（环境工程专业论文）浅流人工湿地脱磷除碳反应动力学研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 摘要 根据我国污水的排放结构和污水处理的现状可知，我国生活污水的排放在水质和生 态的污染中占了很大的比例。由于排水基数大排入水体中的污染物仍然数量巨大，加 上散排污水得不到有效处理，对流域的生态及水质带来了负荷压力，甚至引起污染。 目前，国内外多采用人工湿地进行水质的深度处理或直接处理排放生活污水，但人 工湿地运行过程中常常存在处理高负荷污水造成基质堵塞的现象，因而影响水质的处 理效果及系统的使用寿命。本试验构造浅流型人工湿地，可有效降低出水负荷，因此 在实际运用中可作为其它传统人工湿地的前置处理阶段，以保持良好的出水水质及湿 地的运行年限。 本文从浅流人工湿地的脱磷除碳研究出发，选用粘土和卵石的混合基质，栽种乡土 植物水竹构成系统。整个试验分为准备期、驯化期和成熟期三个阶段，准备期为系统 构建和植物的自然生长阶段，驯化期为系统的脱磷除碳控制稳定阶段，成熟期为脱磷 除碳的进一步研究阶段。 试验表明，浅流人工湿地驯化至c o d 和t p 出水稳定大约需2 0 天；通过对不同水 力负荷下系统脱磷除碳的效果分析，其运行的最佳水力负荷为0 2 m 3 i n 2 d ；在不同水力 负荷下考察系统沿床体距离的脱磷除碳效果可知，在i 2 床体时c o d 的去除率达到系 统总去除率的9 0 以上，3 4 床体时t p 的去除率达到系统总去除率的8 0 左右；在不 同水力负荷下考察系统沿深度的脱磷除碳效果可知，随深度加深，脱磷除碳效果逐渐 减弱；以最佳水力负荷为运行条件分析考察d o 对脱磷除碳的作用，做出氧垂曲线并 结合不同距离和深度的c o d 和t p 去除率发现，发现d o 有助于除去有机物质降解， 微生物在脱碳中占有很大作用；在准备期、驯化期后、实验结束前分别考察植物对磷 素的吸收效果，并结合驯化期的总磷去除规律，将d o 对c o d 及t p 的去除影响作对 比，发现基质在脱磷中占了很大的作用。 本文通过实验室模拟的浅流人工湿地模型，在不同工况下考察脱磷除碳的效果，研 究分析了脱磷除碳的机理，有助于人们在以后的实际应用中更好地利用其作为其它人 工湿地的前置处理阶段，对水质的深度处理及散排污水的处理应用中有更好的应用。 关键词：浅流人工湿地：脱磷除碳；生活污水：基质堵塞 西南交通大学硕士研究生学位论文第f i 页 a b s t r a c t a c c o r d i n gt h es t r u c t u r eo fs e w a g ed i s c h a r g ea n dt h es i t u a t i o no fs e w a g et r e a t m e n ti n o u rc o u n t r y n o w a d a y s ，i t i sk n o w nt h a td o m e s t i cs e w a g ed i s c h a r g ec o n t r i b u t e l a r g e p r o p o r t i o ni nt h ep o l l u t i o no fw a t e ra n de c o s y s t e m b e c a u s et h eh u g en u m b e ro fd r a i n a g e c a u s e sag r e a tq u a t i t yo fp o l l u t a n t se n t e ri n t ot h er i v e rb a s i n , a n dt h ed o m e s t i cs e w a g e s c a t t e r e dc a ntg e te f f e c t i v et r e a t m e n t ，w h i c hb u r d e nt h ew a t e rq u a l i t ya n de c o s y s t e m ，a n d e v e nc a u s ep o l l u t i o n a tp r e s e n t , t h ed o m e s t i ca n df b 一口o f t e nu s ec o n s t r u c t e dw e t l a n di nt h e d e p t h p r o c e s s i n go rd i r e c t l yd e a lw i t ht h es e w a g ed i s c h a r g e d ，b u tt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n de x i s t ea p r o b l e mw h i c h i sm a t r i xb l o c k i n g ，t h u sa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo ft h ew a t e rt r e a t m e n te f f e c t , a n d s h o r t e n i n gt h es e r v i c el i f eo ft h es y s t