（环境工程专业论文）无土栽培在生活污水深度处理中的应用研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 以西南科技大学污水厂二级出水作为无土栽培生活污水深度处理系统的 进水，分别在春夏秋冬四季对兰草静态处理系统和动态处理系统进行实验研 究。实验系统选用吊兰和吉祥兰两种兰草，并对这两种兰草系统去除污水中 氮磷的效果进行了研究。 通过对兰草动态系统的研究，吊兰动态系统对污水中氮磷的去除效果受 四季变化的影响较小，而吉祥兰动态系统则受四季变化的影响较大：吊兰动 态系统对污水水中氮磷的去除效果优于吉祥兰动态系统。 经过二级兰草动态系统的处理，系统出水中氨氮的浓度为4 2 0 3 m g l 或 3 6 4 2 6 m g l ，硝态氮和亚硝态氮的浓度为2 8 0 2 m g l ，总磷浓度在0 2m g l 左右，基本可达城市再生水回用标准。 系统中兰草的长势良好，兰草的茎叶和根系均有明显的生长，并开出白 色( 吊兰) 和淡紫色( 吉祥兰) 的花。 ， 总之，无土栽培生活污水深度处理系统有效去除污染物的同时，能产生 一定的景观价值和经济效益，能整体上降低污水处理成本；且其可极大限度 地利用污水处理厂的有限空间，尤其适用于小城镇或居民小区污水的深度处 理。 关键词：无土栽培兰草生活污水深度处理 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t u s i n gs e c o n d a r yt r e a t m e n t w a s t e w a t e rf r o ms o u t h w e s tu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta si n f l o wo fs o i l l e s s c u l t i v a t e dd o m e s t i cw a s t e w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n ts y s t e m ，i tw i l le x p e r i m e n t w i t ho r c h i ds t a t i ca n dd y n a m i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e mi nf o u rs e a s o n s c h o o s ec h l o r o p h y t u r nc o m o s u ma n dp u r p l eo r c h i dt oc o m p a r et h e s et w oo r c h i d s y s t e m s n & pr e m o v a le f f e c t i o n b yo r c h i dd y n a m i ct r e a t m e n ts y s t e m se x p e r i m e n t s ，c h l o r o p h y t u r nc o m o s u m t r e a t m e n ts y s t e mc a nr e m o v en & pf r o mw a s t e w a t e re f f e c t i v e l y , a n dt h es e a s o n s c h a n g e w i l la f f e c ti tl e s st h a np u r p l eo r c h i dt r e a t m e n t s y s t e m a n d t h e c h l o r o p h y t u r nc o m o s u r nt r e a t m e n ts y s t e mr e m o v e sn & p f r o mw a s t e w a t e rm o r e e f f e c t i v e l yt h a np u r p l eo r c h i dt r e a t m e n ts y s t e m k i n d so fn u t r i e n ts u b s t a n c e sc o n c e n t r a t i o ni ns e c o n d a r yo r c h i dd y n a m i c t r e a t m e n ts y s t e m so u t f l o wa sf o l l o w ，n h 4 + ：3 6 4 2 6 m g lt o4 2 0 3 m g l ；n i t r a t e n i t r o g e n & n i t r i t en i t r o g e n ：2 8 0 2 m e l ；t - pc a nr e a c ho 2 m l a f t e rt r e a t i n g ， w a t e rc a nr e a c ht h es t a n d a r d so fr e c l a i m e dw a t e rq u a l i t yb a s i c a l l y i nt h e s ed o m e s t i cw a s t