（环境工程专业论文）人工湿地对景观水处理效果研究.pdf

摘要 随着近年来城市建设的不断发展，以及人民对生活居住环境要求的不断提 高，城市中出现大量的人造景观水体，尤其是在高档住宅区，旅游景点，公园， 游乐园等地方都建有人造观赏水景。但是由于水景水体大多为封闭性水域，一般 具有水域面积小、易污染、水环境容量小、水体自净能力低等特点，如果对景观 水的水面或者相应的河道疏于管理，或对其周围污染物的排放疏于控制，很容易 使景观水体成为附近生活污水、雨水及生活垃圾排放的受纳体，从而导致不同程 度的污染，严重时可引起景观水体中藻类的大量繁殖，以致水体变黑变臭会的富 营养化现象，影响周围的自然环境和人们生活质量。 而人工湿地作为一种处理费用和基建费用低的环境友好型污水处理技术，它 利用植物一土壤一微生物的综合作用，其应用受到了越来越多的重视。 本文主要研究人工湿地对景观水体中富营养化问题的解决情况，试验监测的 对象为天津大学青年湖小试装置、空港经济区人工湿地示范工程。通过监测研究 对象的水质变化情况，在天津大学青年湖建立了三级串联的小型试验湿地装置， 依次种植芦苇、香蒲和美人蕉等植物，并通过设置进、出水和控制装置形成了一 套小试湿地处理系统；在空港经济区环河则借用空港人工湿地示范工程作为中试 装置进行实验。通过对两个湿地系统的进、出水水质进行取样、化验，分析相关 的指标。 在青年湖小试装置，按连续和间歇模式、对比水质标准考察了湿地对景观水 体水质改善情况；得出人工湿地系统对景观水中污染物均有较好的去除率，而去 除率受温度的影响较小，而受原水水质的影响较大，同时在空港人工湿地装置， 按生产调试模式分析了人工湿地对于城市景观河水质污染物的去除情况，得出与 小试装置不同的是实际的工程的运行方式要综合考虑不同的水质，污染类型等。 空港人工湿地中c o d 、t n 、氨氮、t p 平均出水浓度分别为5 1m g l 、0 7r n g l 、 1 3m g l 、1 4 9 m g l ，年均去除率分别达3 2 4 5 ，4 0 3 7 、4 1 0 7 和4 1 3 4 。 最后，在以上实验研究的基础上，总结归纳了实验主要的结论并对今后的研 究提出了展望。 关键词：人工湿地；城市景观水；氮磷；富营养化；运行方式 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o ni nr e c e n ty e a r sa n d c o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o n s ，al o to fm a n - m a d el a n d s c a p e w a t e r sa r ea p p e a r i n gi nc i t i e s ，e s p e c i a l l yi ns i t e ss u c ha sh i g h e n dr e s i d e n t i a l ，t o u r i s t a t t r a c t i o n s ，p a r k sa n do t h e rp l a c e s b u tm o s to ft h e ma r ee n c l o s e dw a t e r sw i t hs m a l l a r e a sa n dl o ws e l f - p u r i f i c a t i o n ，w h i c ha r ea p tt ob ep o l l u t e d i ft h es u r f a c ew a t e ro n t h el a n d s c a p eo rt h e c o r r e s p o n d i n gr i v e ra r el e f tu n d e rp o o rm a n a g e m e n t ，o rp o l l u t a n t s a r o u n dt h ew a t e r sa r ee m i t t e dw i t h o u tc o n t r o l ，t h e yt e n dt ob er e c e i v e r so fs e w a g e ， s t o r mw a t e ra n dw a s t ee m i s s i o n s ，r e s u l t i n gi nd i f f e r e n td e g r e e so fp o l l u t i o n ，e v e n s e r i o u sp h y s i c a ll a n d s c a p eb l o o m so fa l g a e t h i sw i l la f f e c tt h es u r r o u n d i n gn a t u r a l e n v i r o n m e n ta n d p e o p l e sq u a l i t yo fl i f e c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，a sa ne c o - f r i e n d l yw a s t ew a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw i t h l o wd i s p o s a lc o s ta n dc o n s t r u c t i o n e x p e n s e s ，u t i l i z i n gt h ec o m b i n e dp h y s i c a la n d b i o 。