（环境工程专业论文）dasb、wsfcw特性及联合工艺处理生活污水的研究.pdf

摘要 一 摘要 为r 适应村镇生活污水处理要求，本文创新提出降流式厌氯悬浮填料床 ( d o w n f l o wa n a e r o b i c 5 u s p e n d e d m e d i a b e d ，简称d a s b ) 、波式潜流人工湿地( w a v y s u b s u r t = ：a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，简称w - s f c w ) ，深入地研究了d a s b 、w - s f c w 及其联合工艺处理生活污水的特性。 本文首先评述了国内外生活污水处理研究和应用现状及进展，综述了生活污水 的厌氧生物处理和人工湿地处理：提出了改进的厌氧反应器、人工湿地方案和建立 在此基础上技术路线新颖的村镇污水处理联合工艺。 其次，针对本研究中的核心单元“d a s b ”和“w - s f c w ”分别进行了试验研 究。 在厌氧反应器设计和试验研究方面，利用化粪池出水作为污水源进行了小试和 中试研究。研究结果表明，在环境温度下d a s b 是一种有效的厌氧反应系统，在稳 定运行阶段当水力停留时间为4 小时，c o d 、b o d 5 的去除率平均达到6 0 以上。 将自主开发的w s f c w 与传统s f c w 进行- 对比试验研究。研究结果表明， w - s f c w 由于充分发挥了人工湿地垂直方向上不同层次的功能，因此显示出比 s f c w 更好的去除污染物的特性，在c o d 、s s 、n h 4 + - n 等主要生活污水指标上， w - s f c w 全面优越于s f c w ，同时w - s f c w 比s f c w 有更好的适应不同水力负荷 的能力。 进而，研究分析了污水中氮磷元素在w - s f c w 和s f c w 里的演变过程，发现 人工湿地内基质内的氮磷含量及分布与污水中氮磷元素去除具有正相关性；同时还 发现，由于化学过程形成的不溶性磷( 多钙磷酸盐) 沉积于基质表面，使人工湿地 有可能做到拥有巨大的除磷容量。 最后，通过1 年多连续试验研究得出：d a s b + w - s f c w 联合工艺系统比 d a s b + s f c w 联合工艺系统能够更有效去除污水污染物。 关键词：厌氧悬浮填料床；短时厌氧；波式潜流人工湿地；潜流人工湿地；联合工 艺；脱氮除磷：磷沉积；生活污水处理 i i i a bs t r a c t i no r d e rt o q u e s tf o rt h ea d a p t i v ep r o c e s s i n g f o rv i l l a g e sa n ds m a l lt o w n ss e w a g e t r e a t m e n t ，t h i s r e s e a r c hr a i s e d an e wt r e a t m e n ta n dr e c l a m a t i o n p r o j e c t ，t h a t w a s d o w n - f l o wa n a e r o b i cs u s p e n d e d m e d i ab e d ( d a s b ) 一w a v ys u b s u r f a c e c o n s t r u c t e d w e t l a n d ( w - s f c w ) u n i o ns y s t e m f i r s t l y , t h i st h e s i so u t l i n e dt h ec u r r e n ts t a t u s a n dd e v e l o p m e n t so fs e w a g et r e a t m e n t s t u d i e sa n da p p l i c a t i o n sw o r l dw i d e ，i tr e v i e w e dt h ea n a e r o b i cb i o l o g ys e w a g et r e a t m e n t a n dc o n s t r u c t e dw e t l a n d ss e w a g et r e a t m e n t t h es t u d yr a i s e dt h em o d i f i e da n a e r o b i c r e a c t o ra n dc o n s t r u c t e dw e t l a n d sp r o j e c t ，o nt h a t b a s e 。