo nt h et r e a t m e n to fd o m e s t i c w a s t e i 舡e ru s i n g b a fe n h a n c e dc o n s t r u c t e dw e t l a n d a b s t r a c t c wa sa ne c o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，b e c o m em o r ew i d e l yu s e d w i t hi t s a d v a n t a g e so fc h e a p ，e a s yt oa d m i n i s t e ra n dg o o de n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e ，t h ec u r r e n tm a i np r o b l e mo fc w i st h el o wn i t r i f i c a t i o na b i l i t y b a f t e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dw i d e l yf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw i t hh i g h v o l u m el o a d ，h y d r a u l i cl o a d i n gl a r g e ，s h o r th y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，a n dl o w e n e r g yc o n s u m p t i o na n do p e r a t i n gc o s t s ，m e a n w h i l et h ep r o c e s sr e m o v a lt h e o r g a n i cm a t t e ra n da m m o n i an i t r o g e ne f f e c t i v e l y b a fm a i n l yu s e df o r m i c r o - p o l l u t e ds o u r c ew a t e r , s e w a g ea n dw a t e rp r e c o n d i t i o n i n gt r e a t m e n t i n t h i ss t u d y , t h eb a fe n h a n c e dc o n s t r u c t e dw e t l a n dt e c h n o l o g yw a su s e da n d t h eg d sa sp h o s p h o r u sm a t r i xi nw e t l a n ds u b s t r a t ew a ss t u d i e d ，i no r d e rt o i m p r o v et h er e m o v a le f f i c i e n c yf o rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，a n dp r o v i d e t e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ew i d e ru s eo fw e t l a n d s r e s e a r c ht o p i c si n c l u d et h ef o l l o w i n ge l e m e n t s ：c wt r e a t m e n to f d o m e s t i cs e w a g ea l o n e ；b a ft r e a t m e n to fs e w a g es e p a r a t l y ；d o m e s t i c v 北京化工大学博士学位论文 s e w a g et r e a t m e n tb yt h ee n h a n c e dt e c h n o l o g y ；p o l l u t a n t sr e m o v a lk i n e t i c s o ft h ee n h a n c e dt e c h n o l o g y t h r o u g ht h er e s e a r c hr e a c ht ot h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ： 1 ) t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t si nc w i n c r e a s ew i t ht h ew a t e r l e v e lr i s e sa n dt h el e v e lo f6 5 c ms h o u l db eb e t t e rt h a nt h eo t h e rw a t e r1 e v e l i n t h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h eh y d r a u l i cl o a d i n gs u i t a b l ef o rt h i ss t u d yw a s o 8 x1 0 。