（环境科学与工程专业论文）生态滤床废水处理系统的初步开发与应用研究.pdf

p r e l i m i n a r yd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a b l er e s e a r c ho fe c o l o g i c a l f i l t e rb e d at h e s i s s u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e 塾2 i 卫星呈i 塾2 t h e s i ss u p e r v i s o r - v i c ep r o f e s s o r 堡鱼x i 卫g y 坚垒塾 p r o f e s s o i = 堑竖q 堕g 兰塾竺壁g m a y , 2 0 1 0 生态滤床废水处理系统的初步开发与应用研究 摘要 生态滤床汇集了微生物、植物、浮游动物的废水处理功能，同时也具有 绿化和美化环境的功能，是一种新型的废水处理系统。 论文研究的是自主设计的生态滤床，以富贵竹作为水生植被层，以沸石、 轻质陶粒和无烟煤作为微生物过滤层，建立了实验室规模的生态滤床废水处 理系统，并对自配的葡萄糖废水进行处理，取得了较好的效果。 论文的主要研究如下：其一，研究了富贵竹在单一废水和混合废水中的 生长情况和富贵竹对废水中的c o d 、n h 3 n 、t p 和c l 的去除率；其二，研 究了沸石、轻质陶粒、无烟煤生态滤床的挂膜和启动，对比了三组生态滤床 的处理效果和滤料的挂膜情况，优选出最适宜生态滤床的滤料；其三，将优 选出的轻质陶粒生态滤床重新启动，研究了在不同的h r t 、曝气时间和进 水负荷的条件下轻质陶粒生态滤床的运行情况。 研究结果表明：其一，无论在单一废水中，还是在混合废水中，富贵竹 对c o d 、n h 3 - n 、t p 的去除率随着水力停留时间的延长而增加，对c l 。的去 除率随着水力停留时间的延长呈现先增加后降低的趋势，处理过程中富贵竹 长势良好；其二，在三组生态滤床中，轻质陶粒生态滤床在两周左右挂膜成 功，出水比较稳定，不易发生酸化，而沸石和无烟煤生态滤床的挂膜需要更 长的时间，沸石生态滤床出水不稳定，无烟煤生态滤床出水略带黑色，浑浊 不清澈。其三，轻质陶粒生态滤床对c o d 的去除效果最好最稳定，在进水 c o d 浓度为3 7 9 6 2m g l 9 9 9 2 1m g l 情况下，去除率维持在9 5 左右； 沸石生态滤床对n h 3 n 的去除率最高，在进水n h 3 n 浓度为3 0 0 6m g l 1 0 5 9 1m g l 的情况下，其去除率可达到8 5 左右；无烟煤生态滤床对t p 的 去除率最高；三组生态滤床对c l 的去除率均不高，其最高去除率都在5 3 左右。其四，轻质陶粒生态滤床最佳的h r t 为1 0 h ，曝气时间为6 h 。当进 水c o d 浓度小于8 2 9 3 4m g l 、n h 3 - n 浓度小于1 0 2 3 3m g l ，出水c o d 小于2 0 0m g l 、n h a - n 小于5 0m g l 可达到综合污水排放标准，即和c l - 则不能达标；进、出水p h 均比较稳定，且达到综合污水排放标准。其五， 利用多媒体显微镜对轻质陶粒生态滤床的生物膜进行观察，可以观察到有象 征生物膜成熟的微生物轮虫，而在沸石生态滤床和无烟煤生态滤床中只观 察到有斜管虫等游泳型纤毛虫的存在。 关键词：生态滤床，废水，滤料，挂膜，好氧微生物处理 p r e l i m i n a r yd e v r e l o p m e n ta n da p p l i c a b l e r e s e a r c ho fe c o l o g i c a lf 1 1 月e rb e d a b s t r a c t e c o l o g i c a lf i l t e rb e di s an e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m ，w h i c hi sn o t o n l yajo i n tw o r ko f t h em i c r o o r g a n i s m s ，p l a n t sa n dz o o p l a n k t o n ，b u ta l s ol o o k e d a sag r e e na r e a o rl a n d s c a p i n ga r e a l a b o r a t o r ys c a l ee c o l o g i c a lf i l t e ro fi n d e p e n c ed e s i g nw a ss e tu p ，w h o s e a q u a t i cv e