（环境工程专业论文）湿地植物根系泌氧及其对滇池n、p营养物去除的影响研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 i 湿地植物根系泌氧及其对滇池 n p 营养物 去除的影响研究 摘 要 随着人口的增长 工农业生产的发展以及人类不合理开发活动的加剧 越来越多的湖泊沿岸带由于人类的干扰而严重退化 其生态功能严重削弱 直接威胁人类及水体动植物赖以生存的环境退化的湖泊沿岸带容易导致 植被遭到破坏生物多样性下降水质恶化景观美学价值降低洪涝灾 害频繁从而影响人类的身体健康和生命财产安全因此湖泊沿岸带湿地 的重要性可见一斑湿地植物在湖泊沿岸带湿地处理系统中具有重要的作 用如去除污染物根系泌氧加强和维持水力传输为微生物提供栖息 地提高生态美学价值及经济价值因此在湿地处理系统的构建中湿地 植物的选取显得尤为重要湿地植物的选取往往集中于生物量净化能力 和景观效果等但是由于其根系泌氧特征能够使植物根系形成氧化态的微 环境为好氧微生物提供小生境促进污染物的吸收降解同时还能够氧 化湿地植物根系由于长期缺氧形成的还原性有毒物质并能够促进植物养 分的吸收等致使根系泌氧成为近年来研究人员关于湿地植物广泛研究的 重点 本实验研究了滇池沿岸带 8 种湿地植物根系泌氧的特征并通过滇池 水培静态净化实验考察了湿地植物对滇池 tntp 去除的影响进一步得 出根系泌氧对 tntp 去除的相关关系旨在使湿地能够最大限度的发挥 污染治理功能 本实验研究内容及结果如下 太原理工大学硕士研究生学位论文 ii 1对美人蕉马蹄莲茭草菖蒲香蒲芦竹矮慈菇和水芹菜 等 8 种湿地植物进行缺氧驯化利用柠檬酸钛法研究湿地植物的根系泌氧 特征并在不同环境条件下对所述湿地植物的根系泌氧速率进行测定考 察光照强度和环境温度对湿地植物根系泌氧速率的影响结果表明湿地 植物的根系泌氧速率随着光照强度的增强而增加 随着温度的升高而降低 在光照强度为 30mol m - 2 s- 1环境温度为 25湿度为 50%的条件下8 种湿地植物中菖蒲的根系泌氧速率最大达到 6.736molo2h- 1groot-1 芦竹的根系泌氧速率最小为 1.208molo2h-1groot-1按泌氧速率从大到 小顺序排列为菖蒲矮慈菇马蹄莲茭草香蒲水芹菜美人蕉芦竹 2对湿地植物净化滇池水中 np 营养物的效果进行探讨并将其 与无植物对照系统进行对比结果表明除矮慈菇外各植物系统对 tn tp 的去除效果均高于对照系统其中美人蕉菖蒲芦竹香蒲和马蹄莲 对 tn 的去除率均达到 70%以上 茭草和水芹菜对 tn 的去除率较差 分别 为 53.04%36.15%各植物系统对 tn 去除能力的强弱顺序为美人蕉 菖蒲芦竹香蒲马蹄莲茭草水芹菜 水芹菜对 tn 的去除效果不佳 但 是对 tp 有较强的吸收效果其去除率达到 74.8%美人蕉马蹄莲对 tp 的去除率都达到 60%茭草菖蒲香蒲对 tp 的去除率在 40%以上芦 竹对 tp 的去除效果最差仅为 36.24%各植物系统对 tp 去除能力的强弱 顺序为水芹马蹄莲美人蕉茭草菖蒲香蒲芦竹 3通过 origin 软件对湿地植物根系泌氧速率及其对滇池水中 np 营养物去除率的数据进行回归分析结果表明湿地植物根系的泌氧速率 与植物对滇池水中营养物 tntp 的去除率存在正相关关系即泌氧速率 越高tntp 去除率越大 太原理工大学硕士研究生学位论文 iii 关键词湿地植物根系泌氧营养物去除相关性 太原理工大学硕士研究生学位论文 iv r e s e a r c h o n r o l o f w e t l a n d p l a n t s a n d i t s i m p a c t o n r e m o v a l o f n p n u t r i e n t i n d i a n c h i a b s t r a c t with the increase of population, the development of industy and agriculture and the aggravation of irrational human exploiting activities, numbers of lakes and coastal zones degenerated severely and its ecological functions weakened because of human disturbance, becoming a direct threat to the environment on which humans and aquatic organisms rely. the degradation of lakes and coastal zones will easily lead to the destruction of vegetation, decline of biodiversity, deterioration of water quality, decrease of aesthetic values and floods frequently, further affect peoples health and property, so the importance of wetlands to