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硕士论文人工湿地处理城镇污水厂尾水深度脱氮实验研究 摘要 对城镇污水处理厂尾水进行深度处理可以缓解天然水体自净压力，污水经深度处理 后开展污水回用也意味着开辟了新的水源，因此具有及其重要的意义。本论文针对太湖 地区某污水处理厂尾水总氮较高的问题，在该厂进行人工湿地深度脱氮实验，开展尾水 的生态净化脱氮技术研究，主要研究成果如下： 1 、启动阶段( 未栽种植物) ，组合湿地系统对污染物的去除主要依赖于基质的作用， 系统对c o d 有一定的处理能力；各种基质对n h 4 + - n 和t p 均有良好的去除效果：t n 去除效率较低，填充沸石基质的组合人工湿地系统脱氮效率最佳。 2 、研究阶段( 栽种植物) ，组合湿地系统对c o d 有一定的处理能力和抗冲击性， 进水水力负荷和温度对c o d 去除效果影响不大；植物种类对总氮的去除影响较大，美 人蕉脱氮效果最佳，水力停留时间与脱氮效率正相关，总氮去除速率与进水总氮负荷率 正相关，t n 的去除率随湿地系统温度的升高呈现先增大后减小的趋势，组合湿地系统 脱氮的最适宜温度是2 2 - - - 2 8 ；组合湿地系统对n 吖- n 有较强的去除效果，n h a + - n 的 去除主要发生在垂直流人工湿地，水力停留时间与氨氮去除率成正比，氨氮去除速率与 进水氨氮负荷率正相关，在相同的水力停留时间下，氨氮的去除率随温度的升高而波动 变化；砾石对总磷去除效果最佳，总磷去除速率与进水总磷负荷率正相关，温度对总磷 去除率的影响主要是通过其对湿地系统内植物和微生物生长、生理特性的间接影响来实 现。 3 、强化研究阶段，对组合湿地系统进行曝气仅对n h 4 + 一n 去除影响较大；仅对垂直 流人工湿地进行曝气时，c o d 、耐- n 、t n 的去除率均增大。 关键词：尾水，组合人工湿地，深度处理，脱氮 硕士论文 a b s t r a c t t a k i n gm v a n c e dt r e a t m e n tt ot h et a i l w a t e ri ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t so ft o w n c a nh e l p n a t u r a lw a t e rt or e l i e v es t r e s so fd e p u r a t i n g ，a f t e ra d v a n c e dt r e a t m e n t , r e c y c l i n go ft h es e w a g e a l s om e a n sd e v e l o p i n gt h en e ww a t e rr e s o u r c e ，t h e r e f o r ei t sv e r ys i g n i f i c a n t a g a i n s tah i g h i n d e xo f t o t a ln i t r o g e no nt a i l w a t e ri no n es e w a g et r e a t m e n tp l a n to ft a i l a k e ，id i de x p e r i m e n t a b o u tt h ea d v a n c e dr e m o v a lo fn i t r o g e nb yu s i n gc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h er e s e a r c hw a s a b o u td e p u r a t i n ge c o l o g i c a l l y0 1 1t a i l w a t e r , t h em a i ns t u d yr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、i nt h eu n l o a d i n gp h a s eo ft h ee x p e r i m e n t ( n op l a n t s ) ，t h er e m o v a lo fp o l l u t a n t si n h y b r i dc o n s t r u c t e dw e t l a n d sm