（水生生物学专业论文）复合型人工湿地系统处理低浓度农业面源污染河水效果研究.pdf

上海海洋大学硕士学位论文 摘要 青浦现代农业园区位于青浦区练塘镇蒸淀社区，是一座集农业产业、生态自 然、休闲旅游于体的现代都市型农业园区。园区内有稻田、菜地、还有精养鱼 塘，存在一定的农业面源污染。 本文通过复合型人工湿地系统对农业园区内河道水进行生态处理，研究了入 水河道经氧化塘后水质的时空变化情况；湿地系统对低污染负荷下的农业面源污 染灌溉用水处理效果研究，在湿地系统设计参数水力负荷为1 6 9 m d ，水力停留 时间为3 5 h 的条件下，研究了低温和高温湿地系统对各水质指标的去除效果：并 在人为添加n 、p 营养盐，提升湿地系统的进水污染负荷后，研究了三种不同湿地 类型对湿地系统总去除率的贡献。结果表明： 1 ) 以淀山湖为进水水源的湿地系统氧化塘，通过水质标识指数法的评价的比 较，湿地氧化塘水质类别指示为i v 类，淀山湖水质类别指示为i v v ，两者的水 质类别评价结果一致。导致淀山湖水质污染的主要污染指标依次为氨氮、总磷、 叶绿素a 等，而湿地氧化塘的主要污染因子主要为总氮。总磷经过氧化塘水生植 物的净化，含量降低至i i i 类水，低于淀山湖总磷水质2 - - 3 个水质类别。 2 ) 在冬季温度较低( 水温8 1 1 ) 时，复合型人工湿地系统对污染物的去 除效果较为显著，湿地系统对总氮、氨氮、总磷、c o d m n 和叶绿素a 的去除率为 1 8 3 9 、2 8 2 2 、4 3 7 6 、1 6 。0 8 和3 5 4 5 。温度是影响湿地系统去除率的主要 因素。冬季湿地系统对污染物的去除率低于夏季，湿地系统在夏季总氮、氨氮、 总磷、叶绿素a 的去除率明显高于冬季，而对c o d 的去除变化不大，且两者都 偏低。这可能与水体中降解微生物活性较弱有关。 3 ) 在夏季温度较高( 水温2 3 0 - 2 5 5 c ) 时，复合型人工湿地系统能有效的 去除n 、p 等营养物质，处理低污染负荷的农业面源污染水体，总氮、总磷去除率 可达4 4 1 和4 9 5 ，出水水质比进水可提高1 2 个地表水水质等级；但对有机 物质的去除率不高，仅为1 6 8 ；湿地系统对c h l a 的去除效率高达7 5 8 。系统 对低污染负荷的河道水体的去除率不高，低污染负荷是影响湿地系统去除效果的 主要因素。农业园区的湿地系统连续运行1 0 天后对水体营养物质的去除趋向稳定。 4 ) 复合型人工湿地系统使灌溉用水中重金属物质含量的大幅下降，湿地系统 上海海洋大学硕士学位论文 对铜、锌的去除效果非常显著，去除率分别达到7 4 7 0 和8 5 2 3 ，湿地系统对汞 的去除率为3 0 3 6 ，出水浓度大大低于i 类地表水标准的上限，根据温室蔬菜 产地环境质量评价标准( i - i j 3 3 3 2 0 0 6 ) ，处理后的水完全符合温室蔬菜灌溉水环 境质量标准，该人工湿地系统的建设不仅为农业面源污染实现了生态补偿，还可 实现水资源的循环利用。 5 ) 添加n 、p 等营养物质后，复合型湿地系统的脱氮除磷效果明显，总氮最 后出水浓度比进水浓度降低了5 8 ，出水浓度保持在v 类地表水总氮标准左右。 总磷出水浓度比进水浓度降低了6 1 ，出水浓度保持在i i i 类地表水总磷标准，提 升了三个标准等级。在水力停留时间为3 5 h ，水力负荷为1 6 9 m d 。1 的条件下，湿 地系统进水的污染负荷是限制湿地系统脱氮除磷效率的主要因素。三级潜流湿地 对湿地系统脱氮除磷的贡献大小不同，总氮在三级潜流湿地的面积反应速率分别 为0 7 6 、1 5 0 和0 9 9m d ，总磷为1 3 0 、2 2 0 和1 7 7r n d 。三级潜流湿地对总氮 总磷的去除贡献分别为二级水平潜流湿地 一级水平潜流湿地 - - 级垂直潜流湿 地。 关键词：青浦现代农业园区；面源污染；人工湿地；营养物质；重金属：去除率 玎 上海海洋大学硕士学位论文 a b s t r a c t q i n g p um o d e ma g r i c u l t u r a lp a r ki ss i t u a t e di nz h e n g d i a nc o m m u n i t y ，l i a n t a n g v i l l a g e ，q i n g p ud i s t r i c t i ti sam o d e ma g r i c u l t u r a lp a r kt h a tc o m b i n e sa g r i c u l t u r a l i n d u s t r y ，e c o l o g i c a ln a t u r ea sw e l la sl e i s u r et o u rt o g e t h e r h o w e v e r ，d u et oc o m p l i c a t e d i s t r i b u t i o no fp a d d yf i e l d s ，v e g e t a b l ef i e l d sa n di n t e n s i v e b r e e d i n gf i s h p o n d ，t h e r ei s