（环境工程专业论文）蚯蚓强化人工湿地处理施工营地污水试验研究.pdf

摘要 摘要 针对目前人工湿地- i ：艺存在的问题，提山蚯蚓强化人t 湿地t = 艺。试验采用赤子爱胜蚓 研究其对湿地系统处理污水的强化作用。 赤子爱胜蚓( 以卜简称蚯蚓) 在模拟湿地系统中的生存状态试验表明：蚯蚓常在十壤一 砾石分界处觅食，蚯蚓的活动还增强r 湿地 ：壤的透气性。蚯蚓住湿地十壤层中的分布为： 土壤上层蚯蚓数量少，重最小：十壤f 层蚯蚓数昔多，重茸大，个体较人的蚯蚓可以深入到 2 0 c m 深的土壤中，其呼吸作用良好，活动能力强。 空白湿地试验结果表明：蚯蚓引入空白湿地系统( 湿地不种植物) 后湿地水位对污染 物的降解有重要影响。在湿地水位处丁十壤一砾4 i 分界处时，蚯蚓与微生物的协同作用得到 较好发挥，蚯蚓空白湿地对c o d 、n h ，- n 、t n 、t p 的式除率能同时高0 ：对照空白澎地。蚯 蚓空白湿地中氨氮、t p 的降解受温度影响较人，而丁n 的玄除受温度影响较小。 通过湿地基质的灼烧试验研究了蚯蚓活动对湿地基质中有机质含苗的影响，结果表明： 蚯蚓的活动使得基质拦截吸附的有机质被降解和转移，大大减轻了基质拦截吸附有机质的负 担，能够有效地防l r 湿地基质的堵塞。 人：i ：湿地中蚯蚓与植物的协同作州试验表明：蚯蚓与植物的协同作用可使c o d 、氨氮、 t n 及t p 平均去除率比对j ! c l 湿地提高6 8 5 、8 2 8 、5 6 6 及9 2 6 ，说明将蚯蚓引入人 工湿地系统历对污染物的去除有明显的强化作埘。 在泰州长江公路大桥永安洲镇施一i 营地实施蚯蚓强化人工湿地的翻鼙应用。蚯蚓强化人 工湿地出水水质好，经消毒可达到城市污水再生利川标准中的建筑施1 ：用水等要求。 关铰e 词：施j ：营地污水处理。人i ：湿地，蚯蚓 东南大学硕i 学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h ed e f i c i e n c yo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d st e c h n i q u e ，e a r t h w o r me n h a n c e d c o n s t r u c t e dw e t l a n d st e c h n i q u ei sp u tf o r w a r d t h el i f ew a ya n de n h a n c e df u n c t i o no fe i s e n i a f o e t i d ai nw e t l a n ds y s t e ma r er e s e a r c h e d t h es u b s i s t e n c es t a t ee x p e r i m e n t so fe i s e n i af o e t i d a ( h e r e i n a f t e rc a l le a r t h w o r m ) i n d i c a t e t h a te a r t h w o r mf i n df o o da ts o i l g r a v e ld i v i d i n gl i n eu s u a l l ya n di t s a c t i v i t ye n h a n c et h es o i l b r e a t h t h ed i s t r i b u t i o no fe a r t h w o r mi nw e t l a n ds o i li s ：t h eb i o m a s sa n dw e i g h ta r em o r ei n b o t t o mp a r tt h a nt o pp a r to fs o i l t h eb i gi n d i v i d u a lc o u l dg ot - w e n t y c e n t i m e t e rd e e pi n t ot h es o i l w i t hg o o dr e s p i r a t i o na n da c t i v i t y t h er e s u l to fb l a n kw e t l a n de x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，w h e ne a r t h w o r mw e r ei n t r o d u c e di n t o b l a n kw e t l a n ds y s t e mw h i c hn o tg r o wp l a n t ，t h ew a t e rl e v e lp l a ya ni m p o r t a n tp a r tf o rp o l l u t a n t d e g r a d a t i o n w h e nw a t e rl e v e la ts o i l g r a v e ld i v i d