（环境工程专业论文）南四湖表面流人工湿地中试研究及规模化工程示范.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文以表面流人工湿地为研究对象，通过中试研究，对人工湿地的技术参数 进行优化，并对南水北调东线南四湖流域规模化人工湿地示范工程进行调查研究 及长期运行效果评价，可望为南四湖流域以及中国北方相似气候条件下表面流人 工湿地的建设运行提供技术参考和实际经验。 通过湿地中试条件优化研究得出：南四湖流域表面流人工湿地适宜水深为 5 0 c m 、适宜布水方式为砾石层布水，生物岛栅在湿地开阔水面的应用是比较适 宜的；水深、布水方式、生物岛栅等通过影响植物的光合生理和溶解氧状况等影 响人工湿地的水质净化效果。植物在湿地n 、p 去除中有很大的贡献，分别占 1 9 2 6 和3 1 3 7 ，且p 去除的主要途径是植物去除，n 的主要去除途径是微生 物去除。 对8 种湿地植物淹水胁迫研究得出：随着水淹深度的增加，植物的株高不断 增加，叶片变得细长，并且生成大量不定根，植物的生物量和含水量随水深的增 加呈现先增加后减少的趋势，生物量普遍在水淹5 0 e m 处达到最大积累量，含水 量在水淹9 0 c m 处达到最大，水淹深度超过1 4 0 c m 后，叶绿素a 、b 和类胡萝卜 素含量和可溶性糖含量随水深的增加而减少；水深2 0 c m 适合水葱、菖蒲生长， 水深5 0 e r a 适合芦苇、水葱、荆三棱、香蒲、菖蒲生长，而在水深9 0 c m 荆三棱、 香蒲、茭白、鸢尾、菖蒲耐淹性较强，水深1 4 0 c m 植水花生、茭白、鸢尾、香 蒲的耐淹性较强，水深2 0 0 c m 水花生耐淹性较强。 通过规模化人工湿地长期运行效果评价得出：新薛河人工湿地示范区水质净 化效果良好，化学需氧量( c o d ) 、氨氮( n h 4 * - n ) 、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 去除率平均为4 0 、5 5 、5 0 、3 4 ，基本达到地表水i i i 类标准，d o 、p h 也 达到了地表水i i i 类标准，新薛河入湖水基本满足了南四湖流域的水质要求；新薛 河人工湿地示范区生态修复作用显著，生物多样性显著提高，示范区的植物种数 由修复前的2 3 种上升至5 0 种以上，物种丰富度指数、s i m p s o n 指数、 s h a n n o n w i e n e r 多样性指数、p i e l o u s 均匀度指数分别从修复前的4 、o 3 5 、0 6 3 、 o 4 7 提升到l o 、o 7 、1 5 、0 7 以上；新薛河人工湿地示范区环境效益明显，平 均每年削减c o d7 8 6 9 吨、n h 4 + - n8 0 3 吨、t n4 3 3 6 吨、t p0 3 2 吨：新薛河 人工湿地示范区具有很好的景观效益，有一定的旅游价值；新薛河人工湿地示范 l 山东大学硕士学位论文 区经济效益明显，农民收入由湿地建设前的4 0 0 5 0 0 元亩提高到7 0 0 元亩以上； 新薛河人工湿地示范区为中国典型北方河流的湿地修复提供可靠的实践经验，为 当地环境的生态修复和水污染的治理提供了示范作用，形成了很大的影响。 关键词：南四湖，表面流人工湿地，湿地优化，效果评价，湿地植物 2 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h es 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 s ( s fc w s ) l o c a t e da tt h e n a n s il a k ew a ss t u d i e dt oo p t i m i z et h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h ec o n s t r u c t e d w e t l a n d s t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no ft h el a r g e s c a l ew e t l a n dd e m o n s t r a t i o np r o j e c t a sw e l la st h ee v a l u a t i o no fl o n g t e r mp e r f o r m a n c e ，t h es t u d yp r o v i d e st e c h n i c a l i n f o r m a t i o na n dp r a c t i c a le x p e r i e n c ef o rt h ed e s i g na n dr u no ft h es fc w s i nt h e n a n s il a k eo re v e ni nt h ea r e a sw i t hs i m i l a rc l i m a t i c t h eo p t i m i z a t i o no ft h ep i l o tw e t l a n d ss h o