e m t h i ss h a l l o ws u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n dc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h ew a t e rl o a d , s oi tc a nb eu s e da sp r c t r e a t e m e n to fo t h e rt r a d i t i o n a l c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，i ft h i s ，t h i ss y s t e mc a nk e e pt h eg o o dw a t e rq u a l i t ya n de x t e n dt h ef b 【e d n u m b e ro f y e a ro fc o n s t r u c t e dw e t l a n d t h i sp a p e rb a s e do nt h ed e p h o s p h o r i z a t i o na n dd c c a r b u r i z a t i o no fs h a l l o ws u r f a c e 烙 c o n s t r u c t e dw e t l a n dw h i c hc h o o s ec l a ya n dp e b b l e sm i x e da sm a t r i xa n dn a t i v ep l a n t s s h u i z h ua sp l a n t t h et e s td i v i d e dt ot h r e ep a r t s ，p r e p a r a t i o np e r i o d , d o m e s t i c a t i o np e r i o da n d m a t u r i t yp e r i o d t h ep r e p a r a t i o np e r i o ds e tf o rt h es y s t e mc o n s t r u c t i o na n dt h ep l a n tn a t u r a l g r o w t h ，d o m e s t i c a t i o np e r i o d s e t f o rt h ec o n t r o l z a t i o no f d c p h o s p h o r i z a t i o n a n d d a r b u r i z a t i o nt os m o o t h ，m a t u r ep e r i o ds e tf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ec o da n dt pt r e a t e ds t a b l yn e e da b o u t2 0d a y s ；t h r o u g h t h er e s e a r c ho n d e p h o s p h o r i z a t i o n a n dd o c a r b u r i z a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n t h y d r a u l i c l o a d i n g ，t h ee x p e r i m e n t f i n dt h a tt h e o p e r a t i o n o ft h eb e s t h y d r a u l i cl o a d i n g i s 0 2 m m 2 d ；t h r o u g ht h er e s e a r c ho f d i s t a n c eo f d e p h o s p h o r i z a t i o na n dd c c a r b u r i z a t i o nu n d e r d i f f e r e n th y d r a u l i cl o a d i n g , i tf i n dt h a ti n1 2b e db o d yc o dc a nr c m o v c9 0 o ft o t a l r e m o v a lr a t e ，i n3 4b e db o d yt pc a nr e m o v e8 0 o ft o t a lr e m o v a lr a t e ；t h r o u g ht h er e s e a r c h o fd e p t ho fd e p h o s p h o r i z a t i o na n dd e c a r b u r i z a t i o nu n d e rd i f f e r e n th y d r a u l i cl o a d i n g ，i tf i n d t h a tw i t ht h ed e p t hi n c r e a s i n g ，t l l er e m o v a lr a t ea l s oi n c r