（环境工程专业论文）净化城市污水中人工湿地介质性能研究.pdf

摘要 摘要 随着现代工业和城市的快速发展，城市用水量和污水量急剧增加，为了减少污水排放 所造成的水资源污染对国民经济可持续发展所产生的负面影响，必须尽快提高污水处理水 平和处理率。但是目前困扰我国污水处理事业发展的因素很多，资金和技术是两大主要因 素。特别对于缺乏资金的小型城镇地区，如何解决生活污水更是人们所关注的问题。研究 适合我国国情的污水处理新技术是环境工程界共同关注的课题，而其中人j j ：湿地处理技术 作为一种低投资、低运行费、低管理要求的污水处理技术，正受到人们的日渐关注。 现代意义的人工湿地处理技术源于二十世纪五十年代的德国，经过儿十年的发展目前 在国外已逐渐得到广泛应用。人工湿地作为一种新型城市污水处理：j ：艺，由于其本身具有 投资小、运行费用低廉，运行维护方便以及污染物去除效果好、可脱氮除磷等优点，越来 越受到人们的重视。同时，它的应用范围也在不断扩大，已有效应用- 丁i 城市污水处理、暴 雨径流控制以及某些工业废水的处理。人工湿地所具有的这些特点，适合我国的国情，有 利于提高我国特别是我国中小城镇的污水处理程度和技术水平。但是由于人： 湿地处理城 市污水是一个复杂的生态处理过程，人们还不清楚污水在其中的具体反应机理，同时缺乏 统一的设计运行参数，所以仍有许多问题亟待解决。 湿地介质是人工湿地中最重要的组成部分，因此湿地介质在人：t 湿地处理城市污水过 程中起着重要作用。但是目前仍缺乏对人工湿地介质处理污水效能的全面系统研究。因此 本次试验针对上海及周边地区的城市污水水质特点，选择沸石一石灰彳i 混合物与砂砾两种 介质，垂直流与水平流两种水流方式，以及连续流、间歇流两种布水方式，全面综合的研 究未种植植物的人工湿地的运行参数、处理效果，重点考察介质去除污染物的作用与机理， 了解介质去除污染物在人工湿地处理城市污水中所起的作用，并从中优选最佳的人工湿地 运行方式，为人工湿地处理技术在上海及其周边地区的应用提供可靠的运行参数。 本次试验结果表明，从不同湿地介质来说，沸石一石灰石介质具有较好的除污性能， 其不仅n 去除效果显著，同时c o d 的去除效果也优于砂砾介质；从两种水流方式来看，在 连续流中，垂直流与水平流具有类似的处理效果，但在间歇流中，垂直流体现了更高的处 理性能；从布水方式看，间歇流工况下的各项指标处理效果要明显高丁连续流：r 况。 同时，本次试验结果也证明，在人工湿地去除城市污水过程中，湿地介质起到了举足 轻重的作用。 【关键词】人工湿地沸石一石灰石混合介质砂砾介质连续流间歇流水平流垂直流 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n de x p a n s i o no fu r b a na r e a ，w a t e r r e q u i r e m e n ta n ds e w a g ei si n c r e a s i n g l yi n c r e a s e d f o rr e d u c i n gt h ei n f l u e n c eo fw a t e r r e s o u r c e sp o l l u t i o no nt h en a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t ，w em u s tt a k et h er e q u i r e d m e a s u r e s ，w h i c hi n c l u d ei n c r e a s i n gt h el e v e la n dt h ee f f i c i e n c yo fw a s t e w a t e r t r e a t m e n t b u t ，a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yf a c t o r sb a f f l i n gt h ed e v e l o p m e n t ，f u n d sa n d t e c h n i q u e s e s p e c i a l l yi ns o m es m a l lt o w n sw h i c ha r ea b s e n tf o rf u n d s ，h o wt ot r e a t t h es e w a g ei st h em o s tf o c u s e dq u e s t i o n i t st h ec o m m o na t t e n t i o ni ne n v i r o n m e n t a l f i e l dt h a tr e s e a r c h i n gn e wt r e a t m e n tt e c h n i q u e s ，a n dc o n s t r u c tw e t l a n di so n eo ft h e n e w t e c h n i q u e st h a tr e c e i v er e c o g n i t i o na n da p p l i e d