2 m 3 ( m 2 h ) u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，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 c o n t a m i n a n tr e m o v a ll e v e l sw e r e10 h i g h e rt h a nh o r i z o n t a lf l o ww e t l a n d ， i n d i c a t i n gt h ea d v a n t a g eo fv e r t i c a lf l o wc w 2 ) p hi s a ni m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rn i t r i f i c a t i o n ，p ha r o u n d9 0i st h e b e s tc o n d i t i o n sf o rt h i ss t m d y c o d nr a t i oe f f e c tc o dr e m o v a ls l i g h t l y , w h i l et h er e m o v a lo fa m m o n i ai sa f f e c t e db yi th e a v e l y c o dr e m o v a lr a t eo f t h ec o m b i n e dw e t l a n di ss t a b l ea n dt h ea v e r a g er e m e m a lr a t ew a s7 5 9 3 ， a v e r a g ea m m o n i ar e m o v a lr a t ew a s2 5 0 5 ，t h et o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr a t e w a s2 6 4 4 a n dw a s7 4 1 4 o f t h et e 3 ) l a n g m u i ri s o t h e r me q u a t i o n f i tb e t t e rt h a nf r e u d l i c hi s o t h e r m e q u a t i o ni ns u b s t r a t ep h o s p h o r u sa d s o r p t i o ni s o t h e r m s ，t h et h e o r ya d s o r p t i o n c a p a c i t y o fg d s ( g o ) w a s6 8 8 18 m g k g ，w h i c ho ft h es l a g ( g o ) i s 5 2 1 5 8 m g k g pa d s o r p t i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fs o l u t i o np h ，t h e a d s o r p t i o na m o u n to fp h o s p h a t em a t r i xi n c r e a s es l o w l yi na c i d i cc o n d i t i o n s ， b u ti na l k a l i n ee n v i r o n m e n t ，s u b s t r a t ea d s o r p t i o no fp h o s p h o r u si n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gp hv a l u er a p i d l y m e a n w h i l e ，t h ep r e s e n c eo fa n i o n sw e a k e no n v i a b s t r a c t p h o s p h o r u sa d s o r p t i o nb u tt h e r em a yb ei n c r e a s e db yp r e s e n c eo fc a t i o n 4 ) g a s w a t e rr a t i oa n dh y d r a u l i cl o a d i n ga f f e c tt h er e m o v a le f f e c i e n c yo f b a f , a tg a s w a t e rr a t i oo f3 ：1a n dh y d r a u l i cl o a d i n go f1 2 8 m 3 ( m 2 h ) ，b a f r e m o v a lt h eo r g a n i cm a t t e ra n da m m o n i ae f f e c i v e l ya n dw i t h o u taw a s t eo f p o w e rc o n s u m p t i o n b a fa s as e p a r a t ep r o c e s s i n gu n i tc a nr e a l i z et h e e f f e c t i v er e m o v a lo fo r g a n i cm a t t e ra n da m m o n i a ，a n dt h er e m o v a lr a t e r e a c h e d6 5 4 a n d6 9 2 5 r e s p e c t i v e l y , b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft na n d t pi sn o ti d e a l ，w a s9 9 7 f o rt na n d1 0 4 1 f o rt po n l y 5 ) t h ee n h a n c e dp r o c e s so nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t sw e r e i m p r o v e dt h a nt h eb a fa n dw e t l a n dp r o c e s s e sa l o n e ，t h ei m p r o v e m e n to f a m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e nr a t ew a sl a r g e l yd u et oe n h a n c e dt e c h n o l o g yp l a y i na d d r e s s