e w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n ts y s t e m s ，o r c h i d sg l o w w e l l ；a n do r c h i d s c a u d e x e s a n dl e a v e sa l s o g l o ww e l l ；a n d t h ew h i t e ( c h l o r o p h y t u mc o r n o s u r n ) a n do r c h i d ( p u r p l eo r c h i d ) f l o w e r sa p p e a n u s i n g s o i l l e s sc u l t i v a t e d s y s t e m s ，t h e y n o t o n l y r e m o v e p o l l u t a n t s e f f i c i e n t l y , b u ta l s oh a v es o m el a n d s c a p i n gv a l u ea n de c o n o m i cb e n e f i t s b yt h i s w a y , t h et o t a lc o s to fd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tc a nb er e d u c e d ，a n dt h e l i m i ts p a c ei nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t f a c t o r y c a nb e u s e de f f i c i e n t l y t h i s t r e a t m e n tw a yc a nb ea p p l i e di ns m a l ls i z e do rr e s i d e n c ec o m m u n i t yw a s t e w a t e r t r e a t m e n t k e y w ords ： s o i l l e s s c u l t u r e ；o r c h i d ；d o m e s t i cw a s t e w a t e r ；a d v a n c e d t r e a t m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 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 西南科技大学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：匈雪舯 只期：啦如t 可 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 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 的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：匈崤褂导师繇 日期：矿酊4 r 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1污水深度处理现状 城市污水经传统的二级处理以后，虽然绝大部分悬浮固体和有机物被去 除了，但还残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮磷等化合物；污水厂 出水常含b o d 52 0 - 3 0 m g l 、c o d4 0 - 10 0 m g l 、s s2 0 3 0 m g l 、t n 2 0 5 0 m g l 、t p6 1 0 m g l 。其中氮磷为植物营养物质，能助长藻类和水生生 物，引起水体的富营养化，影响饮用水水源。如果接受污水的水体是城镇 的水源，且稀释倍数( 水体流量与污水流量之比) 又较小，那么二级处理污 水厂出流的水质需进一步改善。城市污水深度处理，也称高级处理或三级处 理，一般是污水回用必须的处理工艺。它是将二级处理出水再进一步进行物 理化学和生物处理，以便有效去除污水中各种不同性质的杂质，从而满足用 户对水质的使用要求旺，。污水深度的处理方法根据二级出水的性质不同，有 不同的处理方式，以下为目前常用的几种污水深度处理的方法：活性炭吸附 法、臭氧法、臭氧生物活性碳吸附法、膜分离法、光氧化法、湿地系统b 。”。 2 0 世纪8 0 年代以来国内外城市污水回用工艺有两个发展趋势，一是沿 用二级、三级处理工艺，并向多目标回用方向发展；二是发展高效生化处理 与臭氧氧化、活性炭吸附、膜处理技术相结合的二、三级合并处理工艺，出 水可以达到饮用水的水平。 目前，我国城市污水深度处理或三级处理已在应用的工艺有：混凝、沉 淀、过滤等常规工艺，微絮凝过滤法以及生物接触氧化后纤维球过滤、生物 活性炭过滤等方法。张树德等以城市生活污水的二级出水为研究对象，采用 a n a m m o x 下向流生物滤池，当二级出水n h 3 n = 1 5 - - 3 5 m g l ， c o d 。