i te s t a b l i s h e dan e wu n i o n p r o c e s s ，w h i c h w a s a p p r o p r i a t ef o r t h ev i l l a g e sa n ds m a l lt o w n ss e w a g et r e a t m e n t s e c o n d l y , t h er e s e a r c hi n d i v i d u a l l yf o c u s e do n t h ec h a r a c t e r so ft h ec o r eu n i tt h a tw a s d a s ba n dw s f c w o nt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fa n a e r o b i cr e a c t o r s ，b yu s i n gt h es e p t i ct a n ko u t f l o wa s w a s t e w a t e rs o u r c e t h es t u d yd i nt h es m a l la n dm e d i u me x p e r i m e n t s ，w h i c hl a s t e do n e y e a ra n d1 0m o n t h st o t a l l y t h r o u g ht h et e s t t h er e s e a r c hs h o w e dt h a ti nt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r et h ew a s d a s bau s e f u la n a e r o b i cr e a c t o rs y s t e m ，w h e nt t r tw a s4h o u r si nt h es t a b l es t a t e ，t h e r e m o v a le m c i e n c yo f c o da n db o dr e a c h e da b o v e 6 0 a v e r a g e l y t h et h e s i ss t u d i e dt h ep a r a l l e le x p e r i m e n t sb e t w e e n 、v a w s u b s t t r f a c ec o n s t r u c t e d 、e t l a n d ( w - s f c w ) a n d t h e t r a d i t i o n a ls u b s u r f a c e f l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d ( s f c w 、i n t h i ss t u d y , w 二s f c ws h o w e dt h eb e t t e rp o l l u t i o n sr e m o v a lc h a r a c t e r st h a ns f c w , s i n c e i t s 如1 lr e m o v a lc a p a b i l i t i e si nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n si nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h e m a i nw a s t e w a t e ri n d e xs u c ha sc o d 、s s ，n h 4 + n ，t pe c t o f t h eo u t f l o wi nw - s f c wa r e a 1 1s u p e r i o rt ot h eo u t f l o wo fs f c wi nt h es a m et i m e w s f c wa c h i e v e dt h eb e t t e r c a p a b i l i t yo fa d a p t a t i o nf o rd i f f e r e n th y d r a u l i c1 0 a dt h a ns f c w t h e s t u d ya n a l y z e d t h ee v o l u t i o n p r o c e s s o fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s i nt h e c o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h ed a t as h o w e dt h a tt h ec o n t e n ta n dd i s t r i b u t i o no fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sw e r ea g r e e dw i t ht h er