（环境工程专业论文）拆流式稳定表流湿地技术研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着城镇化进程不断加快，农村生活污水的排放量也不断增加。但在地 处偏远、人口密度低的农村地区，农村污水没有完善的污水集中处理设施及 排水管网系统，再加上村镇居民环保意识差，经济水平相对落后，导致农村 绝大部分生活污水不经任何处理就直接排放，严重污染了河流湖泊和土壤， 因此我们考虑就地处理分散的农村生活污水。本课题在克服稳定塘和人工湿 地缺点的基础上提出了一种保障后续潜流人工湿地运行稳定、系统堵塞小、 出水水质好的稳定表流湿地技术，该技术对于深化分散式生活污水处理技术 的研究，推动社会主义新农村建设，具有非常重要的技术和应用价值。折流 式稳定表流湿地技术是稳定表流湿地技术多种设计结构中的一种，本课题构 建了折流式稳定表流湿地系统试验装置，主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 对提出的稳定表流湿地技术的定义、优缺点、净化机理和设计结构 进行阐述。 ( 2 ) 在水力负荷为o 5 3 m 3 ( m 2 d ) 条件下，对比研究了折流式稳定表流湿 地和传统推流式表流湿地处理低浓度分散生活污水中有机物、s s 、氮和磷的 去除效果及其影响因素。结果表明，折流式稳定表流湿地对c o d 、n h 4 + - n 、 t p 和s s 的去除效率优于推流式表流湿地。 ( 3 ) 通过设置0 8 0 、o 5 3 和o 2 7 m 3 ( m 2 d ) 3 种水力负荷条件，采用连续 进水的运行方式，通过测定c o d 、t n 、t p 、n h 4 + - n 和s s 五种指标参数， 对在不同水力负荷的条件下折流式稳定表流湿地处理分散式生活污水的去 除效果进行了研究。结果表明，水力负荷对折流式稳定表流湿地的去除效率 具有较大影响；随着水力负荷的增加，折流式稳定表流湿地系统对污染物去 除呈现不同程度的下降趋势。 ( 4 ) 研究设置了基质深度分别在1 5 c m 、2 0 e r a 和2 5 c m 下的三种折流式 稳定表流湿地，通过测定c o d 、t n 、t p 、n h 4 + - n 和s s 五种指标的去除效 率来比较在三种基质深度下折流式稳定表流湿地的去除效果。并对基质深度 为2 5 c m 的折流式稳定表流湿地中不同区域污泥成分含量的变化进行了对比 分析，同时也对湿地中的植物根系、污水中的微生物分别进行了电子扫描和 电子显微镜分析。同时将基质深度为2 5 c m 的折流式稳定表流湿地的出水经 过垂直流潜流湿地处理，研究污水经过折流式稳定表流湿地后续处理湿地的 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 水质情况。结果表明，在三种基质深度下，随着基质深度的增加，折流式稳 定表流湿地系统对污染物去除的综合效果也增加。 关键词：稳定表流湿地折流式稳定表流湿地系统 推流式表流湿地 分散式生活污水水力负荷基质深度去除效果 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t r a p i du r b a n i z a t i o ni nc h i n ah a sb e e na c c o m p a n i e db yag r e a ti n c r e a s ei nr u r a ls e w a g e e m i s s i o n s h o w e v e r ，r u r a ls e w a g eh a v e n tp e r f e c tc e n t r a l i z e ds e w a g et r e a t m e n tf a c i l i t i e s a n dd r a i n a g es y s t e m si nr e m o t ea n dr u r a la r e a so fl o wp o p u l a t i o nd e n s i t y ，c o u p l e dw i t h p o o re n v i r o n m e n t a la w a r e n e s so fr u r a l r e s i d e n t sa n d r e l a t i v e l yb a c k w a r de c o n o m y ， r e s u l t i n gi nr u r a ld o m e s t i cs e w a g eb e i n gu s u a l l yd i s c h a r g e dd i r e c t l yi n t oc a n a l sa n dr i v e r s w i t h o u ta p p r o p r i a t et r e a t m e n ta n ds e r i o u s l yp o l l u t i n gt h er i v e r s ，l a k e sa n ds o i l ，s ow cm u s t c o n s i d e rt h ed e c e n t r a l i z e ds e w a g et r e a t m e n to ns i t e i nt h i st h e s i s ，t h es t a b l es u r f a c ef l o w w e t l a n d ( s s f w ) i sa na r t i f i c i a ls u r f a c ef l o ww e t l a n dt e c h n o l o g y ，w h i c he n s u r e st h es t a b l e o p e r a t i o no ff o l l o w 。