w e dt h a tt h es u i t a b l ed e p t ho fs fc w s o ft h en a n s il a k ew a s5 0c ma n dt h es u i t a b l ew a t e rd i s t r i b u t i o nw a sg r a v e ll a y e r t h e b i o l o g i c a li s l a n dw a sa v a i l a b l ei nt h eo p e nw a t e r t h ew a t e rd e p t h ，t h ew a yo f w a t e r d i s t r i b u t i o na n dt h eb i o l o g i c a li s l a n da l la f f e c t e dt h ep u r i f i c a t i o na b i l i t yo ft h e w e t l a n d sb yi n f l u e n c i n gt h ep h o t o s y n t h e s i so ft h ep l a n t sa n dt h ed i s s o l v e do x y g e n c o n d i t i o n s t h ep l a n t sm a d eg r e a tc o n t r i b u t i o n st ot h er e m o v a lo fn u t r i e n t s a b o u t 19 2 6 o fn i t r o g e na n d31 3 7 o fp h o s p h o r sw e r er e m o v e db yt h ep l a n t s t h e u p t a k eo fp l a n t sw a st h ed o m i n a n tw a yo fp r e m o v a la n dm i c r o b i a lp r o c e s sw a st h e m a i nr e m o v a lw a yo fn i t r o g e n t h ef l o o d i n gs t r e s so f8k i n d so f w e t l a n d sp l a n t sw a sa l s os t u d i e d ，a n dt h er e s u l t s h o w e dt h a tt h eh e i g h to fp l a n t si n c r e a s e da n dt h el e a v e sb e c a m el o n g e ra n dt h i n n e r w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ew a t e rd e p t h a n da m o u n to fa d v e n t i t i o u sr o o t sw a s g e n e r a t e d t h ep l a n tb i o m a s sa n dw a t e rc o n t e n tf i r s t l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f w a t e rd e p t ha n dt h e nd e c r e a s e d t h eb i o m a s sr e a c h e dt h ep e a kw h e nt h ew a t e rd e p t h w a s5 0c ma n dt h ew a t e rc o n t e n tr e a c h e dt h em a x i m u ma tt h ed e p t ho f9 0c m w h e n t h ew a t e rd e p t hw a sh i g h e rt h a n14 0c m ，t h ec o n t e n t so fc h l o r o p h y l la ，b ，c a r o t e n o i d s a n ds o l u b l es u g a rr e d u c e dw i t ht h ew a t e rd e p t hi n c r e a s i n g i tw a ss u i t a b l ef o rt h e o n i o na n di r i sw h e nt h ew a t e rd e p t hw a s2 0c m t h ed e p t ho f5 0 c mw a ss u i t a b l et o p l a n tr e e d s ，w a t e ro n i o n ，j i n gs p a r g a n i u m ，t y p h aa n di r i s a n dd e p t ho f9 0 c mw a s s u i t a b l ef o rp l a n t i n gj i n gt r i ，c a t t a i l ，w i l dr i c es t e m ，i r i sa n di r i s t h ew a t e rp e a n u t s w o u l dg r o ww e l lw h e nt h ew a t e rd e p t hw a s2 0 0c m t h el o n g - t e r mp e r f o r m a n c eo ft h ew e t l a n d sw a se v a l u a t e da n dt h er e s u l t s 1 山东大学硕士学位论文 s h o w e dt h a tt h ep u r i f i c a t i o na b i l i t yo ft h ex i n x u er i v e r sc o n s t r u c t e dw e t l a n d sw a s s a t i s f i e d t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o d ，a m m o n i u m ，t o t a ln i t r o g e na n dt o t a l p h o s p h o r u sw e r e4 0 ，5 5 ，5 0 a n d3 4 ，r e s p e c t i v e l y t h ew a t e rq u a l i t yo ft h e x i n x u er i v e rb a s i c a l l yr e a c h e dt h e s t a n d a r di i i o ft h eg r o u n d w a t e r , w h i c hw a s s a t i s f i e dw i t ht h e r e q u i r e m e n to fn a n s il a k e t h ei m p a c to ft h ex i n x u er i v e r c o n s t r u c t e dw e t l a n d so nt h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nw a s s i g n i f i c a n ta n dt h eb i o d i v e r s i t y w a si m p r o v e d t h ep l a n ts p e c i e si nt h ed e m o n s t r a t i o na r e ai n c r e a s e dt om o r et h a n5 0 ， a n dt h ei n d e xo fs p e c i e sr i c h n e s s ，s i m p s o n ，s h a n n o n w i e n e ra n dp i e l o u sr e a c h e dt o 10 ，o 7 ，1 5a n d0 7f r o m4 ，0 3 5 ，0 6 3a n d0 4 7 ，r e s p e c t i v e l y t h ee n v i r o n m e n t a l b e n e f i ti nt h ed e m o n s t r a t i o na r e aw a s i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y i tr e m o v e d7 8 6 9t o n so f c o d ，8 0 3t o n so fa m m o n i u m ，4 3 3 6t o n so ft na n d0 3 2t o n so ft pp e ry e a r0 1 1 a v e r a g e t h ew e t l a n d sb r o u g h tg r e a te c o n o m i cb e n e f i t sf o ri n c r e a s i n gt h ei n c o m eo f t h ef a r m e r sf r o my 4 0 0 5 0 0y u a nt om o r et h a ny 7 0 0 y u a np e rm u x i n x u er i v e r s c o n s t r u c t e dw e t l a n d sp r o v i d ear e l i a b l ee x p e r i e n c ef o rt h er e s t o r a t i o no ft h et y p i c a l r i v e r si nn o r t h e r no fc h i n a i ta l s om a d ea l le x a m p l ef o rt h er e s t o r a t i o no ft h el o c a l e n v i r o n m e n ta n dt h ec o n t r o lo ft h ew a t e r p o l l u t i o n k e y w o r d s ：n a n s