（环境工程专业论文）新型生物膜法耦合人工湿地处理模拟尾矿废水的试验研究.pdf

武汉理l ：人学硕十学位论文 摘要 我国9 5 的能源和8 5 的原材料来自矿产资源。随着矿山的开发，矿区产生 大量的尾矿废水直接存储在尾矿坝中。这些废水不但占用了大量的土地，而且 若未经处理排放或流失会严重污染环境及人体健康。传统的尾矿废水处理方法 有物理法，化学法和生物法等，但存在产生二次污染风险或者处理效果难以适 应日趋严格的污水排放标准等问题。 近年来，人工湿地作为一种新的矿山废水生态处理工程技术在实际应用中 取得了快速发展。本课题在微生物挂膜性能研究的基础上，选用天然植物生物 质中空纤维填料生物膜反应器( b i o m a s sb i o f i l mr e a c t o r ，简称b b f ) 与人工 湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，简称c w ) 相耦合的新工艺( b b f c w ) 对高磷 铁矿尾矿废水处理进行了小型模拟试验研究。 研究结果表明： ( 1 ) b b f 生物膜反应器较传统生物膜反应器挂膜启动时间短，小粒径陶瓷 滤料比大粒径陶瓷滤料的挂膜效果好，但天然植物生物质中空纤维填料比小粒 径陶瓷滤料挂膜效果好。 ( 2 ) 在去除有机负荷方面，b b f 生物膜反应器对有机物的去除效果比较好， 从而减小人工湿地占用面积、减少了进水s s 和有机负荷高时人工湿地堵塞的问 题。b b f 生物膜反应器对c o d 、n h 。一n 、t n 和t p 的平均去除率分别为7 0 5 、8 0 、 2 7 9 、4 0 9 ：人工湿地对c o d 、n h 。- n 、t n 矛i t p 的平均去除率为3 9 3 、5 5 4 、 1 3 6 、2 4 6 ；藕合工艺对c o d 、n h ：，- n 、t n 和t p 的总平均去除率分别为8 7 5 7 、 9 0 1 3 、3 5 2 5 和5 5 1 5 。 ( 3 ) b b f - c w 联合工艺具有比较好的抗负荷能力，稳定性强，在处理尾矿模 拟废水处理试验研究时，发现b b f 和c w 两个工艺单元能相互耦合发挥各自优势， 达到了优势互补的目的，出水水质达到城镇污水处理厂污染物排放标g b1 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 一级排放标准。 ( 4 ) b b f - c w t 艺具有造价低，操作简单，污泥产量低，处理效果好等优点， 在处理尾矿污水方面有独到的优势。 关键词：植物中空纤维生物质载体；生物膜反应器：人工湿地；尾矿废水处理 武汉理i ：人学硕十学位论文 ab s t r a c t i nc h i n a ，9 5 o fe n e r g ya n d8 5 o ft h er a wm a t e r i a l sc o m ef r o mm i n e r a l r e s o u r c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i n e i tp r o d u c e sl a r g ea m o u n t so f t a i l i n g si nt h e t a i l i n gd a m t h et a i l i n g sn o to n l yt o o ku pl o t so fl a n d b u ta l s ot h e yp o l l u t e dt h e e n v i r o n m e n ta n dh a r m e dt oh u m a nh e a l t hs e r i o u s l yi ft h e yw e r en o tt r e a t e do rl o s t t r a d i t i o n a lm e t h o d so ft a i l i n g st r e a t m e n tw e r ep h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a l m e t h o da n ds oo n ，b u tt h e ym a yl e a dt os e c o n d a r yp o l l u t i o n ，o rt h er e m o v a l so f t r e a t m e n tc a nn o tm e e tt od i s c h a r g es t a n d a r d ss t r i c t l y i nr e c e n ty e a r s ，c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，a san e w t y p eo fe c o l o g i c a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g y , h a v em a d e m a n yr a p i dd e v e l o p m e n t s i nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o ni nm i n i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ac o m b i n a t i o ns y s t e m ，c o n s i s t e do f b i o m a s sb i o f i l ma n dc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，邺u s e dt ot r e a tt a i l i n g si nt u r na n dt h e p u r i f y i n ge f f i c i e n c yw a ss t u d i e d t h eb i o f i l mr e a c t o rw a sf l i e dw i t l lh o l l o wf i b r e f r o mn a t u r a lp l a n t s t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b i o f i l mf o r m a t i o nt i m eo fb i o f i l mr e a c t o ri ss h o r t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a l b i o f i l mr e a c t o r n l eb i o f i l me f f e c to ft h es m a l ls i z ec e r a m i cf i l t e rw a s h i g h e rt h a nt h e l a r g e - s i z ec e r a m i cf i l t e r b u tt h eb i o f i l me f f e c to fn a t u r a lp l a n t sw a sh i g h e rt h a nt h e s m a l l s i z ec e r a m i cf i l t e r ( 2 ) r e l a t e dt ot h er e m o v a lo fo r g a n i c ，t h eo r g a n i cm a t t e rr e m o v a l so fb i o f i l m r e a c t o re m c i e n c yi sb e t t e r , s oi tr e d u c e st h ea r e ao ft h ew e t l a n da n dt h ei n f l u e n ts s a n dh i g ho r g a n i c t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ea v e r a g e dr e m o v a l so fc o d ，n h 3 - n ， t n ，a n dt po fb i f o r mb i o r e a c t o rf o rc o d ，n h 3 一n ，t na n dt pw e r e7 0 5 ，8 0 ， 2 7 9 ，4 0 9 r e s p e c t i v e l y ；t h ea v e r a g e dr e m o v a l so fc o d ，n h 3 - n ，n q ，a n dt po f c o n s t r u c t e dw e t l a n d sw e r e3 9 3 ，5 5 4 ，1 3 6 ，2 4 6 r e s p e c t i v e l y ；c o n t r i b u t i o n s t ob o t h ，t h ec o m b i n a t i o no fp r o c e s so nc o d ，n h 3 一n ，t na n dt pr e m o v a l sw e r e 8 7 5 7 ，9 0 13 ，3 5 2 5 a n d5 5 15 r e s p e c t i v e l y ( 3 ) t h ec o m b i n a t i o ns y s t e mo fb b fa n dc wh a dl a r g ec a p a c i t yo fr e s i s t i n g i m p a c t sa n dg o o ds t a b i l i t y b b fa n dc wc o u l dd i s p l a yt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e si n t h ei n t e rc o u p l i n ga n da c h i e v e dt h ep u r p o s eo fc o m p l e m e n t a r ya d v a n t a g e si nt r e a t i n g r a i l i n g s