（环境工程专业论文）潜流型人工湿地氧的传递与消耗过程及特性研究.pdf

摘要 潜流型人工湿地氧的传递与消耗过程及特性研究 东南大学 博士研究生：鄢璐导师：王世和教授 摘要 作为新型生态污水处理技术，人工湿地具有投资省、运行效率高、抗冲击、易维护等优点，并 因其显著的环境生态效益，受到国内外水处理界的广泛关注。与传统生物处理方法相比，人工湿地 中的氧环境具有显著的复杂性，对各类污染物的降解机制及过程均产生直接或间接影响。因此，系 统研究并分析湿地中氧的特性，将有助于深入探明湿地系统的净化机理，提高污水净化效率及稳定 性，推动人工湿地技术的应用和发展。 本文以潜流型水平流人工湿地为主要研究对象，全面考察了湿地中氧的时、空变化规律，探讨 不同运行条件下人工湿地的氧状况与净化特性，在此基础上，通过植物、微生物、基质氧传递特性 的研究，深入分析湿地氧传递的影响因素，以揭示潜流型人工湿地中氧的分布特性及传递消耗过程。 研究结果表明，总体而言，人工湿地中氧的浓度较低，普遍低于0 5 m g l ，在空间和时间上均 呈现明显变化规律，对人工湿地中微生物的活性及污染物的去除效果具有直接影响。不同运行条件 下的试验结果表明，垂直流一水平流串连湿地及三级槽接式水平流串连湿地对各类污染物去除效率 有所提高，尤其是氮类物质的去除率可提高5 左右；多点进水和强化供氧人工湿地可有效改善湿 地的氧环境，多点进水湿地氧浓度提高0 1 m g l 左右，强化供氧湿地氧浓度达l m g l ，进而提高了 脱氮效果。与水平流湿地相比，垂直流人工湿地内的水流相对湍急，利于复氧，进而提高了微生物 的活性与净化效率。对植物光合特性的测定表明，植物光合产氧输氧为湿地的主要氧源，单株植物 根部氧分布特征为：主根部氧化还原电位较低，向外侧逐渐升高，并呈现明显的日变化和季节变化 规律。对湿地氧传递与消耗过程的试验结果表明，芦苇的光合作用日变化通常表现为单峰型，仅当 日最高温度达到3 8 。c 以上时为双峰型；湿地植物光合速率与光强、温度间呈显著相关，同时受湿度、 叶片生长状况的影响；填料的不同物理性质直接影响复氧效果和净化效率，基质，尤其是土壤对氧 具有吸附释氧功能，在湿地氧传中表现出吸附传递与反应平台两方面作用；表征氧消耗过程的土壤 呼吸速率与硝化反应强度均与温度呈显著相关关系，并在空间上具有明显变化规律：土壤呼吸速率 前端最高，之后明显下降，在中部有所同升后继而下降；湿地中、后部硝化反应强度高于前部，中 间( 4 0 0 m m 宽处) 高于两侧。 最后，本文借鉴相关资料，建立了人工湿地氧传递与消耗过程概念模型、人工湿地需氧量理论 模型及人工湿地氧传递试验模型，结合模型，分析了氧的传递、消耗过程，对湿地植物释氧速率进 行了估算，并确定了湿地氧传递与消耗过程的影响参数。 关键词：潜流型人工湿地；氧；传递与消耗 东南人学博1 ：学位论文 s t u d y o no x y g e nt r a n s f e ra n dc h a r a c t e r i s t i c si ns u b s u r f a c e f l o ww e t l a n d s s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a m eo fg r a d u a t e ：y a nl u s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gs h i h e a b s t r a c t a san e wa d d e db i o l o g i c a ls e w a g et r e a t m e n t ，t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sa t t r a c tw i d ea t t e n t i o nb e c a u s et h e y a r e l o w c o s t ，l o w m a i n t e n a n c e ，h i g h e f f i c i e n c y a n da l s oh a v ee c o l o g i c a lb e n e f i t s c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lb i o l o g i c a lt r e a t m e n t o x y g e nc o n d i t i o ni nc o n s t r u c t e dw e t l a n d si sm o r es p e c i a la n dc o m p l e x , w h i c hi n f l u e n tr e m o v i n gm e c h a n i s ma n dp r o c e s so fa i lp o l l u t a n t sd i r e c t l yo ri n d i r e c t l y s oi n v e s t i g a t i o no f o x y g e nc h a r a c t e r i s t i c si nw e t l a n d