a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nt oac e r t a i nd e g r e e w em a d ee c o l o g i c a lt r e a t m e n tt ot h er i v e rw a t e rt h r o u g hc o m p l e xc o n s t r u c t e d w e t l a n ds y s t e ma n ds t u d yt h ep a t i o - t e m p o r a lc h a n g e so fw a t e rq u a l i t ya sw e l la st h e t r e a t m e n te f f e c to fn o n - p o i n tp o l l u t i o no fi r r i g a t i o nw a t e ru n d e rl o w e r p o l l u t a n tl o a d i n g r a t ei nt h ew e t l a n d u n d e rt h eg i v e nh y d r a u l i c 1 0 a d i n gp a r a m e t e r ( 1 6 9 m d q ) a n dt h e h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( 3 5 h ) ，t h er e m o v a le f f e c to fw a t e rq u a l i t yi n d i c e so ft h e w e t l a n ds y s t e mw a ss t u d i e di ns u m m e ra n di nw i n t e rr e s p e c t i v e l y t h ec o n t r i b u t i o nt o t h et o t a lr e m o v a le f f e c t o fw e t l a n ds y s t e mi n3d i f f e r e n tt y p e sw a ss t u d i e da f t e rn u t r i e n t s a l tna n dpa r ea d d e di n t e n t i o n a l l yt ou p g r a d et h ei n f l u e n tp o l l u t a n tl o a d t h er e s u l t s w e r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ew a t e rq u a l i t yi nd i a n s h a nl a k ea n dt h eo x i d a t i o np o n dw h i c hu s e dd i a n s h a n l a k ea si t sw a t e ri n f l o ws o u r c ew e r ee v a l u a t e db yw a t e rq u a l i t yi d e n t i f i c a t i o ni n d e x t h ew a t e rq u a l i t yi no x i d a t i o np o n dr a n k sg r a d ei va n dt h a ti nd i a n s h a nl a k er a n k s f r o mg r a d ei vt og r a d ev t h em a i np o l l u t a n t si nd i a n s h a nl a k ew e r ea m m o n i a n i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u sa n dc h l o r o p h y l law h i l et h em a i np o l l u t a n tf a c t o ri no x i d a t i o n p o n dw a st o t a ln i t r o g e n a f t e rb e i n gp u r i f i e db ya q u a t i cp l a n t si no x i d a t i o np o n d ，t h e c o n t e n to ft o t a lp h o s p h o r u sw a sr e d u c e da n dt h ew a t e rq u a l i t yr a n k sg r a d ei i i ，w h i c h w a s2o r3g r a d el o w e rt h a nt h a to fd i a n s h a nl a k e 2 ) i nw i n t e r , t h er e m o v a le f f e c to fc o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mt op o l