（环境工程专业论文）多级串联潜流人工湿地系统处理制革废水的研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的发展和城市化进程的加快，水污染日趋严重，目前对污染 水体的治理技术己成为重要的研究课题。人工湿地技术具有结构简单、建设运 行费用低、抗冲击能力强、出水水质稳定等优点，其综合价值正受到人们的日 益关注。本文阐述了多级串联潜流人工湿地小试系统的设计，并考察了其对不 同浓度的制革废水的处理效果。主要研究成果如下： ( 1 ) 本文通过静态吸附实验考察了粉煤灰、鹅卵石和砂土三种基质对制革 废水中c o d 、氨氮、氯化物、六价铬和总铬的吸附性能。结果表明：l a n g r n u i r 模型和f r e u n d l i c h 模型都能很好地描述三种基质的等温吸附过程。三种基质对制 革废水中污染物的吸附能力不同，三种基质的吸附性能都依次为粉煤灰 鹅卵石 砂土。 ( 2 ) 人工湿地系统分别处理不同浓度的制革废水，实验i ( 2 0 1 0 年8 月1 日_ 2 0 l o 年8 月1 5 日) ，实验i i ( 2 0 1 0 年9 月1 日2 0 1 0 年9 月1 5 日) 和实 验h i ( 2 0 1 0 年1 0 月1 日2 0 1 0 年1 0 月1 5 日) 。湿地系统从8 月到1 1 月对c o d 的最终去除率都在8 5 以上；对氨氮的最终去除率都在8 0 以上，对氯化物的 去除率也均在6 0 以上；对总铬的最终去除率都在9 8 以上。同时建立无植物 的对照系统与第l 级湿地系统进行对比，第1 级湿地系统出水的各项指标去除效 果均明显好于无植物的对照系统。 ( 3 ) 本研究从植物富集铬和含铬植物生长情况两方面评价了凤眼莲、美人 蕉和黄菖蒲三种人工湿地植物对制革废水中铬的富集能力。结果表明：在实验 期内，铬浓度为2 4 7 m g l 时，风眼莲的根、美人蕉的根、凤眼莲的叶、美人蕉 的叶和黄菖蒲的叶中铬的最高含量分别为7 1 1 7 3 2 m g k g 、4 6 4 3 2 8 m g k g 、 1 3 1 4 5 1 m g k g 、8 1 4 2 5 m g k g 和6 2 1 3 7 m g k g ；铬浓度为3 3 0 m g l 时，风眼莲的 根、美人蕉的根、凤眼莲的叶、美人蕉的叶和黄菖蒲的叶中铬的最高含量分别 为1 0 11 3 2 7 m g k g 、5 6 4 3 2 0 m g k g 、1 7 1 4 1 m g k g 、9 1 4 2 5 m g k g 和7 2 1 0 7 m g k g ； 铬浓度为4 9 5 m g l 时，凤眼莲的根、美人蕉的根、风眼莲的叶、美人蕉的叶和 黄菖蒲的叶中铬的最高含量分别为4 4 1 7 4 7 6 m g k g 、1 0 3 2 9 6 7 m g k g 、 2 5 8 9 1 2 m g k g 、1 8 7 5 1 2 m g k g 和1 2 1 6 2 3 m g k g 。上述表明，在实验条件下，湿地 植物中铬的含量为：风眼莲( 根) 美人蕉( 根) 风眼莲( 叶) 美人蕉( 叶) 摘要 黄菖蒲( 叶) 。 以上实验表明人工湿地系统对不同浓度制革废水均有很好的去除效果，同 时植物的存在有利于对水质的净化。故人工湿地是一种有效的污水处理技术。 关键词：多级串联潜流人工湿地；制革废水；基质；湿地植物 i i a b s t r a c t a b s t r a c t n 坨w a t e re n v i r o n m e n th a sb e e nc o n t a m i n a t e ds e r i o u s l yw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fe c o n o m ya n du r b a n i z a t i o ni nc h i n a a tp r e s e n t ，i tw a sa r ti m p o r t a n tt a s kt or e s t o r e t h ep o l l u t e dw a t e rb o d y a sa l le c o l o g i c a lt e c h n o l o g yf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t , c o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sm o r ea d v a n t a g e st h a no t h e rt e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss i m p l ei n s t r u c t u r e ，l o wi n v e s t m e n ti nb u i l d i n ga n do p e r a t i o n , s t r o n gi na n t i s t r i k ea n d s t a b i l i z a t i o ni 1 1e f f l u e n tq u a