u pc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h ef e ws y s t e mc l o g g i n g sa n dt h es u p e r i o r q u a l i t ye f f l u e n t s s s f wh a sav e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e e p e nt h er e s e a r c h o ft h ed e c e n t r a l i z e ds e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dp r o m o t et h en e wc o u n t r y s i d e m o d e r n i z a t i o nc o n s t r u c t i o n t h ef o l d ss t a b l es u r f a c ef l o ww e t l a n d ( f ss f w ) i so n eo f m u l t i p l ed e s i g n so fs s f w ，a n da ne x p e r i m e n td e v i c eo ff s s f ww a se s t a b l i s h e da tt h e s a m et i m e t h em a jo rr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et h e s i sp r o p o s e dan e wc o n s t r u c t e dw e t l a n dw h i c hn a m e dt h es t a b l es u r f a c ef l o w w e t l a n d ( s s f w ) i nt h i ss t u d y ，t h ec o n c e p t ，s i g n i f i c a n c e ，t h ep o l l u t a n tr e m o v a lm e c h a n i s m ， d e s i g ns t r u c t u r e ，a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fss f ww e r ei n t r o d u c e d ( 2 ) u n d e rt h eh y d r a u l i cl o a d i n go fo 5 3 m 3 ( m l d ) ，w ed i s c u s s e dt h er e m o v a lr a t eo f o r g a n i cs u b s t a n c e ，s u s p e n d e ds o l i d s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h ef o l d ss t a b l es u r f a c e f l o ww e t l a n d ( f s s f w ) a n dt h ep u s h i n gs u r f a c ef l o ww e t l a n d ( p s f w ) c o m p a r a t i v e l yf o r d o m e s t i cs e w a g et r e a t m e n t a l s o ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r sd u r i n gt h i st r e a t m e n tp r o c e s sh a d b e e ns t u d i e d t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t e dt h a tf s s f ws u r p a s s e dp s s f wi nt e r m so f r e m o v a l so fa nt h ef o u rp o l l u t a n t s ( 3 ) t h r e ef o l d ss t a b l es u r f a c ef l o ww e t l a n d s ( f s s f w ) w e r eo p e r a t e da td i f f e r e n t h y d r a u l i cl o a d i n g so f0 8 0 ，0 5 3a n do 2 7 m ( m 2 d ) t ot r e a tt h ed e c e