t h eq u a l i t yo ft h ee f f l u e n tc o u l dr e a c ht h ec r i t e r i ao fg r a d eo n es p e c i f i e di n i n t e g r a t e dw a s t e w a t c rd i s c h a r g es t a n d a r d ( g b 18 918 - 2 0 0 2 ) ( 4 ) b b f c wp r o c e s sh a sal o wc o s t ，s i m p l eo p e r a t i o n ；l o ws l u d g ep r o d u c t i o n a n dg o o dt r e a t m e n te f f e c t ，i nd e a l i n gw i t ht a i l i n g s ，i th a du n i q u ea d v a n t a g e s k e y w o r d s ：b i o c a r r i e r ；b i o f i l mr e a c t o r ；c o h s t r u c t e dw e t l a n d ；t a i l i n g s w a s t e w a t e r t t 它a t m e n t 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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 得武汉理工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贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名： 零这竖日期：塑2 ：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工 大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：私置导师签名： 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 1 矿山尾矿废水概述 第1 章引言 1 1 1 我国矿山尾矿废水现状 我国9 5 的能源和8 5 的原材料来自矿产资源。随着社会经济的迅速发展， 人类对矿产资源的需求日益增长，在矿产资源丌发和加工过程中排放的矿山废 水量也随之增加，而且矿区产生大量的尾矿废水。尾矿废水包括选矿工艺废水、 尾矿坝溢流水和厂矿排水。选矿工艺排水一般是与尾矿浆一起输送到尾矿坝， 统称为尾矿水| ij 。 我国的尾矿废水，年排放量大约为3 6 亿吨，这些废水大部分没有经过任何 处理，直接存储在尾矿坝中。这些废水不但占用了大量的土地，而且对周边的环 境( 地表水、地表水、周围的农田、土地等) 造成严重的污染，有害元素经挥发 也会污染空气。近些年，尾矿坝溃坝事件不断发生，对人们的人身安全造成重 大威胁【2 1 。 1 1 2 矿山尾矿废水的主要来源 尾矿废水是复杂的水体，是由地表渗透水、岩石孔隙水、矿坑水、地下含 水层的疏放水、选矿工艺废水以及井下生产防尘、灌浆、充填污水、选矿厂和 洗煤厂污水组成。其中选矿废水是选矿工艺排水、尾矿池以流水和矿场排水的 统称。废水水量大，悬浮物含量高，含有害物质种类较多而浓度较低。每吨矿 石选矿用水量为5 - 1 0 吨。废水水质随选矿种类而异，主要含有重金属离子( 铜、 锌、铅、镍、铁、钡、砷、镉等) 和选矿药剂( 黄药、黑药、氰盐、松根油、 甲酚、硫酸铜、重金属盐类、硫酸钠、硫酸、石灰等) 选矿废水部经处理排放 或流失会严重污染环境，危害水产和植物及人体健康。 1 1 3 矿山尾矿废水的危害 在矿山开发过程中，由于开发不合理和开采本身产生大量的选矿废水，尾 武汉理1 大学硕+ 学位论文 矿废水等等，这些废水不仅对生态环境造成危害，而且也造成水体污染。特别 是在开采过程时，尾矿废石、废渣、废水的髓意流失，造成了大气，土壤、河 流的污染，更严重的是出现生物绝迹，植被破坏，尾矿库的塌陷等。 尾矿废水常常成酸性，抑制细菌和微生物的生长，其中的典型污染物包括 有机物、油类、氰化物、重金属离子、氟化物和可溶性盐等等。由于尾矿废水 显酸性，p h 一般在2 4 之间，具有强腐蚀性，腐蚀着生态植物、土壤、设备管道 水泵、矿井设备。尾矿中经常含有z n 、c u 、c d 、p b 、 s 等重金属，溶于水体后 难降解，而且易富集在排污口形成泥团堵塞管道，在治理过程中对人体和微生 物都有很大危害。据报道，居住在矿山附近的居民身体含有重会属含量远高于 普通人。重金属极易与人体的生理高分子发生化学作用，重金属在人体如果常 年积累，还会造成慢性中毒p l 。 在矿山的开采过程中，常年排除大量的二氧化硫、一氧化碳、烟尘等有害 物质，严重污染了当地的空气，根有矿山附近的农民出现了肺气肿、气管炎、 肺癌等疾病。 尾矿矿山废水排入农田后，会使农作物发黄，土壤盐析、酸化、板结化、 导致农田减产| 4 i 。尾矿废水中的有机污染物造成尾矿池中植物的腐烂破坏了大 量的植被，影响了地貌景观。