l i t y 硼1 ec o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sb e e ng r a d u a l l yr e c e i v e d r e c o g n i t i o na n dw i d ea p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ee f f i c i e n c i e so fas m a l ls c a l e m u l t i - s t e ps e r i e ss u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ( s f c w ) o nr e m o v a lo ft a n n i n g w a s t e w a t e rw i t ht h r e ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sw e r ee x a m e d n em a i nc o n c l u s i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o nw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n t a m i n a n ta d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn ya s h , c o b b l ea n ds a n dw e r e s t u d i e dt h r o u g hi s o t h e r mb a t c h e x p e r i m e n t st ot h ec o d 、n h 4 + n 、c h l o r i d e 、c r 6 + a n dt o t a lc h r o m i u mi nt a n n i n gw a s t e w a t e r r e s u l t ss h o w e dt h a tl a n g r n u i re q u a t i o n s a n df r e u n d l i c he q u a t i o n sw e r ef i tt ot h em e a s u r e dd a t a t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo f t h r e es u b s t r a t e sv a r y e da m o n gc o n t a m i n a n t s 1 1 圮a d s o r p t i o nc a p a c i t yf o l l o w e dt h e o r d e ro ff l ya s h c o b b l e s a n d ( 2 ) i n f l u e n tw i t hd i f f e r e n tt a n n i n gw a s t e w a t e rc o n c e n r a t i o n sw e r et r e a t e di n e x p e r i m e n ti ( a u g u s t1 ，2 0 1 0t oa u g u s t1 5 ，2 0 1 0 ) ，e x p e r i m e n ti i ( s e p t e m b e r1 ，2 0 1 0 t os e p t e m b e r15 ，2 010 ) a n de x p e r i m e n t1 1 1 ( o c t o b e r1 ，2 010t oo c t o b e r15 ，2 010 ) r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef i n a lr e m o v a le f f i c i e n c i e s ( f r o mt h et h r e ee x p e r i m e n t s ) o f c o dw e r ea l la b o v e8 5 n 地f m a lr e m o v a le f f l c i e n c i e so fn h 4 + - h iw e r ea l la b o v e 8 0 n l ef i n a lr e m o v a le f f l c i e n c i e so ft o t a lc h r o m i u mw e r ea l la b o v e9 8 啊艟r o l e o fp l a n te x i s t e di nt h er e a c t o rw a si n v e s t i g a t e db yu s i n gan o n - p l a n t e dr e a c t o ra s c o m p a r i s o n r e s u l t si n d i c a t e dt h a tp l a n t se x i