sh e l pt or e a l i z ep u r i f i c a t i o nm e c h a n i s m i m p r o v er e m o v i n ge 衔c i e n c y a n dp r o m o t er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h es t u d ya i m e dt oi n v e s t i g a t et h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no fo x y g e ni ns u b s u r f a c eh o r i z o n t a lf l o w w e t l a n d s t h eo x y g e na n dp u r i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n to p e r a t i o np r o c e s sa n dt h eo x y g e nt r a n s f e r i np l a n t s ，m i c r o o r g a n i s ma n ds u b s t r a t e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，t h eo x y g e nt r a n s f e rp r o c e s si nw e t l a n d s a n da f f e c t i n gf a c t o r sw e r er e v e a l e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni sl o wi nc o n s t r u c t e d w e t l a n d sa n dp r e s e n to b v i o u st e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r s t h e s ep h e n o m e n o n sd i r e c t l ya f f e c t t h em i c r o o r g a n i s ma c t i v i t ya n dp o l l u t a n t sr e m o v i n gi nw e t l a n d s u n d e rt h eo p t i m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n ， n i t r o g e np o l l u t a n t sr e m o v i n ge f f i c i e n c yi nv e r t i c a lf l o w - h o r i z o n t a lf l o wi n l i n ew e t l a n d sa n dt h r e es t a g e f l u m e - c o n t a c t e di n 1 i n ew e t l a n d sa r ei m p r o v e d t h em u l t i p o i n ti n l e ta n da e r a t i o na r ea l s oa b l et oi m p r o v e o x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dn i t r o g e nr e m o v i n ge f f i c i e n c y i nw e t l a n d s c o m p a r e dw i t hh o r i z o n t a lf l o w w e t l a n d s t h ef l o wi nv e r t i c a lf l o ww e t l a n d si sm o r et u r b u l e n t ，w h i c hi so fb e n e f i tf o rr e a e r a t i o n s ot h e o x y g e nc o n d i t i o n ，m i c r o o r g a n i s ma c t i v i t ya n dp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya r eb e t t e ri nv e r t i c a lf l o ww e t l a n d s t h em a i no x y g e ns u p p l yo fw e t l a n d si st h ep l a n t sp h o t o s y n t h e s i s t h eo x y g e nv a r i a t i o nc h a r a c t e ri ns i n g l e p l a n tr o o tz o n ei st h a ti ti sl o wi