（模式识别与智能系统专业论文）钢渣石灰石复合基质潜流型人工湿地处理生活污水的研究.pdf

独创性声明 渊嬲 本人声明所呈交的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，也不包含为获得j 垦塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 签名： 关于论文使用授权的说明 黾强：加| o 毛f o 本人完全了解j e 塞王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：汐肜- 多。o 摘要 手两斐 人工湿地作为一种投资省、结构简单、运行管理方便且具有良好经济效益的 污水处理方式已经得到国内外学者认可，并广泛投入使用。但是潜流型人工湿地 普遍脱氮、除磷效果不稳，且容易堵塞。本文在人工湿地小试系统的研究中，以 钢渣、石灰石、土壤及水洗砂为基质，通过改变中间层石灰石的粒径，并种植美 人蕉和香蒲，分析了基质种类、基质填铺、植物、曝气、落干、季节等因素对湿 地处理污水的效果的影响。 本文得出以下结论： 将钢渣、石灰石作为人工湿地的基质，对t p 的处理效率很高，而且与植物 种类、季节变化、落干及曝气等关系甚微。 钢渣石灰石基质采用正反粒径填铺对生活污水中污染物去除效果较好。 复合基质潜流型人工湿地对生活污水中c o d 、n h 4 + - n 、t n 及t p 有较好的处 理效果。 钢渣、石灰石特性对生活污水中c o d 、n i l + 一n 、t n 及t p 的去除作用较大， 不同植物、季节、落干及曝气方式对各指标的处理效果有一定影响。 人工湿地冬季运行时，做好保温，适当降低水力负荷并加强供氧，可以提高 人工湿地对污染物的去除能力。 论文研究结果表明在华北地区利用潜流人工湿地去除生活污水中氮、磷等污 染物可取得较好的效果。研究得出的基质种类、填铺方式、植物和季节等对氮、 磷处理效果的影响规律，可作为华北地区潜流人工湿地应用的依据。 关键词：人工湿地；钢渣；脱氮；除磷；曝气 北京工业大学t 学硕 学位论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a sas e w a g et r e a t m e n tt h a th a dl e s si n v e s t m e n t , s i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n t o p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n dg o o de c o n o m i cb e n e f i t s ，c o n s t r u c t e dw e t l a n dh a db e e n a p p r o v e db ys c h o l a r sa td o m e s t i ca n da b r o a da n dw i d e l yp u ti n t ou s e b u tt h e 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 dw a si ng e n e r a li n s t a b i l i t ya n de a s yt op l u gw h e n r e m o v i n ge l e m e n tp a n dn i ns t u d yo ft h es m a l ls c a l ec o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e m s ， s t e e ls l a g ，l i m e s t o n e ，s o i la n dw a s h e ds a n dw e r et a k e na ss u b s t r a t e t h e nt h el i m e s t o n e p a r t i c l es i z ew a sc h a n g e di nt h em i d d l el a y e ra n dc a n n aa n dc a t t a i lw a sp l a n t e d f i n a l l y , v a r i o u sf a c t o r so ns e w a g et r e a t m e n te f f e c tw e r ea n a l y z e di n t h ep a p e r t h ec o n c l u s i o nw a sc o m eu pw i t ha l sf o l l o w si nt h i sp a p e r ： t a k i n gs t e e ls l a ga n dl i m e s t o n e 髂c o n s t r u c t e dw e