e a s e ；t h r o u g ht h er e s e a r c ho fd o s e f f e c t i o ni nd e p h o s p h o r i z a t i o na n dd e c a r b u r i z a t i o nu n d e rb e s th y d r a u l i c l o a d i n g ，a n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 c o m b i n e dw i t ht h ed i s t a n c ea n dd e p t hi n 崩n o v i n gc o da n dt p ，i tf i n d st h a td oc a nh e l pt o r f f f f l o v ec o da n dt p ，a n dm i c r o b i a lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e c a r b o n i z a t i o n ；t h r o u g h t h er e s e a r c ho fp l a n t si nd e p h o s p h o r i z a t i o ni nt h r e ep e r i o d s ，a n dt h er e s e a r c ho fc h a n g er u l e o ft pi nd o m e s t i c a t i o np e r i o d , c o m p a r e di n f l u e n c eo fd oi nc o da n dt p ，i tf i n d st h a tm a t r i x c o n t r i b u t eal a r g er o l ei nd e p h o s p h o r i z a f i o n t h i sp a p e rb a s e do nt h es h a l l o ws u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n ds e t e di nl a b o r a t o r y , i n t h ee x p e r i m e n ti ti n v e s t i g a t e st h ee f f e c to fd e p h o s p h o r i z a t i o na n dd e c a r b u r i z a t i o ni nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，a n a l y s e st h em e c h a n i s m s oi tc a nb eb e s tu s e da sp r e t r e a t m e n to fo t h e rc o n s t r u c t e w e t l a n d ，a n dc a nh a v eb e t t e ra p p l i c a t i o ni nd e p t ho ft h ew a t e rq u a l i t yt r e a t m e n ta n dt h e u e a t m e n to fd o m e s t i cs e w a g es c a t t e r e d k e yw o r d s ：s h a l l o ws u r f a c 宅f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ；d e p h o s p h o r i z a t i o na n d d c c a r b u r i z a t i o n ；s e w a g e ；m a t r i xj a m s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 我国生活污水的排放情况 根据国家环保总局的调查，自2 0 0 1 年以来，废水排放总量呈持续上升趋势。 其中，生活污水排放量始终呈增长趋势，而工业废水排放量近年来总体上稳中有 降。2 0 1 0 年，我国全国废水排放总量6 1 7 3 亿吨，比上年增加4 7 。其中，工 业废水排放量2 3 7 5 亿吨，占废水排放总量的3 8 5 ，比上年增长1 3 ；城镇生 活污水排放量3 7 9 8 亿吨，占废水排放总量的6 1 5 ，比上年增加6 9 。国家环 境保护总局2 0 1 0 年对当年七大流域、五大湖泊及三峡库区、“南水北调”东线工 程沿线地区及入海陆源的生活污水排放调查情况如下： ( 1 ) 七大流域一海河、淮河、长江、黄河、松花江、辽河和珠江接纳生活污 水3 2 4 3 亿吨，共占其接纳废水总量的6 3 0 2 ：接纳生活化学需氧量6 7 4 5 万吨， 共占其接纳总化学需氧量的6 5 7 9 ；接纳生活氨氮7 7 6 万吨，共占其接纳总氨 氮量的7 7 1 4 。 ( 2 ) 五大湖泊一滇池、巢湖、太湖、洞庭湖和鄱阳湖流域接纳生活污水2 4 0 亿吨，共占其接纳废水总量的5 2 4 ：接纳生活化学需氧量2 8 0 万吨，共占其接 纳总化学需氧量的5 4 6 9 ；接纳生活氨氮3 2 万吨，共占其接纳总氨氮量的 7 2 7 2 。 ( 3 ) - - - 峡库区( 含库区、影响区及上游区共3 1 4 个区县) 接纳生活污水3 2 1 亿 吨，共占其接纳废水总量的6 6 6 ；接纳生活化学需氧量3 6 2 万吨，共占其接纳 总化学需氧量的6 9 5 5 ：接纳生活氨氮8 2 万吨，共占其接纳总氨氮量的7 7 3 6 。 ( 4 ) “南水北调”东线工程途经6 个地区的2 3 个市( 地级市) 、1 0 5 个县( 县级市、 县城和区) 生活污水排放量3 0 3 亿吨，共占污水排放总量的5 8 5 ；生活化学需 氧量排放量为5 5 1 万吨，共占总化学需氧量排放总量的6 1 0 9 ：生活氨氮排放 量为7 8 万吨，共占总氨氮排放量的7 4 2 9 。 ( 5 ) 我国沿海1 1 个地区的1 6 3 个县( 区、市) 的入海陆源生活污水排放量为7 8 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 亿吨，共占其污水排放总量的6 4 1 7 ；生活化学需氧量排放量为11 7 4 万吨，共 占其总化学需氧量的6 7 8 6 ；生活氨氮排放量为1 3 8 万吨，共占其氨氮排放总 量的8 2 1 4 。 由此可见，城镇生活污水的排放量较大，对流域、湖泊的水质及生态带来 了很大的压力负荷。再加上农村散排的生活污水未计入调查范围，实质上生活污 水总的排放对流域、湖泊等的污染贡献比调查贡献的更大。 1 1 2 我国生活污水处理现状 1 城市生活污水处理现状 据住房和城乡建设部2 0 0 7 年对城市和县城建设统计公报显示：全国城市共 有8 8 3 座污水处理厂，污水处理率达6 2 8 ，其中以污水处理厂集中处理的比例 大概占到4 9 6 r 全国县城共有3 2 3 座污水处理厂，污水处理率仅为2 2 6 ，其 中污水处理厂集中处理率仅占到1 7 6 。 在实际的废水处理中，按照不同的处理程度，废水处理系统可分为一、二、 三级处理。一级处理只去除较大颗粒的悬浮物质，一般为二级处理的预处理阶段； 二级处理去除废水中呈胶状和溶解状态的有机物质，通过二级处理后一般废水均 能达到排放标准；三级处理为深度处理，进一步去处废水中的氮磷等能够导致水 体富营养化的无机盐等】。目前，生物法是最常用的二级处理方式，也是在我 国城市污水处理厂中最多的主体工艺，现阶段采用的生物法多有脱氮除磷功用。 据调查研究，在我国现有城市污水处理厂中8 0 以上采用的是活性污泥法眩】。 传统活性污泥法( a s p ) 适用于处理要求高而水质较为稳定的废水，但存在不能适 应冲击负荷，供氧不均，占地面积和基建费用高，容易引起污泥膨胀等弊端，由 此衍生出a o 工艺、a 2 o 工艺、a b 工艺、s b r ( 序批式) - r 艺、氧化沟( o d ) t 艺、 c a s s 工艺等曙】。 , a d o 工艺分为a 1 o 法和a 2 o 法，它们除了能使有机物得到降解外，a l o 法可脱氮，a 2 o 法可除磷。a i o 法由缺氧段和好氧段两部分组成，废水依次经 缺氧段的反硝化反应器、好氧段的b o d 5 去除、硝化反应反应器、沉淀池后出水， 其中消化液经内循环和进入废水循环处理：a 2 o 法由前段厌氧池和后段好氧池 串联组成，废水依次经过格栅、沉砂池、厌氧池和好氧池、沉淀池后出水h 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 刖o 工艺流程简单、投资较小、操作费用低、处理效率较高、抗冲击负荷能力强： 但脱氮工艺由于没有独立污泥回流系统导致难降解物质降解效率低，脱磷工艺对 于1 1 p b o d 比值较高情况下由于剩余污泥少难以达到稳定运行的效果。 a 2 o 工艺由厌氧段、缺氧段、好氧段三部分组成。废水依次经厌氧池、缺 氧池和好氧池，经沉淀池出水。该工艺最为简单、同时具有去除有机物和氮磷的 功能、污泥沉降性好不易膨胀；但因脱氮除磷的条件不同无法同时满足，导致难 以同时兼顾取得较好的脱氮除磷效果巧1 。 a b 工哺3 艺由预处理段、a 级、b 级三段组成。废水依次经格栅池和沉砂池 预处理，再依次进入a 级的吸附和沉淀池、b 级的曝气池和沉淀池，最后出水。 a 、b 级拥有各自的污泥回流系统，因可分期建设而具有经济适用性，另外该工 艺去处污染物效果好、运行稳定、具有较好的脱氮除磷效果；但a 级中如果控 制不好易于产生臭气，且污泥产率高。 s b r ( 序批式) 工艺依次经流入、反应、沉淀、排放和闲置五个工序组成卯。 该工艺流程简单、不设沉淀池和污泥回流系统、占地面积小、抗冲击负荷、对有 机物和氮磷处理效果好、不易产生污泥膨胀；但由于对自控要求较高，限制了其 推广使用眩】。 氧化沟( o d ) i 艺7 3 是我国采用较多的污水处理工艺技术之一，其外型呈封 闭环沟状，混合液在沟内不中断地循环流动，形成厌氧、缺氧和好氧段。该工 艺哺1 不需设初沉池和污泥消化池、占地面积较少、耐冲击负荷强、对可溶和不 溶性有机物去除彻底、具有脱氮效果、污泥产生量少；但易于污泥膨胀、流速不 均易造成污泥沉积、敝式处理易造成大肠杆菌等逸散到空气中、同时不具有除磷 的功能，不能满足我国现阶段排水处理的要求。 