a i n l yd e p e n do nt h es u b s t r a t e , t h es y s t e mh a sc e r t a i nh a n d i n g a b i l i t yt oc o d ；e a c hk i n d so fs u b s t r a t eh a sah i g hr e m o v a le f f i c i e n c yt on h 4 + - na n dt p ；t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo ft ni sl o w ，a n dz e o l i t eh a sb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo ft n 2 、i nt h es t u d yp h a s eo ft h ee x p e r i m e n t ( w i t hp l a n t s ) ，h y b r i dc o n s t r u c t e dw e t l a n d sh a s c e r t a i np r o c e s s i n gp o w e ra n di m p a c tr e s i s t a n c et o w a r d sc o d , t h ei n f l u e n th y d r a u l i cl o a d i n g a n dt e m p e r a t u r eh a v el i t t l ee f f e c to nt h er e m o v a lo fc o d ；t h ek i n do fp l a n t sh a v eab i ge f f e c t o nt h er e m o v a lo ft n ，c a n n al i l yi st h eb e s t , t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n dt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft na r ep o s i t i v e ，s od ot h er e m o v a lr a t eo ft na n di n f l u e n th y d r a u l i cl o a d i n g ， 谢mt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h er e m o v a lr a t eo ft nf i r s t l yi n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d ， t h em o s ts u i t a b l et e m p e r a t u r ef o rt h er e m o v eo fn i t r o g e ni s2 2 2 8 。c ；t h es y s t e m so fh y b r i d c o n s t r u c t e dw e t l a n d sh a v eap o w e r f u lr e m o v a lc a p a c i t yo fn h 4 + - n ，a n dt h er e m o v a lm a i n l y o c c u r r e di nv e r t i c a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n dt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fn i - 1 4 + - nh a v eap o s i t i v ec o r r e l a t i o n , s od ot h er e m o v a lr a t eo fn h 4 + - na n d i n f l u e n th y d r a u l i cl o a d i n g ，w i t ht h es a m eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，t h er e m o v a lr a t eo f n h 