t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dt r e a t m e n tt e c h n i q u ew a su s e de a r l i e s ti ng e r m a n yi n 19 5 0 s a n dn o wi t su s e di nm a n yc o u n t r i e sb r o a d l y a so n eo ft h en e ws e w a g e t r e a t m e n tt e c h n i q u e ，t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sm a n ym e r i t ss u c ha sl o wi n v e s t m e n t a n d o p e r a t i n gc o s t ，o p e r a t i n ge a s i l y , e x c e l l e n t e f f e c ti nt r e a ts e w a g e ，h a st h e a v a i l a b i l i t yo fd e n i t r i f i c a t i o na n dd e p h o s p h o r i z a t i o n a n dn o w t h ea p p l i c a t i o nr a n g e i sl a r g e rt h a nb e f o r e i th a sb e e nu s e ds u c c e s s f u l l yi nt r e a t i n gu r b a ns e w a g e ，s o m e i n d u s t r i a ls e w a g ea n dc o n t r o l l i n gs t r o mr u n o f fp o l l u t i o n s oi tc a ni m p r o v et h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n td e g r e ea n dt e c h n i q u ee s p e c i a l l yi nt h es m a l lc o u n t y b u ti t sa c o m p l i c a t ep r o c e s sa n dt h ed e s i g np a r a m e t e ro fc o n s t r u c t e dw e t l a n di sn o tu n i f o r m ， s ot h e r ea r em a n yq u e s t i o n ss h a l lb er e s o l v e ds t i l l t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n db e di st h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r ei nc o n s t r u c t e dw e t l a n d b u tn o ww es t i l lb es h o r to ft h et h ec o m p r e h e n s i v es t u d yi ni t ，s ot h i se x p e r i m e n tu s e t h ez e o l i t e - l i m e s t o n ea n dt h eg r a v e la st h ed i f f e r e n tw e t l a n db e d s ，a n dh o r i z o n t a l - f l o w a n dv e r t i c a l f l o wa st h ed i f f e r e n tf l o wd i r e c t i o n ，c o n t i n u o u s f l o wa n d i n t e r m i t t e n t f l o w a s t h ed i f f e r e n t f l o w d i s t r i b u t i o nm o d e ，t r yt o s t u d y c o m p r e h e n s i v e l yt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e ra n dt r e a t m e n te f f e c t i o n ，a n di m p o s eo nt h e c o n s t r u c t e dw e t l a n db e dt r e a t m e n tp r i n c i p l ea n ds oo n t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o wt h ez e o l i t e l i m e s t o n eb e dh a st h eb e s tt r