（环境工程专业论文）人工湿地在太湖富营养化入湖河水氮磷去除中的应用及其机理研究.pdf

人工湿地在太湖富营养化入湖河水氮磷去除 中的应用及其机理研究 摘要 随着我国社会经济的快速发展，大量未经处理的生活污水、工业废水和面源 污染经由河流等最终进入湖泊，造成严重的湖泊富营养化。应用人工湿地就地净 化入湖河流中氮、磷等污染物对控制湖泊水体污染、缓解湖泊富营养化具有重要 的现实意义。 本论文依托“十五”国家8 6 3 重大科技专项“太湖水污染控制与水体修复技 术及工程示范项目”第三子课寇重污染水体底泥环保疏浚与生态重建技术开 展研究，在无锡市五里湖湖滨区构建了1 2 类型的人工湿地池，对植物、基质及 根际区微生物在人工湿地净化富营养化入湖河水中的脱氮除磷效果和过程机理 进行了试验研究和分析。 人工湿地对河水中t n 的去除率最高达到8 l ，但对河水中t p 的去除率最 高仅为1 5 。 植物( 芦苇和香蒲) 同化利用的氮和磷量仅占人工湿地对氮和磷去除总量的 7 4 7 9 和5 2 3 5 7 7 。基质( 砾石) 吸附的氮量仅占人工湿地对氮的 去除总量的3 9 。 人工湿地的根际区微生物丰富且根际区效应明显，其中根际区的异养细菌总 数达到1 0 6 1 0 8 个克( 干土) ，根际区根上硝酸细菌和亚硝酸细菌总数较基质上 的约高出1 个数量级。不同的基质材料其根际区微生物数量有一定差异，以炉渣 和沸石为基质的湿地池其根际区硝酸细菌和亚硝酸细菌总数是砾石为基质的湿 地池的1 5 3 0 倍。 人工湿地池对氮的去除效果及其变化趋势与根际区的硝酸细菌和亚硝酸细 菌数量及其变化趋势、湿地池的水温和d o 及其变化趋势、植物根系的长短及其 生物量之间呈良好的正相关性。这说明根际区中微生物是湿地池的脱氮功能主 体，但环境条件对根际区的微生物生态的结构和功能有着重要影响。 在进水碳源相对不足( b o d 5 ：t n 的平均值仅为1 2 ：1 1 4 ：1 左右) 的条 件下，人工湿地池仍然获得了良好的脱氮效果。这说明人工湿地和常规的废水 a o 工艺存在着不同的脱氮过程机制。植物残体的腐解产物以及植物根的分泌物 可能为湿地池的微生物反硝化补充了部分碳源。此外，植物吸收和基质吸附等脱 氮过程不受进水碳氮的制约，也可能是其中的原因之一。 基质更新后，湿地池的t p 去除率都有了较大幅度的提高且受季节变化的影 响较小，这说明了基质的吸附等是人工湿地除磷的主要作用机制。当基质的磷吸 附能力达到饱和之后，整个人工湿地系统去除磷的能力将大大降低，只有通过更 新基质和收割植物地上部分才能实现人工湿地的持续除磷。 虽然植物和基质的直接脱氮除磷贡献相当有限，但它们共同支撑和营造了一 个高效脱氮除磷的根际区，植物和基质对人工湿地脱氮除磷功能的间接影响显 著，其根际区微生物量及其群落结构的变化可能是这种间接作用的主要机制，影 响程度因环境条件和湿地池运行方式等的不同而异。 关键词：人工湿地，入湖河流，脱氮除磷，植物，基质，微生物，效果，机理 r e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o na n dm e c h a n i s mo f c o n s t r u c t e dw e t l a n d sf o rt h er e m o v a lo f n i t r o g e na n d p h o s p h o r u so fe u t r o p h i c a t i o nr i v e re n t e r i n gl a k et a i a b s t r a c t w i t l lt h eo u t b u r s td e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m y , al a r g eq u a n t i t yo f u n t r e a t e da n d o r p o o r l yt r e a t e d d o m e s t i cs e w e r a g e ，i n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n d n o n - p o i n t e dp o l l u t i o n w e r ed i s c h a r g e di n t o l a k e s ，w h i c h r e s u l t e x li ns e r i o u s e u t r o p h i c a t i o no f l a k et a i o n eo f t h em a i nr e a s o n sf o rt h el a k et a ie u t r o p h i c a t i o ni st h el a r g eq u a n t i t yo f n a n dpc o n t a i n e di nt h ed v e r sw h i c he n t e r i n gt h el a k e t h e r e f o r e ，i ti su t m o s ti m p o r t a n t t oe f f e c t i v e l yr e d u c ena n dpi nt h er i v e r si no r d e rt or e l i v et h el a k ee u t r o p h i c a t i o n t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c to fe n v i r o n m e n tf r i e n d l yd r a i n a g ea ne c o l o g i c r e c o v e r yo fh e a v yp o l l u t e ds e d i m e n t s 。