lakes and coastal zonesthe could be seen evident. wetland plants played an important role to wetland treatment system, such as removing pollutants, radial oxygen loss, strengthening and sustaining the hydraulic transmission, providing micro-habitats, improving ecological aesthetic and economic value, so the selection of wetland plants in the 太原理工大学硕士研究生学位论文 v construction of wetland treatment system was particularly important. the selection of wetland plants tend to focus on biomass, purification ability and landscape effects, but because their characteristic of radial oxygen loss could form the oxidation state micro-environment at the roots of the plant, provide the micro-living environment for the aerobic microorganisms, promote the absorption and degradation of the pollutants, also can oxidize the toxic substances which have reducing property due to the oxygen poor during long period, and promote the absorption of the nutrients of the plant, result in the radial oxygen loss into the focal point of wetland plants in recent years. the characteristics of radial oxygen loss of eight kinds of wetland plant along with dianchi lake were studied in this paper, and the effect of the wetland plants to the removal of tn tp from the dianchi lake were researched through the static hydroponic and puring experiments, and further draw on the correlation of radial oxygen loss and the removal of tntp, to make the wetlands to maximize pollution control function. contents and results of this research are as follows: 1 eight kinds of wetland plants, the c.indica, zantedeschia aethiopica spreng, zizania caduciflora, acorus calamus linn, typhaangustifolia, arundo donax, sagittaria pygmaee miq and oenanthe stolonifera d.c were acclimated hypoxia, the radial oxygen loss of wetland plants were studied by using the method of citric acid titanium, and determined rates of radial oxygen loss of wetland plants described under different environmental conditions, the influence 太原理工大学硕士研究生学位论文 vi of the light intensity and environmental temperature on radial oxygen loss of wetland plant were studied. the results showed that: the rate of the radial oxygen loss of wetland plants increased with the light intensity, decreased with the temperature rised. under the condition