nt a p r o o ta n di n c r e a s et ob o t hs i d e s t h ev a r i a t i o nw i t hd a ya n ds e a s o ni s a l s oo b v i o u s i ti si n d i c a t e dt h a tt h ep h o t o s y n t h e s i so fr e e di nw e t l a n d si ss i n g l e tt y p e ，w h i l ei ti sd o u b l e t w h e nt h et e m p e r a t u r ei s3 8 a b o v e t h e r ea r eo b v i o u sc o r r e l a t i o nb e t w e e np l a n t sp h o t o s y n t h e s i s i n d e n s i t ya n dl i g h ti n t e n s i t y , t e m p e r a t u r e t h ep h o t o s y n t h e s i si n d e n s i t yi sa l s oa f f e c t e db yh u m i d i t ya n d b l a d eg r o w nc o n d i t i o n t h ep h y s i c a lp r o p e r t yo fs u b s t r a t ei nw e t l a n d sa f f e c tt h er e a e r a t i o ne f f e c ta n d r e m o v i n ge f f i c i e n c y t h es u b s t r a t e s o l li ne s p e c i a l ，i sa b l et oa b s o r p t i o na n dr e l e a s eo x y g e n ，w h i c hp r e s e n t t w of u n c t i o ni nw e t l a n d sa st r a n s f e rp a t ha n dr e a c t i o nb e t h es o i lr e s p i r a t i o ni n t e n t i o na n dn i t r a t i o nr a t e h a v eo b v i o u sc o r r e l a t i o nw i t ht e m p e r a t u r ea n dp r e s e n tv a r i a t i o nc h a r a c t e ri ns p a c e ：t h es o i lr e s p i r a t i o n i n t e n t i o nw a sh i g h e ri nf o r es e c t i o na n dt h e nd e c r e a s e db u ti n c r e a s e di nm i d d l ep o i n t t h en i t r a t i o nr a t e w a sh i g h e ri nm i d d l es e c t i o n f i n a l l y , b a s e do ne x p e r i m e n t sd a t a ，t h eo x y g e nt r a n s f e rc o n c e p t u a lm o d e l ， o x y g e nd e m a n dt h e o r e t i c a lm o d e la n do x y g e nt r a n s f e rt e s tm o d e lo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d sa r ef o u n d e db y m a t h e m a t i c a lm e t h o d t h eo x y g e nt r a n s f e rp r o c e s si sa n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y t h eo x y g e nr e l e a s er a t eo f w e t l a n d sp l a n t sa r ee s t i m a t e d ，a n dt h ec h i e fa f f e c tf a c t o r so fo x y g e nt r a n s f e ra r ed e t e r m i n e d ， k e y w o r d s ：s u b s 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 ；o x y g e n ；t r a n s f e ra n de x p e n d l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所警交的学位论文是我个人在导师指导下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， 也不包含为获得东南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。 