g e t a t i o nl a y e rw a sb a m b o oa n d f i l t e rl a y e r sw e r er e s p e c t i v e l yz e o l i t e ， l i g h tc e r a m s i t ea n da n t h r a c i t e g l u c o s ew a s t e w a t e rw a st r e a t e db vt h i ss y s t e m a n dt h ee 伍c i e n c yw a sb e r e r t h e r ea r em a i n l yt h r e er e s e a r c hd e p a r t si nt h i sp a p e r ：( 1 ) t h eg r o w t ho f l u c k yb a m b o oa n dr e m o v a le f j c i c i e n c yo fp o l l u t a n t si no n ep o l l u t a n tw a s t e w a t e r a n di nm i x e dw a s t e w a t e r ( 2 ) z e o l i t e 、l i g h tc e r a m s i t ea n da n t h r a c i t ee c o l o g i c a l f i l t e rb e d sw e r ec u l t u r e da n ds t a r t e d ，w h o s er e m o v a le m c i e n c yw e r ec o m p a r e d ， a n db i o f i l mw a so b s e r v e dw i t hm i c r o s c o p ei no r d e rt os e l e c tt h eb e s tf i l t e r m a t e r i a l ( 3 ) t h ez e o l i t ew a st h eb e s ta n dc u l t u r e da g a i na n de c o l o g i c a lf i l t e r b e d sw o r kw a si n v e s t i g a t e du n d e rt h ed i f f e r e n t 玎，d i f f e r e n ta e r a t i o nt i m ea n d d i f f e r e n ti n f l u e n tp o l l u t a n t s t h er e s u l t sa sf o l l o w s ：( 1 ) r e m o v a lr a t e so fc o d 、n h l 一n 、t pa r ei n c r e a s e a st h eh r ti n c r e a s e da n dr e m o v a lr a t e so fc l a r ei n c r e a s ef i r s t l ya n dt h e n d e c r e a s ea st h e 玎i n c r e a s e dn o to n l yi no n ep o l l u t a n tw a s t e w a t e rb u ta l s oi n m i x e dw a s t e w a t e r t h el u c k yb a m b o og r o w sw e l l ( 2 ) l i g h tc e r a m s i t ee c o l o g i c a l f i l t e rb e dc a nb es t a r t e ds u c c e s s f u l l yi na b o u tt w ow e e k s ，a n di t se f f i u e n ti ss t a b l e b t i tz e o l i t ea n da n t h r a c i t ee c o l o g i c a lf i l t e rb e d sc a nn o ta tt h es a m et i m e t h e e f n u e n to fe c o l o g i c a lf i l t e rz e o l i t eb e di sn o ts t a b l e t h ee f n u e n to fa n t h r a c i t e e c o l o g i c a lf i l t e rb e d i sr o i l ya n db l a c ks l i 曲t l y ( 3 ) t