c h e m i c a le f f e c to fp l a n t - s o i l - m i c r o o r g a n i s mt ot r e a t s e w a g ew a t e r , i sd r a w i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h i si s s u em a i n l ys t u d i e dt h er e m o v a lo fe u t r o p h i c a t i o nm a t t e ro ft h el a n d s c a p e w a t e r s t h es u b j e c t si n v e s t i g a t e dc o n t a i nt h ey o u t hl a k eo ft i a n ji nu n i v e r s i t ya n dt h e m o a to ft i a n ji na i r p o r te c o n o m i ca r e a a c c o r d i n gt ot h ew a t e r q u a l i t yo ft h es u b j e c t s i n v e s t i g a t e d ，as m a l lt e s tw e t l a n dw i t ht h r e es t e ps e r i e sw h e r er e e d s ，t y p h aa n dc a n n a a r ep l a n t e do r d e r l yi sc o n s t r u c t e db yt h ey o u t hl a k e a n di tb e c o m e saw e t l a n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e mb yi n s t a l l i n gi n l e ta n do u t l e tc o n t r o l l i n ge q u i p m e n t s ；t h e p i l o t - p l a n to fac o n s t r u c t e dw e t l a n do ft h em a n a g e m e n t si sb o r r o w e dt oe x p e r i m e n t b yt h em o a to ft i a n j i na i r p o r te c o n o m i ca r e a b ys a m p l i n ga n dd e t e c t i n gt h ei na n d o u tw a t e ro ft h et w os y s t e m s ，t h ee f f e c to ft h en i t r o g e na n dp h o s p h o r o u sr e m o v a li s a n a l y z e d i nt h ee x p e r i m e n to ft h eb e n c hs c a l ee q u i p m e n tw h i c hr u n su n d e rt h ec o n t i n u o u s a n di n t e r m i t t e n tc o n d i t i o n s ，c o n t r a s t e dt ot h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ，t h ea b i l i t yo ft h e w e t l a n d si m p r o v i n gt h el a n d s c a p ew a t e rq u a l i t yi si n s p e c t e d ；ac o n c l u s i o ni sd r a w e d t h a tw e t l a n ds y s t e mh a sab e t t e rr e m o v a lo fp o l l u t a n t si nl a n d s c a p ew a t e ra n dr e m o v a l r a t ew a sl e s sa f f e c t e db yt e m p e r a t u r e ，b u tb yt h ei m p a c to nr a ww a t e r q u a l i t y s i m u l t a n e o u s l yi nt h ep i l o t - p l a n tw h