（环境工程专业论文）垂直潜流人工湿地脱氮机理及效果改善研究.pdf

摘要 根据国家环保总局发布的2 0 0 4 年全国环境统计公报，生活污水无论是 在捧放量还是在污染负荷上，都超过了工业废水，是我国水环境最大的污染源。 而农村生活污水由于污染源控制和收集难度大，使得其治理任务十分艰巨。 人工湿地作为一种废水处理新技术，具有净化能力强、对负荷变化适应性 好、工艺设备不复杂、运行维护管理方便、投资及运行费用低、生态环境效益 显著等特点，在远离城市污水管网的居民小区以及污染源分散的城郊和农村具 有广阔的应用前景和可观的环境经济效益。 本文在总结分析前人研究的基础上，通过构建中试装置，模拟垂直潜流太 工湿地处理生活污水，进行了垂直潜流人工湿地脱氮机理方面的研究，同时对 如何提高垂直潜流人工湿地的n h 4 0 n 和t n 去除效果进行了探讨。 研究表明，垂直潜流人工湿地处理生活污水落空运行时氮素主要可能去除 方式为微生物的硝化反硝化作用。与半浸润( 落空高度6 0 啪、浸润高度6 0 咖) 的运行方式相比，垂直潜流人工湿地在落空运行方式下有着更高的氧转移速率， 表明为达到良好的n i - h + - 1 4 去除效果，应采用落空运行方式。在落空运行条件下， 有机物先利用氧而被降解，在取得良好的硝化效果后，垂直潜流人工湿地反硝 化所需碳源不足，这影响后续的t n 去除。 在提高n h 4 + - n 去除效果方面，基质选择试验表明，在基质选择时，选择出 水p h 值近中性、水力停留时间长、比表面积大且不易引起堵塞的基质有利于 提高湿地的n h 4 + n 去除效果。在本试验条件下，进水方式比较试验表明，进水 1 h 停水l h 的问歇进水方式在长期的运行范围内未体现出比连续进水更为优越 的n h 4 + - n 去除效果。在本试验范围内，在相同的基质高度下，降低水力负荷能 够有效地提高湿地的n i - h + - n 去除效果；而在相同的水力负荷下，增加基质高度 也能有效地提高n h 4 + n 去除效果。 摘要 在提高t n 去除效果方面，两级垂直潜流人工湿地在第二级投加污水作为 碳源时由于第二级反硝化所需碳源仍不足而导致t n 去除效果不佳；适当增加 第二级污水投加量可在一定范围内提高t n 去除效果；第二级湿地中，采用中 粒径高炉渣作为基质时t n 去除效果略好于工程粗砂基质。而在一级垂直潜流 湿地中，采用回流可以有效地提高t n 去除效果；在回流比为2 的情况下t n 去除率达到了6 8 ，使出水t n 值约为1 0 m g l ：而适当增加回流比则可在一定 范围内提高t n 去除效果。 关键词：人工湿地，垂直潜流，脱氮，农村生活污水，氧转移速率，基质 n a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h e e n v i r o n m e n t a ls t a t i s t i c sb u l l e t i n2 0 0 4 i s s u e db ys t a t e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na d m i n i s t r a t i o no fc h i n a , t h ed o m e s t i cw a s t e w a t e rh a d s u r p a s s e dt h ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e rb o t hi nd i s c h a r g el o a da n dp o l l u t a n tl o a d ，a n d b e c o m et h el a r g e s tp o l l u t i o ns o u r c e c o n s i d e r i n gt h ed i f f i c u l t yt oc o n t r o la n dc o l l e c t t h er u r a ld o m e s t i cw a s l e w a t e r , t h et o u g ht a s kt ot a c k l ew i t hr u r a ld o m e s t i c 啊s l 薯w a l e ri sc o n f r o n t e d a san e ww a s t e w a t e rt r e a l ：m e n tt e c h n o l o g y , t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sh a sh i g h t r e a u n e n tc a p a c i t y , s t r o n ga d a p t a b i l i t yt ol o a d f l u c t u a t i o n , s i m p l ep r o c e s sa n d i n s t r m n e n t a ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ，l