（环境工程专业论文）新型人工湿地处理小区雨水径流的效果和应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着城市化的进程加快，带来了一系列的水问题。一方面，城市化进程使得 不透水地面增加，城市的暴雨径流产生的洪涝灾害不可忽视。另外一方面，城市 的淡水资源匮乏，迫切需要寻找新的供水水源。雨水资源作为轻度污染的水源可 以经过很简单的处理用于生活用水和工业用水。因而增加城市雨水资源的利用量， 将是节水型城市建设的有效措施。 人工湿地处理污水具有。一高三低一不”的特点，即高效率、低投资、低运 行费用、低维持技术和基本不用电，使其作为一种低处理费用和基建费用的环境 友好型污水处理替代技术受到了重视但同时存在运行过程易堵塞，占地面积大， 负荷小，湿地床内溶解氧低除氮效果不是很好等问题。本实验就雨水利用研究， 针对目前人工湿地存在的问题，在现有潜流式湿地的基础上，设计了一套新型人 工湿地折流式人工湿地床与氧化塘组合，试图提高人工湿地的处理效率，增 加湿地床的利用效率达到减少占地面积和水力停留时间 启动试验表明，在1 6 1 2 2 5 条件下，采用自然挂膜，初期间歇进水和 水位控制，中期和后期采用连续进水的方式，可以成功地启动人工湿地启动后期 出水c o o 值稳定在3 0 m g l 左右，去除率达到8 0 以上 净化能力试验根据进水水质的不同分为两个阶段在处理低污染浓度水 体即以真实雨水为进水进行试验时，水力负荷对处理效果的影响很小人工湿地 在处理模拟雨水阶段即以稀释的生活污水为进水，除浊度以外，其它各项指标的 去除效果都比较明显的受到水力停留时间和面积负荷的影响。去除效果随水力停 留时间的增加而增加，随面积负荷的加大而降低。人工湿地去除有机污染物的效 果很好，出水c o d c r 的最大值为5 7 5 m g l ，各工况平均出水值4 0 m g l 以下；出水 浊度的最大值为7 9 6 n t u ，各工况平均出水值5 n t u 以下；出水t p 的最大值为 0 3 0 5 m g l ，各工况平均出水值0 1 m g l 以下；出水n h j 的最大值为4 4 8 r a g 几， 各工况平均出水值3 m g 几以下 机理分析试验表明：在人工湿地系统中，有机质主要通过附着在植物和基 质表面的微生物的矿化作用去除。在本实验中，c o d e r 和浊度主要依靠滤料和植 物根系的截留，吸附作用去除，滤料粒径越小则对去除c o d c r 和浊度贡献越大。 而风车草对于去除c o d e r 和浊度贡献则要大于菖蒲和风眼莲。 对于氮元素的吸收则主要依靠植物根系表面的微生物进行的硝化和反硝化作 用改变氮的形态，n 心一n 浓度的降低幅度很大，同时n 0 s - - - n 和n 昕一n 的浓度略 有下降，但变化波动很小，说明硝化和反硝化作用都比较明显，n 的去除效果较好 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 填料的不同对人工湿地中氮元素的去除效果影响不大在植物的种类区别上，菖 蒲对氮的吸收能力很强，而风车草和风眼莲对氮元素的去除几乎没有什么贡献。 对于磷元素的吸收则主要依靠基质的沉淀、吸附作用和植物生长吸收作用，t p 的 去除主要表现为溶解性p 的降解。除此以外，人工湿地的除污效果还不同程度地 受到温度，蒸发和蒸腾等因素的影响。 通过对棕榈泉国际花园雨水景观湿地的运行处理效果进行监测分析，结果 表明其出水水质能够优于城市污水再生利用城市杂用水水质( g b ，r 1 8 9 2 0 一 2 0 0 2 ) 和城市污水再生利用景观用水水质( g b t 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 的相关要求。 关键词：城市降雨径流，折流式湿地床，雨水处理 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t as e r i e so f w a t e rp r o b l e m sw 啪c a u s e db yt h ea c c e l e r a t i o no f u r b a n i z a t i o n o nt h e o n eh a n d , w i t ht h ci n c r e a s i n go fi m p e r v i o 瑕s a t r f a e e t h ef l o o dr e s u l t e df r o mu r b a n r a i t l s t o l 3 nr t m o f f 啪蜘吐b e 瑚笔l e 吐e 也o nt h eo t h e rh a n d , n 删s o i l r c 燃o fw a t e r - s u p p l y a u r g e n t l yd e m a n d e df o rt h es c a m t yo f f r e s hw a t e ri nc i t i e s a sak i n do f w a t e r6 0 u l w h i c hi sl i g h tp o l l u t e d , t h er a i n w a t e rc a l lb eu s e da sd o m e s t i cw a