，= 2 5 4 5 m g l ，t o c = 9 1 2 m g l ，水温= 2 5 - 2 8 时，a n a m m o x 下向流 生物滤池脱氮率达8 0 l o o ；试验中还发现，厌氧氨氧化反应速率与n 0 2 - - n 含量有关，原水中n 0 2 - - n 含量的增多有利于工艺处理效果；该法不仅适用 于城市生活污水深度处理中，还可以用于处理高氨废水“”。贾建军、陈吕军 应用曝气生物滤池一纤维球过滤器结合的工艺对枣庄城市污水进行深度处理 可以有效去除二级处理出水中c o d c ，、b o d 5 、s s 、氨氮等，最终的平均去 除率分别为3 9 、8 0 、9 3 7 和7 3 5 ；处理后的出水不仅达到了g b 8 9 7 8 1 9 9 6 一级排放标准，而且达到了城市生活杂用水的标准”。曝气生物滤池 处理工艺占地小，造价比较低，运行操作简单，因此在污水回用领域值得推 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 广。李贺等将从污水中分离的小球藻包埋于褐藻酸钙胶球中，对人工配制的 市政污水进行深度处理；研究了藻细胞负载、饥饿处理等因素对污水中 n h 4 + - n 和p 0 4 3 - p 的去除效率的影响以及处理过程中藻类的生长变化；结果 表明，当细胞负载低于7 0 0 万细胞胶球m l 时，反应器对氮磷的去除率随细 胞负载的增加而增加，而单位细胞对氮磷的去除量却随负载的增加而减少； 对藻细胞进行饥饿处理，并不影响其细胞增殖量，但可明显提高其对n h 4 + - n 和p 0 4 3 - _ p 的去除效率，在3 d 内对n h 4 + - n 和p 0 4 3 - p 的去除率分别比对照净 提高了1 3 和2 9 n ”。 污水深度处理在经济发达国家已在推广，甚至普及。国外深度处理方法 很多，主要有混凝澄清过滤法、活性炭吸附过滤法、超滤膜法、半透膜法、 微絮凝过滤法、接触氧化过滤法、生物快滤池法、流动床生物氧化消化法、 离子交换、反渗透、臭氧氧化、氯吹脱、折点加氯等工艺。f r a n c e s c of a t o n e 等利用膜生物反应器( m b r ) 自动交替循环系统深度处理低浓度城市污水 ( t s s = 1 3 6 m g l ，c o d = i1 3 m g l ，t k n = 2 2 m g l ，p t o t = 2 4 m g l ) ，试验表明经 该系统处理后，尽管在缺少必要的易降解有机碳的情况下，氮的去除率仍然 好( 6 7 ) ，这要归功于交替循环过程的适应性：而且超滤膜的良好滞留能力使 得系统对重金属和多环芳香烃( p a h ) 的去除率较高；且出水达到意大利污水 回用标准”。德国的j d i t t r i c h 等将三种不同的膜孔径均在0 2 1 x r n 的微滤膜系统 ( 平板式、管式、中空纤维式) 用于城市污水的深度处理，平板式和管式均 采用错流的运行方式，中空纤维式则采用终端流的方式运行，以柏林r u h l e b e n 污水厂的出水为原水，对三种系统进行测试；结果表明：三种系统出水中的 大肠杆菌数均低于l c f u 1 0 0 m l ，总磷的浓度在6 0 9 0 1 鸩：, l ；在微滤膜系统中投 加少量三价铁后，出水中的总磷均低于5 0 h g l ：且采用终端流的中空纤维式 微滤膜系统的能耗较低，其能耗量低于错流式的i 5 ，但当大量进水中含有低 浓度的固体物质时，需进行预处理n ”。 1 2 植物净化水质的净化作用研究 1 2 1植物的营养及吸收 ( 1 ) 植物必需的营养元素n ”， 由于植物遗传性状的制约和环境因素的影响，各种植物体内化学元素的 含量不相同，即使是同一品种，生长环境不同，其组成元素的种类和含量也 不同。植物体内所含的这些元素并不都是它生长发育所必需的，而有些元素， 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 虽然它们在植物体内含量可能极微，但恰是植物生长不可缺少的。如果缺少 这些元素，植物的新陈代谢活动就会受阻。必需元素在植物体内不论数量多 寡都同等重要，任何一种营养元素的特殊功能不能为其它元素所替代，这就 是营养元素的同等重要律和不可替代律。迄今为止已被确认的必需元素有1 6 种：碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、硼、锌、铜、钼、氯。 这些必需元素在植物生长过程中所起的作用： 植物细胞结构物质及其代谢活性化合物的组成成分，如碳、氮、磷等； 在植物体内以离子状态存在，并以不同方式对植物生命活动起着调节 作用，如酶活性的调节等； 电化学作用及渗透调节，如钾、氯等； 与体内其它物质结合成脂化物参与物质代谢和运输，如磷、硼等 作为重要的细胞信号传导信使。 i 氮素的生理功能 植物吸收的主要氮素形态是硝态氮和铵态氮。虽然氦素在植物体内的含 量不太大，约占干重的1 2 ，但其对植物的生命活动以及植物的产量和品 质是极其重要的。 氮是组成蛋白质和核酸的重要成分，蛋白质中氨的含量占1 6 1 8 。 氮是组成叶绿素的成分，叶绿体干物质中蛋白质含量约占4 5 6 0 ， 凡叶绿素的形成受到抑制时，就会表现出缺绿现象。 氮是酶和多种维生素的成分。