l u t a n t sw a s q u i t es i g n i f i c a n tw h e nt h ew a t e rt e m p e r a t u r ew a sl o w ( 8 11 ) t h er e m o v a lr a t e so f c o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mt ot o t a ln i t r o g e n ，a m m o n i an i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u s ， c o d m _ na n dc h l o r o p h y l lar e s p e c t i v e l yr e a c h e dt o1 8 3 9 ，2 8 2 2 ，4 3 7 6 ，1 6 0 8 a n d3 5 4 5 t e m p e r a t u r ep l a y e dak e yr o l ei nd e t e r m i n i n gt h er e m o v a lr a t eo fw e t l a n d s y s t e m h o w e v e r , t h er e m o v a lr a t et op o l l u t a n t si nw i n t e rw a sl o w e rt h a nt h o s ei n 上海海洋人学硕十学位论文 s u m m e re x c e p tf o r t h er e m o v a lr a t et oc o d m l i a c t u a l l y , t h er e m o v a lr a t e st oc o d m n b o t hi ns u m m e ra n di nw i n t e rw e r er e l a t i v e l yl o ww h i c hw a sp r o b a b l yd u et o t h e a c t i v i t yo fd e g r a d i n gm i c r o o r g a n i s m 3 1i ns u m m e r , t h ec o m p l e xc o n s t r u c t e dw e t l a n dc o u l de f f e c t i v e l yr e m o v en u t r i e n t s l i k ena n dpa n ds oo ni np o l l u t e dw a t e rf r o ma g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c e sw i t hl o w e r p o l l u t a n tl o a d w h e nt h ew a t e rt e m p e r a t u r ew a sr e l a t i v e l yh i g h ( 2 3 0 2 5 5 ) t h e r e m o v a lr a t et ot o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u sc o u l dr e a c ht o4 4 1 a n d4 9 5 r e s p e c t i v e l y , h o w e v e r , t h er e m o v a le f f e c tt oo r g a n i s mw a sr e l a t i v e l yl o wr e a c h i n go n l y 16 8 a n dt h er e m o v a lr a t et oc h l ar e a c h e da sh i g ha s7 5 8 t h er e m o v a lr a t eo ft h e w e t l a n ds y s t e mt or i v e rw a t e rw i t hl o wp o l l u t a n tl o a dw a sl o w t h e1 0 wp o l l u t a n tl o a d w a sc r i t i c a lt od e t e r m i n et h er e m o v a lr a t e a f t e ro p e r a t i n gf o r10d a y s ，t h er e m o v a lr a t e o ft h ew e t l a n di nt h i sa g r i c u l t u r a lp a r kt e n d e dt ob es t a b l e 4 ) t h ec o n t e n to fh e a v ym e t a li ni r r i g a t i o nw a t e ro fw e t l a n ds y s t e mw a sr e d u c e d s u b s t a n t i a l l y , t h er e m o v a lr a t et oc