t e ra n di n d u s t r i a lw a t e r a t t e rs i m p l et r e a t m e n t s oi tw i l lm a k et h eb e s tu s eo f t l a eu r b a nr a i n w a t e r , w h i c hi s 趾 e f f e e t i v em c l i s u 把t oc o n s t r u c taw a t e r - s a v i n gc i t y a sa ne n v i r o n m e n t - f r i e n d l yw a s t e w l l t e rl z e a t m c n tp r o c e s sw i t hl o w 邝锄i n gc o s t a n dc o n s t r u c t i o nc o s t , 恤e o m m m e dw e t l a n di sg i w nm o l t 慧a n di n o l a t t e n t i o nt oi n r e s c l l ty e a r s i th a st h ec h a r a c t e r i z e so f o n eh i g h , t h r e el o wa n d0 1 1 en o t ”，n a m e l yt h e h i 班e t f i e i e n e y , l o wi n v e s t m e n t , l o wr i m i n gc o s t , l o wm a i n t e n a n c ea n df e wa e e do f e l e e t r i e i t y a tt h e 黜l i m e , h o w c v e l r , i th a st h ed i s a d v a n t a g e ss u c h 猫d o g g i n g , h i g h l a n d o l i ，l o wl o a d , l o wd oi nt h ew e t l a n db e d ，a n du n s a t i s f i e de f f e c t0 1 1n i t r o g e n r e m o v a le t e b a s e do nt h es u b s u r f a c ef l o we o n s m a e t e dw e t l a n d si na i s t e n as e to f 蜊a 踟玛眦t c d 啊翻l a n 凼，b a f f l i n gf l o we o m t r u e t e dw e l l 觚da s s e m b l e dw i t ho x i d a t i o n 臼m 【a d e s i g n e , te x p e r i m e m sa r ec o n d u c t e di no r d e rt oe n h a n e t h et l c a t m e n t e f f i c i e n c yo ft h ee o n s m a e t e dw e t l a n d s , h e i g h t e ni t su s ee t t i e i e n e ya n dr e d u c et h e l l l l l d - 1 k a n d 腿t 1 1 1 ee x r 虻 r i m e a ts u g g e s t st h a tw e l ls t a r t - u po fw e t l a n d s 锄b ea e l a i e v e dw h e n w a t e rt e m p e r a t u r ei sb c t w 啪1 6 1 2 2 5 。t l a r o u g ht h ea d o p t i o no f s l i g h tc o n t a m i n a t e d w a t jw a t e r - l e v e lc o n t r o l , i n t e r m i t t e n ti n t l o wi nt h ee a r l i e rd a y s 锄n dc o n s t a n ti n f l o w a t t e r w a r d a f t e rs t a l t - u p , t h ec o d e rv a l u eo fe f f l u e n ts t a b i l i z e sa b o u t3 0 m p , la n dt h e r 翱m o v a lr a t ea c h i e v e s8 0 a b o v e ( 罾1 1 圮p u r i f i c a t i o nc x p e r i m e n t 锄b ed i v i d e di n t ot w os t a g e s , b a s e do nt h e i n t t u e n tq u a l i t y t b ei n f l u e n c eo f t h el a y d r a u l i cl o a do nr e m o v