t l a n ds u b s t r a t e t h er e m o v i n g e f f i c i e n c yf o rt pw a sh i g ha n dl e s sa f f e c t e db yp l a n ts p e c i e s ，s e a s o n a lv a r i a t i o n , d r a i n a g ea n da e r a t i o n i nc o n s t r u c t e dw e tl a n d ，w h ic ho fs u b s t r a t ew a sf i l l e dw i t hp o s i t i v ea n d n e g a t i v ep a r t i c l es i z e ，t h er e m o v a le f f e c to ns e w a g ep o l l u t a n ti sb e t t e r i ns 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 ，w h i c ho fs u b s t r a t ew a sc o m p o u n d ， t h er e m o v a le f f e c tf o rc o d ，n h 4 + - n ，t na n dt pi ns e w a g ew a sb e t t e r s t e e ls l a g ，l i m e s t o n ec h a r a c t e r i s t i c sh a dm o r ei n f l u e n c eo nc o d ， n h , + n ，t n ，t pr e m o v a lr a t e p l a n ts p e c i e s ，s e a s o n , d r ya n da e r a t i o nw a y sh a da c e r t a i ni n f l u e n c eo nr e m o v a le f f e c to fv a r i o u si n d e x t h e r ei sa ni n c r e a s e m e n ti nw e t l a n dr e m o v a lp o l l u t a n ta b i l i t yt oh a v eap e r f e c t i n s u l a t i o n , a p p r o p r i a t e l yr e d u c e t h eh y d r a u l i cl o a da n ds t r e n g t h e nt h es u p p l yo f o x y g e n ，w h e nc o n s t r u c t e dw e t l a n dw a sc a r r i e do u ti nw i n t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tr e m o v i n gp o l l u t a n ts u c ha u sn ，pe t c ，w h i c hi si nd o m e s t i c s e w a g ew i t ht h eu s eo fs 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 nt h eh u a b e ia r e a , c a n g e tg o o dr e s u l t s t h ei n f l u e n c er e g u l a r i t yf o re f f e c t so fs u b s t r a t et y p e s ，f i l l i n gw a y s ， p l a n t sa n ds e a s o n se t c o nt h en &pr e m o v a lr a t ei sr e s e a r c h e d w h i c hi st a k e na s b a s i sf o r t h ea p p l i c a t i o no fs 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 nh u a b e ia r e a 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 t e e ls l a g ；nr e m o v a l ；pr e m o v a l ；a e r a t i o n i l l 北京工业大学1 二学硕：l j 学位论文 i v 目录 目录 摘要0 00 0 1m i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 前言1 1 2 