4 + - nf l u c t u a t e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ；g r a v e lh a sb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo ft p ， t h er e m o v a lr a t eo ft pa n di n f l u e n th y d r a u l i cl o a d i n gh a v et h ep o s i t i v ec o r r e l a t i o n ，b y e f f e c t i n gt h ep l a n t s 、t h eg r o w t ho f t h em i c r o b e sa n dt h ep h y s i o l o g i c a lp r o p e r t y ，t e m p e r a t u r e c a l le f f e c tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft p 3 、i nt h es t r e n g t h e n e dp h a s e ，u n d e ra e r a t i o ni nh y b r i dc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，o n l yt h e r e m o v a lo fn h 4 十na r ee f f e c t e dg r e a t l y ；u n d e ra e r a t i o ni nv e r t i c a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ， t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f c o d 、n h 4 + - n 、t na l li n c r e a s e k e yw o r d s ：t a i l w a t e r , h y b r i dc o n s t r u c t e dw e t l a n d , a d v a n c e dt r e a t m e n t , r e m o v a lo f m t r o g e n 硕士论文人工湿地处理城镇污水厂尾水深度脱氮实验研究 1 绪论 1 1 我国水体现状 水是生命之源，是维持一切生命活动所不可替代的物质，它不仅为人类生存和发展 所必需，也是人类生产活动和维持人类赖以生存的生态环境所不可缺少的，更是国民经 济的命脉和综合国力的重要构成部分。地球的储水量很丰富，约有1 4 5 亿k m 3 ，但是其 中人类难以利用的海水就占9 7 3 ，而在稀少的淡水资源中，8 7 的淡水资源为两极冰 盖、高山冰川和永冻土底冰，人类难以利用，真正能够利用的淡水资源包括江河、湖泊 以及浅层地下水等，仅占地球水资源总量的0 2 6 ，而且分布还极不均匀【l 圳。 我国水资源严重缺乏，虽然淡水资源总量达到2 8 x 1 0 4 亿m 3 ，占全球淡水资源总量 的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，位居世界第四，但鉴于人口众多，人均水资源 拥有量仅为世界平均值的1 4 ，居世界第1 2 1 位，是世界上1 3 个主要贫水国之一，并且 水资源时空分布不均，南多北少，东多西少【】，水资源已成为制约2 1 世纪中国社会经 济持续发展的重要因素。据水利部统计，我国6 0 0 余座城市有一半缺水，每年全国城市 缺水6 x 1 0 8 m 3 ，因缺水而减少的工业产值每年估计为1 2 0 0 亿元。美国的经济学家宾莱斯 特布朗曾预测，2 0 2 0 年，我国的缺水量将达到3 0 0 多亿m 3 ，届时水资源的短缺将更加 严重【5 】。水资源紧缺已经成为阻碍我国实现新时期经济社会发展的重大问题。 与水资源危机相对应的是水环境污染的不断加剧，地表水和地下水污染严重【6 j ：城 市中大量的工业废水和生活污水不经处理直接排放；农业生产中大量化肥、农药等化学 物质不合理使用。