a le f f i c i e n c yi sv e r ys m a l l w h e nt l a el i g h t p o l l u t e d w l t t c i f l o l l r c c ( r a i n w a t e r ) i su s e d i nt h eo t h e rs t a g ew h i c hu s e s t h es i m u l a t i o t l _ r a i n w a t 髓( d i l u e n td o m e s t i cw a s i 斟v 砒c r ，t h er e m o v a le t t i e i c n e yo fe v e r y i n d e x e sb e s i d e st u r b i d i t ya 把o b v i o u s l ya f f e c t e db yt h eh r ta n dt h ea l c al o a d n 圮 r e m o v a le f f i c i e n c yi n c r e a s e sa l o n gw i t ht h e i n c r e a s i n go f h r t , a n dr e d u c e da l o n gw i t h t h ei n c r e a s i n go fa i r c a l o a d 1 1 把l - m o v a le t t i e i c n e yo no r g a n i cp o l l u t a n to ft h e c o n s t n l c t c dw e t l a n d si sh i g h t h ec o d e rm a x i m u mv a l u eo fe f f l u e n ti s5 7 5 m g la n d m 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t i l ea v e r a g eb e l o w4 0 r a g l ；t h et u r b i d i t ym a , v , j l l l u mv a l u eo fe f f l u e n ti s7 9 6 n t i , a v e r a g eb e l o w5 n t u ；t h e 仰m a x i m u mv a l u eo fe f f l u e n ti s0 3 0 5 m g l , a v e r a g eb e l o w o 1 i n g l ；t l a en t t 3 - nm a x i m u mv a l u eo f e f f l u e a ti s4 4 8 m g l , a v e r a g eb e l o w3 m g ，l t h em e e h a t t i s ma n a l y s i si n d i c a t e st h a ti nt h e w e l f h u l ds y s t e m , t h eo r g a n i c p o l l u t a n t sw c l t 它m a i n l yr e m o v e do f f t h r o u g hm i n e r a l i z a t i o na c t i o no f m i c r o o r g a n i s m0 1 1 t h es u l f a t 呛o fp l a n t sa n dt h ef l u i n g i nt h i se x p e r i m e n t , c o d e ra n dt h et u r b i d i t ya r e m a i n l y1 t m o v c db yi n t e r c e p t i o na n ds o r p t i o na c t i o no f t h ef i l t e r sa n dp l a n tr o o ts y s t e m a n dt h es m a l l e ro ff i l t e rp a r t i c l e ss i z ei s ，t h eb e t t e rr e m o v a le f f i e i e n e i c so fc o d e ra n d t u r b i d i t y 躺t h ec o n t r i b u t i o no fc y p e r u sa l t e m i f e l i e so nt h ec o d e ra n dt h et u r b i d i t y r e m o v a lm u s tb cm o l et h a na e o r u sc l l l a m u sa n de i e l a h a m i ae r a s s i p e s n i t r o g e na b s o r p t i o nm a i n l yd e p e n d su p o nt h en i t r a t i o na n dt h ed e n i l r i f i e a t i o no f t h em i c