（环境工程专业论文）西安湿地资源及人工湿地污水处理研究.pdf

西安建筑科技大学博士学位论文 西安湿地资源及人工湿地污水处理研究 专业：环境工程 博士生：刘宏斌 指导老师：金奇庭教授 摘要 本文综述湿地科学和人工湿地污水处理技术的国内外研究进展，通过调查研究和模拟实 验、理论分析，并借助遥感图像的解译分析，首次全面系统对西安地区湿地资源的总量、面 积分布、结构类型、功能特征、生境演变及湿地效益价值、生态需水量等进行研究，建立了 湿地4 级分类指标体系，进行分类统计。研究结果表明，西安湿地资源总面积为9 0 0 9 6 k m 2 ， 其中天然湿地面积为8 2 2 0 5 k m 2 ，人工湿地面积为7 8 9 1k r n 2 。现存湿地生态效益价值约为每 年31 5 8 6 5 1 0 8 元，引用詹姆斯“损失一浓度曲线”，分析了水污染造成湿地功能价值经济损 失率每年为4 0 5 5 ，而且逐年在增加。湿地生态需水量研究表明最小需水量为每年1 4 4 9 1 0 8 i l l 3 ，要维持现有湿地生态系统正常功能，需补充水5 4 1 0 8 m 3 ，湿地植被、湿地土壤、回 补地下水需水量占主要比例。 本文研究了西安典型湿地水生植物多样性，结果表明，湿地水生种子植物有1 5 种，藻类 植物有6 4 种，优势种群为绿藻门 ( c h l o r o p h y t a ) 和蓝藻门( c y a n o p h y t a ) ，裸藻门 ( e u g i e n o p h y t a ) 和硅藻门( b a c i l l a r i o p h y t a ) 次之，并优选出适合本地生长的耐污水生植物 种，可推荐为西安及同类地区人工湿地污水处理引种。 建立人工湿地实验模型，试验研究了城市生活污水、二级生化出水及环境激素类污染物 废水降解规律和净化机理。实验采用u a s b 做预处理单元，在水力负荷h l r 7 o c i r g d ，人工 湿地系统处理生活污水c o d c r 、b o d 5 、n h 3 - n 、t p 的表面负荷分别为2 5 6 、i 5 、0 3 6 和0 0 4 ( 丹，m 2 d ) ，去除率分别为9 0 5 6 、9 7 9 、8 5 5 6 和9 0 1 ，s s 和大肠菌去除率分别为9 7 6 、 9 8 3 。在分析实验模型床体结构与流态特征的基础上，提出“回转式复合流人工湿地”概 念。对试验湿地基质内部微生物种群数量的空间分布研究表明，上、下层闻相差3 个数量级， 其中以假单胞菌属( p s e u d o m o n a s 大无色杆菌属( a c h r o m o b a c t e r 辫口不动杆菌属( a c i n e t o b a c t e r ) 类群为优势菌。 二级生化出水人工湿地深度处理，在水力负荷h l r 3 5 c m d 、7o c m d 、1 0 5 c m d 、1 4o c n v d 刚，试验结果表明c o d c r 、b o d 5 、n h 3 - n 、t p 去除率与水力负荷呈线性关系，并建立c o d c r 降解动态变化模型c ，= c 。e x p ( k l + k ，r ) ，在本实验研究条件下，求得彪= o 0 1 5 7 、k ，= 西安建筑科技大学博士学位论文 4 3 2 6 1 0 ；湿地床体内部氧化还原电位表层和深层测点均呈现负值，在床体深层2 0 c m - 3 5 c m 处o r p 达到1 5 0 m v ，表明床体内部处于还原状态。污水在湿地系统水力停留时间与脱氮效率 呈正相关性，h r to 7 5 2 0d 之间，t n 去除率5 0 7 6 - - - 8 3 8 8 ，满足一级反应动力学方程 e = ce x p ( 一k t ) ，实验求得其降解参数k = 0 9 2 1 9 ( r 2 = 0 9 9 5 2 ) ；通过天然湿地磷流通模式的 修萨，利用试验湿地生态系统植物、水体、基质三分室模型，建立了人工湿地磷循环数学模 型并进行求解。 环境激素污染物废水人工湿地净化实验研究表明，p b 2 + 、h 9 2 + 表面去除负荷为69 5 ( m g , m 2 d ) 、o9 5 ( n l g n 1 2 d ) ：湿地处理系统进水挥发酚的临界浓度为5 0 m g l ，l a s 污水 人工湿地处理进水临界浓度为1 5 o r n g 几；湿地l a s 降解过程遵循二级反应动力学方程 d c 。= n c 2 + b c + d ，并得到参数o = o 0 7 8 2 ，6 = 3 6 1 6 5d 一5 6 1 2 5 。 , f a t 本文还分析归纳人工湿地污水净化工艺的设计模式、技术参数和湿地处理过程的影响因 素，并在实验取得参数基础上指导工程设计，研究成果对西安湿地环境修复与治理有一定的 指导意义。 关键词：西安地区；湿地资源；修复与保护；人工湿地污水处理 论文类型：应用基础 本研究得到：陕西省自然科学基金项目( 2 0 0 2 d 0 7 ) 、西安市科技局2 0 0 2 年度软科学研 究项( r 2 0 0 2 2 0 ) 、西安市科技局2 0 0 3 2 0 0 5 年度科学技术计划第一批应用示范研究项目 ( s f 2 0 0 3 4 ) 的资助。 