刚生态被破坏到一定程度时，将导致大量物种消 失，破坏了整个生态平衡。 尾矿矿山废水中的酚、甲酚、萘酚等有机物对永生物极为有害，使藻类植 物、浮游生物的生长、繁殖受到影响，也间接的影响到水生动物和鱼类的生存。 武汉理i ：人学硕十学位论文 甚至造成生物大量减少，鱼类大量死亡。 尾矿矿山废水中的油类污染物浸入孔隙内形成油膜，堵塞管道，破坏土壤 结构，不利于植物的生长，甚至使农作物枯死，破坏正常的生态循环。 尾矿矿山废水中的氰化物有剧毒，人体含量超过o 1 9 就会死亡，鱼类含量 超过0 5 m g 耳 j 致死，对当地居民人身安全构成严重威胁。 1 1 4 矿山尾矿废水主要处理方法 正是由于矿山尾矿废水的危害，目前必须采取各种治理措施，严格控制尾 矿废水排放，减少尾矿废水对周围环境的污染。防止尾矿废水污染的根本办法 是减少有害物质的排放量，尽量将尾矿废水回收利用， 污染物质是从一定的工艺过程产生出来的，因此改进优化工艺是减少污染 最有效的途径。选择污染程度小的选矿工艺，大大减少选矿废水中的污染物质。 尽量利用尾矿回水，开展对废水中有害物质的回收利用研究。采用循环用水系 统循环供水，回水利用节省了水资源，也减轻了环境污染。可以推广的工艺采 用闭路循环设计，对废水进行重复利用，对于采矿、选矿厂，所产生的选矿废 水都在矿井下进行集中处理。如在选矿、采用过程中可采用无毒药剂代替有毒 药剂，如实行无氰浮选工艺，我国现在很多单位也开展了代用品取代有毒药剂 的研究：这样不仅减少了污染带来的危害，而且也提高了的经济和社会效益。 水源头治理，加强管理。从水源治理是对尾矿废水从根本上治理的最有效的 途径，在选矿区建立选矿废水的治理库，这样可以减轻对尾矿废水的治理难度。 其次是加强管理，在大中型矿井中工作的采矿机、转载机等使用的液压油、齿 轮油，液压支架使用的乳化油，应该妥善保管，避免因为管理不善产生泄露， 随矿井水排至尾矿库。最后是要加强对设备的管理：完善各类用油设备的密封 性能，防止漏油1 5 i 。 1 1 4 1 微生物法 微生物法最先应用于生活污水，然后逐步应用于工业废水，自从m a r e e 、 g e r b e r 等人在1 9 8 7 年对金矿废水的研究后并取得了一定了效果，而且金矿废水 在厌氧条件下经过微生物处理p h 值达n 7 左右，s 0 。2 浓度降到了l o o m g l 以下， c o d 去除率也达到了5 0 左右。m a r e e 等人的的实验研究也表明，经微生物处理后 武汉理、t ：人学硕十学位论文 的废水的p h 值也达到中性左右，s o 。2 。的去除率达到了8 0 以上，同时转化成可溶 性硫化物、单质硫和少量会属硫化物c o d 去除率达n 5 0 左右。之后，人们也 开始应用微生物法处理矿山酸性废水。例如在同本，就成功的利用微生物技术 对酸性废水进行处理，并且取得了较好的效果1 6 j 。 微生物法处理矿山废水的基本原理是：根据微生物的特性，对不同的矿山 废水进行处理，比较常用的是氧化铁杆菌，能较好的处理铁矿废水，能够将重 会属铁离子氧化成沉淀物加以去除；例如光合硫菌，能将硫矿废水氧化成单质 硫：硫酸盐还原菌能将酸性废水中的硫酸还原为沉淀硫化物。还可以根据矿山 废水的p h 值调节控制沉淀量，而且生成的重金属沉淀物也可以回收利用r 卜引。 微生物法由于能吸收重金属的优点而得到广泛应用，但是也仍处于研究阶 段，也存在一些问题，例如，p h 值对微生物的生长有很大的影响，有些矿山尾 矿废水由于p h 值过高或者过低，需要在微生物处理前进行预处理，调节p h 值到 微生物适应生存的环境，保证良好的去除率。 目前，尾矿废水含污量比较复杂，往往含有多种重金属离子，需要加入多 种微生物菌种分别对不同重金属离子去除，而且每种微生物菌种的生存环境需 要不同，往往影响效果，因此，利用微生物法处理矿山尾矿废水称为一个急需 解决的前沿问题 9 - 1 0 j 。 1 1 4 2 人工湿地法 国外利用人工湿地处理矿山废水的例子比较多，但是国内利用人工湿地对 矿山废水对例子还比较少，最早我们利用人工湿地对矿山废水处理的是阳承胜 等人，他们在广东省广东省韶关市建立人工湿地对凡口铅锌矿采矿废水进行处 理，其研究结果表明：c o d 、s s 、p b 、z n 、c u 和c d 的去除率都达到了9 0 以上， 达到了工业排放标准，而且人工湿地投资和运行管理费用低，相对普通污水处 理厂，减少了5 0 以上，出水水质达到了国家标准d 。 人工湿地处理矿山废水的基本原理是：利用人工湿地生态系统中物理、化学、 生物的共同作用，通过沉淀、吸附、阻隔、微生物同化分解、硝化、反硝化以 及植物吸收等途径去除悬浮物、有机物、n 、p 和重金属等。当矿山废水进入人 工湿地时，水流经过基质层和植物茎叶和根系，基质层能将废水中的固体悬浮 物过滤，并沉淀在基质中。人工湿地中的微生物能通过各种化学反应，离子交 换，植物根系的吸附功能将废水中的有机物，重会属离子，氮和磷化物去除。 微生物在人工湿地中形成一层生物膜，能有效的净化污水| i 引。 4 武汉理l ：人学硕十学何论文 人工湿地由于具有低投入、低能耗、低管理费用、抗冲击力强等优点而广 泛应用于各项污水处理中，而且人工湿地是集环境效益、经济效益及社会效益 为一体的污水处理新技术。