of light intensity at 30mol m-2 s-1, the ambient temperature at 25, humidity at 50%, in the eight kinds of wetland plants, the largest radial oxygen loss rate from the roots was acorus calamus linn, which was 6.736molo2 h-1 groot-1, the smallest was arundo donax at 1.208molo2 h -1 groot-1, the order arranged by descending the rate of the radial oxygen loss was: acorus calamus linnsagittaria pygmaee miq zantedeschia aethiopica sprengzizania caducifloratyphaangustifolia oenanthe stolonifera d.c. c.indica arundo donax. 2 the results of purifing np nutrients of dianchi lake by wetland plants were discussed and compared with control system without plants, the results showed that: the removal effects of tn, tp from each plant system were higher than the control system except sagittaria pygmaee miq, the tn removal rate of c.indicaacorus calamus linnarundo donax typhaangustifolia zantedeschia aethiopica spreng were all above 70%, the tn removal efficiency by zizania caduciflora and oenanthe stolonifera d.c. were poor, only 53.04% and 36.15% respectively, the removal efficiency of tn by each plant system were arranged as: c.indica acorus calamus linnarundo donaxtyphaangustifoliazantedeschia aethiopica sprengzizania caducifloraoenanthe stolonifera d.c.; oenanthe stolonifera d.c. was 太原理工大学硕士研究生学位论文 vii ineffective on the removal of tn, but had strong absorption for tp, the removal rate reached 74.8%, the removal rate of tp by c.indica, zantedeschia aethiopica spreng were all reached 60%, the removal rate of tp by zizania caducifloraacorus calamus linn and typhaangustifolia were all above 40%, the worst effects on tp was arundo donax, only 36.24%. the effect of removal tp of every plant systems was, oenanthe stolonifera d.c. zantedeschia aethiopica sprengc.indicazizania caducifloraacorus calamus linn typhaangustifolia arundo donax. 3the data of the rate of the radial oxygen loss of wetland plant and the np nutrient removal in dianchi lake were analysised by origin software, the results showed that the rate of the radial oxygen loss of wetland plant were existed a positive correlation with the removal of tntp nutrients from the plants in dianchi lake, that is to say, with the increase of rol, the removal of tntp increase. k e y w o r d s :wetland plants,rol,nutrient removal, correlation 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1 . 