o wi n v e s t m e n t , a n de c o l o g i c a lb e n e f i t s a g r e a ta p p l i a n c ep r o s p e c tc a nb ep r e d i c t e di nt h ec o u n t r y s i d ea n dr u r a la r e aw h e r et h e m u n i c i p a ls e w a g en e t w o r kc a n n o tr e a c h t h i sp a p e rr e v i e w e da n da n a l y s e dp r e v i o u sw o r ka n ds t u d i e dt h en i t r o g e nr e m o v a l m e c h a n i s mi nv e r t i c a ls 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 sb yas e to f p i l o te x p e r i m e , 也 e q u i p m e n ts i m u l a t i n gt h et r e a t m e n to fd o m e s t i cw a s t e w a t e ri nav e r t i c a ls u b s u r f a c e c o n s u u c t ( x 2 w e t l a n d m e a n w h i l e s e v e r a ln l c a s 峭w e 豫r e s e a r c h e dt oi m p r o v et h e r e m o v a le f f i c i e n c yo f n h 4 + - na n dt n t h es t u d yi n d i c a t e dt h en i t r o g e nw a sm o s tp o t e n t i a l l yr e m o v e d b yt h en i t r i f i c a t i o n a n dd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s c o m p a r e dw i t ht h eh a l f - s a t u r a t e do p e r a t i o n ( t h eh e i g h to f t h e 受山j r a t c dz o n ew a s6 0 c ma n dt h eu n s a t u r a t e dz o n ew a s6 0 c m ) h i g h e ro x y g e n t r a n s f e rr a t ew a so b s e r v e di nt h eu n s a t u r a t e do p e r a t i o n , t h u sh i g h c rn h 4 + n r e m o v a l e f f i c i e n c yw a se x p e c t a b l e h o w e v e r , d u r i n gu n s a t u r a t e do p e r a t i o n ，m o s to r g a n i c m a t t e r sw e r ed e g r a d e dw h e nt h en h 4 + - nh a v ea l m o s tb e e nn i t r i f i e d ，s ot h a tt h e s u c c e s s i v ed e l f t t r i f i c a t i o ns e l d o mo c c u r r e dd u et ot h ei a c ko f c a r b o ns o u r c e s a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t sw i t l lf i v ek i n d so fs u b s t r a t e si n d i c a t e dt h a t , t op r o m o t et h e n i - h + - nr e m o v a le f f i c i e n c y , t h es u b s t r a t es h o u l dh a v en e u t r a le f f l u e n t ，l o n g h y d r a u l i cd e t e n t i o nt i m e 1 a r g es p e c i f i c 矾白c ea m a n db el e s si n c l i n e dt ob e c l o g g e d i nt h i se x p e r i m e n t , t h en h 4 + nr e m