e a t m e n t e f f e c t ，i tc a l lr e d u c enr e m a r k a b l ya n dc a nr e d u c ec o d m o r ee f f e c t l yt h a nt h eg r a v e l b e d i nt h es a m et i m e ，w ef i n d i ni n t e r m i t t e n t f l o w , t h ev e r t i c a lf l o wh a st h e p r e d o m i n a n c ei nt r e a tu r b a ns e w a g et h a nt h eh o r i s o n a l f l o w a b s t r a c t a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t sc o n f i r mt h a tt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n db e dh a sv e r yv i t a l e f f e c ti nc o n s t r u c t e dw e t l a n dt r e a t i n gu r b a ns e w a g e i k e y w o r d lc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，z e o l i t e l i m e s t o n eb e d ，g r a v e lb e d ，c o n t i n o u s - f l o w , i n t e r m i t t e n t f l o w , h o r i z a n a l f l o w , v e r t i c a l f l o w 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： 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授凳善募师签名：锄学位论文作者签名： 4 指导教师签名：睨学位论文作者签名： 7 卯广年月，z 日p 口厂年 3 月 摘要 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、已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。 钞口厂年签手角i 艺 日蕾弋匀飞矽口厂年多月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 我国是水资源严重短缺的国家，人均水资源占有量仅为世界人均水资源占 有量的1 4 。随着工业的快速发展，城镇化水平的不断提高，导致用水量急剧增 加，水资源被过度开发。目前，全国6 7 0 多个城市中，一半以上存在着缺水问 题，特别是位于黄河、淮河、辽河下游地区、西北地区及沿海某些淡水资源缺 乏地区的城市，水的供需矛盾越来越突出。 另一方面，自上世纪8 0 年代以来，我国城市污水排放量的成倍增长 ( 5 0 0 1 0 8 吨年) ，而污水处理能力的发展相对滞后，造成许多城市水污染严重； 我国七大重点流域地表水有机污染严重，2 0 0 2 年，七大水系7 4 1 个重点监测断 面中，2 9 1 的断面满足i i i i 类水质要求，3 0 0 的断面属于i v 、v 类水质， 4 0 9 的断面属劣v 类水质。【i j 寻找有效的污水净化途径以实现水资源的可持续利用成为关注的热点。经 过几十年的努力，人们建立起许多成熟有效的污水处理方法。目前，在大城市 建起的污水处理厂普遍采用以活性污泥法为基础的各种处理工艺，这对于可用 土地短缺、地价昂贵的大城市是可行的。但由于其存在基建、运行费用昂贵， 运行、维护技术难度大等缺点而不利于中小城镇及乡村采用。在美国、德国等 一些经济发达国家的中小城镇，许多采用稳定塘处理法。稳定塘处理法虽然具 有很好的去除b o d 、c o d 及病原微生物的能力，但却无法有效地去除氮和磷等 营养元素。 人工湿地作为一种新型城市污水处理工艺，由于其本身具有投资小、运行 费用低廉，运行维护方便以及可脱氮除磷等优点，越来越受到人们的重视。同 时，它的应用范围也在不断扩大，已有效应用于城市污水处理、暴雨径流控制 以及某些工业废水的处理。 人工湿地所具有的这些特点，适合我国的国情，有利于提高我国特别是我 国中小城镇的污水处理程度和技术水平。但是由于人工湿地处理城市污水是一 个复杂的生态处理过程，人们还不清楚污水在其中的具体反应机理，同时缺乏 统一的设计运行参数，所以仍有许多问题亟待解决。 第一章绪沦 本课题为国家8 6 3 计划课题“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 ) 中子课题“人工湿地在净化城市污水中的应用”的分课题。 通过选用砂砾、沸石一石灰石混合物为人工湿地介质，以垂直流、水平流 为运行流态，重点考察人工湿地在没有植物生长的情况下处理城市污水的效果， 进而探讨人工湿地中介质处理城市污水的机理，为将来人工湿地的工程设计运 行提供参考依据。 