人工湿地污水处理系统的概述1 1 2 1 人工湿地的定义1 1 2 2 人工湿地的分类、组成及特点2 1 2 3 人工湿地处理生活污水存在问题4 1 3 人工湿地的研究现状5 1 3 1 人工湿地基质的研究现状5 1 3 2 人工湿地植物的研究现状8 1 3 3 人工湿地构造及运行研究现状9 1 4 钢渣的利用状况1 0 1 5 人工湿地应用现状：1 1 1 5 1 人工湿地国外应用现状1 1 1 5 2 人工湿地在国内的应用现状1 1 1 6 课题研究的目的及意义1 2 1 7 课题的来源及主要内容1 2 1 8 课题研究的技术路线1 3 1 9 本论文构成1 3 第2 章实验装置及实验方法1 5 2 1 试验工艺流程1 5 2 2 人工湿地的构造1 5 2 3 湿地基质1 5 2 4 湿地植物1 7 2 5 试验方法的介绍1 8 2 6 试验水质与水力负荷1 8 第3 章基质对人工湿地处理生活污水效果的研究2 1 3 1 不同填铺方式对污染物的去除效果2 l v 北京t 业大学t 学硕七学位论文 3 1 1 不同填铺方式对t p 去除的影响2 1 3 1 2 基质填铺对n h 4 + - n 去除率的影响2 2 3 1 3 基质填铺对t n 去除的影响2 3 3 1 4 基质填铺对c o d 去除的影响2 4 3 2 基质种类对污染物的去除效果2 5 3 2 1 基质种类对t p 去除率的影响2 5 3 2 2 基质种类对c o d 去除率的影响2 6 3 2 3 基质种类对n h 4 + - n 去除率的影响2 6 3 2 4 基质种类对t n 去除率的影响2 6 3 3 本章小结2 8 第4 章植物对人工湿地处理生活污水效果的研究2 9 4 1 不同植物对t p 去除率的影响2 9 4 1 2 不同植物对c o d 去除率的影响3 0 4 1 3 不同植物对n h 。+ 一n 去除率的影响3 1 4 1 4 不同植物对t n 去除率的影响3 2 4 2 本章小结3 2 第5 章曝气对人工湿地处理生活污水效果的研究3 5 5 1 预曝气对污染物去除能力影响的研究3 5 5 1 1 预曝气对磷的去除能力的研究3 5 5 1 2 预曝气对n h 。+ 一n 的去除能力的研究3 6 5 1 3 预曝气运行对t n 的去除能力的研究3 6 5 1 4 预曝气运行对c 0 1 ) 的去除能力的研究3 7 5 2 湿地内部曝气对污染物去除能力的研究3 7 5 3 本章小结3 9 第6 章其他条件对人工湿地处理生活污水效果的研究4 1 6 1 落干运行对人工湿地去除污染物的研究4 1 6 1 1 落干对t p 的去除的效果4 1 6 1 2 落干对c o d 的去除的效果4 2 6 1 3 落干对n h 4 + - n 的去除的效果4 3 v i 目录 皇曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 皇曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼皇曼曼量曼舅i i ；i i 曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼量皇曼曼曼曼曼曼舅曼舅曼曼曼曼皇量曼曼皇曼曼! 舅 6 1 4 落干对t n 的去除的效果4 4 6 2 季节对污染物去除能力的影响4 5 6 2 1 对磷的去除能力4 5 6 2 2 对t n 的去除能力4 5 6 2 3 对n h 4 + - n 的去除能力4 6 6 2 4 对c o d 的去除能力4 7 6 3 本章小结4 8 第7 章钢渣石灰石潜流型人工湿地对污染物去除效果的分析4 9 7 1 湿地对各类污染物的去除效果4 9 7 1 1 湿地对t p 的去除效果4 9 7 1 2 湿地对c o d 的去除效果5 3 7 1 3 湿地对n h 4 + - n 的去除效果5 7 7 1 4 湿地对t n 的去除效果6 1 7 2 本章小结6 5 结论与建议6 7 ，。t 1 结论6 7 2 建议6 8 参考文献6 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 5 致谢7 7 v i l 第1 章绪论 bi l l 一, , 曼i 曼曼曼曼曼曼皇 1 1 前言 第1 章绪论 众所周知，目前，水资源的短缺已经成为世界各国所面临的共同难题，尤其 是发展中国家。其中，水质污染已成为全球水资源短缺的一个重要因素。就我国 而言，随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，用水量激增，导致工业 废水和生活污水不断增加，年排放总量已突破5 2 0 亿吨，而城市生活污水处理率 仅为3 7 4 【l j ，大量未经处理的生活污水直接排放至水体，导致我国水污染程度 不断加剧。其中，太湖、巢湖、滇池，长荡湖水质污染已尤为突出，造成这几大 水体污染的主要原因是水体的富营养化1 2 训。水体富营养化是水体污染中的最为 普遍的现象，也是国内外水环境污染治理难题。