i n gl i n e ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d ，n h r n ，t n ， t pi sh i g h e rt h a nc o n t r o le x p e r i m e n t ，t h ec o o p e r a t i o no fe a r t h w o r ma n dm i c r o o r g a n i s mi sb e s t t h er e m o v a lr a t eo f n h 3 - n ，t pw e r ei n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r em o r et h a nt n t h ew e t l a n ds u b s t r a t aw e i g h tl o s so ni g n i t i o ne x p e r i m e n tc a ns h o wt h ei n f l u e n c eo f e a r t h w o r mt ow e t l a n ds u b s t r a t eo r g a n i cm a t t e r t h er e s u l ts h o wt h a tt h eo r g a n i cm a t t e rh a sb e e nd e g r a d e d a n dt r a n s f e r r e db yt h ea c t i v i t yo f e a r t h w o r m ，w h i c hl i g h t e nt h eb l o c ka n da d s o r p t i o nb u r d e no f s u b s t r a t ae n da v o i dw e t l a n ds u b s t r a t ec l o g g i n g s y n e r g yo ft h ee a r t h w o r ma n dp l a n ti nc o n s t r u c t e dw e t l a n d se x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e a v e r a g er e m o v a lr a t eo f c o d ，n h 3 - n ，t ne n dt pr a i s e6 8 5 ，8 2 8 ，5 6 6 a n d9 2 6 w h e n e a r t h w o r mi n t r o d u c e di n t ow e t l a n ds y s t e m ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tp o l l u t a n tr e m o v a lc o u l db e e n h a n c e db ye a r t h w o r m s a c t i v i t yi nw e t l a n d t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nf i e l do f e a r t h w o r me n h a n c e dc o n s t r u c t e dw e t l a n di so nt a i z h o u c h e n g j i a n gr i v e rh i g h w a yb r i d g e ，y o n g - a n z h o uc o n s t r u c t i o nc a m p s a f t e rd i s i n f e c t i o n ，t h e e f f l u e n to f e a r t h w o r me n h a n c e dc o n s t r u c t e dw e t l a n dc o u l da c h i e v et h er e c y c l es t a n d a r do f c i t y w a s t e w a t e rs u c ha sc o n s t r u c t i o nw a t e ra n ds oo n k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nc a m p sw a s t e w a t e rd i s p o s a l ， c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ， e a r t h w o r m 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。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贞献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 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。 