t h et h i r ds u b - p r o j e c to ft e c h n o l o g ya n d d e m o n s t r a t i o np r o j e c to fw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n dw a t e rq u a l i t yr e c o v e r ya t l a k et a i ，s p o n s o r e db yt h em i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya sas p e c i a lp r o j e c t f o rl a k et a i ( 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 3 ) i nc o n s i d e r a t i o no fl a k e s i d ep r o p e r t i e sa n dl a n d s c a p e ，w i t ht h ec o n s t r u c t e d w e t l a n d s ，t h ee f f e c to nna n dpd i s t r i b u t i o na n dr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ep l a n t s ， m a t r i c e sa n dt h er o o tz o n em i c r o o r g a n i s ma n dt h ep r o c e s sm e c h a n i s m w e r e i n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e di nt h i se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h eh i g h e s tp e r c e n t a g e so ft na n dt pr e m o v e db yc o n s t r u c t e dw e t l a n d sw e r e 8 1 a n d1 5 r e s p e c t i v e l y , a m o n gt h e m7 4 一7 9 t na n d5 2 3 5 7 7 t pw e r e r e m o v e dt h r o u g hp l a n t ( p h r a g m i t e sa u s t r a l i sa n dr y p h al a t 的l i a ，) a s s i m i l a t i o n ，3 9 t pw e r er e m o v e db ym a t r i c e sa d s o r p t i o n ( g r a v e l ) r o o tz o o ne f f e c t sw e r eh i g h l yo b v i o u si nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，w i t ht h e q u a n t i t yo fh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i au p t o1 0 6 1 0 8c e l lg - 1i nr o o t7 - 0 0 1 1 t h eq u a n t i t yo f l l i 伍t y i n gb a c t e r i ao nr o o tw a s1 0 f o l d st l 戤o nm a t r i c e s a n d h eq u a n t i t yo f n i t r i l y i n gb a c t e r i ao nz e o l i t eo f r o o t7 , 0 0 1 1w a s1 5 3 0f o l d st h a to ns l a g t nr e m o v a le f f i c i e n c i e sc h a n g e dw i t hq u a n t i t yo fn i t r i l y i n gb a c t e r i ao nr o o t z o o n , t