r o o r g a n i s mo nt h es u r f a c eo fp l a n tr o o ts y s t e mt h r o u g ht h ec h a n g e so fn i t r o g e n v a l e n c es t a t e s t h ee o n e e n l z a l i o no fn i - 1 4 + - nr e d u c e sl a r g e l y , a n dn 砖n 0 3 一na n d n 0 2 一ns l i g h t l y ，w h i c hs u g g e s tt h a tt h en i t r a t i o na n dt h ed e n i l a i f i e a t i o nl n eo b v i o u s a n dn i l z o g e nx 蜘a o v a lr a t ei sh i g ht h ev a r i e t yo ft i l t i n gm a t e r i a l sh a sl o wi n t l u e n e eo n t h en i t a o g e nr e m o v a li nt h ew e t l a n ds y s t e m a e o r u sc a k m 埘s h o w sav e r ys t r o n g n i t r o g e na b s o r b e n c y , b u tt h ec y p e r u sa l t e m i f e l i e sa n de i e l a h a m i ae r d s s i p e ss h o w s n e a r l y1 3 0c o n t r i b u t i o n t h ez a m o v a lo fp h o s p h o r u sm a i n l yd e p e n d su p o nt h ea c t i o no f p r e c i p i t a t i o n , a d s o r p t i o na n dp l a n ta b s o r p t i o n t h et pn 奠n o v a lb e h a v e sm a i n l y0 1 3 s o l u b l epr e m o v a l e 】c e p tf o rt h i s , t h ec o d s l l u c t e dw c t l a n di si n f l u e n c e da td i f f e r e n t d e g r 嘲b yt h ef a c t o r ss u e l a t e 叫舳，e v a p o r a t e s , 呻i r a t i o na n d o i l ( dt h r o u g ht h em o n i t o r i n ga n da n a l y s i so nl l t i l l w l l t e rl a n d s c a p ec o 出血眦伽 w c t l t n di nt h ep a l ms p r i n g si n t m a t i o m lg a r d e n , t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ew a t e r q u a l i t yo f e f f l u e n t 眦m e e tt h ec h i n ae r i t e r i o mo f ( g b f r l 8 9 2 0 2 ，0 0 2 ) m a d ( ( 3 b t l $ 9 2 1 2 , 0 0 2 ) k e y w o r d s ：u r b a nr u n o f f ；b a f f l i n gf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ， 皿硷r a i n w a t e rt r e a t m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废太堂 或其他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谢意 学位论文作者签名：计心 签字日期：沙7 年年月阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解。重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重宏太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密( ) ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：j t ， 心 签字日期：矽口7 年0 月j 影日 导师签名：飞p 掌建乙 签字日期：口7 年4 月媚 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 人工湿地污水处理系统概述 1 1 1 人工湿地的定义 湿地一词最早出现于1 9 5 6 年美国鱼和野生动物管理局( 3 9 号通告，通告将 湿地定义为。