但人工湿地也存在一些问题，例如占用面积大，处 理程度受环境影响很大，而且处理过程中的h z s 会从基质中逸出，污染大气环境。 基质也会影响到整个人工湿地系统的处理效果，因为基质是微生物生存的载体， 选择恰当可有利于微生物种群的固着和生长，加强整个人工湿地的水力流动和 提高人工湿地系统的处理能力，例如，含c a c o ：，较多的石灰石有助于磷的去除： 含有机物丰富的土壤有助于吸附各种污染物，所以在选择时应认真考虑。另外 植物的选择也会影响到人工湿地的处理效果，如果选择的植物不能够耐受酸水 污染，那么整个湿地系统就无法运转，因为植物负责整个系统中氧的传递释放 和微生物的繁殖等1 1 5 1 。 总之，矿山尾矿废水的成分是复杂多样的，为了取得较好的处理效果，应 加强对于人工湿地的探索，找到耐酸污染的植物并且适应于当地的自然环境条 件，正式由于在适用范围上受到一定限制。因此，对耐酸植物和微生物的探索 和研究已成为矿山尾矿废水处理技术研究领域的前沿课题l i 缸| 7 j 。 1 2 生物膜法概述 生物膜法和活性污泥法一样，都是利用微生物来去除废水中有机物的方法， 为生物膜提供附着生长固定表面的材料称为填料，是影响生物膜法的发展和性 能的重要因素。 生物膜法是通过附着在载体或介质表面上的细菌等微生物生长繁殖，形成膜 状活性生物污泥生物膜，利用生物膜降解污水中的有机物的生物处理方法。 生物膜中的微生物以污水中的有机污染物为营养物质，在新陈代谢过程中将有 机物降解，同时微生物自身也得到增殖。 随着微生物的不断繁殖增长，以及废水中悬浮物和微生物的不断沉积，使 生物膜的厚度不断增加，其结果是使生物膜的结构发生变化。生物膜是蓬松的 絮状结构，微孔多，表面积大，具有很强的吸附能力。生物膜微生物以吸附和 沉积于膜上的有机物为营养物质，将一部分物质转化为细胞物质，进行繁殖生 长，成为生物膜中新的活性物质，另一部分物质转化为排泄物，在转化过程中 放出能量，供应微生物生长的需要。增殖的生物膜脱落后进入废水，在二次沉 淀池中被截留下来，成为污泥。如果有机物负荷比较高，生物膜对吸附的有机 5 武汉理_ r ：人学硕十学f 7 ：论文 物末不及氧化分解时，能形成不稳定的污泥，这类污泥需要进行再处理。 由于生物膜法中的微生物以附着的状态存在，所以泥龄长，使生物膜中既 有世代时间短、比增长速率大的微生物。双有世代时间长、比增长速率小的微 生物，这使生物膜法中参与代谢的微生物种类多于活性污泥法。 生物膜法适用于中小规模污水生物处理，污水处理系统可以独立建立，也 可以与其他污水处理工艺组合应用。污水进行生物膜法处理前，易经沉淀处理， 当进水水质或水量波动大时，应设置调节池。 1 2 1 生物膜法的工作原理 生物膜结构主要是微生物以及废水中悬浮物沉积所形成的，生物膜中膜表 面，与废水直接接触的一部分是好养层，好养层的形成主要是因为与氧气直接 接触，在好养的条件下形成好养微生物与兼性微生物。在生物膜内部结构中， 由于缺乏溶解氧，在缺氧的条件下，好养微生物就难以生存，微生物逐渐转化 为厌氧的代谢方式，随着厌氧微生物的增多，形成了厚厚的厌氧层。 在负荷低的净化构筑物内，由于有机物氧化分解比较完全，生物膜增长较 慢，好氧层和厌氧层的界限并不明显。但在高负荷的净化构筑物内，生物膜增 长迅速，好氧层和厌氧层的分界比较明显。 生物膜处理废水的原理是：当废水经过生物膜时，废水中的有机物被好养 层中的微生物吸收，在好养的条件下，微生物和有机物发生氧化反应，分解和 同化合成产生二氧化碳或其他代谢产物。如此循环从而达到去除废水中有机物。 使污水得到净化。厌氧层的微生物由于其深层氧不足而发生厌氧分解，产生了 n i l 3 、h 2 s 和有机酸等代谢产物。有机酸被厌氧菌转化成c 0 2 和h 2 0 ，而n h 3 和h 2 s 被自养菌氧化成n 0 2 、n o r 和s 0 4 等溶于水中i 憎d 9 。 1 2 2 生物膜技术研究进展 生物膜技术是一种新兴的工艺，近年来己被广泛的应用于生活污水和有机 废水的处理中。生物膜法是根据土壤自净的原理发展起来的，微生物固定于载 体的表面形成所谓的生物膜，当废水流经其表面时，互相接触，称为附着生长【2 0 】。 在国内，各大学和研究所也对生物膜技术进行了试验研究，例如哈尔滨建 筑大学进行了生物膜一活性污泥工艺处理焦化废水的研究1 2 1 - 2 3 l ，中国科学院生 6 武汉理1 i 人学硕十学何论文 态环境中心和哈尔滨工业大学与荷兰应用科学研究院联合进行了生物膜与活性 污泥结合工艺脱氮除磷的研究1 2 引。天津大学进行了移动床生物膜反应器处理生 活污水和循环移动载体生物膜反应器的试验等研究1 2 副。哈尔滨工业大学进行了 生物膜一膜生物反应器处理生活污水的试验研究引。 6 0 年代初，生物膜技术的研究始于的美国，主要研究开发高浓度活性污泥 的生物膜分离装置。到7 0 年代后，同本也丌始研究生物膜分离技术，建立大学 和研究所开发新型膜材料，设计新型膜分离装置，运行生物膜反应器，并取得 了一定的效果，之后生物膜法开始应用于污水处理中。到了8 0 年代后，国际上 对生物膜技术的研究更是全面。