n t r a l i z e dd o m e s t i c s e w a g e a n dw ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to ft h eh y d r a u l i el o a d i n gr a t e ( h l r ) o nt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ff s s f wb ym e a s u r i n gt h ef i v ei n d i c a t o r so fc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) ， t o t a ln i t r o g e n ( t n ) ，a m m o n i u m ( n h a + - n ) ，t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) a n ds u s p e n d e ds u b s t a n c e ( ss ) t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eh y d r a u l i cl o a d i n gh a dag r e a t e ri m p a c to nt h e 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 r e m o v a le f f i c i e n c yo ff s s f w s ，a n dw a sl o o k e du p o na so n ec r u c i a lf a c t o rf o rf s s f w s d e s i g n t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ff s s f w sp r e s e n t e dad o w n w a r dt r e n di nv a r i o u sd e g r e e s a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fh y d r a u l i cl o a d i n g ( 4 ) t h i ss t u d ys e tt h r e ef o l d ss t a b l es u r f a c ef l o ww e t l a n d s ( f s s f w ) w i t ht h es u b s t r a t e d e p t ho f15 c m ，2 0 c ma n d2 5 c m ，a n dc o m p a r e dt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o d ，t n ，t p ， n h 4 + - na n ds so fe v e r yf s s f w a tt h es a m et i m e ，w ea n a l y z e dt h ec o m p o n e n t sc h a n g e s o ft h es l u d g ei nt h ed i f f e r e n tz o n e su n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h es u b s t r a t ed e p t hw a s2 5 c m a n dw ea l s om a d ee l e c t r o n i cs c a n n i n ga n de l e c t r o nm i c r o s c o p ya n a l y s i so np l a n tr o o t sa n d m i c r o o r g a n i s m si nf s s f wu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h es u b s t r a t ed e p t hw a s2 5 c m w h i l e t h ee f f l u e n to ff s s f wu n d e rt h es u b s t r a t ed e p t hw a s2 5 c mp a s s e dt h r o u g ht h ev e r t i c a l s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ( v s f w ) ，w es t u d i e dt h ew a t e rq u a l i t ya f t e rt h ef o l l o w - u pw e t l a n d t r e a t m e n to ff s s f w t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ff s s f wi n c r e a s e d g r a d u a l l yw i t hd e e p e n i n gt h ed