i n ge a c hi n d i v i d u a lp r o c e s sd i f f e r e n tf o r m so fn i t r o g e np o l l u t a n t so n t h ee d g e ，a n du s ear e a s o n a b l ec o m b i n a t i o nt oa c h i e v et h ea d v a n t a g e so ft w o c o m p l e m e n t a r yt r e a t m e n tp r o c e s sf o rt h er e a l i z a t i o no ft h ee f f e c t i v er e m o v a l o fp o l l u t a n t s 6 ) c h a n g eo fp o l l u t a n t sa l o n gt h ee n h a n c e dt e c h n o l o g ys t u d ys h o w st h e v a r i a t i o nv a r i e sb e t w e e np o l l u t a n t s c o dp r e s e n ti nt h ew e t l a n d sa l o n gt h e l a d d e ri nt h el a wo fd i m i n i s h i n g ，a n dt h er e m o v a lo fo r g a n i cp o l l u t a n t si n p r e c e d i n gw e t l a n di sd o m i n a n t t h et o p1 2o ft h ew e t l a n dp l a yt h ed o m i n a n t r o l eo fn i t r o g e nr e m o v a l ，b u tt h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o nr a i s ei nt h el a t e r s e c t i o ni nh o r i z o n t a lw e t l a n d ，w h i c hm a yb ed u et ot h ek i n do ff l o wi nt h e w e t l a n d ，t h ev e r t i c a lf l o ww e t l a n dc a nt r a n s f e rp o l l u t a n t sd o w n w a r do u t f l o w v i l 北京化工大学博士学位论文 e a s i e r , w h i l et h eh o r i z o n t a ls 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 di sn o te a s yt o d i r e c to u t f l o w , r e s u l t i n gi nt h er e l e a s eo fd e c o m p o s i t i o no fo r g a n i cn i t r o g e n ， a n da m m o n i ac o n c e n t r a t i o nl e dt or e c o v e r y 7 ) c o n t a m i n a n tr e m o v a ld y n a m i cm o d e lw a sa l s oe s t a b l i s h e d c o m p a r e d w i t ht h em e a s u r e dd a t a ，t h ee s t a b l i s h e dm o d e lo ft h es y s t e me f f l u e n tc o d ， a m m o n i an i t r o g e na n dt o t a l n i t r o g e n s i m u l a t i o na r ee f f i c i e n t ，t h ei d e a l s i m u l a t i o nw e r e6 5 ，8 0 a n d10 0 r e s p e c t i v e l y t h em o d e lo ft h es y s t e m s i m u l a t e de f f l u e n tc o da n dt o t a ln i t r o g e ni sb e t t e rt h a nt h ed y n a m i cm o d e l ， b u tt h em o d e ls t i l lh a st h ee n g i n e e r i n gd e s i g nf u n c t i o n s ，n e e d sf u r t h e rs t u d y i nc o n c l u s i o n ，b a fe n h a n c e dw e t l a n dt r e a t m e n tp r o c e s si sc h a r a c t e r i z e d i nt h a tt h ec o m p o s i t i o no ft h en i t r i f y i n gb a fs e g m e n ta n dt h es u b s u r f a c ef l o w c o n s t r u c t e dw e t l a n dd e n i t r i f i c a t i o ns e c t i o n w a s t e w a t e rd i s t r i b u t i o ni n t ot h e b a ff i r s t l y , o r g a n i cm a t t e rr e m o v a lb ya e r a t i o na n de n h a n c e dn i t r i f i c a t i o n ， t h e nf l o w