环保部门2 0 0 6 年对河流、湖泊、水库的水质监测数据显示，我国境 内主要水系的水体均受到不同程度的污染，地表水总体水质状况不容乐观【7 】：在国家地 表水监测网实际监测的7 4 5 个断面中( 其中河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i 类，、v 类和劣v 类水质断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 ，其中氨氮、石油类和高 锰酸盐指数是水体污染的主要指标；湖泊的富营养化问题严重，所占比例超过7 5 ，太 湖、巢湖和滇池污染尤为严重；无机氮、活性磷酸盐以及重金属污染是造成近海岸水域 污染的主要原因；过量开采地下淡水资源引起沿海地区海水侵入；地表污( 废) 水的排放、 农业耕作污染的产生以及垃圾渗滤液和石油化工类产品的存在加剧了地下水污染。 1 2 城镇尾水处理的必要性 鉴于水资源紧缺已经成为我国部分地区经济和社会发展的主要约束，综合我国的客 观情况，可以采取以下几方面的措施来解决水资源短缺的问题 8 】： ( 1 ) 通过加强环境教育转变用水观念，培养良好的个人用水习惯，避免浪费水资 l 绪论硕士论文 源； ( 2 ) 通过高科技提高工业生产技术减少工业生产用水量和废水排放量，通过提高 农业灌溉率减少农业灌溉用水量，通过实施水处理新技术减少污水排放量； ( 3 ) 通过开发新的水资源来满足正常用水需求； ( 4 ) 通过调配工农业、环境、生活用水比例使水资源合理分配，使有限的水资源 能够保证经济最大限度的发展； ( 5 ) 通过将使用过的水资源直接或间接地进行重复利用达到水资源再生的目的， 从而在整体上减少对水资源的需求。 由于地表水和地下水的短缺，目前已经出现了水资源危机，而我们又未发现新的水 资源，因此，城镇再生水的开发利用受到了广泛的关注和重视。城镇污水容易收集和处 理，数量巨大，稳定可靠且就近可得，在保障城镇安全供水方面，它具有极其重要的意 义【9 】。经处理净化后，城镇污水可以回用于工农业及市政用水，补充地表水，进行地下 水回灌等，它增大了水供给，降低了人类行为对环境的影响【l 们。 2 0 1 0 政府工作报告显示，截止2 0 0 9 年底，我国的城镇污水处理率已达7 3 ， 但一般而言，我国现有的城市污水处理厂主要的污染物去除对象为c o d 、b o d 5 、s s 和 氮、磷营养物质等，而经过现有的二级处理技术( 如活性污泥法等) 对污水净化处理后， 出水水质中还存在着相当数量的污染物质，如c o d ：6 0 - 1 0 0 m g l ；s s ：2 0 - - 3 0 m g l ：n h 3 - n ： 1 5 。2 5 m g l ：p ：6 - q o m g l 。由此可见，大多数污水处理厂二级出水仍存在不达标的问题， 主要表现在有机物和氮磷指标上；此外，细菌、重金属等有毒有害物质也可能存在，不 宜直接回用，而需要对其进行深度处理【8 】。并未通过有效控制和治理甚至未经治理的污 水便排入自然水系中，会使有机污染物和富含氮、磷等营养盐类的物质大量积存在河流 中，超过了河道的环境容量和水体的自净能力，河流的水污染问题也日趋严重。因为水 环境具有连通的特性，其他水系中流入了受污染的河水，流域内的整体水环境将会受到 污染，也易被富营养化。 深度处理，就是将污水处理厂的二级出水再经过进一步的物理化学和生物处理，以 使出水水质中的剩余污染成分( 主要是氮、磷、胶体、细菌、病毒、微量有机物、重金 属以及影响回用的溶解性矿物质等) 得以更好的去除。只有经过深度处理后的城镇污水 处理厂尾水，才能达到回用水的水质要求【1 1 1 。对城镇污水处理厂尾水进行深度处理，可 以缓解天然水体自净的压力；污水经深度处理后开展污水回用也意味着开辟了新的水 源，因此具有及其重要的意义。 1 3 课题来源 本课题全称为“乡镇污水及重点行业污染负荷消减关键技术及工程示范课题 ，课 题编号：2 0 0 8 z x 0 7 1 0 1 0 0 3 ，是“国家水体污染控制与治理科技重大专项”中的一项课 2 硕士论文人工湿地处理城镇污水厂尾水深度脱氮实验研究 题。 1 4 课题研究背景与意义 太湖位于长江三角洲的核心，是沿湖众多城镇乃至上海的重要水源地，也是维系区 域生态平衡的重要保障。长期以来，国家高度重视太湖水污染治理工作，相继实施了太 湖水污染治理零点行动和8 6 3 “太湖水污染控制与水体修复技术及工程示范”等一系列 重大治理项目，在遏制太湖水质恶化趋势、改善局部水域环境等方面，取得了明显成效。 尽管如此，太湖水质仍然存在水体富营养化问题，这也影响到太湖流域的区域供水和生 态安全等问题，危及人民身体健康和社会稳定【1 2 。