研究生签名：垒啤筻日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：叠孕型殓= _ 一导师签名。k 耋兰兰鲤日 第一章绪论 第一章绪论 水是地球上最重要的资源之一，直接影响着人类社会的生存和发展，虽然地球表面7 1 的面积 覆盖着水，但其中可供直接利用的水资源仅占0 7 7 ，我国人均水资源占有量则更为匮乏，在世 界摊名1 0 9 位，是全球1 3 个贫水国之一，已接近严重缺水边缘e l 。在资源性缺水如此严重的态势下， 随着世界工业技术和经济的高速发展，水污染状况日趋严重，全球可利用淡水资源的水质逐年恶化， 水质性缺水进一步加剧了水危机，水污染事故和人规模缺水事件频发，严重影响着社会稳定和经济 发展。 目前，我国河流、湖泊等水体均受到不同程度的污染，工业污染排放指数比国际先进水平高出 几倍到几十倍，城市生活污水排放量逐年上升，但其处理率尚不至u 3 3 t 引。据国家环保总局2 0 0 6 年 环境公报显示，我国水污染问题十分严峻| 4j 。 国控网地表水七大水系的1 9 7 条河流、4 0 9 个断面中，i 类水体仅占4 ，i v 类水体占2 3 ，v 类及劣v 类水体占3 l ，与2 0 0 6 年前水质相比，无明显改善。七人水系中，海河、辽河水系污染严 重，劣v 类水体占5 0 以上，淮河、黄河、松花江水系大部分为类、v 类以下。为解决北部地区 水资源短缺问题而实施的南水北调= 程也同时受到各水系水污染的影响，东线水质恶化明显，中线 源头水库已呈中营养状态。三峡库区多次发生水华现象，总氮、总磷月平均超标断面比例达7 0 2 和6 8 6 ，富营养化问题已不容忽视。2 0 0 6 年，对包括太湖、滇池、巢湖在内的2 7 个重点湖泊和水 库的水质监测表明，其中的1 5 个湖泊、水库为富营养化，白洋淀和滇池草海已达到重度富营养化程 度，包括太湖、洞庭湖、鄱阳湖等9 个湖泊的水质为v 类及劣v 类。2 0 0 7 年夏季，太湖蓝藻大规模爆 发，城市供水受到严重威胁，直接影响周边地区生活、生产的正常进行，引起广泛关注。2 0 0 6 年1 1 3 个环保重点城市3 8 2 个饮用水水源地中，地表水源地水质达标率仅为7 2 4 ，上海、苏州、无锡等城 市饮用水源地的水质达标率下降了2 0 以上。 面对如此严重的水污染问题，我国确定了污水治理阶段性目标：2 0 1 0 年全国设市城市和建制镇 的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市污水处理率不低于6 0 ，重点城市的污水处理率不低于7 0 睁l 。因此，为从根本上解决我国的水危机，达到污水治理目标，应根据我国国情与各地区的自然、 社会经济状况，针对我国中小城镇及农村排污量大、乡镇企业工业污染严重、水处理设旌短缺的实 际情况，大力开发高效、简易、低耗的污水处理技术。 人工湿地是正在不断得到研究应用和发展的污水处理实用新技术，可用于处理生活污水、工业 废水、农业废水和酸性采矿废水等 6 圮j ，具有投资省、效率高、抗冲击、易维护等优点，同时具有 显著的环境生态效益h 】，发展前景十分广阔。 1 1 人工湿地概述 1 1 1 人工湿地的概念 湿地是指地表水和地面积水浸淹地的频度和持续时间很充分，在正常环境条件下能够供养那些 l 东南人学博 j 学位论义 适戍丁潮湿土壤的植被区域，通常包括灌丛沼泽、腐泥沼泽、苔藓泥炭沼泽以及其它类似的地区f ”舶j 。 人l 构建湿地就是从生态学原理出发，模仿自然生态系统，特别是湖泊沿岸带生物群落演替系 统，根据污水处理的目的加以改造和强化，并利用不同臼然条件卜水生生物多样性进行群落时、空 优化组合的一种新型污水净化系统| | l 。 1 1 2 人工湿地的构造特点 人t 湿地一般由底部防渗层、填料、植物、水体及好氧、厌氧微生物种群构成m i 。湿地系统在 一定长宽比及底面坡度的洼地中由土壤和填料混合组成填料床，污水在床体的填料缝隙或床体表面 流动，同时，在床体表面种植性能好、成活率高、耐水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的 水生植物，形成一个处理污水的独特的动植物生态系统，在微生物种群的协同生物降解作用下对污 水进行净化。 各结构单元在湿地的净化过程中发挥着重要的作用。防渗层的主要作用是阻止污水向地下水体 渗漏。基质层用以提供水生植物生长所需的基质、为污水在其中的渗流作用提供良好的水力条件、 为微生物提供良好的生长载体。水体在湿地中流动的过程就是污染物进行生物降解的过程。湿地植 物的作用主要表现在以下几方面 坶 ：牢同湿地床表面，为物理过滤提供良好条件：形成隔离层，在 冬季可防止霜雪直接冻结湿地表面；为根区微生物及部分野生生物提供良好生境；通过根系的输氧 作用改善系统中的生物理化循环；吸收部分营养物质，降低污染负荷；改善景观等。