c a s s 工艺由生物选择区、兼氧区和主反应区组成的一间歇式反应器组成， 反应器交替进行曝气一不曝气过程，将生物反应过程及泥水的分离过程结合在一 个池子中进行。该工艺抗冲击能力强，对有机物和氮磷处理效果较好、占地较少、 技术较为成熟。 2 农村生活污水处理现状 据住房和城乡建设部2 0 0 5 年的村庄人居环境现状与问题调查报告，通 过对我国具有代表性的9 个省4 3 个县7 4 个村庄的入村入户调查显示：9 6 的村 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 庄没有排水渠道和污水处理系统，生产生活污水随意排放扪。 部分新农村建设和经济较为发达的乡镇均修建污水处理厂集中处理污水， 大部分乡镇生活污水均为散排单独处理。目前，散排农村生活污水的处理方式主 要有化粪池处理、沼气池厌氧处理、土地渗滤处理、稳定塘处理嘲。 传统化粪池用于收集预处理农村生活污水后用于浇灌农田林地，该方法简 单易操作，但占地面积大、处理效率不高、异味大、不能满足日渐增长的排污量 要求。 厌氧沼气池为最通用、最节俭、最能将环境和社会效益结合的农村生活污水 处理方式1 们。经发酵后的沼气可作为家庭能源，沼液可作为农作物灌溉使用。 但由于该系统仅用于处理人畜粪便，洗浴及厨房废水等还需单独处理，故有一定 的局限性1 。 土地渗滤处理以土壤植物系统为介质，通过系统生化处理去除农村生活污 水中各类污染物，然后用于农灌田地1 羽。该方法简便易行，建设费用低，但由 于使用一定期限后易于堵塞系统造成土壤板结而影响其使用及处理效果而应用 受限。 稳定塘是将土地经人工修整形成池塘，利用自然净化能力使污水得到生物净 化的处理技术1 引。该系统基建费用少、运行方便、能耗低，但因易受气候影响、 易造成二次污染、占地面积大等原因而较少使用1 4 1 。 3 我国生活污水处理存在问题与前景 综上所述，我国污水的处理效率仍然较低，这表现在两个方面1 卯： 其一，城市的生活污水处理效率低。这主要是因为污水处理厂一般集中建设 在城边某个适宜收集城区污水的地方，污水管网集中敷设在城区，这样导致城郊 和远离城区的单位被排除在污水处理厂服务范围内；另外，目前我国污水处理厂 使用的核心工艺多为活性污泥法，其工艺对有机物的去除和脱氮除磷仍有一定的 局限性，大量的生活污水经处理后排入水体中的有机物和氮磷物质数量仍然较 大。 其二，县镇和农村的生活排污水处理率低。一方面是由于污水处理厂建设率 低，这主要是由于其基建费用较高，农村户落比较分散，须投入大量资金建设配 套管网设施而受到限制；另外，由于县镇和村落受到经济、地形等条件的制约， 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 生活污水往往不经任何处理便任意排放，再加上农田灌溉排水等，它们随雨水径 流等排入江、河、湖泊，大范围大面积的农村乡镇的点源、面源排污对环境造成 了严重的污染。 目前，人工湿地在城市和乡镇污水处理中日渐兴起，它简便易行、成本相较 低、易维护管理。该技术通过在经防渗处理的衬里上铺垫填料床，种植植物形成 人工生态环境，具有景观和环境的双重效应们。人工湿地在城市污水应用中可 作为污水处理厂的后续深度处理，处理完的水可用于中水回用，作为景观用水等， 同时建立的人工湿地栽种上绿色植物也具有景观效应；在乡镇的应用中可以不集 中建设，处理分散废水较为可行，并且在填料上可栽种农作物等，达到产量与污 染治理的双重效果。因此，将人工湿地应用于城市和乡镇生活污水的处理具有较 为广阔的前景。 1 2 人工湿地概述 1 2 1 人工湿地的概念及分类 人工湿地是于二十世纪七十年代末发展起来的一种人工建造和监督控制的 与沼泽类似的污水净化生态系统n 。它利用生态系统中物理、化学和生物三者 的协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现 对废水中污染物质的高效净化1 引。 根据水流及设计方式的不同，人工湿地可分为三类1 9 , 2 0 1 ： 1 表面流人工湿地( s f w ) 表面流人工湿地类似于天然湿地，但对污染物的去除效率高于天然湿地粥。 该系统基质多为天然粘土，污水从进口处缓速流过基质表面，水深约o 1 o 6 m ， 部分污水渗入基质内部分蒸发眨。该系统水力负荷较小，易受气候影响，夏季 易滋生蚊蝇、产生臭气。 2 水平潜流人工湿地c h s s f w ) 水平潜流人工湿地由一个或多个填料层按照不同比例组合成基质，水流由进 口从基质下水平缓速流过，水面低于基质层0 0 5 - 0 1 0 m ，该系统能接受的水力 负荷较大，对污染物的去处效果好。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 3 垂直潜流人工湿地( v f w ) 垂直潜流人工湿地采用间歇方式运行，水流从基质表面垂直流向基质层底 部，没过整个基质层，然后缓慢渗流到底部。该系统采用干湿交替布水的方式， 大气复氧和植物输氧能力强，占地面积小。 1 2 2 人工湿地的组成 人工湿地由水体、基质层、植被和微生物组成，是一种水陆交接相生态系统， 各个组成要素间相互协同作用净化水中的污染物质2 2 五卯。 1 水体 水体主要指进入人工湿地系统的污水、径流等和散失的水分。