s t i n gi nt h et r e a t m e n ts y s t e mc o u l d e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fas f c w ( 3 ) t h ec h r o m i u ma c c u m u l a t i o na b i l i t yo f t h r e ew e t l a n dp l a n t s ( e g e i c h h o r n i a c r a s s i p e s , c a n n ai n d i c a , l r i sp s e u d a c o r u s 厶) w a se v a l u a t e dt h r o u g ha c c u m u l a t i o n e x p e r i m e n t s r e s u l t ss h o w e d ：d u r i n gt h es t u d yp e r i o d , w h e nc h r o m i u mc o n c e n t r a - i i i a b s t r a c t t i o nw a s2 4 7 m g l ，t h em a x i m u mc h r o m i u mc o n t e n t si nr o o to fe i c h h o r n i a c r a s s i p e s ，r o o to fc a n n ai n d i c a ，l e a fo fe i c h h o r n h 了c r a s s i p e s ，l e a fo f a r r s p s e u d a c o r u sl w c l e711 7 3 2 m g k g 、4 6 4 3 2 8 m g k g 、131 4 51 m g k g 、81 4 2 5 m g k ga n d 6 2 13 7 m g k gr e s p e c t i v e l y w h i l ec h r o m i u mc o n c e n t r a t i o nw a s3 3 0 m g l ，t h e m a x i m u mc h r o m i u mc o n t e n t si nr o o to fe i c h h o r n i ac r a s s i p e s ，r o o to fc a n n a i n d i c a ，l e a fo fe i c h h o r n i ac r a s s i p e s ，l e a fo fl r i sp s e u d a c o r u s 三w e r e1011 3 2 7 m g k g ， 5 6 4 3 2 0 m g k g ，17 1 41m g k g , 9 1 4 2 5 m g k g a n d7 2 10 7 m g k gr e s p e c t i v e l y t h e y w e r e 4 4 1 7 4 7 6 m g k g 、1 0 3 2 9 6 7 m g k g 、2 5 8 9 1 2 m g k g 、1 8 7 5 1 2 m g k g a n d 12 1 6 2 3 m g k g w h e nc h r o m i u mc o n c e n t r a t i o nw a s4 9 5 m g l ，w h i c hs h o w e d c h r o m i u mc o n t e n ti np a r t so ft h et h r e ep l a n t sw e r e ：r o o to fe i c h h o r n i ac r a s s i p e s r o o to f c a n n ai n d i c a l e a f o f e i c h h o r n i ac r a s s i p e s t e a f o f c a n n ai n d i c a 尼矿矿 i r i sp s e u d a c o r u s 厶 d u r i n gt h e s ee x p e r i m e n t s ，i tw a se v i d e n tt h a tt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sg o o d e f f e c to nt r e a t i n gt a n n i n gw a s t e w a t e ra td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s a tt h es a m et i m e ， t h ep l a n te x i a e n c ew a sa d v a n t a g e o u st 0w a t e rp u r i f i c a t i o n k e yw o r d s ：t h em u l t i s t e ps e r i e ss u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ；t a n n i n g w a s t e w a t e r ；s u b s t r a t e ；w e t l a n dp l a n t s i v 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 制革废水的特点、危害及处理方法 1 1 1 我国制革工艺 制革工业是我国传统工业之一，现如今我国已成为世界皮革行业大国。