l i 曲安建筑科技人学博十学位论文 i n v e s t i g a t i o no f w e t l a n dr e s o u r c e si nx i a up e r i p h e r y a r e aa n d a p p l i a c t i o n i nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t w e n t s p e c i a l t y ： n a l r l e ： i n s t r u c t o r ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g l i uh o n g b i n j i nq i t i n g a b s t r a c t t h es c i e n t i f i cr e s e a r c h e sa n dp r o g r e s s e so f w e t l a n da n dt h ea p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n t so f t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dw e r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h ew e t l a n dr e s o u r c e so f ) ( i a nr e g i o na n d m e c h a n i s ma n dd y n a m i c sp a r a m e t e r so f w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o li nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dw e r ea l s o s t u d i e dt h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o n ，t h es i m u l a t e dt e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，u n d e rt h et r a n s l a t e d a n a l y s i s o ft h er e f e r e n c et ot h es a t e l l i t e - r e m o t es e n s i n g ，t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s e sa n d s y s t e m a t i c a l l ys t u d y i n go nt h ed i s t r i b u t i o n ，a r e a , s t r u c t u r a lt y p e sa n df u n c t i o n a lf e a t u r e so fw e t l a n d r e s o u r c e si nx i a l lp e r i p h e r ya r e a ，t h ev o l u t i o no fw e t l a n de n v i r o n m e n t ，t h ee c o l o g i c a lf u n c t i o no f w e t l a n da n de s tw e r ef i r s ts y s t e m i c a l l ys t u d i e d o nt h eb a s eo f t h ec l a s s i f ys t a t i s t i c s ，t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dw a sf i r s tr e v i e w e d t h es u r v e ys h o w e dt h a tt h et o t a la r e ao f w e l f l a n di nx i a ni s9 6 0 9 6 k i n 2 ，i nw h i c hn a t u r a lw e t l a n di s8 2 2 0 5 k m 2a n dc o n s t r u c t e dw e a n di s 7 9 9 1 k i n 2 ，t h ee c o n o m i c sv a l u e w e t l a n ds y s t e m si s31 5 8 6 5 1 0 8 ￥t h ee s t i m a t i o no fe c o l o g i c a l w a t e r d e m a n di s1 4 4 9 x 1 0 s m 3 f o r k e e p i n g t h e n o r m a l f u n c t i o n o f t h e e c o l o g i c a l w e t l a