期：翘： 第一章绪论 第一章绪论 随着我国社会经济的e 速发展，基础建设规模也在不断扩夫。2 0 0 7 年，我国建筑业的投 资额达到1 1 8 2 亿元，比上年增长4 8 5 。基础改施的建设对周边水、气、声、十_ 壤环境造成 影响，建设施工期产生的污水对周边环境的污染日益受到人们的关注。特别是交通基础建设， 其施_ t 营地一般地处偏僻，远离市政管网污水只能就地处理后排入附近的池塘或农田。术 经处理排放的污水将导致水稻欠收、鱼苗死亡，进而可能引起环境污染纠纷，影响施1 i 营地 一l ：人及周边居k 的止常生产生活。所以有必要在了解施l ：营地污水水质特点和处理现状的基 础上，研究适宜施l ：营地污水处理的i ：艺。 1 _ l 施工营地污水特点 施i i ：营地主要包括生活区、食堂、公厕等，所以生活污水按来源可分为洗涤洗浴污水、 餐饮废水以及冲厕污水三类。另外，施r 机械燃油和机油泄漏以及施【物料堆场受降雨冲刷 都会引起地表径流污染如果设置污水处理殴施，这些污水会一并进入污水的处理设施。可 以看出，与一般的生活污水相比，施l ：营地污水兵有其自身的特点。 ( 1 ) 污水水量变化大 施工营地污水属于生活污水，在一天内水量随着人们的活动而变化，一年内又随着季节 温度而变化；另外，施工过程产生的污水及施i ：场地冲刷水也会进入污水处理设施，所以水 量变化较大。 ( 2 ) 含特征污染网子 厕所、厨房排放的污水中的污染物以有机物、氮氮、s s 、动植物油为主；施l ：场地污染 物地表径流的污染物以泥沙颗粒物、l 釉类为主。施j ：营地污水主要包括了厕所排放的冲厕 污水、厨房排放的餐饮废水、洗涤废水、施l ：场地冲刷及雨水，因此污水中除了c o d 、n h 3 n 、 s s 浓度较高外，油类的浓度也较高。 1 , 2 施工营地污水处理现状 目前，我国施_ 1 ：营地污水一般只经过简单的处理直接排放到附近水体或是直接接入市 政管网进入城市污水处理厂进行处理。在一些较小的i 程项目中，由于施工期短，污水往往 不进行任何处理就直接排放。但是，随着绿色营建理念的提出，施1 ：期的污水处理不再停 留在直接排放或是简单的处理上，而是应该按照相关排放标准进行处理排放。 1 2 1 旌工营地污水现有处理工艺 目前，施j 二营地在污水处理方面采取的i ：艺并不相同，但总体上可以分为化粪池处理i ： 艺8 r 好氧生物处理上艺两大类。 ( 1 ) 化粪池处理工艺 化粪池处理冈其造价低、运行管理简单，在施i ：区运较为普遍，化粪池是污水处理的 最初级方法。生活污水中含有的人昔粪便、纸屑、病原体等杂质在池中经数小时的沉淀后， 去除率为5 0 6 0 。沉淀。f 来的污泥在密闭无氧( 或缺氧) 条件f 腐化进行厌氧分解，使有 机物转化为稳定状态，经3 个月以上的酸性发酵后。脱水熟化便可清挖。化粪池对有机物的 东南大学硕l ：学位论文 去除能力较差，一般说来污水中的生化需氧晕仅降低2 0 左右。黑人线扩建：程”和青藏线 2 9 标段施丁”1 的施二t ：营地污水就采此_ l j 化粪池处理就近排入不外流的地表水体。 ( 2 ) 好氧生物处理工艺 污水好氧生物处理是比较* 遍的污水处理方法。小浪底i 程施i ：就采j j 了好氧生物处理 b t s 系统“1 。b t s 系统是一种成套生物处理装置，其1 艺流群是：生活污水铍收集在污水池 内，由污水泵将污水抽到处理装置内；污水进入装置后，活性污泥开始发挥作用，并进行曝 气；处理后的污水再经漂白粉消毒后排出。该系统处理生活污水效果良好特别是对b o d ，、 c o d c ，的处理效果较好( 可达9 0 以上) ，对n h 3 ，n 也有一定的处理效果。系统运行管理简 单除日常的鼓风、加漂白粉消毒外，装置内的污泥只需一两年清挖一次即可。 1 2 2 现有处理工艺存在的问题 就现有施工营地污水的处理措施米讲，最理想的就是接入市政管网进行处理。但是，由 于人多数施t 营地的地理位置较偏僻，特别是进行交通i ：程建设的施。l ：营地，远离市政箭网。 把营地生活污水接入市政管网是不可行的，即使接入管网，投资也是巨大的。所以，目前施 t 营地污水的处理人都采州就地处理和就近排放。 目前，施一j ：营地污水人都采川化粪池处理，而较少进行深层次的处理。而由1 ：施i ：营 地污水的短期存在性，这些处理装置在施1 ：后一般都要摧毁或掩埋”1 ，没有进行可持续的利 用。 1 2 3 处理工艺的选择 综合施j ：营地污水的特点及现有处理措施存在的问题，在选抨施i ：营地污水处理i ：艺 时，应从以i 3 3 ) f l ：是适丁蚯蚓生k = 的食物1 ，所以蚯 蚓聚集在此区域进行觅食，甚至把头伸入到了有机质含量更为丰富的污水中。但是，蚯蚓井 不能为了获得更多的食物而将身体全部深入到污水中去，这主要是由蚯蚓的呼吸作用决定 的。蚯蚓的呼吸主要是通过湿润的、布满毛细血管网的皮肤进行气体交换，获得氧气，排除 二氧化碳。