酶的主要成分是蛋白质，它是植物体内 新陈代谢的生物催化剂，直接影响着植物体内生物化学反应的方向速度。且 植物体内中的一些维生素，如v b l 、v b 2 、v b 6 等以及生长素，其分子中都 含有氮素，没有氮这些物质就无法形成。 i i 磷的生理功能 磷主要以正磷酸盐的形式被植物吸收，其存在的多少，由外界环境中的 p h 值决定。 磷是组成细胞质和细胞核的主要成分； 磷参与植物的碳水化合物代谢、脂肪代谢和蛋白质代谢，且与这些代 谢关系密切； 磷直接参与植物光合作用的生化过程； 植物细胞液中的磷酸盐起着缓冲作用和维持定渗透势的作用。 ( 2 ) 植物对营养元素的吸收“州 根部是植物吸收养分的主要器官，吸收养分最活跃的部位在根毛形成区， 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 不同于吸收水分的活跃区域根毛区。根毛形成区呼吸代谢旺盛，紧靠疏导组 织发育完善的根毛区，吸收的离子易于运输，加之有根毛正在形成，吸收的 表面积巨大，这些特征有利于根系从外界溶液吸收矿质离子。 根系吸收养分离子分两个阶段： 快速阶段，即离子由外部进入根部表现自由空间。在这个空间中，由 于细胞壁及细胞间隙中果胶物质带有负电荷，进入表现自由空间的各种离子 以代换吸附和杜南扩散形式被细胞壁吸附。低温、缺氧和呼吸抑制剂对这一 阶段的离子吸收影响很小，这是不需代谢能的物理过程。 缓慢阶段，即离子由表现自由空间通过质膜进入细胞内部。在这个过 程中，由于质膜的半透性，使某些离子可以逆浓度梯度进入细胞，又阻止另 外一些离子进入，是以消耗代谢能为主的主动吸收过程。 1 2 2 植物净化水质的机理 植物治理有机污染物一般认为是比较困难的，因为有机物在植物体内的 存在形态难以分析，其中间代谢产物异常复杂而又难以观测其在植物体内的 转化，但相比于微生物降解而言，其更易于就地处理且异常方便，因而近些 年来，关于植物对有机污染的治理研究较多，有的已达到野外实际利用的水 平。同化学和工程治污方法相比，它是一种更为廉价的方法，并能带来中长 期的环境效益。因此，许多国家，尤其在美国，对利用植物治理污染的研究 日渐重视。 植物对有机污染物的去除机制有以下几个方面乜”，： ( 1 ) 植物对有机污染物的直接吸收。植物将有机物吸收进体内，再将其无 毒性的中间产物储存于植物组织中，使亲水性有机污染物传化成自身的组成 成分。有机污染物进入植物体内后通常被分解，分解产物通过木质化作用保 存于木质素中，也可通过代谢和矿化等作用将其转变为二氧化碳和水，或其 它无毒代谢物，这是污染物去除的重要机制。 ( 2 ) 植物释放的分泌物和酶刺激微生物的活性加强其生物转化作用，此外 有些酶也能直接分解有机污染物。植物通过根区的过滤、质液分流、以及根 区分泌的多种酶和有机酸，这些酶和有机酸为微生物提供了营养物质，从而 加快了微生物的繁殖；同时，根区及其与之共生的菌群增强，刺激根际周围 具有降解化学物质能力的细菌的生长。 ( 3 ) 微生物的降解作用。水生或陆生植物的存在，为微生物和微型动物提 供了附着基质和栖息场所。这些生物可以加速根系周围的有机交替或悬浮物 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 的分解矿化。如芽胞杆菌能将有机磷、不溶解磷降解为无机的、可溶的磷酸 盐，使植物能直接吸收利用。水生植物的根系能分泌促进嗜氮、嗜磷细菌生 长的物质，从而间接提高净化率。 1 3无土栽培及其在污水处理中的意义 无土栽培( s o i l l e s sc u l t u r e ) 是指不用天然土壤，而用营养液或固体基质加 营养液栽培作物的方法。固体基质或营养液代替天然土壤向作物提供良好的 水、肥、气、热等根基环境条件，使作物完成从苗期开始的整个生命周期幢”。 过去甚至日本、英国等国家的有些学者认为无土栽培主要指营养液栽培，所 以无土栽培有时又称为营养液栽培、水培、水耕、溶液栽培、养液栽培等。 近十年来，我国广泛推广应用有机基质无土栽培技术，用含有一定营养成分 的有机基质作载体，栽培过程中浇灌低浓度营养液或阶段性浇灌营养液，有 时完全不用营养液而施用有机固体肥料并进行合理灌水( 有机生态无土栽 培) ，大大降低了一次性投资和生产成本，简化了技术。 无土栽培的特点是以人工创造的根系环境或人工模拟大自然环境来取代 自然土壤环境。这种人工创造的植物根系环境，不仅满足植物对矿质营养水 分和空气条件的需要，而且能人为地控制或调整来满足植物对矿质营养水分 和空气条件的需要，而且能人为地控制或调整来满足甚至促进植物的生长和 发育，并发挥它的最大生产能力，获得最大经济效益或观赏价值。 在污水深度处理工艺方面，生物膜法和膜生物法等常规污水人工生物处 理，都存在着基建投资大，运行费用高、剩余污泥处理难度大等缺点；活性 碳吸附由于投资大等原因限制了其大规模推广使用；而光氧化法由于其运行 费用过高等原因也限制了其推广使用。由于我国的经济发展水平所限，不可 能像发达国家通过修建三级污水处理厂进行污水深度处理，实现污水资源化 利用，解决水污染问题n ”。 纵观现有的污水深度处理方法，最经济处理效果较好的应属人工湿地处 理系统。人工湿地是一种有人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的地面， 它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的 净化心”。