u a n dz ni ss i g n i f i c a n tw h i c hr e a c h i n gt o7 4 7 0 a n d 8 5 2 3 r e s p e c t i v e l y , t h er e m o v a lr a t et oh gw a s3 0 3 6 t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o n o fh e a v ym e t a lw a sm u c hl o w e rt h a nt h eu p p e rl i m i to fw a t e rq u a l i t yg r a d ei a c c o r d i n g t oe n v i r o n m e n t a lq u a l i t ye v a l u a t i o ns t a n d a r df o rf a r m l a n do fg r e e n h o u s ev e g e t a b l e s p r o d u c t i o n ( h j 3 3 3 2 0 0 6 ) ，t h et r e a t e dw a t e ra b s o l u t e l ym e tt h es t a n d a r d t h u st h e c o n s t r u c t i o no ft h ew e t l a n ds y s t e mn o to n l yc o m p e n s a t e da g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o ne c o l o g i c a l l y , b u ta l s or e a l i z e dt h er e c y c l eu t i l i z a t i o no fw a t e r r e s o u r c e s 5 ) a f t e ra d d i n gn u t r i e n t sna n dp ，t h er e m o v a le f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n w e t l a n ds y s t e mw a ss i g n i f i c a n ta n dt h ee v e n t u a le f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no ft o t a ln i t r o g e n w a s5 8 l o w e rt h a nt h a to fi n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n ，c l o s et o t h es t a n d a r df o rw a t e r q u a l i t yg r a d ev t h ee v e n t u a le f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no ft o t a lp h o s p h o r u sw a s61 l o w e r t h a nt h a to fi n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n ，c l o s et ot h es t a n d a r df o rw a t e rq u a l i t yg r a d ei l l w h i c hw a s3g r a d e sh i g h e rt h a nb e f o r e u n d e rt h eg i v e nh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( 3 5h ) a n dt h eh y d r a u l i cl o a d i n g ( 1 6 9 m d 1 ) ，t h ep o l l u t a n tl o a d i n go fi n f l u e n ti nt h ew e t l a n d p l a y e dak e yr o l e i nr e m o v a lo fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u s t h et h r e es u b s u r f a c e c o n s t r u c t e dw e t l a n d sm a k ed i f f e r e n tc o n t r i b u t i o nt ot h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a le f f e c to f w e t l a n d t h er e a c t i o nr a t e so f t o t a ln i t r o g e nw e r e0 7 6 、1 5 0a n d 0 