e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h ew a s t e w a t e r i nt h es a m et i m e s i n c et h ec h e m i c a lp r o c e s sp r o d u c e dt l l ei n d i s s o l u b l ep h o s p h a t e sa n d t h ep h o s p h a t e ss e d i m e n t a t e dt h es u r f a c eo ft h em e d i u m ，t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sw o u l d a c c o m p l i s h1 a r g ec a p a b i l i t yo f r e m o v i n gp h o s p h o r u s i nt h ee n d ，i na y e a rr u n n i n gp r o c e s s ，t h ee x p e r i m e n tc o n c l u d e dt h a tt h ep o l l u t i o n s r e m o r a le f f i c i e n c yo f d a s b + w - s f c ww a s h i g ht h a nd a s b 十s f c w k e y w o r d s ：a n a e r o b i cs u s p e n d e d m e d i ab e d ；s h o r t - t i m ea n a e r o b i c ；s u b s u r f a c e f l o w a n a e r o b i cc o n s t r u c t e dw e t l a n d ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；u n i o np r o c e s s ；r e m o v e n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s ；p h o s p h o r u ss e d i m e n t a t i o n ；s e w a g et r e a t m e n t v 水作为基础性的自然资源和战咯性的经济资源，对经济和社会的可持续发展具 有极为重要的保证作用。随着社会及经济的迅猛发展，我国成为水污染问题最为突 出的国家之一。水污染的一个重要方面是生活污水的污染。对于城市而言，建设生 活污水处理厂是控制水污染的有效途径，但多数村镇在若干年内基本上无能力建设 污水处理厂。因此，探索适合村镇生活污水处理的理论和技术，因地制宜地建设村 镇污水处理设施，是在整体上保证水环境好转的重要因素。这是当前生活污水处理 研究的热点之一。 近十年来，许多研究者对村镇污水处理技术进行了大量的研究，主要有一体化 污水处理装置、无动力污水槽、稳定塘、人工湿地等技术，但由于研究方法与实际 情况有一定差距，且由于研究结果的差异性较大，使得研究成果难以有效地应用于 村镇。“厌氧处理生活污水”在理论和技术上已进行了较多的研究，“人工湿地处理 生活污水”的研究方兴来艾。但分别应用这两种方法单独处理生活污水时都存在着 明显的缺点，且适应村镇生活污水的反应器构造型式尚需进一步研究。在已经应用 的研究成果中，普遍存在着化学好氧量、氨氮、总磷等指标不能同时达标、或投资 及运行费用高的问题。 本研究是在上述背景下，结合江苏省教育厅高校科研基金项目“d a s b + c w 联 合工艺处理乡镇生活污水及资源化研究( 课题编号为0 2 k j b 6 1 0 0 0 4 ) ”进行的。本 文作者在研究过程中，改进和优化了污水处理反应器构型并在此基础上提出的联合 工艺，即降流式厌氧悬浮填料床( d o w n f l o wa n a e r o b i cs u s p e n d e d m e d i ab e d ，简称 d a s b ) 一波式潜流人工湿地( w a v y s u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，简称w - s f c w ) 工艺系统，该系统可望解决村镇生活污水污染的问题。 本文着重研究“厌氧悬浮填料床”、“改进的人工湿地”以及“两种单元的联合 工艺”去除生活污水有机物、氮、磷等的性能。主要研究内容包括：通过试验改进 了厌氧反应器构型，研究了短时厌氧下较高有机物去除机理；提出了一种改进型人 工湿地型式一一波式潜流人工湿地，发现了波式潜流人工湿地优于水平潜流人工湿 地，研究了其理论基础及污染物降解的机理；提出了“d a s b + w s f c w 联合工艺处 理生活污水”联台工艺，研究了其系统特性，并以试验数据为依据提出本工艺的主 要设计参数。 