e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e nc o n t e n t s ，r o o ts i z e ，w h i c hi n d i c a t e dt h a t m i c r o b e si nr o o tz o o np l a y e da nk e yp a r ti nn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f l c a t i o np r o c e s s e s o f c o n s t r u c t e dw e t l a n d s w i t hr a t h e rl o w e rr a t i oo fo r g a n i cc a r b o na n dt o t a ln i t r o g e n ，n i t r o g e nr e m o v a l p r o c e s s e sh a db e e nc o m p l e t e de f f i c i e n t l ya n ds t e a d i l y , w h i c hr e s u l t e d f r o mt h e d i f f e r e n tn i t r o g e nr e m o v a lm e c h a n i s m sb e t w e e nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sa n da o w a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m s u b s t a n c e ss e c r e t e db yp l a n t sa n dd e g r a d a t i o np r o d u c t s o f p l a t od e b r i sc o u l db eo n e k i n do f c a r b o ns o u r c e su s e df o rd e n i t r i f i c a t i o n t pr e m o v a le f f i c i e n c yd e c r e a s e dw i t it h et i m eo fm a t r i c e su s e d t h a ti n d i c a t e d s u s t a i n a b l ea d s o r p t i o nc a p a c i t yc o u l do n t yb eg o tb ym a t r i c e sr e n e w a l t h o u g hd i r e c tr e m o v a lp e r c e n t a g e so f ina n dt pb yp l a n ta s s i m i l a t i o na n d a d s o r p t i o nw e r er a t h e rl i m i t e d t h ei n d i r e c te f f e c t si m p o s e db yp l a n ta n dm a t r i c e so n r o o tz o o nm i c r o b i a le c o l o g yw e r ev e r ys t r o n g m o r eo x y g e nc o u l db es u p p l i e db y p l a n tp h o t o s y n t h e s i sa n da l s ob ys e q u e n t i a li n f l o wa n do u t f l o w k e y w o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，p o l l u t e d r i v e r s ，r e m o v a lo fn i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s ，p l a n t s ，m a t r i c e s ，m i c r o b e s ，e f f i c i e n c i e s ，m e c h a n i s m s 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 名：酗魄尹 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质舨。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 一虢闳讳 日期： 导师签名： 日期： 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 湖泊富营养化问题及其原因 湖泊是人类赖以生存的重要自然资源。在过去的几个世纪里，人类创造了 辉煌的物质文明，生产能力和生活水平都得到了极大的提高，但这其中的一部 分是以牺牲包括湖泊在内的环境资源为代价的。 