9 9 m d 1r e s p e c t i v e l yw h i l et h o s eo ft o t a lp h o s p h o r u sw e r e1 3 0 、2 2 0a n d1 7 7m d i n i v 上海海洋大学硕士学位论文 g e n e r a l ，t h er e m o v a lc o n t r i b u t i o no ft o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u sw a s s e c o n d a r y h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d f i r s t r a t eh o r i z o n t a ls u b s u r f a c ec o n s t r u c t e d w e t l a n d t e r t i a r yv e r t i c a ls u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d k e y w o r d s ：q i n g p um o d e ma g r i c u l t u r a lp a r k ，n o n - p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n ， c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，n u t r i e n t ，h e a v ym e t a l ，r e m o v a lr a t e v 上海海洋大学学位论文原创性声明 本人郑币声叨：我恪、) 。学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独沙进行研究j t ：作所取得的成果。除 文l f l 已经明确注明和引j f _ j 的内容外，本沦义1 、= 包禽仟何其他个人或集 体已经发农或撰t ；过的作。i l l l l 及成果的内容。论文为本人亲自撰：，j ，我 对所，j 的内容负责，j ：完个意i ：只剑小声明的泛：律结果山本人承扣。 学化论义作揣签名：扔右锌 t - ij n j ：为够 f 莎月加h 上海海洋大学学位论文版权使用授权书 学位论文作煮完个j ，解。校仃天保留、仗刚学位论文的规定， 同意学校保留j ：向凼家柯父部l 、r j 或机构送交沦义的复印件和电子 版，允许论文被a 阅或借阅。奉人授权t 海海洋人学可以将奉学 位论文的个部或部分内容编入有火数据库进行检索，几j 以采月j 影 印、缩印或描等复制f 段保存和汀：编奉学位论义。 保密 口 ，舀：勺i 解桁后适j j 本版权j # 。 本学化论义属j 二 不保密口 学位论义作彬签名：勿j = 厂锌 j q ：如口7 印6 月矽i l 指导教师然名：芝l 勃耽中 9 j ：彻 if j 砌同 1 上海海洋大学硕士学位论文 1 我国农业面源污染现状 引言 我国水环境污染十分严重，在国家环境监测网实际监测的7 4 5 个地表水监测断 面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i 一i i i 类、v 类、劣v 类 水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和 石油类等【1 j 。2 0 0 6 年，全国地表水总体水质属中度污染。 2 0 世纪7 0 年代以来，中国重要的湖泊和河流水域如五大湖泊、三峡库区、滇池、 白洋淀、南四湖、异龙湖等氮、磷富营养化问题急剧恶化。研究结果表明，在中 国水体污染严重的流域，农田、农村畜禽养殖和城乡结合部的生活排污是造成水 体氮、磷富营养化的主要原因，其贡献率大大超过来自城市生活污水的点源污染 和工业的点源污染。2 0 世纪8 0 年代初以来，在各重要流域菜果花( 蔬菜、水果、花 卉) 播种面积增加了4 4 倍，为了追求效益，种植者超高量使用氮、磷肥料，单季作 物化肥纯养分用量平均为5 6 9 - - 2 0 0 0k g h a ，为普通大田作物的数倍甚至数十倍， 成为水体富营养化的主要潜在威胁之一。 农业面源污染是指人们在农业生产和生活过程中产生的、未经合理处置的污 染物对水体、土壤和空气及农产品造成的污染【2 1 。由于其分布区域广，污染分量小 但总量极大，污染源极度分散，而我国又未建立针对性管控体系，致使农业面源 污染已经代替工业污染成为中国最主要环境污染源，是制约中国经济持续、健康 和协调发展的重要障碍因子【3 1 。 农业面源污染分为化肥污染、农药污染、畜禽养殖污染、污水污染、农膜污 染和水土流失污染，其中前4 种污染是由于农药、化肥的不合理使用以及畜禽粪 便、生产生活污水无害化处理滞后所导致的水体、土壤和周边大气污染，农膜污 染是指农膜残留于土地难以降解引起的土壤污染，水土流失虽然不是农业面源污 染源，但农业污染物是经土壤渗透进入水体，水土流失率高，则化肥等物质被植 物吸收的较少，流入水体增多，从而加重污染状况。 我国农药使用量居世界第一。