被间歇的或永久的浅水层覆盖的土地” 1 1 1 9 7 9 念美国为了对湿地 和深水生态环境进行分类，该局对湿地内涵进行了重新界定，认为“湿地是陆地 生态系统和水生生态系统之间过渡的土地，该土地水位经常存在或接近地表，或 者为浅水所覆盖”【n 1 9 7 1 年在拉姆萨尔通过了关于特别是作为水禽栖息 地的国际重要湿地公约 ( 简称湿地公约) ，该公约将湿地定义为：。不问其为 天然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有静止或流动、 或为淡水、半咸水或成水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的水域”f 2 。 我国对沼泽、潍涂等湿地研究具有丰富的积累，在实践中型成了具有中国特 色的湿地分类系统，通常认为“湿地系指海洋和内陆常年有浅层积水或土壤过湿 的地段”【1 l 。 湿地是介于陆地体系于水体系之间的一种过渡性土地，覆有浅层地表水，或 地下水位一般接近地面。在类别上如划入湿地则必须具有以下三种特性：( 1 ) 土 壤是含羟的( h y d r i c ) 涝渍；( 2 ) 土地表现出曾经洪涝的水文条件，即曾以一定的 频率和历时被地表水淹没或被地下水饱和；( 3 ) 土地利于水生植物滋长，在每年 生长季节中大部分植被是常见的湿地植物，因此也是多种野生动物的栖息地i l j 湿地是人类最重要的环境资源之一，它具有供应水源、蓄洪防旱、保持水质 的功能因此湿地又被称为陆地上的天然蓄水库，除作为居民用水、工业用水和 农业用水的水源外，在洪水期，它吸收过剩的水量，在干旱期，它则慢慢释放储 存的水。湿地，特别是沼泽地和泛洪平原有助于减缓水流，有助于沉积物的下沉， 水中的有些水生植物还能有效地吸收有毒物质，使水质澄清。湿地是一种多功能 地独特地生态系统，除向人类提供大量地食物、原料和水资源外，在维持生态平 衡、调节气候、降解污染、保持生物多样性和珍稀物种资源，以及在涵养水源、 蓄洪防旱和提供旅游资源等方面起着不可替代的重要作用。湿地是“自然之肾”1 3 。 我国天然湿地有限，遭受破坏的情况过去十分严重，例如开垦北大荒，半个 世纪的开垦，使这里成为年产70 亿公斤的国家重要商品粮基地。但过度开荒破 坏了这里的原始生态，湿地面积缩小了一半，旱灾水灾频频发生，许多野生动物 被迫迁徙他乡，曾经肥沃的黑土地日益贫瘠；而位于鲁西南部微山县境内的南四 湖，自上个世纪8 0 年代以来，由于周边地区各类污染性较强的工业无节制地发 重庆大学硕士学位论文1 绪论 展，对湖水污染日趋严重，加之人们在很长一段时问内对沿湖湿地盲目围垦，以 及对湖区资源的掠夺性开发，致使南四湖的生态环境明显恶化，沿湖湿地大面积 减少，从而大大降低了沿湖湿地对湖水水质的缓冲、调控、自净和保护作用，导 致了湖区水生动、植物明显减少，有的物种甚至已经灭绝 1 1 2 人工湿地及其在污水治理中的应用 直接用于污水处理的往往都是源于自然的人工湿地。近年来，各种污水处理技 术在实际应用中取得了不断的发展，特别是作为二级处理的活性污泥法以其工艺相 对成熟、运行稳定、处理效果好而成为处理生活污水的主流工艺，但传统的活性 污泥法基建投资大，运行费用高，且主要以去除碳源污染物为目的，对氮磷等营 养物质的去除则微乎其微，经处理的出水排入水体后仍将引起富营养化等环境问 题。同时事实也说明，单纯依靠传统的处理方法在我国当前情况下只能延缓其发 展趋势，而难以从根本上解决水污染问题。2 0 世纪7 0 年代以来，人工湿地污水处 理技术的应用和发展为综合解决上述问题提供了一种新的选择闭。不仅如此，湿地 处理尚有综合生态效果 用于治理污水的人工湿地是以人工建造和监督控制的、与沼泽地相类似的地 面，通过自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净 化。此种湿地系统是在一定长宽比及地面坡度的洼地中，由土壤和填料( 如砾石) 混合组成填料床，污水在床体的填料缝隙或床体表面流动，并在床体表面种植具 有处理性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生 植物( 如芦苇等) ，形成一个独特的土壤一植物微生物生态系统，对污水进行处 理。当人工湿地经过一定时间的运行后，填料表面和植物根系中生长了大量的微 生物形成生物膜，污水流经时，固型物被填料及根系阻拦截留，有机质通过生物 膜的吸附、同化及异化作用而得以去除因植物根系对氧的释放，湿地床层及其 周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧、和厌氧状态，保证了污水中的氮磷不仅 被植物及微生物作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化一反硝化作用及微生物 过量积累作用从废水中去除。最后通过机制的定期更换或植物收割使污染物质从 系统中去除一般地，污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很 快地被截留而被微生物利用，污水中可荣幸有机物则可通过植物根系生物膜的吸 收及微生物代谢过程而被分解去除。