1 2 人工湿地处理技术的发展及研究现状 1 2 1 人工湿地处理技术的研究发展历史 人工湿地的应用已有很长的历史，而真正有意识、有目的地研究并利用湿 地处理污水则始于2 0 世纪5 0 年代。 1 9 5 3 年，德国的d r k a t h e s e i d e l 在其研究工作中发现芦苇能去除大量有机和 无机物；进入6 0 年代，d r s e i d e l 开发出一种“m a x p l a n c ki n s t i t u t e p r o c e s s ”系统。 该系统由四或五级组成，每级由几个并联并栽有挺水植物的池子组成，但该系 统存在堵塞和积水问题；根据d r s e i d e l 的思路，荷兰于19 6 7 年还开发了一种现 称为l e l y s t a d p r o c e s s 的大规模处理系统，该系统是一个占地一公顷的星形自由 水面流湿地，水深0 4 m ，由于运行的需要，该系统后还有一4 0 0 m 长浅沟。随 后这种湿地在荷兰大量建成。【2 】【3 l 6 0 年代中期，d r k i c k u t h 开发了“根区法”( r z m ) ，此法由一系列有芦苇的矩 形池组成。土壤内含有钙、铁、铝等添加剂，以改善土壤结构和对磷的沉淀性 能。水流以潜流方式水平通过芦苇根区。污水流过芦苇床时，有机物降解，氮 被硝化反硝化，磷与c a 、f e 、a l 共沉积累于土壤中。在池子进口、出口布水和 收集。 在北美，关于湿地的初期研究工作多数都使用自然湿地处理污水，不久就 暴露出应用自然处理系统处理污水会导致种类组成、种群结构、功能及湿地总 体价值的显著变化等缺点。此后在欧洲研究工作的影响下，逐渐意识到人工湿 地应用的巨大潜力。6 0 年代末，美国n a s a 的国家空问技术试验室研究开发了 一种“采用厌氧微生物和芦苇处理污水的复合系统”。1 9 7 6 年美国n a s a 出版了 一本题为充分利用水生植物的书。在其中描述了欧洲系统及早期n a s a 系 统。n a s a 的砾石床系统在去除b o d 、s s 、大肠菌及氮方面非常有效。北美的 2 第一章绪沦 其他国家也进行了一些开拓性工作。 1 2 。2 国外湿地技术应用现状 2 0 世纪7 0 年代开始，美国、澳大利亚、荷兰、丹麦、英国、同本等都开始 建造大规模湿地处理污水。 在北美，到目前为止，已有2 0 0 多座湿地处理系统在运行( k n i g h t 1 9 9 3 ) 。 在欧洲，多数西欧国家都建立了大量的芦苇床系统，主要用于小城镇的污水处 理，其中地下潜流式人工湿地应用相当普遍，在丹麦、德国、英国每个国家都 至少有2 0 0 个系统在运行。( w i t t g r e n l 9 9 4 ) 。1 4 j 1 2 3 国内湿地技术应用研究现状。 我国在“七五”期间开始进行人工湿地的研究。1 9 8 8 6 - - 1 9 9 0 年在北京昌平建 成了第一座自由水面流人工湿地处理生活污水和工业废水，处理量为5 0 0 9 d ，占 地2 h a 。1 9 9 0 年，国家环保局华南环境科研所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建 立试验基地，占地8 4 0 0 m 2 ，处理3 1 0 0 t d 的城镇综合污水。1 9 8 9 - - - 1 9 9 0 年，天 津环保科研所建立1 1 个试验单元研究芦苇湿地对城市污水的处理能力，并对水 力负荷、有机负荷、停留时间及季节等与污水中主要污染物问的规律进行探索。 山东胶南市1 9 9 8 年建成一日处理6 万吨人工湿地系统，占地1 0 0 0 亩，工艺为 格栅一沉砂池一调节池一人工湿地一排海。此外，还有不少单位对人工湿地处 理系统的机理、设计及有关问题开展了研究工作。1 5 】 1 2 4 工艺特点 目前，人工湿地已引起了全世界环境科学家的高度重视，以及越来越广泛 地为环境工程界所接受，具体来说，人工湿地具有以下特点： ( 1 ) 经济性高。据欧洲和美国己投入运行的湿池系统分析，尽管各个具体的 系统因地而异，差异较大，但平均地看，湿地系统的投资和运行费用仅为传统 的二级污水厂的1 2 至3 5 。 ( 2 ) 效果好。在欧洲和美国，凡是投入运行并达到成熟阶段的人工湿地，基 本上都能达到规定的尾水排放标准。 ( 3 ) 适用面广。据现有资料分析，湿地处理系统不仅可处理以耗氧有机物和 氮、磷等营养物质为主的生活污水处理，而且可以处理工业污水。 ( 4 ) 对负荷变化的适应能力强。据研究，人造湿地系统无论对有机污染物负 第一章绪论 荷还是水力负荷在一定范围内的波动都有很好的适应性。而且，其本身具有很 好的可扩充性，因此容易适应未来不确定的负荷增长。 人造湿地系统还有一些其它特点，包括操作和维护简便，无需清除污泥， 可为各种野生动物提供栖息场所等。但是，人工湿地也有一些缺点或值得深入 研究的地方，如占用土地较多、缺乏最优设计规范和参数、有潜在的疾病转播 媒介栖息( 如蚊虫等) 。1 6 j 1 3 人工湿地的分类和组成 1 3 1 人工湿地的分类 人工湿地是由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的有水区域。