中 国制革行业是由制鞋、制革、皮革服装、皮具、毛皮及制品五个主体行业，以 及皮革科技、皮革化工、皮革机械、皮革五金、鞋用材料等配套行业组成。经 过2 0 多年的快速发展，我国皮革行业已形成从生产、经营、科研，到人才培养 的完整体系。中国已成为世界主要皮革、毛皮及其制品生产地区之一。制革工 业是我国轻工业重要的工业部门之一，其主要任务是生产毛皮、皮革及其制品。 制革工艺是一个物理、化学变化的过程，为使工艺过程能够顺利进行并获 得优质的革产品，需使各种工艺参数相互匹配，即在制订毛皮、制革生产工艺 时，必须注意工艺平衡。根据原料皮的种类及其防腐方法、制革企业的生产条 件以及产品品质要求的不同，制革生产过程一般有3 0 至5 0 多道工序。为了生 产技术管理方便，常将这些工序分为鞣前准备、鞣制、鞣后湿加工、干燥及整 饰四大工段，这四大工段在制革生产过程中相互联系、不可分割【1 1 。 1 1 2 制革废水的特点 皮革加工是以动物皮为原料，经物理处理和化学处理而完成。在这一过程 中采用了大量的化工原料，如碱、酸、盐、硫化物、石灰、铬鞣剂、加脂剂、 染料、复鞣剂等，其中相当一部分进入水中。同时，在制革加工过程中，大量 的蛋白质、脂肪等也转移到水中。制革废水是制革工业产生的主要污染物，而 鞣前准备、鞣制和其他湿加工工段排出的废液是制革工业污染的最主要来源。 制革废水具有以下几方面的特点【2 3 】： 1 1 2 1 水质、水量波动大 由于制革原皮品种和工艺不同，造成废水排放量和水质也不同。一般每加 工生产一张猪皮约产生废水o 3 o 5 t ，加工生产一张盐湿牛皮约产生废水1 1 5 t ，加工生产一张羊皮约产生废水0 2 - - - 0 3 t 。由于制革生产工序大都在转鼓内 第1 章文献综述 完成，因此，每一工序排水都是间歇式排出，导致排水的时流量和日流量有较 大波动变化。对于制革废水，由于这个行业的生产工艺的特点，决定着其工艺 路线长、工序多，而每个工序所排放的废水水质差别较大。制革废水的最重要 特点是水质、水量波动大，水量总变化系数达到2 左右，而水质的变化系数更 大，能达到l o 左右。 1 1 2 2 高含盐量、高悬浮物、产生污泥量大 制革废水中的含盐量可高达3 0 0 0 m g l ， 中性盐。这些中性盐主要来源于原皮脱灰、 业的中性盐污染是较难处理的问题。 其中包括大量的氯化物、硫酸盐等 鞣制、保藏和浸酸等工序，制革工 原皮在制备皮革时，会有大量蓝边皮、皮边毛、碎肉、皮屑、皮渣等进入 废水，使得废水中悬浮固体浓度高达数千毫克升。高浓度的悬浮固体进入废水 中不但会造成有机物的浓度高、固液分离的难度大，而且还会产生大量的有机 污泥。有机污泥中夹带有原皮上的污血、泥砂以及生产过程中添加的盐类和石 灰，污泥体积占到废水总量的5 以上。悬浮固体和制革污泥的处理与处置也是 制革废水处理的难点。 1 1 2 3 可生化性较好 制革废水中含有大量的脂肪、可溶性蛋白和甲酸等有机物，使制革废水的 b o d 5 c o d 比值在0 4 0 - - 0 4 5 之间，具有可生化性。 1 1 2 4 高色度、高p h 值 制革废水的色度是由染色、铬鞣、植鞣和灰碱液废水综合形成，稀释倍数 一般在6 0 0 - - - 3 6 0 0 倍之间。脱毛膨胀工序一般需使用石灰、烧碱和硫化物等， 故造成制革废水的p h 值在8 - - 1 0 之间。 1 1 2 5 废水含s 2 和总铬等无机有毒化合物 脱毛时加的n a 2 s 和鞣制工段加的铬鞣剂，会使制革废水中含有s 2 。和铬( c ， 和c r 6 * ) ，其均为毒性物质。通常当废水中c p 含量达到1 7 m g l 时，便会对微 生物产生一定的抑制作用。另外，c ，和c ，能在动植物体内富集，从而对人体 健康产生长远影响。生化处理工艺要求的s 2 。的最高允许浓度为2 0 m g l ，高浓度 硫化物进入生物处理工艺还会影响活性污泥的沉降性能，导致固液分离效果变 差，从而影响出水水质。 2 第1 章文献综述 1 1 2 6 酚类污染 制革废水中的酚类主要来自于各种防腐剂和合成鞣剂等。酚是种对人体及 水生生物有严重危害的有毒物质，在g b 8 9 7 8 1 9 综合污水排放标准中规定酚 类允许排放的最高浓度是0 5 m g l 。 1 1 2 7 臭味 制革废水中含有大量的硫化物和蛋白质，这些物质的分解会导致废水具有 强烈刺鼻的臭味。 综上所述，制革废水水量大、水质波动大、污染负荷高、有一定的毒性， 属于以有机物为主体的综合性污染，必须加以处理。 1 1 3 制革废水的危害 由于制革废水中铬、硫及有机物含量高，且污泥产生量大，未达标制革废 水的排放会对人体健康和生态环境会产生以下几方面危害【4 捌： 1 1 3 1 铬离子危害 制革废水中的铬主要以c r 3 + 的形态存在，含量在6 0 - 1 0 0 m g l 之间。