o v a le f f i c i e n c yw i t hi n t e r m i t t e n ti n f l o w a te v e r yo n eh o u rw a sn o tb e t t e rt h a nt h a tw i t hc o n t i n u o u si n f l o w w h e nt h eh e i g h t o fw e t l a n dw c i i gc o n s i s t e n t , h i g h e rn h 4 + - nr e m o v a le f f i c i e n c yw a se x p e c t e da s h y d r a u l i cl o a dd e c r e a s e ；w h e nt h eh y d r a u l i cl o a dw a f tc o n s i s t e n t , h i g h e rn h 4 + - n r e m o v a le f f i c i e n c yw a sa c c o m p a n i e dw i t hl a r g e rh e i g h to f w e t l a n d i na t o w s t e pv e r t i c a ls u b s u r f a c ef l o wc o n s 删w e t l a n d , f e e d i n gap o r t i o no f w a s t e w a t 盯i n t ot h es e c o n du n i ts t i l lc a n n o ta c h i e v eh i g ht nr e m o v a lr a t ed u et ot h e l a c ko fc a r b o ns o u “；e s t os o m ee x t e n t , i n c r e a s et h ef e e d i n ga m o u n to fw a s t e w a t e r i nt h es e c o n du n i tc a l li n c r e a s et h et nr e m o v a lr a t e i nt h es e c o n du n i t , a ss u b s t r a t e ， m e d i u ms i z eb l a s tf u r n a c es l a gd i db e t t e rt h a nc o a r s es a n d si nt nr e m o v a l i na o n e - s t e pv e r t i c 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 , w h e nt h er e f l u xr a t ei s2 ，t h e t nr e m o v a lr a t ea c h i e v e d6 8 a n dt h et ni nt h ee f f l u e n tw a sa b o u t1 0 m g l i n a d d i t i o n , t h et nr e m o v a le f f e c tc o u l db eb e t t e rb yi n c r e a s i n gr e f l u xr a t e k e y w o r d s ：c o n s m u - t e dw e t l a n d s ，v e r t i c a ls u b s u r f a c ef l o w , n i t r o g e nr e m o v a l ，r u r a l d o m e s t i cw a s t e w a t e r , o x y g e nt r a n s f e rr a t e ，s u b s t r a t e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：肾难萨 1 年月油日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月e t年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 一7 吩趁祭 年 月日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 研究背景和意义 自2 0 世纪7 0 年代以来，我国的水污染防治工作越来越受到各级政府和社 会各界的关注，采取了许多措施并取得了一定成效。但是，我国的水环境污染 状况依然严重，要实现河湖水质的根本好转，还需要做极其艰苦的努力。 根据国家环保总局发布的( 2 0 0 4 年全国环境统计公报，全国废水排放总 量4 8 2 4 亿吨，其中城镇生活污水捧放量2 6 1 3 亿吨，占废水排放总量的5 4 2 。 废水中c o d 排放量1 3 3 9 2 万吨，其中城镇生活污水中c o d 排放量8 2 9 5 万吨， 占c o d 排放总量的6 1 9 。