荷兰、丹麦、德国、澳大利亚等国也先后开展 了生物膜技术的研究，丹麦大学早在八十年代就利用了生物膜处理高浓度污水， 试验证明生物膜法具有设备占地小、空间利用率高，设备耐冲击力强，污泥的 发生量大大减少，反应器易于实现自动化管理等诸多优点1 2 。二十世纪初，英 国伦敦最早使用生物法处理的城市综合污水。七十年代，开展了实验室将生物 法应用于工业水处理。到八十年代，国际水质协会出版了生物膜技术处理水的 论文。将生物膜技术的研究由纯粹的“技术型”向理论层次拓展1 2 8 j 。 1 3 人工湿地的概述 1 3 1 人工湿地的工作机理 人工湿地也叫构筑湿地、构筑湿地，其英文名称也有很多说法，例如： c o n s t r u c t e dw e t l a n d a r t i f i c i a lw e t l a n dm a n m a d ew e t l a n d 等等，和天然湿地一样， 具有为大量植物和微生物提供栖息场所和净化污水的功能，不仅可以去除各种 污水中的有机物，氮，磷等，而且还可以去除病原微生物，重金属，藻毒素等 外源生物活性物质，广外应用于工业，农业，畜牧业，食品，矿山等工农业飞 出的各类处理，同时，因其场地选择灵活，管理费用低，操作简便等特点，具 有比天然湿地更高的污水处理效率而受到各界社会的重视，目前，国外许多先 进工业国家都建有用人工湿地处理污水的试验场和示范工程，已逐步取代传统 的二级生化处理及部分深度处理工艺。 人工湿地最开始时根据自然湿地演变而来的，人类发现自然湿地具有降解 污水的功能，因此在自然湿地的基础上开始人工建造和监督控制湿地，与沼泽 地类似的地面，利用自然生态系统的物理、化学、生物的三重协同作用来实现 武汉理f ：人学硕十学位论文 对各种污水的净化。并且已经取得了良好的效果。 人工湿地是利用人为手段建立起来的具有湿地性质的生态系统。是由一些 浮水、挺水及潜水植物，微生物、野生动物及处于水饱和状态的基质层所组成 的复合体。一般的人工湿地系统由五个要素构成：( 1 ) 有具备一定过水能力的 基质层( 主要由将土壤、沙、石等材料按一定的比例组合而成) ：( 2 ) 有可能在 处于水饱和厌氧状态的基质层中生长植物( 常见的有芦苇、也称为植被滤床) ； ( 3 ) 有可在基质层中及基质表面流动的水流；( 4 ) 有无脊椎动物和脊椎动物； ( 5 ) 有好氧和厌氧微生物。其中微生物、水生植物以及填料是人工湿地的主要 组成部分，也是影响污染物去除率的重要因素12 9 1 。 1 基质指标 基质指标包括填料，有机质含量，营养物组成等等。基质在人工湿地的结 构中占有最大的体积，是除水生植物外的最主要的结构，也是人工湿地区别于 自然湿地的重要一个方面，且基质的组成和配比都可以用人为控制，寻找最有 利于水生植物生长的基质条件。 可用于人工湿地的填料有土壤、沙土、沙粒和石块等。作为过滤的基质， 应满足一些要求，例如：有足够的机械强度：有足够的化学稳定性，为微生物 的生长提供稳定的依附表面；外形接近于球状，表面比较粗糙，选择有棱角比 较明显，这样基质的吸附性比较好，且棱角处的吸附最强。k r r e d d y 在研究中 发现人工湿地中7 8 7 的磷可能通过沉淀或吸附作用而被去除，填料的性质对 于去除效果起到十分重要的作用 3 0 - 3 1 l ，因此在人工湿地的基质选择中，也应加以 重视。 有机物含量能滞留有害化学物质，且有机土壤有较高的离子交换能力。因 此通过有机土壤能交换一些污染物，从而使污水得到净化。 + 在人工湿地的运行过程中，由于水流量比较大或者气候的影响，在建造时 应加强基质的深度，根据种植的植物根系发展的长度来设计，也要加强污水与 植物的接触面积，让污水能得到全面的接触，这样也有利污水净化的实现。特 别是在冬季，为防止植物受冻，基质层可以加深，以起到保温的作用i 弛i 。 2 生物指标 人工湿地对污水净化的效果主要是由于微生物的作用，这决定了微生物在 除污中起着重要的作用，也是人工湿地体现生机的主要指标。微生物处理污水 的主要机制是微生物的生存与碳、氮、磷等营养物质，且微生物的营养物质的 需求比为1 0 0 ：5 ：l ：微生物中的各种原生动物、细菌也能吸收污水中的有机物， 8 武汉理t 火学硕士学何论文 微生物通过分解有机物维持生存，然后水生植物也可以自身吸收同化有机物， 植物有强大的输氧功能，将空气中的氧气通过植物体输送到湿地中，为微生物 提供良好的生存空间，特别是植物的根部比较发达的地方，能更好有利于好养 菌和兼养菌的新陈代谢。研究表明，人工湿地中的微生物的数目和种类与污水 的净化效果存在着一定关系。投加污水后，不仅不会对湿地系统的原有微生物 种群结构产生负面影响，反而能促使各类细菌数量增加，从而有利于污染物的 去除。 植被是人工湿地的关键部分。植被的设计依赖于场地的气候。人工湿地在 设计时根据处理的污水的特点而选择不同的植物，考虑到处理性能好，成活率 高。根据植物的耐污和去污能力选择，且选择当地的优势植物，在选择前应对 该地的地质、地貌、水文、自然资源进行充分的考察1 3 3 - 3 4 j 。 目前水体中重金属的污染成为一个世界性的难题，特别是矿山废水的污染 尤为明显，许多学者研究了人工湿地对重会属的去除效果，重金属不能降解， 但是却可以转移，关键是通过人工湿地的植物的摄取、转移和降低后，可以达 到水体的清洁和净化。植物通过各器官富集重金属而达到重会属的去除。