il a k e ，s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d s ，o p t i m i z e ， p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，w e t l a n dp l a n t s 4 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 南四湖是微山湖、昭阳湖、独山湖、南阳湖等四个相连湖的总称，位于山东 省西南部济宁市，邻接山东省枣庄市、江苏省徐州市，现属微山县管辖( 滕州市 滨湖镇亦管辖部分湖区) ，全湖面积1 2 6 6 平方公里，是山东第一大湖，也是中国 大型淡水湖泊之一。南四湖属淮河流域泗河水系，入湖河流合计5 3 条，经韩庄 运河、伊家河等泄入江苏境内的骆马湖和洪泽湖【l 】，其中流域面积在1 0 0 0 k m 2 以 上的主河流有l l 条：泗河、梁济运河、白马河、洙赵新河、老万福河、复兴河、 城郭河、东鱼河、光府河、新薛河和新万福河【2 j 。 南四湖是南水北调东线工程的重要输水通道和调蓄湖泊，根据国务院批转的 南水北调东线工程治污规划实施意见中实施进度和重点的要求，南四湖流域 是2 0 0 4 年和2 0 0 5 年南水北调东线工程的治污重点流域之一。多年来，南四湖流 域由于高消耗、高污染的粗放型经济增长方式，导致流域内结构性污染严重，南 四湖的水环境遭到严重破坏，生态系统的功能受到了极大的影响【3 】，出现了水质 污染严重、湿地面积减小、调蓄能力减弱、洪旱灾害频繁等一系列问题，阻碍了 南水北调东线工程的建设1 4 j 。 随着淮河流域水污染防治暂行条例、淮河流域水污染防治规划及“九 五”计划和南水北调东线工程治污规划的实施，近年来南四湖流域大多数 重点工业污染源实现了达标排放，目前南四湖流域各入湖河流的水质已经取得 了一定的改善，但仍不能满足南水北调东线工程的水质要求，南四湖面临的输 水工程水质保障任务还十分的严峻、紧迫。本着既要保障调水水质安全，又要 促进经济发展和社会稳定原则，依据生态学与生态经济基本原理，采取经济、 有效的水质净化湿地生态工程措施，可以消减南四湖入湖污染负荷，改善入湖 河水水质【5 l ，同时恢复湖滨带湿地系统的生态功能，使湿地生态系统具有较高 的生态、经济、社会综合效益，对于保障南水北调工程实施的生态安全具有重 要意义。 山东大学硕士学位论文 1 2 人工湿地概述 1 2 1 人工湿地定义 拉姆萨尔公约中规定湿地的定义为：“湿地系指不问其为天然或人工， 长久或暂时性之沼泽地、湿源、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动，或为淡 水、半咸水、咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的海域”【6 1 。 人工湿地是指由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥 有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中， 主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对 污水、污泥进行生态处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化 还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收 及各类动物的作用。在人工湿地系统中，植物是核心要素，湿地植物不仅可以 通过直接吸收带走污质，还可通过根系滞留促进根际硝化与反硝化速率，改善 通气条件提高根际微生物的降解活性等交互作用来提高系统整体的净化能力7 引。人工湿地处理系统具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、运行 费用低等特点，非常适合中、小城镇的污水处理 9 , 1 0 , 1 1 】，也越来越多地应用于流 域规模的污染河水治理【1 2 15 1 。 1 2 2 人工湿地分类 人工湿地因水流方式差异可分为以下3 类。( 1 ) 表面流湿地( s f w 型) ：废水 在湿地床的表面慢流，它与自然湿地最接近，绝大部分有机物的去除是由长在水 下植物叶茎、杆上的生物膜来完成。这种湿地占地面积较大，在水质净化的同时 有生态修复效果，越来越多的应用于河流污染河水末端治理。( 2 ) 潜流湿地 ( s s f w 型) ：污水在湿地床表面下渗流，一方面可充分利用填料表面及植物根系 上生物膜及表层土和填料截留作用处理，另一方面由于水流在地表下流动，保温 性好，处理效果受气候影响较小，应用较广的一种湿地处理系统。( 3 ) 立式流湿 地( ? m 型) ：水流动情况综合了s f w 和s s f w 的特点，但其建造要求高，易 滋长蚊蝇，目前尚不多见【1 6 】。三种类型的人工湿地比较如表1 1 和图1 1 所示。 6 山东大学硕士学位论文 表1 1 三种人工湿地污水处理系统类犁比较 表面流湿地水平潜流湿地 垂直流湿地 1 3 研究应用进展 图1 1 人工湿地构造示意图 目前，对人工湿地的研究主要集中在人工湿地处理效果评价、处理机理研究、 设计参数优化、运行参数优化、湿地植物选择等方面。 