（环境工程专业论文）潜流型人工湿地对氮污染物的去除效果研究.pdf

摘要 人工湿地处理污水具有出水水质好，基建投资和日常运行费用低，维护管理方便等优点，且具 有美学价值，特别符合国际上污水处理的小型化和分散化的最新环保理念，值得在中小城镇大力推 广但是人工湿地对污染物的去除效果受到多种因素的影响和制约，诸如气温、基质属性、湿地 植物、土壤微生物和湿地蒸发蒸腾等，而这些因素限制了湿地净化效果的进一步提高。目前正在成 为限制湿地推广应用的瓶颈因素。 本文针对湿地脱氮的主要影响因藁，通过构建系到湿地模型，以污水厂韧沉池出水作为漫地进 水，在湿地稳定运行后，2 0 0 2 年9 月至2 0 0 5 年4 月，全面考察了影响湿地脱氮率因素和湿地脱氟率问 的关系。研究内容主要包括：( 1 ) 不同湿地植物对脱氮效果的影响，试验首次研究了湿地植物光合 作用和蒸腾特性的变化规律及其对湿地脱氯的影响，从侧面研究湿地植物在湿地脱氮过程中的作用； ( 2 ) 湿地基质x j 埘- h + - n 和t n 的吸附净化，以及净化过程中n o ：n 的转化规律研究；( 3 ) 湿地中脱 氮微生物的种群分析研究，结合湿地脱氮效果以删一f i s h 方法对湿地中硝化菌群进行了统计分 析；( 4 ) 不同植物漫地中溶解氧分布规律研究，以及溶解氧水平对脱氮效果的影响：( 5 ) 全面分析 研究了湿地构型、水力条件及运行方式等对脱氩效果的影响，最后进行了部分湿地强化脱氮试验。 综合试验数据，文章深入探讨了湿地脱氮的机理，分析组成湿地的基质、植物和微生物在脱氮 过程中的作用。试验发现，湿地植物的光合作用强度影响湿地整体的脱氮效果。光合代谢总量影响 湿地曰泊去除量；在所有的湿地植钧中，芦苇的光合作用强度较大，水分利用率较高，根系泌氧量 大；仅靠湿地基质吸附去除污染物的效果较差，而基质和植物根系及微生物的结合才是湿地脱飘的 最佳介质；i v i p n - - f i s h 分析表明，曝气后湿地硝化菌生长环境得到改善，菌群数量提高；同时借助 “灰箱”理论，运用神经网络模型对湿地的运行条件进行优化，并在此基础上提出湿地强化脱氮的 可行方法。最后试验以高污染负荷废水为对象，进行强化脱氮试验并加以验证。另外。在考虑高效 脱氮的前提下，试验探讨了湿地对磷的去除效果，研究了湿地除磷的机理，对于全蕊提高湿地脱氯 除磷功能具有借鉴意义。 本研究结合试验成果探讨丁人工湿地的脱氯机理，提出人工遍地高教脱氮运行的适用技术，对 于推广人工湿地在不同地区和条件下的应用具有重要意义。 美链诃潜流；人工湿地；脱氮；机理分析；去除效果 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t v t t e nu s e di nw 嬲t g w a t e rn a 吐 m 。t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n do w nm a n ya d v a n t a g e so fg o o dw n t e rq u a l i t y o fo u t l e t , i o wc o s to fc o n s t r u c t i o na n dd i n l yo p e r a t i o n c o n v e n i e i 正eo fm 缸l a g e m e 址a n da c s t b a 配v a l u e e s p e c i a l l yi sc o a s l s t e n tw i t ht h el z t 呛s te n l 咖n l 阻im a d e m a yo fd i m i i n s n i n ga n ds p r e a d i n gf o r mi n n a t i o n a lw a s t e w a l e rt r e a m e n t , a n di sw o r t h yo fp o p u l a r i z i n gi ns m a l la n dm i d d l i n gc i t i e s h o w e v e r , t b e p o l l u t a n tl _ e m o v a le f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t e dw e t l a n di sg r e a t l ya f f e c t e db ys u c hf a c t o r s a i rt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i co f 五n gm a t e r i a l si nw e t l a n d w e t l a n dp l a n t s ，m i c r o o r g a n i s m si 1 1s o i l ，t h ee v a p o r a t i o na n d t r a n s p i r a t i o no fw e t l a n d , h o w e v e rd l a s ef a c t o r sl i n e rt h ef n i l e ri