但是 之后的植物需要被清除，或者挖除表层的基质层。 水生植物本身就是一个营养贮存库。植物吸收的氮、磷等营养维持生长和 繁殖，之后有些营养物质被保留在植株中，到枯死后，微生物分解，形成一个 循环系统。所以，在人工湿地运行一段时间后，可通过收割植物将这些营养物 移出系统| 3 5 - 3 7 1 。 氮素的去除机制，主要是通过人工湿地中硝化和反硝化菌等主要菌群的共 同作用来完成。磷素的去除机制，是通过磷细菌的代谢活动的微生物胞体的合 成过程。 目前常见的用于人工湿地的植物种类有芦苇、香蒲和美入蕉等，国外常见 的用于人工湿地的植物种类有校树、柳树、茶树( t e a t r e e ) 等。 总之，人工湿地是一个自适应系统、投资省、处理效果好、运行管理方便， 的生念治理污水的方法，已逐渐广泛应用于二级处理装置，具有地球之肾之称， 曾被称为“最好的技术”对于水环境修复和生态恢复具有重要意义，因而越来 越受到世界各国的关注和重视。 9 武汉理l ：人学硕士学位论文 1 3 2 人工湿地的研究进展 采用湿地也不是新发明，从最早人们处理污水时，湿地就丌始用于净化污 水。湿地最早被公开的报道见于澳大利亚b r i a nm a c k e y 于1 9 0 4 年发表了一篇关 于湿地的文章，1 9 5 3 年，德国s e i d e l 发现人工湿地中的芦苇能有效去除大量的 有机物和无机物，进入2 0 世纪6 0 年代，人工湿地被应用于处理工业废水，江 河水，地面径流和生活污水，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f 3 8 i 。 表1 - 1 用于废水处理的人工湿地 地点描述营养物 去除率 s a n t e e 草、芦苇、香蒲 n h 4 + n2 8 4 - 9 3 3 美国加州 ( 18 5 * 3 5 * 0 7 6 ) b o d t s s7 4 3 - 9 5 5 8 6 4 9 3 6 i s e l i n 浮萍、草食鱼、草 b o d n h 4 + - n 9 77 7 美国宾夕法尼亚洲 地 t p s s 8 28 9 o t h f i e s e n 澳洲芦苇( 2 2 5 h a ) b o d t n t p9 6 9 2 9 9 德国 m o s s g a r d宽叶香蒲、苔草、 b o d t n t p8 0 3 0 3 8 丹麦 芦苇( 2 5 * 2 0 ) r u g b a l l e g a r d 澳洲芦苇( 8 掌1 2 m ) b o d t n t p8 2 6 2 8 3 丹麦 k a l 澳洲芦苇( 3 8 * 2 0 b o d t n t p5 l l o 1 1 丹麦m ) h o l t b y坡度5 、流量 b o d s s n h 4 + - n 英国 3 0 m 3 d o p 0 4 3 - p c a s t l e r o e 芦苇、2 个土壤床、 b o d s s n h 4 + - n 北爱尔兰 2 个砂砾床、 o p 0 4 3 - p 坡度2 4 、流量 5 m 3 d 白泥坑 b o d s s n h 4 + - n 9 5 o l 9 3 0 3 9 4 中国深圳 o p 0 4 3 _ p 2 8 2 荷兰于1 9 6 7 年也发明了一种水深为0 4 m 。长为4 0 0 m 的大规模人工湿地处 理系统，这次建设在荷兰也引起了大量的湿地的建成。在欧洲，已近5 0 0 0 个人 i o 武汉理i ：人学硕十学位论文 工湿地投入各种污水的处理中。 在北美，由于欧洲早期人工湿地的影响，美国也丌始采用厌氧微生物和芦 苇处理污水，而且美国研究了水生植物，并对各种基质进行了研究，人们意识 到人工湿地具有应用的巨大潜力。在北美已经建成了6 5 0 个自然的或人工湿地。 英国也有2 0 0 到3 0 0 座人工湿地系统在运行，起初，大多数人工湿地应用 于生活污水及矿山酸性废水的处理，目前已有用于垃圾渗滤液、食品加工、造 纸废水和石油工业废水处理的报道，甚至有的用于处理一些难降解有毒有机物， 如菲和除草剂等。随着对氮、磷标准要求的提高，人工湿地研究热点逐渐转向 脱氮除磷。悉尼大学的m a n n a r a ( 1 9 8 7 ) 对采用砾石和j 【业废弃物作用填料的人 工湿地系统进行了研究。在小试中试验表明：炉渣对磷的吸附容量最大，砾石 则较差m 1 。 英国爱丁堡大学的d r i z o ( 1 9 9 7 ) 对人工湿地采用的矾土、页岩、油页岩、石 灰石、沸石、膨润土和粉尘等七种填料进行了系统研究。试验表明页岩的吸附 容量最高，其次为矾土。随后湿地填料的研究范围更为拓宽，例如沸石矿也被 作为填料应用到各种型式的人工湿地系统中。总之，在填料的选择中也充分考 虑到填料对氮、磷吸附能力。 我国对污水人工湿地的生物处理的研究是在“七五 期间。首例是1 9 9 0 年 在北京昌平建设的自由水面流人工湿地。国内于1 9 9 0 年，国家环境保护总局华 南环境科学研究所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建造了人工湿地系统示范工 程，采用的潜流湿地与稳定塘相结合的形式。