虽然 c ，比c ，对人体的直接危害小，但是它能在动植物体内产生富集，会对人体健 康产生长远的影响。 1 1 3 2c o d 和b o d 危害 制革废水中蛋白质等有机物的含量很高，而且废水中还含有一些还原性物 质，所以c o d 值和b o d 值都很高。如果制革废水不经处理直接排放会使水体 中的细菌大量繁殖，引起水源污染。同时，这些有机物排入水体后会大量消耗 水体中的溶解氧，而当水中的溶解氧低于4 m g t , 时，会导致鱼类等水生生物呼 吸困难甚至死亡，从而严重影响了水体生态平衡。 1 1 3 3 氯化物和硫酸盐危害 制革废水的氯化物和硫酸盐的含量一般在2 0 0 0 - - - 3 0 0 0 m g l 。当饮用水中氯 化物的含量超过5 0 0 m g l 时可明显地尝出咸味，高过4 0 0 0 m g l 时就会对人体产 生危害。而硫酸盐含量超过1 0 0 m g l 时就会使水味变苦，饮用后易产生腹泻。 1 1 3 4 碱性危害 第1 章文献综述 制革废水总体上呈碱性，综合废水p h 值约在8 1 0 之间。若不处理的话， 会影响地面水体p h 值和动植物的正常生长。 1 1 3 5 悬浮物危害 制革废水中的悬浮物可高达2 0 0 0 4 0 0 0 m g l ，这些固体悬浮物若不经处理 而直接排放，则会堵塞排水管道、排水沟和泵机等。另外，大量有机物及油脂 还会使地面水耗氧量增高，不但污染了水体还会危及到水生生物的生存。 1 1 3 6 色度危害 制革废水的色度较大，采用稀释法测定其稀释倍数，一般在6 0 0 3 6 0 0 倍 之间。若废水不经适当处理而直接排放，将会对地面水造成不正常的颜色，影 响水质。 1 1 3 7 硫化物 制革废水中含硫废液在遇到酸时易产生h 2 s 气体，含硫污泥在厌氧情况下 也会释放出h 2 s 气体。h 2 s 是剧毒气体，对人的危害性极大。 1 1 4 制革综合废水的处理方法 目前对于国内外制革企业来说，基本上都采用物理化学处理法、生化处理 法和分隔处理法的工艺流程。 1 1 4 1 物理化学处理法 最常用的是混凝气浮法和混凝沉淀法。制革废水中含有大量的s 2 、c ，等 有害成分，还含有大量的表面活性剂、染料、单宁和蛋白质等难降解有机物。 这些物质采用化学沉淀法及气浮法能有效去除这些物质，而且还可减轻生物处 理的负荷。 陈立军等 z l 研究了超滤在制革废水处理中的应用，超滤独特的处理过程使制 革废水中绝大部分物质可被回收和再利用。王伟等【8 】选用聚铁( p f c ) 、聚铝 ( p a c ) 、聚铁硅( p f c s i ) 、聚铝硅( p a c s i ) 4 种无机高分子絮凝剂，对实际制 革废水进行了处理。结果表明：聚铁硅和聚铝硅的絮凝效果要明显优于单纯的 聚铁和聚铝；得到了不同絮凝剂处理制革废水时的最佳工艺条件，并结合生产 实际提出了相关建议。朱淑琴等【9 】采用混凝沉淀微滤工艺对制革废水进行实 验研究。结果表明，用含硫酸亚铁酸洗废液作混凝剂是行之有效的，经此艺处 4 第1 章文献综述 理后，c o d 、b o d 5 、s s 和色度的去除率分别为8 0 4 、8 7 2 、8 8 6 和9 1 7 。 处理后废水水质达到排放标准。此工艺具有很好的应用前景，尤其适合北方寒 冷地区。史亚君【l o 】采用纳米t i 0 2 光催化氧化法对实际制革废水进行了处理，处 理后出水c o d 和色度去除率分别达到6 5 o 和9 1 4 ，且可生化性大大提高。 隋智慧【l l 】以煤矸石及硫酸烧渣做原料，制备了一种新型复合絮凝剂p b k d ，并 将其用于制革废水的处理。此法具有混凝沉降速度快、处理废水费用低等特点。 1 1 4 2 生化处理法 制革废水的b o d c o d e r 值约在0 4 0 - - 0 4 5 之间，可生化性较好。但制革废 水的生化降解速率很慢，约为生活污水的1 3 ，当生化处理时间超过2 0 h 后，c o d 的去除率才达到7 5 。制革企业中常用的生化处理方法有活性污泥法、氧化沟 法、生物接触氧化法等。最近有少数企业采用序批式活性污泥法( s b r 法) 处 理制革废水，收到了较好的效果。这几种好氧生化处理工艺各有优缺点，运行 的规模参差不齐，各地在使用时处理效果有较大的差别。吕波【1 2 】采用生物接触 氧化工艺处理制革废水。该工艺不需要设污泥回流系统，也不存在污泥膨胀问 题，组合简明合理，处理效果稳定，对s s 、c o d e r 、b o d 5 均有较高的去除率， 运行管理方便，能够保证出水水质。迟莉娜【1 3 】采用新型流化床工艺处理制革废 水，c o d 去除率达8 0 以上，b o d 去除率达8 6 以上，出水达到国家二级排放 标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 。经对比研究可知，此法无论在处理效果还是在经济效益 等方面均具有优势。c d ii a c o n i 等【1 4 】人采用s b r 来处理实际的制革废水。研究 结果表明，c o d 、n h 4 + - n 、t s s 的去除率较高，分别为9 7 、9 8 、9 9 9 。