这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填 料( 如砾石等) 混合组成填料床，废水可以在床体的填料缝隙中流动，或在 床体的表面流动，并在床的表面种植具有处理性能好，成活率高，抗水性能 强，成长周期长，美观及具有经济价值的水生植物( 如芦苇等) ，形成一个独 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 特的生态环境，对污水进行处理。国内外研究表明，对于低浓度进水，其b o d 5 的去除率可达8 5 9 5 ，c o d 的去除率可达8 0 以上，对氮的去除率可达 6 0 ，对磷的去除率可达9 0 以上。但其占地面积较大，约为其他处理方法 的1 2 倍幢”。但其占地面积大，不能有效利用地形空间，且对土壤的消毒较 困难。 从某些方面来说，无土栽培法深度处理污水也属于人工湿地的一种，所 不同的是无土栽培处理法所用基质是除土壤外的其他固体物质( 如沙砾、岩 棉、塑料泡沫、海绵等) ，或直接将植物种于污水中( 如水生植物稳定塘) 等。 与人工湿地相比较，其不受地域的限制，可有效利用污水处理厂的有限空间。 其优点如下： 无地域限制由于无土栽培处理法对土壤几乎没有要求，可根据当 地的地域和气候条件选择适宜的植物进行污水的深度处理。 充分利用有限空间无土栽培处理法使植物种植摆脱了土壤的约 束，可极大地扩展有限的污水处理厂可利用空间；尤其是中小城镇或居民小 区的污水处理。这与无土栽培的基质选择有关，选择轻质基质可实现植物的 立式和袋式栽培，选择重质基质则需槽式栽培，充分利用无土基质的这种特 性可充分利用有限的空间。例如，在不妨碍植物光照的情况下，利用支撑架， 在最底层进行槽式栽培，中层或上层使用轻质基质进行无土栽培；且实现了 植物对污水的多级处理。 降低污水处理成本污水的处理一直都围绕着氮磷的去除进行，大 多数污水处理厂均采用活性污泥法处理污水。由生物脱氮除磷的机理可知： 在微生物的作用下，在好氧条件下污水中的n h 4 * 转化为n 0 2 - 和n 0 3 一，再在 厌氧条件下将n 0 2 - 和n 0 3 - 还原为氮气，从而达到去除污水中氮的目的；磷 的去除则利用微生物厌氧释磷好氧过量摄磷的特点，来去除污水中的磷似”。 由于氮磷的去除条件刚好相反，因此两者的同时高效去除是很难满足的：且 要在处理过程中保持污水中高溶解氧量，对能源的消耗也较高。因此，在满 足污水中有害物质如病菌等高去除率的情况下，充分利用植物对污水中氮磷 的高吸收率的特点，可适当降低二级处理强度，到达降低能耗的目的。同时， 由于无土栽培的植物更能充分地吸收污水中的营养物质，因而其生长周期较 土壤栽培短，且长势强、产量高、品质好。因此，可在短期内产生一定的经 济效益，从而从整体上降低整个污水处理的成本。 实现污水深度处理和资源化的统一目前国内外或将污水处理厂 二级出水直接排放到水体，或进一步处理后部分回用于农田灌溉、景观绿化、 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 街道冲洗等m ，。前者容易造成水体的富营养化；后者虽充分利用了水资源， 但仍存在总体运行费用较高的问题，且在国内不易大范围推广。污水厂二级 出水中含有大量的氮磷，这正是植物生长所需的必要营养元素，尤其对观叶 植物和绿叶作物而言，其对氮磷的需求较大；利用这些植物吸收污水中的氮 磷，在达到去除污水中氮磷目的的同时，也产生了景观效益和经济效益。 易管理土地处理系统中土壤的处理和消毒不仅困难、成本可观， 而且缺乏高效药品、消毒难以彻底，致使土壤种植数年后，效益急速下滑， 直至停种n “。无土栽培处理法可以从根本上避免上述问题，每收获一茬作物 之后，只要对栽培设施进行必要的清洗和消毒就可以马上投入使用n ”。另外， 若条件允许，实现无土栽培处理系统的机械化和自动化，可大大降低劳动强 度，节省劳动力，提高劳动生产率。 一 根据污水和无土栽培的特点，可利用无土栽培法处理多种废水以及净化 富营养化水体。李芳柏、吴启堂利用美人蕉( c a n n ag e n e r a l i s ) 、蕹菜( i p a n o e a a q u a t i c a ) ( 旱生品种) 、水稻( o r y z as a t i v a ) ( 三源种) 、野生稻( 0 s a t i v a ) ( 广 西玉林) 对华南农业大学的化粪池的废水进行处理，其采用5 c m 厚的聚苯乙 烯泡沫板作浮体，用小塑杯与碎石固定，株行距美人蕉为2 0 c m x 3 0 c m ，其它 为2 0 c m x 2 0 c m ；该实验分为静态系统、沉淀池一美人蕉池一蕹菜池3 级塘系 统、人工土快滤一美人蕉一蕹菜符合系统；结果表明，静态试验中c o d 、t n 、 t p 等污染物的平均去除率，4 种植物处理比对照分别高出8 7 1 9 8 、 2 0 3 6 6 6 、2 3 5 6 1 7 ；4 种植物对污染物的去除能力为美人蕉、蕹菜 水 稻 野生稻；3 级植物塘系统中污染物去除率分别b o d 57 9 7 、c o d7 1 1 、 t n6 6 5 、t p6 0 7 ，而人工土快滤与植物塘的复合系统中则为b o d 5 8 3 9 、c o d7 9 - 3 、t n6 4 8 、t p4 0 9 ；栽培植物能大大提高废水的总 氮、总磷的去除率，尤其是美人蕉和蕹菜，但水稻和野生水稻对提高水中溶 解氧量的能力较美人蕉和蕹菜好；将快滤系统与植物处理系统相结合可用于 小城镇和小别墅、居民区等地的生活废水处理n ”。 