st h r o u g ht h ew e t l a n df o rd e n i t r i f i c a t i o na n dn i t r o g e nr e m o v a l e d e f f i c i e n t l y k e y w o r d ：b a f ；g d s ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；e n h a n c e dt e c h n o l o g y ； d o m e s t i cs e w a g e ；r e a c t i o nm e c h a n i s m 符号说明 符号说明 b o i l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，曝气生物滤池 b i o l o g i c a lo x y g e nd e m a n d ，化学需氧量 c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，人工湿地 c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，化学需氧量 c o d n h 4 - n ，碳氮比 g r a yd e s e r ts o i l ，灰漠土 d i s s o l v e do x y g e n ，溶解氧 h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，水力停留时间 t o t a ln i t r o g e n ，总氮 t o t a lp h o s p h o r u s ，总磷 s u s p e n d e ds o i l d ，悬浮物质 x v l i 脚 一 伽 彻 一 伽 加 脚 研 口 鼹 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：短堕亟 日期： 边：至：z 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：轻函 日期： 导师签名：缝丝丝 日期： - o o 多7 第一章绪论 第一章绪论 水是人类生存和发展的根本，地球上的水虽然看上去很多，然而在当今经济技术 条件下，可供人类开发利用的水资源并不多。据专家估计【1 1 ，地球上的1 3 8 6 亿m 3 水 资源总量中，9 6 7 的水集中在海洋罩，目前还无法利用，而大陆上所有淡水资源总 储量只占地球上水量的3 3 。我国多年平均降水总量为6 2 1 0 眩m 3 ，水资源总量居 世界第六位，仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国和印度尼西亚。但我国人均水资源 总量为2 0 4 8 m 3 ，人均占有量仅有世界平均数的四分之一，居世界第1 2 1 位，被列为世 界上1 3 个贫水国之一。目前全国6 0 0 多座城市中，有3 0 0 多座城市缺水，严重缺水的 有1 0 8 个，北京市的人均占有水量为全世界人均占有水量的1 1 3 ，连一些干旱的阿 拉伯国家都不如。 在水资源本已短缺的情况下，我国水环境同益恶化，水体受到严重污染，甚至完 全丧失利用价值，加剧了水资源的短缺。据2 0 0 8 年中国坏境统计公报，全国废水排放 总量5 7 1 7 亿吨，其中，工业废水排放量2 4 1 7 亿吨，占废水排放总量的4 2 3 ，城镇 生活污水排放量3 3 0 0 亿吨，占废水排放总量的5 7 7 。废水中化学需氧量排放量 1 3 2 0 7 万吨，其中，工业废水中化学需氧量排放量4 5 7 6 力吨，占化学需氧量排放总 量的3 4 6 ，城镇生活污水中化学需氧量排放量8 6 3 1 万吨，占化学需氧量排放总量 的6 5 4 。废水中氨氮排放量1 2 7 0 万吨，其中，工业氨氮排放量2 9 7 万吨，生活氨 氮排放量9 7 3 万吨。工业废水排放达标率9 2 4 ，工业用水重复利用率8 3 8 。 2 0 0 8 年，淮河、海河、辽河、太湖、巢湖、滇池主要水污染物排放总量居高不下。 淮河流域仍有一半的支流水质污染严重，海河、辽河生态用水严重缺乏。太湖、巢湖、 滇池均为劣五类水质，总氮和总磷等有机物污染严重。据统计，在全国水资源质量评 价的约1 0 万公里河长中，受污染的河长占4 6 5 ，其中海河达6 2 3 。我国大淡水湖 和城市湖泊均为中度污染，全国9 0 以上的城市水域受到不同程度的污染。 解决水危机，节水是关键，治污是根本。世界各国经过几十年的努力，建立起许 多成熟有效的污水处理方法。目前，我国绝大部分的城市污水均采用传统的污水处理 工艺，对控制大城市的水环境污染起到了关键作用，但传统的城市污水处理工艺因投 资大、运行成本高，管理技术要求严格，开发具有高效、简易、低耗的污水处理技术 显得尤为迫切。人工湿地污水处理技术正是顺应这一要求而发展起来的一种简便有效 的生态工程污水处理技术，该技术具有投资少、能耗和运行费用低、操作少、管理简 单、尘念景观效果好、适用范围广等优点， 水回用，甚至做到城市污、废水的零排放， 同时，人工湿地从技术上可以实现城市污 这将最大限度地缓解水资源危机，并完全 消除城市对水环境的污染。人工湿地系统是经过人为模仿自然净化过程进行优化配置 进而强化了的具有处理污水功能的生态系统，对污水的逐级净化过程由生态系统各级 北京化工大学博士学位论文 层层吸收转化实现，真正实现了污水资源化，这种资源化不仅对人类是必要的，对水 生态系统也是有益的。 1 1 人工湿地概述 湿地( w e t l a n d s ) 是地球上水陆相互作用形成的独特生态系统，是重要的生存环境 和自然界最富生物多样性的生态景观之一。在抵御洪水、调节径流、改善气候、控制 污染、美化环境和维护区域生态平衡等方面具有其它系统所不可替代的作用。由于湿 地兼有水陆两类生态系统的某些特征，因而有多种生态功能和经济与社会价值，湿地 已成为人类赖以生存和发展的自然资源宝库与生存环境。因此，湿地科学研究受到越 来越多的关注，已成为当今世界所关注的重要研究领域。 