e l k e g e n s c h o 等【l5 】人采用两级式厌氧处理的方法去除制革废水中的硫酸盐。m a t t h i a s w l e m a n n 等【1 6 j 人就制革废水中硫化物对厌氧微生物的抑制作用进行了调查研 究。 目前，国内外制革工业通常将上述物化处理和生化处理相结合，此法投资 省，运行费用低，能够稳定达标排放。罗浩【l 刀研究了c a f 空穴气浮一生物接触 氧化工艺在制革废水处理中的应用，经预处理的综合制革废水采用c a f 系统混 凝气浮一接触氧化工艺处理，其工艺路线合理，实际效果显著。该方法具有投 资省、占地少、运行费用低、操作方便、性能稳定、处理效果好的优点。陈永 存等【l 副采用“预处理一混凝一水解酸化一循环式活性污泥法 处理制革废水， 研究了c t e c h 池曝气时间与c o d e r 、n h a - n 负荷及d o 的变化规律。 5 第1 章文献综述 1 1 4 3 分隔处理法 相对于制革废水集中处理，较合理的是“原液单独处理、综合废水统一处 理 的工艺路线，将浸灰脱毛废水、脱脂废水、铬鞣废水分别进行处理并回收 有价值的资源，然后与其他废水混合统一处理。但对于小型制革厂，该工艺流 程长、费用过高。陈学群【1 9 】对有利条件的制革企业采用分隔治理综合利用后进 行综合治理，一方面有综合利用的价值，另一方面降低了综合废水的处理难度 值得推广。 1 2 人工湿地污水处理技术 1 2 1 人工湿地的定义 随着我国工业化和城市化的发展，工业废水和生活污水的排放量不断增加。 许多城市出现了水污染问题，已经严重地制约着经济的发展。目前，国内外的 许多城市的废水处理主要是由生化二级污水处理厂来完成的。然而，传统的二 级处理厂因其投资大、耗能高、运行管理技术复杂等特点，很难大量应用于像 我国这样的发展中国家。因此，发展和推广简便有效的废水处理技术是改变目 前水资源缺乏状况的重要途径之一。人工湿地是适应时代发展的一种污水处理 系统，并可发展成为城市的一个旅游景观。 人工湿地是为处理废水而人为设计建造的，是二十世纪七八十年代发展起 来的新型废水处理工艺。美国著名的湿地研究、设计与管理专家h a m m e r 博士 等【2 0 】将人工湿地定义为“为了人类的利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建 造的由人工基质、湿地植物、微生物和水体组成的复合体 。人工湿地是根据天 然湿地净化废水的原理，通过人工建造和监督控制来强化其净化能力的废水处 理技术【2 1 2 2 1 。人工湿地一般由人工基质、湿地植物和微生物组成，是一个独特的 基质一植物一微生物生态系统。 在湿地系统的设计工程中，应尽可能增加水流在基质床中的曲折性以增加 系统的稳定性和处理能力。在实际设计过程中，常将湿地多级串联、并联运行， 或加一些必要的预处理、深度处理设施而构成完整的废水处理系统【2 3 洲。 1 2 2 人工湿地的类型 人工湿地发展至今，已经发展出了多种湿地类型。不同的湿地类型，其废 6 第1 章文献综述 水中污染物的去除机理不同，处理效果相差也较大。大体上人工湿地可以分为 三种类型【2 5 】：表面流型、水平潜流型和垂直流型人工湿地。三种类型人工湿地 处理废水系统比较见表1 2 。 表1 2 三种类型人工湿地处理污水系统比较1 2 6 - 3 0 1 t a b l e i 2t h ec o m p a r i s o no f t h r e ek i n d so f c w ss y s t e m 特征表面流湿地水平潜流湿地垂直流湿地 表面向基质底部纵向 水体流动表面漫流基质下水平流动 流动 水力负荷较低较高较高 投资费用低较高高 处理效果一般 对有机物和重金属去除较好相对复杂 占地面积很大大小 系统控制简单、受季节影响大相对复杂 相对复杂 处理水量小较大大 因特征污染物的不同 基质选择多以自然土壤为基质因特征污染物的不同而不同 而不同 处理时间长短 短 处理效果 较差较好好 受气候影响大，夏季 环境状况良好夏季有恶毒，孳生蚊蝇 有恶臭，孳生蚊蝇 对b o d 、c o d 等有机物和重 去除效果一般 对n 、p 去除效果好 金属去除效果好 1 2 3 人工湿地的组成及功能 人工湿地一般都由五部分组成：适于在饱和水以及厌氧基质中生长的湿 地植物，如凤眼莲、美人蕉、芦苇等；好氧或厌氧微生物种群；水体( 在 基质表面下或者表面上流动的水) ；具有透水性质的基质，如砂土、砾石、土 壤等；无脊椎或脊椎动物3 1 1 。其中基质、湿地植物和微生物是人工湿地中最 主要的组成部分。 。 1 2 3 1 湿地植物 湿地植物是人工湿地的核心，通过自身的生长及协助湿地内的物理、化学、 生物等作用去除废水中的污染物【3 2 1 ，并且促进废水中营养物质的循环和再利用。 7 第1 章文献综述 湿地植物还可以延长废水在湿地内的停留时间和沉淀悬浮颗粒物，而且根区为 微生物的生长和降解营养物质提供了必要的场所【3 引。在湿地植物的根区，好氧 微生物占绝对优势；而在根区附近则存在好氧微生物和兼性厌氧微生物；远离 根区的区域，厌氧微生物比较活跃。同时湿地植物还能输送氧气到根区，提高 水在基质中的传导等作用瞰l 。