湿地中的好氧 和厌氧微生物种群包括细菌、真菌、放线菌，它们是人工湿地中有机物和含氮化合物去除的主要承 担者。 1 1 3 人工湿地的分类 从工程实用的角皮出发，按照系统布水方式的不同或水流方式差异般分为自由表面流人工湿 地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称f w s ) g l 潜流型人工湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称s f s ) i ： 。潜 流型人工湿地又包括水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地和潮汐潜流人工湿地。 ( 1 ) 自由表面流人工湿地 揪 、 l 。；：、 辫 l 一 图1 1自由表面流人工湿地示意图 如图1 1 所示，典型的f w s 系统是由水池或槽沟组成，并设有地下隔水层以防止地下渗漏。污 水在人工湿地的土壤表层流动，水位较浅，一般为o 1 o 6 m 。其优点在于投资省、操作简便、运 行费用低：缺点是负荷低，去污能力有限。该湿地系统运行受自然气候条件影响较大，夏季易滋生 蚊蝇，并有臭味。 ( 2 ) 水平潜流人工湿地 2 第一章绪论 满流型湿地系统又称渗滤湿地系统( i n f i l t r a t i o nw e t l a n d ) ，如图1 2 所示。在s f s 系统中，污水 在湿地床表面下流动，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填 料截留等作用，以提高处理效果和处理能力；另一方面，由丁水流在地表下流动，故保温性好，处 理效果受气温影响小，卫生条件较好，是目前国际上研究和应用较多的一种湿地处理系统，但这种 系统的投资要比f w s 系统略高i 翌i 。 图1 2 潜流人工湿地示意图 ( 3 ) 垂直潜流人工湿地 污水从湿地表面垂向流过填料床的底部或从底部垂直向上流进表面，床体处丁不饱和状态，氧 可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地。垂直潜流人工湿地的硝化能力高于水平潜流人工湿地， t n 去除效果优于水平潜流湿地盼：舶。 ( 4 ) 潮汐潜流人工湿地 潮汐潜流人工湿地是近年来由伯明翰大学研究并提出，芦苇床按时间序列交替地被充满水和排 干，床体充水过程中空气被挤出，排水过程中新鲜的空气被带入床内。通过这种交替的迸水和空气 运动，氧的传输速率和消耗量大大提高，极大地提高了芦苇床的处理效果。但潮汐流湿地运行一段 时间后，床体可能会被大量的生物所堵塞，限制了水和空气在床体内的流动，降低了处理效果。 1 2 人工湿地污水处理技术的发展及研究趋势 1 2 1 人工湿地污水处理技术的产生和发展 人工湿地污水处理技术的发展最早可追溯到1 9 0 3 年，英国约克郡e a r b y 州建立了世界上第一个 用于处理污水的人工湿地，并连续运行至1 9 9 2 年。而人工湿地污水处理工艺在世界各地受到重视并 被较广泛应用则始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 5 3 年，德国k a t h es e i d e l 博士在研究中发现，芦苇能去除 大量有机物和无机物。其后，这些实验室观察开始推广至许多大规模试验，并用以处理工业废水、 江河水、地面径流和生活污水( s e i d e l ，1 9 7 8 ) f 引，在此同时，s e i d e l 开发出“m a x - p l a n c k i 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l z 引。 根据d r s e i d e l 的思路，荷兰于1 9 6 7 年开发了一种现称之为l e l y s t a dp r o c e s s 的大规模处理系统， 随后这种湿地在荷兰大量建成。6 0 年代中期，d r s e i d e l 与d r k i c h u t h 合作并由d r k i c h u t h 于1 9 7 2 年 开发出“根区法”( t h er o o tz o n e - - m e t h o d ) ，迸一步推动了对湿地污水处理技术的试验研究。此根 区法由一种栽有芦苇的矩形池子组成，水面与地面齐平，在池子进、出口处分别进行布水和收集。 该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的热潮。此法的问题在于土壤渗透能力并非象d r k i c h u t h 3 东南人学博i ：学位论义 预测的那样随时间而增人，且芦苇传氧至根部的能力通常e l d r k i c h u t h 所说的要少得多| ? j 。 6 0 年代末，美国n a s a 国家空间技术实验室研究开发了种“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h j 水生植物”的专著，f 5 中描述了欧洲 系统及早期的n a s a 系统。n a s a 的砾彳i 床系统在去除b o d 、悬浮物( s s ) 、大肠菌群及氮( n ) 方面非常有效。