它按一 定的坡度填充选定级配的介质，并在介质表层土壤中种植大量的水生植物，介 质中又栖息着丰富的生物与微生物，它们共同形成个独特的生态系统。人工 湿地是天然湿地处理系统的强化，它具有很好的净化污水能力。与天然湿地相 比，它的水力负荷大、污染负荷高、节省占地面积，且在去除各种污染物以后， 发生的退化也比较小。人工湿地利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三 重协同作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实 现对污水的高效净化。 从工程设计的角度出发，按照不同的标准可以将人工湿地分为不同的类别。 不同类型人工湿地对特征污染物的去除效果不同，具有各自的优点。 1 3 1 1 按照水在系统中的流动方式分类 1 ) 自由表面流人工湿地 这种类型的人工湿地和自然湿地类似，废水从湿地表面流过，水位高出湿地 床表层l o - 4 0 c m 。自由表面流人工湿地是人工设计、监督管理的湿地系统，去 污效果优于自然湿地系统。它具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但 占地面积较大，水力负荷率较小，去污能力有限。自由表面流人工湿地中氧的 来源主要靠水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用。这种类型的湿 地系统的运行受气候影响较大，夏季有孳生蚊蝇的现象。 2 ) 水平潜流人工湿地 水平潜流式人工湿地中污水以推流方式由进口至出口平行流过床体，水面 低于床表层约5 1 0 c m 。这类系统的床体中经常存在有氧和无氧区域，由于空气 4 第一章绪论 中的氧可经表面扩散和植物根系传输进入床体，一般认为有氧部分位于床体上 层和植物根部附近。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负 荷和污染负荷较大，对b o d 、c o d 、s s 、重会属等污染物的去除效果好，且卫 生条件较好，很少有恶臭和孳生蚊蝇现象。该类人工湿地的缺点是系统含氧量 较少，硝化效果不如垂直潜流人工湿地。已有相当数量的研究表明，平行流人 工湿地的传氧能力有限，不超过2 0 9 m 2 d ，限制了硝化作用，氮的去除率仅为 3 0 - - 5 0 。【7 】 近几年，水平潜流式人工湿地又产生了几种变形，主要有回流式、阶梯进 水式以及综合式。阶梯进水可避免处理床前部堵塞，使植物长势均匀，有利于后 部的硝化脱氮作用；回流式可对进水进行一定的稀释，增加水中的溶解氧并减 少出水中可能出现的臭味。出水回流还可促进填料床中的硝化和反硝化作用， 采用低扬程水泵，通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。综合式则一方面设置出 水回流，另一方面还将进水分布至湿地床的中部，以减轻湿地床前端的负荷。四 3 ) 垂直潜流人工湿地 这种人工湿地污水以垂直运动的方式通过湿地床。包括上向流、下向流以 及近年来开发的复合式垂直流。垂直流多采用间歇运行方式，一批污水通过后 床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地，因此与平 行流系统相比具有较高的好氧处理能力。【9 】由于具有较好的传氧能力，这类人工 湿地的硝化能力远高于平行流系统，可用于氨氮含量较高污水的处理。但人工 湿地系统硝化能力提高的同时，反硝化能力也有所下降。此外，垂直流人工湿 地对有机物的去除能力不如潜流人工湿地系统；为防止阻塞，填料级配复杂， 建造要求高；落干淹水时间较长，操作控制相对复杂；夏季有孳生蚊蝇的现象。 1 3 1 2 按照运行过程中布水方式的不同分类： 1 ) 连续流人工湿地 连续流人工湿地采用连续进水、连续出水的方式运行。当入流污水为连续 流时，比较容易控制运行条件，减少预处理设施的体积，并保证出水稳定。但 是由于水位始终保持恒定，当植物传氧能力不足时，会造成湿地下层始终处于 厌氧状态，影响有机物处理效果，抑制硝化作用，并引起阻塞，导致运行失败。 2 ) 间歇流人工湿地 间歇流人工湿地采用投配淹水与停水落干交替运行的方式运行，每完成一 个投配与落干循环的时间为水力负荷周期。由于稚水、排水的不连续性，导致 第一章绪论 运行管理复杂。但是，通过选择恰当的湿干比，即滤床投配淹水的时间与停水 落干的时间比，可以促使土壤内的氧气传递，以恢复和维持滤床的水力传导能 力、有机物的生物降解能力并促进硝化作用的进行，同时利于提高介质的固磷 作用。【1 1 】现在普遍认可的运行参数为连续配水8 1 2 小时，湿干比0 2 - - - 0 1 2 5 ， 运行周期2 - - - 4 5 天为宜。i l 2 】 潮汐流湿地【l o 】系统是近年来由伯明翰大学提出的，他们利用芦苇床进行了 试验。在这种湿地系统中，芦苇床被交替的充满水和排干。在向床内充水的过 程中，空气被挤出，床的介质材料逐渐被淹没。当芦苇床完全被水饱和后，水 就全部被排出。在排水的过程中新鲜的空气被带入床内。