m p r o v i n go fp a d 伽n ge f f e c ti nw e t l a n d , n o w b e c o m i n g t h e b l o c k i n g b o t t l e n e c k i ne x t e n d i n g a p p l i g a t i o n o f w e t l a n d a i m i n ga l t h e a f f e c d n g f a c t o r so f n i t r o g e nr e m o v a la n du s i n g t h eo u t 】e t w a t e r o f p r i m es e d i m e n t a t i o n t a n k a st h ei n l e tw a t e ro fw e t l a n d , d u r i n gt h ep e r i o do fs e p t 2 0 0 2t oa p r i l 2 0 0 5 w h e nt h ec o n t r a c t e dw e t l a n d w e r er a ni ns t a b l ec o n d i t i o n s ，t h et c l a d o lb e t w e e nn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e r l c ya n di t si m p a c t i n gf a c t o r s w a ss m d l e d t l o u g h t h es e r i a lc o n $ t r a c t e d w e t l a n d t h e f o l l o w i n g e x p e r i m e n t sa r e i l u 出d 1 1 ) t h ea n a l y s i s o f n i t r o g e n r e m o v a l e f f e c t o f d i f f e r e n t w e t l a n d p l a m , f o r t h e f i r s t t i m e n kc h a n g i n g l a w so f p h o t o s y n t h e s i s a n de v a p o t m m p i r n t i a nw e t l a n dp l a n t sa n dr e l a t i o nb e t w e e nl a w sa n dn i t r o g e nr e m o v a le f f e c tw e l es t u d i e d i n e x p e r i m e m , f r o ma n o t h e r 血o f v i e w t h er o l eo f p l a n t s i n w e t l a n d n i t r o g e nr e m o f a l w a ss t u d i e d ；( 2 ) t h ew c t l m a df a l l i n gm a t e r i a l sp u r i f i e dp o l l u t a n t sb yn h 4 + - na n dt na b s o r p t i o n , a n dt h et r a n s f o r m i n gl a w s o f n o , - n i n t h ep r o c e s s ；( 3 ) n i t r i f y i n g b a c t e r i a c o m m u n i t y w e r es t u d i e db y u s i n g m e t h o do f h i p n - f i s h a n ds t a t i s t i c a ld a mw e c o l l e c t e d ；( 4 ) t h es t u d yo fd 0d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n tp l a n tw e d a n da n di t se f f e c t s o n n i t r o g e nr e m o v a l w e i ed i s c u s s e d ；( 5 ) t h e i m p a c t so f w e t l a n dc o n s t r u c t i o n f o r nh y d m u l i cc o n d i t i o na n d o p e m f i o nc o n d i t i o no nn i t r o g e nr e n t o v i nw e r es t u d i e da l lt o g e t h e r , e n d e dw i t hs o i p mn i t r o g e nr e m o v a l i n t e m 卿i n g 蹦p 既知警监 i n t e g r a t i n gt h