i c hr u n su n d e rt h eo p e r a t i o nm o d e ，t h ea b i l i t yo f t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dt or e m o v et h ec o n t a m i n a n t so ft h el a n d s c a p ew a t e rw a s a n a l y z e d i ti sc o n c l u d e dt h a ta i r p o r tw e t l a n d so fc o d 、t p 、n h s - n 、t na v e r a g e e f f l u e n tc o n c e n t r a t i o n sw e r e5l m e g l 、0 7m e g l 、1 3m e g l 、1 4 9 m g l a v e r a g e r e m o v a lr a t e sw e r e3 2 4 5 4 0 3 7 。41 0 7 a n d4 1 3 4 。 b a s e do nt h ep r e v i o u se x p e r i m e n t ，c o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gt h a t i th a sag o o do p e r a t i o n a le f f e c tu n d e rc o n t i n u o u sf l o wc o n d i t i o n s ；t h eb e t t e rh r t i s4 h ； p i l o t p l a n t w e t l a n dh a sm a n yf a c t o r st oi m p r o v ei np r a c t i c e a tl a s t ，t h e m a i n c o n c l u s i o n sw e r er e a c h e d ，a n df u r t h e ri n v e s t i g a t i o ni nt h ea f t e r t i m ew a sb r o u g h tu p k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n dc i t y ；l a n d s c a p ew a t e r ；n i t r o g e na n d p h o s p h o r u s ；e u t r o p h i c a t i o n ；r u nm o d e 第一章绪论 第一章绪论 水是作为一种物质普遍存在于自然界中，生命与健康的维系均不可缺少水， 水与人类的生存和发展息息相关。现如今，水资源不仅仅是基础性的自然资源， 更早己成为战略性的经济资源。水虽然覆盖着地球上有7 0 8 的面积，但是淡水 资源十分有限。在全部水资源中，大部分为无法饮用的咸水。而在剩余的少部分 的淡水中，大部分是人类难以利用的，例如：两极冰盖、高山冰川和永冻地带的 雪水。人类真正能够利用的水是来自于部分江水河水湖泊水以及一部分地下水， 其总量仅占地球总水量千分之三左右，而且分布非常不均。随着近年来全球人口 数量的不断增长以及生产规模的不断扩大，人类对水资源的需求量与日俱增，水 资源的短缺早已成为不争的事实。与此同时，由环境恶化与污染导致的水体水质 恶化的问题则进一步的加剧了全球性水资源的短缺。水资源严重短缺的危机在很 多国家爆发。这一严峻的现实就使得人们如何对水资源进行开发、如何保护有限 的水资源以及怎样遏制水资源污染等一系列问题成为全球共同关注的战略的焦 点。 众所周知，水不仅是无法替代的重要自然资源，同时也是人类生产生活中的 基本物质。而水资源短缺已成为我国社会发展中的不可否认的事实。 随着近年来不断发展的城市建设，以及生活居住环境的不断改善，城市中相 应的出现大量的人造景观水体，尤其是在高档的住宅社区，旅游景点，公共休息 区等很多地方都建造有人造的景观水景。但是由于水景水体其特有的：水域封闭 性，水域面积较小、容易受到外界的污染以及水体环境容量小、水体自净能力低 等特点，若疏于对景观水的水面或者相应的河道的管理，或者疏于对其周围污染 物排放的控制，则会使景观水面或者河道成为附近生活污水、雨水及生活垃圾排 放的受纳体，从而导致景观水体受到不同程度的污染，影响周围的自然环境以及 给附近居民的正常生活带来不便。 1 - 4 1 2 1 景观水及景观水的功能 第一章绪论 自古以来，水孕育着人类的文明。中国、印度、埃及、古巴比伦四大文明古 国都是典型的大河文明；古今中外众多的著名的城市、园林、社区大多数为依水 而建，如泰晤士河之于伦敦、塞纳河之于巴黎、密歇根湖之于芝加哥、西湖之于 杭州等。而在中国，自古便有“仁者乐山，智者乐水”的说法，可以认为，水体 景观在人类居住的环境和建筑的环境中占有重要地位。 近年来，随着人们生活水平的不断提高，我国居民对生活环境的一大要求就 是亲水。因此，在现如今的规划设计中，不少规划设计人员为了满足居民亲水的 心理以及给予居住环境更多的生机和活力，都借助或者使用人工的方法，将水体 景观引人们的日常生活中1 5 】。