1 9 9 0 年，美国国家环保局( e p a ) 将湿地的应_ j 作为该年的一项重要任务。在此同时， 北美的其它国家也进行了一系列开拓性的研究i ：作。 我国对人一l ：湿地的研究相对较晚，直到叫二五”期间才开始对人i ：湿地较人规模的研究。1 9 9 0 年 7 月，国家环保局华南环保所在深圳向泥坑建造了占地1 8 9 亩、处理规模为3 1 0 0 m 3 d 的人一j ：湿地示范 工程i l 。北京市环科所在北京昌平县建成了处理规模蔓3 5 0 0 m 3 d 的芦苇湿地处理t 程；天津市环科 所建成了实验室规模的人工湿地研究系统，并在1 9 8 9 年建成了我国第一座占地9 0 亩，处理规模为 1 4 0 0 m d 的芦苇湿地i ：程，开始对人工湿地处理污水的规律进行比较系统的研究。华中农业大学李 科德等拉。噪用人一l ：模拟芦苇床处理生活污水，对其净化机理进行了研究。中科院植物研究所唐述虞 | 1 ”j 采用人工湿地系统处理酸性铁矿废水，结果表明。系统对各种金属离子的去除率较高，运行费用 低廉。 目前，人工湿地已成为全球性的水污染控制技术，在欧洲、北美洲盼j 引、薪西兰i 1 、马来蕊 亚吲、捷克i3 8 - 4 0 、印度、泰国及我国香港台湾地区1 4 3 a 4 j 都得到了“泛的研究和应用。 1 2 2 人工湿地污水处理技术的研究趋势 ( 1 ) 人工湿地生态系统的生态过程 人工生态系统的生态过程研究是揭示湿地功能机理的关键。化学过程侧重研究湿地中c 、n 、s 、 p 等大量元素1 4 s - 5 6 1 、微量元素平1 3 h g 等重金属1 5 循环，沉积物、枯落物的积累和降解及微生物在养 分循环中的作用。侧重研究营养元素循环与生态功能的关系，重金属元素的富集、迁移和转化，湿 地净化水质的过程与机理，杀虫剂与除草剂在湿地中的迁移与降解，进一步增强对生态系统循环过 程机制的理解。物理过程侧重湿地生态系统能量流动过程，将热力学、信息论及控制论等新兴理论 应用于湿地能量流动的研究 8 - 6 0 】。 ( 2 ) 人工湿地脱氮机理与氧传递机理 国内外学者对人工湿地中各类污染物的去除过程研究表明，人工湿地对氮类污染物的净化效果 受外界影响较大，氮脱除过程非常复杂，包括植物吸收、微生物降解、填料吸附及化学反应等一系 列迁移转化进程i6 1 西引，目前的研究侧重于揭示人工湿地中氮的降解机理，特别是微生物硝化、反硝 化脱氮过程，在此基础上进一步提出氮的强化去除方案，加强人：i ：湿地对氮类污染物的去除效率及 稳定性。 同时，作为硝化反应过程的主要影响因素，溶解氧的研究也一直备受关注，国外研究者早在2 0 世纪9 0 年代即已开始尝试对于人工湿地中溶解氧传递机理的试验研究，现有的研究认为，湿地中溶 解氧水平较低，对于各种好氧微生物种群构成严酷的生存环境，并对好氧生物反应特别是硝化反应 有不利影响1 6 6 - 6 8 1 ，因此，目前该领域的研究侧重于考察湿地中氧的特性，确定植物供氧过程，以期 通过氧传递过程的阐述进一步揭示各类物质的降解机理。 4 第一章绪论 ( 3 ) 湿地生态j 程模式与管理技术 主要研究人t 湿地建设的基础理论、工程工艺及管理等内容，侧重研究以湿地污水处理工程建 设与管理技术为主的环境治理生态l ：程与技术，不断地发现处理污水效果更好的水生植物和处理新 技术与新方法，并在生产实践上获得很高的效益。近年来，运用景观生态学、农业生态学理论与 方法加强湿地生态一- i ：程模式与配套管理技术研究，取得了显著的经济、社会和生态效益l 7 0 , 7 1j ，如中 国三江平原湿地首创的“稻一苇一鱼”、在珠江二角洲建设的“桑基鱼塘”等湿地农业生态工程就是 湿地生态工程模式与技术研究最突出研究成果之一| 1 引。 1 3 人工湿地中溶解氧特性及氧传递过程研究现状 污水生物处理工艺中，污染物的去除主要依靠好氧菌为主体的微生物种群，因此，反应器内溶 解氧状况必将对微生物的生理活动产生重要影响，并进一步影响污水处理进程。与传统生物处理方 法相比，人工湿地内的溶解氧状况冈其显著的特殊性而受到了研究者们的广泛关注，取得了一些具 有重要意义的研究成果。 1 3 1 人工湿地“根区理论 1 9 7 7 年，德国学者k i c k u t h 提出“根区理论”，为湿地中污染物降解与溶解氧状况的研究奠定 了理论基础例。根区理论指出：湿地通过光合作用产生的氧，能够通过植物的运输组织和根系的 输送作用向根圈进行释放。植物根系的这种输氧作用使根系周围形成一个好氧区域，同时，根圈周 围形成的好氧生物膜对氧的利用使离根系较远的区域呈现缺氧状态，而在离根系更远的区域则呈现 出完全的厌氧状态( 如图1 3 所示) 。 图1 3 根区理论示意图 人工湿地中的物质传递过程及变化因根区不同区域内的溶解氧状况而有所不同( 图1 4 ) ，植物 5 东南人学博j j 学位论义 根系的发达使其根毛具有巨人的表面积，从而在根区出现许多好氧、缺氧、厌氧单元，分别有利于 各类微生物种群的生长繁殖，进而去除污水中的人分子有机物及氮、磷等物质。氧作为好氧微生物 氧化分解有机类物质的电子受体而参与其新陈代谢过程，_ = f ：最终以c o ，的形式释放到系统外的环境 中l 川。 