本研究的主要创新为：首次将“短时厌氧”概念与“悬浮填料”、“降流式水力 i ) n s k 、w 。q f c w 特性及联台工艺处理生活巧球的砂f 宽 流型”的厌氧反应器结合起来，使降流式厌氧悬浮填料床具有反应时间短、布水方 式简单且易使水流均匀、泥水高敦分离等特性；提出并研究了波式潜流人工湿地， 研究结果证明，波式潜流人工湿地使人工湿地垂直方向不同层次的功能得 i t 比较 充分发挥：本研究还证实了在一定条件下人工湿地中存在磷素大量沉积现象，因此 促进入工湿地中生成多钙磷酸盐是去除污水中磷素的重要途径；通过长时间的连续 试验研究表明，“d a s b + w - s f c w 联合工艺”去除在生活污水中的化学好氧量、悬 浮物、总氮、氨氮、总磷等优势明显。当进入人工湿地时的水力负荷为8 0 1 0 - 3 r n 3 i n 2 d 时，“d a s b + w s f c w 联台工艺”达到国家城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 18 - 2 0 0 2 ) 一级b 标准。该系统具有处理效率高、基建投资低、运行费用低、 管理维护要求低、剩余污泥少的特点，符合村镇生活污水处理的要求。 i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同 事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：! 雪! ! ! 垒2 0 0 4 年1 2 月2 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： ! 留竺垒2 0 0 4 年1 2 月2 日 符号说明 符号说明 人工湿地的表面积 吸附一生物降解工艺 厌氧折流板反应器 厌氧接触工艺 厌氧膨胀床 厌氧滤池 厌氧流化床 厌氧复合反应器 厌氧一好氧污水处理工艺 厌氧一缺氧一好氧污水处埋工艺 微生物死亡系数 五口生化需氧量 化学需氧量 胶体c o d 溶解c o d 颗粒c o d 出水浓度 出水中的s s 浓度 进水浓度 进水中的s s 浓度 完全混合流态 人工湿地 降流式厌氧悬浮填料床 降流式厌氧紊动床 降流式固定膜反应器 预计的溶解性b o d 的去除率 膨胀颗粒污泥床 水力停留时问 水解反应器 人工湿地的深度 内循环 溶解态磷 阻塞系数 m m g l j 吣叽叽叽w倌叭 岫吼吼吼虮吼“吼 “胁舰搬胁帆慨m触m&垂|差i垂晦咯吣鏖|薹；眦一一鏖|mn k m 。 i n ! 海人学j ：学t g 七学位葩支d a s b 、w s f c w 特件及联台l 艺处理生活污水的研究 最人基质利用率 半速率常数 产甲烷半速度常数 d 。 g 温度t 时一级反应动力学速率常数，d “ 混合液挥发- 陉悬浮固体 m g l 膜生物反应器： 亚硝酸盐氮 m g l 硝酸盐氮 m g l 铵态氢 m g l 有机容积负荷 k g c o d m 3 d 氧化还原电位m v 推流流态： 每天污水流量m 3 ，d 基质的浓度g i 间歇式活性污泥处理工艺 固体停留时间 j ， 固体悬浮物m g l 污泥沉降比 水力停留时问d 总氮 m g ，l 总有机碳 m z l 总磷 m g l 升流式厌氧污泥床 超滤膜 挥发性悬浮固体 m g l 挥发性脂肪酸 m g l 波式潜流人工湿地 活性微生物的浓度m g l 微生物生跃量系数 土壤孔隙率 固体物质的密度 g n 1 3 s s 里的水分数 污染物去除率 k b哳慨主|脚_耋叭呱限m蚤昙|耋|弧n m星|隈眠璧慨一匙n。附。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 环境问题是当今世界各国所普遍关注的重大问题。改善人类的生存环境，是保 障人类生存权和发展权的必由之路。世界各国政府在人力、财力和物力等各个方面 都以很大的投入来保护和改善人民的生存环境，提高国民的生活水平和质量。新的 世纪，中国的飞速发展正在重塑世界经济秩序。但是我国经济社会的发展，使工业 废水和生活污水量剧增，大量未经处理的工业废水和生活污水排放到江河湖海中， 给这些水体带来了严重的污染。水污染正从城市扩大到广大农村，从流域的一部分 扩大到全流域，从点源扩大到面源，面源污染问题目益严重。我国目前及今后相当 长一段时间内的环境问题主要是水环境问题，水环境问题又主要是有机废水的污染 问题。 水环境污染已成为制约我国当前村镇社会、经济和生态环境可持续发展的重要 因素。我国沿海地区城镇化建设加快，乡镇企业发展迅速，工业布局不合理，中小 企业发展的多样化，使污水成分复杂化，污水处理率低，无害化处理后的资源化利 用几乎是空白。由于长期不合理、过度开发带来的生态环境破坏，水体自然净化能 力持续下降，形成水体恶性循环。 面源污染曾经被认为主要是农村滥用农药、化肥引起，然而最新研究表明：地 表水体中8 5 以上的n h 4 十_ n ，主要来源于人畜粪尿和有机肥，不是源于当季施入 的无机n 肥。