废水中n h 4 + - n 捧放量1 3 3 0 万吨，其中生活n h 4 + - n 排放量9 0 8 万吨，占n h 4 + - n 排放量的6 8 3 。从中可以看出生活污水无论是 在捧放量还是在污染负荷上，都是我国水环境最大的污染源，生活污水治理将* 成为我国推进水污染防治工作的重点。 目前，我国绝大部分的城市污水均采用传统的污水处理工艺，对控制大城 市的水环境污染起到了关键的作用；而农村生活污水污染治理与城市相比，无 论在技术上还是在经济上都有较大困难，主要表现在( 1 ) 污染源控制、收集困 难。农村点源污染首先表现在生活污染源分散，难以集中处理：乡镇企业环保 意识相对较差，处理技术落后；( 2 ) 先进的治污技术难以应用。现行的污水处 理技术虽然可能降解大部分污染物，但投资大，运行成本高，管理技术要求严 格，因而在农村地区难以推广应用。 因此，积极开发、研究和应用新型污水处理工艺、寻求农村水污染防治的 合适模式就显得意义重大。就技术的适用角度而言，农村生活污水应该采用分 散化、小型化的治理模式，应大力发展工艺简单、净化效果有保证、投资省、 能耗低、运行维护简单的处理方法。一般认为，因地制宜地采用自然生态处理 第1 章引言 技术是农村生活污水治理的有效手段( 朱亮等，2 0 0 2 ) 。其中最典型的技术有： 氧化塘、土地处理和人工湿地处理技术。 人工湿地是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种废水处理新技术，它具有净化 能力强、出水水质好、对负荷变化适应性强、工艺设备不复杂、运行维护管理 方便、投资及运行费用低、生态环境效益显著等特点，在远离城市污水管网的 居民小区、旅游景区、厂矿企业以及污染源分散的城郊和农村具有广阔的应用 前景和可观的环境经济效益。 本论文依托国家8 6 3 计划专项“上海城市水环境质量改善技术与综合示范 项目”( 2 0 0 3 a a 6 0 1 0 2 0 ) 子课题“污水处理潜流人工湿地技术研究”，进行垂直 潜流人工湿地处理生活污水的脱氮研究。 1 2 人工湿地国内外研究现状 1 2 1 研究现状 ( 1 ) 人工湿地污水处理技术研究现状 自2 0 世纪7 0 年代以来，人工湿地污水处理技术已经走过了3 0 多年的历程i 3 0 多年来，无论在理论研究上还是在工程实际应用上，人工湿地污水处理技术 都锝到了极为广泛的发展。自1 9 8 8 年以来，国际水协会( i n t e r n a t i o n a lw a t e r a s s o c i a t i o n , l w a ) 每两年组织召开一次国际人工湿地专题会议( 其部分论文选登 在其会刊w a t e rs c i e n c e t e c h n o l o g y 上) ，以促进世界各国在人工湿地领域的 交流和发展；而美国的e p a 则建立了北美地区基于i n t e m e t 的人工湿地描述与 运行数据库( c o n s t r u c t e dt r e a t m e n tw e t l a n ds y s t e md e s c r i p t i o na n dp e r f o r m a n c e d a t a b a s e , h r p ：f i r e h o l e h u m b o l d t e d u w e t l a n d ) ，以促进交流同时避免重复劳动； 同时，英国、德国、美国等人工湿地发展得较为成熟的国家也先后出台了一系 列人工湿地的设计导则( 如表1 1 所示) ，为人工湿地的发展和应用提供指导借 鉴作用。 2 第l 章引言 表l l 美国出版的部分人工湿地设计导则 日期发行单位 手册名称 o f f i c eo f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t , d e s i g nm a n u a l ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d sa n d 1 9 8 8 a q u a t i cp l a n ts y s t e m sf o rm u n i c i p a l c i n c i n n a t i ，o h ，e p a 6 2 5 l 8 8 0 2 2 w a s t e w a t e rt r e a t m e n t o 币c eo f w a s l e w a t e rs 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 出f o r 1 9 9 3 m 鹋w 如h m g t d c ，e p a8 3 2 w a s t e w a t e rt r e a m e n t ：a t e c h n o l o g y r 9 3 0 0 8 a s s e s s m e n t u s e p ar e g i o nm w i t hu s d a ，n r c s ，i s b na