但是怎么样尊重景观水体的自然规律、保证景观水 体的水质并且协调城市水体景观与城市建设之间的相互关系，早就成为城市生态 建设者的解决问题的基本方法和出发点。 景观水在城市中大致分为以下四种类型：如与杭州的西湖和北京什刹海相 似的城市中小型的天然湖泊；如与北京颐和园昆明湖等相似的人造湖泊；房 地产开发相中配套的人造景观湖。 景观水体在城市生态建设的功能和意义主要包含以下四个方面：( 1 ) 景观水 体可减弱城市热岛效应和洪涝灾害。( 2 ) 景观水体是城市绿地建设的重要基地。 ( 3 ) 景观水体是组成城市多样性景观的重要部分。( 4 ) 景观水体是城市物种多 样性存在的基础。( 5 ) 景观水体是城市居民文体娱乐与亲近自然的重要场所。1 6 水是生命的基础且又具有重要而特殊的景观价值。但由于景观水面积较小的 特点就导致了景观水体的流动性较差，水体的自净能力较低。随着近年来工业的 迅猛发展以及长期以来人们环境意识的淡薄，加之人们对湖泊的生态功能及景观 水体自身规律了解不够，将景观湖水变为污水的受纳体。致使水体中藻类的大量 繁殖后又大量的腐烂，在腐烂的过程中消耗水体中的溶解氧，造成水体水味的腥 臭，水体的透明度降低，使水生生态系统遭到了破坏，严重降低了水体的使用功 能【7 。10 1 。因此，城市建设者当前最重要的任务不仅仅是建设光鲜亮丽的城市，更 重要的是解决城市中景观水体中污染与富营养化等一系列问题。【l l j 周围的自然环境以及附近居民的生活环境均会受到被污染景观水的严重影 响，景观水的污染也会损害整个城市的整体形象。城市中的景观水体若长时间的 不加处理，处理不当或者处理不及时，则会严重影响整个城市的市容环境，进而 影响城市的经济建设和发展。根据相关的研究，导致景观水水体水质恶化的原因 有：水源水质情况不佳；所处环境中面污染源较多；周围环境遭到人为的 破坏；景观水的设计不合理；地下水受到污染；蓝绿藻入侵等【l2 1 。 现阶段，城市景观水的水质控制中急需要解决：重污染水体怎样高效快速治 理的问题以及微污染水体怎样低成本控制的问题。考虑同是水污染这一特点而 第一章绪论 言，与城市治理污水相同的处理技术均可以用于景观水污染的控制，但由于景观 水体污染具有：轻微性，污染发生的期短、水体美学要求高、水体的流动性差等 特点，直接使用城市污水处理技术从经济以及实用性的角度来说并不合适【1 3 - 1 4 。 1 2 2 水体的富营养化现象 水体的富营养化一般是指：由于不同因素主要指植物性营养元素( 氮、磷等) 过量的进入相对封闭而且水流较缓的水体( 湖泊、近海海湾) ，所引起的水中藻 类或者其它水生植物的大量繁殖，大量繁殖的植物死亡后会使水体的透明度降低 以及水体中氧的溶解量的减少，以致水体水质出现恶化，导致水体中其它水生生 物的大量死亡，从而造成水体的水功能受到阻碍以及水体的生态系统受到破坏的 现象。1 1 5 水体的富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 根据形成的原因可分为天然形成和人为造成 两种。人为富营养化是指在人类活动的影响下，植物生长所需的氮、磷等营养性 物质大量快速的进入湖泊、河口、海湾等相对缓流水体，引起水体中藻类及其他 浮游生物迅速繁殖，导致水体的溶解氧量降低，水质出现恶化，水体中水生动物 大量死亡的现象。人为富营养化速度非常快，可以在短时期内使水体由贫营养的 状态变为富营养的状态。而在自然条件下，湖泊也会由贫营养状态非常缓慢的过 渡到富营养状态。而赤潮和水华则是水体中藻类集中爆发的两种表现形式。 从全球范围内看：由于社会经济的迅猛发展以及人口数量的快速增长，江河 湖泊等景观水体中被肆意的排入大量的并且未经处理的工业废水以及生活污水， 加快了在自然环境下非常缓慢的水体富营养化的进程。水体富营养化的控制属于 水质管理的一个重要问题，也是当今世界性环境难题之一。 1 2 3 景观水体的富营养化的治理方法 在当今，关于环境问题被公认的世界性的难题之一就是富营养化水体的治 理。上世纪6 0 年代之后，世界上各个国家均为解决这一问题开展了一系列的相 关研究，也提出了解决问题的相应的对策、措施。根据相关研究员的研究成果【l 6 j 目前国内外的水体净化技术大致可以分为以下几种： 物理净化法：通过使用机械性、物理性的手段与方法对被污染的水体进行 净化。物理净化法的特点是工艺设备简单、易于操作，处理效果明显。但缺点是 治标不治本，常用作短期救急式的辅助性方法。常使用的方法有：( 1 ) 引水换水 法：通过引水或者换水的方式，使水体中的杂质得到稀释，达到降低水体中杂质 的浓度的目的。通常用于当水体中的悬浮物过多，水体的透明度下降，水质浑浊 第一章绪论 水的处理。( 2 ) 循环过滤法：早在景观水体设计期间就根据景观水体水量的大小， 预先敷设用于循环的管路并且设置相配套的用于循环的水泵和过滤沙缸，用于水 体运行后的水质的日常养护。 化学净化法：通过向被污染的景观水中体投加能与水中污染物化发生化学 反应并能生成沉淀的化学药剂，从而达到去除水体中污染物的目的。由于化学净 化法单独使用处理效果不佳，所以常常与其他方法配合使用：因为采用投加的是 化学药剂的方法，不仅治理污染成本高，而且还极易造成水体的二次污染。