蚯蚓的呼吸过科，首先是氧气溶解在呼吸器官表面的水中然后再通过渗透作用， 氧经表皮进入毛细血管的i l i 】液中，氧与血红蛋白相结合这样氧便随血液运送到蚯蚓身体的 各部分。因此，蚯蚓进行呼吸时，体表必须保持 显润，体表一经干燥，将引起蚯蚓窜息死亡。 同时经代谢产生的二氧化碳和废物也带至体表和肾管等器官最后排泄剑体外。此外，蚯 蚓还有一种无氧呼吸机制。在无氧呼吸过程中，糖元经糖酵解作用产生丙酮酸，失去一个碳 原子而成为乳酸井有不少中间产物，不经过三羧酸循环过程。其最终产物除乳酸外，还产 第四章蚯蚓枉模拟湿地系统中的生存状态及分布 生二氧化碳，并释放 i 比有氧呼吸少得多的能带1 。所以蚯蚓的身体并不能全部进入到有 机质含量更为丰富的污水中去。 表4 1 投加蚯蚓前后各观测指标变化情况 观测 1 号 2 号 3 号 指标蚯蚓投加前蚯蚓投加后蚯蚓投加前蚯蚓投加后 蚯蚓重莓 3 2 9 23 6 6 93 1 6 83 5 9 7 ( g ) 蚯蚓增重 1 1 4 5 1 3 5 4 ( ) 蚯蚓活动 活动能力强 活动能力较强活动能力强活动能力较强， 能力描述反麻迅速反麻迅速反应迅速反应迅速 十壤上层板 十壤湿润，松软，表面平粘并出土壤湿润，松软，表面平帮弗出 土壤 结，卜i 层湿润现很多小孔现很多小孔 注：活动能力的判断：蚯蚓证十壤中的爬行能力。 反应能力的判断：用尖头物碰触蚯蚓时的反府。 从表4 1 中可以看出：投加蚯蚓一个月后，2 号系统蚯蚓的重苗从3 2 9 2 9 增加到3 6 6 9 9 ， 月增重为1 1 4 5 ；3 号系统蚯蚓的重鼙从3 ，1 6 8 9 增加到3 5 7 9 9 ，月增重为1 3 5 4 ，说明 蚯蚓适宜生活在人j ：湿地系统中。 从系统中十壤的变化可以看出，没有投加蚯蚓的1 号系统，士壤上层板结，下层湿润， 而2 、3 号系统中的十壤不仅整体湿润松软，还出现了许多小孔道，二卜壤底层的污水可以通 过这些类似毛细管的小孔道进入剑上层的十壤中，据分析蚯蚓是昼伏夜出的动物，它向大在 土壤底层进行活动，夜晚爬到十壤表层，使得十壤中出现了许多小孔道。这说明蚯蚓的活动 还改善了十壤结构，使原本密实的 ：壤变得松软多孔增强了整个系统的透气性。 试验后期蚯蚓活动能力有所减弱，据分析可能是由丁季节变化环境温度f 降所导致，也 可能是由于系统的空间较小、十壤层厚度较低限制了蚯蚓的活动。 蚯蚓经常活动的范罔在十壤与砾t i 料层的交界面( 污水界面) ，这是由于污水界面的十 壤吸附了更多的有机物质，而这些有吸附了污水中有机物质的十壤( c n 3 3 ) 正是适丁蚯蚓生 长的食物”“。 4 2 蚯蚓在模拟湿地系统中的分布 4 2 1 试验目的 本试验的目的是研究蚯蚓在实际湿地环境中的分布状态找山蚯蚓的分布规律。 4 2 2 试验方法及材料 本试验采用构造实际湿地深度的方法观察并记录蚯蚓在人1 ：湿地系统中的分布情况。 2 1 东南大学顶i ：学位论文 由于要探讨实际湿地系统中蚯蚓的分布，而蚯蚓主要牛存及活动的区域为十壤层，试验系统 中- 十壤层的厚度要与实际湿地中相符，本试验中十壤层厚度选取2 0 c m ，十壤层f 砾_ i 层 3 0 c m ，砾石层的砾7 i 共分二层：由上至下分别为上层i o c m ( 砾f i 直径l - 2 c m ) 、中层1 0 c m ( 砾石直径2 , - - 4 c m ) 、卜层l o c m ( 砾石直径4 - - , 6 c m ) ，基质共高5 0 e m ，与实际应用中的的水 平流湿地较接近。 把砾石按照由大到小的顺序堆积，再注入污水，污水水位控制在砾石层与土壤层交界处， 上层土壤中投放蚯蚓，观察蚯蚓的活动。 试验装置采用崩杜状透明塑料梓，圆杞商释为2 0 c m ，高6 0 c m ，设置l o c m 超高，防i r 蚯蚓夜晚爬出装置结构及照片如图4 - 3 所示。 图4 - 3 蚯蚓在湿地系统中的分布试验照片 蚯蚓呼吸作用的好坏可以从蚯蚓的体色观察得到。蚯蚓体色的出现，主要是体晕中存在 着色素细胞或独立的色素粒。表皮、刚毛囊、淋巴球、黄色细胞中也有色素存在。赤子爱胜 蚓由于体壁存在色素，其背部、侧面为紫红色，节间沟部位体壁无色素，冈体腔液、黄色细 胞均呈黄色，故在节间沟处透现出黄色。这样，蚓体背部、侧面成为紫、黄相间的条纹”。 在蚯蚓饲养中，通气越好，蚯蚓新陈代谢越旺盛，蚯蚓体色鲜明有光泽，活动能力强；反之， 蚯蚓生长缓慢，体色暗黑不鲜明，行动迟缓呆板”。 试验装置中砾彳i 层充满生活污水，十壤中投加蚯蚓( 赤子爱胜蚓) 2 0 条，装置放置一星 期后进行观察记录。按照十壤深度，把湿地1 ：壤分成四部分，分别为o 5 c m 、5 - i o c m 、l o 1 5 c m 以及1 5 - 2 0 c m ，一周后对湿地十壤进行分层分离，州对每层的十壤_ 年| i 蚯蚓进行分离，记录各 层土壤中蚯蚓的生物量，观察十壤各层中蚯蚓体色、活动状态及反廊能力，进行记录和拍照。 蚯蚓从土壤分离后，对蚯蚓进行冲洗，目的是为了使蚯蚓体表黏附的十壤脱落，对各层 蚯蚓进行称重。 4 2 3 试验结果及分析 按照土壤深度，把湿地土壤分成四部分，分别为o - 5 c m 、5 - 1 0 c m 、l o - 1 5 c m 以及1 5 2 0 c m ， 试验前后对蚯蚓的生物量进行记录和称重，观察蚯蚓的体色、活动能力和反应能力。 