近1 0 多年来，农药的年使用量基本稳定在2 3 上海海洋大学硕士学位论文 万吨左右，各种制剂约1 3 0 万吨。2 0 0 1 年全国平均农药使用水平为8 1 9k g h m 2 ， 使用量最多的作物是蔬菜、果树和粮食作物( 水稻、小麦) 。农药施用水平总体上 呈现出从西到东、从北到南逐渐递增的分布趋势，施用水平较高的地区主要集中 在沿海各省市，其次是中西部的农业大省。 我国是化肥生产和消费大国，2 0 0 7 年全国使用氮、磷、钾化学肥料总计产量 为5 3 1 4 万吨。并且我国部分农村在施用化肥方面存在严重不合理、不科学等问题。 化肥使用率仅为3 0 - - 5 0 ，另有5 0 - - - , 7 0 随雨水等地表径流汇入地下水或江水 湖泊，没有被利用的化肥对环境造成了严重污染，对水资源造成严重污染，使水 中氨氮、亚硝酸盐量成倍增加。太湖水质恶化的主要原因之一就是不合理使用化 肥的结果。五大淡水湖之一的安徽巢湖，形成严重富营养化，水体中的氮、磷、 钾含量过高。而大量使用化肥，也刺激了化肥工业生产量的扩大，使化工产生的 污染也相应增加。 2 人工湿地概述 人工湿地是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种废水处理新技术 4 1 。人工湿地水处理 技术广泛应用于城市污水、工业废水、垃圾渗出液、暴雨径流等多种废水的处理， 具有良好的净化效果，在农业面源污染的废水处理上也在尝试推广应用。利用人 工湿地的生态工程方法是近年来越来越受到重视的一种水质净化新方法，具有处 理费用低、能耗小、管理维护简单、出水水质好、对周边影响小等优点【5 制。同时 选择合适的植物品种还有美化环境的作用。 2 1 国内外研究现状 在世界范围内，虽然利用人工湿地处理污水还是一门新兴技术，人工湿地的投 资和日常运行费用仅为二级污水处理厂的1 1 0 1 2 和1 5 1 3 ，但其出水水质可达到 或超过二级污水处理水平，而且适用面广，很快便被推广应用到多种污水的处理。 在2 0 世纪8 0 年代人工湿地处理系统的应用得到了迅速的发展，仅丹麦就建立t 3 0 多个人工湿地废水处理场。此外，美国、德国、英国等国家也广泛开展了这方面 的工作。据统计，美国在1 9 8 8 1 9 9 3 年间就建立起了上百个人工湿地，北美至少有 3 0 0 个以上的湿地系统用于处理工业、城市生活废水，而在英国和欧洲则超过5 0 0 个1 7 j ，有关人工湿地的国际研讨会也相继召开。8 0 年代末9 0 年代初，在美国和英国 先后召开的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。1 9 9 6 年在奥地利维也纳召开的第四次国际研讨会标志着人工湿地作为一种新 上海海洋人学硕十学位论文 型的污水处理技术正在进入水污染控制领域。早期的人工湿地主要用来处理生活 污水1 8 _ 1 0 1 ， 人工湿地技术还广泛应用到如河道污水【l l 】，垃圾虑液【1 2 】，油田废水【1 3 】等各种有 机污水的处理还对重金属，有毒、有害物质的去除也有良好的效果4 。近1 0 年来， 一些研究开始涉及人工湿地处理一些活性污泥法和生物膜法难以处理的工业废 水，并认为人工湿地独特而复杂的净化机理使其能够在含重金属工业废水和难降 解有机废水的处理中发挥重要作用，这方面的研究主要集中在处理矿山酸性废水、 制糖工业废水、褐煤热解废水、炼油废水、油田废水、造纸废水等。水平潜流人 工湿地对以b o d 、c o d 和植物油为特征的高浓度食品工业废水具有良好的净化效 果，湿地系统对b o d 的平均去除率为8 9 ，对c o d 的去除率达9 2 1 1 5j 。最近发达 国家已将重点转移到利用人工湿地处理特殊工业废水，这也是人工湿地发展的一 个新特点和趋向。 我国对人工湿地的研究开始较晚，直到“七五”期间才开始了对人工湿地较大规 模的研究【1 6 】。首例采用人工湿地处理污水的研究始于1 9 8 8 1 9 9 0 年在北京昌平进行 的自由水面流人工湿地。1 9 8 9 1 9 9 0 年，天津环保科研所建立1 1 个实验单元来研究 芦苇湿地对城市污水的处理能力，并对水力负荷、有机负荷、停留时间及季节等 与污水中主要污染物去除率间的规律进行探索。研究表明其处理结果优于二级处 理标准，有较高且稳定的脱氮、除磷效果，季节性差异较小。1 9 9 0 年，国家环保 局华南环保所在深圳白泥坑建造了占地面积8 4 0 0 m 2 、处理规模为3 1 0 0 m 3 d 的人工 湿地示范工程【1 7 】。1 9 9 3 年由武钢大冶铁矿承建，省环保所、大冶铁矿、黄石市环 境监测站三方合作在大冶铁矿炸药车间建立面积为2 0 0m 2 的中试性人工湿地，用以 处理铁矿炸药车间排放的含氮废水。1 9 9 9 年，漳州市天宝造纸厂因地制宜，利用 荒废的低洼地建造小型水葫芦一水草人工湿地，进行厂外废水治理，处理后出水 灌溉香蕉园，实现了废水不外排，具有农业生态特征的废水治理模式，为我国乡 镇企业废水治理提供了有益的参考。 2 2 人工湿地的类型 人工湿地有表面流和潜流两种构造类型，而潜流人工湿地又可分为水平流和 垂直流型【1 8 】。人工潜流湿地是依据美国国家环保局颁发的“城市废水人工湿地处 理手册”，研发和设计的适合我国污水处理的全新方法。 ( 1 ) 表面流人工湿地 上海海洋大学硕士学位论文 自由表面流人工湿地与自然湿地相类似，废水从湿地表面流过，这种类型的 人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点。缺点是占地面积大、水力 负荷低、去污能力有限、受气候影响大，夏天孽生蚊蝇、散发臭味；控制相对较 复杂，脱氮、除磷的效果不如潜流人工湿地。 ( 2 ) 潜流型人工湿地 潜流型人工湿地是指污水在湿地床的表面下流动的人工湿地系统，其利用填 料表面生长的生物膜、植物根系及表层土和填料的截留作用净化污水。潜流湿地 具有除污效果好，很少恶臭和不易孽生蚊蝇等优点，且处理效果受气候影响较小， 是目前采用较多的处理工艺【1 9 】。随着技术水平的提高，潜流型人工湿地的应用越 来越广泛，在美国、欧洲、澳大利亚和南非等地已建成和正在建设的人工湿地处 理系统中，大部分是潜流型湿地1 2 0 。2 1 l 。 2 3 潜流湿地的基本构造 人工潜流湿地主要由基质、植物及微生物等组成。 2 3 1 植物 植物是潜流湿地中最重要的去污成分之一。水生植物选择的恰当与否直接关 系到人工湿地的处理效果。湿地的净化效果不仅跟植物的种类和植物根系的生物 量成正相关，还与根系的发达程度和茎叶生长状况密切相关【2 2 。2 3 】。用于湿地的植 物通常是生长快、生物量大、吸附能力强的水生草本植物。水生植物作为湿地的 优势种，在治理受污染的土壤和水体的过程中有以下优势：通过光合作用为净化 作用提供能量来源；能改善景观生态环境；可作为介质受污染程度的指示物；能 固定土壤中的水分，圈定污染区，防止污染源的进一步扩散；植物根系为细菌提 供了多样的生境，根区的细菌群落可降解多种污染物质；输送氧气至根区，有利 于微生物的好氧呼吸等。植物主要通过吸收作用去除污染物，虽然植物的相对吸 收量不大，但由于其具有提供微生物生存的多样环境、输送氧气、阻挡太阳辐射、 保护各类生物的正常生长等功能，有植物的人工湿地的净化效果明显高于无植物 的人工湿地。吴振斌【2 4 j 等研究表明，有植物的人工湿地中，在高负荷的情况下， 磷的去除率均高于无植物的人工湿地。有植物的人工湿地中t n 和t p 的去除率随负 荷的增大而稳定的升高，无植物的人工湿地中，其去除率明显偏低，并且n 、p 的 去除率随着负荷的增高而降低。 上海海洋大学硕士学位论文 人工湿地使用的植物有香蒲、菖蒲、芦苇、茭白、灯心草、美人蕉、风车草 等，这些植物可增加湿地的透水性，还能与周围环境的原生动物、微生物形成各 种小环境，将氧气传输至根区，形成特殊的根系微生态环境。布水系统采用穿孔 管式水系，防止发生短流和堵塞。潜流湿地基质上的湿地植物还具有美化环境、 体现和谐生态景观的效果【2 5 】。 2 3 2 基质 基质是潜流湿地的载体，其去污过程来自离子交换、专性与非专性吸附、螯 合作用、沉降反应等。基质对污水中p 和重金属的净化主要是通过上述反应实现的， 反应产物最终吸附或沉降在基质内。不同的基质有不同的净化特性。杨昌风等研 究了粘土、沙土、碎石组成的三种湿地系统的净化能力【2 6 1 ，结果表明粘土含量可 能是影响基质净化能力的重要因素，因为粘土中不仅生活着大量的各类微生物， 而且富含有机物和粘土矿物，比粗糙质地的基质具有更高的离子交换能力，从而 能除去废水中的大量阳离子，阴离子则可以吸附于带电荷的腐殖质表面【27 | 。基质 填料在湿地除磷方面扮演重要角色，因此，根据理化特性筛选具有高磷吸附能力 的填料用于潜流湿地的构建是非常重要的。郭本华【2 8 j 等研究了由沸石、页岩陶粒 和碎石3 中不同基质对磷的去除效果，结果表明，碎石单元对磷的去除效果最好， 页岩陶粒次之，沸石单元效果最差，平均去除率为9 5 ，6 0 ，3 5 【2 引。人工潜流 湿地中磷是通过基质、微生物和植物的共同作用下去除的，其中基质对磷的吸附 和沉淀是人工潜流湿地除磷的主要方面1 2 圳。 2 3 3 微生物 微生物在潜流湿地养分的生物地球化学循环中往往起核心作用，它们是各类 污水中最先出现并对污染物起吸收与降解作用的生物群体，而且还能捕获溶解的 成分供它们的动物或植物共生体利用。人工湿地系统中，随着时间的推移，各单 元会逐渐形成各自的生物种群，这样各种生物尤其是微生物的降解功能会得到稳 定的发挥，从而使其处理作用达到一个较高的水平。当人工湿地污水处理系统中 的条件良好时，异养菌大量生长，以污水中的有机物为营养物质来完成自身的生 长代谢，实现对有机物的降解和污水的净化。人工湿地污水处理系统中如能形成 好氧、厌氧环境的交替，则可通过氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细 菌的氨化反应、硝化反应及反硝化反应实现对氮的有效去除。王晟【3 0 】等研究报道， 当处里高浓度生活污水时，植物根系供养不足，基质内为厌氧环境，氨化细菌、 上海海洋大学硕士学位论文 亚硝化细菌是氨化细菌的1 1 0 0 0 1 1 0 0 ，出水d o = 0 ，氮去除率主2 0 。增加潜流湿 地进水溶氧可有效提高潜流湿地对有机污染物的去除【3 0 】。磷的去除有时也可主要 通过聚磷菌的大量吸磷来实现微生物的生物量可以作为湿地生态系统中土壤物理 化学特征、养分含量变化以及有机质积累与分解的一个有效反映指标。 