1 湿地 湿地是地球上具有多种功能的生态系统与森林海洋并称为地球三大生态系统 是自然界生物多样性最丰富和人类社会赖以生存发展的发祥之地被科学家誉为“自然 之肾”“生命摇篮”“鸟类的乐园” 1.1.1湿地的定义 湿地是大气圈水圈岩土圈与生物圈的交汇之处是重要的自然景观之一是具 有独特水文土壤植被与生物特征的生态系统由于湿地类型繁多不同湿地差别很 大故很难制定出一个确切的定义1956 年美国鱼类与野生生物保护机构对湿地的定 义强调湿地表面暂时的或永久的有浅层积水以挺水植物为其植物特征包括各种类 型的沼泽湿草地浅水湖泊但不包括河流水库和深水湖而目前国际上广泛接 受的是 1971 年由苏联加拿大澳大利亚英国等 36 国在伊朗签署的国际重要湿地 公约中关于湿地的定义不论其为天然或是人工长久或暂时性的沼泽地泥炭地或 水域地带静止或流动的淡水半成水成水水体 包括低潮时水深不超过 6 米的水域 同时还包括邻接湿地的河湖沿岸 沿海区域以及位于湿地范围内的岛屿或低潮时水深不 超过 6 米的海水水体 1.1.2湿地的类型及其特点 湿地的分类与其定义一样也没有统一的标准1990 年 6 月第四届缔约国大会上 发布了新的分类系统将湿地划分为三个大类分别为海滨和海岸湿地内陆湿地和人 工湿地35 种包括海洋和沿海湿地 11 种类型内陆湿地 16 种类型人造湿地 8 种 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 类型该分类系统具有通用性广准确性强类型丰富等特点但是由于湿地类型分 布地区的差异各个国家的湿地分类没有采用统一的标准我国幅员辽阔地形地貌千 差万别气候条件多种多样是世界上湿地类型最齐全数量最丰富的国家之一 与其他生态系统相比湿地生态系统具有以下特点 脆弱性 水是建立和维持湿地及其过程特有类型的最重要的决定因子 水文流动是营养物质 进入湿地系统的主要渠道是湿地生态系统初级生产力的决定性因素因此湿地系统 对水资源具有很强的依赖性由于水文状况容易受自然及人为活动的干扰故湿地生态 系统也极易受到破坏且受破坏后难以恢复因此表现出很强的脆弱性 过渡性 湿地同时具有水生和陆生生态系统的地带性分布特点表现出水陆相兼的过渡性 分布规律 结构和功能的独特性 湿地一般由沼生湿生和水生植物动物微生物等生物因子及与其紧密相关的各 种非生物因子包括阳光水分土壤等构成湿地地处水陆交界的边缘这种边缘效应 使湿地具有独特的资源优势和生态环境特征为多种多样的动植物群落提供了适宜的 生存环境具有较高的生产力和丰富的生物多样性 较强的自净和自我恢复能力 湿地通过水生植物和微生物的共同作用以及生物化学过程吸收固定转化水中 和土壤中的营养物质降解污染物质使水体得到净化因此湿地具有较强的自净和 自我恢复能力 1.1.3湿地的功能与效益 湿地为人类的生产生活和休闲提供多种资源是人类最重要的生存环境水力文 明和水生文明的建立与发展均以湿地为基础 作为地球上独特的生态系统 湿地的物理 化学和生物组成部分交互作用在抵御与调节洪水控制污染降解污染物等环境功能 和生态效益方面具有不可替代的作用是重要的国土资源和自然资源也是野生动植物 尤其是鸟类最重要的栖息地 ? 调蓄洪水 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 湿地在调节水流量和控制洪水方面有重要的作用湿地是一个巨大的生物蓄水库 它能够储存大于其土壤本身重量 3-9 倍或更高的蓄水量洪水进入湿地后部分被储存 与土壤内或以表面水的形式保存于湿地中洪峰降低退水时段增长这就直接减少了 下游的洪水量湿地通过拦截径流蓄积暴雨的方式改变洪峰高度减少洪灾发生 ? 作为地下水的水分补给来源 水从湿地流入地下蓄水系统时地下蓄水层的水得到补充湿地地表水即转化成浅 层地下水这个蓄水层为其他生态系统如工业农业居民提供水源浅层地下水除为 周围地区供水维持水位外还可流入深层地下水系统而成为长期的水源 ? 水质控制 湿地具有去除湿地水流中有机营养物无机营养物有毒污染物和悬浮物的功能 具有很强的降解和转化污染物的能力 湿地生态系统中的许多水生植物不仅具有抵御污 水污染的能力而且还可以吸收和富集水体中重金属离子对于污水的净化起着重要作 用湿地生态系统通过好氧微生物分解有机物如芦苇沼泽地在 16 天内几乎能去除 100%的 bod和 cod1在美国弗罗里达 城镇废水经过柏树沼泽后 98%的氮和 97.5% 的磷被吸收净化河流泛滥的湿地植被密集湿地规模庞大水深变化大有助于减缓 水流的速度从而使水中营养物和悬浮物质沉降在湿地中排除附着在沉积物颗粒上的 有毒物质及养分有益于社区及其下游地区保持良好的水质防止具有防洪和运输功能 的河道淤积洪泛作用还可以恢复土壤养分使这些湿地内的农业受益湿地中的好氧 厌氧过程如反硝化作用和化学沉降也能去除水中的一些化学物 湿地中的反硝化过程 可以排除土壤中的氮素减少环境水质富营养化威胁在此过程中生活在缺氧湿地土 壤中的反硝化细菌把硝酸化合物转变成为氮分子释放于大气中 许多湿地在转移和排除 营养物方面比陆地生境效率高由于可以有效地排除水流中的营养物所以很多天然湿 地被用来处理废水湿地中具有较高的生物生产量因此对植物营养有较高的摄取率 植物死亡或收割后营养物质沉积到湿地或被运出湿地湿地沉积物中存在多种多样的 分解者和分解过程湿地的薄层积水性质导致土水界面交换显著而降低水中的化学 物含量这些都是湿地净化水质的重要因素然而湿地的吸纳能力是有限度的超量 的营养物输入会打破湿地生态系统的平衡机制导致湿地富营养化直至湿地生态系统 崩溃如过量的氮磷输入往往会导致水体爆发水华以及沿海浅海地区的赤潮 等现象 ? 