ee x p e r i m e n td a t a , t h en i t r o g e nr e m o v a lm e c h a n i s mw a ss m d i e di nd e t a i l si nt h ep a p e r , b y a t t a l y z i n gt h ef u n c t i o no ff i l h n gm a t e r i a l s ，p l a n t sa n dm i c r o o r g a n i s m i nw e t l a n di ti sd e m o m t r a t e dt h a tt h e p h o t o s y n t h e s i s a n de v a g e t m m p i r a t i o ni n t e n s i t yo fw e t l a n dp l a n th a v eg r e a ti m p a c t so nt h en i r o g e n r e m o v a le f f e c t , a n dt h et o t a lp h o t o s y n t h e s i sm e t a b o l i z i n gc a p r i t yc o u l da f f e c tt h en i t r o g e nr e m o v a l q u a n t i t y ；t h er e e dh a s 妞k g l l e s tp h o t o s y n t h e s i si n t e n s i t y , w a t e rl l e f n i e n e ym a dl a r g ee x c r e t i n g d i s s o l v e do x y g e n i nr o o t a r e a ；t b ec o m b i n a t i o n o f t h e m h a v e b e r e t n i 口o g e nr e m o v a le f c i e u c y t h a ns i n e # o n eo ft h e m , a n dw h i c hi st h eo p t i n f i z a t i o nm a d m i n ：i ti si n d i c a m dm 龇山ec u l t i v a t i n gs u r r o u n d i n go f n i i r i f y i n gb a c t e r i aw a si m p r o v e da n di t sn u m b e rw a si n c r e a s e dt o ob yh p n - f i s ha n a l y s i s ；a c c o r d i n gn l e “g r e y ：b o x ”t h e o r y , m eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db yt h ei l v e tm o d e l , a n do nt h eb a s i st h e p r o p “f e a s i b l em e t h o d so fi n t e m l f y i n gn i t r o g e nr e m o v a lw c ep u tf o n v a r d f m a l l yt h ei n t e n s i f y i n g m e t h o d sw e t e 幛s t e d w h e n t h e h i 曲p o l l u t a n t c o n c e n t r n t i o n w a s t e w a l z t w a st r e a t e d i n w e t l a n d 眦r 姗 t h e p h o s p h o r u st t m o v me f f e c ca n dr e m o v a lm e c h a n i s m 咄s m d i e d ，w h i c hm a y b eh e 】p i n l t o 山e i m p r o v i n g t h e n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u sr e n v a , i t o g e t h e r t h en i 口。