富营养化是湖泊分类和演化的一种概念，是指湖泊水体中氮、磷等植物营 养盐含量逐渐增加并导致浮游藻类等过度增殖的现象，是湖泊生态系统失衡的 重要标志。湖泊富营养化的原因有自然因素和人为因素两个方面。近现代的湖 泊富营养化其主要原因是人类活动造成的，湖泊及其流域内的人类高强度开发 活动导致湖泊水环境严重恶化、生态系统快速退化。世界上典型的富营养化湖 泊有美国的伊利湖、日本的琵琶湖和霞浦湖等等 1 j 。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国社会经济飞速发展，各种生产和生活活动过程 中产生的排污量急剧上升，由于污染控制工程的建设和监管相对滞后，导致大 量污染物未经处理或处理不力而直排进入湖泊、河流水体。根据国家环境保护 总局发布的2 0 0 4 年中国环境质量状况1 2 2 0 0 4 年我国城镇生活污水和工业 废水排放总量为4 8 2 4 亿吨，许多地表水体的纳污负荷已远超过其环境容量。 我国已经成为了湖泊富营养化的重灾区，主要集中在东部平原湖区和云贵高原 湖区。2 0 0 5 年，2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的湖( 库) 2 个，占 7 ；1 1 i 类水质的湖( 库) 6 个，占2 1 ；水质的湖( 库) 3 个，占l l ：v 类水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质湖( 库) 1 2 个r 占4 3 。“三湖” ( 滇池、巢湖、太湖) 的富营养化问题已经十分严重，整体水质为劣v 类( 地 表水环境质量标准，g b 2 0 0 2 - - 3 8 3 8 ，湖库) ，包括蓝藻在内的浮游藻类大量滋 生，湖泊水体变绿发臭，湖泊污染治理和生态恢复已成为影响我国人民饮水安 全和国民经济可持续发展的重要问题。 1 2 湖泊富营养化危害及防治对策 1 2 1 湖泊富营养化危害 湖泊富营养化危害突出表现在如下两个方面【3 4 1 ： ( 1 ) 加剧水资源短缺，制约社会经济发展 毕东师范大学硕上学位论文 我国人均拥有水资源量远低于国际平均水平，淡水湖泊是我国工农业生产 和人民生活的重要资源，湖泊富营养化带来的水质性缺水将进一步加剧我国水 资源供需矛盾，与湖泊相关的工业、农业、渔业、航运业、旅游业和景观娱乐 活动等将受到严重影响，城市或区域的总体形象也大打折扣。严重富营养化的 湖泊如不及时治理，将逐渐演化成为沼泽和陆地，对区域生态环境和社会经济 持续发展造成更加广泛和深刻的危害。 ( 2 ) 饮水安全风险增大，制水成本提高，人民健康受到威胁 淡水湖泊是我国城市( 镇) 、区域的重要饮水水源，湖泊富营养化给饮水水 质的安全净化提出了严峻的挑战。在我国现有的技术和经济条件下，含有大量 污染物( 包括c o d 、b o d 等常规污染指标和蓝藻及藻毒素等富营养化水体特 有污染指标) 的湖泊原水其安全处理难度极大，原水的预处理和深度净化工艺 复杂，制水成本大幅度增加，藻毒素和加氯消毒的副产物存在严重的健康风险。 1 2 2 湖泊富营养化防治对策 富营养化湖泊治理应遵循控源和修复相结合的原则。 “控源”就是针对湖泊污染外源( 包括点源和面源) 和内源( 污染底泥、 湖内养殖、湖面旅游等) ，采用管理措施及治理工程来削减或清除污染负荷以满 足湖泊环境容量的要求。近年来，国内外在湖泊的点源污染控制方面采用先进 高效的集成技术处理有毒有害工业废水并使其达标排放，加大生活污水处理力 度，特别是实施污水的除磷脱氮技术等，采取源头控制和过程治理相结合的方 法控制面源污染，重点发展农业化学品替代技术、最佳农艺管理技术、面源污 染的分级生态拦截技术等，取得了显著效果，对缓减湖泊污染程度、保障湖泊 生态健康起到了关键作用。湖泊底泥是陆源性入湖污染物( 营养物、重金属、 有机毒物等) 的主要蓄积场所。国内外的研究结果表明，重污染底泥向水体中 释放污染物是导致湖泊水环境恶化、生态系统难以恢复的主要原因之一，因此 在湖泊流域的点源和面源污染基本得到控制和治理以后，采取工程措施清除污 染底泥是湖泊污染治理的有效措施和开展湖泊生态重建的前提条件，底泥疏浚 还可以增加湖泊水体的环境容量。 “修复( 或重建) ”是指当湖泊内、外污染源得到有效控制后，采取生物工 程技术手段重建湖泊良性生态系统。稳定、健康的生态系统是持续维持湖泊水 华东师范大学硕士学位论文 环境质量、水生态良性循环的根本保障。湖泊生态修复技术多种多样，主要有： 营养调控技术，如通过营养调控改变水华种类和浮游藻类的优势种群；生物操 纵技术，如放养滤食性鱼类控制蓝藻水华、利用食藻性浮游动物和底栖动物控 制蓝藻水华、用凶猛鱼类抑制食浮游动物的鱼类；生物制剂技术，如利用抑藻 菌剂、溶藻菌剂、噬藻体等来控制蓝藻等的生长繁殖速度；系统生态学方法， 如通过改变生态系统的功能与结构的稳态转换工程技术，以资源化利用为主的 环境生态工程技术，利用水资源调配及生态工程相结合的局部水体净化技术等 等。长期的研究和实践经验表明，湖泊生态修复是一项十分复杂的系统工程， 修复过程的长短乃至成败与生态系统的科学管护密切相关。 1 3 人工湿地概述 1 3 1 人工湿地及其应用特点 针对我国目前面临的水资源短缺和水环境污染、水生态退化的现状，采用 包括人工湿地在内的生态工程技术来控制水体污染、改善水体水质和恢复水体 使用功能是一种适合我国国情的、十分有效的方法和手段。 