防止盐水侵入 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 在地势较低的沿海地区下层基质是可渗透的淡水层一般位于咸水层的上部并 由沿海的淡水湿地所维持淡水层的减弱或消失往往会导致深层咸水上移或内侵改 变当地生态环境使土地盐碱化淡水水井变为盐水水井等尤其会导致农业灌溉用水 和居民饮水供应的困难因此在沿海地区湿地对于维持淡水层防止盐水浸入起着 非常重要的作用 ? 防止自然力的破坏控制和防护海岸线被侵蚀 湿地植被的自然特性可防止或减轻潮水和风暴对海岸线河口湾和江河湖岸的侵蚀 这是因为植物发达的根系及堆积的植物体对土壤有稳固作用 湿地植被可以削弱海浪和 水流的冲力植被可以拦蓄沉降沉积物提高滩地高度 ? 调节局部小气候 湿地可以调节局部地域的小气候2湿地是多水的自然体由于湿地土壤积水或经 常处于过湿状态水的热容量大地表增温困难而湿地蒸发是水面蒸发的 3 倍蒸发 量越大消耗热量就越多导致湿地地区气温降低气候较周边地区冷湿因此湿地的蒸 腾作用可保持当地的湿度和降雨量在有森林的湿地中大量的降雨通过树木蒸腾和散 发返回到大气中然后又以雨的形式降到周围的地区如果湿地被破坏当地的雨量就 会减少这对该地区的人类活动如农业将产生不利的影响沼泽产生的晨雾可减少附近 的土壤水分丧失 ? 物质循环功能 湿地是全球碳氮硫甲烷等物质循环的重要控制因子湿地中碳的转化对全球 碳循环具有极为重要的影响由于化石燃料的燃烧和森林的砍伐导致了有机质氧化 造成大气中二氧化碳浓度持续升高湿地中的泥炭是全球大气二氧化碳巨大潜在来源 泥炭中二氧化碳的提高与否取决于泥炭积累速度与排水 疏干所造成的氧化速度之间的 平衡而湿地中的甲烷可以作为臭氧层的自动平衡调节器 植物天然氮素的供应主要来自于几种少数的固氮植物和固氮菌对大气氮的固定转 化湿地的硝化作用也可能是肥料氮归还大气的重要途径最靠近氧化层和还原层是反 硝化作用最易发生的地方因为温带湿地大多是富含肥料的农田径流接受者又是反硝 化作用发生的理想地段因此湿地在全球氮平衡中起着极为重要的作用 大气中硫的含量因燃煤排放烟尘而不断增加 降雨会淋洗大气颗粒中的硫降落地面 和水面造成土地和水体的酸化当硫酸盐进入湿地后湿地沉积物强烈的还原条件会 将它们还原为硫化物一部分硫化物能通过硫化氢进入大气层进入硫循环大部分无 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 机硫会与磷和金属形成复合体脱离硫的循环 ? 湿地的生物多样性 湿地生态系统具有非常丰富的生物多样性3包括基因多样性物种多样性和生态 系统多样性杂交水稻的亲本之一是长江中下游湿地分布的野生稻其许多优秀品质是 由其遗传多样性所决定的到目前为止人类所饲养的水禽都是由野生水禽驯化而来 其优秀基因是保持这些品种具有较高抗逆性的基本条件据初步统计中国湿地生态系 统有软体动物 16 种爬行类 93 种昆虫 137 种鸟类 320 种和哺乳动物 24 种其中 国家 1 级保护的鸟类就有 20 余种生活在湿地此外湿地的许多野生鱼类也是现在人 工养殖鱼类的祖先仅山西省就有国家 1 级重点保护鸟类 5 种它们是白鹳遗鸥丹 顶鹤黑鹳和大鸨国家二级重点保护鸟类 12 种中国湿地生态系统有高等植物 156 科 437 属 1388 种其中蕨类植物 8 科 10 属 18 种苔藓植物 31 科 49 属 145 种裸子 植物 3 科 5 属 7 种被子植物 114 科 373 属 1168 种 ? 物质生产功益 湿地生态系统蕴藏着丰富的自然资源 其中许多资源与人民生活和经济建设息息相 关具有重要的物质生产功益湿地生态系统有许多重要的毛皮动物和经济鱼类如水 貂( mustela vison) 河狸( castor fiber) 水獭( lutra lutra) 等美国路易斯安那州毛皮动 物产量的 85%来自湿地生态系统总的经济价值高达 2.65 亿美元其中捕鱼的价值就 高达2089美元/hm2湿地生态系统中的许多植物都具有重要的药用价值 如菖蒲( acorus calamus) 香蒲( thypaspp) 泽泻( alisma orietale) 慈菇( sagittarea sagittifolia) 等具有 补血消炎化淤功效芦苇的根茎具有清热解毒生津止渴利尿镇吐等作用 香蒲的蒲棒和花粉具有消炎止血作用人类食用的水产品大约有 50来自浅海养殖 场和内陆河流湖泊和水库等4湿地生态系统是重要的农业用地后备资源适度开 垦一些湿地生态系统将有利于解决由于人口增加而产生的粮食问题 ? 休闲旅游与美学 湿地具有自然观光旅游娱乐等美学方面的功能中国有许多重要的旅游风景区 都分布在湿地区域滨海的海水沙滩是重要的旅游资源不少湖泊因其自然景色秀丽 壮观而吸引人们向往被开辟为旅游和疗养圣地滇池洱海太湖杭州西湖等都是 著名的风景区除可创造直接的经济效益外还具有重要的文化价值尤其是城市中的 水体在美化环境调节气候为居民提供休憩空间方面有着重要的社会效益 ? 