e p t ho ft h es u b s t r a t e k e yw o r d s ：s t a b ies u r f a c efio ww e tla n d ( s s f w ) ：f oid ss t a bie s u r f a c efio ww e tia n d ( f s s f w ) ：p u s h in gs u r f a c efio w w e tia n d( p s f w ) ：d e c e n t r aiiz e dd o m e s tic s e w a g e ； h y d r a u iicic a din g ： s u b s tr a t e d e p t h ： r e m o v ai e f ficie n c y 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1我国的水体污染和处理现状 水是人类的生命之源，是一种宝贵的自然资源。中国是水资源较丰富的 国家之一，水资源总量为2 8 12 4 亿m 3 ，位居世界第六，同时由于人口众多， 我国又是一个水资源严重缺乏的国家，人均占有水量仅有2 4 0 0 m 3 ，只有世 界人均的1 4 ，居世界第1 1 0 位，且水资源在我国地区分布极不均匀，水供 需矛盾十分突出。在全国6 6 0 个城市中有3 0 0 多座城市缺水，我国已被联合 国列为世界1 3 个人均水资源贫乏国家之一，缺水相当严重。另一方面， 随着人口的急剧增加、工业化进程的发展以及文明的不断进步，水污染和水 资源浪费现象十分严重，大部分工业废水和生活污水未经任何处理直接排入 江、河、湖泊，使水质受到严重污染。水污染逐渐成为一个全球性的环境问 题，并且影响着我国经济发展和人民生活水平提高，已经成为制约我国当前 社会、经济和生态环境可持续发展的重要因素之一。 近年来，随着社会主义新农村建设的深入开展和乡村城镇化进程的加 快，农村生活水平的不断提高，农村基础设施和环境面貌也发生了巨大变化， 随之农村生活污水的排放量也不断增加。目前常用于农村生活污水的处理模 式主要有以下三种：接入市政管网统一处理模式、集中处理模式和分散式处 理模式。 接入市政管网统一处理模式，就是将农村所有产生的污水经污水管道集 中收集后，统一接入附近的市政污水管网，利用城镇污水处理厂统一处理农 村生活污水。这种统一处理模式具有投资省、施工周期短、见效快、收集管 理方便等特点。但是，这种统一处理模式只适用于距离市政污水管网较近( 一 般在5 公里以内) ，符合高程接入要求的农村污水的处理。同时市政管网统 一处理模式需要有大规模的城市排水管网与之相配套，再加上中途的众多提 升泵站，投资运行费用相当高。 集中处理模式，是将农村产生的所有污水进行集中收集，统一建设污水 处理设施，处理农村的全部污水。污水处理可以采用自然处理、常规生物处 理和生态处理技术等。其主要的特征是：统一收集、统一输送、统一处理。 这种处理方式具有工艺成熟、抗冲击能力强、运行安全可靠、处理效果好等 特点。适用于农村相对密集、规模较大、经济条件好、村镇企业或旅游业相 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 对发达、处于水源保护区内的农村的污水处理，不适合分散居住或经济技术 相对落后的村镇。 分散式处理模式，是采用就地或聚集处理相对集中的农户污水。通常采 用自然处理或中小型污水处理设备等形式处理农村污水，能就地处理，就地 回用，实现了水平衡和水循环【2 1 。该处理模式具有建设布局灵活、施工简单、 管理方便、出水水质好、能实现中水回用等特点。适用于农村较分散、规模 较小、污水不易集中收集的农村污水处理。 1 2 分散式生活污水 1 2 1分散式生活污水的来源及特点 建设部和国家环境保护总局于2 0 0 0 年发布了城市污水处理及污染防治 技术政策，要求“对不能纳入城市污水收集系统的居民区、旅游风景点、 度假村、疗养院、机场、铁路车站、经济开发小区等分散的人群聚居地排放 的污水和独立工矿区的工业废水，应进行就地处理达标排放。”p j 因此，分 散式生活污水主要来源于不能纳入城市污水收集系统的居民区、旅游风景 区、度假村、疗养院、郊区及村镇等分散的人群聚居地排放的污水，主要包 括冲洗厕污水和洗涤废水【4 1 。分散式生活污水的组成物质主要是生活废料和 人畜的排泄物，通常含有大量的氮、磷等营养物质及细菌、病毒、寄生虫卵 等微生物，一般不含有毒物质，容易造成地表水及地下水的污染【5 】。因人口 密度、生活习惯、生活方式和经济程度等的不同，分散式生活污水的水质水 量存在较大的差异，所含有机物浓度也相对偏高。 分散式生活污水具有如下特点：种类多分布广且分散，水质水量变化大； 管网收集系统不健全，缺乏污水处理设施，属于粗放型排放；间歇排放，集 中在早、中、晚三个时间段，污水流量小且日变化系数大，一般在3 5 n 5 0 之间；污水成分复杂，但各种污染物的浓度较低，污水可生化性好【6 】。据统 计，“全国的水体污染中约有3 0 6 0 的污染来自分散式生活污水”【5 j 。并且 由于居民环保意识差、区域及技术条件等限制，这些污水通常不能纳入城市 污水集中收集系统，因此得不到很好的治理就就地排放，造成农村水环境污 染及湖泊富营养化，其对水体造成的污染日益严重，严重制约了我国社会经 济的发展，影响了农民的生活和健康l ，j 。 