2 2 第四章蚯蚵在模拟湿地系统中的生存状态及分布 不同深度土壤中蚯蚓的体色照片见图4 _ 4 ，湿她土壤中蚯蚓分布及状态见表4 2 ，湿地 土壤中蚯蚓的分布见图4 5 。 黑紫色的蚯蚓( o - - l o o m 土壤层)紫红色的蚯蚵| ( 1 0 - - 2 0 e m 土壤层) 圈4 4 不同深度土壤中蚯蜉( 赤子爱胜蚓) 的体色 表4 2 湿地土壤中蚯蚓分布及状态 注：活动能力的判断：蚯蚓在土壤中的爬行能力。 反应能力的判断：用尖头物碰触蚯蚓时的反应。 土壤深度( c m ) 仓 一 嘲i 1 唧 磐 辑 图4 - s 混地土壤中蚯鲺的生物羞 从图4 4 中可以看出，不同深度土壤中蚯蚓的体色有着明显的差别，上层土壤中 ( o - l o , u n ) 蚯蚓体色发黑，而下层土壤( 1 0 - 2 0 c m ) 中蚯蚓体色为正常的紫红色。在观察拍 东南人学碗l 学位论史 照时，土壤上层( o 1 0 e r a ) 的蚯蚓缩成一团，一动不动：而土壤下层( 1 0 2 0 c m ) 的蚯蚓则 是不停的在爬行，欲逃离观察现场。 从表4 2 及图4 5 可以看出，在十壤层底部1 5 - 2 0 c m 处蚯蚓数精虽多，体重最人活动 能力也最强。在十壤0 1 0 c m 深度中蚯蚓数量少，体重低，且活动能力较弱。土壤层中蚯蚓 的重量随着十壤深度的增人而增加，虽然十壤5 1 0 e m 深度中的蚯蚓数蟥较1 0 1 5 c m 深度耍 多，但是蚯蚓重每却小于f 层，蚯蚓个体较小，说明术完全成熟的蚯蚓由于呼吸作用不能 深入到土壤的底层，但是也限制了其对食物的获取，冈为上层的土壤中吸附的污水少，有机 质含晕少，蚯蚓的食物不足。下层十壤由丁吸附了更多的污水，有机质含昔丰富，蚯蚓食物 充足，蚯蚓的重餐大，数昔多活动强，反席妤。 从图4 4 不同深度十壤中蚯蚓的体色观察发现，下层蚯蚓的体色好丁上层蚯蚓的体色 说明r 卜层蚯蚓的呼吸作用并没有减弱，为什么处丁十壤深处的蚯蚓呼吸会比上层蚯蚓更好 呢? 有许多冈索会影响蚯蚓的呼吸作川，常冈蚯蚓种类、氧与二氧化碳分压、湿度、呼吸阻 抑剂、栖息场所、体型人小、结构特征和生理功能等的不同而有所著异。研究指出”1 ，生活 在典型土壤中的种类如红色爱胜蚓、背暗异屑| j ! i j 的呼吸速率较生活在十壤表层和杂草中的蚯 蚓耍低。另外，体型人的个体呼吸速率较低，体刑小的j i ! l j 呼吸速率较高。所以，本试验中个 体较人的赤子爱胜蚓可以深入剑氧含鲑较低的十壤深处，而那些个体较小的蚯蚓由r 呼吸速 率较高，处于十壤的上层，但是由于十壤上层的食物不充足，行动迟缓，反应迟钝。但是， 随着时间的增氏，下层有机物质会被处于深层的个体较大的蚯蚓的活动逐渐带到上层，此时 上层的食物也可以大致满足个体小的蚯蚓的生跃需要。而处于最上层的蚯蚓，由于食物更加 不充足，蚯蚓活动能力及反应能力较筹，也限制了蚯蚓向十壤深部觅食的活动，这层蚯蚓个 体中等大小，只处丁r 十壤表层的原冈可能是山丁其本身体质较差或是投加到系统前受伤造 成的。 蚯蚓的分布试验表明：赤子爱胜蚓能够较好地生存于湿地系统中，并无山现逃逸现象 其中个体较人的蚯蚓可以深入到十壤深处进行觅食活动，其呼吸良好，活动能力强。 4 3 结论 蚯蚓在模拟湿地系统中的生存状态试验观察结果表明：蚯蚓在污水水位线附近进行觅食 活动。在试验系统中投加蚯蚓一个月，2 号系统蚯蚓的重昔从3 2 9 2 9 增加到3 6 6 9 9 ，月增重 为1 1 4 5 ；3 号系统蚯蚓的重餐从3 1 6 8 9 增加到3 5 7 9 9 ，月增重为1 3 5 4 ，说明蚯蚓适 宜生活在人工湿地系统中。蚯蚓的活动使得土壤中出现了许多 i l l 道，增强了湿地系统的透 气性。 蚯蚓在湿地十壤层中的分布为：十壤 ：层蚯蚓数颦少，重晕小：十壤f 层蚯蚓数量多， 重量大，个体较人的蚯蚓可以深入剑2 0 c m 深的十壤中，其呼吸作_ j 好，活动强。 本试验表明：蚯蚓适于生存在人1 i 湿地系统中，且污水水位附近的十壤由于吸附了较多 的有机质是适于蚯蚓生存的食物，且在污水水位附近蚯蚓数量最多。 第五章人t 湿地的蚯蚓强化试验 第五章人工湿地的蚯蚓强化试验 5 1 空白湿地的蚯蚓强化试验 5 1 1 试验目的 由于湿地对于污染物的去除作用是植物、微生物、填料、动物等要素共同作用的结果 其中由于植物根系的输氧作用，使其在湿地污染物的降解中起着重要的作用。为了更好地研 究蚯蚓在湿地系统中所起的作用本试验在湿地中不种植植物，以便更好地考察在蚯蚓引入 后湿地对污染物降解的影响。 5 1 2 试验方法 本试验采用实验窜装置模拟湿地系统，对处理效果进行比较和分析。试验装置由高位水 箱、进水管、人t 湿地、出水管组成。试验装置采用有机玻璃及p v c 材质，试验流程图以 及装置外观图见幽5 - 1 及幽5 - 2 。 人t 湿地 图5 _ 1 试验装置流程图 图5 - 2 湿地装置图( 不种植物) 图5 - 2 验装置长8 0 c m 、宽4 0 e m 、高6 5 e m ，有效容积1 6 0 l 。装置沿纵向分为两个完全 相同的部分：每侧长8 0 c m 、宽2 0 c m 、高6 5 c m 。