h a n d b o o ko f c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ( 5 1 9 9 5 0 1 6 0 5 2 9 9 9 9v o l u m e s ) o 币c eo f w a s t e w a t 口 f r e ew a t e rs u r f a c ew a t l a n d sf o rw a s t e w a t e r 1 9 9 9 m a n a g e m e n t , w a s h i n g t o n ，d c e p a8 3 2 r 9 9 0 0 2 t r c a m e n t ：a t e c h n o l o g y a s s e s s m e n t o f f i c eo f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ,m a n u a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d st r c a u n e n to f 2 0 c i n c i n n a t i 。0 h ，e p a6 2 5r 9 9 o l o m u n i c i p a lw a s t e w a t s ( 2 ) 潜流人工湿地污水处理技术研究现状 潜流型人工湿地作为人工湿地的一大类型起源于德国，其后在欧洲各国得 到广泛应用。这种类型湿地的水面位于基质以下，它不会滋生蚊蝇、散发臭味， 与表面流湿地相比，对环境更为友好，在欧洲被广泛应用于生活污水的二级处 理 其大部分的设计处理量都小于5 0 0 p e 且许多系统的实际处理量小于5 0 r e 。 有很多甚至是设计用于处理单户家庭的生活污水。此技术在得到广泛应用的同 时，随着经验的积累，欧洲各国以及北美都已经出台了相对成熟的设计导则。 在国内，潜流型湿地自2 0 世纪9 0 年代引入以来，在微污染地表水及农村 面源污染方面有较多的应用和研究，而在生活污水方面的研究和应用则相对较 少。此外，我国对潜流湿地的研究一直以机理研究和除污效能为主要任务，其 相关研究成果对于潜流湿地技术的认识和推广起到了很大的作用，但还没有形 成成熟的设计理论和设计方法。 ( 3 ) 垂直潜流人工湿地污水处理技术研究现状 作为潜流人工湿地的一种类型，垂直潜流人工湿地起源于德国的s e i d e l 系 统( 也称为m a x p l a n c k i n s t i t u t e p r o c e s s ) 。但随后由于著名的“根区理论”的发 展，芦苇床处理系统( r b t s ) 等水平潜流湿地得到了更为广泛的研究和应用， 第1 章引言 而垂直潜流型湿地则发展相对缓慢。近十多年来，由于水平潜流湿地存在氧转 移速率低的缺陷，其硝化效果不是十分理想，而垂直潜流人工湿地却具有极高 的氧转移速率、对n h 4 + - n 的去除效果极好的优点，垂直潜流人工湿地又得到 巨大的关注和研究。 构造 早期的垂直潜流人工湿地都由多床并联组成，采用间歇进水方式，各床轮 流进水，以避免填料床的堵塞。该种填料床的基质层主要由两层组成，上层一 般为粒径较小的粗砂，高度为1 0 0 1 5 0 m m ，起到均匀布水的作用；下层为砾 石，高度为4 0 0 8 0 0 m m 。这种类型的湿地的缺点是构造复杂、由于粗砂层太 薄而对布水均匀性要求很高、同时由于存在轮休对运行管理要求也较高 ( w e e d e n , c m , 2 0 0 3 ) 。 为了提高垂直潜流湿地的应用性，近年来，许多学者尝试着改变垂直潜流 湿地的构造。( p e r f l e r , l l ，1 9 9 3 ；s c h o n e d d e e m e t a l ，1 9 9 7 ；l a b e r , j e t a l ，1 9 9 7 ；w e e d o n ， c m 2 0 0 3 ) 等构建了由单一填料床组成的垂直潜流人工湿地，这种垂直潜流湿 地仍采用间歇进水，但由于是单床，不存在轮休；同时粗砂的高度也变为6 0 0 8 0 0 m m ，但其负荷由原来的l 2 m 2 p e 减小为5 m 2 p e 。这种湿地类型也称为 c v f ，它减小了构造量、由于粗砂高度的增加对布水均匀性要求的降低，另外 最重要的是没有轮休，使得这一技术操作管理相对方便。 氧转移速率( o ，r r ) 垂直潜流人工湿地填料床的氧转移速率直接决定着填料床中被去除的有机 物以及被硝化的n h 4 + - n 的量，这也间接的决定着填料床所需要的面积。不同 的学者对氧转移速率的估算方法不同，( c o o p e r , e ，1 9 9 9 ，2 0 0 5 ) 采用下式进行估 算： o t r = q x ( b o d s m b o d 5 。) + 4 3 ( n h + m n h 4 + o , , , ) a r e a ，g m 2 d ( i i ) 而( p l a t z e r , c ，1 9 9 9 ；w e e d e n ，c m , 2 0 0 3 ) 等人则采用下式： o t r = q x 0 7 ( c o d m c d d o ) + 4 3 ( n h 4 + * 一删+ , ) a r e a ，g m 2 d ( 1 2 ) 4 第1 章引言 1 2 。 