教育与科研价值 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 湿地生态系统多样的动植物群落濒危物种等在科研中都有重要地位它们为 教育和科学研究提供了对象材料和试验基地一些湿地中保留着过去和现在的生物 地理等方面演化进程的信息在研究环境演化古地理方面有着重要价值 1 . 2 人工湿地 1.2.1人工湿地的概念 人工湿地constructed wetland是上世纪七八十年代发展起来的为处理污水而人 为设计建造的新型废水处理工艺由于人工湿地的类型和功能多种多样因此对人工湿 地的定义没有一个统一的规定但综合起来看现在国际上普遍被接受的是由美国著名 的湿地研究设计管理学家 hammer等人对人工湿地做的定义一个为了人类的利益 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物动物和水体组成 的复合体它根据自然湿地生态系统中物理化学和生化反应的协同作用来处理废水 由人工基质和水生植物组成的一个独特的土壤-植物-微生物生态系统1它是一种污水 处理新技术其特点是出水水质好具有较强的氮磷处理能力投资及运行费用低 运行维护管理方便比较适合于管理水平不很高水处理量及水质变化不很大的城郊或 乡村5人工湿地污水处理技术是一种基于自然生态的原理以节能和污水资源化为指 导思想依水体自然净化能力恢复水体本来面貌强调人与自然和谐相处融合了自然 净化和生物膜法等优点将污水净化资源化及美化环境有机结合起来目前已在世界 各地普遍使用 1.2.2人工湿地的类型及其特点 根据植物的存在形式人工湿地主要分为三种类型浮水植物系统沉水植物 系统挺水植物系统 浮水植物系统以浮水植物为主植物繁殖能力强浮水植物种类众多 习性各异 浮水植物的主要作用是增加 np 营养物的去除率和提高传统稳定塘的效率 沉水植物系统以沉水植物为主的湿地处理系统沉水植物光合作用的组织全部潜 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 在水中其嫩枝和根部可以直接吸收水中的营养物质植物从水中和沉积物中吸收营养 物质的多少因植物种类而异沉水植物对废水处理的作用机理目前仍处于实验研究阶 段其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的深度处理 挺水植物系统以挺水植物为主的湿地处理系统目前一般所指的人工湿地系统都 是指挺水植物型系统挺水植物人工湿地有多种形式根据流动方式的不同可划分为表 面流人工湿地和潜流人工湿地 从工程的角度出发 按照人工湿地处理系统布水方式的不同或水流方式的不同 人工湿地可分为自由表面流人工湿地surface flow constructed wetlandssfw水平 潜流人工湿地 subsurface flow constructed wetlands ssfw 和垂直流人工湿地 vertical flow constructed wetlandsvfw 表面流人工湿地污水从人工湿地系统表面流过溶解氧通过大气富氧补给这种 类型的人工湿地与自然湿地最相近但是其污染物去除效果优于自然湿地系统常用的 湿地植物包括芦苇香蒲莎草慈姑等表面流人工湿地的水力负荷较小藻类和浮 叶植物在水体表面可以自由生长 由于浮叶植物跟挺水植物相比 具有更高的光合活性 因此产生的氧气可间接使二氧化碳转移降低了水体的 ph 值使氨得以挥发其硝 化强度高于潜流湿地但总体来说处理效果并不理想不能充分利用湿地基质及植物根 系的作用且对氮磷处理效率偏低一般去除率为 10%15%表面流人工湿地夏 季有滋生蚊蝇现象运行受气候影响较大多见于气候温和地区的大型城市污水处理系 统 潜流人工湿地污水从进水口经砂石等系统介质以水平流方式在系统表面以下出 流它是由一个或多个填料床组成床体填充基质床底设有防渗层 防止污染地下水 根据一级动力学模型潜流人工湿地属于稳态和理想推流的模式其水流位于填料层以 下这样就可以充分利用填料表层生长的生物膜丰富的植物根系及表层土和填料截留 作用延长停留时间提高处理效果同时由于水在地表下流动具有一定的保温性 处理效果受气候影响较小卫生条件较好是目前广泛研究和应用的湿地处理系统但 其投资略高对氮的去除率不高 垂直流人工湿地污水从湿地表面纵向流向填料床的底部床体处于不饱和状态 污水直接与基质接触氧可以通过大气扩散和植物传输进入湿地系统垂直流人工湿地 的水流综合了表面流人工湿地和潜流人工湿地的特性 水流在填料床中由上而下竖向流 动污染物的去除机理基本与潜流人工湿地相同与表面流人工湿地相比垂直流的底 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 层氧化能力更高因此对污水有较高的处理能力但这种系统的布水集水系统复杂 对基建要求高造价也高6-13 1.2.3人工湿地的构建 人工湿地由以下几个结构单元构成底部的防渗层由填料土壤和植物根系组成 的基质层湿地植物的落叶及微生物尸体等组成的腐质层水体层和湿地植物其中湿 地基质和湿地植物的选取尤为重要 基质又称基质滤料主要包括土壤砂土砾石等基质是湿地植物和微生物 赖以生存的基础一方面为微生物的生长提供良好的依附体同时也为水生植物提供了 