萨nr e m o v a lm e c h a n i s mw a ss t u d i e db ys t u n gt h ee x p e r i m e ma c h i e v e m e n t si nt h ep a p e r , a n dt h e m e t h o d s o f k i g h n i t r o g e nr e m o v a le 布c i e u c y w e r e p u t f o r w a r d w h i c h h a ss i g n f i c a m v a l u e i n p o p u l a r l z i n g t h ea p p l i c a t i o no f w e t l a u d si nv a r 3 d n ga r e a sa n de o m i i d o m k e y w o r 出：s u b s u r f a c e f l o w ；c o n s t r u c t e d w e t l a n d ；n i o g e nr e m o v a l ；m e c h a n i s ms t u d y ；p u r i f y i n ge f f e c t 符号注释表 代号，缩写 c o d b o d d o 腿t e t p c o n d a 1 r 协 孤a f c 0 2 r r h _ r r 蛹 嗽o m p n f i s h c 凡 符号注释表 中文，英文名称单位 化学需氧量m g u 生物需氧量m g r 溶解氧m g u 1 水力停留时间d 蒸发蒸腾 净光台速率c 0 2 t t m o l - m p s 4 气孔导度d l m s i 胞阃c 0 2 浓度 i _ l m o l - l 。 蒸腾速率 m m o l i - 1 2 0m 2 s 4 空气温度 l 。 叶表面温度 参比室c 0 2 浓度i a m o l t o o l - 1 ( 与室外大气浓度同步) 参比室相对湿度 ( 当时的大气相对湿度) 叶室内的光量子通量密度t m o l 1 1 1 - l s - 1 ( 即测量时的光照强度) 外界的光量子通量密度“如1n l r 2s “ ( 即植物当时所处环境的光照强度) m o s t p r o b a b l e n u m b e r ( 最大可能数目) f l u o r e s c e n t i n s i n i h y t y d d i z a t l o n ( 荧光异位杂交) c o l o n y f o r m i n g u n i t ( 群落单元) v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈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a 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太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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：i 燃日期 2 s s ，3 口 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 一致。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 导师签名多七= 矽警鼍夕日 第一章绪论 第一章绪论 水是人类生存和发展的根本，然而，随着社会的发展和人类对水需求的增加，水问题己成为2 l 世纪经济发展的瓶颈园素。据报道1 ，地球上总水量为】4 1 0 订，以全球6 0 亿人计，人均0 2 3 k m 3 。 而地球总水量中盯3 是海水。海水含盐量为3 5 ，难以直接利用。淡水占总水量的2 7 ，约38 x l d 6 k 0 。毫臣水中可直接利用的江河湖水不足淡水总量的1 。 我国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的6 ，仅次 于巴西、俄罗斯和加拿大，屠世界第四位，但人均只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 ，4 、美国 的l 尚，在世界上名列1 2 i 位，是全球1 3 个人均永资源最贫乏的国家之一。 扣除难以利用的洪水资源浪费和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水瓷源 量则更少，仅为1 1 0 0 0 5 立方米左右。人均可利用水资塬量较少，并且其分布极不均衡。到2 0 世纪末， 全国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达1 1 0 个，全国 城市缺水总量为印亿立方米。 据监铡，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染且有逐年加重的趋势。据 统计，全国年排废水量4 0 0 亿吨以上，大部分未经任何处理直接排入江河湖泊，使水质受到严重污 染，甚至完全丧失利用价值，加重了水资源的短欲埘。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功 能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还 严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。 水利部预测，2 0 3 0 年中国人口将达到1 6 亿，届时人均水资源量仅有1 7 5 0 立方米。