人1 ：湿地装置进水管直释l e m ，出水管直 径1 c m 。 东南入学坝1 学位论文 图5 2 所示空白湿地基质：表层十壤层，高2 0 c m ，十壤层下为砾7 i 层砾石共分三层， 由上至下分别为上层1 0 c m ( 砾f 渍释l 2 e m ) 、中层l o e m ( 砾t i 直径2 4 c m ) 、f 层1 0 c m ( 砾石直径4 , - , 6 c m ) ，基质层共高5 0 c m ，十壤层上1 5 c m 为超高，设置超高的目的是为了防 l r 蚯蚓夜间觅食爬山蚯蚓泓地一侧面进入剑对j ! c c 泓地一侧。装置进、j 水部分备k ：1 0 c m 、 高5 0 e m ，填充直径为6 8 c m 的砾4 i 。 试验用土壤原十采自南京市江心洲，十壤质地为砂十，十壤基本性质如表5 1 所示。 表5 1 试验用土壤基本性质 在图5 - 2 所示空白湿地系统中蚯蚓强化湿地一侧十壤层中投放2 0 条蚯蚓，另一侧为对 照湿地，不投放蚯蚓，硒侧湿地中填料粒径与基质层高完全相同，土壤层不种植物，以便更 清楚地了解蚯蚓的作用。污水通过高位水箱进入湿地两侧，分别在装置两侧取出水水样，测 定进出水水质指标变化，考察在湿地系统中蚯蚓单独存时对污水的处理效果。 5 1 3 试验工况 根据蚯蚓在湿地系统中的生存活动情况得知，蚯蚓多聚集在污水水位处( 土壤一砾石 分界处) 进行觅食行为，污水水f 妒的高低直接影响着蚯蚓的活动。由此可见，在蚯蚓强化人 工湿地系统中，污水水位是一项重要参数。 为了探讨蚯蚓的觅食活动对污染物去除的影响以及去除污染物所需要的最佳污水水 位，本试验采用变换水位的方法，即十壤浸泡住污水中( 3 5 c m ) 、污水水位在十壤一砾f i 交 界处( 3 0 e m ) 、污水水位处在砾石层中( 2 0 c m ) ，探讨在不同水位下湿地污染物的去除特点。 ( 1 ) 装置孔隙率的测定 测定装置填料的尺寸，计算出填料堆积体积v ：然后加水，使得水位漫过填料适当体 积，记下此时的总体积v 2 ( 水和填料的总体积) ，同时记f 加入水的体积v 术，则孔隙率的 计算方法为： ；1 一v 2 - - v *。 v 1 式中：v 一填料的堆积体积( l ) u 一加入水后填料和水的总体积( l ) v 一加入的水的体积( l ) 筇五章人t 湿地的蜥蚓强化试验 经测定装置中填料孔隙率为4 0 。 ( 2 ) 水力停留时间计算 啉c a 产鬻= 塑紫= 半 水力负荷的一般计算方法为刚水昔除以系统表面积，也有文献提山州水角除以过流面积 “”，本试验采用水量除以表面积作为水力负荷的计算方法。在停留时问相同的情况下，水位 与水力负荷早正比关系。所以，本文主要针对系统水何对处理效果的影响进行讨论。 试验过程中各个1 ：况的参数列于表5 2 。 表5 2 试验t 况 污水水位的控制方法为：在湿地山口处连接软管，根据软管的高度米调1 i 湿地内的水位。 5 1 4 试验结果及分析 5 1 4 , 1c o d 的去除 ( a ) 2 7 ( b ) 吾|丢珊珊瑚看瑚瑚伽伽5； 一昱1一世袋自ou 东南大学硕i j 学位论义 ( c ) 运行时间( d ) ( e ) 毒 静 髓 粕 凸 ； 槲 筐 粕 ( f 1 ) 运行时间( d ) ( f ) 图5 - 3 空白湿地对c o d 的去除效果 由图5 3 ( a ) 可以看山在1 ：况1 条件f ，此时污水水位在十壤一砾_ i 层上方( 3 5 c m ) 对照湿地的出水c o d 浓度要比蚯蚓湿地低。由图5 3 中( b ) 中可以看出，对照湿地的c o d 去除率一直耍比蚯蚓湿地的去除率高，对照泓地平i | 蚯蚓湿地的c o d 去除率随着运行时间的 增加而降低。对照湿地中c o d 往前两周内急剧降低，在屙期降低过程趋丁平缓。蚯蚓湿地 c o d 浓度在前三周内急剧降低，在后期降低过稃趋丁平缓。 在工况1 条件下，由于湿地中并没有种植物，初期c o d 盘除效率很高是由于湿地基质 的初期吸附作用，此阶段的c o d 去除主要是依靠填料的吸附作心得以去除，此外，由于系 统水位较高，土壤中原有的一些有机物质也被浸泡出来，引起湿地系统中c o d 升高。蚯蚓 湿地中由于湿地水位高，十壤浸泡在污水中，蚯蚓的活动产生的蚓粪笛有机物质被污水溶解 。，而对照湿地主要是依靠填料的吸附，微生物的活性与增殖不如蚯蚓湿地所以蚯蚓湿地 的c o d 去除效果较筹。c o d 的去除率在斤期趋r 平缓是由丁湿地系统的微生物对有机物质 的利用增强和填料吸附有机物作川减弱之间达到了一定的平衡而蚯蚓湿地中由l 丁蚓粪的产 生以及蚯蚓活动等更复杂的因素，达到平衡所需时间要更长一些。 由图5 - 3 ( c ) 可以看出在1 i 况2 条件f ，此时污水水位处丁十壤一砾t i 分界处( 3 0 c m ) ， 蚯蚓湿地的山水c o d 浓度要比对照湿地低。由图5 - 3 中( d ) 中可以看山，蚯蚓湿地的c o d 去除率一直要比对照湿地高，两者都节现升高扁义降低的一致趋势。 