1 1 1 人工湿地的概念 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是一种新型的废水处理技术，由人工优化模拟湿 地系统而建造的具有生态系统综合降解功能，且可人为监督控制的处理系统。它由砾 石、卵石及砂土等基质构成，底部封闭成不透水层，选择适应饱和水状态及高污染物 浓度的植物物种，通过人工湿地生态系统中的物理、化学和生物三个方面的协同作用 来去除污水中的污染物，使水质得到净化【2 。3 】。它在维持生态平衡，保护生物多性方面 有其独到的作用。在处理功效方面，通过水生植物和基质的过滤、截留作用和微生物 的降解，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污水中 有机物、氮、磷等去除【4 】，投资省、管理运行费用低。 1 1 2 人工湿地的分类 国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样。不同类型的人工湿地对特征污染物 的去除效果不同，具有各自的优缺点。从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的 不同或水流方式差异般分自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工 湿地和潮汐潜流人工湿地。 1 1 2 1 自由表面流人工湿地) 自由表面流人工湿地( 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 ，简称s f 型人工湿地) 内 部构造、生态结构和外观上都十分类似于天然湿地( 见图1 1 ) 。污水从湿地表面流过， 具有投资省、操作简便、运行费用低等优点，但占地面积较大，水负荷较低，去污能 力有限。氧主要来源于水体表面扩散、植物根系的传输。湿地系统运行受气候影响较 大，夏季有孳生蚊蝇的现象、产生不良气味、冬季容易结冰。 2 第一章绪论 图1 - 1 表面流人：t ：湿地构造示意图 f i g 1 1t h es c h e m eo ft h es w fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s 1 1 2 2 水平潜流人工湿地 水平潜流人工湿地( h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ed l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，简称为h s f 型人工湿地) 污水从一端水平流过填料床( 见图1 2 ) 。床体设有防渗层，防止污染地 下水。与自表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大，对b o d 、c o d 、 s s 、重金属等污染物的除效果好，而且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象，但其脱氮除磷效 果不如垂直潜流人工湿地。 图1 2 水平潜流人工湿地构造示意图 f i g 1 - 2t h es c h e m eo ft h eh s fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s 1 1 2 3 垂直流人工湿地 垂直流人工湿地( v e r t i c a ls 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 ，简称为v s f 型人 工湿地) 污水从湿地表面纵向流过填料床的底部( 见图1 3 ) ，床体处于不饱和状态， 氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。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水，但构造比较复杂，且对s s 去除率不 高，所以常在垂直流人工湿地后连接水平流人工湿地。 3 北京化工大学博士学位论文 ； 、 r 7 ，厂 易 矿一 、矿飞 r 矿 ， 龟， ， ；- 、r 、r ， 矿、 矿 三、 p 三 p 、 p 飞 ：弋 ，龟广 吨， 多毒多意 广、厂 、广、 ； 毒 、 p、p、 ， 飞户 。户飞 一 龟 j自，6一o i： r ， 卜 日一t f =；一r 一： ；r 一：爹一r 一：； ：乏t 一4 、 乎一一 t j i 7 t j 一土 二卜 ， 獾；黧 潞 诩辩旅：确黔! 旅翳翻鬻活炼颡黝黔謇 苍 ，、 t 、 f 一_ l 曩：卜一譬：比- 业 蠢 图1 3 垂直流人j 二湿地构造不意图 f i g 1 - 3t h es c h e m eo ft h ev s fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s 1 1 2 4 复合流人工湿地 许多污水在一级湿地中无法达到处理要求，以至于人们开始将不同类型的湿地组 合起来以获得更好的处理效果，特别是更好的脱氮效果。这种复合型湿地克服了单级 湿地中要求所有净化过程都在一个反应器中进行的弊端，充分发挥水平潜流湿地和垂 直潜流湿地各自点优点，并互相抵消各自的不足，从而提高了处理效果。按组合的不 同，可以分为：垂直一水平流人工湿地、水平一垂直流人工湿地和垂直一垂直流人工 湿地。其中垂直一水平流湿地对有机物和s s 的去除表现出了较高的效率，与单级水 平流湿地相比，复合流湿地由于垂直流湿地良好的硝化效果而使得整个系统的总氮去 除能力大大加强。 1 1 2 5 潮汐潜流人工湿地 潮汐潜流人工湿地或者称间歇流人工湿地。湿地床交替地被充满水和排干，床体 充水过程中空气被挤出，排水过程中新鲜的空气被带入床内。通过这种交替的进水和 空气运动，氧的传输速率和消耗量大大提高，极大提高了湿地床的处理效果。但潮汐 流湿地运行一段时间后，床体可能会被大量的生物所堵塞，限制了水和空气在床体内 的流动，降低了处理效果。因此，设计中考虑有备用床交替运行，以便利用放置期进 行生物降解。 1 1 3 人工湿地构成要素及作用 人工湿地主要由微生物、植物、基质构成，是一种利用基质、微生物及动植物群 落的物理、化学及生物的相互作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物分解、 植物吸收等过程实现对污水中有机物、氮、磷等去除的复杂生态系统。 