1 6 】。 新近颁布的国家中长期发展规划纲要，明确将水体污染控制与治理纳入十六个重大 专项之中，太湖水污染治理仍将成为“十一五水专项实施的重点。本课题主要针对城 镇生活污水处理厂尾水的深度处理问题开展实验研究，同时选择太湖地区某污水处理厂 进行尾水处理实验，通过加强对城镇污水处理厂尾水氮磷去除技术的研究，使出水水质 中相关污染物指标更低，具有重要的推广价值，应用前景也很广。 1 5 课题研究内容 课题针对太湖地区某污水处理厂出水总氮较高的问题，在该厂进行人工湿地深度脱 氮技术现场实验，开展尾水生态净化脱氮技术研究，使尾水经深度处理后，水质指标趋 近地表水质量标准，实验具体研究内容包括： ( 1 ) 人工湿地构造形式研究 对垂直流湿地、水平潜流湿地以及垂直流一水平潜流组合湿地系统进行脱氮效果比 较研究，确定最佳人工湿地构造形式。主要研究包括： 垂直流湿地深度脱氮效果研究； 水平潜流湿地深度脱氮效果研究； 垂直流和水平潜流组合深度脱氮效果研究。 ( 2 ) 强化脱氮的人工基质筛选研究 对多种基质进行比较研究，筛选出具有良好脱氮效果的人工基质和天然基质。主要 研究包括： 沸石深度脱氮效果研究； 陶粒深度脱氮效果研究； 砾石深度脱氮效果研究。 ( 3 ) 强化脱氮的植物筛选技术研究 对不同类型的植物进行脱氮效果比较研究，筛选出具有良好脱氮效果的植物种类。 主要研究包括： 3 l 绪论硕士论文 美人蕉深度脱氮效果研究； 再立花深度脱氮效果研究； 菖蒲深度脱氮效果研究。 ( 4 ) 人工湿地脱氮影响因素研究 对比不同水力停留时间、污染负荷、温度等对湿地系统脱氮效果的影响，归纳总 结各因素的最佳条件，为今后人工湿地的实际运用提供依据。 ( 5 ) 人工湿地的微曝气强化脱氮技术研究 在最佳水利停留时间运行条件下，研究人工湿地中溶解氧对脱氮效果的影响，研究 辅助微曝气系统以提高脱氮效果。主要研究包括： 垂直流湿地系统微曝气对深度脱氮效果的影响； 组合湿地系统微曝气对深度脱氮效果的影响。 通过微曝气强化组合人工湿地系统运行参数和运行方式，能相对有效地解决湿地系 统冬季运行效率偏低的问题，对于推广人工湿地在水处理中的应用具有极其重要的意 义。 4 硕士论文人工湿地处理城镇污水厂尾水深度脱氮实验研究 2 人工湿地 2 1 人工湿地概述 2 1 1 湿地概念 1 9 8 2 年3 月修正的“国际湿地公约”定义湿地为“天然或人工的长久或暂时性的沼 泽地、湿原、泥炭及水域地带，静止或流动的淡水、半咸水( 低潮时不超过6 m ) 的水域” 1 7 1 ，它介于陆生生态与水生生态之间，是两者的过渡地带，土壤、砂、卵石是湿地的常 见基质，大部分时间他们或被浅水淹没，或处于水饱和状态，湿地内长期或间歇地生长 有水生植物 1 8 】。湿地是地球上生物生长率最高的地区，很多野生动物和濒危生物等在湿 地生长繁殖和栖息【1 9 】。湿地的存在对自然生态和人类社会生活有着至关重要的作用 1 2 0 - 2 1 1 ，它能涵养水分，具有调节气候、抵御洪水、调节径流的作用，并且对污水具有较 强的净化能力，在美化环境和维护区域生态平衡等方面也具有独一无二的作用，因此湿 地也被称为是“地球的肾脏”、“重要的物种基因库、“巨大的天然蓄水库”等。 湿地遍及世界各自然地带，分布极为广泛。据初步的统计，全世界湿地总面积约为 5 7 0 万k m 2 ，约占全球陆地总面积的6 4 【17 1 。我国的湿地面积达6 5 9 4 万k m 2 ，居亚洲第一、 世界第四位，而且几乎包含了国际湿地公约中所有的湿地类型，并拥有世界上独特的青 藏高原湿地【2 2 1 。 2 1 2 人工湿地 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 是一种新型的废水处理技术，它依据天然湿地净化 污水的原理，通过人为建造和监督控制使其净化能力得到加强 2 3 。2 4 1 。常见的人工湿地由 土壤、砾石及砂土等基质构成，底部封闭以使其不透水，并栽种植物( 应具有能适应饱 和水状态和高污染物浓度的特性) 。人工湿地的污水净化功能是天然湿地不能相比的， 它能充分发挥湿地系统的废水处理能力，使污水的净化效果得到明显提高。人工湿地的 具体构成如下表2 1 1 所示，其中微生物、植物以及基质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。 表2 1 1 人工湿地构成 ! 垒! ! ! ：! ：! ! 