填料 厌氧情况 水流 解性有机物 填料 好氧情况( 氧源自污水) 好氧情况( 氧源自植物) 图1 4 人工湿地物质传递过程 1 3 2 人工湿地植物氧传输过程 有机物 植物，尤其是其根区是人工湿地的重要组成部分，对于污水在湿地床体中的净化过程发挥了重 要作用，主要表现在根区直接影响着周围环境中的溶解氧( 1 3 0 ) 、p h 及氧化还原电位( o r p ) 等状 态f 7 7 。植物将光合作用产生的氧从叶片区传输至根部，从而在植物根区形成好氧微环境，用于根 区微生物的生物降解反应。研究者们认为，氧在植物体内及根区的传递作用主要是分子扩散和对流 传递两种| 7 弘跎j ，植物光合产氧通过植物内的通气组织传输至根部，之后，通过对流作用在植物根部 表皮细胞内、外形成氧通量，进而增加根部外环境的氧浓度，对湿地床体构成氧源补充降引。 1 3 2 1 人工湿地植物根部氧释放能力 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，即使在人工湿地中补充碳源加大耗氧量，无植物系统中氧浓度大量下降的情况下，有 植物系统根区继续保持氧化状态1 8 4 8 副。由于挺水植物的输氧作用，形成了氧化态的根区，有植物湿 地底质中氧化一还原电位明显地高于无植物区域底质。同时，植物的存在有利于微生物在人工湿地 6 第一章绪论 纵深的扩展，水生植物植株和根系的输氧作用促进了深层基质中微生物的生长和繁殖。 2 0 世纪8 0 年代，l a w s o n l 8 e 趔 世 罾 捌 鼍 并 湿地沿程m 图3 2 人- t 湿地氧的空间分布特征 3 1 1 垂直方向氧分布特征 将各层的溶解氧浓度进行比较可得，上层溶解氧水平高于中层，而中层高于下层。究其原因， 可认为植物产氧是湿地床层中最重要的氧源。芦苇属于水生维管束植物，中空的根茎有利于氧的传 递，并且具有发达的根系，从而能将光合作用产生的氧气输送至根区。而植物的根系大部分集中于 中上层，故植物根系输送的氧主要补充了中上层床体，使其高下床体底层。同时在床体表层存在大 气复氧作用，也补充了上部的溶解氧，使湿地上层溶解氧高丁中层。 7 5 6 0 鋈4 5 簪 慧3 0 1 5 o 口2 0 c _ ，l 位 囫4 0 c m z位 e 猩羽6 0 c - t 位 2 髟|歹7霸 毳缓毳霾 c o d t n j p 图3 3 不同运行水位下湿地净化效果 人工湿地中各层氧浓度的不同，将直接对不同运行水位时湿地的净化效果尤其是有机物和氮的 去除产生重要影响，这一结论在该湿地装置的前期试验中已得到证实。试验结果表明，湿地运行水 位控制在6 0 c m 水深处其处理效果均优于4 0 c m 和2 0 c m 水位。图3 3 分别为运行水位控制在2 0 c m 、 4 0 c m 、6 0 c m 时人工湿地对c o d 、t n 、t p 的去除率。由于上层具有稍高的溶解氧，微生物活性较 高，生化反应过程更为充分；同时，比表面积较大的土壤颗粒以及植物根系也使微生物附着量大于 下层，有利于有机物的降解。并且，上层孔隙率较低的土壤能有效吸附污水中的不溶性有机物，故 高水位运行下的湿地对有机物的去除率较高。上层密集的植物根系附近的微环境能保持较高的氧浓 度，保证了硝化菌的生长繁殖和活性，使氨氮能够充分硝化，保证了氮类物质的去除效果；而下层 溶解氧水平较低，大部分处于厌氧状态，抑制了硝化菌的活性，不利于硝化反应的进行，从而使6 0 c m 水位运行湿地在 i n 去除上表现出较大的优势。在对磷的去除中，由于植物根系对磷的吸收和土壤 基质的截留等的协同作用，使6 0 c m 水位时湿地对磷的去除率高于低水位。这一研究结果说明，湿 2 0 第三章人丁湿地瓴的时、窄分布特征 地运行水位的控制十分重要，保持较高的水位使污水能够充分地流经上部r 十壤层，有利于湿地对各 类污染物的去除率。 3 1 2 沿流方向氧分布特征 图3 2 同时表现出沿流程方向上人t 湿地氧的分布特征。在湿地前部，各层的溶解氧均警直线 下降趋势：在湿地中部，底层的溶解氧仍在下降，下降趋势较前部变缓，而上层的溶解氧由0 4 m g 1 上升至0 5 m g 1 左右，中层氧浓度也略有同升；湿地后部，底层溶解氧水平非常低，下降趋势不明 显，而中、上层的溶解氧再次是现明显下降趋势。试验中还测定了土壤层的氧化还原电位值，其变 化表现出明显的下降一上升一下降规律，与上层溶解氧变化极为吻合，进一步证实了湿地中氧的沿 流程分布特征。这一变化特征可以通过和湿地中各类污染物降解过程相联系而加以说明。 湿地沿程m 图3 4 人工湿地净化效率沿程变化 试验分析了潜流型芦苇水平流湿地的沿程净化效果，如图3 4 所示。结果表明，c o d 、t p 、t n 、 n h 4 + - n 的去除率在沿程分布上表现出的规律和沿程的氧分布有较密切的关系。图中可见，在湿地前 部，c o d 的去除率呈直线上升趋势，至湿地中部时已达7 5 左右，在湿地中、后部上升趋势变缓， 后部上升趋势非常缓慢，说明污水中的有机物主要在湿地前部和中部去除，这主要是因为污水刚进 入湿地时由水体带入氧，有机物的微生物降解速率较快；同时，土壤和植物根部吸附了大量的不溶 性有机物，也使有机物去除率大幅提高。有机物的快速降解消耗了大量溶解氧，使湿地前部十壤层 和砾石层溶解氧浓度均以较快速率下降。