h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c y o fl i g h tc e r a m s i t ee c o l o g i c a lf i l t e rb e di st h eb e s ta n dm o s ts t a b l e ，w h o s e r e m o v a lr a t e sr e m a i na b o u t9 5 w h e ni n f l u e n tc o d r a n g e df r o m3 7 9 6 2m g l t o9 9 9 21m g l 1 1 1 en h 3 - nr e m o v a lr a t e so fz e o l i t ee c o l o g i c a lf i l t e rb e da r et h e h i g h e s t ，w h o s er e m o v a lr a t e sr e m a i na b o u t8 5 w h e ni n f l u e n tn h 3 nr a n g e d f r o m3 0 0 6m e i t o1 0 5 9 1m g l 1 1 1 et pr e m o v a lr a t e so fa n t h r a c i t ee c o l o g i c a l h i f i l t e rb e da r et h eh i g h e s t t h ec 1 。r e m o v a lr a t e so fa l lt h eb e d sa r el o w e r ，a n da 1 1 t h eh i g h e s tr e m o v a lr a t e sa r ea b o u t5 3 ( 4 ) t h eb e s th r ta n da e r a t i o nt i m eo f l i mc e r a m s i t ee c o l o g i c a lf i l t e rb e da r er e s p e c t i v e l y10 ha n d6 h r e m o v a l r a t e sa r eh i g h e rw h e ni n f l u e n tp o l l u t a n t sa r el o w e r a n dr e m o v a lr a t e sa r e d e c r e a s ea st h ei n f l u e n tp o l l u t a n t si n c r e a s e d t h ei n f l u e n tc o da n dn h 3 一na r e r e s p e c t i v e l yl o w e rt h a n8 2 9 3 4m e g la n d10 2 3 3m g l ，t h e i re f f i u e n tp o l l u t a n t s a r er e s p e c t i v e l yl o w e rt h a n2 0 0m e g la n d5 0m g l ，w h i c hc a nm e e tt h en a t i o n a l c o m p r e h e n s i v ew a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r do fg b8 9 7 8 19 9 6 ，s oa r ep h o f i n f l u e n ta n de m u e n t ，b u tn e i t h e rt pa n dc i ( 5 ) r o t i f e rt h a ti st h es y m b o lo f p e r f e c tb i o f i l mc a nb eo b s e r v e di nt h el i g h tc e r a m s i t eb i o f i l m ，w h i l ei na n o t h e r b e d so n l yc h i l o d o n e l l a s k e yw o r d s ：e c o l o g i c a lf i l t e rb e d ，w a s t e w a t e r ，f i l t e rm e d i a s ，b i o f i l m c u l t u r i n g ，a e r o b et r e a t m e n t i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 文献综述1 1 1 课题研究的背景。