据在苏南太湖地区的调研证明，p 素非点源污染中，农田进入水体的 p ( 含水体下淤泥扩散的p ) 的相对贡献率不到1 0 ，而人、畜、禽排泄物及生活污 水、淡水养殖业等p 的相对贡献率在9 0 左右f 1 j o 我国村镇数量多、分布广，污水目排放量小，缺乏完善的污水收集系统，人口 分布较广且分散，经济实力相对较弱，缺乏污水处理、运行管理专业技术人员。因 此，大中城市污水处理工艺不适合经济技术相对落后的村镇。如果盲目采用大中城 市污水处理工艺，将出现“建的起，运行不起”问题。因此，研究、开发和应用“三 低一高”( 低基建费用、低运行费用、低维持技术、高处理效率) 污水处理技术对广 大村镇污水处理尤为重要。 由于单纯的厌氧污水处理技术和人工湿地技术在研究和应用中都发现其有难以 克服盼缺点，因此改进和创新研究厌氧处理技术和人工湿地技术并结合两种技术的 河坶人学j 。学博士学位论文d a s b 、w s f c w 特。陀及联含f 。艺处理牛遥堕坐塑堡壅 优势，是实现村镇生活污水处理“三低一高”技术的一个重要方( o j 。从而实现低基 建费用、低运行费用、低维持技术、高处理效率的目标。 基于此，本研究将在国内外研究的基础 ：，以污水厌氧处理理论和人工湿地污 水处理理论为背景，提出技术路线新颖、区别于以往的村镇污水处理及资源化方案。 并具有投资低，出水水质好，抗冲击力强，操作简单，维护和运行费用低和增加绿 地面积、改善美化生态环境等优点。与传统生活污水处理工艺相比，具有净化机理 上的生态性、建设运行费用低廉和与绿化景观建设的协调性。 1 2 与本研究有关的文献综述 1 2 ，l 村镇生活污水污染控制研究现状 1 2 1 1 生物处理工艺的进展 污水生物处理过程是指利用微生物的新陈代谢，把污水中存在的各种溶解态或 胶体态的有机污染物转化为稳定的无害化物质3 】 4 1 的生物处理技术，可分为好氧处 理工艺和厌氧处理工艺；或分为以活性污泥为代表的悬浮生长工艺和以生物膜法为 代表的附着生长工艺。数十年来国内外对于污水生物处理进行了浩瀚的研究，归纳 起来主要在厌氧生物处理技术和联合生物处理技术上进展较快。 1 ) 厌氧生物处理工艺 污水厌氧处理是最古老的水质稳定的技术之一，在1 9 世纪厌氧处理技术已经在 处理生活污水的化粪池得到应用。厌氧处理工艺具有反应器体积小，规模灵活，工 艺简单，耗能低( 般仅为好氧工艺的1 0 1 5 ) ，产生的污泥量小( 一般仅为好 氧工艺的l o 1 5 ) ，处理过程中对营养物的需求低等多种优点，是城镇生活污水 处理的首选方法之- - 5j 【6 j 【7 1 。 但是村镇生活污水中较低的污染物浓度，则成了传统厌氧处理工艺在村镇生活 污水处理中广泛应用的限制因素。为了解决这一技术难题，人们对传统厌氧处理工 艺进行了长期的各种改进试验。特别是水力停留时间( h r t ) 与固体停留时间( s r t ) 的分离而导致高效反应器的研制和推广，使污水厌氧处理技术成为污水生物处理两 大技术之一8 心f 1 5 】。从已开发的处理系统来看，升流式厌氧污泥床 ( u a s b ) 及其衍生的其它系统应用最广，因为其内部能自然生成颗粒污泥，而厌 氧颗粒污泥具有出色的降解有机物的能力和优越的沉降性能 1 6 】( 1 7 。改进后的厌氧处 理技术在处理低浓度城镇生活污水( c o d 2 0 。c ) 用一级u a s b 的处理效果。 1 - 22 6 厌氧后处理技术 为了使污水达标排放，厌氧处理后原则上需要后处理工掣8 1 】( 8 2 】。厌氧生物处理 出水的c o d c , ，浓度( 1 0 0m g l 左右) 只能达到国家二级排放标准，n h ，n 和p 的 含量较高，有一定气味，需要后续处理 8 3 】 8 4 】【8 5 】【8 6 】。继续延长厌氧处理时间是否能 够达到出水达标的要求? 研究结果表明，当h r t 达到一定值时进一步延长h r t ( 腿t = 1 4 4 h ) 对于提高出水水质几乎已经不起作用1 8 2 1 。 印度和南美等国家在积极推广应用厌氧生活废水处理技术的同时，普遍意识到 由于厌氧处理后的出水仍不能满足直接排放的要求，即b o d 和t s s 值仍然偏高， 氮和磷基本上没有去除，而卫生问题依然存在，因此对厌氧出水进一步处理很有必 要。厌氧生活污水处理工程中，后处理方法比较多样化，如各种好氧技术、稳定塘 技术、物化技术等“9 0 】 9 l 】 9 2 】 9 3 】。 1 2 3 人工湿地处理生活污水综述 1 2 3 1 人工湿地概述 1 ) 人工湿地 人工湿地( c o n s t r u c t e d w e t l a n d ，简称c w ) 是种由人工建造和监督控制的、 与沼泽地类似的地面，它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用 来实现对污水的净化作用。它具有处理效果好( c o d 的去除率约6 0 - , 8 0 ) 、氮磷去 除能力强( t n 和t p 的去除率分别为6 0 ；f 1 38 0 ) 、运转维护个管理方便、工程基 建和运转费用低以及对于负荷变化适应能力强等主要特点，比较适合于技术管理水 平不高、规模较小的城镇或乡村的污水处理【9 4 】f 9 5 】【9 6 】 9 7 】。 