从氮类物质的去除来看，也受到了很大的影响。硝化菌是 自养型细菌，在与增殖速率较快的异养型细菌的竞争中处于劣势，致使硝化反应受到抑制，由图中 可明显看出，在湿地前部，n h 4 + - n 的去除率很低，在l o 以下而反硝化反应在溶解氧浓度较低、 碳源充足的条件下进行得较充分，n 0 3 - - n 的去除率较高。在进入湿地中、后部后，有机物降解已 达到一定程度，反应速率变慢，耗氧速率同时降低，此时，由于植物光合产氧及大气复氧作用，使 土壤层的氧不断得到补充，故在湿地中、上部的氧浓度有小幅上升，而底层因得不到有效的氧源补 充，溶解氧仍有所下降。在溶解氧浓度提高后，由于异养菌在有机物浓度不高的情况下不再在竞争 中占据优势，硝化菌迅速增殖，硝化反应速率开始上升，n l - h + - n 进一步分解氧化，转化为亚硝酸氮 和硝酸氮，n h 4 + - n 浓度开始较快地降低，去除率上升，中、后部的硝化反应较快，n 0 3 - - n 浓度上 升较快；同时，在后部，有机物浓度很低时出现碳源不足的情况，污水中的b o d 5 t n 值 3 , - - - 5 ， 2 l 东南人学博 j 学位论义 使反硝化反应中的电子供体不足，反硝化反应速率下降，t n 玄除率降低。 由图3 4 及分析可见，由于进入湿地的污水中以n h 4 + - n 为主要的氮形态，故在湿地脱氮中硝化 反应是最关键的一步，但试验结果表明，硝化反应在湿地中、前部受到抑制，同时，湿地中氧浓度 普遍较低，使硝化反应不能在整个湿地中有效地进行，从而限制了湿地的氮去除效果。可以认为对 进入湿地的污水进行曝气，以增加污水中的溶解氧，或使污水中的氮素物质在进入人工湿地前作预 处理，转化成硝态氮，均可有效提高脱氮效果。此外，针对湿地后部反硝化中可能存在碳源不足， 可以通过同流的方式加以改进，将湿地出水同流至湿地前段，使反硝化菌获得碳源进行反硝化反应， 从而提高湿地的脱氮效果。 由图3 4 还可以看出，t p 的玄除率在湿地床层中呈平稳上升趋势，不受溶解氧等因素的影响， 这可以有力地证明微生物的降解及摄取作用并非湿地磷去除的主要作用，t p 主要依靠基质的物理化 学作用及植物的吸收作用去除。 综上所述，潜流型芦苇水平流人工湿地中氧浓度较低，呈现出一定的空间分布特征：从上层向 下层逐渐降低；沿流方向上，下层氧浓度逐渐下降，前部下降最为迅速，中、上层溶解氧浓度在迅 速下降后有所回升，之后继续下降。 3 1 3 人工湿地中基质酶活性空间分布特征 湿地基质在污水净化中发挥着极重要的作用，基质中的酶作为一种生物催化剂，参与许多重要 的生物化学过程，能够加速各类物质的化学反应，与微生物一起推动着污染物的降解转化f ”4 m 引。 现有的研究发现，人工湿地基质酶的活性和特定污染物的去除机制关系密切。本试验通过对人工湿 地基质中的脲酶、脱氢酶、磷酸酶等酶活性的测定，考察湿地氧的空间分布规律对微生物特性的影 响。 在试验湿地系统中，分别在距进水端5 0 c m 、1 5 0 c m 、2 5 0 c m 处以及距湿地表层5 1 0 c m 、2 0 3 0 c m 共设6 处采样点取土样进行测定。为避免植物根区不同部位的微环境影响，土样采集点置于两株植 物根部之间。分别测定6 处采样点士样的酶活性。本试验期间的气温为3 0 。c 左右，取样时间为上午 9 时至l o 时。 3 1 3 1 脲酶活性空间分布特征 由图3 5 可见，人工湿地中脲酶活性的空间分布规律和氧的分布特征较为相似，说明此类微生 物种群和酶活性受氧状况的影响较为直接。试验测定中，表层土壤中的脲酶活性高于下层土壤，这 是因为表层土壤中植物根系丰富，泌氧作用明显；同时，更为疏松的土壤有利于大气复氧和土壤中 氧的传输，较为有利的氧环境提高了此类微生物和酶的活性；沿流程方向上，床层中的脲酶活性表 现出中部最高，中、后部高于前部的特征，这一规律和湿地中氧分布及氮类物质的沿程降解特性均 表现出一定的关联。为进一步分析脲酶活性沿程分布特征的成因，试验中考察了硝化反应强度指标， 探讨两者间的相关性。 第二三章人丁渝地瓴的时、空分布特征 一 二口 印 宝 窖 弓 呻 j 疾 莲 蓬 u5 一l o c m 层i ：襄 团1 0 2 0 c j 层1壤 ，f 囊鋈蓁 湿地前部 湿地中部湿地后鄙 。 图3 5 人工湿地基质脲酶活性 由表3 1 可见，湿地基质中硝化作用强度表现出明显的中、后部高于前部、表层土壤高于下层 土壤的特征，这一规律与脲酶活性及氧的空间分布特征吻合，再次证明了氧对湿地脱氮效果的显著 影响。同时，对表层土壤脲酶活性分布和硝化作用强度分布进行相关性分析可得，r = o 9 9 9 8 ，相关 关系显著，说明脲酶活性与氮类物质的硝化作用过程关系紧密。分析认为，这和脲酶的作用机理有 关，脲酶酶促有机底物水解生成氨和二氧化碳，在硝化作用下，氨氧化成亚硝酸和硝酸，最后进一 步被反硝化还原为氧化氮和氮，故脲酶活性直接影响着湿地脱氮的第一环节，是湿地脱氮的重要酶 系，也是氧对氮降解过程发生影响的主要链接之一。 表3 1 人| t 湿地基质中硝化反应作用强度慌 3 1 3 2 基质脱氢酶活性空间分布特征 ， 粤 - z 毫 乏 蛭 遂 婶 蝥 图3 6 人工湿地基质脱氢酶活性 由图3 6 可见，人工湿地土壤中脱氢酶活性的空间分布特