设计参数的优化：( 1 ) 床体长宽比对湿地处理效果的影响：对床体的研究主 要集中在床体的面积和床体的长宽比对湿地处理效果的影响。王薇等认为人工湿 地污水处理单元长度通常定位2 0 5 0 m ，湿地处理系统长宽比应控制在3 ：l 【l ；也 有一些学者建议，为防止短路情况发生，潜流湿地处理单元长度应控制在 1 2 3 0 m t l 8 】。有人认为较高的长宽比可确保污水在湿地内流经较长的距离，从而 提高处理效果；但也有人认为正方形的处理效果要明显好于狭窄的长方形，原因 是当每天灌入的水量相同时，长方形的水流速度必然要快过正方形的，这样不利 于污染物的沉淀【挎】。湿地的形状会影响污水在湿地床中的停留时间，湿地长宽 比会影响污水的离散程度( 表征水流混合程度) 和有效容积率( 表征被利用的容量 7 山东大学硕士学位论文 或面积大小) ，但一般认为较高的床体长宽比会提高湿地中污水的水力学效率， 水流模式也越趋近于纯推流式。( 2 ) 填料粒径对湿地处理效果的影响：j o a n g a r c l a 等人对影响潜流人工湿地处理效果的主要设计参数进行了研究，研究发现填料粒 径也会影响湿地系统的处理效果，细填料床体的处理效果要好于粗填料的床体。 进一步的研究表明在饱和水平( h r t = 3 d ) 下微生物活性的降低值取决于床体中的 粒状填料，粒径较小的填料对大肠菌和大肠菌噬菌体的去除效率较好。( 3 ) 不同 淹水条件的影响：王世和【2 0 】等人研究了2 0 c m 、4 0 c m 、6 0 c m 三个水深条件下c o d 的去除率，发现水深为6 0 c m 时，即使运行的水力负荷较高( 4 3 3 3 c m d 。) ，c o d 的去除率仍然可达8 4 9 。但多数研究认为，较浅的湿地处理效果更好。t h o m a s r h e a d l e y 2 i 】等人在一个l m 深的潜流人工湿地中研究了三个深度水平( 0 1 7 m 、 o 5 m 、o 8 3 m ) 下处理效果的变化，发现在三个深度下各个参数在统计学上并没有 显著性差异，这是由于在水流在垂直方向上充分的混合造成的。研究还发现大部 分b o d 5 的去除主要发生在植被稀少的床体的前三分之一段。床体深度超过o 5 m 对湿地处理效果而言并没有好处，较浅的湿地床体处理效果更好一些。 运行参数的优化：运行参数一般包括：q ( 流量) 、h r t ( 水力停留时间) 、h l r ( 水 力负荷) 及温度；h r t 决定了污水和湿地接触的程度，h l r 是指湿地单位面积上承 受的水量。人工湿地去除污染物的主要机制有：沉降、吸附解吸、过滤、代谢、 硝化反硝化作用，这些机制依靠植物根系系统、大型植物、水体以及微生物群 体。人工湿地的水流模式和污水停留时间对湿地的处理效率有重要影响。温度的 变化( 季节变化) 影响了湿地中微生物的活性和湿地植物的生长，进而对湿地的处 理效果产生影响。刘红等分别研究了高温( 2 1 2 7 ) 、中温( 1 2 1 8 。c ) 和低温( 粉煤灰 蛙石 表 土 下蜀黄土 沸石 砂子；磷的净化能力依次为矿渣 粉煤灰 蛙石 表土 下蜀黄 土 沸石 砂子。鲁敏等【2 5 1 研究香蒲、美人蕉、灯芯草、芦苇、营蒲、艾白和黄 花莺尾这七种武汉地区常见湿地植物对生活污水的处理效果，其中香蒲、美人蕉、 黄花莺尾、菱白和营蒲的处理效果相对较好。风车草、香根草、香蒲、芦苇和灯 心草是国内人工湿地应用比较多的植物。 自1 9 7 4 年首例人工湿地工程在德国建立以来，国内外对于人工湿地在污水 处理和生态修复方面进行了大量的应用，许多国家建造了人工湿地污水处理设 施，包括英国、加拿大、美国、墨西哥、印度、南非、巴西、澳大利亚以及许多 欧洲国家，这些系统由于其较低的建设和运行费用得到越来越多的当地和地区管 理者的认可【2 6 1 。人工湿地经过几十年的发展，有关湿地污水处理能力和过程的 基础研究已经比较成熟，在人工湿地的设计、运行、管理等方面已经积累了丰富 的理论及实践经验。我国在“七五”期间开始人工湿地的应用【2 7 1 。首例采用人工湿 地处理污水的研究工作始于1 9 8 8 1 9 9 0 年在北京昌平进行的表流人工湿地，处理 量为5 0 0 m 3 d 的生活污水和工业废水，占地面积为2 h a ，水力负荷为4 7 c m d ， h r t 为4 3 d ，b o d 负荷为5 9 k g b o d h a d ，用于处理水解池出水。1 9 9 0 年，国 家环境保护局华南环境科研所在深圳白泥坑建造了占地8 4 0 0 m 2 的人工湿地示范 工程，处理规模为31 0 0 m 3 d 城镇污水，该系统自从投入运行以来，取得较好的 处理效果【2 引。2 0 0 3 年初，山东省环保局与济宁市政府联合建设了占地面积为 1 5 0 0 m 2 的济宁市污水处理厂人工湿地中试基地。2 0 0 5 年初，山东省环保局联合 济宁市政府和微山县政府，建设了占地面积约5 0 0 亩的新薛河人工湿地示范工 程，并在此基础上建设了占地面积1 5 0 0 亩的新薛河人工湿地示范工程，为中国 北方人工湿地的大规模建设应用奠定了可靠的技术基础，积累了丰富的运行和管 理实践经验【2 9 】。 