1 1 1 1 我国水资源的现状o 一1 1 1 2 水资源污染的种类2 1 2 污水处理方法及研究现状3 1 2 1 我国污水处理发展的前景3 1 2 2 污水处理的基本方法4 1 2 3 利用生态效应来处理废水的水处理技术4 1 3 本研究的目的、意义及主要研究内容9 1 3 1 研究目的及意义9 1 3 2 研究的主要内容9 2 实验内容及方法1 1 2 1 实验药品及仪器1 1 2 1 1 主要实验药品1 1 2 1 2 主要实验仪器1 1 2 2 实验装置1 2 2 3 实验内容j 1 2 2 3 1 模拟废水的配制1 2 2 3 2 滤料的特性及选型1 3 2 - 3 3 床体的挂膜：1 4 2 3 4 检测项目及方法1 4 2 3 5 显微镜观察样品的制备15 2 3 6 主要实验内容1 5 3 实验结果与讨论18 3 1 富贵竹的耐受性实验1 8 3 1 1 富贵竹对单种污染物的耐受性1 8 3 1 2 富贵竹在混合废水中的耐受性2 1 3 1 3 小结一2 4 3 2 生态滤床的启动2 4 3 2 1 沸石生态滤床挂膜过程中各项指标的变化2 4 3 2 2 轻质陶粒生态滤床挂膜过程中各项指标的变化2 8 3 2 3 无烟煤生态滤床挂膜过程中各项指标的变化3 2 3 2 4 三种不同滤料生态滤床对废水中各指标的去除率效果比较3 7 3 2 5 小结4 1 3 3 轻质陶粒生态滤床不同工况条件的运行4 2 3 3 1 各项检测指标随水力停留时间( h r t ) 的变化4 2 3 3 2 各项检测指标随曝气时间的变化4 5 3 3 3 各项检测指标随不同进水浓度的变化4 8 3 - 3 4 小结5 2 4 结论与建议5 3 4 1 结论5 3 4 2 建议5 5 至贮谢。5 6 参考文献5 7 攻读学位期间发表的学术论文目录6 2 原创性声明6 3 生态滤床废水处理系统的初步开发与应用研究 1 文献综述 1 1 课题研究的背景 1 1 1 我国水资源的现状 水是人类生活和生产活动中不可缺少的重要物质，又是不可替代的重要自然资源。 全球约有1 4 x 1 0 1 8 m 3 的水量，其中只有2 7 的水是淡水资源，而可供人类开采利用的 水资源只占淡水资源的o 2 ，所以淡水是一种有限的可利用资源t l - 2 1 。随着经济发展、 人口增长和人们物质文化生活水平的提高，世界各地对水的需求日益增长，一些国家和 地区在上世纪3 0 年代就开始发生了水危机，水的问题引起了当代世界各国的普遍关注 【3 】o 进入2 l 世纪以来，随着社会生产力的快速发展，水的需求急速增加，全球性的水荒 在一百多个国家出现【4 】。虽然我国水资源总量相当于全球陆地径流量的5 5 ，约为2 8 l o 1 2m 3 ，居世界第六位，但是我国是一个水资源比较缺乏的国家，人均水资源占有量较 少，约为2 2 6 0m 3 a ，不足世界人均占有量的1 4 ，列世界第1 1 0 位，被联合国列为1 3 个缺 水国家之一【5 】。而且除人均水资源占有量较少外，我国水资源在时空上的分布也极不均 匀，总的格局是东南多，西北少，夏季多，春冬少【6 】。北方的人均水资源占有量还不及 南方的人均水资源占有量的1 4 。在我国的6 1 7 个城市中有3 0 0 多个城市缺水，其中有5 0 多 个城市严重缺水。我国降水由东南沿海地区向西北内陆递减，河川地表水资源是我国水 资源主体，占全国水资源总量的9 6 4 ，夏季河川径流丰富，约占全年4 0 以上，冬季则 显著减少，有时甚至干枯断流，更严重的是北方河流甚至出现连年枯水的现象。我国的 地下水资源也是东南多西北少。总的来说，北方降水量少，径流贫乏，南方降水量多， 水资源丰富。由于我国水资源地区分布的不均匀性，导致我国北方和西北许多地区属于 资源性缺水的地区【7 】。更何况由于修建蓄水、引水、提水工程等需要的工程地质条件、 技术经济的可能性和合理性、对生态环境的影响等许多限制因素使得水资源的天然蕴藏 量到实际利用量之间还存在着很大差别，所以自然界的水资源将不会被全部开发，再加 上随着我国经济的迅速发展，以及人民生活水平的显著提高，一方面使城市需水量大增， 供需矛盾日益突出；另一方面，我国水体污染的情况也很严重。据统计，近年来我国的 废水总量为4 1 6 亿m 3 ，其中工业废水为2 2 7 亿吨，生活污水为1 8 9 亿吨。而工业废水的处 理率为7 8 ，达标率为5 4 4 ，生活污水的处理率仅为2 0 。根据预测，至u 2 0 5 0 年，我国 污、废水的排放总量将高达1 2 0 0 亿m 3 。我国水体受到的污染也非常严重。由于全国有1 3 的工业废水和4 5 的生活污水未经处理就直接排入江、河、湖、海，使我国仅有的水资源 受到前所未有的破坏。从全国七大水系及内河的1 1 0 个重点河段调查表明，符合“地面水 环境质量指标”一类和二类的仅占3 2 ，属三类的占2 9 ，四类、五类的占3 9 。全国近 陕西科技大学硕士学位论文 1 7 亿人的饮用水受到不同程度的污染。