丝2 2 翌2 2 1 亚2 呈2 i1 2 璺! 唑! ! 皇! ! ! 呈翌皇 序号组成备注 2 人工湿地硕士论文 2 1 2 人工湿地分类 人工湿地系统的分类方式多种多样【2 5 3 2 】：从工程设计角度，按照系统中的布水方式， 人工湿地可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地；从水力学角度， 又可分为水面湿地以及渗滤湿地；从湿地系统中的植物角度，人工湿地可分为浮水植物 系统、挺水植物系统和沉水植物系统。目前最为常见的分类方法是根据水体流动的方式， 将人工湿地分为两类：表面流人工湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称s f ) ，又称自由水 面系统( f r e ew a t e rs y s t e m ) ；潜流人工湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称s f w ) ， 其中潜流人工湿地又可分为水平潜流湿地( h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称h f ) 和垂直潜流湿地( v e r t i c a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称v f ) 。 ( 1 ) 表面流人工湿地 与天然沼泽相类似，表面流人工湿地的水面暴露在大气中，污水从湿地表面流过， 水位一般在0 1 o 6 m ，较浅【3 3 。与潜流湿地工艺相比，它投资少、操作简单易行、运行 费用也比较低，但它占地面积大，加之绝大部分有机物的去除是由生长在植物水下部分 的茎、杆上的生物膜来完成，因此表面流人工湿地系统并不能充分利用生长在基质表面 的生物膜和生长丰富的植物根系对污染物的降解作用，其处理能力较低【3 3 1 ，而且该湿地 系统运行受自然条件的影响较大，夏季容易孳生蚊蝇，并伴随有不良气味，冬季则容易 结冰【州。 ( 2 ) 水平潜流人工湿地 2 0 世纪6 0 年代，水平潜流人工湿地水质净化系统在德国首先被开发出来。在这种系 统中，污水由人工湿地的一端引入，流经由沙石等组成的配水系统后，以近水平流方式 在系统表面以下流向出口，污染物在上述过程中得以降解。系统的基质层一般由土壤和 砾石构成，表层土壤上栽种耐水植物，如芦苇、菖蒲等，这些植物根系发达，可以深入 到表层以下0 6 - 4 ) 7 m 的基质层中，基质与这些交织成网的植物根系一起构成一个透水系 统【3 3 】。氧主要通过植物根系释放【3 5 】。在水平潜流人工湿地系统中，污水在湿地床的内部 流动，一方面可以使植物根系、基质截留和在基质表面生长的生物膜作用充分，进而提 高湿地的处理效果；另一方面，水流在地表以下流动，因此保温性较好，气候对系统处 理效果的影响较小，卫生条件也较好【3 6 】。 ( 3 ) 垂直流人工湿地 在该系统中，污水的水流方向与床区相垂直，通常在整个表面设置配水系统，污水 覆盖整个湿地床，之后慢慢垂直地渗流到湿地床底部，底部的集水系统将污水收集后再 排放。v f 可分为上行流和下行流两种，通常间歇运行。通过大气地扩散和植物地传输作 用，氧进入垂直流人工湿地系统中，相比水平流人工湿地系统，它好氧处理能力较高， 因此该系统有较强地硝化能力，但相对的，反硝化能力降低，对脱氮效率也有影响。为 防止堵塞现象的发生，湿地系统要求较复杂的基质级配，高的建造要求，较长的落干 6 硕士论文 人工湿地处理城镇污水厂尾水深度脱氮实验研究 淹水时间，因此操作也相对比较复刹3 7 】。 近年来，伯明翰大学提出了潮汐潜流人工湿地概念，在该系统中，交替地充水和排 干芦苇湿地床。在床体充水过程中，可以挤出空气，而新鲜的空气又在排水过程中被带 入。其最新研究结果表明，当水被排出芦苇湿地床而基质内又存留有机污染物时，系统 耗氧量最大。通过这种交替地进水和排干运动，极大地提高氧的传输速率，也增加了氧 的消耗量，从而提高了芦苇湿地床的去污效果。但潮汐流湿地也存在一定的问题，通常 运行一段时间后，床体就容易发生堵塞现象，这就限制了水和空气在湿地系统内的流动， 处理效果也就随之降低；加之由于其布水覆盖整个潮汐潜流人工湿地的表面，湿地的基 建费用也因此增大，故潮汐潜流人工湿地不如h f 应用广泛【3 8 4 3 1 。 