1 4 研究目的和研究内容 1 4 1 研究目的 由于湿地处理污水机理的复杂性，湿地的设计参数及运行参数大多数来自于 9 山东大学硕士学位论文 前人研究的经验，不同地区影响湿地处理效果的因素会因为其气候条件的不同有 所变化，本文以南四湖人工湿地和中试系统为研究对象，对人工湿地进行优化， 以确定人工湿地的达到最佳处理效果的条件，并进行了机理上的研究和分析，为 人工湿地的建设和运行提供理论依据和技术支持。同时，对人工湿地示范工程进 行监测、分析以及评价，为中国北方相似气候条件下规模化人工湿地的建设和长 期运行积累实际经验。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 在人工湿地中试系统中，研究水深、布水方式等条件对人工湿地处理 效果的影响及作用机理，选择出最佳的运行参数。 ( 2 ) 构建生物岛栅装置，研究生物岛栅在人工湿地深水开阔区的应用性。 ( 3 ) 研究不同淹水深度对多种南四湖湿地植物的胁迫作用，为筛选不同水 深的优势物种提供参考。 ( 4 ) 选择新薛河人工湿地示范工程为研究对象，全面地评价规模化人工湿 地长期运行效果，不但能为南四湖流域的人工湿地建设提供技术支持，而且能为 中国北方地区规模化人工湿地的建设和运行提供参考。 i 0 山东大学硕士学位论文 第二章试验材料与方法 2 1 中试研究装置 2 1 1 优化研究中试系统 本实验采用的中试基地如图2 1 所示，近自然湿地中试设计湿地底部土壤厚 度为5 0 c m ，底部铺设防渗薄膜。湿地外部围堰高8 0 c m ，顶宽5 0 c m ，底宽 1 5 0 c m ，内部相邻隔墙高8 0 c m ，顶宽4 0 c m ，底宽1 2 0 c m 。 各湿地单元的尺寸设计为：1 # - 4 # 湿地单元尺寸为1 5 m x 3 m ，5 捍1 3 # 湿地尺 寸为l o m x 2 m 。1 j | j 湿地单元水深3 0 c m ，2 j 湿地单元水深4 0 c m ，4 j 湿地水深 6 0 c m ，其他湿地单元水深5 0 c m ( 水深由出水管高度调节) 。6 j f j 湿地单元进水出 设砾石层，7 捍湿地单元进水管为穿孔管，其他湿地单元皆为直管进水。8 j | 湿地 中间放置生物岛栅。9 j f | 湿地中间放置生物浮岛。1 3 # 为空白对照单元。 中鬻邑靶虫t 蚰明土蔓i - 翱用酉年憎3z 2 a 早排蜘1 5 ： 仁- 宽z 日i i f - 椭_ 110 ， 口 弘岫址 _ 址 - 衄1 日卅昂卧目2 目，m 踟 7 1 1 7 , 1 7 t - w ，w 册，i t 。 囊 i 河 摹 - 引 土 i i 置 l i 土- l 图2 1 中试基地简图 山东大学硕士学位论文 2 1 2 淹水胁迫中试系统 淹水胁迫中试试验系统见图2 2 。由图可知，试验系统为底部呈阶梯状的池 体，长为1 2 m ，宽为5 m 。系统左侧底部以地面为基准向下阶梯状延伸，每层宽 为5 0 c m ，高度依次为0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 c m ，每层垂直面设置挡板防止坍 塌，当池体注满水时，各层淹水深度分别为0 、2 0 、5 0 、7 0 、1 4 0 、2 0 0 c m 。系统 右侧为4 5 0 斜坡，防止淹水时坍塌。 中试系统在长度方向上划分出8 个宽为i m 的区域，依次种植香蒲、鸢尾、 菖蒲、茭白、芦苇、水葱、荆三棱和水花生，并每隔2 个区域设置路径，方便测 量和取样。 2 1 3 生物岛栅试验装置 图2 2 台阶式试验田 生物岛栅净水装置图见2 3 ，主要由漂浮载体、水生植物以及生物栅组成： 漂浮载体可以选用泡沫塑料等人工基质，也可以选用竹子等生态材料，本试验采 用的是竹子作为漂浮载体，其上设置均与的栽培孔；水生植物可以选用美人蕉 ( c a n n ai n d i c a ) 、鸢尾( i r i st e c t o r u m ) 、水芹( o e n a n t h e j a v a n i c a ) 香蒲( t y p h a 1 2 t 。 山东大学硕士学位论文 o r i e n t a l i s ) 等景观植物，本试验选用香蒲，栽种于漂浮载体上的栽培空中：生物 栅采用高强度、耐腐蚀的弹性立体填料，拴挂在漂浮载体底部，其上附着生物膜。 生物浮岛净水装置主要由漂浮载体、水生植物组成，制作方法基本同生物岛 栅一致，只是底部没有挂生物栅，植物也选用香蒲。 图2 3 生物岛栅组装图 ( 1 为水生植物，2 为漂浮载体，3 为栽培孔，4 为固定吊环，5 为生物栅) 2 2 中试试验设计及方法 2 2 1 优化试验设计及方法 ( 1 ) 试验设计： 中试优化研究系统为s w f 系统，采用连续进水的方式，进水来源是新薛河 河水，新薛河河水被橡胶坝抬升后，经导流渠进入滞留塘，再由抽水泵分配到并 联的1 3 个湿地单元，各湿地单元的进水流量由各湿地单元前的阀门调节。1 3 个 湿地单元的水力负荷均设为5 c m d ，转换为进水流量1 # - 4 # 是2 6 0 4 c m 3 s ，5 撑1 3 # 是1 1 5 7 c m 3 d 。