载体和营养物质并为湿地中大部分的物理化学和生物反应提供反应界面基质层的 作用主要有 提供水生植物生长所需的基质 为污水在其中的渗流提供良好的水利条件 为微生物提供良好的生长载体 在实际工程中选择基质应根据吸磷效率水力传导率材料易得性价格等因素 综合考虑目前应用和研究较多的基质包括碎石沸石钢渣等沸石内部的铝硅酸盐 骨架及其孔道和孔穴具有的可交换阳离子使其在应用中表现出良好的离子交换性能 同时孔穴和孔道有很大的比表面积允许一定大小的分子自由移动这决定了沸石对气 体液体均具有良好的吸附性能基质对磷的吸附能力取决于两个因素吸附位( 正比 于介质颗粒的表面积) 和 ph 值含大量钙的碱性基质的湿地以及含高浓度铝和铁的酸 性基质的湿地对磷的吸附能力最强磷通过与这些金属的反应而沉淀下来例如在高 ph 值下钙与溶解性磷发生反应生成磷酸钙而从溶液中析出 随着人工湿地系统运行时间的推移如果维护不当湿地中微生物的繁殖湿地植 物的腐败湿地中的营养物质的积累等等很容易造成湿地淤积阻塞现象这种现象不 仅会影响湿地内水的流速而且会影响水体的复氧进而影响到微生物的活性及污水处 理效果一般采取以下措施来防止湿地堵塞选择合适的基质粒径及级配粒径较大 的基质可以有效地防止堵塞的发生但过大的粒径会缩短水力停留时间进而影响污水 净化效果因此需要在保证净化效果和防止湿地堵塞两者之间选取一个最佳平衡点对 于多层基质的垂直流人工湿地而言除基质粒径外不同粒径基质之间配比的选择也十 分重要进水进行预处理去除人工湿地进水中的悬浮物和漂浮物以及一些不利于人 工湿地处理过程的物质( 常用的预处理设施有隔栅沉砂池曝气池沉淀池厌氧沉 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 淀塘等) 以减少湿地中的沉积物防止堵塞合理的配水方式湿地中的厌氧过程 加速了系统的堵塞间歇进水可以保证湿地的复氧加速有机物分解堵塞往往发生在 高水力负荷的系统中而水力负荷在很大程度上决定着其污染负荷因此合理选择进水 量进水次数及进水时间间隔可有效防止湿地的堵塞合适的湿地植物选用根际泌 氧能力强难降解物质分泌较少的植物并定期收割植物的地上部分定期更换湿地表 层基质有机物的积累主要发生在人工湿地表层并且对水力传导性和净化效果均有一 定影响因此定期更换人工湿地表层基质可以防止湿地表层的堵塞保持人工湿地的稳 定运行但缺点是对大规模的湿地而言其工程量过大14,15 湿地植物作为人工湿地的重要组成部分对于污染物的净化有着极其重要的作 用由于不同植物的生理生态有其各自的特点因此湿地植物的选取在人工湿地构建过 程中起着至关重要的作用湿地植物将在下一节做重点介绍 1.2.4人工湿地对污染物的去除及其净化机理 人工湿地去除污染物的范围非常广泛包括 np悬浮物有机物微量元素和 病原体等它对污水的处理综合了物理化学和生化协同作用人工湿地成熟后植物 根系和填料表面中生长了大量的微生物而形成了生物膜污水流经时被填料及植物根 系阻挡截留有机质经过生物膜的吸附及同化异化作用而被去除湿地床层中由于植 物根系对氧的传递释放 使其根际周围的微环境中依次呈现出好氧 缺氧和厌氧的状态 保证了污水中的氮磷不仅能被植物及微生物作为营养成分直接同化吸收还可以通过 硝化反硝化作用和微生物对磷的过量积累作用从污水中去除最后通过湿地基质的定 期更换或收割使污染物最终从系统中去除1,5 ? 氮的去除 人工湿地处理系统对氮的去除包括基质的吸附过滤沉淀以及氨的挥发植物的 吸收微生物的硝化和反硝化作用等人工湿地进水中的氮基本是以有机氮和氨氮两种 形式存在一般情况下有机氮进入人工湿地后被微生物直接分解成氨氮氨氮在净化 的过程中又被氧化成 no3n 等形式废水中的无机氮主要包括氨态氮和 no3n二 者作为植物生长过程中不可或缺的物质均可以直接被植物摄取合成植物蛋白等有机 氮并通过植物的收割而从污水和湿地系统中去除一部分氨态氮可转化成 nh3并以 气态的形式挥发到大气中 但是氮的去除主要还是通过微生物的硝化和反硝化作用来完 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 成的 根据根区法理论 人工湿地植物根系的泌氧 使得根际湿地土壤中连续出现好氧 缺氧和厌氧的状态 为自养好氧型微生物亚硝酸菌和硝酸菌及异养型微生物反硝化细菌 的大量存在提供了条件使好氧硝化和厌氧反硝化反应可以同时完成另外对于硝化 反应有抑制作用的有氨态氮重金属氰化物及有机物人工湿地对这些物质也有一定 的去除作用因此人工湿地比一般污水处理系统具有较强的氮去除效率 ? 磷的去除 磷是生物必需的元素也是富营养化的限制性元素磷含量过高时可造成藻类过度 繁殖而形成富营养化状态污水中磷的存在形态取决于污水中磷的类型最常见的有磷 酸盐聚磷酸盐和有机磷酸盐人工湿地对磷的去除包括植物吸收微生物去除及物理 化学作用无机磷是人工湿地植物必需的养分污水中无机磷在植物吸收同化作用下 可变成植物的 atprna及 dna等有机成分通过植物的收割而得以去除微生物对 磷去除包括同化作用生物合成对磷的正常吸收和某些细菌对磷的过量吸收由于人工 湿地植物根际土壤中形成了许多厌氧-好氧等微处理单元一些细菌种类在厌氧条件下 能吸收低分子的有机物分解细胞原生质中的聚合磷酸盐异染粒提供微生物生存所必 需的能量而在好氧条件下它能够氧化所吸收的有机物提供能量并从污水中吸收 超过其生长所需的磷并以聚磷酸盐的形式成为微生物细胞的内含物被贮存起来使人 工湿地具有较高的除磷效果 物理化学作用包括填料对磷的吸附作用和填料与磷酸根离 子的化学反应这种对无机磷的去除作用因填料的不同而有所差别若湿地土壤中含有 较多的铁铝氧化物则有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝从而使土壤固磷能 力大大增加若湿地以砾石为填料砾石中的钙可以生成不溶性磷酸钙而从污水中沉淀 去除 ? 