在对全国5 3 2 条河流进行的监测中，发现其中的 4 3 2 条河流受到污染，污染率高达8 2 。全国3 7 个主要的湖泊也受到了不同程度的污染。 其中洞庭湖湖区环境污染日益加剧，生物多样性减少，珍稀物种濒危；泥沙淤积严重， 湖泊萎缩，洪水水位升高，调蓄功能下降；洪涝灾害日益频繁，吸血虫病盛行，疫区面 积有扩展趋势；湿地生态质量下降，功能衰退【s 】；巢湖水体富营养化现象严重，水质恶 化加剧，严重制约了流域社会经济的可持续发展嗍：太湖的水环境问题更加严重，曾在 2 0 0 7 年5 月2 9 日，发生了震惊中外的无锡太湖蓝藻危机事件，太湖的生态环境问题成为举 世瞩目的问题 1 0 q 2 。到目前为此，全国已有1 3 的水体不适宜鱼类生存，1 4 的水体不适宜 灌溉，1 2 的城镇水源不适合作饮用水水源，7 9 的居民饮用受污染的水。更让人担忧的 是，我国水体污染仍呈上升趋势】。 中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，水 资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自 来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位【”】。 建设节水型社会是解决我国水资源短缺问题最根本、最有效的战略举措，有利于加 强水资源统一管理，提高水资源利用效率和效益，进一步增强可持续发展能力；有利于 保护水生态与水环境，保障供水安全。因此，要彻底治理水环境污染、改善水环境质量 状况，必须大力研究发展新型高效经济的污水处理技术，特别是能有效地应用于小型分 散点源污染源治理的简易、高效、低耗的污水处理技术，提高污水处理排放率，从源头 上控制污染物的排放总量。 1 1 2 水资源污染的种类 、 水资源的污染根据污染物的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染 三大类【1 6 】。 a 化学性污染 化学性污染种类很多，很多有毒有害物质严重影响了人们的正常生活，它们之中很 多是自然界中本来没有而经人工合成的物质，化学性质很稳定，很难被生物所分解。有 些直接作用于人体引起严重的疾病或促使慢性病的发生；有些有机物质还被认为是致癌 的。化学污染主要有以下几种：( 1 ) 无机污染物质：污染水体的无机污染物质有酸、碱 和一些无机盐类；( 2 ) 无机有毒物质：污染水体的无机有毒物质主要是重金属等有潜在 长期影响的物质，其中汞、镉、铅等危害较大，其他还有砷( 特别是三价砷) 、铬( 六 价铬) 、硒( 四价、六价硒) 、钡、钒、氰化物、氟化物等；( 3 ) 有机有毒物质：污染水 体的有机有毒物质很多，主要是各种有机农药、多环芳烃、芳香胺等；( 4 ) 需氧污染物 质：生活污水、牲畜污水和某些工业废水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪和酚、醇 等有机物质可在微生物的作用下进行分解。在分解过程中需要消耗氧气，故称之为需氧 2 生态滤床废水处理系统的初步开发与应用研究 污染物质；( 5 ) 植物营养物质：生活污水和某些工业废水中经常含有一定数量的氮、磷 等植物营养物质，施用氮肥和磷肥的农田排水中也会有残余的氮和磷；( 6 ) 油类污染物 质：炼油和石油化工工业、海底石油开采、油轮压舱洗舱以及大气污染碳氢化合物的沉 降等都可使水体遭到严重的油类污染，尤其海洋采油和油轮事故污染最甚，影响水质、 破坏海滩、危害水生生物。 b 物理性污染 水资源的污染中，物理性污染主要是固体悬浮物、放射性污染和热污染。( 1 ) 悬浮 物污染主要是指水中含有的不溶性物质，包括固体物质和泡沫等。它们是由生活污水、 垃圾、采矿和采石、建筑、食品、造纸等产生的废物泄入水中或是农田的水土流失所引 起的。( 2 ) 热污染主要是指来自热电厂、核电站、地热水及各种工业过程中的冷却水， 若不采取措施，直接排入水体，可能引起水温升高、溶解氧含量降低、水中存在的某些 有毒物质的毒性增加等现象，从而危及鱼类和水生生物的生长，例如西安开采地热水， 在处理地热尾水时，由于直接将其排入下水道进入城郊排水管网系统后流入渭河，水温 多在4 0 5 0 地热水，会造成细菌等各种微生物大量繁殖，在排入河流及其他水体后将 造成地表水体污染，地热尾水的大量盐类排入农田也会造成严重的土壤板结和盐碱化 。( 3 ) 放射性污染主要是核试验、核电站的建立以及同位素在医学、工业、研究等领 域中的应用，使放射性废水、废物显著增加，造成一定的放射性污染，其中对人体健康 有重要影响的放射性物质有s r 9 0 、c s l 3 7 、1 1 3 1 等。使用核武器或进行大气层、地面、地 下核试验时，排入大气中的放射性物质与飘尘相结合，由于重力作用或雨雪的冲刷飘流 而沉降于地球表面形成放射性沉降物或放射性粉尘。