常使 用的方法有( 1 ) 混凝沉淀法：该方法可以有效的去除水中的悬浮物和胶体杂质 且对磷也有一定的去除效果，并且处理效果与藻类的密度大小有关。该方法对受 到藻类以及大量悬浮物污染的水体的净化效果较好。( 2 ) 加药气浮法：加药气浮 法的主要优点是方法操作维护简单易于实现自动化控制，而且在气浮的同时不仅 能够使水中细小悬浮颗粒、藻类、固体杂质和磷酸盐等污染物得到有效地去除， 还可以实现水中溶解氧含量的大幅度增加，有效地改善了水体环境的质量。该方 法具有对水质、水量的变化适应性好，抗冲击性较强的优点【i 7 。瑙j 。 微生物净化法：由于微生物特有的可以氧化分解有机物的能力，通过相应 的的措施建造更适于微生物生长与繁殖的人工环境，从而使微生物对受污染水体 有机物氧化降解的效率得到提高。通常可以采用的技术措施包括投菌、生物膜和 曝气充氧等【1 9 】。微生物净化法是比较常用的方法，其最大的特点是能逐渐恢复污 染水体的自净能力。由于曝气充氧法的设备简单、易于操作而被许多国家优先选 用。 自然净化法：自然净化法是指通过自然的方法恢复水体自净功能从而达到 去除和降解水体中污染性物质的方法。该方法是基于物种在生态系统中共生、物 质之间循环再生原理以及物种之间结构与功能相关的原则建立的，能够有效地防 止水体环境受到二次污染，从而达到水体净化的目的。通过调控水生生态系统结 构，恢复自然、健康和稳定的自然生态系统功能，自然净化法其实质就是生态的 恢复，使水体抵抗外界干扰能力的得到加强，使水体的生态系统处于良性和可持 续循环中【2 0 1 。自然净化法的优势在于比传统的微生物处理工艺的投资低、能耗低、 且在处理的过程与自然生态系统有着更大的相融性等特点。自然净化法的相关研 究是当前国内外水体生态修复的前沿课题。根据自然进化法的实质，得出解决水 体富营养化的根本就是提高水体自身的生物净化能力，自然净化法的关键因素就 是水生生态系统的生产者水生植物。植物处于水生生态系统的核心地位，植物 的光合作用不仅可以使水生生态利用太阳能而且植物的自身也为微生物等其他 多样化的生命形式提供的适宜的生存环境。在系统中，通过植物和相关生物以及 微生物的共同作用使污染物得到了降解【2 1 】。通常使用的方法包括人工湿地、生 第一章绪论 物滤沟、阿科曼生态净化技术和生态基法。 ( 1 ) 人工湿地：由人工建造与控制创造出一个适合于水生植物以及相关微 生物生长的生态系统。通过利用湿地系统中三重的物理、化学和生物相互协同作 用实现对污染物的去除。物理的作用包括过滤、吸附；化学的作用包括沉淀、离 子交换；生物的作用包括植物吸收和微生物分解等，各种作用共同实现人工湿地 系统对污水高效的净化。 大量的微生物会附着在运行稳定人工湿地的填料表面和植物根系，从而大量 的生物膜就会形成。当待处理水流留经布满生物膜的填料时时，填料或者植物根 系就会把水中的固体颗粒杂质截留下来，而截留下来的有机污染物则通过生物膜 的吸收、同化及异化作用得到去除。并且水生植物可以向其根系充氧，硝化反应 发生在根系周围具有还原性的基层中产生氧化微区内。而在距离根系远的区域会 出现缺氧的环境，而在距离根系更远的区域内则会出现完全的厌氧环境，进而进 行厌氧反应 2 2 - 2 4 j 。 ( 2 ) 生物滤沟：采用多级跌水曝气方式结合湿地塘床处理技术以及传统的 砂石过滤的方法，该种方法能够有效地减少出水水体中氨氮的含量进而降低水体 的臭味，该方法对有机物污染物的去除效果较好。 2 5 - 2 6 ( 3 ) 阿科曼生态净化技术：将一种特殊的织物放置于人工湿地、水塘或构 筑物中，为水中微生物和有益藻类等的繁殖提供附着面，并辅以好氧、厌氧条件， 可对污水中的总有机碳、n h 3 - n 、总磷、总氮起着良好的去除效果 2 7 - 2 8 的方法。 水中的有机物通过微生物体系中微生物的自身的新陈代谢作用得到分解，水体中 的富营养成分，如氮、磷、硫、碳等营养物质被特殊的织物上生长的微生物吸附， 并同时可以将这些富营养成分富集，进而通过不同的微生物作用，转化成为相应 的水生动物以及蓝藻所必需的营养物质，水中的水生动物通过掠夺藻类的这些必 须营养物质，进而达到抑制了藻类的肆意滋生的目的，从而逐渐改善水体水质。 1 3 1 人工湿地处理技术 人工湿地污水处理系统是人们在长期应用天然湿地净化功能基础上发展的 水净化资源化生态工程处理技术2 9 1 。这种技术具有脱氮除磷效果明显的特征。随 着研究的深入，人工湿地处理技术在处理污水中的优势得到越来越多人的关注。 1 3 1 1 湿地及人工湿地的定义 第一章绪论 湿地是地球上独特的生态系统，是水陆的相互作用形成的，也是地球上生物 重要的生存环境和最富生物多样性的自然生态景观之一。湿地的广义定义是指长 久性的或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭地水域地带、浅水湖泊、河流、泛洪区等， 包括静止或流动的淡水、半咸水或咸水水体，以及海洋或地潮等的水域。1 3 0 , 3 1 包括天然的或者人工的两种情况，水深一般情况下不超过6 m 。 近年来，自然湿地生态系统由于受到人类一些不合理的破坏活动，从而使湿 地面积大幅减少以及湿地环境日益恶化，进而引起、气候劣变等一系列环境问题。 