在充分考虑 节水情掘下，预计用水总量为7 0 0 0 亿至8 0 0 0 亿立方米，要求供水能力比现在增长1 3 0 0 亿至2 3 0 0 亿立方米，全国实际可利用水资源量接近合理利用水量上限，水资源开发难度极大。水资源短缺和 水污染问题无疑是当前乃至今后相当长一段时问内我国所面临的最严竣的一个社会经济阿题和环境 问题。 解决水危机，节水是关键，治污是根本。世界各冒经过几十年的努力，建立起许多成熟有效的 污水处理方法。作为发展中国家，在借鉴发达国家污水处理经验的同时，还需要根据我国国情，开 阔思路寻找一条适合我国国情的解决水资源河题的途径。人工湿地从撞术上可以实现城市污农回用 做生话饮用水，甚至傲到城市污、废水的零排放，这将最大限度地缓解水资源危机，并完垒消除城 市对水环境的污染。人工湿地系统是经过人为模仿自然净化过程进行优化配置进而强化了的具有处 理污水功能的生态系统，对污水的逐级净化过程由生态系统各级层层吸收转化实现，真正实现了污 水资源化，这种资源化不仅对人类是必要的，对水生态系统也是有益的。 l 1 湿地概述 1 1 1 澎地的概念、特征及研究意义概述 湿地( w e t l a n d s ) 是地球上水陆相互作用形成的独特生态系统。是重要的生存环境和自然界最富生 物多样性的生态景观之一。在抵御洪水、调节径流，改善气候、控制污染，美化环境和维护区域生 态平衡等方面有其它系统所不可替代的作用。由于湿地兼有水陆两类生态系统的某些特征，因而具 有多种生态功能和经济与社会价值，湿地已成为人类赖以生存和发展的自然资源宝库与生存环境。 东南大学博士学位论文 为此湿地科学研究受到越来越多的关注，已成为当今世界所关注的重点学科与研究领域。 湿地广泛分布于世界各自然地带。据初步统计，全球湿地总n n 为5 7 0 万k m z ，约占世界陆地面 积的6 4 。我国湿地面积达6 5 9 4 万k 甜，居亚洲第一、世界第四位，几乎囊括了国际湿地公约的所 有湿地类型，并拥有世界上独持的青藏高原湿地。2 月2 目是“世界湿地日”，我国自1 9 9 2 年加入“国 际湿地公约”后，一直积极致力于具有重要意义的湿地的保护与恢复。 由于湿地学是一门自身科学体系尚待完善的学科，湿地对于不同的人有不同的含义，通常这些 定义可分为两大类广义的和狭义的。龌地公约的定义就是一种广义的定义，它对湿地的定义 是国际公认的，即：不问其为天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或承域地带、静止或流 动、漩水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6 米的水域。这个定义包括海岸地带地区的珊 瑚滩和海草床、摊涂、红树林、河口、河流、淡水沼泽，沼泽森林、湖泊、盐沼及盐湖。狭义的定 义通常把湿地视为生态交错带，是陆地和水域之问的过渡区域，由于土壤浸泡在水中，所以特征植 物得以生长。 湿地的科学定义应理解为：温地是一类由生产者( 湿生、沼生、浅水生植物x 消费者( 湿生、 沼生、浅水生动物) 和分解者 l 1 0 时，水流变为素流，此时不宜用d a r c y 公式，可用e c g u m 公式计算坡度： s = 1 5 0 1 ( 1 一n ) d p n r p g + 1 7 5 ( 1 一n ) v 。d 。，培 ( 2 2 ) 湿地表面积”l 为 a s = q ( l nc 0 一b l c ) ( 辫d n ) ( 2 3 ) 式中： j 与温度的关系为结局o ( 1 1 ) 阳o 。据有关文献报道和实际试验，某一特定s f s 系统的 局。与床体基质的孔隙率n 有关，关系式为g z a = g o ( 3 7 3 n 4 1 7 2 ) ，对典型城市污水取k o = 1 8 3 9 d 1 ，高浓 度有机工业废水k o - - - 0 ，1 9 8 d “。 符号说明： ac j 广湿地床的横截面积、表面积，矗；e ，c r 进水，出水b o d 5 ，d l 雪吧i o 一平均设计流量，m - d 蜘一渗透系数，曲( m 2 d ) ： k z o ，岛韫度2 0 ，t c 时的速率常数，d _ 1 ：l w 湿地床长度和宽度，m ； k o - - - 基质中最佳速率常数，d i i ；呲地床深度，m ； s 一底坡或水力坡度，( ) ；d 卜平均粒径，c m ； 第二章人工湿地模型的建造和试验 一力粘滞系数，p a j p 一水密度，g ，c i f ； g 一重力加速度，9 8 m s 2 ：p 一渗流平均流速，m s 由上述各式，即可确定湿地床的基本尺寸。湿地床长度l 通常定为2 0 5 0 m 。过长，易造成湿 她床中的死区，且使水位难于调节，不利于植物的栽培，此外，湿地的长宽比l w 也不应过大，建 议控制在3 九以下，常采用1 n ，对于以土壤为主的系统，川矸，比应小于l i 床探d 般须根据所 栽种植物的种类及根系的生长深度确定，以保证湿地床中必要的好氧条件。对于芦苇湿地系统，处 理城市或生活污水时，d 一般取06 0 7 m ；而用于较高浓度有机工业废水的处理时，d 一般在0 3 0 ，4 m 之阐。床横截面面积与温度、有机负荷无关，只受基质的水力学特性影响。在借鉴有关经验的 基础上，研究人员建议，通过基质横截面的平均流速q a ci ；【不超过86 m d 为宣，以避免对基质根 茎结构的破坏。