n ds y s t e r m ， t h ew a t e rd e m a n dm u s tb es u p p l i e df o r5 4 1 0 8 m 3 t h ei n v e s t i g a t i o na n dd e t e r m i n e dr e s u l t so ft h en o r m a lt y p e so fw a t e r - p l a n t si nw e t l a n d i n d i c a t e dt h a tt h em a j o rt y p e so f p o l l u t i n g t o l e r a n ts u i t e dt ot h el o c a lc l i m a t ea r et h es e e dp l a n t s ( 1 5 t y p e s ) ，t h ea q u a t i cp l a n t s ( 6 4t y p e s ) ， l - h et r e a t m e n to fs e w a g eb yt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dw i t h l o c a lr e c o m m e n d a t i o na n dw a t e rp l a n t ss h o u l db es e l e c t e df i r s t l y a p i l o tp l a n to fc o n s t r u c t e dw e t l a n dw i t hu a s ba sap r i m a r yt r e a t m e n tw a sb u i l tu pt ot r e a t m u n i c i p a lw a s t e w a t e r , e f f l u e n tf r o ms e c o n d a r yt r e a t m e n ta n de n v i r o n m e n t a l - h o r m o n ec o n t a i n e d w a s t e w a t e r ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tr e m o v a lo f f i c i e n c i e so fc o d c r , b o d 5 ，n h 3 - na n d t pc a nr e a c h9 05 6 ，9 79 ，8 55 6 a n d9 0 1 r e s p e c t i v e l yw i t ha7 0c m do f h l r o nt h eb a s i s i i 西安建筑科技大学博七学位论文 o f t h ee x p e r i m e n t ，ac i r c u l a rh y b r i dc o n s t r u c t e dw e t l a n di sp u tf o r w a r d t t l r i s l i n e a r w i t h t h a t o f r e m o v i n gc o n t a m i n a t e s t h ed e g r a d i n g l a w o f c o d i s f i r s t l y f a s t t h e n s l o w , a n dt h ed e g r a d i n gp r o c e s so fc o dw i l lb ev e r i f i e dt of o l l o wq u a d r a t i cd y n a n f i c se q u a t i o na s f o l l o w i n gc l = c oe x p 啤l l + k 2 l 2j ，t h ed e g r a d i n gn u m b e ri s k i = - 0 0 1 5 7 ，k 2 = 4 3 2 6 1 0 。i n t h er a n go r3 5 c m d ，7 0 c m d ，1 0 ，5 c r n da n d1 4 0c m dr e s p e c t i v e l y , t h er a t eo fd e n i t r o g e ni s p o s i t i v ec o r r e l a t i v ew i m t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o np e r i o da n dt h et nn u m b e ro fr e m o v i n gi ss a t i s f i e d w i t hp r e l i m i n a r yk i n e t i c s , t h ed e g r a d i n gn u m b e r ( k ，) i s0 9 2 1 9 ( r 2 0 9 9 5 2 ) u t i l i z i n gt h em o d e lo f t h ee c o l o g i c a