实际设计中，往往使将湿地进行多级串联或 附加必要的预处理、后处理设施构成利用人工湿地处理污水因具有低投资、低 运转费、低维持技术、低能耗等优点，近年来颇受世界各国环保界的重视和推崇， 并在水污染治理的实践中显示出强大的生命力1 4 】。 1 1 3 人工湿地的类型及特点 人工湿地根据湿地中主要植物形式可以分为：浮生植物系统、挺水植物系统 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 和沉水植物系统。人工湿地系统根据水流的形式可建成自由表面流湿地( s u r f a c e f l o ww e t l a n d s 简称s f w ) 、潜流人工湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d s 简称s s f w ) 和垂直流入工湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d s 简称i w ) 嘲 自由表面流湿地( s f w ) 它与自然湿地极为相似，污水以较慢的速度从 地表流过，绝大部分有机物的去除是由生长在水下的植物茎、杆上的生物膜来完 成的。湿地中的氧主要是来源于水面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用。 它的优点在于投资少、操作简单、运行费用低。但其缺点是负荷小，处理效果差， 且系统的运行受气候影响较大，冬季寒冷地区表层易结冰，夏季有滋生蚊蝇、产 生臭味的现象 潜流湿地( s s f w ) 污水从一端水平流过填料床中的填料，这样系统可以 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流等作用， 提高处理效果和处理能力。氧主要源于植物根系传输。其优点是水力负荷与污染 负荷较大，对b o d 、c o d 、s s 及重金属等处理效果好；且由于水流在地表下流动 保温性能好，处理效果受气温影响较小；卫生条件好，很少有恶臭和滋生蚊蝇的 现象。其缺点主要是控制相对复杂目前潜流湿地已在美国、日本、澳大利亚、 德国、瑞典、英国、荷兰、挪威等国家广泛使用。 垂直流湿地( v f w ) 。污水从湿地表面纵向流入填料床底，床体处于不饱 和状态氧气主要源于大气扩散和植物根系传输其优点是硝化能力强，适合处 理氨氮含量高的污水缺点是处理有机物能力欠佳，建造要求高，控制复杂，落 干淹水时间长，夏季易滋生蚊蝇 我国近年研究发展一批用于城市污水、雨水、景观水处理的人工湿地等，大 体都是上述湿地的综合应用。 1 1 4 艺工作者人工湿地污水处理净化机理 土壤一微生物一植物系统 人工湿地处理系统的核心是土壤一微生物一植物系统，该系统具有生命的基 本特征，好比一个。过滤器”，其本身就是可再生的资源，它是一个充分利用土壤 一微生物一植物系统中的自然条件净化污水的生态系统，具有高效、安全、可调 控的特征 1 ) 土壤物理作用过程系统中的土壤一般为砾质砂土、沙壤土。土壤历经在 小于0 0 0 1 i m m 范围内，表层土的颗粒较细。土壤的孔隙率为4 5 一5 0 ，且孔 隙一半被填充，这样就构成了土壤一水一空气三相体系。土壤饱和渗透系统( k ) 在0 0 6 - - 5 0 c m h 范围内，土壤一般为有机质和无机矿物质所组成，并具有活泼 的阳离子代换能力和化学吸附、物理吸附能力。污水中微小的悬浮颗粒( s s ) 及 粘附其上的有机污染物、n 、p 等在土壤表层或颗粒间隔中而被截滤去除，土壤层 重庆大学硕士学位论文1 绪论 是一个高效的过滤床，其平均粒径为0 0 1 - 0 0 3 r a m , 相应的孔隙直径为1 5 4 5 m 与 水处理的滤池( 粒径为o 5 1 5 m m ，孔隙最小值经为7 7 p ) ，相比，截滤去除污水杂 质的能力要提高2 0 5 0 倍，实践表明，经土壤层滤过的水其浊度小于0 5 度，有的 几乎近予零 6 f i 嘲 土壤颗粒上的沉淀作用；污水中的杂质在土壤颗粒表面上沉淀去除。土壤层 是一个有巨大比表面积的沉淀池，污水中的杂质在重力作用下沉淀到颗粒表面上 得以去除。 土壤的表面吸附作用：污水中的污染物被土壤中的粘土等颗粒吸附去除。土 壤中的粘土、腐殖质和矿物质具有强烈的吸附活性，能吸附污水中的各种溶解性 污染物，尤其是阳离子。 土壤化学作用过程土壤层是一个容纳各种物质和催化剂的化学反应器，并 始终保持动态平衡。当污水进入土壤层，污染物致使平衡破坏，相应发生了一系 列的化学氧化还原、化学吸附、离子交换、拮抗、络合等反应。污水在土壤中的 化学反应作用下得以净化 3 1 土壤物理化学作用过程土壤中的粘土、腐殖质等构成了一个复杂的胶体颗 粒体系，各种污染物( 如氮类污染物) 大多也以胶体状态稳定存在于污水中，当 污水进入土壤层，原来两种各自独立的体系便构成了新的胶体体系，由于电解质 平衡体系的破坏和土壤层中腐殖质等高分子的不饱和特性，导致在新的体系中发 生一系列的胶体颗粒的脱稳、凝聚、絮凝和相互吸附等物理化学过程，从而使污 水得以净化旧| l 嘲。 钔生物作用过程在土壤环境中生长着大量的细菌、真菌、酵母菌、霉菌、原 生动物、后生动物、和蚯蚓等生物，并相伴存在一个丰富的土壤微生物酶系，是 一个相互依存、协同作用、又相互制约的生态系统，污水中的有机质及氮磷等营 养素在这个生态系统中，通过微生物的降解和吸收等作用而被去除，在各种机理 中，生物作用是最重要的。 