伯明翰大学的最新研 究成果表明当水被排出芦苇床，有机污染物留在基底内时是氧消耗量最大的时 刻，因此，在排水过程中进入的新鲜空气可看作是去除污染物的氧源。通过这 种交替的进水和空气运动，氧的传递速率和消耗量大大提高，极大的提高了处 理效果。但是，该系统运行一段时间后，床体可能被微生物所阻塞，限制了水 和空气在床体中的流动，降低了处理效率。目前，对这类人工湿地的研究还处 于探索阶段，其处理效果和经济上的可行性还需进一步的考查。 1 3 2 人工湿地的组成要素及其功能 湿地系统由湿地植物、微生物、介质及动物组成，各组成成分分别起着不 同的作用，并且相互协同，使得整个湿地生态系统平衡运转，发挥良好的净化 功能。 1 3 2 1 湿地植物 ( 1 ) 湿地植物的性质 处理废水的湿地系统要求水生植物对各种高浓度的污染物有一定的忍受能 力。不同的环境，适宜的湿地植物是不同的。所选择的湿地植物通常应具有下 列性质：能忍受较大范围内的水位，含盐量，温度和p h 值；在本地适应性好的 植物，最好是本地的原有植物；被证实对污染物有较好的去除效果；有广泛的 用途或经济价值高。人工湿地中使用最多的湿地植物为香蒲、芦苇、灯心草、 宽叶香蒲、香根草等。 ( 2 ) 湿地植物的作用【1 3 】 1 ) 强化土壤生物量作用 湿地植物发达的根系与介质交错成网，为微生物附着提供了巨大的表面积， 6 第一章绪论 促进了微生物的生长，较易形成生物膜，保证了污染物被微生物降解利用。张 甲耀等人通过研究潜流式人工湿地床，发现种植植物湿地床中亚硝化菌与硝化 菌含量较未种植植物湿地床为高。【1 4 j 2 ) 吸收利用、吸附和富集作用 湿地植物通过自身的光合作用，借助于光能这一清洁能源为他推动力，可 以促使根系从污水中吸收营养物质并加以利用，同时吸附富集重会属和一些有 毒有害物质。在城镇污水处理试验中发现，种植水烛和灯心草的人工湿地介质 中的n 、p 的含量分别比无植物的对照介质中的含量低1 8 - 2 8 f f n2 0 一3 1 ， 可见植物吸收利用了污水中部分的氮和磷物质。i ”j 3 ) 输氧作用 湿地植物有助于改善土壤的缺氧条件。首先它有发达的通气组织，可占到 植物体积的6 0 - - 7 0 ，光合作用产生的氧气通过茎根运输并传送到水体与介质 中。据估计，植物的传氧量为5 - - 4 5 9 m 2 d ，具体值取决于植物的种植密度和根 区的氧分压。【1 6 】另一方面，通过植物根系对土壤的扰动，也增加了大气的土壤 渗透作用。最终，依次形成多个好氧、缺氧与厌氧小区，为各类微生物生存提 供良好生境，利于硝化与反硝化作用，促进了污染物的多渠道降解。 4 ) 加强和维持水力传输的作用 由于湿地植物根系对介质的穿透作用，在介质中形成了许多微小的气室或 间隙，减少了介质的封闭性，增强了介质的疏松度，从而使得介质的水力传输 得到加强和维持。同时，大量的植物根系将降低介质孔隙率，提高出水速率， 降低水力停留时间。因此对出水处理效果造成一定的负面影响。 1 3 2 2 介质 传统的人工湿地中介质一般采用土壤、砂、砾石等。虽然土壤具有高的比 表面积，可吸附大量污染物质，但液体的传导性差，不利于植物根系向下扩展， 且容易导致废水在湿地床的表面流过，不能充分利用植物根区，影响污染物的 去除。因此，人工湿地系统多采用砂、砾石等作为介质。 为了弥补砂、砾石等无机介质无法为植物及微生物的生长提供养料的缺点， 所以实际应用中多采用人为配制的人工土作为人工湿地的介质。人工土层是由 一定粒径组成的砂料、草炭、耕层土壤按适当的比例配制而成。砂是保证人工 土层具有通透能力的基本骨架，肥沃的耕层土是生物活性的接种剂，草炭是启 动和维持生物活性的能源和物源。人工土层的骨架氇步料有一定的粒径要求。 7 第一章绪论 为取材方便，通常可采用建筑用粗砂、中砂、细砂来配制人工土。人工土介质 具有良好的通气透水性，净化能力较高，其设计水力负荷也可以相应地提高。【1 2 】 表1 1 人工土层的机械组成特性和功能 人工 组成特性 土层 c o d 厚度 进水 出水去除 k 土 d 1 0d 8 0k 8 0 c m m i n c m m g lm g l 率， 砂质细 0 0 4 90 7 515 - 31 0 02 3 3 64 6 2 18 0 20 0 6 8 砂土 粗砂十 0 0 7 50 8 0lo 710 02 4 5 15 7 9 67 6 4o 1 8 0 砂质粗 0 3 0 01 5 05 01 0 01 7 7 93 9 9 07 7 60 3 3 9 砂七 湿地中的介质一方面为微生物的生长提供稳定依附表面，同时也为水生植 物的生长提供了载体和营养物质。当污水流经人工湿地时，介质通过各种物理、 化学途径( 如吸收、吸附、滤过、离子交换、络合反应、沉淀等) 来净化污水 中的氮、磷等营养物质。 介质除磷研究： 研究普遍认为，湿地系统中介质除磷机理主要是通过沉淀、吸附作用去除 废水中的溶解性无机磷。其中吸附作用与介质中f e ，a 1 ，m g 和c a 等金属离子 含量有关。z h u ( 1 9 9 7 ) 研究认为，磷的吸附和介质的化学性质有密切联系。不 同介质中的总金属含量、f e a l 草酸根含量以及离子交换能力的大小是影响磷 吸附的主要原因。而其中影响最大的是总金属含量。