lp l a n t s ，w a t e r - b o d ya n db a s i cl a n dw ec a r le s t a b l i s ht h em a t h e m a f i c a im o d e lo f p h n s p h o m u sc i r c l ea n dm a k et h er e s o l u t i o n 田聆a b i l i t yo fr e m o v i n gt pm a i n l yd e p e n do nt h e a b s o r p t i o no f t h ep l a n ta n d t h ep r e c i p i t a t eo f m i c r o o r g a n i s mf r o mb a s i cm u d a st ot h el o wc o n c e n t r a t i o no f e n v i r o n m e n t a l - h o r m o n ew a s t e w a t e r , t oad e g r e et h em o d e lo f e x p e r i m e n t a lw e t l a n d i sa l s ot h ea b i l i t yt od e g r a d e ，i nw h i c ht h e a v e r a g el o a do f r e m o v i n gp ba n dh g i s6 9 5 ( m g m 2 d ) ，a n do 9 5 ( m g m a d ) r e s p e c t i v e l y t h ed e g r a d i n gp r o c e s so f a r o hw i l lb ev e r i f i e d t of o l l o wq u a d r a t i cd y n a m i c se q u a t i o na sf o l l o w i n g w h e nt h ea e r a t i o ni sm i x e dt ot h ec o r r i d o ri nt h e b e d - b o d y , t h er a t ec o u l db er a i s e db y15 w i t h i nt h es c o p eo f15 o m 1f o rt h eo p t i m u mi nl a s c o n c e n t r a t i o n , t h ed e g r a d i n gp r o c e s sw i l lb ev e r i f i e dt of o l l o wq u a d r a t i cd y n a m i c se q u a t i o na s f o l l o w i n g 纷口孑+ b e + d ，i n w h i c hd 2 0 0 7 8 2 ，b = 3 - 6 1 6 5a n d d 5 6 1 2 5 t h i sp a p e ra l s ot ot h em e c h a n i s mo fs e w a g ep u r i f i c a t i o nu n d e rt h ec o n t r o lo fw e t l a n d e c o l o g i c a ls y s t e m ，t h em o d e ld e s i g nt ot h et e c h n o l o g i c a la p p l i c a t i o no f t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t h e s e l e c t e dp a r a m e t e r sa n dt h ei n f l u e n c en c t o rw e r es u m m e d ，a n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h ep a r a m e t e r s w e r eu s e dt od i r e c tt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dt h ec o n c r e t ei n s t a n c ew o ka l li nag o o ds t a t e w h i c h h a st h es p e c i f i cg u i d a n c em e a n i n go f r e s t o r a t i o na n dc o n t r o lo f x i a l lw e t l a n de n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：w e t l a n dr e s o u r c e s ，r e s t o r a t i o na n dp r o t e c t i o n ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t