放射性沉降物播散的范围很大，往 往可以沉降到整个地球表面，污染大气、地面和海洋。放射性物质还可通过食物链经消 化道进入人体，其次是经呼吸道、皮肤黏膜进入人体，放射性物质可造成内照射损伤， 使受害者头昏、疲乏无力、脱发、白细胞减少或增多，发生癌变，以至引起人体基因突 变和染色体畸变，并有可能遗传给后代。受到微量放射性污染伤害的人或生物，即使当 时并无生命危险，但经过一定时间，也可能诱发癌症、白血病等，缩短寿命以及遭受遗 传伤害，产生后发效应1 1 8 - 1 9 1 。 c 生物性污染 生物性污染主要是指生活污水，特别是医院废水和工业废水污染水体后，往往可带 入一些病原微生物。例如饮用水中过量的大肠杆菌能引起腹泻。防止病原微生物对水体 的污染也是保护环境、保障人体健康的一大课题。 1 2 污水处理方法及研究现状 1 2 1 我国污水处理发展的前景 2 0 0 7 年，中国水污染治理投资达到3 3 8 7 6 亿元，比上年增加3 2 ，占当年g d p 陕西科技大学硕士学位论文 的1 3 6 。同年，共取缔一级水源保护区内排污口9 4 2 个，停建二级水源保护区内可能 造成污染的建设项目1 2 9 4 个，并限期治理9 3 1 个。截至2 0 0 8 年1 0 月，全国设市、县 及部分重点建制镇共建成污水处理厂1 4 5 9 座，日处理能力8 5 5 3 万吨( 其中3 6 个大城 市共建成2 8 8 座，日处理能力为3 4 9 7 万吨) ，分别比“十五 末期增加6 0 5 和4 2 6 ， 全国城市污水处理率已由2 0 0 5 年的5 2 增加到2 0 0 7 年的6 3 ；建城镇污水处理项目 1 0 3 3 个，设计日处理能力约3 5 9 5 万吨。2 0 0 8 年月至1 0 月期间，全国己投入运行的城 镇污水处理厂累计处理污水达1 9 0 亿吨，运行负荷率达到7 6 ，同比分别增长2 1 和 约3 个百分点。 在国际金融危机的背景下，中国采取了继续扩大内需，促进经济增长的政策，把环 境保护放在突出的战略位置。2 0 0 8 年四季度新增的千亿元中央投资中，投向节能减排 和生态建设的资金达到了1 2 0 亿元。用于重点流域的水污染防治工程投资及用于城镇污 水和垃圾处理设施、污水管网建设提速的资金高达6 0 亿元，前者投资为1 0 亿元，后者 为5 0 亿元。可以说，污水处理行业迎来空前的发展机遇o o l 。 1 2 2 污水处理的基本方法 污水处理的方法很多，其中基本方法归纳起来可分为物理法、化学法和生物法等。 物理法是利用物理作用来分离污水中呈悬浮状态的物质，在处理过程中不改变其化 学性质，主要的物理污水处理法有气浮法、沉淀法、过滤、蒸发、离心分离、超滤，纳 滤、反渗透等。 化学法是利用化学反应的作用来处理污水中的溶解性污染物质或胶体物质，主要的 化学污水处理方法有：中和法、氧化还原法、电解法、混凝法、气提法、萃取法、吹脱 法、离子交换法、吸附法、电渗析法等。 生物法主要是利用微生物的作用，使污水中呈溶解性和胶体状态的有机污染物转化 为无害的物质。好氧生物处理技术是目前应用最多也是最成熟的污水处理方法，比如活 性污泥法、生物膜法、生物氧化塘、污水灌溉、土地处理技术等。此外厌氧生物处理技 术近年来也呈现繁荣的景象，各式各样的厌氧反应器使得厌氧生物技术在水处理中尤其 是高浓度的有机废水处理中独占鳌头 2 0 - 2 2 1 。 不论是物理法还是化学法还是生物法，每一种污水处理方法都有它们各自的特点和 适用条件。在实际的污水处理中，这些方法往往是要配合使用的，不能只用一种方法就 能把所有的污染物质都去除。 1 2 3 利用生态效应来处理废水的水处理技术 a 人工湿地技术 人工湿地是欧美于2 0 世纪7 0 年代发展起来的项污水处理新技术，自1 9 7 4 年第 一个人工湿地污水处理系统在西德建成以来，这方面的研究在世界范围内得到了迅速发 4 生态滤床废水处理系统的初步开发与应用研究 展。人工湿地污水处理系统具有低投资、低运行费、低能耗、不需要复杂的维护、污染 物质去除率较高等特点，已广泛应用于生活污水、暴雨径流、农村点源和面源污染以及 湖泊富营养化等方面的治理，并取得了显著的成效1 2 3 - 勰1 。 人工湿地根据水流方式可分为自由表面流人工湿地和潜流型人工湿地。自由表面流 人工湿地水面位于湿地基质层以上，其水深一般为o 3 o 5m ，是早期的人工湿地形式， 绝大部分有机物的去除是由长在植物茎、杆上的生物膜来完成，但不能充分利用填料及 丰富的植物根系。其优点是投资小，缺点是负荷小，需要更高级别的预处理。此外，冬 季在北方地区其表面会结冰，夏季则有蚊子滋生。潜流型人工湿地是目前广泛研究及应 用的人工湿地处理系统。废水在填料表面下渗流，因而可以充分利用填料表面及植物根 系上生物膜及其他各种作用处理废水。