塑堑叁兰! ：兰竖主堂丝堡兰 里! ! ! ：! ：! ! ! ! 竺堡丝壁垒三苎竺堡生塑塑查堕塑茎一 湿地被应用于污水净化始于2 0 世纪5 0 年代例，而用人工湿地进行污水净化 的研究始于2 0 世纪7 0 年代末【9 9 j 。人工湿地是一个自适应的系统，它是近2 0 年发 展起来的一种废水处理新技术，其特点是投资省，处理效果好，运行维护方便，它 属于一种生态治理污水的方法，可作为传统的污水处理技术的一种有效替代方案， 这对于节省资金、保护水环境以及进行有效的生态恢复具有十分重要的现实意义， 也越来越受到世界各国的重视和关注 1 0 0 l 。目前它被广泛应用于处理生活污水 t o t l m l 【l o 引、工业废水l 、矿山及石油开采废水1 0 5 【1 0 ”、农业点源污染和面源污染 1 0 7 1 1 0 8 9 1 以及水体富营养化问题的治理】。人工湿地比天然湿地污水处理提供了 更好的机会，因为人工湿地部分采取了人为控制措施，从而可以优化系统去除b o d 、 c o d 、营养元素和细菌性污染物的性能。它不仅可以为昆虫和其它动物提供生境， 也可以作为一种美学景观，而且可以最大限度地进行水力条件的控制和湿地植物的 管理。 2 ) 人工湿地的构造及特点： a ) 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 ) ，处理能力较低， 卫生条件较差，易在夏季滋生蚊蝇、产生臭味而影响湿地周围的环境；在低温时易 结冰、处理效果受温度变化影响大，目前实际工程中应用较少。 b ) 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 ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ) ，污水 在湿地床内部流动，处理效果和处理能力较强：具有保温性较好、处理效果受气候 影响小、卫生条件较好的特点。是目前研究和应用比较多的一种湿地处理系统。 c ) 垂直流人工湿地( 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 ) ，该湿地系统中的水流 综合了自由表面流湿地系统和潜流湿地系统的特性，在欧洲许多地方投入运行已有 几十年，建设要求高，并且也存在卫生条件差等问题，目前采用不多。但近年来由 我国中国科学院水生生物研究所开发的复合垂直流人工湿地作为一种改进型人工湿 地技术，在改善水质、促使退化水生态系统的恢复和水资源的持续利用等方面取得 了较好的效果 【】1 2 1 。 1 2 3 2 人工湿地污染物去除机理及主要影响因素 1 ) 污染物去除机理 水体、基质、水生湿生植物和微生物是构成人工湿地污水处理系统的的4 个基 本要素。人工湿地对污水的处理有十分复杂的净化机理。一般认为，人工湿地生态 系统是通过物理、化学及生化反应三重协同作用净化污水 9 5 】叫】。 兰! 堕丝 物理作用主要是过滤、沉积作用，污水进入湿地，经过基质层及密集的植物茎 叶和根系，可以过滤、截留污水中的悬浮物，并沉积在基质中；化学反应主要指化 学沉淀、吸附、离子交换、拮抗和氧化还原反应等，这些化学反应的发生主要取决 1 二所选择的基质类型；生化反应主要指微生物在好氧、兼氧及厌氧状态下，通过开 环、断键分解成简单分子、小分子等作用，实现对污染物的降解和去除4 1 。其中构 成人工湿地的4 个基本要素都具有单独的净化污水能力】【1 l6 】【1 1 ，尤其是人工湿地 基质中微生物类群在人工湿地污水净化过程中起到极其重要的作用。 2 ) 人工湿地微生物种群 研究表明，人工湿地基质中微生物种群在人工湿地污水净化过程中起着极其重 要的作用，主要的生物化学反应大多是在微生物和酶的作用下进行的。人工湿地中 的微生物极其丰富，这为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者，研究发现， 芦苇床系统的根表面根际土的细菌数量可达1 0 8 个幢( 干重) ，且趋于稳定，季节变 化不大i l ”j 。 还有研究表明，不同的湿地类型中具有不同的优势菌属【1 1 9 】【1 2 0 】：人工芦苇湿地 系统中的优势菌属主要有3 种，它们分别是假单胞杆菌属( p s e u d o m o n a s ) 、产碱杆 菌属( a l c a l i g e n s ) 及黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) ，与天然的芦苇床相比，人工床中 的优势微生物组成与其基本相等。上述几种优势菌属均为快速生长微生物，而且其 体内大多含有降解质粒，因而它们是废水中有机物分解的主要微生物种群。 