y p eo ft h e s i s ：a p p l i c a t i o nf i m d a m e n t a l t h i sp r o j e c tw e f es u p p o s e db yn a t a r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f s h a n n x ip r o v i n c e ( 2 0 0 2 d 0 7 ) ，t h e 2 0 0 2 - y e a r l ys o f ts c i e n t i s tr e s e a r c ho b j e c t f r o mt h eb u r e a u so fx i a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ( r 2 0 0 2 2 0 ) a n d t h e f i r s t d e m o n s t r a t i v er e s e a r c h o b j e c t o f 2 0 0 3 - y e a r l ys c i e n c e a n d t e c h n o l o g y p l a n f r o mt h eb u r e a u so f x i a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ( s f 2 0 0 3 4 ) v 声明 本人郑重声明我所星交的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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：0 i 害：i m日期：参洲心。、仁印 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：立滂如潆师签名： 注：诸将此页附在论文首页 日期：如吐z ? 塑兰塞圣型垫奎兰矍兰兰竺竺兰 1文献综述 湿地系指天然或人工，长久或暂时性沼泽地、湿地、泥碳地或水域地带，带有 静止或流动淡水、半咸水，咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的海域。湿地 ( w e t l a n d s ) 的中英文原意都是指过度湿润的上地，是陆地和水域之间的过渡区域。 由于土壤浸泡在水中，所以特征植物得以生长。湿地是重要的自然生态系统和自然 资源，具有巨大的经济、生态和社会效益，是实现可持续发展的重要基础”1 。湿地 具有维持生物多样性、蓄洪防旱、降解污染、调节气候、防止自然灾害等多种功能。 渝地的生态价值对人类生存极为重要，其作用正在被人类逐步认识。3 。湿地保护是 环境保护的重要领域是当前国际自然保护研究的热点“、。 1 1 湿地国内外研究现状 1 1 1 湿地国外研究现状 目前，国际湿地学术研究前沿领域及进展状态可归结如下： ( 1 ) 湿地科学分类研究。国际湿地学术界还没有一个公认的湿地分类标准、体 系与方案”、“。综合湿地分类更好地反映湿地的本质特征，受到学术界的重视。目 前湿地分类争论的主要焦点在于分类的原则、依据、指标选取和分类方法，成因分 类和湿地水文动力地貌学特征分类观点得到比较广泛的接受，定量分类是研究的热 点和发展趋势”。 ( 2 ) 湿地形成一演化模式与过程研究。注重人与自然作用下的湿地形成和演化 的过程、规律及其机制的研究“。侧重在时间和在空间上进行区域对比，提出新 的湿地形成模式，如复合沼泽化、陆地一湖泊沼泽相互演化的模式。获得人类活 动与自然因素对湿地形成、演化与退化驱动因素的新认识“、。特别重视人类活动 对湿地区域环境变化的影响与响应“”。 ( 3 ) 湿地生态系统牛态过程、动态与界面过程研究。侧重湿地生态系统物理、 化学与生物过程、动态和机理，过程与功能之间的关系研究。物理过程侧重应用系 统热力学和控制论等理论于湿地生态系统能量流动研究。化学过程侧重研究c 、n 、 s 、p 等元素、h g 等重金属元素和微量元素的迁移、转化和循环，元素循环与生态 功能的关系，净化水质，农药迁移及降解过程与机理。生物过程集中对湿地初级生 产、有机质分解与积累过程的动态研究。人类活动被视为过程的动力，其在牛态过 程中作用成为研究热点。研究方法以长期定位和模拟实验研究为主。湿地过程研究 程中作用成为研究热点。研究方法以长期定位和模拟实验研究为主。湿地过程研究 西安建筑科技大学博士学位论文 还扩大到湿地水、土、大气、植被界面研究“。 ( 4 ) 湿地温室气体排放、温室效应和全球环境变化。湿地温室气体研究由简单 的湿地温室气体排放规律研究向排放机理研究发展，从描述性研究向定量模型研究 发展，从限于c 0 2 和c h 4 气体研究向n o 、n 0 2 、n 2 0 等其它温室气体研究发展， 侧重不同类型湿地温室气体通量、模型与机理，不同水平温室气体排放的气候效应 研究。 ( 5 ) 湿地生态系统健康。主要侧重湿地生态系统健康的概念、诊断指标、健康 恢复，研究健康的时间与空间尺度、设计和数量评价，致力于提高湿地健康的预警 能力。过去主要集中在化学与生物指标，现在又引进物理指标。