研究表明，造成水体富营养化的 主要原因是氮、磷超标1 5 j 。 传统工艺处理污水投资成本大，运行费用高，政府对水环境治理的负担重， 即使在经济发达的地区也存在着“建不起，养不起 的问题。而且，随着待处理 污水量的不断增加，急需一种低廉有效地污水处理方式的替代。人工湿地处理污 水的运行成本低廉、基建投资低，管理方便，对氮、磷等具有较高的去除率，很 快成为各国学者研究的重点。 1 2 人工湿地污水处理系统的概述 1 2 1 人工湿地的定义 湿地( w e t l a n d ) 被人们冠以“地球之肾”的美誉1 6 1 ，广泛分布在世界各地， 位于陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡地带，虽然它覆盖地球表面仅有6 ，却为地球上2 0 的已知物种提供了生存环境，拥有大量野生动植物资源， 具有不可替代的生态功能。湿地还有着净化污水的重要作用。 湿地可以分为自然湿地和人工湿地两类。人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 于2 0 世纪7 0 年代在德国发展起来，是对天然湿地系统的强化，以达到控制污染 和改善生态环境的目的i 。 人工湿地是本世纪七十年代蓬勃兴起的一种污水处理方式，主要是利用湿地 中的基质、水生植物和微生物间的相互作用，通过一系列的物理的、化学的以及 生物途径净化污水【s l 。人工湿地是在模拟湿地净化污水的基础上发展起来的，指 利用湿地功能及特点，并由人工监督控制，利用自然生态系统中的物理、化学和 北京t 业大学丁学硕十学位论文 生物的三重协同作用实现废水净化的污水处理技术。 1 2 2 人工湿地的分类、组成及特点 1 2 2 1 人工湿地的分类 从工程实际出发，按照系统布水方式的不同或水流差异，人工湿地可分为自 由表面流人工湿地( f w s ) 、潜流型人工湿地( s f s ) 和垂直流人工湿地( v f w ) 三 种。潜流型人工湿地又分为水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地1 1 j 。 ( 1 ) 自由表面流人工湿地 自由表面流人工湿地的构造与天然湿地极为相似，污水从湿地表面缓慢流过， 湿地植物与基质层对悬浮物的截流作用、在缓流状态下悬浮物的沉降作用、表面 水层中有机物的好氧分解、底层有机物的厌氧分解和基质层对污染物的吸附、吸 收及化学反应等；淹没于水中的植物茎、叶，其表面上形成的生物膜，对污水的 净化，尤其是有机物和营养物的净化，起着主要作用。自由表面流人工湿地具有 投资低、运行费用少；建造、维护相对简单的优点，但是占地面积大，水力负荷 低，去污能力较差，如果处理不当，夏季可能会产生臭味，繁殖蚊子，而且在寒 冷地区，冬季会结冰。 荔麓 图卜1 自由表面流人工湿地 f ig u r e1 1t h ef r e es u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e tl a n d ( 2 ) 潜流型人工湿地 潜流型人工湿地是目前各国学者研究较多且应用较为广泛的湿地类型。这种 湿地又分为水平潜流和垂直潜流两种。它们的共同点是：水面位于基质层以下， 不会产生恶臭和滋生蚊蝇、湿地内部微生物种类丰富，水温波动小，负荷较大， 耐冲击，占地面积小，污水处理效率高，因而被欧洲、澳大利亚和南非等国所广 泛接受，在冬季或北方较寒冷地区使用更具优势【9 】。目前，水平潜流式人工湿地 研究较多，而垂直潜流式人工湿地对污水处理效果的相关研究报道较少。 2 第1 章绪论 1 ) 水平潜流人工湿地 水平潜流人工湿地中，污水从湿地的一端水平流过填料床。床体设有防渗层， 防止污染地下水。与自由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 、重金属等污染物的去除效果好，而且很少有恶臭和孳生蚊蝇 现象，但其脱氮、除磷的效果稍逊于垂直流人工湿地。 一 ”，m ， 图1 - 2 水平流平面图 f i g u r e1 - 2h o r i z o n t a l - f l o wp l a n一物 鬟丞磁 、2 蕴鸯蓉 m 自$ ”确嘲斜m 懈镕嘞p 一一。j 图1 3 垂直流平面图 f i g u r e1 3v e r t i c a l f l o wp l a n 2 ) 垂直潜流人工湿地 污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧气可通过 大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直潜流型人工湿地的硝化能力高于水 平潜流型人工湿地，可以用于处理氨氮较高的污水，但其构造比较复杂，而且对 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。