利用富含氮磷的养殖废水与不同品种的水生活陆生植物组成鱼菜共生、 鱼草共生净化系统，或养殖废水一植物处理一养殖场用水循环系统，采用静 态或动态的方法，使养殖废水得到净化和回用，并产生一定的经济效益” 1 。 吴伟明等在鱼塘水面采用浮床无土栽培美人蕉，不仅鱼塘水质得到了良好的 净化，而且美人蕉长势较好，对整体环境有一定的美化作用n ”。谭洪新等对 闭合循环水产养殖与蔬菜水栽培综合生产系统中进行暗纹东方豚养殖和蔬菜 水栽培技术研究：水栽培蔬菜对养鱼废水的净化效果表明，水栽培蔬菜对氨 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 氮、亚硝氮、硝氮、总氮、磷酸盐和c o d 的最大去除率分别为5 7 4 6 、5 1 7 2 、 3 7 、1 0 6 7 、9 7 2 和2 1 7 8 ；水栽培蔬菜进水和出水的平均n p 比分别为 6 6 0 ：l 和6 5 3 ：l m l 。 目前国内外对水体的净化逐渐倾向于利用植物的浮水栽培或以一定固体 基质固定植株的方法来净化富营养化的水体，并取得了一定的成功，尤其是 在国外利用水生植物净化水体己成为一种趋势。将香根草、香蒲、凤眼莲、 芦苇、风信子、水葱、风车草、蜘蛛兰、富贵竹、水稻、黑麦草等植物栽种 于富营养化水体中扭圳m ，由于这些植物与水体中的藻类对氮磷等营养物质 的吸收有竞争作用，从而抑制水体中藻类生长及分泌有毒物质；同时水体中 藻类因得不到足够营养而死亡。另外，这些喜水植物不但对富营养化水体中 的氮磷吸收能力强口”，某些植物如香根草还可以对一些特定的污染物有较强 的吸收并富集于体内的作用，通过对这些植物的收割从而将污染物从水体 中去除。刘淑嫒等利用泡沫板和蛭石袋两种人工基质进行无土栽培，对所选 的水芹、多花黑麦草、水蕹菜、牵牛、串紫、串红等植物经过室内实验和现 场实验观察，植株生长良好，其叶长、株高、根长均有显著增长；且植物的 根系及其根系表面所附着的生物膜，分泌了大量的酶，加速水体中大分子污 染物的降解过程，使水质得到净化，富营养化水体中的t n 、n h 4 n 、n 0 3 n 、 t p 、p 0 4 p 等的去除率可达8 0 以上；既改善了水质，获得环境效益，又有利 于经济作物的生长，得到了经济效益h ”。 在污水处理上利用无土栽培经济植物的前景广阔，但离生产上的使用还 有距离，还需要在许多方面开展工作。例如无土栽培设备的高效、经济、规 范方面，在栽培植物物种的选择及其季节配置方面，在种植、采收技术的自 动化方面，以及市场信息方面，都需进一步的研究。 1 4 研究目的和内容 1 4 1研究课题的目的和意义 ( 1 ) 研究目的 通过试验，确定植株的选择、植株数的确定、进水的方式、水力停留时 间等参数，从而达到去除污水中氮、磷的最佳处理效果的目的；以及通过对 植株的重量、叶片数等的测定和外观变化的观察，确定适用于污水处理且能 产生经济价值的植物。 ( 2 ) 研究意义 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 在净化水质的同时可用于栽种植物，使其产生经济效益，从而从整体上 降低污水处理成本，并给与其科学的、真实的理论基础；特别是对于干旱地 区，可提高水资源的利用率，同时又提高了植物产量。该法对地下水造成污 染的几率极小，且不受地域的限制。 1 4 2 研究内容 二级处理出水中的s s 、b o d 5 、c o d 等都在前期人工处理中得到了有效 去除，但水中氮磷含量达不到二级出水标准，将二级处理出水作为该无土处 理系统的进水，其残余的污染物在无土基质一微生物一植物生态系统中得到 有效去除，而出水水质将达到或高于三级出水的水质标准。本处理系统采用 动态和静态两种处理方法。 ( 1 ) 氮的研究 氮的研究包括氨氮、硝态氮和亚硝态氮、其他形式氮和总氮的研究。氮 是水体富营养化的主要成分之一，同时也是植物生长的必需元素之一，植物 吸收的主要氮素形态是硝态氮和铵态氮。虽然氮素在植物体内的含量不太大， 约占干重的l 2 ，但其对植物的生命活动以及植物的产量和品质是极其重 要的。当污水经过各级植物处理系统时，对出水中氮的去除率以及氮的形态 的变化进行研究。 ( 2 ) 磷的研究 对磷的研究主要是对水中总磷的研究。磷同样是水体富营养化的主要成 分之一，也是植物生长的必需元素之一，磷主要以正磷酸盐的形式被植物吸 收。试验主要针对流经各级植物处理系统后，出水中总磷的去除率进行研究。 ( 3 ) 植物生长量的研究 植物生长量的研究包括：将植物生长到一定时期的重量与种植前的重 量相比较，对植物重量增加量的研究；植物叶片数增加量的研究；植物 根系变化的研究。 ( 4 ) 试验参数的选择 根据污水的水质的情况不同，所选用的各试验参数也不同。本实验采用 西南科技大学污水处理厂二级出水为实验系统的进水，该处理厂主要针对学 校及其周围的生活污水进行处理。因此，污水中含有大量的氮磷等营养元素。 根据该水质的情况，本试验采用不同的植物、不同的水力停留时间为实验参 数，并采用静态和动态两种方法进行处理研究；确定较理想的兼有处理效率 和经济、景观效益的处理系统参数。