【3 2 3 3 1 因此近年来，越来越多的人们在开始关注怎样保护自然湿地的同时也在对 构建人工湿地等相关问题进行研究。 人工湿地主要由人工基质、水生植物、微生物组成。其中，对污水净化是通 过基质、水生植物和微生物协调关系来实现污水的净化1 3 4 | 。著名湿地研究专家 h a m m e r 博士将工湿地定义为“一个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地， 人为设计与建造的由自饱和基质、沉水与挺水植被、水生动物以及水体本身所组 成的一个复合单元体”。人工湿地污水处理系统源于对自然湿地的模拟，它充分 利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用。人工湿地的实质就是 指在长宽比及地面坡度一定的洼地中，由人工建造和监督控制的类似于沼泽地的 区域【3 5 】。 1 3 1 2 人工湿地的类型 根据水流方式和布水方式的不同，人工湿地污水处理系统可以分成三类【3 5 5 2 。5 3 】：表面流人工湿地( s fw ，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 ) 、潜流人工湿地 ( s s f w , 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 s ) 以及垂直流人工湿地( v f w , 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 s ) 3 6 - 3 8 1 。 ( 1 ) 表面流人工湿地( s f w ) 人工湿地表面流系统最显著的特点是具有自由水面，类似于工程化的沼泽湿 地，待处理的水以较慢的速度流过人工湿地的表层土壤，能够与湿地有较大的接 触面积，并且水体在湿地中的停留时间较长，使得该系统对有机物和悬浮颗粒物 有较高的去除率。水体表面上空气中的氧扩散到水体中以及湿地植物的光合作用 和根系氧的传输是表面流湿地系统氧的主要来源。因为在自由水体表面生长的浮 叶类植物与藻类的光合作用比挺水植物强，能够产生更多氧气，并且产生氧气的 同时能间接从水体中转移二氧化碳，使得人工湿地系统中的p h 值呈弱碱性，而 弱碱性的p h 值可以降低水体中磷酸盐浓度的同时还可以减少氨的挥发。表面流 人工湿地还有一个特点是表层覆盖着沉积物和植物枯叶形成的基质，这些基质就 为微生物的反硝化作用提供了外加碳源，保证总氮的去除能够顺利进行。但是， 第一章绪论 总体来说，表面流人工湿地对氮、磷去除效率较低，一般只有1 0 1 2 【3 9 ，在 夏季，裸露的水体和植物容易孽生蚊蝇，在寒冷的冬季，人工湿地水面容易结冰 【4 0 】 o ( 2 ) 潜流人工湿地( s s f w ) 与表面流人工湿地所不同的是待处理的水在潜流人工湿地系统中湿地床的 深层中流动是潜流。这样，在介质中生长的大量微生物生物膜，植物复杂的根系 以及填料和表层土壤中的截留作用可以充分的被待处理的污水所利用，增加水力 停留时间，进而提高处理效果与人工湿地的处理能力；另一方面，待处理的水在 水体湿地床的深层流动，几乎不受气候变化的影响、环境卫生好的特点，不会产 生与表流人工湿地一样的冬季湿地内水体结冰，夏季水体表面的孽生蚊蝇现象 4 1 - 4 4 。目前，这种处理工艺在澳洲、欧洲以及非洲的南部得到了大力的推广【4 54 6 1 。 待处理的水在潜流人工在湿地的湿地床中内流动，使植物床处于厌氧或缺氧 状态，但因为湿地床氧含量的不足制约了硝化反应的进行，从而影响了n 的去 除效果，水的净化是通过厌氧处理和生物过滤共同作用实现的【”】。与表面流人工 湿地处理系统所不同的是，潜流人工湿地处理系统具水力负荷和污染负荷大的特 点，能够很好的实现对s s 、c o d c r 、b o d 、重金属等难降解污染物指标的去刚4 7 】。 潜流人工湿地处理系统比垂直流人工湿地的控制要相对的复杂，而且脱氮、除磷 的效果不佳【4 8 1 。 ( 3 ) 垂直流人工湿地( y e w ) 潜流人工湿地和表面流人工湿地的特点的结合就是垂直流型人工湿地系统 中的水流，氧可以通过大气扩散作用以及植物传输作用而进入湿地系统，但是因 为待处理的水是从人工湿地的表面竖向流进湿地填料床内部的，这会造成湿地的 底部处于氧的匮乏状态。所以，氮的去除效果受到垂直流人工湿地处理系统的床 体底层氧的匮乏的限制，这点与潜流人工湿地一样。不同的是，氧的匮乏可以通 过一些工程方法可以改善，改善系统内氧的缺乏不仅有利于植物根区内好氧微生 物的活动，其次，增强了硝化作用；同时使减缓了填料中磷的释放。因此通过改 善湿地床体氧匮乏的情况可以增加对氮、磷的去除率。潜流人工湿地处理工艺的 适用于处理氮含量较高的污水同时可以实现较大的水力负荷情况下的长期运行。 但是，其缺点是与潜流人工湿地系统相比较，污水流程较短，对有机物的去除能 力不佳，控制相对复杂，工程技术要求较高。而且基建费用相对较高，卫生条件 不好，不利于大量推广。 4 9 - 5 0 1 3 1 3 人工湿地的基本组成 人工湿地污水处理的核心部分是基质层，其中湿地植物和微生物种群是最重 第一章绪论 要的组成部分。 