与水平潜流 型人工湿地相比，垂直潜流型湿地的床体形式主要作用在于提高大气中的氧向污 水及基质中的转移效率。在间歇进水的运行方式中，在两次进水的间隙，大气中 的氧气便于填充到床体的基质中，这样下一次投配的污水能够和空气有良好的接 触条件，提高大气复氧效率，因此可以提高有机物去除，促进n h 4 + - n 的硝化反应 的发生。 1 2 2 2 人工湿地组成 人工湿地一般由五部分组成：1 ) 具有各种透水性能的基质，如钢渣、土壤、 沙石等；2 ) 适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如美人蕉、香蒲、芦苇等； 3 ) 被污染的水体；4 ) 无脊椎或脊椎动物；5 ) 好氧或厌氧微生物群【1 0 】。 ( 1 ) 湿地基质的概述 传统的人工湿地的过滤层填料采用土壤，砂，砾石等，目前国内外正在积极 挑选新型的材料作为湿地的填料，不同的材料对污染物的吸附性能，微生物附着 性能不同，目前国内外正在研究的基质填料主要有：钢渣、石灰石、塑料、沸石、 石英砂、高炉渣、煤灰渣、草炭、粉煤灰、活性炭、页岩、水淬渣、空心砖、陶 瓷，蛭石，自然岩石与矿物材料等【】。根据湿地形式的不同及污水水质，湿地基 质一般由其中的一种或几种组合而成，但要注意选择复合基质时，在湿地运行过 程中，基质的作用应该相互促进，相辅相成。因此，基质的选择要注意几点要求， 北京t 业大学t 学硕十学位论文 以充分发挥基质的作用，( 1 ) 质轻，但有足够的机械强度；( 2 ) 比表面积大，孔隙 率高，属多孔惰性载体；( 3 ) 不含有有害于人体健康和妨碍工业生产的有害物质， 化学稳定性好；( 4 ) 水头损失小，形状系数好，吸附能力强；( 5 ) 工作周期长l l l j ； ( 6 ) 因地制宜，就地取材；( 7 ) 坚持以废治废，合理利用资源【1 2 1 。 人工湿地基质对去除水中污染物有着极其重要的作用，是人工湿地脱氮除磷 的主要过程【l 孓1 4 1 。目前，各国学者对基质在人工湿地中的作用进行了广泛的研究。 有研究表明：基质对污染物的去除主要起到截留作用，体现在以下几个方面：提 供吸附表面、截留悬浮固体、影响水的渗透率、在一定程度上提供脱氮除磷所必 须的离子( c a 2 + 、f e 3 + 、a 1 3 + ) 等；此外，基质还可为植物的生长提供必要的基础， 也为微生物的附着生长提供稳定的依附表面。 ( 2 ) 湿地植物的概述 植物是人工湿地的重要组成部分，可分为：挺水植物( 芦苇、美人蕉、香蒲、 荷花等) 、浮水植物( 浮萍、水浮莲、睡眼莲等) 和沉水植物( 苦草、金鱼草、 刺藻、谷精草等) 三种【l j 。这些植物通过吸收、吸附和富集等作用去除污水中的 污染物，包括对氮、磷的吸收及重金属的吸附和富集；植物的光合作用及蒸腾特 性对其本身营养物质的代谢有着重要的影响；人工湿地植物的根系形成网状结 构，并通过叶，茎，根输送氧气，形成好氧、缺氧和厌氧环境，为不同微生物的 吸附和代谢提供良好的生存环境【15 】；而且能够加固植物床、改变水力传导能力、 还能够起到美化环境、增加经济效益的功能i l 7 1 。 1 2 3 人工湿地处理生活污水存在问题 ( 1 ) 基质的堵塞问题 垂直潜流型人工湿地污水从湿地表面纵向流向填料床底部，床体处于不饱和 状态，氧可以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，可用于处理氨氮含量较高的污水。由于垂直流 人工湿地独特的水流方式和去污特点，它更容易发生堵塞现象，而且发生堵塞后， 湿地的净化能力会大大的受到影响；同时，由于堵塞导致湿地表面积水，卫生条 件恶化，更容易滋生蚊蝇。 美国环保局( u s e p a ) 的研究表明，潜流型人工湿地推流床堵塞后会形成表 面流，从而使得水力停留时间减小。其主要原因是堵塞后一部分污水不进入填料 层，而是直接经湿地表面流出，因此减少了实际水力停留时间 1 9 - 1 9 。而对于垂直 流人工湿地，由于其水流路径比较特殊，污水必须先向下流动经过下行池，然后 才能向上流动经上行池流出，堵塞后的填料渗透系数减小，水流渗透速度减缓， 污水流线由于回混等原因延长，因此实际水力停留时间并没有减小，反而延长【2 0 1 。 堵塞造成垂直流人工湿地水流不畅，实际水力停留时间延长，极易造成下行池表 4 第1 章绪论 面严重滞水。这一积水层阻碍了空气中的氧气进入基质层，造成垂直流人工湿地 的好氧微生物活性降低，因此堵塞后对b o d 5 、c o d 去除率下降。同时，由于堵塞 导致填料表面积水，使得蚊蝇更容易滋生，卫生条件恶化。 人工湿地堵塞后，目前还没有很好的恢复对策。国内外流行的做法是让堵塞 后的床体经过几个星期的停床修整来部分恢复渗透性，而轮休期的长短则取决于 天气条件或者采用间歇进水的方式【2 1 - 2 2 1 ，还有人采用预曝气充氧的方式延缓湿地 的堵型2 3 1 或者更换湿地表层基质 2 4 j 。 ( 2 ) 长期运行效果不佳的问题 人工湿地对磷的去除开始时效果非常好，随着时间的延长，基质材料吸附磷 逐渐饱和，去除效果也越来越差 2 5 - 2 7 】，而且有研究表明：基质对磷的吸附是一个 可逆过程，当进水磷的浓度较低时，基质会向污水中释放一部分磷，造成出水磷 的浓度更耐2 8 】；基质堵塞后，湿地内部氧环境变差，不利于硝化反应的发生，从 而降低氮素的去除率。 ( 3 ) 寒冷地区冬季运行效果不佳问题 各类污染物的去除与温度有着密切的关系，温度的高低不仅关系水温的高 低，还涉及到植物的生长繁殖、微生物的活性等。因此，在寒冷地区，冬季温度 较低，不利于植物生长，系统内部容易缺氧，各种微生物活性不高，且容易形成 冰冻，从而影响湿地的正常使用，导致氮、磷、有机物等的处理效率较低，影响 出水水质。 1 3 人工湿地的研究现状 1 3 1 人工湿地基质的研究现状 1 3 1 1 人工湿地基质的选择原原则 湿地基质在人工湿地处理生活污水的性能方面起着相当重要的作用，尤其是 在秋冬季节，湿地植物收割后，污染物的去处主要依靠湿地基质，因此，基质的 选择合适与否，直接影响湿地构建的成功与否。 大量研究表明：湿地填料对磷的去除主要是通过吸附及沉淀作用。富含大量 钙、铁、铝等元素的基质填料，对污水中氮、磷元素的去除能力较强。袁东海、 赵桂瑜、尹炜、黄玲等人研究发现，含c a 、f e 、a l 元素多的钢渣作为湿地填料 基质其磷素的吸附量、吸附能力以及吸附速率在所研究的几种基质中都是最大的 ( 页岩、砾石、棕色土壤、粉煤灰、蛭石、沸石) 。过去，填料的选择比较单一， 对氮、磷去除效果比较差，湿地容易堵塞，运行时间短，影响了湿地的发展。现 在，随着人们对填料研究的不断深入，出现了多种填料组合使用的情况。各种填 北京t 业大学t 学硕f ：学位论文 料在湿地中充分发挥各自的作用，不同粒径，不同的比表面积，不同的理化性质， 增强了湿地对污水的处理效果。 1 3 1 2 人工湿地基质的研究 基质是人工湿地中的重要组成部分，它本身的理化性质对污染物的去除起着相当 重要的作用。目前，人工湿地所采用的基质主要有土壤、砂、砾石、沸石、灰岩、 石灰石、炉渣、页岩，钢渣等。由于每种基质的性质不同，在选择填料的时候应 根据由湿地的构造及污水性质进行选择，一般由其中的一种或几种组成。 自从人工湿地成为新兴的污水处理技术，基质选择问题就成为各国学者认真 研究探讨的问题。生活污水的主要污染物是氮磷等元素。因此，在选择基质时， 基质对氮、磷的去除作用就尤为突出。早期人工湿地一般采用土壤作为基质，土 壤基质对生活污水中磷的去除效果仅为3 0 5 0 ，而且通常在几年内基质吸附 磷的能力就会饱和，当污水中磷的浓度较低时，就会释放过剩的磷，大大制约了 湿地的去污能力。因此，选用更高效、使用寿命更长的基质对人工湿地的运行效 果，特别是除磷效果影响非常大。 在早期的研究中，页岩由于具有良好的物化性质，能极好地去除p 且适合于 植物生长而受到青睐【2 邺o j 。后来总结出富含钙和铁铝质的基质，净化污水中磷素 能力较强，而硅质含量较高的基质净化能力较差的规律【3 1 1 。在研究除磷的过程中， 国内外学者均发现：含有大量钙、铁、铝离子的基质对磷的去除能力较强。随着 研究的不断深入，各种新型基质不断应用于人工湿地。 在国外，d r i z o 等研究了钙、镁、铁、铝和磷的吸附关系，发现钙与磷的吸 附相关性最强。含c a c o 。较多的石灰石基质可以有效地去除磷，沸石一石灰石组合 的基质可以有效地去除t n 、t p 。h b r i x 等【3 2 j 研究发现沙子除p 能力的主要决定 因素是钙的含量，特别是在偏碱性的污水中，较高的钙含量促成几乎不溶的磷酸 钙沉淀，相反在酸性污水中，铁和铝的含量对于沉淀反应更为重要。同时还研究 了一些人工合成基质的除磷能力，认为将某些人工基质中一种或几种和沙混合使 用可以显著提高潜流型湿地系统的除磷能力。s a k a d e v a n k 等【3 3 j 比较研究了土 壤、两种工业废料和沸石作为潜流型湿地基质除磷的可行性，发现基质中氧化物 铁铝含量与磷吸附量有显著的关系。 在国内，汤显强等对页岩、粗砾石、铁矿石、麦饭石及其组合作为人工湿地 填料，进行不同基质室内小试污水净化效果研究。结果表明：在相同进水水质和 水力负荷运行条件下，单一填料页岩对t p 去除效果最好，去除率8 7 5 ；页岩 与粗砾石组合t p 去除率较高，可达到7 1 9 ，从填料物理特性及长期稳定运行 的需要，可选择页岩与粗砾石组合作为人工湿地去污填料【3 钔。李海波等人通过对 6 第1 币绪论 水淬渣对磷的的吸附一解吸实验，表明：水淬渣可以成为一种新的基质【3 5 1 。李晓 东等人通过对高炉矿渣及砂子做吸附解吸等温实验表明：高炉矿渣基质对磷具 有较高的吸附率，最大吸附量为3 3 3 3m g k g ，解吸率为0 6 8 ，都远好于沙子， 比沙子更适合作为人工湿地填料1 3 6 j 。高月霞、叶建峰、李怀正对沸石做静态吸附 实验和去除生活污水中的磷素实验，结果表明：对除磷讲，沸石不适合单独作为 湿地基质使用i j7 。