我国分散式生活污水的基础资料较缺乏，根据相关研究显示【s 】，我国分 散式生活污水水质状况如下：c o d c r 1 0 0 0 m g 。l 一，b o d s 5 0 0 m g l ，t n 为 3 5 4 5 r a g - l ，s s 5 0 0 m g l ，n h 4 + - n 为2 3 3 0 r a g l 一，t p 为5 8 m g l 。不 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 同的污染源，其排水水质有差异，所以水质的变化主要受分散式生活污染源 的性质所影响。 1 2 2 分散式生活污水处理面临的问题 随着城镇化进程的推进和农村生活水平的提高，农村生活污水的排放量 逐年增多，随之产生的分散式生活污水也越来越大。尽管城市生活污水二级 生物处理技术比较完善，但其投资运行费用高，不适合于治理分散式生活污 水。据统计，“日处理量为1 万吨的城市生活污水处理厂，投资成本约在1 5 0 0 万元左右，年运行费用约在1 5 0 2 0 0 万元”【9 】。另外，土地处理系统水力负荷 较低，处理水量越大，占地面积就越大，加上我国土地资源十分有限，实现 分散污水资源化的目标较严峻。此外，我国农村地区经济力量相对薄弱，缺 乏排水渠道，分散式生活污水处理设施运行方面的技术力量也比较薄弱，并 且缺乏专业的污水处理人员，因此很难完成污水处理厂的日常维护和管理， 无法达到城市生活污水处理厂的技术要求【1 0 12 1 。因此建设分散式生活污水处 理厂在经济上和技术上都是不合理的。随着大部分生活污水的随意排放，严 重污染了河水和地下水。综上所述，对于治理分散式生活污水，我们必需寻 求一种低投资、高效率、低运行成本、操作简便、管理方便的分散式污水处 理技术【1 3 15 1 。 1 2 3分散式生活污水处理技术的选择 国内外，污水分散处理技术主要包括化粪池、水解酸化、上流式厌氧污 泥床反应器( u a s b ) 等厌氧生物处理技术，序批式活性污泥法( s b r 法) 、生物 接触氧化法、曝气生物滤池( b a f ) 等好氧生物处理技术，快速渗滤系统、人 工湿地处理技术、稳定塘等生态处理系统，分散式生活污水处理率较低。同 时在国外，日本广泛应用的是小型污水净化槽和膜分离净化槽，用于处理缺 乏排水系统的边远乡村的混合分散生活污水 1 引。欧洲的许多国家也根据本国 特点开发了不同形式的小型污水处理装置【1 7 , 1 8 】。 分散式生活污水处理技术的选择原则主要包括【1 9 , 6 】： 处理工艺运行稳定，处理效率高，可使处理后的污水稳定达标排放， 出水可实现直接回用于生活杂用水、景观或灌溉用水等； 投资建设费用低； 运行费用低，不投加化学药剂，电耗低，节省能源； 运行和管理简单，对设备的操作和维护要求不高，能够利用当地技 术和管理力量就能正常运行； 节省占地面积； 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 应结合当地的自然地理条件，例如利用当地的废塘、涂滩、废弃的 土地等。 2 0 0 1 年1 1 月，建设部、国家环保局和科技部联合颁发实施的城市污 水处理及污染防治技术政策中明确指出：“因地制宜，在有条件的地方采 用土地处理等自然净化技术，将城镇污水处理与生态工程有机结合起来，对 分散的废水进行就地处理达标排放”【2 0 1 。根据我国的国情和经济、地理条件、 气候、人口分布等特点，研究开发因地制宜、低投高效、循环再利用的就地 污水处土地处理技术，是实现分散式生活污水处理无害化、资源化的有效途 径”【2 1 , 2 2 】。由于分散式生活污水具有有机物含量高，可生化性强、流量小等 特点，因此，对此类污水必须采取一次性投资及运行费用低、能耗低、运行 稳定低、维护管理方便的实用技术，才能解决我国分散式农村生活污水污染 问题。 1 3 人工湿地系统 1 3 1人工湿地系统的定义、优缺点及分类 1 3 1 1人工湿地系统的定义 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，简称c w ) 是2 0 世纪7 0 8 0 年代根 据天然湿地净化原理发展起来的一种污水净化生态工程技术，由水、永久性 或间歇性处于水饱和状态下的基质以及水生生物所组成，其净化机理主要是 通过湿地自然生态系统中的物理、化学和生物三重协同作用【2 3 1 。 绝大多数人工湿地由五部分组成：适合在饱和水和厌氧基质中生长的 植物，如芦苇、香蒲等；具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石等； 水体( 在基质表面下上流动的水体) ；好氧或厌氧微生物；无脊椎或 脊椎动物。其中基质、植物和微生物是人工湿地最主要的组成部分【2 4 1 。 1 3 1 2 人工湿地系统的优缺点 与常规的污水处理系统相比，人工湿地技术作为一种新型生态污水处理 技术，具有处理效果好、有较强的氮磷去除能力、抗冲击负荷能力强、投资 及运行费用低、不需要投加化学药品、运行维护方便、水生植物有一定经济 价值、管理简单以及良好的生态和环境效益等诸多优点【2 5 1 ，比较适合资金缺 乏、能源和技术人才短缺的中小城镇和农村，因而也越来越受到人们的重视 【2 6 1 。据统计，一般湿地系统的投资和运行费用为传统二级污水厂的1 1 0 1 2 。 