湿地植物使湿地床表面更加稳固，并提供了良好 的物理过滤条件，它使垂直流通系统不受阻碍，防止冬季湿地表面冻结并为微 生物生长提供了巨大的表面支撑。湿地植物还能绿化环境，改善区域气候，促 进生态环境的良性循环。 湿地植物是人工湿地的重要组成部分，选择的恰当与否，将直接关系到人 工湿地的处理效果。湿地植物的选择首先应该考虑增加系统的生物多样性，生 态系统的物种越多，结构越复杂，则其系统的稳定性越高、湿地的寿命越长和 废水的净化效率越高【3 5 聊】。人工湿地湿地植物包括沉水植物、浮水植物和挺水 植物，常用的湿地植物主要有美人蕉、芦苇、香蒲等【3 8 】。某些沉水植物、浮水 植物常被用于人工湿地系统，如水浮萍、风眼莲等，而挺水植物对氮、磷等污 染物质的吸收只在处理能力较小的自由表面流人工湿地中起重要作用。人工湿 地中种植的许多植物对重金属都具有吸收、代谢和累积作用。 1 2 3 2 微生物 微生物是人工湿地净化废水的主要“执行者”，系统中微生物的活动是废水 中有机物降解的主要机制，它们能将有机质转化为营养物质和能量【3 9 4 0 】。常见的 微生物有放线菌、磷细菌、硫细菌、硝化细菌、亚硝化细菌等，它们具有去除 有机物、氮、磷等污染物的作用【4 l 】。人工湿地系统在去除难降解的有机物和有 毒物质时，需要运用微生物的诱发变异特性，培育驯化适宜吸收和分解有机物 和有毒物质的优势细菌进行降解 4 2 , 4 3 1 。 人工湿地在处理废水之前，微生物的数量与自然湿地相差不大。但随着废 水不断进入人工湿地系统，某些微生物的数量就会逐渐增加，并在一定时间内 达到最大值而趋于稳定。李科德等人即4 5 】研究发现芦苇床人工湿地系统的表面根 际的细菌数量可达到1 0 5 个克干重，且趋于稳定。d u n c a n 4 6 】以土壤呼吸量和反 硝化酶活力( d e a ) 等为指标比较了人工湿地与天然湿地中微生物之间的差别， 发现人工湿地中的d e a 显著高于天然湿地，而土壤呼吸量则是天然湿地明显高 于人工湿地。研究同时发现，微生物的数目和种类与废水净化效果也有一定的 8 第1 章文献综述 关系。 1 2 3 3 人工湿地基质 人工湿地基质是人工湿地系统中不可缺少的组成部分，它不但是湿地植物、 微生物生长的载体，而且也为废水提供很好的渗流条件。同时，基质本身的物 理、化学作用也会对污染物起到吸附、截留、络合等作用。另外，在床体内部 填充多孔的、有较大比表面积的基质，可改善湿地的水力学性能，为微生物提 供更大的附着面积，增强系统对污染物的去除能力，因此基质的选择对人工湿 地废水处理系统的处理效果具有重要意义。 人工湿地基质应满足以下条件：松散、容积小、有足够的机械强度、孔隙 率高、比表面积大、不含妨碍工业生产和有害人体健康的有害物质、化学稳定 性良好、吸附能力强、使用周期长等特点。目前，应用较广泛的人工湿地基质 有砂粒、土壤、石块等。为了综合发挥各种材料的优势，人工湿地的基质往往 需要多种材料的组合。这些组合能有效去除废水中的各种污染物质，同时避免 堵塞及延长运行周期。因此，根据废水中污染物的种类、特征等可以选取不同 的材料或采用几种材料组合作为人工湿地的基质。徐丽花等【4 7 】采用沸石一石灰 石复合基质的人工湿地来净化废水，取得很好的处理效果。c d b a r t o n a d k a r a t h a n a s i s 4 8 】利用石灰石和其他基质的组合来处理酸性矿区废水，处理效 果极佳。k r r e d d y 4 9 】在研究中也发现，在人工湿地中7 - - 8 7 的磷可以通过沉淀 或吸附反应而降解。与天然湿地相比，人工湿地对污染物的去除很大程度上取 决于基质所起的作用，尤其在植物被收割后，人工湿地床对污染物的去除主要 依赖于基质和微生物的作用m 。 1 2 4 人工湿地的优势和不足 1 2 4 1 优势 ( 1 ) 建设和运营成本低，易于维护 人工湿地系统的结构较简单，运行中易于维护和管理，因此人工湿地系统 的建设和运营成本较低廉，其建设成本( 吨废水投资) 和运营成本( 吨废水处 理费) 约为传统污水处理厂( 如活性污泥法、氧化沟法、生物接触法等) 相应 成本的1 1 0 - - 1 5 左右【5 0 1 ，低廉的基建成本和运营费用使得人工湿地污水处理技 术在国内外应用非常广泛【5 1 。5 3 1 。人工湿地系统单位废水的投资费用为其他类型 9 第1 章文献综述 污水处理厂的1 6 3 4 ，而单位废水处理费用只是其他工艺的十分之_ _ 5 4 , 5 5 1 ； 在能耗方面，由于人工湿地的水力推动特性，在废水处理上基本没有能耗，从 而既在经济上拥有较强的竞争优势，还解决了耗能过程中产生的二氧化碳、二 氧化硫等气体污染大气的问题，从而在源头上避免了环境问题的产生。 ( 2 ) 废水处理系统组合的针对性、多样性 湿地植物和人工基质是人工湿地废水处理系统的重要组成部分。目前研究 和运用较多的湿地植物有芦苇、灯心草、宽叶香蒲、菱白、浮萍、美人蕉、风 眼莲、茳芷等。研究表明，植物对污染物质具有一定的针对性，如菱白、芦苇 对氮、磷等污染物有较好的去除作用【5 6 ，5 7 1 ，宽叶香蒲对p b 、z i l 、c d 等重金属有 较好的去除作用【5 8 】。植物的选取还要参考成活率、经济价值、衍生的微生物种 群等方面的因素。