李怀正、叶建峰、徐祖信采用填料柱模拟垂直潜流人工湿地处 理城市生活污水，考察了几种我国常见的、从经济角度考虑可广泛采用的湿地基 质粗砂、瓜子片、砾石、高炉渣、钢渣、煤灰渣对污染物的去除能力和效果。 在几种供试的基质中，钢渣和煤灰渣对出水p h 值的影响较大，基质粒径越小则对 s s 的去除效果越好；对有机物去除效果的高低顺序为：砂子 煤灰渣 瓜子片 砾 石 钢渣 高炉渣，对氨氮去除效果的高低顺序为：砂子 煤灰渣 瓜子片 高炉渣 砾石 钢渣，6 种基质对t p 都有较好的去除效果，其高低顺序为：钢渣 煤灰渣 砂子 高炉渣 瓜子片 砾石【3 8 。袁东海、赵桂瑜、尹炜、黄玲等人研究发现，含 c a 、f e 、a l 元素多的钢渣作为湿地填料基质其磷素的吸附量、吸附能力以及吸 附速率在所研究的几种基质中都是最大的( 页岩、砾石、棕色土壤、粉煤灰、蛭 石、沸石) 3 9 4 2 1 ；钢渣作为基质，能够释放出大量的钙、铁、铝等元素，能够与 污水中的磷发生物理吸附、化学沉淀及物理化学沉淀，加强对磷的去除作用，但 是钢渣作为基质除磷效果虽然最好，但是钢渣作为基质应注意解吸所造成的二次 污染及出水p h 值偏高等问题。另外，谭洪新等研究发现：将钢渣与页岩组合， 能够显著提高磷的去除率，达到9 0 4 【4 3 1 。 一般认为，基质对氮的去除作用不占主体地位，但是，基质对氮的去除效果 也得到了广泛关注。李旭东等人通过对沸石潜流湿地、砾石潜流湿地脱氮除磷性 能进行了中试对比试验研究，结果表明：在相同进水水质和水力停留时间为l d 的运行条件下，沸石潜流湿地脱氮效果最佳，总氮去除率接近6 0 ；沸石对铵态 氮具有极强的选择吸附性，可快速截留污水中的氨氮 。王全金等对由碎石、陶 粒、石英砂3 种不同基质构建的潜流式人工湿地运行初期对n 、p 的去除效果进 行研究表明：碎石床对氮磷的去除效果较好，基质对磷的去除起关键作用，对氮 的去除也起到一定作用【4 5 j ；赵小蓉等对通过对累托石去除污水中的氨氮进行实 验，结果表明：累托石对氨氮有一定的离子交换作用m 】；崔理华等研究发现，在 系统稳定运行条件下，煤渣一草炭基质垂直流人工湿地系统对n h 4 + 一n 去除率可以 高达8 5 l 47 1 。湿地基质性质诸如基质的类型、渗透率、含水率、胶体类型、p h 值、粘性及各种络合、螯合剂的存在，都会影响到人工湿地的脱氮效率。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 1 3 2 人工湿地植物的研究现状 1 3 2 1 人工湿地植物的种类及选择原则 人工湿地常用植物一般分成四种：挺水植物( 芦苇、香蒲、美人蕉等) 、漂 浮植物( 凤眼莲、浮萍等) 、浮叶植物( 睡莲、王莲等) 以及沉水植物( 金鱼藻) 。 在人工湿地中，植物也是湿地污水处理系统的重要组成部分。植物本身的生 长必须以氮、磷作为营养物；湿地植物能够将氧气传送至根区，有利于生物的好 氧呼吸，促进硝化作用的发生；植物庞大的根系不断向基质中延伸，为细菌提供 了多样的生活环境，使其可以更多的降解污染物；植物根系的生长还可以增强和 维持介质的水力传导。 湿地植物种类繁多，目前发现全球高等湿地植物有6 7 0 0 余种，我国湿地高 等植物约有2 2 7 6 种。各种植物对氮、磷的去除能力各不相同，而且所需生长环 境也不相同。因此，湿地植物选择的成功与否也直接影响湿地的性能及运行时间。 湿地植物选择一般遵循下面几个原则： ， 1 ) 环境适应性 就我国而言，幅员辽阔，南北气候差异大，温度变化明显。湿地植物种类繁 多，但是能适应各种气候的植物数量有限。因此，在选择湿地植物的时候，要根 据湿地所在地区的气候条件、环境因素选择适于植物生长习性及植物特性的植 使其能够正常生长。 2 ) 对污染物去除的能力 研究表明：不同的植物对污染物的去除能力不同，同一植物其植株各部分去 染物的能力也不同，一般为叶 茎 根。植物耐污性能是选择植物的另一重要 。植物耐污性差，运行一段时间以后就会死亡，不但影响湿地运行效果，还 湿地维护带来不便。因此，在选择植物的时候，一定要先了解植物的耐污性 然后根据污水性质进行选择。 3 ) 植物根系的发达程度 人工湿地大气复氧能力较弱，而提高污染物去除效率离不开氧。人工湿地植 根系形成网状结构，并通过叶，茎，根输送氧气，形成好氧、缺氧和厌氧环 为不同微生物的吸附和代谢提供良好的生存环境1 4 s 】；而且能够加固植物床、 水力传导能力。因此，选择根系强大的植物，对湿地提高处理效果有益。 4 ) 经济环境效益 适合于湿地种植的植物种类当中，有相当数量的经济型植物。比如：水稻、 、芦苇等。这些植物不仅对污染物去除能力强，而且可以产生一定的经济效 水稻作为粮食、茭白作为蔬菜、芦苇可以编成苇帘。美人蕉、睡莲等，可以 观赏性植物，起到美化环境的作用。 8 第1 章绪论 1 3 2 2 人工湿地植物的研究现状 孙瑞莲等通过室外盆栽实验，研究了三棱草、菖蒲、水葱、宽叶香蒲、茭白、 千屈菜、水芹菜，黄花鸢尾8 种挺水植物在不同水力停留时间对污染水体的净化 效果。结果表明：与无植物空白相比，各植物对n h 。