其中污水进入 水体的方式有表面流、水平潜流和垂直潜流三种形式，一般来说污水进入基质层 的水力负荷是经人为控制的，也就是说在一定时间它是一定的；而径流包括雨水、 雪、冰雹等，它们进入基质层的时间及方式不固定，往往会因这些因素而稀释污 染物浓度，减小污水的水力停留时间，从而使得其对污水的效果和正常条件不一 样。散失的水分主要是由于植物的蒸腾作用以及自然蒸发作用减少的水量，往往 白天散失的水量大于夜间，因此会对湿地的污染物降解会有一定的影响。 2 基质层 基质层又称填料床，填料床一般为土壤、沙土、砾石或其它材料等中的一种 或几种按照一定的厚度比例设计而成，针对不同的水质处理要求及不同的水流进 水方式所采取的基质不同2 们。基质层的作为为：( 1 ) 为植被提供生存的平台，为 微生物提供固着的环境；( 2 ) 截留污水中的悬浮物质，去处s s ；( 3 ) 吸附、降解有 机物及氮磷等无机盐的场所：( 4 ) 涵养水分，保持水陆生态相环境。 3 植被 植被通过光合作用经根系向基质层输送氧气，在基质层中形成好氧区、兼氧 区和厌氧区，为各种微生物提供生存环境；同时，植被形成的网络状根系可以截 留污水中的悬浮物质和较大颗粒物质；再者，植被生长通过吸收污水中的有机物 及氮磷营养物质，以达到去除污染物的作用2 。人工湿地中的植被包括挺水、 浮水和沉水植物三种，其中常选用当地生长的具有景观效应和环境效应的乡土挺 水植物。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 4 微生物 微生物在人工湿地的污染物降解中起着举足轻重的作用，当湿地成熟运行 后，在基质层及植物根系会形成不同种类的生物菌落群，整个系统在微生物的作 用下进行生化反应，达到净化污水的作用满3 。常见的微生物有放线菌、磷细菌、 硫细菌、亚硝化细菌、硝化细菌等，通过它们不同的生物特性活动分解改变污染 物形态，间接达到水质净化的目的期。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 人工湿地的发展历史及研究现状 1 国外发展历史 1 9 0 3 年，英国约克郡建造了世界上第一座人工湿地，它用于处理污水并沿 用至1 9 9 2 年3 2 3 扪。 1 9 5 3 年，德国的d r s e i d e l 发现植物在人工湿地中能去除各种污染物质，并 于1 9 世纪6 0 年代出气研发出人工湿地的串联处理系统州。 1 9 世纪6 0 年代中，d r s e i d e l 和d r k i c k u t h 合作并提出“根区理论”，极大 地丰富了人工湿地的理论，推动了其实验研究和发展。根据该理论，德国于1 9 6 7 年建造了一种自由表面流湿地处理模式3 们。 2 0 世纪中，美国国家空间技术实验室提出“厌氧生物+ 植物”的复合人工湿 地处理系统，同时与北美的国家一同进行有关研究。 1 9 9 6 年，第四次国际研讨会在奥地利举行，会上将人工湿地作为一种污水 处理技术提出而正式引入水污染控制研究领域。 据2 0 0 6 年的不完全统计，欧洲各国家已建有的人工湿地有一万多座，北美 有二万多座，亚、非、拉正将人工湿地作为一种新型的污水处理技术而大量建设 投入运营。 2 国内发展历史 我国疆域辽阔，有滨海的天然湿地、沼泽及红树林地等，但对人工湿地的 系统研究始于“七五”期间。 1 9 8 7 年，我国首例人工湿地研究由天津市环境保护所领头建造，该人工湿 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 地栽种芦苇，主要是将污水处理厂的排水进行深度处理，以及处理城市污水。 1 9 9 0 年，华南环保所牵头在深圳白泥坑建筑了占地1 8 9 亩的人工湿地作为 示范工程3 5 】。 1 9 世纪9 0 年代后，北京昌平、武汉、天津、成都、内蒙古等地陆续建造 了人工湿地实验模型，但由于工艺易受气候影响，出水不稳定、效果不如污水处 理厂、占地大等原因而推广受限。 3 发展应用现状 目前，人工湿地不仅应用于生活污水的处理中，更在工业废水、河道整治、 农业面源污染、城市或者公路径流、垃圾渗沥液、景观打造等方面有所应用b 钓钔。 在生活污水处理方面，台湾地区采用人工湿地处理覆盖面积1 0 平方公里的 乡镇生活污水，对污染物的去除效率达8 0 及以上h 。美国宾夕法尼亚州用潜 流方式人工三级串联处理当地生活污水4 。 在工业废水处理方面，人工湿地净化含铁、锰的钢铁废水，对金属离子的去 除率率达9 0 以上仞。处理如含单宁酸、脂肪酸等高浓度有机废水，人工湿地 的处理效率能达5 0 4 3 j 。我国漳州市某造纸厂建造水葫芦水草湿地，对造纸废 水进行处理后灌溉果园。吉林大采油厂采用采用生物处理+ 人工湿地方式处理钻 采含油废水取得良好效果。 在河道整治方面，巴西东北部的城区河道，采用水平潜流湿地去除河道中高 浓度的b o d 、氨氮和病菌州；美国s t e a m b o mc r e e ko f t r u c k e er i v e r 采用自由 表面流湿地处理富营养化水体3 ；台湾地区的e r h r e n 河采取表面流+ 潜流复 合式湿地治理受污染流域3 ；北京的龙道河采用垂直潜流湿地处理排河生活污 水例；东莞运河采用垂直潜流+ 水平潜流复合湿地模式处理劣v 类水体4 们；沈 阳的满堂河采用水平潜流湿地处理流域及沿河散排生活污水，出水达到景观水质 要求：成都的活水公园将景观效应与湿地污水处理结合处理府南河受污染水，将 死水变为活水4 9 】。 