同时人工湿地也存在系统易堵塞，运行周期短，占地面积大，迸水负荷 小，达到稳定状态所需时间较长，以及处理效果不稳定等缺点，严重影响了 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 人工湿地的处理效率【2 。 1 3 1 3人工湿地系统的分类 根据污水在人工湿地中的流动方式，可以把人工湿地划分为两种基本类 型：表流湿地( s u r f a ，c ef l o ww e t l a n d ，s f w ) 和潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o w w e t l a n d ，s s f w ) ，其中潜流湿地根据水流方向又可分为水平潜流湿地 ( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，ss f w ) 和垂直潜流湿地( v e r t i c a ls u b s u r f a c e f l o ww e t l a n d v s f w ) 。 表流湿地与自然湿地相类似，污水从湿地表面流过，自由水面暴露在空 气中，挺水植物、藻类和其他的浮游植物可以在自由水体表面生长，其水深 一般为0 3 。0 5 m 。表流湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，也 存在占地面积大，水力负荷低，去除效果有限，受气候影响较大，并且在夏 天会孽生蚊蝇、散发臭味，冬季寒冷地区表层易结冰等缺点。表流湿地通常 可以利用天然沼泽、废弃河道等洼地改造而成，因而其建设费用相对于潜流 人工湿地较低，并且表流湿地成熟期也较短，只需要3 4 个月 2 8 o 潜流湿地的水位维持在湿地床体基质层的表面下。在水平潜流湿地系统 和垂直潜流湿地系统中，基质分别维持饱水和不饱水状态，主要是因为进水 通常是间断性的，并且水能够通过不饱和的基质过滤( 相似于间断性砂滤) 。 潜流湿地中的基质能提供较多的空隙，延长了水流的停留时间，从而充分的 为填料表面生长的生物膜、植物根系及填料截留等作用提供介质【z 引，提高了 湿地的处理效果和处理能力；并且由于水流在地表下流动，潜流湿地保温性 好，处理效果受气候影响小，不易滋生蚊虫，卫生条件较好。潜流湿地是目 前国际上较多研究和应用的一种人工湿地处理系统，在相同水力停留时间 下，潜流湿地的水力负荷是表流湿地的2 3 倍【3 0 1 ，同时潜流湿地的投资比表 流湿地略高，但此系统成熟期相对较长。 1 3 2 人工湿地系统的净化机理 人工湿地系统对污水的净化机理十分复杂，主要是通过物理、化学及生 物三重协同作用净化污水 3 1 , 3 2 】。物理作用包括过滤、沉积作用，污水进入湿 地后，经过基质层及密集的植物茎叶和根系后，可以过滤、截留污水中的悬 浮物，悬浮物质进而沉积在基质中；化学反应包括化学沉淀、吸附、离子交 换、拮抗和氧化还原反应等；生物反应主要指微生物在好氧、兼氧及厌氧状 态下把污染物分解成简单分子、小分子等，实现对污染物的降解和去除【3 3 1 。 对悬浮物( s u s p e n d e ds u b s t a n c e ，简称s s ) 的去除：主要通过物理过程去 除，湿地系统成熟后，填料表面和植物根系中由于生长了大量微生物而形成 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 生物膜。废水流经生物膜时，大量的s s 被填料和植物根系阻挡截流。 对有机物的去除：水中可生物降解颗粒性有机物通常在系统中沉淀或过 滤后分解为溶解性有机物。有一部分有机物通过生物膜的吸收、同化及异化 作用而被除去，另一部分作为植物和微生物的营养吸收。 对n 、p 的去除：湿地系统中由于植物根系对氧的传递释放，使其周围 的环境中依次出现好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过 植物和微生物作为营养吸收将其除去，而且还可以通过硝化、反硝化作用将 其除去 3 4 , 3 5 ，最后通过更换湿地系统中的基质或收割栽种植物最终将污染物 除去。同时磷的去除主要是通过铝、铁、钙和沉积物中的黏土矿物的吸附、 沉淀作用3 6 1 ，潮湿、干燥环境的交替性增加了沉淀物中磷的含量 3 7 , 3 8 】。 对金属离子的去除：主要通过植物的吸收和生物富集作用、填料的吸附 沉淀作用、金属离子与s 2 - 形成硫化物沉淀等作用去除。 对细菌的去除：出水中细菌、大肠杆菌和寄生虫卵的含量是一项重要的 卫生学指标。湿地对细菌和寄生虫卵的去除机理主要通过根系分泌物对细菌 和寄生虫卵的灭活作用、在不利的环境条件下的死亡、以及填料层的沉淀和 过滤作用。 1 3 3人工湿地系统的应用范围 人工湿地系统是德国学者k i c h u t h 在7 0 年代提出的，之后在世界各地 逐渐受到重视并被广泛运用推广。这项技术广泛地应用于净化暴雨径流、处 理城市污水3 9 , 4 0 、养殖废水、纺织废水4 1 1 、工业废水 4 2 , 4 3 】、垃圾渗滤液和 酸性矿井排水 4 4 , 4 5 】等，尤其以水平潜流人工湿地应用最为广泛。人工湿地在 运行时受气候环境的影响大，因此在冬季需要考虑冰冻情况。 表流湿地的基质被水体覆盖，因此与污水接触的面积较大，主要适用于 一些污染负荷较轻的地表水的净化修复，通过与景观设计配合可以同时取得 良好的景观效果和经济效益。 