人工湿地处理污水时，有机物的降解和转化主要由植物根区微生物活动来完 成水生植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根区，在植物根须周围微环境 中依次出现好氧区、兼氧区、和厌氧区，为好氧微生物和厌氧微生物大量存在提 供了条件，废水中大部分有机物在好氧区内被好氧微生物氧化分解，而在还原区 域内则经厌氧细菌的发酵作用将有机物分解细菌能使含氮化合物转化为可供植 物和微生物利用的含氮无机化合物，真菌具有强大的酶系统，引起纤维素、木质 素、果胶等的分解，能分解蛋白质化合物释放氨；放线菌使降解含氮和不含氮化 合物的积极参与者，还能形成抗生物质维持湿地生物群落的动态平衡：磷细菌能 将有机状态的、不可直接利用的磷元素降解为简单的、可供植物及微生物吸收的 重庆大学硕士学位论文l 绪论 磷化物，并在厌氧条件下提供短链脂肪酸；硫细菌能将有机硫化物降解为无机硫 化物再从污水中除去；含氮化合物的去除则先由亚硝化细菌和硝化细菌在好氧条 件下将其降解为硝酸和亚硝酸，又在缺氧条件下经反硝化细菌将其还原为n z o 或 氮气l e l r o l 田 人工湿地重微生物的种类和数量是机器丰富的，这为人工湿地污水处理系统 提供了足够的分解者。芦苇床系统的根表面士的细菌数量可达1 0 s 个克干重，且 季节变化大，慢流渗透土地系统的水稻土中氨化细菌数量在1 0 7 个，克干重以上， 香蒲、灯心草人工湿地中细菌、放线菌、真菌数量大，且季节交化大，空间分布 不均匀。研究证实污水中b o d 和c o d 的取出率与微生物数目明显相关；污水中 n i - 1 3 n 的去除率与根区的硝化细菌和反硝化细菌数量相关性极显著；而磷元素的 去除率则与根际中的磷细菌数量呈正相关i o 1 1 7 11 1 1 污水中有机物、总氮和总磷的去除机理 1 ) 有机物的去除 人工湿地对有机物有较强的去除能力不溶性的有机物通过沉淀、过滤从废 水截留下来，被微小生物加以利用。可溶性的有机物通过生物膜过生物膜的吸收、 吸附和生物降解作用而去除。结果表明，人工湿地对b o d 5 的去除率可达8 5 9 5 ， c o d e r 的去除率达8 0 ，城市污水通过人工湿地处理后，出水b o d 5 在1 0 m g i l 左右即北京环境科学研究所的试验表明，不溶性b o d 5 ( 约占总b o d s 的5 0 左 右) 1 1 0 l 。和c o d e r ，在进水5 m 的距离内可迅速除去，在这以后，可溶性的有机物 的降解则相对缓慢型n i 随着积累过程地不断进行，人工湿地中的微生物也相应 地繁殖生长，通过对填料床遗定期更换及对湿地植物地收割而将积累地有机物从 湿地中出去 2 ) 总氮的去除 污水中的总氮大部分以有机氮和氨氮( n h 3 或n i - h + ) 形式存在据w r t t g r e n 等( 1 9 9 7 ) 报道，进入潜流人工湿地的2 3 4 m g l 的t n 中1 8 6 m g l ( 占t n 的7 9 0 ) 是氨氮，其余的2 1 微有机氮和少量的硝酸盐和亚硝酸盐【1 2 1 。人工湿地对氮 的去除主要依靠微生物的同化、硝化和反硝化作用，植物吸收和氨氮挥发所占比 例还不到总去除率的2 0 1 ”1 废水中的有机氮在处理过程中很容易被异养微生物 转化为氨氮，而后氨氮在硝化菌的作用下被转化为无机的亚硝态氮和硝态氮，最 后通过反硝化作用和植物吸收被去除。如前所述，湿地系统中的植物根系的输氧 和对氧的释放，使得床体内部存在许多的好氧、缺氧和厌氧环境，这相当于许多 串联的好氧兼氧恹氧( a a o ) 单元，使得硝化和反硝化在系统中同时发生。 氨氮对淡水生物的毒害作用特别大，为了控制氨氮对淡水资源的污染，应该 加强湿地系统对氨氮的硝化能力，使氨氮尽量转化为硝酸盐。目前，提高人工湿 5 重庆大学硕士学位论文l 绪论 地系统的供氧，以增强其硝化能力，有效去除氨氮，一直是该技术研究的热点。 与b o d 5 和c o d c r 的去除过程相比人工湿地中硝化过程较慢，有限的溶解氧常被 用于去除有机物的反应中，明显的硝化反应只有在b o d s 降低到一定程度才能进行 1 1 4 1 。反硝化反应又需要从有机物中获取必要的碳源，当污水有机物含量低时，反 硝化过程又不容易进行 3 ) 总磷的去除 磷是影响水体中藻类和水生生物最重要的营养元素，有资料报道说o o x m g l 的无机磷在春季就可以使藻类爆发。湿地中p 的去除主要有三个方面的途径： i ) 植物的吸收作用废水中无机磷可以在植物吸收及同化作用下，变成植物有机成 分，如三磷酸腺甘( 1 ) 、脱氧核糖核酸( d n a ) 和核糖核酸( r n a ) 等，通过 收割植物而去除；( 2 ) 聚磷菌的过量摄磷作用微生物除磷主要通过对其进行强 化后，对磷的过量积累来进行的，使废水中的无机磷在生物体内变成多聚磷酸盐， 成为微生物的内含物而被固定下来。对磷的过量积累得益于湿地植物光合作用的 光反应、暗反应，形成根毛输氧、停止输氧，从而导致水中交替出现的好氧、厌 氧状态渊；( 3 ) 基质的物理化学作用。磷在湿地中通过沉淀作用而去除的化学反 应主要如下： 5 c a z + + 3 p o ，+ o h c 如( p 0 4 ) 3 0 hl j u + r o k 斗a i p o il f d + + r o ：呻f e p o 。