在农业面源污染治理方面，位于加拿大的安大略湖区域采用人工湿地处理奶 牛场废水，出水效果良好，达到排放要求嘲3 。美国北卡罗那州采用潜流湿地处 理养猪场废水然后还田使用5 l 】。丹麦、芬兰、瑞士等国将人工湿地作为处理农 业造成面源污染的重要处理措施5 2 - 5 6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 4 ii | 量量量量量量| 量量量曼量曼曼量置置置昌_ 奠皇皇置鲁皇皇罡圈墨墨_ 在城市、公路径流处理方面，美国佛罗里达已将人工湿地应用于处理暴雨径 流污染【s 7 ) 。英国的h p o n t i e r 和e m a y 将人工湿地与其它方法联合处理方式应用 于高速公路径流处理中5 8 。我国渝湛高速公路采用人工湿地处理路桥径流，使 含油燃料油、重金属、有机物的难降解径流污水得到治理。 在垃圾渗沥液处理方面，美国纽约早在1 9 8 9 年便采用浅流人工湿地处理 i t h a c a 垃圾填埋场渗沥液：美国阿拉巴马的c h u n c h u l a 填埋场将渗沥液与被污染地 下水混合进入人工湿地进行处理；北欧芬兰气候较为寒冷，采用人工湿地处理其 e s c a m b i a 的p e r d i d o 垃圾渗沥液已成功运行达1 3 年；d r a g o n j a 填埋场位于斯诺文尼 亚，其采用浅流人工湿地处理经稀释的渗滤液；另外，英国、挪威、加拿大等国 也相继采用不同类型的人工湿地成功处理垃圾渗滤液b 9 】。在国内应用与研究中， 人工湿地在此方向属于探索阶段，一般用于垃圾渗沥液生物处理后的精处理阶 段，例如位于上海的老港填埋场，分别经厌氧池、兼氧池和曝气池处理后，沥液 出水才进入芦苇湿地，出水效果试验良好。 在景观打造方面，国内外多建设人工湿地公园，将其应用于改善城市气候、 涵养水源、防洪泄洪、美化城市、维持生物的多样性等方面。例如伦敦湿地公园 边界距离市中心仅5 k m ，原是老工业区b a r ne l m 水库所处位置，政府将其打造为 人工湿地公园，有效地将城市环境和湿地自然环境相结合，起到了景观、生态、 人文的三重效果：巴西的摩内港、日本的神户港、英国的索福特码头、悉尼杰克 逊湾都采用人工湿地处理景观用水，并且取得了良好的景观效果；上海崇明岛东 滩湿地位于长江边，其建设打造一方面具有保护禽类、改善气候、教育研究的功 能，另一方面对于处理上海排放的工业废水具有积极作用；重庆的彩云湖人工湿 地公园将污水处理厂的排水作为给水水源，一方面改善了景观，可作为市民的休 闲娱乐场所，另一方面治理了原来被污染的溪流；深圳石岩河人工湿地作为处理 石岩河水库的支流处理系统，有效地净化了支流水质，保护了当地的饮用水源， 具有环保、旅游、种植的功能。 1 3 2 人工湿地除碳的研究现状 通过实验研究和实际应用发现人工湿地对有机物的去除有良好的效果，这 是毋庸置疑的。因此，在脱碳这方面的研究主要集中在除碳机理上，以便更好地 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 去除有机物，同时延长湿地的运行时间，主要集中在不同湿地脱碳的去除效果、 基质、植物和微生物对脱碳的影响上。 o o v e lc 酏3 通过两个垂直潜流的人工湿地串联处理学生公寓生活污水，对有 机物的去除率达到9 1 。国内学者对人工湿地去除城市污水污染物的效率研究表 明，对于进水浓度一般的污水，人工湿地对有机物的去除率能达8 0 以上哺l 】。 许衡悦3 从人工湿地处理生活污水的采集水样表明，系统对c o d 的去除率能达 9 1 8 1 ；钱大益哺引采用复合人工湿地试验，结果表明去除生活污水c o d 效率 为8 1 1 ；赵素芬阱3 采用串联复合人工湿地试验，系统对c o d 去除率为7 9 8 9 ： 岳春雷对垂直流人工湿地的研究表明，对c o d 去除达9 1 4 2 ；崔理华等哺卯通 过垂直流人工湿地实验，对生活污水有机物的去除率约为7 6 8 7 ；雏维国等哺们 在以栽种富贵竹的潜流式湿地中采集生活污水处理前后的数据，表明c o d 的去 除率为8 3 3 ：丁延华哺7 1 在对人工湿地处理有机物效率进行研究，去除率达到 8 0 ：深圳白泥坑处理生活污水效率能达8 0 9 0 。 s u l i m a n 6 8 1 研究了对填料的不同填层对人工湿地中污染物的去除影响； w i l l i a m 的3 研究了不同粒径的填料对芦苇人工湿地的水力传导特性：b 娜k e m d 【7 0 l 研究了垂直流湿地中砾石、炉渣对生活污水c o d 的去除。d o r d i o 【7 研究了不 同基质对有机物质的吸附降解作用，发现较细粒径的基质对有机物质去除效率更 高。北京环科院经实验研究发现r 7 2 ，污水进入湿地基质往下渗漏大约0 5 m 内 c o d 会快速降解，污染物降解与氧浓度有关。吉林大学国家重点实验室m 研究 发现不同基质的底质和其所处的氧化、还原电位对人工湿地c o d 的去除效果有 影响。 c i r r i a 订4 3 通过对比实验，发现植物有提高系统去除有机物的能力；k a r a t h a n a s i s m 3 通过对1 2 块人工湿地的研究，表明定期收割植物能有效提高有机物去除率： p e t em u r i o zm 1 经试验研究，在气候较为寒冷地区，湿地通过曝气和种植耐寒植 物，能有效防止湿地的冻结和堵塞。