和表面流湿地相比，它的保温效果好、负荷高、 处理效果受气候的影响小、卫生条件较好，但投资比自由表面流人工湿地要大些，目前 在欧洲已经被广泛的应用。按水流方式又可将潜流型人工湿地细分为水平流人工湿地和 垂直流人工湿地。其中垂直流人工湿地技术比较适合发展中国家采用，适用于市政污水 处理、饮用水源和景观水体保护，处理后的水可直接使用或排入饮用水源、景观水体、 水库或河流中，为水体提供较清洁的水源。 人工湿地污水处理技术于2 0 世纪8 0 、9 0 年代在欧洲、美国、加拿大、日本等地得 到了广泛的应用。目前对人工湿地的处理机理基本一致的认识是利用系统中基质水生 植物微生物的物理、化学、生物的三重协同作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子 交换和微生物分解来实现对污水的高效净化 2 9 - 3 1 1 。我国在“七五 期间开始人工湿地研 究。1 9 8 7 年由天津市环境保护研究所建成的芦苇湿地工程是我国首次采用人工湿地处 理污水。2 0 0 1 年，浙江杭州和云南玉溪分别建成了进水量为1 6 0 m 3 d 和1 0 0 0 m 3 d 的人 工湿地系统，用于处理植物园观鱼池水和星云湖湖水。基于人工湿地独特的优势，国家 环境保护总局将深圳市洪湖公园的人工湿地列为2 0 0 2 年1 2 项国家重点环境保护实用技 术示范工程之一。2 0 0 3 年，在上海交通大学校区内建成日处理水量1 2 0 m 3 三级潜流湿 地，用于净化富营养化景观水体，研究发现具有较好的脱氮除磷效果，对浊度和蓝绿藻 均有较好的去除效果。2 0 0 4 年，在广东东莞建成设计水量为6 5 m 3 h 的人工湿地，用来 处理居住小区景观水体，同年在上海建成处理水量为1 0 0 0m 3 d 梦清园芦苇人工湿地， 对污染河水达到良好的净化效果【3 2 】。2 0 0 5 年，北京兴建了用地约1 1 3 5 公顷的奥林匹克 公园北部森林公园湿地，该湿地除满足奥运会比赛和绿色生态带的需要外，还将作为一 个污水处理系统，使清河再生水厂提供的中水达到森林公园用水的标准1 3 3 。此外国内外 学者也对应用人工湿地来处理工业废水进行了研究1 3 4 - 3 s ! 。如我国的夏孟婧 3 9 1 介绍了用来 处理造纸废水的芦苇人工湿地的构造工艺、特点及类型，提出了芦苇人工湿地处理造纸 废水的优势以及存在的问题。芦苇床人工湿地处理从原料皮加工到铬鞣后涂饰以及植鞣 5 陕西科技大学硕士学位论文 后涂饰操作过程中排出的制革废水，经过完全预处理得到的b o d 和c o d 含量分别为 8 0 0m g l 和2 5 0 0m g l 的澄清的废水，而当废水流经芦苇床人工湿地9 天后，制革废水 中的b o d 和c o d 分别减少了9 2 和9 0 ，循环操作的时间保持在1 5 - 2d ，植被层种 植的植物是香蒲。在萨尔瓦多，用芦苇床人工湿地处理c o d 含量约为4 0 0 0m g l 的制 革废水，当废水在芦苇床内通过1 5 天的循环，c o d 含量可降低9 0 ，植被层种植的 植物是香蒲和芦苇1 4 0 1 。 b 生态塘系统 生态塘处理技术是以太阳能为初始能源，通过在塘中种植水生植物，进行水产和水 禽养殖，形成人工生态系统，在太阳能作为初始能源的推动下，通过生态塘中多条食物 链的物质迁移、转化和能量的逐级传递、转化，将进入塘中污水的有机物进行降解和转 化，最后不仅去除了污染物，而且以水生植物和水产、水禽的形式作为资源回收，净化 的污水也可作为再生水资源予以回收再利用，使污水处理与利用结合起来，实现污水处 理资源化【4 l 删。 生态塘能够有效的用于生活污水、城市污水和各种工业废水的处理。美国第一个有 记录的塘系统是1 9 0 1 年在得客萨斯州的圣安东尼奥市修建的。由于高负荷污水处理技术 的发展以及塘系统占地面积过大、产生气味等原因，该项技术的发展在一段时间内进入 低谷。2 0 世纪6 0 年代以后，由于工业发展、能源紧张、人口增多等方面原因，常规生物 处理方法遇到各种困难。经过长期的研究，塘处理系统表现出：( 1 ) 能充分利用地形， 结构简单，建设费用低；( 2 ) 可实现污水资源化和污水回收及再利用；( 3 ) 处理能耗低， 运行维护方便，成本低；( 4 ) 美化环境，形成生态景观；( 5 ) 污泥产量低；( 6 ) 能承受 污水水量大范围的波动，其适应能力和抗冲击负荷能力强等特点而得到了重新重视。通 过高效新型塘系统的研究、开发和应用，塘系统得到了新的发展。目前，塘处理系统已 在美国、德国和法国等经济发达国家的污水处理中得到成功且广泛的应用【4 3 】。我国从2 0 世纪5 0 年代末开始进行塘系统处理污水的实验研究。从6 0 年代起，陆续建成一批污水塘 处理系统，8 0 9 0 年代是我国污水塘系统迅速发展的时期。