人工湿地是一种经过人为设计、构建和管理的特殊生态系统。人工湿地技 术是在充分依据天然湿地净化污染物原理的基础上，根据污染控制和治理的需 要而开发并优化的一种近自然型环境工程技术。 人工湿地技术在污水处理中的应用可追溯到2 0 世纪初叶，至今已有1 0 0 年 历史。 近年来，应用人工湿地处理工业废水、矿业废水、生活污水、农田退水、 城市污染地表径流等已经成为国内外环境生态领域的研究热点之一f 5 1 0 1 。 与传统水处理技术相比，人工湿地技术主要有如下优点f 叫4 ) ； ( 1 ) 投资和运行费用较低。人工湿地技术属于一类近自然型水处理技术， 其构建材料为天然土壤、矿物材料、植物等，系统的能源以太阳能为主。符合 “建设节约型社会”的宗旨要求。 ( 2 ) 处理效果稳定，出水水质好。人工湿地容积大，水力和污染物负荷率 较低，对进水的流量和水质变化有较强的耐受和缓冲能力，且对重金属及氮、 磷污染物具有较好的净化效果。 ( 3 ) 二次污染少，间接效益显著。水处理过程中产生的废气和污泥在人工 华东师范大学硕上学位论文 湿地内部可以获得有效净化，同时湿地植物通过吸收c 0 2 、产出0 2 可以改善空 气质量，人工湿地是城市( 镇) 绿化的组成部分之一，为野生动物提供栖息地， 可作为人们娱乐休闲等活动的场所。 同其他类型的水处理技术一样，人工湿地技术也有它的不足之处和应用局 限性，主要有：负荷率低，占地面积大，处理能力和效果受环境条件的影响明 显，湿地床易于堵塞，管理比较繁琐等。 1 3 2 人工湿地的类型及其作用原理 ( 1 ) 人工湿地的构成和类型 入工湿地的构成主要有：透水的基质层( 土壤或多种矿石材料按一定比例 配置的复合填料) ；湿生植物( 去污性能好、成活率高、耐水渍性强、生长期长、 美观且有经济价值的水生或陆生植物) ；微生物等。 按水在入工湿地中流动的方式( 流态，下同) ，一般可将人工湿地分为三种 类型：表流湿地( f r e es u 妇ew e t l a n d ，简称f s w ) 、潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o w w e t l a n d ，简称s f w ) 和垂直流湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ，简称v f w ) d 5 , 1 6 。 此三种类型人工湿地特点的比较见表l - 1 。 表卜1 表流、潜流和乖宦流人工湿地的比较 表流潜流垂直流 水流方式表面漫流 基质间水平流动 垂直纵向流动 构造及控制管理构造简单构造较复杂构造复杂 控制简单控制较复杂控制较复杂 处理效果 较差较好好 占地面积及构建费占地面积报大 占地面积大占地面积小 用费用低 费用较高费用高 季节气候影响 很大较大较大 卫生状况夏季有恶臭、蚊蝇滋 良好夏季有恶臭、蚊蝇滋生现 生问题 象 1 ) 表流人工湿地 在三种人工湿地中，表流湿地与自然湿地最为相似。在表流人工湿地中， 污水( 或污染的河水等，下同) 在湿地表面漫流，湿地表面的水深较浅，水流 中携带的污染物或在湿地池中沉淀( 湿地池类似于沉淀池) 或被湿地植物的水 下茎上的生物膜吸附和降解，一部分水流在下渗过程中污染物被湿地基质及其 中的微生物过滤、吸附、转化。这种人工湿地的负荷率低、净化效果较差，在 华东师范大学硕士学位论文 夏季易滋生蚊蝇、产生臭味等，处理效果受温度影响较大，在寒冷地区冬季湿 地池表面易发生结冰等问题，但投资少、操作简单、运行费用低“7 l 。 2 ) 潜流人工湿地 潜流人工湿地的污水在基质层表面以下水平流动，一方面可充分利用基质 层的吸附、过滤作用以及基质表面和植物根系上生物膜的净化功能，另一方面 植物光合作用将氧输送到基质层，强化了微生物的净化作用。潜流湿地的水力 和污染物负荷比表面流湿地高，占地相对较少，由于基质层的保温作用。因此 该湿地的处理能力和效果受气温影响相对较小。另外，潜流还使得湿地池表面 避免了污水的长期浸泡，夏季卫生状况较表流湿地好。但潜流湿地构造比较复 杂，对基质材料的要求较高，因此投资比表流湿地的高【1 8 】。污水在进入潜流人 工湿地前需要进行有效的预处理，否则将导致湿地床的频繁堵塞，处理能力和 效果也将随之降低。 3 ) 垂直流人工湿地 垂直流人工湿地的水流在湿地床中由上而下( 下行池) 或由下而上( 上行 池) 做竖向流动，类似于水处理中的砂滤池和生物滤池。这种湿地的布水、集 水系统复杂，水流阻力较大，因此对基建和动力的要求较高，造价和运行费用 也随之上升【聊。垂直流人工湿地可以更加有效地发挥基质层的吸附和过滤能力， 其出水水质较好。 随着人工湿地技术研究的深入和实践经验的积累，许多新型的人工湿地技 术( 系统) 也逐渐被开发出来。主要有：进水的强化预处理技术；植物的优化 筛选和组合技术；基质的优化筛选、改良和复配技术；流态的复合技术等等。 ( 2 ) 人工湿地净化污染物的原理 人工湿地对进水中污染物的净化是由植物、基质及微生物等共同作用完成的 2 0 2 5 ，三者构成了一个有机的整体，相互作用，互为补充。 1 ) 植物的作用 植物是人工湿地最重要的组成部分，是湿地生物的主体。