式( 1 1 ) 至( 1 2 ) 中： q 一人工湿地进水水力负荷( m 3 d ) ； 不同的学者在不同的垂直潜流人工湿地中对氧转移速率的估算结果见表 表1 2 垂直潜流人工湿地氧转移速率估算结果( c o o p e r , p , 2 0 0 5 ) 作者 系统构造 o t r 【9 0 2 ，( 一d ) 】 面积( m 2 p e ) 备注 b u r k aa n dl a w r e n c e2 v f + 2 h f4 0 7 9l j 3 长期平均值 c i u p a l v f + l h f5 4 1 0 3 整个系统平均值 c o o p e r , p ，e t a l 2 v f5 7 7 1o 6 深度处理 w e e d o n , c m 1 c 、下3 9 52 1 w e e d o n , c m 1 c v f2 8 3 52 1 p l a t z e r , c 、下+ i h f 2 8 b r i x , h e t a l 2 c v f5 l i 0 9 2 7建议面积为1 5m 2 p e 堵塞问题 ， 垂直潜流人工湿地的一大特点是其氧转移速率高，对n - - 1 4 + - n 去除效果良 好，其中氧转移的途径主要是填料床表面的扩散和对流作用( p l a t z e r , c ，1 9 9 7 ) 。 然而，基质表面的堵塞严重影响着填料床的复氧作用，所以填料床的堵塞问题 已经得到人们越来越多的关注。 关于垂直潜流填料床基质堵塞的机理，国内外已经有较多的研究。一般认 为，悬浮颗粒物在基质表面的积累是堵塞的最重要原因( l a a g e r g r a b e r , g 2 0 0 3 ； p l a t z e r , c ，1 9 9 7 ；詹德吴，2 0 0 3 ) 。有机或无机的固体颗粒沉积在基质表面形成了 一个累积层，这种堵塞属于外部堵塞；这些有机或无机的固体颗粒也可能进入 到孔隙的内部，从而占据大量孔隙体积，这种堵塞则属于内部堵塞。 由于污水中的营养物质持续地进入填料床，微生物生长的生物量也被认为 是基质堵塞的一大原因。此外，化学性的沉淀作用( p l a t z e r , c 1 9 9 7 ) 、植物根 系的生长( v y m a z a l j e t a l 。1 9 9 8 ) 等也被认为是可能引起填料床堵塞的次要因素。 第1 章引言 对于影响堵塞的因素，( p l a t z e r , c ，1 9 9 7 ；) 认为基质的粒径分布严重影响着 基质的孔隙度以及其水力渗透性能，继而影响其受到堵塞的可能；同时认为基 质粒径分布也影响着基质堵塞后的恢复能力 进水中悬浮固体的负荷以及有机负荷也被认为是影响填料床堵塞的重要因 素。( p l a t z e r , c ，1 9 9 7 ) 建议将c o d 负荷控制在2 5 9 m 2 d 以下以避免填料床的堵 塞：而( l a n g e r g r a b e r , g ，2 0 0 3 ) 则认为悬浮固体负荷才是影响堵塞更为重要的 因素，并认为良好的机械预处理是避免填料床堵塞十分有效的方法。 除此之外，( l a n g e r g r a b e r , 。2 0 0 3 ) 认为由于垂直潜流人工湿地都采用间歇 进水方式，不适当的进水间隔以及进水期问不适当的进水量也可能导致填料床 堵塞的发生。 设计方法 垂直潜流人工湿地在生活污水的二级处理中有着较为广泛的应用，在国外， 不同的学者根据自己的设计运行经验，给出了不同的经验设计公式： c o o p e r , e ，e t a l ，( 1 9 9 7 ) ： 仅设计用于处理b o d 时： 设计用于处理b o d 和n i - h - n 时： g r , m t , n a n dg r i g g s d ，( 2 0 0 1 ) ： w e e d e n , c m ，( 2 0 0 1 ) ： p 2 5 时 p 2 5 时 式( 1 3 ) 至( 1 7 ) 中： 卜设计人口数； a = 1 o p a = 2 0 p ( 1 3 ) ( 1 4 9 a = 5 2 5 p o ”+ 0 9 p( 1 5 ) a = 5 4 p o a = 2 4 p o ” ( 1 6 ) ( 1 7 ) a 湿地设计所需面积( m 2 ) ： 从上述公式可以看出，国外不同的学者在面积的计算方法存在很大的差异。 第l 章引言 而在国内方面，基于实际生产得出的类似经验公式还很少。 1 2 2 目前存在的问题 垂直潜流人工湿地在生活污水的二级处理中虽然有着广泛的应用，但也存 在其自身的局限性。填料床易堵塞、一级填料床t n 去除能力不佳、磷去除能 力逐渐降低是限制其发展的三大瓶颈( 表1 4 ) 。 