除湿地的自然属性 外，又将社会经济指标也纳入湿地健康研究范畴，使湿地健康诊断指标更趋于完善。 以往研究多局限于河流、湖泊与水库湿地，对沼泽湿地研究近期刚刚开始“。 ( 6 ) 构建湿地和退化湿地恢复与重建。构建湿地研究重点主要在湿地构建设计、 工艺、流程与效益研究，在处理污水的设计与技术方法研究取得显著进展。退化湿 地生态恢复与重建侧重湿地生境恢复技术，提高湿地基底恢复，湿地水文状况恢复 和湿地土壤恢复。退化规律、机制和退化湿地恢复技术仍然是难点和热点。在退化 湿地恢复与重建的生物学与生态学基础理论上探讨较多，湿地恢复是否成功的评价 指标体系争论较大。 ( 7 ) 湿地生物多样性与湿地生物学。集中在物种多样性研究，主要进行生物多 样性调查、编目、评价、濒危物种保护生物学研究，对生态系统和景观多样性研究 较少。 ( 8 ) 湿地模型研究。集中在湿地过程和功能研究领域，在湿地监测仪器研制与 应用，湿地概念模型、模拟模型和数学模型发展较快，数学模型研究占据主导地位， 在湿地研究发挥重要作用。但湿地模型实用性与科学性和管理者的期望值还有很大 差距。以往模型研究侧重自然湿地，人工湿地模型应加强。、”1 。 ( 9 ) 湿地制图。应用遥感和地理信息系统技术，利用湿地数据库编制不同比例 尺、不同专题的湿地图件。 ( 1 0 ) 湿地开发与合理利用。主要致力于生态开发与利用研究，建立高效开发 模式，湿地生态农业与生态旅游研究成热点。人类活动对湿地生态的影响及其减免 机制研究。 ( 1 1 ) 湿地保护与湿地区p i l e d 可持续发展研究”、”。湿地保护战略、方针、政 策与技术方法、湿地区可持续发展对策成为研究的热点，制定国际重要湿地保护行 动计划、工程规划与方案。颁布了湿地保护法律与法规，增建和扩建了很多湿地保 护区，不断有湿地通过世界自然基金会( w w f ) 评估，成为国际重要湿地，有效地 西安建筑科技大学博士学位论文 促进了湿地保护工作。很多学者提出了切实可行的湿地可持续发展对策，为各国政 府重大决策提供了科学依据。 ( 1 2 ) 新技术与新方法应用。3 s 技术应用于湿地资源调查、功能评价、环境监 测、退化湿地恢复监测和湿地保护研究，提高了研究水平，推动了生态过程与机理 研究的深入。计算机技术推动了湿地过程数学模型研究进展，深化了机理研究，网 络技术加快信息交流，湿地学的方法论逐步在完善。 1 1 2 国内湿地研究与发展 ( 1 ) 湿地基础理论、定义与概念研究。目前对湿地的科学定义与概念认识还未 统一，初步统计有关湿地定义有近5 0 多个，这给湿地科学理论研究、开发与保护实 践工作带来困难。应尽快完善我国湿地分类，明确中国湿地的定义和概念。提出反 映湿地本质属性的、表述清晰，内涵与外延明确的湿地定义，这是我国湿地科学发 展水平的标志之一“3 。 ( 2 ) 湿地的科学分类。湿地的科学分类是湿地科学理论的核心之一，也是湿地 科学发展水平的标志。我国湿地类型多，湿地发育典型，又具有世界上独特高原湿 地，以往曾进行多次分类研究“”，具备湿地分类研究的良好基础，应该根据我国湿 地在地域上生态特征、分布与发育特点，采用定量分类指标和分级单位系统，建立 具有定量诊断指标和诊断特性的、适合我国湿地特点的、与国际湿地分类方法和指 标选取相接轨的湿地科学分类系统。湿地科学分类应该体现综合分析与主导指标相 结合，科学性与实践应用相结合，定性与定量相结合，科学性与可操作性相结合。 ( 3 ) 湿地形成、发育和演化。湿地形成、发育和演化是湿地科学理论的核心。 我国湿地形成、发育、演化研究已经突破经典理论的局限，发现新模式，有望取得 新的突破“”。 ( 4 ) 湿地生态系统生态过程、湿地界面过程研究。生态过程、界面过程是湿地 机理研究的核心内容之一。主要研究湿地生态系统物理过程、化学过程和生物过程 及其与功能的密切关系，达到从机理的角度认识湿地特有的功能。我国湿地生态过 程研究已经起步，化学过程研究取得一定进展，物理过程和生物过程研究还很薄弱， 湿地界面过程研究应拓宽领域并提高研究水平。 ( 5 ) 退化湿地恢复与重建。退化湿地恢复与重建己成为国际湿地学前沿领域的 热点问题之一。我国湿地退化问题较为严重。亟待深入开展湿地退化机制、退化湿 地恢复理论、方法和恢复技术的研究，获锝不同地区和类型湿地退化的成因与机制、 退化湿地恢复模式，建立我国湿地退化与湿地恢复生态学理论体系。在湿地生物生 境重建、土壤恢复、生态系统动能恢复植被重新种植及其调控和恢复管理技术方面 3 西安建筑科技大学博士学位论文 加强研究”1 。 ( 6 ) 构建湿地与湿地生态工程。应用湿地学、生态学和生态工程学的方法与原 理，设计并建立具有自然湿地生态功能的人工湿地，以改善环境质量。利用湿地中 的基质、水生植物和微生物之间的相互作用通过一系列物理、化学和生物方法净化 污水。根据废水污染源的特点，建设相应的人工湿地生态系统，研究其净化过程和 机制，设计最佳工艺流程和运行条件，集中研究湿地植物的气体代谢、植物生理生 态、水动力学、基质酶学等方面的机制。 ( 7 ) 湿地生物多样性“。应用现代方法与技术，开展湿地生物多样性长期变化、 动态及机理的监测研究，获得湿地生物多样性的准确数据，建立生物多样性信息系 统。探明湿地物种濒危的原因与机制，湿地生物多样性存在的威胁、保护措施、其 与湿地生态环境功能的关系。