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 实验设计和方法 2 1实验设计 2 1 1无土栽培污水深度处理系统的设计 实验系统由p v c 材质的无土栽培箱、l z b 6 流量计、计量水泵和贮水池 组成：无土栽培箱的规格为4 4 x 3 8 x 3 0 ( 高) c m ，总容量约为5 0 l 。由于实验规 模较小，易受雨水、风力等的影响，因此将栽培处理系统置于塑料大棚内， 大棚两侧塑料膜卷起以保证整个大棚的空气流通，尽量减少实验环境与外界 环境的差别使得整个实验系统处于半开放状态。 2 1 2 植物的选择 考虑到系统的实际应用性和经济性，系统所种的植物为较常见且可产生 一定经济效益的吊兰和吉祥兰两种兰草类植物；植物取自四川绵阳西南科技 大学污水处理厂污泥农用系统。将吊兰匍匐走茎上分生出的根长约l c m 的小 植株移植到污泥农用系统中进行培育，待其根系发育较完全且根上部叶片数 约2 0 片时，在自来水中驯养约5 1 0 天后，移入无土栽培污水深度处理系统 进行实验研究。 选用兰草的主要原因是： ( 1 ) 四川盆地属温润的亚热带季风气候，年均气温在1 5 1 9 c ，兰草是当 地较为常见的植物，适合本地的气候条件。 ( 2 ) 吊兰和吉祥兰的根系较为发达，生长速度较快，有利于去除污水中 的氮磷；且随着总生物量的增加，植物对氮磷等营养物质的需求也相应增加。 ( 3 ) 兰草重量轻、体积小，可进行立体栽培，能有效地利用有限的空间。 ( 4 ) 兰草大多进行分株繁殖，且在空气净化方面有着较好的作用，因而 具有一定的经济效益。 实验的目的之一就是在有效深度处理生活污水的同时，能产生一定的经 济和景观效益，从而达到降低污水处理成本以及有效利用污水厂有限空间的 目的，因而选用既能有效去除氮磷又能产生经济效益的兰草。 2 1 3 系统进水的选用、进水方式、水力负荷及水样的采集 实验系统用水采用西南科技大学污水处理厂的二级出水，p h ：6 5 - 7 5 、 总磷：0 5 3 0 m g l 、总氮：1 0 4 0 m g l 、氨氮：5 - - - 3 5 r a g l ；由于季节的不同，污 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 水厂的出水水质也相应不同，但总体上每个季节的出水水质都较稳定，因而 整个实验阶段均采用该处理厂的二级出水。 系统分为静态系统和动态系统两种，动态系统采用连续进水的方式，由 流量计和计量水泵泵入无土栽培处理系统内：由栽培箱的底部点源进水，从 距离栽培箱顶部约3 c m 处的管道流出，即上行流方式；运行中始终保持栽培 箱内约有3 0 l 的水量，具体的水力负荷设计见文3 1 和4 1 。 水样采集为每天至少三次，进水水样在贮水池中采集，各级出水在栽培 处理系统的出水口采集，采样体积为1 5 0 2 0 0 m l ，采样后立即分析水质各参 数；且在分析过程中将剩余的水样于4 c 冰箱中保存。 需测定的指标：t n 、t p 、k n 、氨氮、p h 。 2 2实验方法 2 2 1 水质参数的测定方法 ( 1 ) p h 值：酸度计测定，p h s 一2 5 型酸度计 ( 2 ) 总氮( t n ) ：过硫酸钾氧化- 紫外分光光度法，7 5 4 型s p e c t r u m 紫外分 光光度计 ( 3 ) 氨氮t 容量法( 蒸馏后滴定法) ( 4 ) 总磷( t p ) ：抗坏血酸还原法( 分光光度法) ，7 2 1 分光光度计 ( 5 ) 凯氏氮( k n ) ：凯氏定氮法( g b1 1 8 9 l 一8 9 ) 以上各种参数的测试方法均按国家环保局编制的水和废水检测分析方 法进行”，所有测量值均做3 个平行样。 2 2 2植物生长参数的测定方法 ( 1 ) 植物鲜重：称量法 ( 2 ) 植物叶片数：计数法 ( 3 ) 植物叶长：丈量法 西南科技大学硕士研究生学位论文第【2 页 3 静态系统的研究 3 1 实验设计 静态无土栽培处理系统分别r2 0 0 6 年ij 月和2 0 0 7 年5 月启动运行，系 统运行期问气温在15 4 5 之间( 由f 塑料大棚在气温较高且有日照时有一一 定聚热作用，因而文【+ | 所指的气温专指塑料大栅内的温度) ，本温在l5 - 3 0 c 之间，且天气以阴天和晴天为 三。 a ) 静态基质培处理系统b ) 静态水培处理系统 图3 - 1静态无土栽培吊兰生活污水深度处理系统 f i g u r e 3 1 t h es t a r lcs o ii c u l t i v a t ec h i o r o p h y g u m 卿d 郇s s t i 。 t t era d v a n o e dtr o a t m e n ts y s t e m s n 1 分别对基质培和水培两种污水处理系统进行静态研究( 如图3 1 ) ， 系统所用基质是经过蒸馏水浸泡3 天以去除杂质的工业岩棉，水培系统则采 用塑料栽培架以支撑植株；植物选用在自来水中驯养5 1 0 无后的吊兰( 2 0 0 6 年1 1 月肩动的系统采用驯养1 0 天的吊兰，2 0 0 7 年5 月启动的系统采用驯养 5 天的吊兰) ，植株间距设为1 4 i5 c m ，每个栽培箱中种植6 株吊兰。 