表1 4 垂直潜流人工湿地局限性及可能解决措施 应用局限性原因分析可能的解决措施 基质粒径太细选择晟合适粒径 填料床易堵塞s s 负荷过高加强机械预处理，降低进水s s 负荷 污染负荷过高，有机质降解速率低选择恰当的污染负荷 反硝化碳源缺乏合理利用有机物作为碳源 1 n 去除能力差 缺乏反硝化环境创造反硝化环境 磷去除能力降低基质磷吸附能力有限化学除磷、选择磷吸附容量大的基质 本论文选择垂直潜流人工湿地作为研究对象，针对其t n 去除能力差的缺 点，在上海市闵行区污水处理厂搭建试验装置，模拟垂直潜流人工湿地进行生矿 活污水的二级处理，力图探索人工湿地脱氮过程中的若干问题，从而提高垂直 潜流人工湿地的脱氮效果，为工程设计提供应用参数。 1 3 本研究主要内容 1 3 1 主要研究内容 本论文主要研究内容包括： ( 1 ) 垂直潜流人工湿地脱氮机理研究 垂直潜流人工湿地落空运行时脱氮规律以及其主要脱氮方式研究；不同运 第1 章引言 行方式下垂直潜流人工湿地的氧转移速率估算；不同的供氧途径对垂宜潜流人 工湿地供氧的贡献估算；在取得良好n i 山 - n 去除效果时t n 去除潜力估算； ( 2 ) 垂直潜流人工湿地n h 4 n 去除效果改善研究 基质粒径、种类对填料床n h 4 - n 去除效果影响分析及其原因分析；进水方 式对填料床n h 4 + - n 去除效果影响分析及其对防止填料床堵塞的作用；基质高 度、水力负荷对填料床n h 4 + n 去除效果影响分析，特定水力负荷下基质高度的 确定、特定基质高度下水力负荷的确定； ( 3 ) 垂直潜流人工湿地t n 去除效果改善研究 两级垂直潜流人工湿地第一级落空运行、第二级浸润运行同时投加部分污 水作为碳源时对 in 去除效果研究，第二级湿地污水量投加量对脱氮效果影响 分析，第二级湿地填料基质对脱氮效果的影响分析；一级垂直潜流人工湿地回 流对t n 去除效果研究。 1 , 3 2 技术路线 本论文研究的技术路线如图1 1 所示。 j i | 鬲 褂 一 按 心 曩 套 薹 翼 i 1 馏 萋 薹 萋 襁 账 凝 逝 相 置 1 涮鼋叵臻靛t n 宅_ 4 畿 匿囊弱霉撩i1 嶷辎异 + 2 长t n 巾篮籍搿 辖一 求 剐 j 啼 草 冀 驾_ i n 书鬣套r 隶嚣 焉壤州随稍篮椒懈隶嚣 恃匠划船椒铽革辱翟r 求嚣 谈 富 靴 橙 碟 辍 逝 稍 予 童 * r 榷7 野露坦趟罐铆 + j 封* 椒懈丑辚，墨铆 啼瑚壤蝈髯，宣镶 鼎 馥 * 辎 跃 宦 议 盘 幡 一 一 圃 铁睾稚镫眯荣嗡尉嚣疆罄簧删h、r翳瓣删榔 第2 章人工湿地概述 第2 章人工湿地概述 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是将湿地植物，土壤基质以及相关微生 物等的自然作用利用于污水处理的人工强化系统，是在人工调控的环境中模拟 并利用天然湿地中发生的许多自然过程( b a s t i a n ，r k ，1 9 9 3 ) 。 2 1 人工湿地的分类 不同的角度，人工湿地的分类各不相同，各种分类之间可能存在交叉现象。 根据污水在湿地中水面位置的不同可以将人工湿地系统分为表面流湿地系统 ( s f , s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) 或称为自由水面湿地( f w s f r e ew a t e rs u r f a c e w e f t a n d ) 和潜流湿地系统( s s f , s u b - s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) 。 在表面流湿地系统中，根据大型水生植物种类的不同可以将人工湿地分为 浮叶植物系统人工湿地( c o n s m m t e dw e t l a n d sw i t hf l o a t i n g - l e a v e dm a c r o p h y t e a ) 、 沉水植物系统人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d sw i t hs u b m e r g e dm a c r o p h y t e s ) 和 挺水植物系统人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d sw i t he m e r g e n tm a c r o p h y t e s ) 。 在潜流湿地系统中，根据污水在潜流系统中的流向可以将人工湿地分为垂 直潜流湿地系统( v s fo r v f , v e r t i c a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) 和水平潜流湿地 系统( h s fo rh f , h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o ww e f t a n d ) ；垂直潜流人工湿地中又 可分为上行流湿地和下行流湿地；而垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地组 合起来则称为复合流湿地系统( h y b r i ds y s t e m ) ，具体分类见图2 1 。 