在深圳雁阳，四川成都活水公园、 天津等地也建立很人工湿地，且对人工湿地的处理效果进行了深入的比较研究， 都对机制进行了深入的研究，目前对于全世界来 兑也是个难题。北京市环保所 和天津市环保所对芦苇湿地处理城市和郊县生活污水也进行了研究f 4 0 1 。 中国科学院水生生物研究所也从早期就丌始对污水生物处理进行研究，也 是最早开始湿地生态工程的研究的单位，中国科学院水生生物研究所研究的垂 直流人工湿地已经得到了全世界的认可，取得了突出成绩和丰硕的科研成果， 例如获得国家科技进步二等奖。 人工湿地中的微生物的研究主要集中在微生物的种类、数量以及投配污水 后对微生物的影响上。胡洪营等采用酮指纹法( q u i n o n ep r o f i l e ) 预l j 定了人工湿地 中微生物群落结构，对人工湿地中不同层次和断面的微生物群落进行分析1 。周 巧红等对复合垂直流人工湿地基质中葡萄糖昔酶、脱氧酶酶活性等6 种酶活性 和5 种细菌生理类群数量进行了测定，结果表明，两者在活性强度以及空自j 分 武汉理l 二人学硕十学位论文 布规律上呈一致型f 4 2 1 。吴振斌等对人工湿地植物根区土壤酶活性与污水净化效果 进行了分析，结果表明，脉酶的活性与总氮的去除率有较明显的相关关系，而 其磷酸酶的活性与总磷的去除率相关性不显著，同时其磷酸酶和脉酶的活性与 b o d 5 及c o d 的去除率都不呈显著相关i 孙1 。 目前在世界各地运行着的许多湿地在污水处理中发挥着重要作用。然而， 它们对有机物、氮、磷的去除表现不尽一样。这除了与环境、水质和湿地形式 有关外，还与湿地的设计方法，水力学特性有着直接的关系。许多湿地尽管在 小型试验中表现得非常好，但一旦运用到实际工程中却往往达不到预期的效果 1 4 4 1 。经过5 0 余年的发展，人工湿地已经在全世界范围内得到了比较广泛的应用； 但是人工湿地也存在一些缺陷，作为一门新技术也存在许多难以解决的问题。 未能对人工湿地中的相关的生物学、水力学分析有个全面的解析；人工湿地也 还缺乏比较完善的设计规范资料，国家还没有形成一个统一的规范标准；随着 人工湿地的运行时间的延长，特别是运行维护的问题，稍有不对，易造成阻塞 现象，且基质的吸附能力达到饱和后，也对人工时的处理效果产生一定的影响； 或者由于没有同意的标准，在设计过程中由于设计不合理易造成表面集水，且 长时间运行后可能出现害虫；植物和微生物的自身生长周期也对人工湿地的运 行有一定的影响。 1 4 本课题的选题来源和研究意义 1 4 1 课题来源 课题来源：国家十一五支撑计划重点项目课题( 2 0 0 7 b a b l 5 8 0 0 ) 1 4 2 研究目的与意义 研究目的：对b b f + 人工湿地耦合系统进行优化，使其优势互补，对高磷铁 矿矿山尾矿模拟废水进行处理达到城镇污水处理厂污染物排放标g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级排放标准。 研究意义： 新型填料生物膜法+ 人工湿地联合工艺在处理酸性尾矿废水有其独到的优 势： 1 2 武汉理t ：人学硕十学位论文 ( 1 ) 从效益方面讲，该工艺不仅造价低，操作简单，运行费用低，效果好， 而且湿地设计简单大方，植物美观，有很好的景观效应；同时，该工艺便于分 散处理分散污水，减少疾病传播等社会效益，符合实情，易于推广。 ( 2 ) 从处理效果讲，两个工艺的联合优化不仅很大限度的保证出水水质稳 定，弱化不良温度，天气等不良因素的影响。使出水水质更稳定；而且在温度 适宜时，缩短生物膜反应器水力停留时间，可以在保证水质的前提下增大处理 量。 ( 3 ) 从技术方面讲，生物膜反应器和人工湿地可以达到优势互补。一方面， 生物膜反应器对s s 。b o d 良好的去处在很大程度上阻止或者延缓湿地的堵塞， 另一方面，湿地较好的脱氮除磷，尤其可以去除尾矿废水中的重金属，可以弥 补生物膜反应器的不足。 ( 4 ) 另外，而有机负荷在某种程度上决定湿地的设计面积，而生物膜反应 器能很好的降低有机负荷，从理论上可以减小湿地的设计面积，从而减小整个 系统的面积，缓解小城镇也逐渐紧张的用地。 1 4 3 研究的创新点 创新点t ( 1 ) 采用新型天然高分子材料做载体，污泥产量低，易于分解处理，无二 次污染，且对新型天然高分子材料进行改性，缩短挂膜时间，提高了去除率。 ( 2 ) 组合工艺优势互补，解决两个工艺单独运行出水水质不稳定的缺陷。 武汉理1 j 人学硕十学何论文 第2 章试验材料与方法 2 1 挂膜试验材料与方法 2 1 1 试验地点和原水水质 试验装置位于武汉理工大学资源与环境工程学院水处理实验室可以方便地 提取院内生活污水、自来水，以及通过添加污染物质而调配成工程研究所需的 各种不同性质和浓度的实验用水，而且，利用院内分析测试仪器作试验分析研 究。实验场出水直接排入本院下水道，具有原水调配容易、试验操作管理方便 等优点。 试验中采用的是根据人工配置的模拟废水。试验水质参数见表2 1 。 表2 - 1 试验污水( 进水) 水质指标 2 1 2 测试方法与仪器 本试验主要监测的项目有化学需氧量( c o d ) 、氨氮( n h 3 。n ) ，各项水质指 标采用水和废水监测分析方法( 第4 版) 标准测试方法进行。其中，p h 值采 用p h s 2 3 c 精密