人工湿地一般由以下五部分组成： ( 1 ) 土壤、砂、砾石等具有透水性的基质： ( 2 ) 香蒲、黄花鸢尾等适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物； ( 3 ) 好氧或厌氧微生物种群； ( 4 ) 在基质表面上或者基质表面下流动的水体： ( 5 ) 湿地中生存的脊椎或无脊椎动物。 土壤、砂石、砂等一些常见的物质常常被用作人工湿地的填料基质。人工湿 地的处理效果往往受到基质性能的影响，因为，基质首先是微生物生存与生长稳 定附着的表面，其次也为各种复杂离子、化合物反应的提供相应的界面；另一方 面基质为植物的生长提供载体和营养物质也是。基质层中栖息着数量众多的好氧 或厌氧微生物种群，当待处理的水流过湿地床时，基质可以通过一些物理的化学 的作用把水中污染物质吸附截留下来，从而便于微生物的分解与利用，达到净化 水体的效果。 湿地中的水生植物作为系统重要的一部分在水的净化过程中发挥着多重的 作用。首先，待处理水中的氮、磷等污染性元素可以通过植物的光合作用得到吸 收，有些种类的水生植物还可以吸收重金属、降解有机污染物。其次，植物的根 系还可以向湿地中输送氧气，为附着于填料以及植物根系的好氧或兼氧微生物提 供良好的环境，增强微生物的硝化作用。再次，水生植物可以维持湿地良好的水 力输导性。最后，水生植物根系的分泌物和根系特殊的环境可以促进土壤中微生 物的生长，加速对污染物质的降解，延长湿地运行寿命。 微生物也在人工湿地系统中扮演着重要的作用。例如：磷的去除很大程度上 是通过聚磷细菌对磷的过量吸收实现的，氮的硝化和反硝化作用都是通过基质中 相关的微生物的完成的，而湿地中可溶性有机物质的降解主要是通过相应微生物 的活动实现的1 5 1 , 5 2 。湿地沉淀、过滤作用可以将不溶性有机物从待处理水中截 留下来作为微生物的有机养分最终被转化为微生物体或者被微生物氧化分解为 水和二氧化碳。 1 3 2 人工湿地的净化机理 基质植物微生物是人工湿地污水处理系统最主要的三个部分，人工湿地净 化过程综合了物理、化学和生物的三种作用。 1 3 2 1 人工湿地对有机物的去除机理 第一章绪论 人工湿地对有机物的去除率较高。微生物降解有机物主要通过微生物好氧降 解与厌氧降解完成。有机物质在人工湿地中的降解是同时发生在好氧环境与厌氧 环境中的。有机物( 主要指b o d 和c o d ) 按照形态可以分为颗粒态和溶解态两 种，颗粒态有机物一般通过填料及植物根系沉降和滞留作用，滞留在湿地中，然 后被湿地中的微生物降解【s 3 1 ，而溶解态有机物则一部分被填料、植物根系及附着 在填料和植物表面的微生物吸附，然后再进行生物降解，另一部分溶解态有机物 可以被湿地中微生物直接降解。总的来看，污水中有机物最终要么是被异养型微 生物转化为微生物体及二氧化碳和水，要么被植物吸收，被植物吸收的新生的有 机体可以通过基质的更换或植物的收割从湿地中去除【5 3 1 。 1 3 2 2 人工湿地对氮的去除机理 氮的去除机理则涉及不同形态间氮元素的相互转化，是一个相对复杂的生物 化学过程，这种转化过程是通过湿地植物、微生物、填料间相互作用完成。植物 的吸收、氨的挥发、介质的吸附以及微生物的硝化反硝化脱氮作用是除氮的主 要方法。按照化学形态来讲，人工湿地系统中的氮分有机氮和无机氮两种，而根 据其溶解性的不同可以分为可溶态氮和颗粒氮 5 4 o 在人工湿地处理系统内，氮 的主要迁移转化过程包括氮气的固定、氨氮挥发、有机氮氨化、氨氮的硝化、硝 态氮的反硝化、湿地植物和湿地内微生物吸收等。其中，微生物的硝化反硝化 作用作为主要的脱氮方式，可以去除大约9 0 的氮，而植物吸收和沉积物的积累 则可以去除剩下的1 0 的氮 2 9 , 3 9 1 。湿地中的水生植物可以吸收废水中的无机氮作 为其营养性物质进而合成植物蛋白质，随着植物收割就会使无机氮从污水和湿地 系统中转移出去；异养微生物会使有机氮转化为氨氮，而氨氮在硝化菌的作用下 被转化为无机的亚硝态氮和硝态氮，最后通过反硝化作用或者是植物的吸收作用 得到去除。 1 3 2 3 人工湿地对磷的去除机理 物理化学等方面的协同主要指：微生物的积累、植物吸收和填料床吸附等作 用共同完成人工湿地对磷的去刚5 5 】。进入湿地系统中的磷根据存在形态分为有机 磷和无机磷两种，而按照磷的溶解性则分为溶解态磷和颗粒态磷。p 叫 人工湿地内总磷或正磷酸盐磷的去除率通常用来表征湿地对磷的去除率。磷 在湿地内的转化去除过程主要首先是机磷矿化为无机磷、被矿化的无机磷的被基 质吸附或者被植物组织和根际微生物吸收。【5 6 】湿地腐殖质中与部分成熟湿地内常 常含有有机磷，有机磷含量通常占总磷的4 0 以上。有机磷在好氧条件下，经矿 化作用转化为无机磷并以营养物质形式被生物组织吸收利用；而有机磷在厌氧条 第一章绪论 件下，有机磷酶解受抑制并导致磷的沉积。死亡的植物或微生物组织一方面通过 酶解造成磷的重新释放， 磷也是植物生长过程中不可缺少的元素之一，在植物的吸收和同化作用下， 待处理中的无机磷一部分可以合成植物的三磷酸腺苷( a t p ) 、d n a 和r n a 等 有机成分从而被湿地中的植物吸收，通过植物收割从系统中去除5 7 】；另一部组分 无机磷则通过填料的吸附、吸收、过滤以及与填料中的c a 2 + 、a 1 3 + 、f e 3 + 离子的 反应生成难溶沉淀物而去除【5 3 1 。