人工基质又称为填料，一般由细沙、粗砂、土壤、砾石、石 灰石、灰渣、沸石等组成。不同的基质对同种污染物质的处理能力是不同的， 而且某些基质的组合要优于单一基质的处理能力。由此可见，人工湿地废水处 理系统的组合具有针对性、多样性，我们可以根据需要来灵活地对其进行选择。 ( 3 ) 对废水的处理效率高 人工湿地废水处理系统的研究数据表明，人工湿地处理废水的效果要优于 传统的废水处理工艺【5 9 1 。一般对c o d 的去除率可达8 0 以上，对b o d 5 的去除 率在8 5 - 9 5 之剐删，对磷的去除率可达9 0 以上，对氮的去除率可达6 0 6 1 1 ， 对重金属如f e 、c u 、p b 、z n 、c d 、m n 等的去除率也很高，大都在9 0 以上。 由于人工湿地的类型、基质、植物、气候、污染物的浓度等方面的差异，故污 染物的去除率具有一定的波动范围【6 2 。 ( 4 ) 绿化环境的功能 由于人工湿地需要栽种有大量的湿地植物，所以它对环境起到了绿化的功 能。大规模的人工湿地不但增加了绿地面积，而且能消除城市热岛效应【6 3 1 。人 工湿地植物还具有很好的观赏价值( 如美人蕉等) 和很高的经济价值( 如芦苇 等) ，能为人们提供一个优美的新型的城市生态景观。因此，人工湿地废水处理 系统在国内外都得到了很好的应用州。 ( 5 ) 可缓冲水力负荷和污染负荷的冲击 人工湿地系统具有较强的耐冲击负荷的能力【6 5 1 。研究表明，在人工湿地系 统中增加污染负荷和延长水力停留时间都能增加污染物的去除率【6 6 , 6 r l 。 ( 6 ) 去除的污染物范围广 1 0 第1 章文献综述 人工湿地去除的污染物范围广泛，包括氮、磷、悬浮物、有机物、微量元 素、病原体、重金属等污染物质。 ( 7 ) 植物的资源化利用 湿地中收割的植物可以回收利用，如芦苇可作为造纸原料；柳树等植物的 皮、叶提取物可治疗风湿病；香薷可用于治疗包括暑湿感冒、恶汗发热、头痛 无汗等症状，也可作为抗菌剂、防霉剂，也可用于提取香料。 ( 8 ) 综合效益高 人工湿地作为一个生态系统，不仅能维持生物多样性及构成景观的一部分， 在去除污染物的同时，还可直接或间接提供水产、畜产、造纸原料、建材、娱 乐和教育等效益，真正实现生态效益、环境效益、社会效益和经济效益的协调 统一【6 羽。 ( 9 ) 具有强大的生态修复功能 人工湿地不仅具有涵养水源、保护生物多样性、降解污染物等特点，还具 有吸收二氧化硫、二氧化碳、氮氧化合物等污染物以及增加氧气、净化空气、 消除城市热岛效应和吸收噪声等环境调节功能。 ( 1 0 ) 处理量灵活 人工湿地由于构造形式多样，且构造都较为简单，因此可根据污水处理厂 的规模，构建合适规模的湿地，灵活控制处理量。同时，由于建设施工方便、 处理设备少、构筑费用较低，一般的居民小区，甚至单独的建筑场所都可以建 立自己的人工湿地系统，因而可以实现就地利用。 ( 1 1 ) 污水资源化 用于人工湿地处理的废水，一方面能使动植物迅速生长，并使人们能在废 水处理过程中获得大量的动植物原料和绿化环境的效益；另一方面，在微生物、 植物和动物生长的过程中吸附、分解、吸收废水中的污染物质，使废水得到净 化【6 9 】。当人工湿地把废水净化到可满足农业及渔业生产的要求时，即可用于灌 溉和养殖【7 0 1 。 ( 1 2 ) 增加绿地面积 人工湿地处理系统所占用的地方变成了可以种养大量植物的绿化地或水 面，为动植物的生长和繁殖提供了充分的条件，从而促进了动植物的生长和繁 殖，促进了当地生态环境的良性循环【7 。 1 2 4 2 不足 1 1 第1 章文献综述 ( 1 ) 受气候条件限制大 人工湿地植物类型的选取受气候条件的限制，例如像凤眼莲、美人蕉等热 带植物不能生长在气候寒冷的地区。而湿地植物选取的恰当与否，将直接关系 着人工湿地系统处理废水效果和经济效益 7 2 1 。故人工湿地受气候条件限制大。 ( 2 ) 占地面积较大 人工湿地污水处理系统需要较大的占地面积【7 3 1 ，尤其表面流人工湿地由于 水力负荷小，需要更大的面积【7 4 1 。因此，在土地空置很少的大城市，人工湿地 系统的选址问题要考虑到环境、经济效益综合最优化、规模化的因素。 ( 3 ) 易产生饱和、淤积现象 人工湿地能有效地去除废水中许多的污染物质，但人工湿地中营养物质和 微生物会逐渐地积累，再加上植物的腐败，如果维护不当，很容易产生淤积、 阻塞现象，使水力传导性、湿地处理效果以及运行寿命都降低。数年内湿地中 基质的吸附能力通常会趋于饱和，这也会影响湿地的处理效果。故人工湿地需 要定期地对基质进行去淤、更换，对植物进行收割。 ( 4 ) 处理机理、工艺设计、影响因素等难以确定 目前由于人工湿地是一种比较新的工艺，因此对其处理机理、工艺参数的 确定和影响因素的研究都还不是很清楚。生物和水力复杂性使对其处理机制、 工艺动力学和影响因素的认识理解都比较困难。 综上，人工湿地污水处理系统的优势起主要作用，其巨大的社会、经济和 环境效益促使许多国家都在积极地克服困难，不断地去研究、应用人工湿地系 统。 1 2 5 人工湿地的国内外研究现状和进展 人工湿地污水处理技术于二十世纪八十年代在英国、加拿大、美国、日本 等地得到了广泛的应用。目前上述国家都有了一定规模的人工湿地系统，美国、 丹麦、英国和德国等国家都有数百座人工湿地系统在