湿地床底坡一般取l 8 ，须根据基质性质及湿地尺寸加以确定，对以砾石为基质 的湿地床一般可取2 。 2 。2 人工湿地模型的建造 根据试验所需，在南京锁金村污水处理厂初沉池旁建造8 个潜流型人工湿地模型。 ( 1 ) 湿地的早面布置 如图2 - l 所示，湿地的所处位置为厂内一开阔地，攫地植物的生长气候与南京地区气候一致， 除了现场测嚣气候参数外，降雨量参数可以采用南京当地的降雨数据。 橐 鞋 初 沉 ；乜 图2 - 1 构建湿地平面布局 ( 2 ) 人工湿地鳍相 其中7 组试验装置为水平推流式潜流湿地( 图2 - 2 ) ，床体一端均匀布水，污水水平流过萋质床： l 组为垂直潜流湿地( 圉2 - 3 ) ，纵向分隔成等体积三部分，各池面问落差为8 c m ，污水从湿地底部 布水，以阶梯方式三次垂直向上流过基质床。每块湿地池体内面长、宽和高为3 r e x l o m x l o m ，水 平流湿地底面坡度为l ，垂直流湿地底面坡度为2 ，底部和四周以水泥墙封闭。并进行防溘处理。 每个系统都分为进水段、处理段、出水段。 东南大学博士学位论文 人工湿地进水总管接自污水厂初沉拙内。采用虹吸进承，进水口设在d ，8 m 高度处。总管厦各分 管装截止阀以调节水量。每个系统迸水端设有穿孔管与总管相连，起均匀配永的作用。配水区长约 o 1 5 m ，宽l m ，以穿孔板与处理段分隔，以保证配水均匀，区内铺设粒径为4 0 m m 左右的砾石，防 止污水短流使其分配均匀，同时可以起到对污水进行初步过滤作用，防止湿地内部堵塞。 出 水 管 榘水区埋地植物 壤层一 图2 - 2 垂直流湿地构造 虚水首 1 一y 馕温屠； 图2 - 3 水平流湿地构造 处理区基质由四层组成，底层为2 0 c m 厚超糙砾石( 粒橙4 0 0 0 m m ) ，中层为3 0 c m 厚中等砾 石( 粒径2 0 4 0 m m ) ，上层为1 5 c m 厚细小砾石( 粒径1 0 m m 3 0 m m ) ，表层覆土厚约2 0 c m 。集水 区长0 1 5 m ，宽l m ，铺设粒径在4 0 r a m 左右的砾石，并以穿孔板分隔集水区和处理匿，以防短流。 出水管有三根，分别设在0 2 ，0 ，4 、0 ，6 m 高度，以调节湿地系统中的水位。另建造一块芦苇大湿地， 长、宽和高为1 3 r e x3 ) t a x l0 m ，采用水平流，底面坡度为1 ，布水和集水与小湿地类似。 在湿地处理区沿流程均匀设置采样点，同时在湿地内预埋曝气管和回流管，除了用作曝气作用 外，当湿地出现堵塞时， ；c 此还可对湿地进行气水反冲洗，清除堵塞碎屑 ( 3 ) 湿地植物栽种情况 为了对湿地植物进行比较和缔选，各潜流式人工湿地栽有不同种水生植物，植物的选择以南京 地区较典型的根系发达，易栽培，根系生物量较大，多年生水生或湿生植物为原则。栽培情况见表 2l 。系统启动初期园温度下降，富贵竹、美人蕉、芦苇相继枯败。2 0 0 4 年2 月中旬起，部分湿地植 物开始复苏发芽。空心菜湿地于2 0 0 4 年3 月初栽植，四月开始采样测定。湿地c w 7 前期栽培黑麦 表2 1 人工漫遣植物栽种情况 草，收割后来继续进行植物栽种，作为空白湿地与其它有植物湿地进行对比试验。湿地进入稳定阶 段后，开始对进出水各项指标监测，并对结果进行分析研究。圈2 4 为0 5 年4 月，芦苇垂直流和推 出誊 布水区 麓蠹再麓 第二章人工湿地模型的建选和试验 流湿地图片，芦苇生长旺盛，平均株高1 2 m 左右。 圈2 - 4 试验期间芦苇湿地照片 2 3 试验准备 ( 1 ) 试验水质 潜流式人工湿地的试验进水来自南京市锁金村污水处理厂的初沉池出水，水质条件见表2 2 。 表2 2 人工湿地进水水质 由表2 2 可见，经锁金村污水厂初沉池预处理过的生活污水c o d 、b o d 值较低，平均变化幅度 不大，t p 及氨氮浓度偏低，p h 值始终略值碱性，具有明显色度，并带有强烈难闻气味。 氨氮、硝酸盐氮、总氮简称“三氮4 ，是衡量水体毒理性和富营养性程度的指标，其中水体中氨 氮过高说明水体处于受污染状杏，硝酸盐氮含量上升，说明水体处于自净过程。污水厂进水 n o ；一n t n 范围为0 d i 0 2 8 ，n i 五+ n t n 范围为0 4 5 0 6 2 ，这说明镀金村污水厂的污水的硝化能 力差，几乎无自挣能力 试验启动阶段对湿地进行污泥接种，促进湿地基质内微生物生长，所用接种污泥取自该污水处 理厂曝气池的活性污泥，污泥浓度m i s s 为1 ，4 9 a ，污泥沉降比s v = 3 0 ，污泥指数s v l 为2 2 0 。 ( 2 ) 承质舅定方法爰仪器 试验所用药品均为分析纯。分析测试方法见表2 3 本试验测试方法依据国家环保局编制的水和废永监测分析方法( 第四版) 。 