人工湿地中植物 主要有水生和湿生的维管束植物、苔藓植物和藻类植物，它们具有多种功能 3 0 1 ： 植物能够吸收利用氮、磷等营养盐供其生长繁殖所需，一些植物还可以 华东师范大学硕士学位论文 超量富集重金属，通过植物收割可以实现氮、磷等污染物的输出； 植物是人工湿地的“活体供氧机”，植物通过光合作用将氧经由植株一根 系向基质层( 湿地床) 输送，加上进水挟带的氧及大气复氧作用，形成了基质 表层及植物根系附近好氧、远离根系的区域缺氧乃至厌氧的微环境，并导致基 质层中微生物生态的空间分异，为微生物发挥净化功能创造了良好条件； 发达的植物根系其表面积巨大，可以固着生长大量微生物，是人工湿地 中污染物净化的主要功能区； 植物及其根系能稳定并改善湿地基质层的物理结构，使其具有良好的通 气和配水性能 植物残体及其根系分泌物可以改良湿地池的化学性质，为微生物的反硝 化作用补充碳源，促进湿地脱氮。 富营养化河水中磷的存在形态最常见的是磷酸盐( 包括h 2 p 0 4 一、h p 0 4 2 、p 0 4 3 一) 、聚磷酸盐和有机磷酸盐【3 “，正磷酸盐能迅速地被土壤一植物系统中的生物所 利用，而聚磷酸盐必须先经过缓慢水解 3 2 1 。有研究表明植物对溶解态磷酸盐同 化利用是人工湿地除磷的主要途径之一【3 3 ，3 4 1 ，吴振斌 3 5 1 的研究也证明植物的存 在对磷的去除有较大影响，而在人工湿地中颗粒态磷的去除主要是通过沉淀、 筛滤等作用完成的。 2 ) 基质的作用 基质也是人工湿地系统的核心组成部分，它既是湿地中各种生物生长繁殖 的载体，也是各种污染物净化的功能主体。 人工湿地中的基质除直接吸附、沉淀、筛滤污染物外，基质表面和基质层 内部的生物膜在污染物净化中发挥着关键的作用，因此基质层的设计( 材料、 粒径及其复配) 对人工湿地的处理效果有重要的影响。 由于天然土壤其通透性( 即对气、水及营养物的输送能力) 一般都较差， 容易堵塞，所以现行人工湿地越来越多的运用复合基质【3 6 1 。据b r i x 等口7 】的研究， 在丹麦6 个处理城镇污水的人工湿地中，由不同比例的粘土、沙和粉尘分别组 成不同类型的基质材料，其结果它们对t n 的去除率差别很大，最高达到8 0 ， 最低仅为1 0 。另外还有些学者3 8 1 通过研究发现，在没有种植植物的情况下， 人工湿地依然具备一定的脱氮能力，这进一步说明基质的作用是无法替代的。 华东师范大学硕士学位论文 3 ) 微生物的作用 o o s t r o m 等f 3 9 】认为在人工湿地处理污水过程中，1 3 的脱氮效果是由基质 过滤和植物吸收完成的，8 7 的脱氮效果则是微生物硝化一反硝化作用完成的。 硝化作用是指好氧条件下n h 3 - n 被微生物转化成n 0 2 n ，然后再被转化成 n 0 3 - n 的过程；反硝化则是指在无氧或缺氧条件下，n 0 3 n 和n 0 2 - n 被微生物 转化为氮气或其它气态氮氧化物的过程( 见图1 1 ) 。 图卜1 人工湿地系统氮的微生物转化路径示意圈【删 很多研究结果均表明，硝化反硝化在人工湿地系统中可以同时出现，即使 是水淹条件下的人工湿地系统中也同时存在好氧区、缺氧区和厌氧区。由于人 工湿地构成和运行模式的不同，导致微生物群落结构及代谢活性、污染物含量 等的时空分异，因此在人工湿地系统内部会存在多种多样的微环境类型。植物 在光合作用时通过通气组织将氧气输送至4 根部，根毛会将部分氧溢出，同时进 水携带以及水面的大气溶氧也会为基质层补充一部分氧，于是在湿地的基质中 会形成以植物根区为中心的由近及远的好氧、兼氧、厌氧区域。在好氧区域内， 硝化过程作用强烈，亚硝化细菌和硝化细菌在此区域内将n h 3 j n 转化成n 0 2 - n 和n 0 3 - n ，随即在厌氧和缺氧区域内通过反硝化作用最终被转化成n 2 0 或n 2 挥发进入大气【4 ”。 有研究认为【4 2 4 3 l ，微生物在入工湿地对磷的形态转化和循环过程中发挥了 重要作用，但磷的去除效果却与湿地微生物的数量之间不存在直接的对应关系。 微生物对湿地除磷的贡献主要是间接作用，即：微生物在对复杂的含磷化合物 降解过程中生成磷酸盐供植物吸收、基质吸附达到除磷效果。人工湿地中存在 囡图 华东师范大学硕士学位论文 与废水的微生物除磷工艺相似的物质基础( 有机碳源和聚磷菌群) 和环境条件 ( 好氧、厌氧) ，但由于人工湿地系统没有类似废水生物处理工艺的污泥排放系 统，因此微生物和基质固定的磷无法转移到湿地之外，故欲保持人工湿她持续 的除磷效果，需定期更新基质，这是目前已经运行的人工湿地池共性问题“4 5 1 。 若人工湿地进水中以颗粒态磷为主，那么沉淀和过滤将是湿地除磷的主要过程。 1 3 3 影响人工湿地净化功能的主要因素 人工湿地是由植物、微生物( 以及某些动物) 和基质等共同构成的生态系 统，影响人工湿地净化功能的因素有外部( 所在地区的气象气候条件、进水性 质等) 和内部( 植物、基质、流态等) 两类，也可分为自然因素和人为因素( 湿 地系统的管护水平等) 两个方面。如上所述，这些因素对人工湿地的影响存在 十分复杂的作用机理和相互关系，下面做进一步的介绍和分析。 ( 1 ) 气象气候条件 影响人工湿地净化功能的气象气候条件主要有气温、光照和降雨等。 气温和光照与植物和微生物的生物量及其活性密切相关，因此人工湿地夏 季的污染物净化效果均高于冬季l 删。