2 3 4 潜流湿地去除有机污染物的作用机理 人工湿地水处理技术的基本原理是在一定的填料上种植特定的湿地植物，从 而建立一个人工湿地生态系统，当污水通过系统时，其中的污染物质和营养物质 被系统吸收或分解，使水质得到净化。它主要不是利用植物根系对氮磷营养素等 污染物的吸收净化水质，而是在充分利用植物生态系统净化作用的基础上，利用 地下潜流式人工湿地内配置的不同粒级组成的砾石等填料表面形成的生物膜来吸 附降解有机物和氮磷营养素等污染物，是对人工湿地的进一步加强。利用填料表 面生长的生物膜，植物根系及表面土和填料的截流作用净化水体。可以通过植物 根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢过程而分解去除。潜流型湿地系统高的净化 能力主要是依靠土壤有效的通透性，b o d 、c o d 、氨氮的去除能力很强，还可以 有效去除氮、磷等有害物质，大大降低水体的富营养化。人工湿地主要通过填料 吸附、细菌活动、植物和藻类吸收、与有机物结合等途径对磷进行截酬川。潜流 型人工湿地的显著特点之一就是其对有机污染物有较强的降解能力。污水中的不 溶有机物通过湿地的沉积、过滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用：污水 中的可溶性有机物则可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。 在湿地系统中，植物、基质和微生物是相互影响和促进，共同发挥作用。 人工湿地对污水的处理是通过利用它的独特生态系统中的物理、化学和生物 的三重协同作用来完成对污水的净化作用【3 2 3 4 】。基质支撑着湿地动植物与微生物 的生命过程，基质的任何性状发生改变都可能影响到生物的生长发育，从而影响 它们的净化效果。微生物种群对湿地基质的很多化学反应产生重要影响，基质中 各种元素的循环与转化都与微生物作用密切相关，植物的输氧作用则使污染物质 无论是在有氧还是无氧的环境中，均可被微生物降解。总之，湿地处理污水的功 能是湿地中植物、基质、微生物甚至动物等组成部分以及众多环境因子综合作用 的结果。这些组分之间以及组分与因子之间相互影响，相互促进，也相互制约， 组成了湿地的强大净化功能。 上海海洋大学硕士学位论文 人工湿地对污水的净化机理十分复杂，现在仍未完全研究清楚。一般认为人 工湿地系统成熟以后，基质表面吸附了许多微生物而形成生物膜，植物根系分布 于其中，在自然生态系统中通过物理、化学及生化反应净化污水。它们共同作用 使人工湿地对废水中的b o d 、s s 、n 等有很高的去除率。研究表明，在进水浓度 较低的条件下，人工湿地对b o d 5 的去除率可达8 5 - 9 5 ，c o d 的去除率可达8 0 以上，n 的去除率可达6 0 。王晟【3 0 】等通过对湿地植物根系供氧，处理不同浓度有 机污水。结果表明，当处理低浓度污水时，植物根系通过泌氧和水中携氧使基质 内为好氧环境，n 、p 等有机物有效去除。当处理高浓度有机污水时，基质内为厌 氧环境，n 的去除率q 0 。湿地植物的类型和不同的生长期都会影响对磷的去除 效果【3 4 1 。 3 潜流湿地在我国应用展望 我国为发展中国家，由于经济的持续发展，环境问题是一直困扰我国经济发展 的瓶颈之一。我国属温带或亚寒带气候，气候特征有利于生物活性的繁殖和生长， 有利于形成较好的湿地系统。我国南方城市和东部沿海城市雨量充沛，经济发展 较快，同时也是水环境污染的重点治理范围之一。这些城市大多人口密度大，经 济实力强，制造业发达，污水排放量大。尽管这些城市中土地可能对建立人工湿 地是一个限制因子，但人工潜流湿地的各种优点，可方便的建造在学校、医院、 公园等市政地区。人工潜流湿地的污水处理效果给处于环境危机的中国带来了一 些有益的参考。 本论文的研究目的和意义 青浦现代农业园区创办于2 0 0 2 年，是由政府前期投资建设的市级农业园区。 其坐落在青浦区练塘镇蒸淀社区，东邻黄浦江上游漕芳泾，西接沪浙边界，北靠 俞汇塘，南近松江、金山。辖区总面积1 7 0 7 平方公里( 2 5 6 1 0 亩) 。是一座集农 业产业、生态自然、休闲旅游于一体的现代都市型农业园区。青浦现代农业园区 根据定位的功能，按五大功能区布局：自然生态区、绿色农业产业区、农副产品 加工区、高新技术孵化区和综合配套服务区。 青浦农业园区内的河道所在地为一个低洼地，地势较低，河道水体与外界水 体基本保持一个独立的相对封闭的状态，园区内种植水稻、蔬菜等作物，存在一 定程度农业面源污染的可能性。由于面源污染的存在，农田排灌用水下泄到园区 河道水体中，造成一定量的营养物质以及农药残余等的输入，营养物质的积累会 上海海洋大学硕士学位论文 造成河道水体的富营养化，这就要求采取一系列的水处理措施进行河道水处理。 农业园区内河道污染现状为：三种主要污染物b o d 5 、c o d 。，和n h 3 - n 的平 均污染浓度分别为2 4 8 1 、4 5 1 4 和o 5 5 m g l ：污染物排放总量为3 5 8 1t d ，各类 污染源排放的污染物量见表l 。 表1 河道水质现状评价汇总表 t a b 1t h ew a t e rq u a l i t yo f t h er i v e r 备注：上表参考青浦生态农业园区生态河道建设项目可行性报告。 园区目前的水质现状，