东南大学l 毒士学位论文 表2 3 主要4 试项目及方法 4 试项目测试方法 cod重铬酸钾洼 i n 过硫酸钾氧化一紫外分光光度法 t p 过硫酸钾消解一钼锑抗分光光度 壹 n o ，一n分二磺酸光度法 n 地t n纳氏试耕光度法 k n g bn 8 9 l 一8 9 光度挂 d o 仪器癌 温度仪器i 击 p h 仪器法 主要澍试仪器 1 ) c o d 回流装置：f 2 y r g 3 2 8 a 型分析天平； ( 3 ) i f g l o t - 2 型电热鼓风干燥箱；( 4 ) h h s - 8 型电热恒温水浴锅； ( 5 ) 7 5 2 c 型紫外可见分光光度计；( 6 ) y x 2 8 0 b 型手提不锈钢蒸汽消毒锅； ( 7 ) r e x 、j p s j 5 0 5 型溶氧仪( 1 精度) ：( 8 ) p h s 一2 c 型精密酸度计( 1 精度) ( 3 ) 试验方法 人工湿地建于2 0 0 3 年7 月，采用连续方式进水，流量由进水阀控制。分别经历了系统启动阶段 和稳定运行阶段。启动期主要以植物生长、恢复微生物的活性为目的，从2 0 0 3 年8 月至2 0 0 4 年3 月经历了植物芨芽、稳定生长的系列过程。稳定期运行阶段从2 0 0 4 年3 月至儿月，历时8 个月， 经历了春、夏，秋三季。在此阶段，系统运行稳定c o d 、t n 、t p 去除教果良好。 湿地系统是包含了复杂生物相的人工强化生态系统。在中试试验中，受到诸多因素的影响，温 度、雨雪，虫害、植物荣枯及进水水质变化等因素难以进行人为控制，故很难做到绝对意义上的稳 定试验。考虑到l 三【上原园，尽量在短时间完成各工况下试验，使出上因素的影响降低到最小。 在湿地运行期间，定期对湿地进行除草、松土、植物修剪、精虫防治等维护管理，夏季高温防 止湿地植物晒伤，在冬天寒冷气候及时对湿地中各种管线进行防冻保护处理。 ( 4 ) 试验内容 试验研究的主要内容包括：考察影响湿地去污效果的各种因素及其对湿地净化效果的影响，概 括为以下几方面： ( 1 ) 湿地中d o 分布试验。研究不同植物、不同工况下湿地中d o 水平及其对湿地脱氮的影响。 ( 2 ) 湿地中植物对脱氪的影响。研究植物光台作用、蒸发和蒸腾特性对湿地脱氮的影响。 ( 3 ) 湿地基质试验。研究基质吸附净化效果，以及氮在基质中g 转化趣律。 ( 4 ) 湿地中硝化和反硝化茁群检测。研究各种氮转化细菌和湿地脱氮效果间的关系。 ( 5 ) 湿地运行条件优化试验，如温度、水力条件等对处理效果的影响，确定最佳运行参数。 1 6 第三章人工湿地脱氮影响因素分析及条件优化 第三章人工湿地脱氮影响因素分析及条件优化 人工湿她对污水的净化不仅受到微生物类群、基质构成及植物种类的直接影响，还受到湿地d o 分布、气候条件，湿地构形、湿地中水力负荷和水学特性等因素影响其中气候是一项主要影响因 素，湿地植物种类、微生物活性和土壤中营养物质的生化循环都与气候温度有关；湿地中d o 分布 与湿地脱氮效果密切相关，硝化作用的发挥受到d o 水平的影响；人工湿地中水流状态也是一项重 要影响因素，它影响着污染物的迁移规律，影响着湿地基质对某些污染物的积累和释放，因此，通 过选择合理的水力学参数可以改善人工湿地污染物去除效果。 3 1 湿地中d o 分布研究 人工湿地作为一种高效、节能的生态污水处理技术，去除效率很大程度上受到湿地中d o 水平的 影响陋蜘。根据德国学者k i c k u t h ； 畏区法理论，植物除了对污染物具有吸收作用外还具有向根部输 氧的功能。湿地中的植物通气组织发达，叶片进行光台作用所释放的氧，部分可从气腔进入根部， 供根部呼吸的需要，多余舶氡再传至4 根外。现有研究表明，芦苇在光合作用产氧过程中，同时向根 区及水体供氧，使芦苇床内水体溶解氧的变化曲线出现明显的峰值酬。 微生物的硝化和反硝化作用是人工湿地中氮的主要去除途径，硝化作用是人工湿地中脱氯的限 速步骤，而微生物的硝化作用需要充足的氧气供应。大量资料认为唧1 ，自然复氧过程远远不能满足 微生物硝化过程的需要，植物根系的泌氧作用是人工湿地土壤中氧气的主要来源。王宣明唧1 认为： 对于表面流人工温地，空气率的氧直接向水体扩散溶解应是途径之一。根据鞘化耗氧以及根系生物 置，计算出芦苇、水葵，水葱、黄菖蒲、美人蕉的输氧速率分别为：1 15 9 、1 1 5 7 、1 0 4 5 、96 3 、50 7 e n ，。d 。 得到的植物输氧速率远比依靠空气直接溶解的氧气量大。所以王宜明认为，植物根系的泌氧是人工 湿地，尤其是潜流式湿地中污染物降解所需氧气量的主要来源。 彭江燕等 9 1j 将无氧水加入盆栽模拟人工湿地的试验盆中，连续铡定盆中溶解氧的浓度，结果表 明，在i 2 天内，植物盆中溶解氧的浓度显著丈于无植物盆中的溶解氧浓度一但随时间的延长，差 异缩小，甚至有的有植物盆中溶解氧浓度还小于无植物盆中的溶解氧浓度。 国外研究人员用微电极测定了在去除氧气的溶液内根径向的氧气传输量，结果表明，不同植物 的单位根表面积的氧气传输量在1 0 l 6 0 a g c h m i f f l c 1 2 范围内一般氧的传输主要在报的根毛医， 老的根茎几乎检测不到氧气的传输( a r n 雠e n g a r m s l x o n g1 9 8 8 ) 。b a r k o ( 1 9 9 1 ) 和s o r r e l l a r n g s t r o l a g ( 1 _ 9 9 4 ) 认为，水生植物能通过茎中的通气组织向根部输氧，这一结论是肯定的，理由是附 在根表面红色的二价铁颜色的变化，说明了二价铁被氧化成三价铁。 制约d o 水平的因素主要包括湿地结构和空间位置、栽种植物种类及其光合作用速率、水力条 件和运行方式等。