各湿地单元均种植芦苇，间距2 0 c m 。 该试验主要考虑的优化因素有水深、布水方式、生物岛栅的应用。具体见下 表。 表2 1 中试优化试验 湿些单大型、水深m 净凭积植物密度进水方式布水方式 优化条件 兀m m 。 l1 5 x 30 31 3 62 0 * 2 0 连续式穿孔管水深 21 5 x 3 0 41 8 82 0 * 2 0 连续式穿孔管水深 31 5 x 3 0 5 2 4 3 2 0 * 2 0 连续式穿孔管水深 41 5 x 30 63 0 22 0 * 2 0 连续式穿孔管水深 1 3 山东大学硕士学位论文 51 0 x 20 51 1 12 0 * 2 0 连续式砾石层进水方式 61 0 x 20 51 1 12 0 * 2 0 连续式 直管进水方式 7 1 0 x 2 0 51 1 12 0 * 2 0 连续式 穿孔管 进水方式 81 0 x 20 51 1 1 植物岛栅连续式 穿孔管植物岛栅 91 0 x 20 51 1 1 植物岛连续式穿孔管植物岛 1 01 0 x 20 51 1 12 0 * 2 0 间歇式穿孔管普通 1 31 0 20 5 1 1 1无植物连续式穿孔管空白对照 ( 2 ) 水样采集及监测方法 中试系统的测量周期为2 周3 次，采样的时间在下午4 点左右，采样容器为 2 5 0 m l 的聚乙烯瓶。水质测量的项目有p h 、d o 、c o d 、t n 、t p 、n h 4 + - n 、n 0 3 - n 、 n 0 2 n ，p h 和d o 为易变化项目，在中试系统基地现场测定，其余项目在微山 县环保局实验室测量。水质测量项目和方法见表2 一l ，具体测定方法见水和废 水监测分析方法【3 0 1 。 表2 2 水质监测项目与方法 测量项目测量方法 d o 、p h c o d t n n h 4 + - n t p 哈希h q 4 0 d 标准重铬酸钾法 过硫酸钾氧化紫外分光光度法 纳氏试剂光度法 钼锑抗分光光度法 所用仪器有：哈希h q 4 0 d 、t h 7 5 2 型分光光度仪、7 8 1 型磁力加热搅拌器、 s h 2 m a d z u 型电子天平、y x q l g 0 2 型电热压力蒸汽消毒器、电烤箱、变阻电炉 垄蟹 寸o ( 3 ) 植物指标测定方法 在湿地植物生长最旺盛的8 月份，进行了植物生理状况测定，指标有叶绿素 指数和光合作用指数；在湿地植物枯萎的时候( 1 2 月份) 进行植物收割，并测 定植物体n 、p 含量，测定方法参照( - t - 壤农化分析【3 1 1 。 2 2 2 淹水胁迫试验设计及方法 ( 1 ) 试验设计 1 4 山东大学硕士学位论文 从南四湖人工湿地采集香蒲、鸢尾、菖蒲、茭白、芦苇、水葱、荆三棱和 水花生。选取生长健壮、长势相似的植株各1 8 0 株，每种植物每个高度各3 0 株，种植于台阶式实验田中，恢复1 5 天，进行浇水、除草等正常管理。设置6 个水深：c o ( 对照，保持土壤湿润) 、c 2 0 ( 淹水深度为2 0 c m ) 、c 5 0 ( 淹水深度为 5 0 c m ) 、c 9 0 ( 淹水深度为9 0 c m ) 、c 1 4 0 ( 淹水深度为1 4 0 c m ) 、c 2 0 0 ( 淹水深度为 2 0 0 c m ) 。等到所有植物返苗后进行水淹。分别于水淹前( o 天) 和水淹7 天，采 集植物样本进行形态学及生理学指标的测定，研究不同植物在不同淹水条件下 的生理反应。 ( 2 ) 植物生理指标监测方法 环境因子测定 1 水质监测指标及方法同2 2 1 ； 2 不同淹水深度土壤的e h 值是用f j a 1 5 型氧化还原电位测定仪测定。 形态学指标测定 1 每组植物各随机选取3 株，测定植株的高度，求平均值； 2 每组植物收割3 株，8 0 烘至恒重后称量，求平均值即为生物量。 植物含水量的测定 用烘干称重法测定【3 2 1 。测定样品的鲜重( f w ) 。将植物材料放入大信封，于 1 0 5 。c 下杀青3 0 m i n ，然后在8 0 。c 烘至恒重后再称干重( d w ) ，计算植物含水 率： 含水率( w c ) ( ) = ( f w d w ) f w x l 0 0 。 叶绿体色素含量的测定 用分光光度法测定【3 2 1 。随机植物叶子，洗净擦干，去除边缘和中脉，剪 碎，混匀。称取三份样品0 2 9 ，分别放入研钵中，加少量石英砂和碳酸钙粉及 2 - - 3m l 9 5 乙醇，研成匀浆，再加乙醇1 0 m l ，继续研磨至组织变白，静止 3 - - ，5 m i n 。取滤纸置漏斗中，用乙醇湿润，沿玻璃棒把提取液倒入漏斗中，过滤 2 5 m l 棕色容量瓶中，用少量乙醇冲洗研钵、研棒及残渣数次，最后连同残渣 一起倒入漏斗中。用滴管吸取乙醇，将滤纸上的叶绿体色素全部洗入容量瓶 中。直至滤纸和残渣中无绿色为止。最后用乙醇定容至2 5m l ，摇匀。把叶绿 体色素提取液倒入比色杯内，以9 5 乙醇为空白，在波长6 6 5 、6 4 9 、4 7 0n m 下测定吸光度。 