有机物的去除 人工湿地对有机物有较强的降解能力污水中的不溶性有机物可以通过湿地的沉 淀过滤作用从污水中截留下来而被微生物利用可溶性的有机物则通过湿地植物根 系生物膜的吸附吸收和生物代谢降解过程被去除 1.2.5人工湿地的应用 人工湿地系统随着研究的深入已经广泛应用于处理生活污水富营养化湖泊及河 道污水等16,17 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 ? 人工湿地在云南高原湖泊污染防治中的应用 抚仙湖马料河人工湿地位于抚仙湖的北岸 主要处理抚仙湖北岸马料河流域的农业 面源污染及村落污水其采用独创的复合型人工湿地自流净化工艺该工艺流程为拦 污栅沉淀池生物氧化塘潜流湿地表流湿地运行结果表明bodcodss tntp 的去除率分别为 46%42%88%60%54%出水水质达到了地表水?类标 准明显削减了入湖的污染负荷18 人工湿地深度处理常州市某度假区污水处理厂尾水 常州市某度假区污水处理厂采用复合垂直流人工湿地 进水下行流地上行流地 入湖深度处理工艺对度假区尾水进行了处理其出水水质可满足国家景观环境用水 标准该工程通过构建人工景观湖实现了尾水的资源化利用19 人工湿地生态净化系统在煤矿污水回用中的应用 我国煤矿排出的废水量比较大但回用率普遍比较低造成了煤矿废水污染严重 水资源紧缺运用人工湿地生态净化系统处理煤矿污水可以节省大量的投资而且运 行成本大大降低同时湿地中种植大量植物可以改善周围的水质减少空气中的漂 浮粉尘等对煤矿周围的生态环境起到积极的作用由于其出水水质高故可以种植一 些具有经济价值的湿地植物在净化污水的同时还可获得一定的经济效益20 人工湿地在酸性矿山废水中的应用 酸性矿山废水对环境污染和破坏较为突出 目前对酸性矿山废水的治理越来越受到 重视广东韶关市凡口铅锌矿采矿废水经人工湿地系统处理后cod固体悬浮物 zn pb cu和 cd 的去除率分别为 92.19% 99.62% 97.02% 93.98% 96.87%和 96.39% 水质得到明显的改善其固体悬浮物pbzncu 和 cd 等均达到了工业排放标准 并接近农灌标准21 ? 复合垂直流人工湿地处理废纸造纸废水 李丽娜22等利用垂直复合流模拟人工湿地系统对废纸造纸废水进行处理实验研究 植物床选用水葫芦水花生芦苇和美人蕉混合栽种采用石英砂鹅卵石和碎石为主 体填料实验结果表明虽然收割植物对系统的处理效果会造成影响但多层次多植 物配置的植物床能够有效的去除污水中的污染物造纸废水经氧化塘系统处理后ph 值为 7.27.4bod5codcrss 的平均浓度分别为 416mg/l543mg/l429mg/l 在水力负荷为 0.053m3/(m2d)的条件下经人工湿地处理后废水的 bod5codcrss 的去除率分别为 94.9%91.4%98.0%系统性能稳定连续运行 12 个月处理后的 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 尾水主要指标达到了制浆造纸工业水污染物排放标准可用于农灌 ? 人工湿地冬季净化减排水产养殖废水效果 根据我国池塘养殖废水排放特点 陶玲等研究了冬季人工湿地集中处理池塘养殖废 水的效果23结果显示 在 0. 22m/d 水力负荷下 人工湿地对池塘养殖废水中总氮(tn) 总磷(tp) 化学需氧量(cod)和总悬浮物(tss)的去除率分别达到 35.0% 38.2% 34.7% 91.6% 水力负荷上升至 0.36m/d 后 人工湿地对 tn 和 cod 的去除率显著下降为 20.0% 和 27.9%tp 和 tss 去除率变化差异不显著分别为 35.7%和 93.2%经人工湿地处 理后出水 tn 浓度低于 1.5mg/ltp 浓度低于 0.2mg/lcod 浓度低于 8mg/ltss 浓 度低于 5mg/l均满足水产养殖废水排放要求表明应用人工湿地技术能有效实现池塘 养殖废水的减排另外冬季低温使人工湿地对池塘养殖废水中 tn 和 cod 的去除率 与夏季相比显著降低但通过对人工湿地进行曝气充氧能够显著提高其对 tn 和 cod 的去除率 1.2.6人工湿地的作用 人工湿地污水处理系统源自于对自然湿地的模拟 因此也具有与自然湿地相似的功 能特别是在污水处理方面近几十年来在国际上受到了广泛的重视人工湿地系统对 污水净化过程十分复杂 之所以具有强大的污水净化功能主要是因为人工湿地具有天然 湿地生态系统的以下特性归纳起来有以下几点 人工湿地可看作是一个半水半陆的水陆过渡带生态系统具有充足的水分 对于大多数溶质而言水是良好的溶剂对污染物具有良好的溶解稀释分解和扩散 等功能自净作用显著 人工湿地中的湿地植物生产力极高的往往具有发达的根系组织能够吸收大 量的营养物质而且营养物质越丰富植物生长得越旺盛 人工湿地基质可以分为好氧