微生物对污水中的主要特征污染物具有显著的去除效果，如n 的去除主要通过 硝化和反硝化过程，大多数人工湿地处于一种厌氧状态，所以反硝化过程是n 去除 的主要途径之一，而反硝化过程是一个连续的酶促反应1 2 ”，所以在n 的去除作用 中微生物起了很重要的作用。有研究认为【1 2 ”，微生物作用是污水中的凯氏n 以及 c o d 去除的主要途径，而磷细菌的数量也与磷的去除率呈明显的正相关”。还有 研究表明，微生物的活性受各种因素的影响“3 】：通过对b2 葡萄糖苷酶、磷酸酯酶 和硫酸酯酶与碳供应关系的研究，认为不同的酶活性受不同形态碳的影响。当湿地 中碳过量时，n 和p 就可能成为微生物增长的限制因子。 微生物活性还受到其它有害因子的干扰，已有研究表明，除草剂、难降解高分 子化合物及重金属可显著降低反硝化微生物的除氮能力”4 【1 2 5 1 1 1 2 “。 3 ) 湿地基质 人工湿地基质主要由土壤、砂和卵石等组成。 基质的净化能力受气候和其它环境条件的影响。基质的净化功能主要有：植物 河海大学j 一学博士学位论文d a s b 、w s f c w 特性及联台工艺搂堡竺塑望坐塑塑茎 根系的吸收、转化、降解和生物合成作用； 细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、 转化和生物的固定化作用；有机、无机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用； 离子交换作用；机械阻留作用；气体扩散作用。 还有研究认为含有机质丰富的基质有助于吸附各种污染物，如含c a c 0 3 较多的 石灰石有助于磷的去除“。湿地的一个重要特征是存在好氧与厌氧界面，从而使士 体内的氧化还原电位o r p 变幅高达1 0 0 0 m v ( 3 0 0 m y 7 0 0 m v ) ，从而直接或间接地 影响湿地去污效果。而旱地土壤的o r p 通常只在4 0 0 m v 7 0 0 m y 范围内变化。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，硝化一反硝化反应，产沼反应等m 3 】 1 3 5 】。 4 ) 湿地植物 污水进入人工湿地，经过基质层及密集的植物茎叶和根系，可以过滤、截留污 水中的悬浮物。同时湿地中的植物能够从废水中吸收营养物质作为自身生长所需的 营养源而去除污染物”6 1 。根据根区法理论【1 3 7 】 1 3 8 1 ，由于生长在湿地中的挺水植物对 氧的输送、释放、扩散作用，将空气中的氧转运到根部，再经过植物根部的扩散， 在植物根须周围环境中依次出现好氧区、兼氧区和厌氧区，有利于硝化、反硝化反 应和微生物对磷的过量积累作用，达到除氮、磷等污染物的效果。有研究表明，植 物的存在有利于系统中硝化作用的发生，有植物系统的人工湿地总氮( t n ) 的去除 率明显高于无植物系统，有植物系统对凯氏氮、氨氮、尤其是亚硝态氮的去除效果 明显优于无植物系统【”“。 在湿地植物的选择上，芦苇、香蒲、茳芏和狗牙根技术应用较普遍，应用范围 也较广1 3 9 】 1 4 0 】【1 4 1 2 j 【1 43 【1 4 4 。对不同植物的去氮效果研究表明5 1 ，潜流型人工湿地 污水处理系统对总氮( t n ) 的去除率分别为：芦苇系统4 9 3 4 、茭白系统4 5 4 9 、 无植物系统3 8 6 9 ，这说明不同的植物具有不同的去污效果。还有研究表明】， 在人工湿地的沉积物和植物中，金属浓度比天然湿地中的高，因而通过人工湿地系 统植物吸收- 收割去除的途径去除污水中的重金属污染物。但值得一提的是，从人工 湿地收获的植物可否作为饲料，或家畜对这些从人工湿地中收获的植物能否接受， 以及如何处理利用这些植物是一个值得研究的问题。 1 2 3 3 人工湿地的土壤堵塞现象 根据文献“6 4 ”，阻塞现象产生的原因主要是：床材料中小孔的存在( 细非聚 集颗粒，高不均匀性) ：s s 在土壤孔里富集；生物膜生长在基质上；植物根和根茎 曼二兰竺堡一 j - _ _ 一 一 的穿入；南于无机的凝胶体的i l 堵塞，主要是石灰岩的钙溶解及随后发生的污水里 的硅反应；土壤胶体的解胶和在聚集间的微孔瓦解；在低p h 时的c a c 0 3 的沉淀和 沉积等。 阻塞现象的发生产生有利有弊。一方面它降低了水力传导性使出水不畅，污水 的有效停留时间减少，影响湿地氏期运行的稳定性，甚至使湿地系统失去其应有的 功能：另一方面它产生了高效率的生物膜而增加了处理效果。 通过污水的预处理，减少进水中s s 浓度是避免堵塞的有效措施之一。 1 2 3 4 人工湿地发展前景展望 目前人工湿地的研究涉及的学科和理论较多，如系统反应动力学、流体力学、 环境微生物学、土壤学和植物营养学等，多学科的渗入为深入掌握人工湿地的本质 提供了基础。 人工湿地是一个综合的生态系统，它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 较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的处理。