f 2 ) 实验系统所处理的废水量为3 0 l 左右，水力停留时间分别设为2 h 、 4 h 、6 h 、8 h 、1 2 h 和2 4 h ，系统每日更换新的污水进行实验研究 并分别进行 采样并立即分析水质参数由f 水样及需要分析的参数较多，则剩余水样于 4 冰箱中保存。 3 2 实验结果与分析 静志实验系统采用两南科技大学污水处理厂：纽出水为系统进承，系统 西南科技大学硕士研究生学位论文第l3 页 运行期间污水厂出水水质较稳定，p h ：65 7 5 、总磷：o5 16 m g l 、总 氯：1 5 - 3 5 m g l 、氨鲺：7 l7 m g l ，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮：2 1 2 m g l 。 表3 12 0 0 6 年1 1 月和2 0 0 7 年5 月静态对系统氨磷去除效果比较 t a b ie 3 1 c o m p a r in gn & pr e m o r a ie f f e c t io nb ys t a r i cs y s t c m i n2 0 0 61 1 & 2 0 0 70 5 往：u l 数据均是h r t 为4 h 时静态系统对生镕污水中氰磺的去除丰 比较2 0 0 6 年1 1 月和2 0 0 7 年5 的数据( 表3 1 ) ，当静态系统运行稳定 后，吊兰系统对生活污水中氨磷的深度处理效果在这两个季盯几乎一致。因 而，选用2 0 0 7 年5 月静态系统运行的实验数据进行研究分析。 3 21 氨氮的去除效果 静态系统对污水中氢氯的去除效果是随着水力停留时m 和系统运行时日】 的进行而不断提高。 mn ”“u 器。： ”“”热。： a ) 水体中氨氯的浓度b ) 系统对钮铽的上除率 图3 - 2静态系统对氪氟的去除效果 f ig ur e 3 2ar n m o n ian i tr o g e f lr e m o va ie f f e c t i o nb ys t a r ics y s t e m ( i ) 图3 2 a 为不同进水浓度下，系统在并个水力停留时川内对污水巾氧 氮的吸附效果。由j 二实验系统进水氧氯的浓度为7 1 7 m g l ，凼此当进水氨氨 浓度低丁1 7 m l 时，系统进水氨氮浓度越岛，系统对氰氮的吸附量也越多， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 最高可达1 l m g l ( h r t = 4 h ) 左右。当污水在系统中停留4 8 h 后，水体中的氨 氨浓度就能降到42 0 3 m l ，基本上选到了城市污水回用。p 对氨氯的标准。 ( 2 ) 综合分析 j | 3 2 ，随着水力停留时间的增加。系统对污水中氢氯的去 除率也逐渐提高( 在5 0 8 0 之间) ( 图3 2 b ) ，吊兰系统对氨氮的吸附量 也随之提高；但半达到一定的吸附极限时，无论停科多久，系统也几乎不再 吸附污水中的氨氮。实验证明，在实验运行周期内，当污水中含有42 0 3 m l 或36 4 2 6 m g l 的氨氮时，系统将很难再吸附污水中的氨氢。 ( 3 1 植物系统在最扔的4 h 内对进入系统污水中的氨氮的吸跗景是最多 的；随着水力停留时间的增加，系统对氨氮的吸附量越来越少，最终当水体 中氨氮浓度降刮某个最低值时，系统几_ z 将停止i 殁附作用。这足因为污水刚 进入系统时，氨氨浓度较高使得植物根表面和生物膜表面与附近的水体间 形成浓度梯度，养分由高浓度向低浓度扩散，因而有利千植物和生物膜对氢 氯的吸附及转化“。在一段时间后，水体中氪氨的浓度逐渐降低，植物根表 面和生物膜表面的浓度与附近水体蝴的浓度逐渐致，其对氧氮的吸附和转 化速度也越柬越幔，对氨氢吸酣j 量也越柬越少。 uz68 z 【02 i r t t h ) 图3 - 3陆系统的运行静态系统对氨氟的吸附效果 f i g u r e 3 3 a ss t a r ics ys t e m so 口er a t in ga 唧o n ian i tr o g e n sa b s or b e d e f f e c t i is t a r lcs y s t e m 在相似的外界环境条什下，系统进水浓度相同时，随蓿系统运行时划的 增_ j l | ，系统埘污水- i 的氨氮的l 致收量逐渐增加( 阁3 - 3 ) ，这主要跟植物的生 眭和系统中连渐形成的啦物膜的作用柏戈。 ( 1 ) 植物的生长需要营养物质不断供给，植物生长量越_ 人对营养物质的 ：、-l 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 需求也就越多；而且由于微_ ：物在植物般际大量繁殖，其能增加对彝分的吸 收和促进植物根系生长“i ；田此在植物的生长需要和植物根际微生物的活动 的兆同作用下，植物对污水中的污染物的吸收吸附量也就相应的增加。 ( 2 1 系统运行过程中，逐渐生成一层生物膜于栽培箱内壁，其对污水中 的氨磷等物质均有定的吸附和转化作用”“”。随着运行时问的增加，这层 生物膜越柬越j 学，对污水中氨氮的l 吸附和转化作用也就卡【i 应增强。 _ 一目，6 一* h i，一 |j ： 、” |li j ， b m b _ 、 圆 捂 雹 儡 246日_o1 2h 】