2 1 1 表面流人工湿地 表面流人工湿地的水面位于湿地基质层以上，基质层一般为2 0 3 0 c m ，其 上水深一般为2 0 4 0 c m ，植物种植密度一般大于5 0 ，晟常用的植物是香蒲和 芦苇( k a d l e c ，r h ，1 9 9 5 ) 。 1 0 第2 章人工湿地概述 图2 i 人工湿地的分类 表面流湿地在处理功能上相当于强化的土地生物处理系统。其污染物去除， 机理主要有植物及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。淹没于水中的植物的茎和叶表面形成的生物膜对 污水的净化，尤其是有机物和营养物的净化，起着主要作用。 表面流人工湿地的优点是投资及运行费用低，建造、运行和维护简单。囱謦 点是在达到同等处理效果的条件下，其占地面积大于潜流人工湿地；在寒冷季 节表面会结冰，夏季会滋生蚊子，还会散发臭味；污水直接暴露于空气中还有 传播病菌的可能。 ( 1 ) 浮叶植物系统人工湿地 该类型湿地水生植物叶子漂浮于水面中，而根部生长在水底基质土壤中， 其结构如图2 2 所示。 图2 2 浮叶植物人工湿地示意图 第2 章人工湿地概述 ( 2 ) 沉水植物系统人工湿地 该类型湿地水生植物叶子生长于水面以下，而根部生长在水底基质土壤中， 其结构如图2 - 3 所示。 图2 3 沉水植物人工湿地示意图 由于沉水植物一般只生长于好氧水体中，此类湿地一般不应用于溶解性有 机物高的污水处理，因为，溶解性有机物极易消耗水体中的溶解氧而使水体呈 缺氧状态( b r i x h1 9 9 3 ) 。另外，由于沉水植物的生长通过光合作用进行，被 处理污水的浊度也不能太高而影响植物生长所需的采光。所以，此种类型湿地 一般只用于有机污染和氮磷污染较低、浊度也较小的污水的处理，如污水的深 度处理。 ( 3 ) 挺水植物系统人工湿地 该类型湿地水生植物叶子生长于水面以上，而根部生长在水底基质土壤中， 其结构如图2 4 所示。 2 1 2 潜流型人工湿地 图2 4 表面流人上湿地示意图 潜流型人工湿地的水面位于基质层以下。这种湿地系统是目前广泛研究及 应用的湿地系统。根据其污水在湿地中流动的方向可以分为水平潜流型人工湿 地和垂直潜流型人工湿地，它们组合在一起应用则称为复合潜流人工湿地。 在2 0 世纪8 0 年代初期，在潜流湿地刚开始应用的阶段，潜流湿地系统一 般都只有一个填料床；后来由于水力方面的问题迫使这一现状得到了改变。目 j 2 第2 章人工湿地概述 前，在处理量大于5 0 e e 的系统中，大都采用多床的构造且填料床一般都建成 长方形，长宽比一般在0 3 3 之间。 目前，大部分潜流系统都使用粗糙的基质作为填料，如细砾、碎石，其粒 径一般在5 3 2 m m 之间，最常用的植物是芦苇和香蒲。 ( 1 ) 水平潜流型人工湿地 在欧洲，水平潜流式最常用的术语是“芦苇床处理系统”( r e e db e d t r e a t m e n ts y s t a n , r b t s ) ，这是由于这类湿地经常采用芦苇作为构成其植物系 统。而在美国，则被称作。植被淹没床”( v e g e t a t e ds u b m e r g e db e d ，简称v s b ) 。 其具体构型如图2 5 所示。 图2 5 水平潜流人工湿地不意图 在该系统中，污水由人工湿地的一端引入，经过配水系统( 一般由卵石构 成) 均匀进入根区基质层。基质层一般由土壤和砾石构成，表层土壤栽种耐水 植物，通常是芦苇。这些植物有发达的根系，可以深入到表层土以下o 6 o 7 m 的砾石层中，这些根系交织成网，与砾石一起构成一个透水的系统。同时这些 根系具有输氧功能，在根的周围水中溶解氧浓度较高，适宜于好氧微生物的活 动。通过附着在砾石和植物地下部分( 即根和根茎) 上的好氧微生物的作用分 解废水中的有机物；部分氮、磷可被植物利用，在缺氧区可以发生反硝化作用 而脱氮，使污水得到净化：在预处理系统中没有去除的可沉降和悬浮固体则通 过过滤和沉降被有效去除。 ( 2 ) 垂直潜流人工湿地 垂直潜流式人工湿地的水流方向和根系层呈垂直状态，其出水装置一般设 在湿地底部，其具体构型如图2 6 。 第2 章人工湿地概述 幽2 6 垂直f 行潜流人上湿地示意图 把污水投配到湿地床后，污水淹没整个湿地床表面，然后逐步垂直渗流到 底部，由底部的排水管网予以收集。与水平潜流式湿地相比，这种床体形式的 主要作用在于提高氧向污水及基质中转移效率。在间歇进水运行的填料床中， 在下一次进水间隙，有利于空气填充到床体的填料间，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，以此可以提高有机物去除 和n h 4 + - n 硝化的效果。同水平潜流系统一样，垂直流系统中的芦苇也会通过 根系向根区转移一部分氧，但与大气复氧量相比显得微不足道。 垂直潜流式人工湿地与生物滤池的原理十分相似。它对悬浮物的去除效率 不如水平潜流式湿地好，这可能是由于间歇配水造成短时间内水力负荷提高造 成的。通常情况下不单独使用垂直潜流式湿地，一般将它置于两级水平流湿地 之问，由前一级水平流湿地完成悬浮物和