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 ) 人二 湿地系统的工艺设计与其它处理单元系统相结合，构成联合处理系统， 共同实现污水净化的目标。目前最常见的联合是人工湿地与好氧塘、厌氧塘以及兼 性塘进行多级串联联合i “引，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。但是其联合方式、联合次序都会影响到系统出水的水质，因 此，与人工湿地组成的污水复合处理系统是今后的研究热点之一。 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和独特 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 ) 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。因此在研究去除有机物的基础上，构建有利于稳定地去除 氮、磷等营养元素的人工湿地系统，也是今后研究和实践的重要内容。 4 ) 人工湿地处理效率的影响因素研究。如污染物降解的反应动力学、湿地内部 河海大学工学博十学位沦文d a s b 、w s f c w 特性及联合工艺处理生活污水的研究 的水流流态外、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”9 心。而且目前没有一个统一的剥比标准，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t ：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。大晕的 研究表明，温度的降低会影响人工湿地污水净化的效率【l ” 。因此，气候很可能成为 设计人工湿地的一个限制性因子。 综上所述，村镇生活污水污染控制是面源污染控制的重要方面，尽管生活污水 处理理论和技术已经有了长足的进步，但适应于我国村镇经济和社会发展水平的生 活污水处理理论和技术尚有待于进一步发展；环境温度下生活污水厌氧生物处理理 论和技术的特征可作为村镇生活污水处理的思路之一，但需要进一步研究和开发适 合村镇应用的厌氧反应器；人工湿地是一种生态处理污水的理论和技术，在村镇污 水处理中有良好的前景，但其的存在堵塞等问题使其广泛应用受到制约；因此，厌 氧反应器和人工湿地的改进及其形成的联合工艺在应用上可能成为村镇生活污水处 理实际可行的工艺路线，在理论上可能提出部分生活污水污染物控制的新观点。 1 3 研究目的和内容 1 3 1 研究目的 本课题研究的目的是改进和创新研究厌 氧处理技术和人工湿地污水处理技术，在此基 础上寻找一条适合村镇的生活污水处理的工 艺路线，解决目前村镇面临的生活污水污染问 题。 1 3 2 研究内容 1 3 2 1 供试单元反应器及污水处理工艺系统 本研究提出供试的单元反应器是：降流式 厌氧悬浮填料床( d o w n f l o wa n a e r o b i c s u s p e n d e d m e d i ab e d ，简称d a s b ) 和波式潜 管 管 图12 厌氧反应器( d a s b ) 示意图 丝j 登塑一 流人工湿地( w a y ys u b s u r f a c e c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，简称w - s f c w ) 。生活污水处理 系统是：d a s b + w - s f c w 联合工艺系统。 1 ) 降流式厌氧悬浮填料床( d a s b ) 是一种采用悬浮填料的厌氧反应器，厌氧微生物主要生长在悬浮填料的表面上， 形成污染物降解转化性能高、致密的厌氧生物膜，参见图1 2 。d a s b 采用降流式 的水流方式式使布水更简单，出水不需专门设置泥水分离装置。 2 ) 波式潜流人工湿地( w - s f c w ) 通过在湿地内部有规则地设置导流板对传统水平潜流湿地的水流条件加以改 进，以波式流态取代水平流态，使污水在垂直方向上多次经过湿地内部具有不同处 理特性的构造层，以期达到增强污水处理效果的目的，参见图1 3 。 洲面f 潍坠1 型 翌 人工湿地表面 图1 3w _ s f 唧示意图 3 ) d a s b + w - s f c w 联合工艺系统 d a s b + w - s f c w 联合工艺以厌氧处理和人工湿地处理理论为基础，将厌氧和人 工湿地两种生活污水处理技术联合起来，期望通过两种反应器单元的组合来发挥各 自在生活污水处理的特性，实现对于生活污水主要污染物的高效去除。从而满足村 镇污水的“三低一高”技术要求，成为解决村镇水污染问题的措施之一。试验采用 的工艺系统参见图1 ，4 。 化粪池高位水箱d a s bw - s f c w 图1 4d a s b + v 一s f c w 联合工艺示意图 - 1 7 一 塑坐查兰三兰竖主兰笪堕茎 竺垒! 璺：型：! ! 星! 堡丝丝壁鱼三堇竺型竺至翌鲨堕婴兰l 一 1 3 22 研究内容 1