潜流湿地相对于表流湿地，处理效果较好，因此应用范围相对较广。 1 3 4 人工湿地系统的国内外研究现状 1 3 4 1国外研究现状 人工湿地系统在国外应用较早，自1 9 7 4 年西德首先建造人工湿地系统以 来，该工艺在欧洲得到推广应用，之后在美国和加拿大等国也得到迅速发展。 c a r l e t o n 等人【4 6 】经过研究发现，暴雨径流人工湿地所处理的污水尽管水质水 量波动较大，但在稳定状态下一阶流湿地模型仍然适用。k a r a t h a n a s i s l 4 7 证 明了人工湿地处理生活污水的水力负荷与污染物去除率存在相关性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 h e a d l e y 4 8 】研究了不同水深的人工湿地对生活污水的净化效果的影响。 m o l l e 4 9 】对种有芦苇的垂直流人工湿地进行研究，表明水力负荷与污染物去 除率存在相关性。t a n i t a 5 0 】通过小试实验，对水温、有机碳、水力条件等影 响因素与湿地内反硝化作用的关系进行了探讨。c h r i s t i a n e 5 1 1 采用多级串联的 表面流人工湿地处理污水，或建造按一定面积比例分配的、多级的表面流+ 潜流组合人工湿地等。z y o u s e f i 等【5 2 】研究了种植的植物种类和种植范围的 不同，对潜流湿地中氮磷去除效率的影响。j a m e sn 等【5 3 】对表流湿地的运行 模型进行了研究。n g ot h u yd i e mt r a n g 等【5 4 】研究了垂直潜流湿地处理生活 污水的污染物去除机理以及水力负荷的影响，但未对水力负荷的影响进行显 著性分析。 1 3 4 2 国内研究现状 我国对人工湿地的研究起步较晚，在“七五”期间才开始对人工湿地的研 究，目前在国内也大量建立了大小规模不等的湿地。 早期对湿地的研究主要是基于机理、动力学和处理效率的研究，例如， 胡康萍【5 5 】结合了深圳白泥坑人工湿地处理工程的设计和试验，探讨了人工湿 地污水处理系统中的水力学问题。吴晓磊【56 】对人工湿地的构造及作用机理进 行了详细的研究。卢学强等人【7 】运用染料研究了水力停留时间对湿地污水处 理工程的影响。成水平等【5 8 】阐述了植物在人工湿地净化过程中的作用以及存 在的若干问题。廖新梯【5 9 】用种植风车草的人工湿地处理猪场废水，研究了人 工湿地处理废水中有机物的动态模型。付贵萍等人 6 0 3 采用一种新型的复合垂 直流湿地系统，对其反应动力学和系统的流态进行了研究。刘超翔等【6 l j 比较 了不同深度人工复合生态床处理农村生活污水的效果，并探明了脱氮除磷的 机理。吴振斌 6 2 】利用中试研究人工湿地在不同的水力负荷和气候条件下，研 究人工湿地对磷的去除效果。龚琴红等【6 3 1 、张荣社 6 4 , 6 5 1 研究了在不同水力 负荷、水力停留时间条件下，湿地处理低浓度生活污水的去除效果。 目前国内学者主要是对湿地内存在的问题和生态效益进行了大量的研 究。对人工湿地存在的堵塞问题，很多学者在传统人工湿地的基础上提出了 一些改良的方法。例如在传统潜流湿地的基础上，提高水流的曲折性，改用 波形方式的流态，增加水流路径，从而增强了吸收、吸附、沉淀的效果【6 引。 张翔凌【6 7 】以沸石、无烟煤、页岩、蛭石、砾石、陶瓷滤料、高炉钢渣、生物 陶粒等8 种基质为材料，在高水力负荷条件下，研究了不同基质在垂直流人 工湿地模拟柱中运行1 年的水力学特性和系统堵塞动态。李怀正【6 明用不可滤 物质的定量化分析方法研究了采取轮休措施对人工湿地堵塞程度的改善效 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 果和植物生长的影响。朱伟【6 9 】用化学溶脱法解决了人工湿地填料的有机堵塞 问题。这些研究都未能显著解决湿地堵塞问题。叶建锋【7 u j 根据垂直潜流人工 湿地发生堵塞的成因首次提出了基质问不可滤物质积累微观概念模型的假 设。宋新山等【7 1 】研究了在4 种布水方式( 一般水平流式、波流式、对角流式、 多点进水式) 下水平潜流人工湿地的脉冲示踪剂试验，获得了不同布水方式 的水平潜流人工湿地的水力停留时间分布曲线，研究了在不同布水方式下水 平潜流人工湿地的水力效率，但缺少不同布水方式下湿地的净化机理研究。 代嫣然等 7 2 1 研究了如何提高人工湿地对低碳高氮废水中氮的去除效率。 1 3 5影响人工湿地系统：争化效果的因素 人工湿地对污水的净化主要是基质、水生植物和微生物共同作用的结 果。因此人工湿地的净化效果受基质、环境温度、植物品种、微生物、水力 负荷以及水力停留时间等影响较大。 ( 1 ) 折流式稳定表流湿地中植物的筛选与布局。适宜人工湿地系统种植 的水生植物种类很多，并且水生植物的生长环境、生长特性、及向根部输送 氧气的能力以及植物根际微生物的特性等对湿地净化污水都存在影响i7 3 o ( 2 ) 基质的选择以及基质配比。人工湿地中的基质除了为水生植物和微 生物的生长提供载体外，对污染物净化也起到重要的作用。当污水流经人工 湿地时，基质通过一些物理和化学的作用( 如吸收、吸附、过滤、离子交换、 络合反应等) 来净化污水中的n 、p 等营养物。水力传导性是选择湿地基质 时需要考虑的一个主要因素。 ( 3 ) 水力停留时间( h r t ) 是人工湿地最重要的设计参数。湿地处理水 量和深度一定时，h r t 越长，湿地的面积越大，处理效果越好【7 引。 ( 4 ) 随着水力负荷的增大，进入到湿地系统的有机物增多，使系统内溶 解氧含量下降。人工湿地中污染物的去除速率与其负荷率呈正相关【7 5 1 。并且， 水力负荷和水力停留时间对沉淀、过滤作用的影响也较大。 ( 5 ) 温度对湿地中微生物的生化反应速率和水生植物的生长有显著的影 响。 ( 6 ) 人工湿地中的许多生化反应也会受到p h 值的影响，尤其是p h 值对 除磷基质的选择有重要影响。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 1 4 稳定塘系统 1 4 1稳定塘系统的定义、分类及优缺点 1 4 1 1 稳定塘系统的定义 稳定塘的研究和应用始于上世纪初，5 0 一6 0 年代以后发展迅速。稳定塘， 又称氧化塘或生物塘，是一种利用天然净化能力处理污水的生物处理构筑物 的总称，与自然水体的自净过程相近，主要是利用适当修整的土地，或设了 围堤和防渗层的污水池塘。 1 4 1 2 稳定塘系统的分类 稳定塘按塘内的微生物类型、供氧方式以及功能可分为五种：好氧塘、 兼性塘、厌氧塘、曝气塘和深度处理塘引。 ( 1 ) 好氧塘：好氧塘的深度较浅，一般在0 5 m 左右，阳光能透入塘底。 在有机负荷值较低时，塘内存在着藻菌及原生动物的共生系统，有阳光照射 时，塘内以藻类为主的水生浮游植物在光合作用下，+ 释放出大量的氧，并且 由于风力的搅动作用，塘表面还可以进行自然复氧，二者作用使塘内呈良好 的好氧状态。塘内的好氧异养微生物通过好氧代谢氧化分解有机污染物并合 成自身细胞质，产生的代谢产物c 0 2 还可以作为藻类光合作用的碳源。 ( 2 ) 兼性塘：兼性塘深度较大，一般在1 0 - 2 5 m ，上层( 从塘面到一定 深度0 5 m 左右) 阳光能够照射透入的部分，为好氧层，藻类的光合作用和 大气的复氧作用使其塘内具有较充足的溶解氧浓度，呈好氧状态，由好氧异 养微生物对有机污染物起净化的作用；中层溶解氧逐渐减少，为兼性层，存 活着大量的兼性微生物，对有机污染物的去除主要由兼性微生物起作用，塘 底无溶解氧，为厌氧层，塘底为沉淀的污泥和衰死的藻类和菌类形成的污泥 层，沉淀污泥在池底进行厌氧分解。兼性塘的净化作用是由好氧、兼性、厌 氧微生物协同完成的。 ( 3 ) 厌氧塘：厌氧塘的有效水深较深，有效深度( 包括污泥层深度) 为 3 。5 m ，呈厌氧状态，污染浓度高，净化速度低，污水停留时间长，依靠厌 氧菌的代谢功能净化有机污染物，厌氧塘一般作为高浓度水量不大的有机废 水的首级处理工艺。 ( 4 ) 曝气塘：采用人工曝气装置充氧，塘深在2 o m 以上，污水在塘内停 留时间较短，曝气塘所需容积及占地面积较小，同时由于采用人工曝气措施， 耗能及运行费用增加。曝气塘又可分为好氧曝气塘和兼性曝气塘两种。 ( 5 ) 深度处理塘：又称为三级处理塘、熟化塘，属于好氧塘，通常深1 1 5 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 m 。其进水污染物浓度较低，处理对象主要是传统二级污水处理厂处理后的 出水，用以提高出水水质，以适应收纳水体或回用水对水质要求。 除以上几种常见的稳定塘外，我们在塘内种植水生植物，以提高对污染 物的净化效果以及实现资源化利用；同时也可以在塘内放养鱼、鸭、鹅等， 通过食物链形成复杂的生态系统，以提高对污染物的净化效果【7 7 o 近年来为 了克服稳定塘存在的不足，开发了组合塘( 多级串联塘和高级综合塘) 和新 型塘( 例如高效藻类塘和水生植物塘) 等多种新型工艺，进一步强化了稳定 塘的优势【7 戤珂j 。 1 4 1 3 稳定塘系统的优缺点 稳定塘能够充分利用地形，基建投资和运转费用低，能耗少，维护和维 修方便，能有效去除污水中的有机物和病原体，无需污泥处理，实现了污水 资源化等优点。稳定塘技术作为一种低成本、易操作维护的污水生态处理技 术，其基建费仅为常规二级处理厂的l 5 l 3 ，运行维护费为传统二级处理的 1 2 0 。1 1 0 8 0 】。但也存在一些弊端，主要有：占地面积大，有机负荷低； 污水净化效果在很大程度上受季节、气温、光照等自然条件的影响i 防渗 处理不当，则地下水可能遭到污染；易散发臭气并易于滋生蚊蝇等；污 泥淤积，使有效池容减小：悬浮的藻类使出水c o d 较古l 引j 。 1 4 2 稳定塘系统的净化机理 稳定塘主要是利用菌藻共生原理处理废水中的有机污染物，细菌代谢活 动所需的0 2 由藻类通过光合作用提供，而其代谢产物c 0 2 又提供给藻类用 于光合反应的碳源。稳定塘对污水的净化作用主要有6 个方面：稀释作用， 是一种物理过程，没有改变污染物的性质，只是为净化作用创造了条件； 沉淀和絮凝作用，稳定塘中含有大量具有絮凝作用的生物分泌物，使污水中 的细小悬浮物产生絮凝作用，聚集成大颗粒而沉于塘底；好氧微生物的代 谢作用，是稳定塘去除污染物的主要途径，依靠细菌的氧化作用降解；厌 氧微生物的代谢作用，主要是对兼性塘的塘底沉积层和厌氧塘中的有机污染 物进行厌氧发酵分解；浮游生物的作用，例如藻类可以供氧或去除氮磷等 污染物，原生动物、后生动物及一些浮游动物可以吞食游离细菌和细小的悬 浮状污染物和污泥颗粒；水生维管束植物的作用，水生植物即可以吸收氮、 磷等营养，提供氧份，也可以为