2 8 讨柚o 鳓锄嘲枷蛳瑚瑚硼御伽 一1目一世蛏口ou 瑚瑚棚枷蛳m瑚抛懈啪 一1嚣一世蛙8u 第五章人t ! i i = 地的蚯蚓强化试验 在：i ：况2 条什r ，水何处丁十壤层与砾t i 层交界处，十壤中许多小孔组合成一条条毛 细管，这些毛细管可以增强十壤对污水中有机物质的吸附且十壤可以不被污水浸泡而使得 土壤原先含有的有机物质被浸泡冲刷。蚯蚓湿地和对照湿地的c o d 击除率都山现一个极高 点是湿地系统内备要素在3 0 c m 水位条件下经过一段时间的调整后出现的对污染物降解的一 个最佳状态，之后的_ 卜降是由丁基质吸附逐渐饱平引起的。但是蚯蚓湿地的下降缓慢说明 蚯蚓的活动减轻了基质吸附的负担而且蚯蚓对十壤的翻动使得底层吸附已经饱和十壤转移 到土壤上层而士壤上层的十壤x 被转移剑f 层进行吸附。蚯蚓的活动还能增加微生物的活 性“”1 ，使得微生物对有机物的降解速率提高。 由图5 3 ( e ) 可以看出在t 况3 条件下，此时污水水位处丁i 十壤一砾石分界处卜方 ( 2 5 c m ) ，蚯蚓湿地的出水c o d 浓度要比对照湿地高。由图5 3 中( f ) 中可以看出，对照 湿地的c o d 去除率继续下降，蚯蚓湿地的c o d 去除率先升高后f 降，对照湿地的c o d 去 除率直高于蚯蚓濉地。 在工况3 条件卜，对照湿地的c o d 去除率继续卜- 降，基本早线性关系，是由丁i 此时的 c o d 去除主要依靠基质的吸附及拦截，可以分析在这个水位条件卜微生物的作用比较微弱。 蚯蚓湿地的c o d 开始去除率很低，可能是由于水何卜降时把原来处在3 0 c m 处的被十壤底 层吸附的有机物都带到了一f 层。但是义不能被十壤中的微生物和蚯蚓利t e ! i 造成的。另一方面， 蚯蚓湿地的微生物数昔较多，研究者杜中典”“指出：湿地中积累的有机物总鼙一般要超过废 水所贡献盼有机物总量，在含营养物质丰富的湿地系统中，微生物大鼙生长繁殖所形成的颗 粒状有机物是系统中有机物积累总龉的一个组成部分，所以系统中较多微生物的也被带出系 统导致蚯蚓湿地前期c o d 去除率较低。 c o d 去除率在试验中期的升高斤义降低是系统把前期遗留的有机物排出系统后渐渐与 对照湿地的趋势一致，说明在2 5 c m 水位时，有机物的去除在蚯蚓湿地和对照湿地中基本一 致。对照湿地中c o d 去除率的线性f 降说明在砾i i 基质中可降解c o d 的微生物数苗较少 或活性不高。 所以，综上所述，污水水位处于十壤一砾石分界处时( 3 0 c m ) 。蚯蚓湿地对c o d 的处理 效果最好，此时蚯蚓与微生物的协同作用得到了最人的发挥，且可以减轻基质拦截的负担。 5 1 4 2 氨氨的去除 ( a ) 拿 斛 餐 悄 n 受 ( b ) 东南人学硕l j 学位论文 运行时间( d ) ( c ) ( e ) 翟 _ _ l 凿 粕 z 董 ； 褂 逝 啪 n 运行时问( d ) ( d ) ( f ) 图5 _ 4 空白湿地对n h 3 n 的去除效果 由图5 - 4 ( a ) 可以看出在。1 ：况1 条件下，此时污水水位在土壤一砾年i 层上方( 3 5 c m ) ， 对照湿地的出水n h ，- n 浓度要比蚯蚓湿地的山水浓度高。由图5 4 ( b ) 可以看出，蚯蚓湿 地对n h 3 - n 的去除率一直要比对照湿地的去除率高，两侧湿地中n h 3 - 4 的去除率变化过程 较平缓，总体上为f 降的趋势。 在l ：况l 条件f ，由丁湿地中升没有种植物，氨氮的击除主要依靠微牛物的硝化作用以 及基质的吸附，其中微生物起剑了主要的作，【 j 。在蚯蚓湿地中蚯蚓的活动能够增强微生物 的活性“”1 ：蚯蚓对n 十壤的疏通作h j 增强了湿地系统的透气性，使得微牛物的硝化作_ 【f j 增 强，速率增快，氨氮降解效果好。除此之外。蚓粪也有吸附氨氮的作用”，蚯蚓湿地中由于 污水水位高，土壤浸泡在污水中，蚯蚓活动产生的蚓粪l e 好可以起到吸附氨氮的作用。在对 照湿地中，微生物的活性与增殖不如蚯蚓湿地，透气性不好，对氨氮去除效果较著。 由图5 - 4 ( c ) 可以看山在l ：况2 条件f ，此时污水水位处丁土壤一砾f 汾界处( 3 0 c m ) ， 蚯蚓湿地的出水氨氮浓度要比对照湿地低。由图5 - 4 ( d ) 可以看出，蚯蚓湿地的氨氮击除 率一直要比对照湿地高蚯蚓湿地的氨氮去除率一直都保持在5 0 以上。 在工况2 条件下，水位处于十壤层与砾7 i 层交界处，土壤中许多小孔组合成一条条毛 细管，这些毛细管可以吸附污水有机质增强1 ：壤中微生物对污水中氩氦的利用。蚯蚓泓地中 由于蚯蚓的活动使得氨氦的去除率较对照湿地高。 3 0 第五幸人t 湿地的蚯蚓强化试验 由图5 - 4 ( e ) 可以看山住i ：况3 条什f ，此时污水水位处丁十壤一砾了i 分界处卜方 ( 2 5 c m ) ，蚯蚓湿地的【| j 水氦氮浓度要比对照濉地高。由蚓5 - 4 中( f ) 可以看出，对 c 【湿地 的氨氮去除率一直高丁i 蚯蚓湿地并在装置中观察到砾_ i 基质已经全部发黑。 在上况3 条件下，由于水何的f 降使系统有了一次充氧的机会，使得硝化反席增强， 后期随着基质厌氧的加重( 砾l i 发黑) ，硝化反应减弱。