要加强对浮游动物、无脊椎动物和低等植物保护，在 遗传、生态系统和景观多样性等薄弱领域开展研究。加强对特定湿地濒危物种就地 与异地保护的技术和方法等研究。 ( 8 ) 湿地温室气体与全球变化。湿地为地球上三大重要生态系统之一。湿地温 室气体在全球循环中起重要作用。应该加强对主要类型湿地温室气体排放研究。侧 重从机理上揭示湿地温室气体源、过程与能量变化的机制，特别是建立更加精确的 模型。侧重研究湿地温室气体排放与环境变化的关系、不同水平温室气体排放与气 候变化的关系。 ( 9 ) 湿地健康及其评价。是湿地科学发展前景研究的新领域。建立并完善湿地 健康理论、预警指标和指标体系；建立预警模型，定量评估湿地健康状况。形成完 善的评价指标体系和行之有效的评价标准和方法，为国家生态安全提供决策依据。 ( 1 0 ) 湿地信息系统与电子地图。应用电子计算机进行湿地编目，建立全国湿 地资源数据库和各主要湿地区湿地信息系统，实现湿地信息更新和绘图功能，并可 用于信息查询、检索，提供数据和图件。建立分析模型，为国家或湿地区域经济开 发、社会发展决策提供科学依据。应用遥感和迪理信息系统技术，利用湿地资源数 据库编制不同比例尺、不同专题的湿地电子地图。 ( 1 1 ) 建立湿地研究生态站与监测站网络，应用高新技术进行现代湿地研究。 湿地过程、机理和功能的认识需要通过长期监测获得，建立主要湿地类型生态实验 站和监测站，统一研究与监测规范，进行同步监测，以便于对比。引进与研制高精 度、高分辨率和高准确度的分析与监测仪器提高对湿地自然过程的监测、描述、表 达能力，加快湿地自然过程的反演、显示和虚拟方法，达到全国湿地动态监测。利 用3 s 技术，结合地面现场监测，实现湿地生态系统的组分或过程与时间数据的收 集、存储、提取、转换、显示和分析。 4 西安建筑科技大学博士学位论文 1 2 人工湿地污水；争化技术 1 - 2 1 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 的发展 h a m m e r 等人“7 1 将人工湿地定义为：一个为了人类的利用和利益，通过模拟自 然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合 体。夏汉平等“”认为，人工湿地是指通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的 地理位置与地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地。 湿地被应用于污水净化始于2 0 世纪5 0 年代o ”，而用人工湿地进行污水净化的 研究始于2 0 世纪7 0 年代末“。人工湿地是一个自适应的系统，其废水处理技术特 点是投资省，处理效果好，运行维护方便，是一种生态治理污水的方法，可作为传 统污水处理方法的一种有效替代技术，对于水环境修复以及生态恢复具有重要意义， 因而越来越受到世界各国的重视和关注“”。目前它被广泛应用于处理生活污水”“、 工业废水。”矿山及石油开采废水1 、农业点源污染和面源污染m ”1 以及水体富营养 化的治理”“州，人工湿地与天然湿地污水处理相比有着可控的特点，有人为控制措 施，从而可以优化系统去除b o d 、c o d 、营养元素和细菌污染物的效能，最大限度 地进行水力条件控制和湿地植物管理，也可结合进行人工景观美学设计。 ( 一) 人工湿地类型 人工湿地可分为4 大类。( 1 ) 人工生境湿地，协助天然湿地用于生物多样性 的保护；( 2 ) 人工抗洪湿地，用于控制洪水或泄洪；( 3 ) 人工水产湿地，用于农业 生产与水产养殖；( 4 ) 人工处理湿地，用于污水污物处理。而人工湿地污水净化系 统通常是指处理湿地。 ( 二) 人工湿地结构 水体、基质、水生湿生植物和微生物是构成人工湿地污水处理系统的基本要素。 按污水的流动方式人工处理湿地可分为3 种类型。“：表面流人工湿地( s f w ) ，潜 流人工湿地( s f s ) 。”和垂直流人工湿地( v c w ) 。”。其他设计类型均以此为基础，进行 必要的改进或复合而产生的。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( 一般在o 1 一o 6 m ) 。与潜流人工湿地系统相比，其优点是投资省，缺点是 负荷低，北方地区冬季表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇，散发臭味。潜流人工湿地系 统，污水在湿地床的表面下流动，一方面可以充分利用基质的截留作用，提高处理 效果；另一方面由于水流在地表以下流动，保温性较好，处理效果受气候影响较小， 占地较小，且卫生条件较好，建设成本较高，是目前欧洲国家大多采用的一种设计 西安建筑科技大学博士学位论文 类型；而与水平流系统对污水中营养物质的去除效果相比，由s e i d e l 首次设计的垂 直流人工湿地系统具有更大的优越性o “。 1 2 2 污水净化机理 人工湿地污水净化处理机理较复杂。湿地净化污水是湿地中基质、植物和微生 物相互关联，物理、化学和生物过程协同作用的结果”。其中物理作用主要是过滤、 沉积作用。