1 5 山东大学硕士学位论文 叶绿素a 浓度( c a ) = 1 3 9 5 xa 6 6 5 6 8 8 a 6 4 9 叶绿素b 浓度( c b ) = 2 4 9 a 6 4 9 7 3 2 xa 6 6 5 类胡萝卜素浓度( c x c ) = ( 1 0 0 0 a 4 7 呲0 5 xc a 一11 4 8 xc b ) 2 4 5 叶绿体色素含量( m g g ) = c x v t i o o o f w 其中v t ：提取液体积( n 也) ，f w ：叶片鲜重( g ) 可溶性糖含量的测定 用苯酚硫酸法测定【3 2 】。随机选取5 片新鲜植物的叶片，擦净，剪碎混匀， 分别称取o 1 0 3g 样品三份，放入刻度试管中，加入5 1 0m l 蒸馏水，塑料 薄膜封口，于沸水中提取3 0m i n ( 提取2 次) ，提取液过滤入2 5m l 容量瓶 中，反复冲洗试管及残渣，定容至刻度。吸取0 5m l 样品液于试管中，加蒸 馏水1 5m l ，1 0m l 6 的苯酚和5 0m l 浓硫酸，混匀，静置5m i n ，沸水浴加 热1 5m i n 后取出，迅速冷却至室温。在4 9 0a m 波长下测定吸光度。 由标准线性方程求出糖含量，按下式计算测试样品中糖含量： 可溶性糖含量( m g g ，= 堑塑型型塑专誓荤等善亳掣 其中v t ：提取液体积( m l ) ，v s ：测定用样液体积( m l ) ，f w ：叶片鲜重 ( g ) 。 2 3 数据处理方法 本试验数据使用e x e c l 2 0 0 3 进行数据初步处理和图表分析，并利用s p s s1 3 0 的o n e - w a ya n n o v a 和d u n c a nt e s t 进行显著性检验。 1 6 山东大学硕士学位论文 第三章表面流人工湿地工艺优化及机理研究 3 1 水深优化及机理研究 3 1 1 水量损失 在中试试验过程中，对处理系统的进出水量进行了监测，结果如图3 1 所示。 4 个不同水深的湿地单元进水量由人为地控制在8 c m d ，而4 个湿地单元的水量 损失不存在显著的差异( p o 0 5 ) ，在2 c m d 左右。处理系统的水量损失主要是 植物的蒸腾作用以及水面蒸发，因为各湿地单元面积及植物密度基本相同，水面 蒸发量的差异可以忽略，因此水量损失的差异主要是由植物蒸腾作用的差异造成 的。以下的数据处理都在考虑了水量损失的基础上进行的，但不会因水量损失的 差距导致出水浓度的很大差异。 - 、 口 昌 。 水 辎 咖1 * 1 #2 #3 #4 # 湿地单元 图3 1 各湿地单元的水量损失 注：图中相同字母代表没有显著差异( p o 0 5 ) ，不同字母代表有显著差异( p 4 扮2 轸1 撑，而在 1 0 - 1 2 月份基本为4 j | i 3 撑 2 撑 l 群；各湿地单元的n h 4 + - n 出水浓度都很低，达到 地表水类标准，并以3 撑和甜湿地单元交替为最低；t n 出水浓度没有很好的 规律，在5 1 0 月份主要为3 | i 甜 2 群 l 撑，并有很大的波动，在1 0 - 1 2 月份基本 为铺 3 撑 2 挣 1 撑；由于t p 进水浓度很低，4 个湿地单元的t p 出水浓度都很低， 均符合地表水i 类标准，在5 l o 月份主要为3 撑 甜 2 轸l 群，并有很大的波动， 在1 0 - 1 2 月份基本为钟 3 存 2 撑 l 撑。 5 月6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月1 月 日期 图3 2 出水c o d 变化情况 伯 们 加 m 0 13mv趟蛏qou 山东大学硕士学位论文 7 0口l # 湿地单元 母2 # 湿地单元日3 # 湿地单元口4 # 湿地单元 6 0 5 0 c 艺4 0 槲 篮3 0 悄 2 0 1 0 0 tb c b a 羹 b ab a b tb a t t bb a 2t 蓁 ： _ ： ： 。， ： c o d 去除率氨氮去除率t n 去除率t p 去除率 图3 - 6 各湿地单元对污染物的平均去除率 3 1 3 水深对植物生长及n 、p 含量的影响 植物在人工湿地系统中起着核心的作用，植物的生理活动有助于去除污染 物，促进污水中营养物质的循环和再利用【3 3 l 。另外，人工湿地中植物能将光合 作用产生的氧气通过气道输送至根区，通过改变根区的氧化还原电位影响基质中 的生物地球化学循环【3 4 1 ；湿地植物还能为微生物提供适宜生境，微生物是人工 湿地中另一重要组成部分，在人工湿地中微生物的种类和数量极其丰富，因为人 工湿地植物发达的根系通常形成一个网络状的结构，扩大可供微生物吸附着生的 表面积1 3 5 j 。 为探讨湿地植物对去处理效果的贡献，本研究在1 2 月初收割了湿地单元内 的芦苇并进行了生物量测定以及植物体n 、p 含量测定，结果见表3 1 。由表3 1 可知：湿地植物的单位面积湿重植物量是随水深增加而上升的，而干重在水深 5 0 c m 以后没有上升，这是由于含水率随水深增加不断上升，水深超过5 0 c m 继 续增加，只能使湿地植物更多的淹没在水中，吸收更多的水分，即水深在5 0 c m 时湿地植物干重植物量能达到最大值：各湿地单元的n 、p 含量的变化趋势出现 与植物干重植物量相类似的规律，水深5 0 c m 时湿地植物n 、p 含量达到最大值。 表3 - 1 各湿地单元植物n 、p 含量 攀凳炮州，矧w ，气荔尹帕( g m 量2 )瞻( g m 量2 ) 2 i