l 研究发现，m g 、c a 、f e 和砧相比对p 具有更强的结合能力。美国学者r i c h a r d s o n 等( 1 9 9 9 ) 根据美国环保总局的数据库，提出了湿地系统对p 的最大吸收能力为 每年不超过l g m 2 ，即所谓的“l 克规则”嗍 由于湿地中基质材料的选择对磷的去除有很大的影响，尤其在运行初期。为 了加强湿地初期的除磷能力，在湿地建造中克选择含钙、铝、铁和镁丰富的材料 作为基质材料，因为初期湿地中植物和微生物还没有形成稳定的生物群，待基质 材料吸磷达到饱和后，可充分利用湿地植物和微生物进行除群“。 1 2 国内外人工湿地的研究进展 1 2 1 国外人工湿地的研究进展 运用人工湿地处理污水可追溯到1 9 0 3 年，建在英国约克郡e a r b y 的这个被认 为世界上第一处用于处理污水的人工湿她连续运行直到1 9 9 2 年m 。1 9 5 3 年，德国 的m a xp l a n c k 研究所首例采用人工湿地净化污水，该研究所的s e i d e l 博士在研究 中发现芦苇能有效地去除无机和有机污染物。根据s e i d e l 的思路，荷兰于1 9 6 7 年 开发了一种现称为i 七l y s t t a dp r o c e s s 的大规模处理系统，该系统是一个占地1 h a 的 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 新型表面流湿地，水深0 4 m ，随后大量这种湿地在荷兰建成【瑚 2 0 世纪6 0 年代末，s e i d e l 和k i c k u t h 合作并由k i c k u t h 于1 9 7 2 年提出根区理 论，该理论认为生长在湿遗中的挺水植物通过叶吸收和茎干的运输作用，将空气 中的氧转运到根部。再经过植物的根部表面组织扩散这样使周围的微环境依次呈 现好氧、厌氧和缺氧( a a o ) 状态，十分利于污水的硝化和反硝化作用以及微生 物对磷的过量积累作用，最后通过湿地基质的定期更换和湿地植物定期收割将污 染物从系统中去除【1 9 1 该理论的提出掀起了人工湿地研究和应用的“热潮”，标志 着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染处理领域。自 7 0 年代以来，湿地系统发展迅速，8 0 年代末和9 0 年代初，美国和英国相继召开 了人工湿地研讨会，提出了人工湿地的有关机理和一些可供参考的设计规范和数 据。 近年来，湿地技术在欧洲、美国及世界各国迅速发展i ”1 2 0 l ，丹麦1 9 9 7 年由 芦苇床湿地1 3 4 个，至2 0 0 2 年，英国有人工湿地6 2 8 个，其中用做三级处理的 水平流人工湿地为4 6 3 个法国现有芦苇床湿地2 0 0 多个。美国在1 9 8 8 年至1 9 9 3 年间就建立了几百个人工湿地，这些湿地大多用于处理家庭污水用于处理工业 污水则始于2 0 世纪9 0 年代，主要用于采矿业，农业和暴雨流泻；家畜处理、食 品和蔬菜加工厂以及燃煤发电厂1 2 ” 1 2 2 国内人工湿地的研究进展及应用情况 我国进行人工湿地处理系统研究较晚，直到。七五”期间才开始了对人工湿地 较大规模的研究。首例采用人工湿地处理污水的研究工作始于1 9 8 7 年，由天津市 环境保护研究所建成的占地6 h a 的处理规模为1 4 0 0 m 3 d l 的芦苇湿地工程 2 2 1 。1 9 8 9 年建成了北京昌平表面流人工湿地，占地2 h a ，水力负荷4 7 c m d - 1 ，h r t ：3 4 d ， 处理量为5 0 0m 3 d - i 的生活污水和工业废水，处理效果良好，优于传统的二级处理 工艺嘲1 9 9 0 年于深圳白泥坑等地又建成了湿地处理系统示范，占地面积为 8 4 0 0 n 1 2 ，处理规模为3 1 0 0m 3 d - i ，其出水达到了二级处理水平p - 4 i 1 9 9 3 年由武钢 大冶铁矿承建，湖北省环保所、大冶铁矿、黄石市环境监测站合作在大冶铁矿炸 药车间建立面积为2 0 0 m 2 的中试性人工湿地，用以处理铁矿炸药车间排放的含氮 污水此后，国家环保局与中国科学院各相继采用人工湿地处理污水进行过一系 列试验，对人工湿地的构建与净化功能进行了阐述2 0 世纪末建成的成都活水公 园更展示了人工湿地污水处理新工艺用“绿叶鲜花装饰大地，把清水活鱼送还自 然”的魅力1 2 - q 。目前，人工湿地的研究和应用正方兴未艾，一些新型的人工湿地技 术得到开发 但我国在这方面的理论和实践上都欠系统扎实，成果经验尚不够丰富。特别 是南北、东话，地域经济，气候条件都不相同，较之成熟的污水处理技术差距还 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 相当大。 1 3 影响人工湿地净化效果的因素 1 3 1 人工湿地类型对净化效果的影响 人工湿地类型各自的特点对净化效果的影响是不同的：表面流人工湿地系统 中，废水在湿地的土壤表层流动，水深较浅c - - 般在o 1 o 6 m ) 与潜流式人工 湿地系统相比，其优点是投资省，除磷效果好，缺点是负荷低，占地面积大北 方地区冬季表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇、散发臭