由丁对照湿地的基质一直处于较缺 氧的环境，其基质中已经培养出了一批适应性强的微生物，而蚯蚓湿地中十壤与污水没有直 接接触，蚯蚓的活动反而可能使已经吸附了氨氮的十壤及基质表而的物质脱落溶解，使得n 5 水中氨氮含量升高，可见水位卜降对整个系统要素影响较大，污水处理效果较对照湿地著。 所以，污水水位处于十壤一砾石分界处以上n j ( 3 5 c m 与3 0 c m ) ，蚯蚓湿地对氨氮的处理 效果好，此时蚯蚓与微生物的协同作用得到了较好的发挥。 5 1 4 3 总氮的去除 ( a ) ( c ) 运行时问( d ) ( b ) ( d ) 东南人学顾f ：学位论文 ( e )( f ) 图5 - 5 空白湿地对t n 的去除效果 由图5 - 5 ( a ) 可以看出在i ：况1 条件下此时污水水位在十壤一砾i i 层l 方( 3 5 c m ) 对照湿地的出水t n 浓度要比蚯蚓湿地的山水浓度高。由图5 5 中( b ) 中可以看山，蚯蚓 湿地对t n 的去除率一直要比对照湿地的去除率高，中期山现_ ，去除率的最高点，前后期都 比较平稳。 在一l 况1 条件下，t n 的去除主要依靠微生物的硝化反硝化作刚以及基质的吸附，其中 微生物起到了主要的作_ e j 。对比图5 - 5 ( b ) 和图5 - 5 ( b ) 可以看出，虽然f ：况1 条仆卜氨 氮的去除呈下降趋势，但是t n 除了一个最高点外都较平缓，说明系统中的反硝化作川住增 强，且在第1 5 天硝化、反硝化以及蚓粪的吸附作用都达到了最高。反硝化作用的不断增强 是冈为砾石层已经出现了轻微的缺氧现象，砾_ i 层表面有轻微的发黑现象。 由图5 - 5 ( c ) 可以看出在 ：况2 条件f ，此时污水水位处于土壤一砾年i 分界处( 3 0 c m ) ， 蚯蚓湿地的出水t n 浓度要比对照湿地低。由幽5 - 5 中( d ) 可以看出，蚯蚓湿地的1 n 去除 率一直耍比对照湿地高，两侧湿地对t n 的去除率都廿上升趋势。 在工况2 条件下，水何处丁十壤层与砾4 i 层交界处，十壤中许多小孔组合成一条条毛 细管，这些毛细管可以增强十壤中微生物对污水中t n 的利_ l f i 。蚯蚓湿地中由于蚯蚓的活动 使得t n 的玄除率也不断增高。比较图5 1 4 及5 5 的( d ) 图可以看出，两侧湿地的氨氮的老 除率在不断波动，而t n 的去除率却在升高，说明系统中反硝化的作_ l j 也在不断增强。在此 阶段，可以观察剑两侧湿地的砾t i 层从局部的发黑变成了较大部分的发黑。 由图5 - 5 ( e ) 可以看山在1 ：况3 条什r ，此时污水水位处丁十壤一砾千1 分界处f 方 ( 2 5 c m ) ，蚯蚓湿地的出水t n 浓度要比对照温地高。由图5 - 5 中( f ) 中可以看出，对照湿 地的t n 去除率一直高丁蚯蚓湿地，并在装置中观察到砾石基质已经全部发黑。 在工况3 条件下，蚯蚓湿地的t n 去除率变化与图5 - 4 中( f ) 相似，说明在水位下降 后，由于十壤与污水没有直接的接触，蚯蚓不能摄取污水中的有机物质，且蚯蚓的活动使得 系统吸附的有机物质溶解脱落，对污染物的将解起到了一定的反作用。 所以，污水水位处于十壤一砾_ 1 分界处以上时( 3 5 c m 与3 0 c m ) ，蚯蚓湿地对t n 的处理 效果好，此时蚯蚓与微生物的协同作用得到了较好的发挥。 第五章人工湿地的蚯蚓强化试验 5 1 4 4 总磷的去除 运行时间( d ) ( 曩) 运行时间( d ) ( c ) ( b ) 运行时蚓( d ) ( d ) 运行时间( d ) 运行时间( d ) ( e )( f ) 图5 - 6 空白湿地对t p 的去除效果 由图5 - 6 ( a ) 可以看出在l ：况1 条件下。此时污水水1 1 ：) = 在十壤一砾_ i 层上方( 3 5 c m ) ， 对照湿地的出水t p 浓度要比蚯蚓湿地的出水浓度高。由图5 - 6 ( b ) 可以看出，蚯蚓温地对 t p 的去除率一直要比对照湿地的去除率高，总体呈卜降趋势。 蚯蚓的活动可以增强微生物的数量和活性，微生物在基质磷循环过程中发挥了重要的作 一1占趟蠖d上 (1嚣i一越蟥 东南人学硕 ：学位论文 用，主要包括”7 l ：改变无机磷化合物的溶解性；矿质化有机磷化合物升释放无机磷酸盐： 将可利用的无机磷酸阴离子转化为细胞组分；引起无机磷化合物的氧化或还原。所以， 蚯蚓主要通过与微生物的协同作刚达到对磷的击除。 在工况1 条件卜- t p 的去除主要依靠基质的吸附以及微生物的吸收作用，其中基质吸 附是主要作用。随着运行时间的增k ，基质的吸附作川f 降，t p 的去除率随之下降。蚯蚓 湿地中由于蚯蚓的活动，增强了微生物对p 的吸收，所以蚯蚓湿地的除磷效果较对照湿地 好。 由图5 - 6 ( c ) 可以看山在1 ：况2 条1 ；i = 下，此时污水水位处丁十壤一砾t i 分界处( 3 0 c m ) 蚯蚓湿地的出水t p 浓度要比对照湿地低。由幽5 - 6 ( d ) 可以看出，蚯蚓湿地的t p 玄除率 一直要比对照湿地高。 在工况2 条件下，水位处丁- 十壤层与砾彳i 层交界处十壤中许多小孔组合成一条条毛 细管，这些毛细管可以增强十壤中微生物对污水中t p 的吸收利用。蚯蚓湿地中由于蚯蚓的 活动使得t