+ _ n 和t n 去除率都有所提高， 其中宽叶香蒲、和黄花鸢尾对n h 。+ - n 和t n 的去除性能尤为突出。茭白和宽叶香 蒲t p 去除性能较好，其t p 去除率分别提高1 0 8 和1 1 2 ，其余6 种植物的t p 去 除率与对照之间均无显著差异【4 9 j ；李林锋、尹炜、宋英伟等通过对湿地植物对污 水的去处效果进行研究，发现：种植植物的湿地单元对氮、磷的去除效果明显优 于植物空白湿地，但通过对收割后的植物进行分析，发现植物本身对氮的贡献率 不足1 5 ，对磷的去除率贡献率不足2 0 。宋英伟发现：种植茭白的湿地对磷的 去除效果要优于对氮的去处效果【5 0 5 2 1 。但也有学者认为：植物的收割与否，对氮、 磷去除有重要影响。蒋跃平等人研究了处理观赏用轻度富营养化水的人工湿地中 植物的生长特性和氮磷去除作用，用2 1 种植物作比较，其中1 7 种长势良好，通 过对比发现：植物吸收对氮、磷的去除起着主要作用贡献率分别为4 6 8 和 5 1 0 。植物的氮磷积累量与浓度及生物量之间均存在显著相关，所以可以直接以 生物量为指标选择人工湿地植物，并且在适合的时候对植物进行收割【5 3 】。吴淑杭 等人通过自由水面人工湿地的中试，研究了上海梦清园人工湿地芦苇的不同器官 氮、磷含量的季节动态与分配及其地上部分生物量季节动态，发现芦苇的不同器二 官氮、磷含量都随季节波动，且在一个生育周期内，芦苇叶、茎、须根及其地上 部分的氮、磷含量曲线呈典型的单峰式，且在1 0 月底1 1 月初的时候芦苇整体对 氮、磷的累积量最高，此时最适合对芦苇进行收割1 5 4 1 。h a n sb r i x 研究表明：当鼍 湿地以较低污染负荷运行时，植物根部因营养吸收使脱氮作用比较明显。随着植 物在湿地中发育成熟，如果此时不采取收割措施，大部分进入植物组织的氮将通 过组织腐烂分解作用而又重新释放到湿地水体中，所以要提高湿地的整体脱氮效 率，就有必要定时收割湿地植物；黄娟等人研究发现植物收割前后湿地脱氮效果 变化较大，收割可以提高湿地总氮量的去除率【5 5 1 。p e t e r s o n 的研究发现：对于 轻度氮磷负荷的人工湿地处理系统，在植物的生长阶段收割，可以占人工湿地氮 总去除量的3 0 ；而在重度氮磷负荷的处理系统中，虽然植物吸收氮的绝对量比 轻度氮磷负荷的系统大，但其所占比例低，只有1 4 【5 6 1 。 1 3 3 人工湿地构造及运行研究现状 目前多数学者认为，潜流型人工湿地脱n 效果差是因为基质层内供氧不足， 造成硝化作用不完全。根据v a no o s t o m ( 1 9 9 5 ) 和x u e ( 1 9 9 9 ) 等人的发现，在人工 湿地处理只有1 0 左右的氮的去除是通过基质累积和植物吸收利用去除，9 0 左 右的氮最终还是通过反硝化过程去耐5 7 1 。因此，氮的去除关键还是在于硝化作用 9 北京 业大学t 学硕1 j 学位论文 是否良好。在潜流型人工湿地系统中，氧主要来源于植物通过根系的输送和污水 的携带，但这种能力非常有限，因此，妨碍了污水中氨的硝化作用，从而影响了 湿地对污水中氮素的去处效果。湿地中氧的环境成为潜流型湿地系统去除n h 4 + 一n 的主要限制因子，为了解决潜流型湿地的供氧问题，国内外学者做了大量的改进 研究。 北美湿地工程公司( n a w e ) 借鉴了污泥回流技术和鼓风曝气开发了循环流湿 地工艺和通风强化床工艺。这些工艺已经被成功应用在了寒冷地区及污水中污染 物浓度较高的湿地中1 5 引，将表面流人工湿地、潜流型人工湿地、水平流人工湿地 与垂直流湿地相结合，去除污水中污染物的效率会进一步提高。 国内也有许多学者作了相应的试验。采用间歇进水的方式、周期性的改变水 深，增加地表漫流区域或者暴露水面以提高表面复氧作用，采用落干方式即多个 平行床系统循环使用，促进大气中的氧进入到湿地系统中。 雷志洪采用复合垂直流结构处理受污染的洪湖公园内的水，池中水流方向为 上下流，由二室串连，进水从第一室表面布水，水流垂直向下，在池底部水流在碎 石层从第一室进入第二室，进入第二室后垂直向上，从表面出水，采用这种方式处 理后，污水中的主要污染物去除率均在8 0 以上【5 9 】 彭举威、崔玉波利用间歇流人工湿地处理啤酒废水，结果表明，间歇流方式 进出水可以最大程度地利用床体上层的大气复氧，缓解了水生植物根系输氧不足 的矛盾；适当缩短间歇流周期，可以提高系统处理废水的能力【6 0 1 。 1 4 钢渣的利用状况 由于我国炼钢技术比较落后，产生的钢渣数量约占钢产量的1 5 一2 0 。目 前，我国国内积存钢渣已有1 亿吨以上，且每年仍以数百万吨的排渣量递增，大量 钢渣堆积成渣山，不仅浪费土地，而且影响环境。钢渣废料的资源化利用已成为 国内外研究的重要课题【6 。目前我国钢渣主要用于冶金、工业、建材、公路建设、 农业等方面，其利用率仅为1 0 ，远远低于发达国家水平【6 3 1 。近年来，钢渣的环保 利用价值正日益受到重视，利用钢渣作为基质填料处理废水的研究报道越来越 多。 炼钢炉渣是转炉炉渣，即一种含有c a o 、m g o