进入冬季之后，一方面是由于植物的枯萎， 另一方面由于硝化菌群等微生物的最适宜生存温度为3 0 c 3 5 c ，且对低温非 常敏感，在1 0 ( 2 以下的低温条件下其增殖速度和生理活性会急剧下降，从而影 响了氮的去除 3 9 1 。另外，有研究【4 7 】结果表明：当土壤( 基质) 温度维持在2 5 c 3 0 c 时，反硝化进行最彻底；当温度降低到0 c 时，反硝化作用就非常微弱了。 j , h u a n g 等人h 8 1 通过研究得到了与温度( t ) 相关的脱氮速率常数( k r ) 公式： k v = 1 0 1 4 x ( 1 0 6 ) ( t - 2 0 ) ，并由此做出推断：人工湿地中氮的去除率随温度升 高而增大。气温对净化功能的影响与人工湿地的流态和基质层设计有关：潜流 和垂直流湿地具有较好的保温作用，因此其净化功能受气温的影响较表流湿地 小；基质层厚度越大，其保温效果也越好，净化功能受气温变化的影响也就越 小。一般地，光照( 时间和强度) 与气温成芷相关，它们对人工湿地净化功能 的影响有相似的规律。 人工湿地的水量充足，但降雨特别是暴雨通过改变水力负荷、污染物浓度 和基质层氧含量对其净化功能造成影响，这是人工湿地在雨季和旱季净化功能 差异的主要原因。 华东师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 水力条件 水力条件对人工湿地净化功能的影响主要包括池面水力负荷率、湿地池的 水力停留时间和水流分布，影响程度因流态、植物类型和密度、基质类型和厚 度、进出水配水系统等不同而异。 试验研究和实践经验均表明：人工湿地池的配水系统有无和配水效果好坏 对其净化功能影响显著。如要充分利用和发挥人工温地的净化功能，则要求： 相同的湿地池获得等量的水流分配；各湿地池的过流断面上水流分配均匀。增 加水力停留时间可以提高人工湿地的净化效果，但水力负荷将随之降低，湿地 的占地面积增加。随着入工湿地运行时间的加长，其植物生物量越来越大、植 株越来越密集、根系越来越发达，其结果将导致湿地池的过流断面减少，水力 停留时间随之下降。另外，随着人工湿地的运行，其基质层中积累的颗粒物( 包 括生物膜) 将越来越多，堵塞问题逐渐加重，而大多数人工湿地都未设置反冲 洗系统，因此只有定期翻新、更换基质层才能恢复其净化功能。基质的更新周 期与人工湿地类型、进水性质和负荷率等有关。 人工湿地的水力学特性可以通过示踪剂试验来研究【叫。设计人工湿地时， 应根据当地的环境条件、进水水质状况、用地资源和建设资金，合理确定流态 和水力负荷，并通过优化人工湿地的水力学条件实现污水的达标处理。 ( 3 ) 进水性质 进水性质主要是指进水中各种污染物的组成及其含量等。进水中有机物、 重金属和氮磷的组成和含量及其赋存形态等，都将显著影响人工湿地的净化功 能和效果，具体体现在净化过程和效率上。 严格控制人工湿地进水污染物浓度的原则已经得到广泛认同。生活污水和 暴雨径流中含量大量颗粒态污染物，它们在进入人工湿地之前必须通过沉淀等 预处理措施得到有效去除，否则将导致基质层快速和严重的堵塞问题；生活污 水和工业废水的b o d 5 和n h 3 - n 含量很高，微生物在转化、利用这些污染物的 过程中会生成大量生物膜( 污泥) ，也是造成基质层快速和严重的堵塞问题的主 要原因。 根据传统的废水生物脱氮理论，微生物反硝化过程需要的c ：n 至少为5 ： 1 ( b o d 5 ：t n ：t p = 2 0 ：5 ：1 ) 时才能保证良好的脱氮效果5 0 5 3 1 。如果系统 华东师范大学硕士学位论文 中缺少足够的碳源，反硝化过程将不能顺利的完成，将大大影响脱氮效果。 p h 值对人工湿地中微生物脱氮效果也有一定的影响。p h 值在7 8 时，硝 化与反硝化作用是最强的；当p h 过低的时候，大部分的氮就会以n 2 0 放出， 而n 2 0 是一种温室气体，过量排放会引起全球气候变暖，因此p h 应尽量保持 在6 0 以上，这样就可以保障脱氮效果、减少n 2 0 的释放。r e a d y 5 4 1 研究发 现，在中性条件下，湿地池的植物根际区附近亚硝化细菌和硝化细菌活动增强， 并且硝化作用处于主导地位；碱性条件下则是n h 3 的挥发成了主要的脱氮作用。 由此可知，中性条件有利于人工湿地保持较高脱氮效率。 ( 4 ) 植物和基质的配置 研究及应用结果均表明，植物的选择及其配置将影响人工湿地对污染物的 净化效果，而且景观效应、工程投资、运行费用及日常管理也存在一定的差异 5 5 5 8 。表卜2 列出了几种人工湿地常用植物对氮的吸收能力。 表l 一2 不周植物对氮的吸收能力【5 9 1 植物氮的吸收能力( k g h a 。y r ) 芦苇( p h r a g m i t e sa u s t r a l i s ) 香蒲( 巧却口l a t i f o l i a ) 风眼莲( e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ) 浮莲( e s i a as t r a t i o t e s ) 蓖齿眼子菜( p o t c u n o g e t o n p e c t i n a t u s ) 2 5 0 0 1 0 0 0 2 4 0 0 9 0 0 5 0 0 美国学者r i c h a r d s o n i 删根据e p a 的湿地数据库，提出人工湿地系统对磷的 最大吸收能力每年一般不超过1 9 扩，即所谓的“l 克规则”。