p a n t i pk l o m j e kn 7 3 研究了8 种挺水植物对有 机物的去除，发现香蒲的作用最好。鲁敏引研究了7 中常见湿地植物对生活污 水的降解效果，发现香蒲、茭白、黄花鸢尾、美人蕉和菖蒲对有机物的去除效果 较好，而水竹、芦苇、香蒲等是应用最多的。胡勇r 7 9 3 在华南地区对不同植物的 c o d 去除进行了考察，认为不同植物对c o d 的去除几乎影响差不多，筛选的栽 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 种湿地植物只是从去除氮磷的角度来考虑。 d u n c a n 和c r o f f m a n 经实验发现微生物在人工湿地中的作用效果相似与天然 湿地，有助于促进有机物质的吸收和循环。g a l e 试验发现向人工湿地中提供充 足的有机碳源，有助于促进微生物的生长碳代谢，以提高系统净化效率。付融冰 研究得出湿地中上层微生物多余下层，因此有助于有机物质多在上层降解。梁威 发现湿地中微生物的菌落细菌总数对b o d 5 的去除存在正相关关系。同济大学污 染控制国家重点实验室实验研究发现哺们，人工湿地的有机物的去除率与系统中 细菌的数量有显著的相关性。 另外，国内外也有大量关于人工湿地类型、污水水力负荷、水力停留时间， p h 、气候条件、系统d o 值的不同对有机物质的去除研究，大约分为人工湿地 的实地研究和实验室模拟研究两种形式。 1 3 3 人工湿地脱磷研究现状 从人工湿地应用发展现状看，国内外的研究主要集中在以下两个方面： ( 1 ) 对人工湿地中磷素去除机理的研究 人工湿地对于磷的去除机理比较复杂，主要集中在基质、植物、微生物及 其它影响因素上。 d r i z o 8 1 , 8 2 采用7 种不同基质分析比较了除磷效果，有页岩、沸石、铝土 矿、飞灰、陶粒、石灰石、油性页岩，综合比较后发现页岩脱磷效果很好。s a k a d e v a n 埔引研究了沸石、炉渣、钢渣和土壤对磷的吸附特性，发现炉渣和钢渣的效果最 好。g r a y “3 采用海藻最为基质，发现其的净化磷的能力和页岩相当。m o s h i 8 5 3 认为有机物浓度过高会影响基质对磷的吸附，s a n y a l 哺们则认为某些有机物会增 强其吸附。崔理华哺钉通过垂直流人工湿地试验研究其对城市污水的去除率，该 城市污水总磷含量约为2 o o 2 5 1 2 m g l ，去除率为3 0 5 0 ，后将基质改为飞灰， 总磷去除率达到7 5 9 2 。余占环嚏7 3 分别采用了煤渣、黄棕壤和废弃水泥浆作为 基质考察了它们吸收磷的吸附特性，研究表明黄棕壤吸附效果最后，废弃水泥砂 浆次之，最后为煤渣。徐丽花啪3 等研究了沸石和石灰石及其组合基质的脱磷效 果，发现组合基质吸附脱磷效果较好。林静哺引通过对地处上海的梦清园人工湿 地研究发现，基质的吸附沉淀对磷的去除能达5 0 左右，是主要的去除方式。张 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 强9 0 1 通过在实验室静动态模拟潜流人工湿地的方式，发现煤渣对生活污水的去 除效果最好。 r e e d 【9 研究发现湿地植物被收割后暂时增加，大约1 5 天后由于生物的同 化和异化代谢作用吸收使得出水磷浓度在升高后再次降低。l e n as t r o m 9 2 3 研究 发现植物根系的某些分泌物能促进基质对磷的吸收，从而间接起到提高磷的去除 率的作用。梁威9 3 3 采用有植物和无植物的湿地系统对磷的净化作用作对比，试 验结果显示有植物的湿地系统除磷率约为6 0 ，无植物系统的为2 8 ，另外如 果进水负荷过大，植物根系过于发达，会造成调料层被根系生长压实，影响污水 的处理效果。彭江燕3 通过试验研究了美人蕉、水葱、水竹、芦苇、菖蒲对污 水的净化能力，发现水竹的净化效果最好，其次为菖蒲、美人蕉、水葱，芦苇去 除效果在这5 种植物里面最次。曹向东吟5 3 在复合人工湿地实验中发现，人工湿 地在植物生长期和收割期的对磷的去除差别较大，分别为2 0 3 0 和1 0 左右。 缪绅裕9 6 3 在研究植物脱磷作用时，发现植物各部分对磷的吸收是不同的，一般 随着污水磷浓度升高植物吸收量增大，含磷量根系最大，其次为叶、茎和胚轴。 w a n g 啪3 通过研究发现，微生物有其生长周期，微生物吸收溶解无机磷， 但并不能将元素转化，因此当其进入死亡期后便将吸收的磷全部释放，但整个系 统中微生物存在一种吸收释放的平衡，因此他认为微生物对t p 的去除没有明显 的相关性。a d e l 9 8 3 指出，从短期看微生物在人工湿地中脱磷作用甚微，但从长 期看，微生物有助于难溶有机物分解、转化和储存水体中的磷，有助于提高磷的 净化效果。 另外，关于外界因素，如p h 、温度、进水磷浓度、系统中溶解氧量、作用 时间对磷的去除也有大量研究。 ( 2 ) 关于人工湿地除磷模型的研究 目前的研究主要集中在吸附等温模型、吸附穿透曲线和吸附动力学模型上， 国外对此的研究颇为丰富，而国内尚处于起步阶段。 国内外研究学者常采用l a n g m u i r 方程、f r e u n d l i c h 方程