污水进入湿地，经过基质层及密集的植物茎叶和根系，可以过滤、截留 污水中的悬浮物，并沉积在基质中；化学反应主要指化学沉淀、吸附、离子交换、 拮抗和氧化还原反应等，这些化学反应的发生主要取决于所选择的基质类型；生化 反应主要指微生物在好氧、兼氧及厌氧状态下，通过开环、断键分解成简单分子、 小分子等作用，实现对污染物的降解和去除”，其中构成人工湿地的四个基本要素 都具有单独的净化污水能力，尤其是人工湿地基质中微生物类群在人工湿地污水净 化过程中起到重要的作用。 ( 一) 有机污染物的去除机理 人工湿地对污水有机污染物c o d 。，、b o d 5 有较强的降解去除能力。”叫。污水 流经湿地床时，其中的有机物被基质颗粒所吸附而截留，有机物迅速被微生物所氧 化、分解，转化成c 0 2 及无机盐类，并不断被植物作为营养而吸收。b o d 5 去除基 本上是在基质表层进行的。2 、”3 ，微生物生长和基质形成的生物膜对污水有机物的降 解起主要作用，其主要为好氧生化反应o 。污水不溶性有机物污染物通过湿地基质 的沉淀、过滤作用，在厌氧条件下逐步分解，被微生物利用；废水中溶解态的有机 物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢过程而被分解去除。随着处理过 程的不断进行，湿地床中的微生物相应地繁殖生长，通过对湿地床填料的定期更换 及对湿地植物的收割而将有机体从系统中去除。 ( 二) 氮去除机理 污水中氮主要以有机氮和氨氮的形式存在，在处理过程中有机氮首先被异养微 生物转化为氨氮，而氨氮在硝化菌的作用下被转化为亚硝态氮和硝态氮，通过反硝 化菌以及植物根系的吸收作用而从系统中去除。湿地系统氮转化规律如图1 。1 所示。 人工湿地生态系统氮素去除途径主要为水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化 咀及挥发等。氮在湿地系统生物化学循环较复杂，包括七种价态的转换，氮的转换 受氧化还原特性及微生物分解过程的影响。研究表明。“，污水中的无机氮作为植 物生长过程不可缺少的物质而直接被植物摄取，并合成植物蛋白质等有机氮，通过 植物的收割可使之去除，但这部分仅占总氮量的8 1 6 ，不是主要的脱氮过程。 6 西安建筑科技大学博士学位论文 在人工湿地系统中，植物根茎下形成有利于微生物硝化作用的好氧微区，同时在远 离根系周围形成厌氧区提供反硝化条件，所以人工湿地脱氮主要是靠微生物的硝化、 反硝化作用。 好 状 厌 状 际 阿斗 i _ j 图1 1人工湿地中氨的转化过程 ( 三) 磷去除机理 污水中无机磷是植物生长所必需的营养物质，植物吸收无机磷同化合成a t p 、 d n a 和r n a 等有机成分，通过对植物的收割而将磷从系统中去除；另一方面，微 生物吸收磷( 将磷作为微生物体必需的成分c 6 0 h 8 7 0 2 3 p ，供生长所需) 通过聚磷菌 对磷的过量积累，将其从湿地水中去除。传统二级污水处理工艺，微生物对磷的正 常同化吸收一般只能去除进水中磷含量4 5 n 1 9 ，主要由聚磷菌的过量摄磷作用 实现的。“。人工湿地由于植物光合作用及呼吸作用( 光反应和暗反应) 的交替进行， 植物根系输氧量的多少随光照强度而相应地发生变化，湿地床内不同区域耗氧速率 不同，致使基质内部交替地出现好氧和厌氧状态，利于微生物对磷的释放和积累作 用的发生；床体填料对磷的吸收及与磷酸根离子的化学反应( 如离子交换作用等) ， 对磷的去除亦有一定的作用。含铁质和钙质的填料可与水中的磷酸根反应而沉淀下 来，也有利于磷的去除。上述三种磷去除作用强弱不同，一般以植物对磷的吸收为 主( 如芦苇等快速且长期生长的挺水性植物对磷的需求量大) m 1 。人工湿地中磷的 去除是由植物的吸收、填料床的沉淀过滤固结及微生物的积累协同作用完成的。 ( 四) 金属离子的去除 湿地水生植物具有富集重金属离子的功能，主要是被其根部所吸收，基质土壤 对污水中金属离子也具去除作用”。金属离子在土壤中去除主要依靠吸附、沉淀、 7 西安建筑科技大学博士学位论文 离子交换等，金属离子在土壤胶体表面被置换吸附并生成难溶化合物，也可与土壤 胶体颗粒鳌合而生成复合物“”。 12 _ 3 人工湿地的主要影响因素 ( 一) 湿地植物 常用于人工湿地的植物种类见表1 1 。常用的挺水植物种类有香蒲( t y p h as p ) ， 芦苇( p h r a g m i e ss p ) ，鹿草( s c i r p u ss p ) 和苔草( c a r e xs p ) ，具有污水处理能力 又有观赏价值的植物，如美人蕉( c a n n ai n d i c al ) 等。 表1 i 用于人工湿地废水处理的植物种类( g u n t e n s p e r g e ne ta 1 1 9 9 9 ) 人工湿地成熟以后，当污水进入湿地，经过基质层及密集的植物茎叶和根系， 可以过滤、截留污水中的悬浮物。同时湿地中的植物能够从废水中吸收营养物质作 为自身生长所需的营养源而去除污染物。根据德国学者k i c k u t h r 的根区法理论， 由于生长在湿地中的挺水植物对氧的输送、释放、扩散作用，将空气中的氧转运到 根部，再经过植物根部的扩散，在植物根须周围环境中依次出现好氧区、兼氧区和 厌氧区，有利于硝化、反硝化反应和微生物对磷的过量积累作用，