同时，总金属中的m g ，c a ， f e 和a 1 离子含量对磷的吸附起重要作用，其吸附作用顺序为c a m g a i f e i l r l , s a k a d e v a n ( 1 9 9 8 ) 也认为磷的吸附量与土壤中a 1 、f e 和a j 与f e 的螫合物含 量有密切联系。其中a l 的作用又较f e 更强i l 引。土壤对磷的吸附作用是有限的， 当吸附位点饱和时，吸附作用不再发生。磷还可通过沉淀在磷与金属及粘土矿 物的络合物中固定下来，而此过程则不存在饱和现象【l3 1 。 金属离子的吸附能力大小与各自的p h 值有密切联系。其中，当p h 值大于 9 时，c a 2 + 离子可与磷形成稳定的羟磷灰石沉淀。f e 元素去除磷的机理主要是 f e 与磷化合生成f e o o h - - p 0 4 化合物沉淀，它的p h 值范围在5 7 。a l 离子在 土壤中形成a i ( o h ) 3 絮状物，可以牢固的吸附废水中的磷元素。它的p h 值适宜 范围在6 8 之间【1 7 j 。 人工湿地介质中有机物的积累对磷吸附的影响效果仍存在不同认识。m o s h i 等( 1 9 7 4 ) 认为有机物的积累会导致物理堵塞并与磷元素争夺有机阴离子，从 第一章绪论 而降低介质的吸磷作用；而s a n y a l 等( 1 9 9 3 ) 认为介质中的有机物会与水中的 氧化物形成水合氧化物，如f e 、a 1 螯合物，从而形成吸附磷的活性表面，促进 磷的吸收【1 9 l ；k s a k a d e v a n 等的试验却证明土壤中有机物的积累与磷的吸收 基本没有关系。i l 驯 为了达到强化除磷的效果，国内外许多学者尝试了许多不同的材料( 页岩、 贝壳砂、硅灰石、炉渣等) 作为人工湿地的介质，取得了不错的效果。a n d r e a 等( 1 9 9 9 ) 在小试中使用钙硅石为介质处理城市污水，发现当处理时间超过4 0 小时时可以获得8 0 - + 9 6 的磷去除率，出水中溶解磷含量平均值为0 2 8 m g l 。 【2 0 1 k s a k a d e v a n 等通过对比土壤、沸石、吹脱炉渣三种介质的除磷能力发现， 富含c a 、a l 、f e 的吹脱炉渣具有最好的除磷能力，可达4 4 2 9 p k g ；其次为b y r o n b a y 湿地的土壤，可达4 2 - 5 2 9 p k g ；而沸石的效果最差，只有2 1 5 9 p k g 【1 8 】。 同济大学徐丽花等人做的小试试验中利用沸石一石灰石混合介质处理自配污 水，平均除磷率可达7 7 4 , - - , 8 0 2 ，同样取得了良好的效果。由于上述人工介质 具有较强的吸磷容积，因此可以运行较长时间而不失效【2 。 介质除氮研究： 在传统的人工湿地中，介质主要依靠吸附作用除氮，吸附量很少，且易发 生逆反应，在人工湿地除氮量中所占比例极小。近几年，国内外学者开始探索 新的介质来促进介质除氮的效果。o r i 在试验中采用沸石为介质，以间歇流方式 运行，处理二级处理出水，取得了很好的除n 效果。这里，沸石除氮主要通过 两个步骤：1 ) 沸石首先通过离子交换作用置换废水中的n h 4 + 离子。2 ) 在间歇 期间，沸石中聚集的微生物通过硝化一反硝化作用去除从沸石中置换出来的n h 4 + 离子，从而使沸石得到再生。通过这种运行方式，达到了长期有效的去除n 的 效果。【2 2 】b i l s e n ( 1 9 9 7 ) 采用沸石介质与沸石一砂砾混合介质处理城市污水中的 短时高浓度铵，连续运行1 0 天仍能获得6 1 7 7 的去除效率。循环再生十次后 处理效果下降约1 0 1 2 3 】。徐丽花等人做的小试试验中利用沸石一石灰石混合介 质处理自配污水，并采用f s - j 歇运行，n h 4 + 一n 去除率始终保持在9 7 以上【2 l 】。 1 3 2 3 微生物 在湿地系统中，存在着不同种类的生物，构成了湿地系统特有的复杂的生 物相，在湿地污水处理中起着显著的作用。 ( 1 ) 微生物去除有机物的机理 在湿地去除有机物的过程中微生物起着主导作用。由于湿地中存在明显的 9 第一章绪论 好氧区和厌氧区，造成湿地系统中微生物种类繁多，可去除多种有机物。不溶 性有机物进入湿地后通过沉淀吸附迅速被介质截留，通过微生物的同化作用被 利用。可溶性的有机物通过被生物膜吸附并降解，最终通过代谢作用被去除。 废水中大部分有机物被异养微生物转化为微生物体或被代谢成c 0 2 和h 2 0 被去 除。 ( 2 ) 微生物除氮机理 人工湿地中氮的去除主要是通过微生物的硝化、反硝化作用来完成的。由 于湿地表面及植物根毛的输氧及传递特性，使湿地中连续呈现好氧、缺氧及厌 氧状态，使硝化作用和反硝化作用可以在湿地系统中同时进行。o t t o v a 、h a m m e r 等人研究了湿地系统中的微生物的特征，发现氨化菌、硝化菌、反硝化菌主要 存在于填料表面、植物的根面及根区，而在水中很少，可忽略不计晔】【2 5 】。 ( 3 ) 微生物除磷机理 微生物对磷的去除包括它们对磷的正常同化( 将磷纳入其分子组成) 和对 磷的过量积累。在一般二级污水处理系统中，当进水磷含量为10 m g l 时，微生 物对磷的同化吸收( 形成污泥组成式c 6 0 h 8 7 0 2 3 n 1 2 p 的一部分) 去除仅是进水总磷 量的4 5 1 9 ，所以，微生物除磷主要是通过强化后对磷的过量积累来完成 的。 