迸水中磷的含量 及其赋存形态对人工湿地的除磷能力和效果影响显著，是导致许多研究结果之 问存在较大差异的主要原因之一。 人工湿地的除磷能力和效果可以通过优化选择植物和基质获得一定程度的 强化。崔理华等【6 l 】以煤渣一草炭为复合基质构建了多种类型的垂直流人工湿地， 结果发现种植了风车草( c y p e r u sa l t e r n i f o l i u s ) 的人工湿地其除磷效果比未种 风车草的约高1 0 1 4 ，表明风车草对磷有较强的摄取作用。 在人工湿地中，基质通过吸附、沉淀和筛滤等作用除磷。在中性和碱性土 壤中存在着大量的c a 2 + 、m 9 2 + 、f e 3 + 、a 1 3 + 等，它们可和磷酸盐反应并生成溶 解度非常小的化合物，因此磷酸根离子在这类土壤中极易产生化学沉淀而被分 华衮师范大学硕仁学位论文 离，且可逆性很小，它是基质除磷的途径之一【6 2 j 。砾石价廉易得且富含钙、铁， 具有较好的除磷功能嘟】，是目前人工湿地中常用的基质材料之一。基质的吸附 主要是离子交换作用 6 4 l ，即磷酸根离子和粘粒矿物上其它阴离子如o h 一、s i 0 3 一、 f 一等发生离子交换，藉此磷从水中转移到基质上并被固定下来，是湿地的除磷 机制之二。但由于基质的吸附容量会逐渐饱和，而基质层的堵塞会造成沉淀、 筛滤能力的下降。因此，人工湿地的基质除磷能力和效果将随着运行时间的增 加逐步降低【6 司。d e ib u b b a 脚j 的研究表明人工湿地基质的物化( 吸附、沉淀和筛 滤) 除磷能力只能维持一年左右。基质的除磷作用还受到p h 值的影响【6 7 1 ，在 湿地中n h 3 - n 的硝化、硫化物的氧化、有机碳的厌氧酸化、大气中c 0 2 向水中 的溶解都会使p h 值降低，这时一部分不溶性磷酸盐又可以重新变成可溶性磷 酸盐，p h 值对除磷的影响程度因人工湿地运行时间、湿地型式和进水水质的不 同而异。 ( 5 ) 其他因素 一般来说，c 0 2 浓度升高有利于反硝化的进行，一定意义上可以说有助于 氮的去除f 6 8 1 。还有研究表明c 0 2 浓度升高后，根际区细菌的数量有所增加删。 湿地池中c 0 2 浓度与进水性质、植物和微生物量及其活性、季节、流态等有关。 另外，微生物的硝化一反硝化作用易受到各种有毒有害污染物的影响，首当 其冲的就是各种重金属离子。进水中c a ：+ 、c u 2 + 、z n 2 + 含量过高将对反硝化作 用有很强的抑制作用，p e l i m 等f 7 0 】报道人工湿地中n h 3 - n 的去除与进水中重 金属的浓度呈反比。因此，人工湿地在处理含有这些污染物的工业废水时，其 进水必须获得有效的预处理。 1 3 4 人工湿地的研究现状及进展 人工湿地运用于污水处理的最早的公开报道是1 9 0 4 年在澳大利亚的新南 威尔士( n e ws o u t hw a l e s ) 建成一个郊区居民生活污水人工湿地处理系统1 7 l 】，但 直到上世纪7 0 年代s e i d e l 与k j c k u t h 合作并由k i c k u t h 提出了著名的“根区法” f r o o t7 _ 0 n em e t h o d ，r z m ) f 倒以后，人工湿地技术才开始在世界各地推广开来并 得到了快速的发展。 国际上就人工湿地技术召开过多次研讨会( 1 9 8 8 年美国田纳西，1 9 9 0 年英 国剑桥，1 9 9 6 年奥地利维也纳，2 0 0 0 年美国佛罗里达等等) ，总结了各国应用 华东师范大学硕仁学位论文 人工湿地处理污水的经验。提出了一些有关的机理研究成果以及参考设计规范 和技术数据。这些会议的召开为人工湿地技术的发展提供了良好的交流平台， 大大推进了该技术在水污染控制中的应用。 随着各国对水体富营养化问题的日益关注，很多学者致力于人工湿地的脱 氮除磷效果和机理研究，积累了一定的理论成果、工作经验和技术数据。 g s u n 等7 3 1 在人工湿地运行中，依照潮汐流的模型开发了干一湿交替运行 的人工湿地，即每隔一定时间进水、排水，促使湿地池中的空气不断被排出后 再重新充入，如此循环不已。这种类似潮汐流的气、水运行模式在湿地池内部 会交替形成好氧、厌氧环境，大大促进了硝化一反硝化作用，使n h 3 - n 的去除 率达到了9 3 1 ，这一研究成果从一个侧面再次印证了以微生物( 硝化细菌、 亚硝化细菌、反硝化细菌) 为主角的硝化一反硝化作用在人工湿地脱氮的过程中 的重要性。 耳前，美国已有超过6 0 0 多处人工湿地用于处理市政、工业和农业污水， 例如：北卡罗来那州1 9 9 4 年建立了潜流湿地系统用于处理当地畜牧业废水；伊 利诺斯州则于1 9 9 4 1 9 9 7 年间运行了潜流湿地的中试系统研究对农业非点源 污染的去除效果；亚里桑那州1 9 9 5 年建立了潜流湿地系统，在高海拔、低气滠 条件下研究1 6 种当地植物对污染物的去除效果：田纳西州于1 9 9 7 年建立了潜 流湿地中试系统研究水力停留时间长短及植物的有无对脱氮效果的影响：宾夕 法尼亚州于1 9