相关研究得出，除磷的主要途径是通过基质吸附 和沉淀作用实现的，而植物吸收作用仅仅能很少一部分的磷。 土壤与基质中大量存在的a 1 3 + 、f e 3 + 、c a 2 + 等可以较为容易的与可溶性无机 磷发生吸附和沉淀反应【57 】： 其主要化学反应式如下： 5 c a 2 + + 3 p 0 4 3 - + o h 一- c a ( p 0 4 ) 3 0 hl f e 3 + + p 0 4 3 - 一f e p o di a 1 3 + + p 0 4 3 一a l p 0 4l 由上面的反应式可以看出：在反应的过程中，影响除磷效果的重要因素之一 就是p h 值。待处理污水中磷酸根可以与人工湿地填料中含有的铁质、铝质和钙 质发生反应而形成沉淀。 微生物对磷的去除主要包括是利用微生物对磷的正常同化作用的吸收或者 是在好氧的情况下聚磷菌对污水中的溶解性磷酸盐的进行超过其正常需求的吸 收，然后通过沉淀分离而去除的。其中，起主要作用的是聚磷菌【5 9 】。磷细菌的代 谢活动可以将有机磷转变成磷酸盐以及将溶解性较差的无机磷酸盐。微生物的过 量吸附只能过量溶解之后的磷，然后随污泥一起从污水中去除。不同于传统的污 水处理厂，污泥在人工湿地处理系统中很少去除，所以微生物在磷的去除中的主 要作用是辅助植物的吸收等其他方式，将溶性的磷分解变为可溶性的磷。 1 3 2 4 人工湿地对其他物质的去除机理 物理、化学和生物因素的协同作用也是人工湿地对其他物质的去除的主要方 法。基质吸附和植物积累作用可以去除重金属【6 0 】，金属被吸收的程度与金属的类 型和湿地植物种类有关。离子交换、与湿地中的固体鳌合，或成为不可溶的硫酸 盐、碳酸盐、氢氧化物等沉淀是金属的去除机理。而湿地中的悬浮固体物质则通 过絮凝和胶体颗粒的沉淀得到去除的。待处理水中的悬浮物质在相对的低速流过 湿地填料层时，固态悬浮物被根系以及填料阻挡截留，通过絮凝和胶体颗粒的沉 淀，从而得到去除。p l j 第一章绪论 1 4 1 人工湿地处理技术在国外的研究概况 早在1 9 5 3 年，欧洲人在对芦苇的相关研究中发现芦苇能去除污水中大量有机 和无机污染物，进一步的研究发现芦苇还可以去除水中的细菌阻j 。之后，欧洲人 根据早在1 9 3 8 年s e i f e r t 教授提出近自然河溪治理的概念，于2 0 世纪5 0 年代在德国 提出河道整治要植物化和生命化的口号，正式建造了近乎于自然的河道治理工 程，从而使植物的处理作为一种方式和方法被应用到治理环境的工程中去【6 3 | 。到 了上世纪5 0 年代，欧洲人才开始建造实际意义上的人工湿地。随着工业的发展， 人类面对来越多的环境问题，在应对这些环境问题的同时，人类也提出了自然治 理的理念。自然治理的目标就是同时满足人类对水资源利用的要求以及保护水资 源环境的生态多样性。这一实践理念注重了工程治理与自然景观的本身的协调 性。 2 0 世纪7 0 年代以后的美国，受已经确立的可持续河流管理理念的影响，美 国各州大力推行综合性的自然治理的目标即流域保护方法( w a t e r s h e dp r o t e c t i o n a p p r o a c h ，w p a ) ，通过建立大量的湿地和保护原有的自然湿地的方法，形成比 较全面完整的湿地生态保护系统。 在1 9 9 7 年，日本的有关方面大幅度的修改了原有的日本河川保护法，在 新的保护河川管理法方面，由原来的两大“治水”与“利水”的管理目标的基础上 增加了新的管理目标“环境”。而在河道工程方面，通过大量调研“多自然型 河流治理法”，得出要强调用生态工程方法治理河流环境、恢复水质、维护景观 多样性和生物多样性的结论。 由于人工湿地在污水处理中的特有的优点以及性能，使其得到迅速的在世界 各国得到发展。美国有6 0 0 多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水的 相关处理【渊。丹麦等一些东欧国家则大力推广了地下潜流人工湿地系统的处理 技术。而德国、英国等国至少有2 0 0 处人工湿地系统，新西兰也有8 0 多处人工 湿地系统正在运行中1 6 5 。 1 4 2 我国人工湿地研究概况 在我国，尽管“人与自然和谐发展”的思想已有数千年的历史，但是我国使 用人工建造湿地的方法进行水处理的相关研究则开展的较晚，初步简单的研究始 于上世纪的七十年代，而直到上世纪九十年代才开始较进行为详细的研究，最典 型的示范工程有最早的天津近郊芦苇湿地、北京的昌平自由水面人工湿地及近年 第一章绪论 来建成的成都的活水公园等。脚 6 7 】在相关的研究以及实际的运行中发现：人工湿 地这项技术在实际的运用中不仅能控制污染以及美化环境的作用更重要的是对 湖体的水体修复和水环境保护具有重要的意义。相关的实践运行早己表明：人工 湿地技术高效且低能耗的特点非常适用于中国广大的经济落后的农村。在云南洱 海地区已经有成功的运行经验。 在我国，相关的应用是随着生态学与工程设计的结合而逐渐被国内的学者所 重视，许多学者分别从河流治理、滨水景观设计和沿河土地利用等角度探讨了城 市河流亲近自然治理的思想。最典型的示例就是位于成都的活水公园。 6 8 1 1 5 人工湿地在实际运行中面临的挑战 随着社会经济的发展，以及对国家为了对环境进行保护从而制定了更严格的