1 1 3 1 微生物及其作用 人工湿地是通过植物基质微生物的综合作用实现对污染物的去除的，其中有机 4 第一章绪论 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微生物活动来完成的， 在湿地对污染物的去除中起着核心作用【5 。7 1 。人工湿地中存在的大量植物的根、茎、叶、 基质等为微生物的附着生长提供载体，人工湿地中微生物非常丰富，这就为污水处理 提供了分解者。 目前对湿地中微生物的研究还处于起步阶段。h a t a n o 等【8 】对香蒲、芦苇和无植物 湿地研究发现，植物种类和基质对微生物的种类和数量都有重要影响，细菌在系统中 占主导地位，放线菌其次，真菌最少。由于人工湿地存在着一些氧化区、还原区，不 同区域微生物群的相互配合而将有机物以及氮素化合物等去除。此外，这种多样的生 境中，微生物也可将有机氮等化合物降解【9 1 。周巧红等【1 0 】对复合垂直流人工湿地基质 中6 种酶酶活性和5 种细菌生理类群数量进行了测定，从基质酶的角度阐明人工湿地 的净化机理。微生物的数目和种类与污水净化效果也有一定的关系，相关性分析发现 1 1 - 1 2 】，湿地植物根区的细菌总数与b o d 5 去除率之间存在显著相关性；根区微生物数 量( 细菌、真菌和放线菌) 与t p 去除率之间相关性不明显；氨氮的去除率与根际硝 化细菌和反硝化细菌数量的相关性极显著。付融冰等【1 3 】利用混菌法和稀释法，测定了 潜流水平湿地基质中微生物的数量，分析了人工湿地基质中微生物数量与污水净化效 果的关系；结果表明：湿地基质中不同空间处微生物数量不相同，一般上层多于下层。 微生物数量与b o d 5 、t n 的去除有显著相关性，基质微生物数量与t p 的去除率相关 性不明显。微生物的增加能有效的促进浮泥层中磷的转移，减缓浮泥层中磷的积累【1 4 j 。 周巧红等【1 5 】指出不同人工湿地中的微生物种群和数量均不同，主要原因是由湿地废水 来源和类型的不同，种植植物的不同，基质材料和运行管理方式的不同等因素导致的。 所以可以针对不同的应用对象，选择不同类型的人工湿地来调控微生物的种群数量。 1 1 3 2 植物及其作用 。 植物是湿地生态系统的重要组成部分，在植物基质微生物的相互关系中承担着 重要角色。植物在人工湿地中主要起着以下作用： ( 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有毒有害物 质。 人工湿地中的植物像其它所有光合自氧的有机体一样，能利用太阳能从空气中吸 收无机物合成有机物，为异氧生物提供能量，同时其还具有分解和转化有机物及其它 物质的能力。k a d l e c t l 6 】研究表明湿地植物去除t n 约为6 0 0 , 4 8 。t h a b l e 【i7 】等研究发 现收割砾石床人工湿地植物可去除大约5 , - - 10 的t n 。汤显强【婚】等研究植物去除t n 占总去除的9 7 3 0 , - 2 0 6 0 。此外，湿地植物还能吸附、富集一些有毒有害物质，如重 金属等19 1 。 ( 2 ) 微生物附着及强化作用 2 0 世纪6 0 年代中期，德国的d l k i c k u t h 提出了“根区法”( r z m ) ，其中之一就是 利用根系微生物和土壤之间的相互作用去除污染物。试验证吲2 们，植物根际微生物数 5 北京化工大学博士学位论文 量要远比非根际微生物数量多。湿地中植物发达的根系为微生物提供了大量繁殖、栖 息的场所，为微生物提供附着，处在湿地水中的茎和叶以及地下的植物根系为微生物 附着生长提供了巨大的界面【2 1 1 ，项学敏等【2 2 1 研究了湿地植物芦苇和香蒲根际微生物的 数量、活性等特性，结果表明芦苇和香蒲具有明显的根际效应，根际微生物细菌、真 菌和放线菌的数量及活性均大于非根际相应项的数量及活性；植物种类、土壤类型不 同，植物的根际效应不同，土壤中各种微生物类型受根际效应的影响也不同。植物根 际也对微生物的活性有促进作用和根际化学因素对微生物产生影响。湿地系统内，植 物可强化根际微生物吸收、根系滞留、根际周围硝化反硝化等作用是植物去除t n 的 主要途径【z 川。 ( 3 ) 根系释氧作用 人工湿地中植物能将光合作用产生的氧气通过气道输送至根区，在植物根区的还 原态介质中形成氧化态的微环境【2 4 1 。根区有氧区域和缺氧区域的共同存在为根区的好 氧、兼性和厌氧微生物提供了各自适宜的小生境，使不同的微生物各得其所，发挥相 辅相成的作用。研究证明，植物根系可以通过释放氧气改变根系周围环境的氧化还原 状态，从而改变根系周围的生物地球化学循环过程 2 5 , 2 6 】。 ( 4 ) 改善水力传输性能 湿地植物起到布水和降低水流的作用【27 2 8 】，为拦截、沉淀颗粒物提供更好的水利 条件，增加了污水和植物根系的接触时间。植物的生长可以松动基质，植物根系死亡 腐烂后留下孔洞与空穴，改善了土壤的水力传导性能【2 9 1 。植物密集的根系可以稳定床 体表面，减缓床体堵塞1 3 0 1 ，在潜流型人工湿地中，基床中的水流一般是通过由活的或 死的根和根区形成的沟道及基质问孔隙流动。当根和根区生长时，他们疏松了基质； 当根和根区死亡腐烂后，留下一些孔或沟，被认为在一定程度上增加和稳定了土壤的 水力传导性【3 1 1 。另外，湿地植物使湿地床表面更加稳固，并提供了良好的物理过滤条 件，它使垂直流通系统不受阻碍，防止冬季湿地表面冻结并为微生物生长提供了巨大 的表面支撑。此外，植物还可以为野生动物如鸟类等提供良好的栖息环境【3 2 , 3 3 】，具有 美学观赏性。 1 1 3 3 基质及其作用 人工湿地中基质是作为植物的生长载体、为微生物提供大量的附着界面，直接通 过物理化学作用净化污水，并保证一定的水力传导性能。基质是人工湿地的载体，其 自身的理化特性可能影响到它对污水的处理效果p 4 1 。另外，在床体内部填充多孔的、 有较大比表面积的基质，可改善湿地的水力学性能【3 5 1 ，为微生物提供更大的附着面积， 增强系统对污染物的去除能力。 目前，潜流湿地中最常用的是砾石，石灰石和碎岩石也被成功地应用到人工湿地 中【3 6 】。基质对于净化污水中的污染物，特别是磷素污染物有着重要