由于湿地中植物光合作用光反应、暗反应交替进行，根毛输氧多少的交替 出现，以及系统内部不同区域对氧消耗量的差异，导致了系统中厌氧、好氧的 交替出现，伎磷的过量释放和过量积累得以完成。这是常规二级处理方式所难 以满足的1 2 6 j 。 ( 4 ) 湿地系统中微生物的数量 李科德等人研究了人工芦苇湿地中微生物量的变化情况。检测表明，芦苇 床内存在较明显的好氧区和兼性厌氧区。在芦苇的根茎上，好氧微生物占优势， 而在芦苇根系区则既存在好氧微生物的活动，也有兼性厌氧微生物的活动。对 芦苇床在冬季处理污水的研究表明，虽然芦苇的地上部分在冬季要发生部分死 亡，但床中各类微生物的数量则基本上保持在较高的水平上。不过好氧微生物 和兼性厌氧微生物数量的相对比值有所减少【2 7 】。张鸿等人研究发现，有植物的 湿地系统中的细菌数量显著高于无植物系统，且植物根部的细菌数比介质中高 l 2 个数量级1 2 8 】。 ( 5 ) 人工湿地微生物量与各种污染物质处理率之间的关系 1 0 第一章绪论 人工湿地中微生物量与各种污染物质去除率之间存在密切的联系。梁威等 人通过对比复合流人工湿地中微生物数量与污染物去除率，研究结果发现介质 中细菌与真菌的数量与c o d e r 去除率之间相关性极显著；但c o d c r 去除率与介 质中的放线菌数量之间相关性不显著。这说明在构建湿地净化污水的过程中， 细菌和真菌发挥了主要作用；而放线菌的作用相对较小。同时，细菌、真菌和 放线菌的数量与t s s 的去除不存在显著关系，说明湿地中t s s 的去除主要依靠 介质的吸附过滤作用。介质中细菌、真菌和放线菌数量与k i n 去除率之间均呈相 关性显著。这 兑明在梅建湿地去除污水中k n 的过程中，微生物的活动发挥了主 要作用：特别是真菌。李科得等人在研究芦苇床净化机理时也得出了类似的结 果。介质中细菌、真菌和放线菌数量与t p 去除率之间的相关性都不显著。这说 明在复合垂直流构建湿地净化污水的过程中，磷的去除不是以介质酶的降解为 主【2 9 】。与此不同的是，张鸿等人通过研究凤眼莲、水芹人工湿地对东湖污水氮、 磷净化率与有关细菌的空间分布的关系，发现在磷的净化过程中，细菌是一个 限制性因子i z 引。 1 3 3 人工湿地的净化机理 人工湿地的净化机理是依赖于植物、湿地介质以及微生物等各种湿地组成 要素，通过一系列物理、化学、生物作用，最终达到处理废水的目的的复杂过 程。在成熟的人工湿地系统中，介质中大量微生物与介质、植物以及其他生物 一起形成了一个独立的生态系统。废水进入湿地后首先通过介质及植物根系的 截留作用截留s s ，可溶性有机污染物则通过生物膜的吸附、同化及异化作用被 去除。湿地中植物根系的放氧作用以及介质表层氧的渗透作用促使介质中依次 出现好氧、缺氧、厌氧状态，从而促使部分氮、磷通过各种微生物反应被最终 去除，另外一部分则通过介质的吸附、离子交换、沉淀以及植物的吸收得到去 除。但是，到目前为止，人们还无法准确预测各种影响因素在净化过程中作用 的大小，因此仍有许多问题值得科学工作者研究认识。 1 3 3 1 输氧机理 人工湿地中氧的来源主要通过以下三方面的作用：植物根系对氧的传递和 释放；湿地表层介质的氧扩散作用；间歇进水引起的复氧作用。其中植物通过 光合作用产生一部分氧，通过茎和根系释放到湿地环境中是其主要来源。 ( 1 ) 植物茎和根系的输氧作用： 第一章绪论 如前所述，植物可向每平方米湿地每天传输5 - 4 5 9 氧气，具体值取决于植 物的种植密度和根区的氧分压。d u n b a b i n 等测试了小型湿地根区的氧浓度、p h 值及氧化能力，发现三者在有植物系统中皆高于无植物系统，当人工湿地中补 充碳源，加大耗氧量时，无植物系统中氧浓度大量下降，而有植物系统根区继 续保持氧化状态。说明植物的输氧作用对于濡地的获氧起重要作用。但是，王 安庆等人却认为菖蒲、香蒲等植物植株水面以上部分光合作用产氧时向根部水 体输氧进而引起氧增的作用不明显；芦苇光合作用产生的氧通过自身内部向根 区水体供氧行为可能存在，但也很少，仅维持低水平，引起根层区水体氧增的 作用较弱。由上可知，对于植物传氧的作用，目前仍存在不同认识，仍需要进 一步研究。 ( 2 ) 湿地表层的氧扩散作用 由于湿地介质中不断进行的生物氧化作用消耗了大量的氧，所以在大气与 土壤之间的氧存在一个浓度梯度，在浓度梯度的推动下大气中的氧扩散进入湿 地介质，但是通过扩散获得的氧量相对比较少。目前还没有关于湿地通过表层 扩散作用所获氧气量的试验报告。f j s i k o r a ( 1 9 9 7 ) 等通过计算预测空气扩散作 用的传氧量在0 3 1 9 m 2 d ，与植物的氧传输量相差较大1 3 0 1 。 介质含水率的多少严重影响湿地表层氧扩散量的大小。过高的介质含水量 将阻碍空气扩散，导致下层介质中氧含量的锐减。b o i l e r ( 1 9 9 3 ) 发现连续流人 工湿地与间歇流人工湿地相比，其上层介质中的水含量明显较高，并因此导致 连续流下层介质中含氧量偏低。 k a t r i n 等( 1 9 9 7 ) 发现，在垂直流人工湿地中，c o d 的降解和氮的转化主 要发生在湿地表面以下2 0 c m 的范围内，而硝化作用主要发生