在继承了我国固有的传统的 基础上，对塘系统进行了改进与优化，开发出了复合塘系统、高效塘系统、塘和土地复 合生态系统，在塘系统与生态学相结合处理城市污水及工艺废水等方面也进行了较多的 研究，并且在城镇也得到了广泛的应用。如今我国已建造了很多的污水处理生态塘，其 中有处理生活污水和工业废水的黑龙江省齐齐哈尔生态塘 4 4 - 4 5 1 、山东省胶州市污水土地 处理与利用复合生态塘系统 4 6 - 4 r l ，山东省东营生态塘处理系统( 4 1 t - 4 9 1 、黑龙江省安达生态塘 【如1 、处理生活污水和工业废水的内蒙古集宁市强化塘【5 l 】，此外还利用生态塘来处理铁路 中心站废水【s 2 - s 3 1 。 随着生态塘工艺的推广应用越来越广泛，技术越来越成熟，生态塘工艺的应用已走 6 生态滤床废水处理系统的初步开发与应用研究 向多元化，不再局限于污水处理与资源回收，一种以污水综合处理与城市景观构建为目 的的生态塘工艺迅速发展起来。该处理工艺兼具正规化、系统化、资源化、生态化、美 学化等特点，并且筛选、培育高效水生净化植物，比如营建诸如芦苇塘、水葫芦塘、藕 塘等水生植物塘，结合曝气、水产养殖、水生植物等多个生物处理单元处理废水，同时 又用鲜花和绿叶装饰环境，把清水活鱼还给自然，改善和美化了生态环境，如果再辅以 专业的景观设计，整个生态塘工艺将一幅优美的人与自然和谐共处的景观图画呈现在人 们面前。于1 9 9 8 年建成的世界上第一座城市教育公园一成都活水公园，展示了生物塘一 人工湿地处理系统处理污水新工艺，以水环境和水污染治理为主题，将废水治理的过程， 用形象艺术的形式展示出来，形成了优美的园林景观 5 4 1 。 c 生态浮床 生态浮床又称人工浮床、人工浮岛等，是通过模拟自然界的规律，以混凝土、高分 子材料等作为载体和基质，种植水生植物而建立的去除水体中污染物的人工生态系统。 生态浮床按其功能可以分为水质净化型、消浪型和提供生物生息三种r 研；根据构造可以 分为湿式和干式两种，其中植物和水体接触的为湿式，不接触的为干式【5 。】。生态浮床是 漂浮技术、水质净化技术和美化环境作用的结合，一般由四个部分组成，即浮岛框架、 植物浮体与基质、水下固定装置和水生植被，其去污原理是：( 1 ) 在根系上附着的大量 微生物，包括具有降解有机物及脱氮除磷功能的各种细菌、真菌等，还有各种原生动物 和微型后生动物，它们固着生长在植物根系表面形成活性生物膜，在水体污染物净化中 发挥了重要作用；( 2 ) 植物发达的根系拥有很大的表面积，对污染水体中有机污染物 和氮、磷等营养盐具有净化效果，而且植物光合作用过程中通过根系向水体中释放大量 氧气，提高水体溶氧量，促进污染物的快速净化，植物也可以直接或间接地吸收水体中 的溶解性氮、磷等营养物质，或者通过挥发、植物代谢生长等作用，达到去除污染物的 目的；此外种植的植物有遮蔽作用，同时分泌出的克藻化学物质可以抑制藻类的生长繁 殖。 上世纪九十年代德国b e s t m a n 公司开发了第一个人工浮床，之后以日本为代表的 国家和地区成功地将生态浮床应用于地表水体的污染治理和生态修复 5 9 1 。生态浮床技术 在我国的应用也呈现快速发展的趋势。宋祥甫等自1 9 9 9 年以来先后在上海、北京、无 锡、杭州等城市开展了生态浮床治理城区污染河道的工作，为我国生态浮床技术研究及 其应用积累了较丰富的经验。近年来，国内开展生态浮床治理污染水体的研究与应用逐 渐增多。2 0 0 2 年北京首次采用人工浮床技术治理什刹海、永定河等污染水体，获得了良 好的应用效果 6 1 l 。邴旭文【6 2 】等利用美人蕉浮床开展水产养殖塘水质净化试验，结果表明 浮床设置面积占总水面2 0 时，对t p 、t n 、c o d c r 及叶绿素a 的净化率分别达到8 2 、 7 2 、3 1 和5 6 。东南大学的李先宁 6 3 1 等于2 0 0 7 年设计出组合型浮床，浮床整体呈长方 7 陕西科技大学硕士学位论文 体结构，分为上、中、下三层，上层为水生植物区，种植水生经济植物；中间一层为水 生动物区，养殖贝类等滤食性水生动物；下层为人工介质区，悬挂兼有软性及半软性人 工填料。经过测定，该浮床列n 、p 、藻类的去除效果都很好。中国环境科学研究院也在 太湖西五里湖设置占水面积约3 0 的生态浮床，富营养化水体在底泥疏浚后通过该床体， 其透明度由2 5c m 提高n 5 0c m 以上，氮、磷的去除率达到7 0 以上，并引来了白鹭等鸟 类在浮床上栖息。 d 其他方法 1 ) 生态滤池 生态滤池( m m e e f l 是生态技术在城市污水处理工艺中的成功应用。目前已正在研 究的生态滤池有复合生态滤池，绿色生态滤池，生物滤池及其组合工艺。通过合理设计， 生态滤池既可高效、低能耗地去除污水中的污染物质，又可减少剩余污泥的产生，是一 种全新概念的污水处理工艺 6 4 - 6 7 1 。韩润平【醯】设计的复合生态滤池由植物性填料层和惰性填 料层组成，复合床生态滤池处理初沉池出水，水力负荷为2 m a ( m