试验探讨了d o 分布和影响园素问的关系，旨在得出湿地中d o 分布规律- 提出 改善湿地中d o 水平的方法，从面强化短地中n i 王n 硝化和有机物的降解，藉此改善漫地中溶氧条 件，改善湿地的净化效果。 试验材料及方法 试验分别测定芦苇、富贵竹、美人蕉等湿地中d o 分布及其相应的脱氮效率，其中一个湿地未栽 种植物，作为空白参照。试验a 2 0 0 4 年3 月初8 月中旬，取样集中在6 月7 月。周期当地大气温度 为1 5 c 3 5 ，栽种植物从早春复苏期进入茂盛生长期。湿地均采用连续式迸水，水力负荷控制在 05 c m , d 1 5 5 c m d 1 ，h r t 为l 1 5 乱 d o 采用改进主次波长分光光度法测定睁埘】仪器采用u v - 3 8 ( y 2 型紫外可见光分光光度计，d o 1 7 东南大学1 彝士学位论文 最低检出限0 0 1 5 r a g l _ 1 ，在0 0 m g u 3 0 m g - l - 范围测量精度高。 3 1 1 不同植物湿地的d o 空间分布 鉴于湿地长宽比为3 ：1 故假定沿湿地级向断面上水流方向致试验研究沿湿地长度和高度 方向上不同处d o 分布e 取样点位置如图3 - i 所示，进水点s o 、出水点s 1 0 、处理区设s 2 s 9 取样 一j u - _ 翟地侧面取样营进水 密封容器觜外可见劳光光度计 图3 - 1d o 取样点分布和d o 疆6 定装置 点，各点水平间距0 1 5 m ，垂直高程分别为0 2 5 m ，o 4 5 m 、0 6 5 m 。授憾过程中取样保持密封，取样 点水压与湿地中相同，水温在2 2 2 4 之间波动，温度对水中溶解氧影响可忽略不计删。湿地 水力负荷为3 0 e r a d 1 。 由表3 1 可见，湿地中d o 普遍在个较低的水平，大部分在0 a ) m g l - 1 以下，总体上呈哦氧或 厌氧状态。湿地出水的d o 均低子迸水豹d o 值，说明湿地系统在净化过程孛消耗了部分氧气。各 表3 1 温地中不同取样位置处d o 水平 植物湿地氧分布和含量水平相当，美人蕉湿地略优于其它湿地，芦苇垂直流和芦苇推流略优于富贵 竹、茶花和空心菜。比较芦苇湿地两种流态下d o 发现，垂直流方式下湿地各取样点处d o 均高于 推流，说明垂直漉可以改善湿地溶氧条件，提高d o 水平。这因为垂直流态下，植物提系润湿条件 更好，缩小了反应区的“死水区”范围根系活动更加旺盛，基质表面的复氧作用更强。从表3 1 中明显看出，植物湿地的d o 高于空白湿地，说明植物对湿地有供氧作用，植物根系除了泌氧外， 根系发育导致的湿地基质疏松空隙也能促进湿地表面复氧。 植物湿地床体不同位置处的d o 也存在差异：横向比较看，s 2 、s 5 、s 8 取样处d o 水平高于进 水端( 8 1 、s 4 、s 7 ) 的d o ，后者又高于出永端( s 3 ，s 6 、s g ) 的d o 水平。笔者认为其原因可 能是有机物降解主要发生在前端，n 地+ - n 硝化能力较强，对有机物的降解大多在这一段进行，从而 消耗了水中的溶解氧。在供氧不足的条件下，好氧微生物不起主导作用，而兼性厌氧微生物起积极 作用，耗氧减少，导致d o 水平在中间略有升高同时植物光合作用促使根莱泌氧也是d o 水平升 】8 第三章人工湿地脱氮影响因素分析厦条件优化 高原因之一：在后段有机物含量下降促进了硝化反应进行，使得溶解氧进一步下降，d o 水平整体 上来看中间部分较高。空白湿地由于牧有植物复氧存在，加之污染物降解对d o 的消耗，使得d o 水平自进水到出水，从处理区上层至下层，呈现连续下降趋势 垂向比较看。采样点s 1 $ 3 处d o 值高于s 4 $ 6 处d o 值，s 4 $ 6 处 d o 值又明显高于s 7 s 9 处，这说明上部( 0 6 5 m 水位处) 植物供氧和水荷复氧联合作用使d o 得以保持在一定水平；中 部( 0 4 5 m 水位处) 役存在植物供氧，但作用较弱 下部( 0 2 5 m 水位处 几乎无氧补充，仅靠上都 氧气传递不足以满足污染物降解所需，d o 趋于零。 其中几种植物的d o 沿高度方向的变化趋势如图3 - 2 所示，可以看出美人蕉湿地的d o 水平最 高，空白湿地最低。而且美人蔫d o 随高度变化率较大，芦苇湿地次之，可解释为美人蕉纵深棍系 粗壮，根部供氧能力较强基质空隙较大造成的表面复 氧较强。图3 2 中值得注意的是空心菜湿地，在4 5 c m 高度处d o 水平仅次于美人蕉。而6 5 e m 处d o 却仅高 于空白湿地，因为试验期同为空心菜旺盛生长期，叶面 光合作用产生的大量d o 通过气腔进入根区附近，4 5 e m 处空心菜根系最为发达。促使其在4 5 e r a 处d o 较大， 而其表面复氧能力较弱，生长所需大量的营养物质促进 了湿地对有机污染物的降解和消耗耗氧量增加，导致 6 5 c m 处d o 水平下降。 由于本试验湿地设计长宽比大于2 ，1 ，导致整个湿 地在长度和高度方向上复氧和耗氧速率的出现差异，沿 湿地水流方向，d o 呈现出中间高，两端低的状况沿 褪蜮高度( $ 8 - 5 5 - $ 2 ) ， 圈3 - 2 溶氧沿温地高度方向变化 湿地高度增加方向，d o 水平明显提高。为了改善短地中d o 水平，在湿地运行中可采取前段多点 进