2 2 人工湿地去除机理 人工湿地的去污作用依赖于湿地系统内水体、基质、植物、微生物和腐殖化碎屑之 间一系列复杂的物理、化学和生化反应，污水中的污染物( 诸如悬浮物、有机物、营养 元素、金属离子、病原体和难降解有机物等) 在过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物 分解、转化及吸收作用下去除，污染物的主要去除机理详见表2 2 1 】。 、 表2 2 1 人工湿地对污染物的主要去除机理 ! 垒! ! 里：兰：! 坚呈里堕竺i ! 尘2 1 巳竺! ! 旦! 垫! ! ! 婴1 2 翌! i 翌1 2 里! 业! 塑! 翌宝! ! 竺垒 杌理 望銎塑查坠塑堡 描述 s sc sb o dr onp 注：s s ( s e t t l e a b l es o l i d s ) ：可沉降固体；c s ( c o l l o i d a ls o l i d s ) ：胶状固体；r o ( r e f r a c t o r yo r g a n i c s ) ：难 降解有机物；p ( p r i m a r ye f f e c t ) ：主要作用：s ( s e c o n d a r ye f f e c t ) ：次要作用；i ( i n c i d e n t a le f f e c t ) ：偶 然影响。 2 2 1 有机物 人工湿地的一个显著特点就是有较强的有机物处理能力。颗粒性有机物和溶解性有 机物是污水中常见的两种有机物4 5 1 ，通过沉淀和过滤可迅速去除颗粒性有机物，而后者 7 2 人工湿地硕士论文 则可通过微生物降解作用而去除。微生物降解有机物又分为好氧降解和厌氧降解，其中 好氧降解受好氧异氧菌控制，表述如下【删： c h 2 0 + 0 2 = c 0 2 + h 2 0( 1 1 ) 厌氧过程受兼性厌氧菌和专性厌氧菌控制，主要分两步进行，第一步主要产生脂肪 酸，如醋酸，h 2 ，乳酸，c 0 2 和乙醇。 c 沮1 2 0 6 = 3 c h a c o o h + h 2( 1 2 ) c 6 i - 1 1 2 0 6 = 2 c h 3 c h o h c o o h( 1 3 ) c 6 h 1 2 0 。= 2 c 0 2 + 2 c h 3 c h 2 0 h( 】4 ) 第二步，硫酸盐还原菌和产甲烷菌利用上述反应中产生的脂肪酸来进行代谢活动 4 7 - 4 s ) o c h 3 c o o h + h 2 s 0 4 = 2 c 0 2 + 2 h 2 0 + h 2 s( 1 - 5 ) c h 3 c o o h + h 2 - - 2 c h 4 + 2 h 2 0( 1 6 ) c 0 2 + 4 h 2 = c h 4 + 2 h 2 0 ( 1 - 7 ) 2 2 2 氮 2 2 2 1 人工湿地系统中氮的分布和转化 与自然界中的氮元素存在相同，在人工湿地系统中，氮元素也有3 种存在形式，即： 有机态氮( 尿素、氨基酸、嘌呤和嘧啶【4 9 】) 、无机态氮( 铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐等) 、 分子态氮，其中无机态氮含量最多。人工湿地系统中，含有以上3 种形式的氮元素物质 能相互转化。氮气、无机态氮、有机态氮在人工湿地系统中的相互转化过程也称作氮循 环过程，具体包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用等。生物作用是氮循环发生的主要 机理，湿地系统内的微生物在其中更起着举足轻重的作用。 1 、硝化作用 氨在亚硝化细菌和硝化细菌作用下被氧化成硝酸的过程称为硝化作用，能直接将氨 转化为硝酸的一类菌种至今仍未被发现，硝化作用必须通过上述两种菌的共同作用才能 完成，因此硝化作用分为两步：亚硝化和硝化，具体表述如下： 叫+ 1 5 0 2 = n 0 2 + 2 w + h 2 0( 1 8 ) n 0 2 1 - 0 5 0 2 = n 0 3 - ( 1 9 ) n f l 4 + + 2 0 2 = n 0 3 + 2 r 、h 2 0( 1 - 10 ) 在氧气作用下，通过氧化氨和亚硝酸盐，硝化细菌获得能量，再利用c 0 2 合成新的 细胞，m c c 啪上述过程纳入硝化方程中【删： n h 4 + + 1 7 1 5 0 2 + 0 1 6 c 0 2 + 0 0 4 h c 0 2 毫 0 0 4 l c 5 h 7 0 2 n ( s i o m a s s ) 0 9 6 n 0 3 - 4 - 0 9 2 h 2 0( 1 - 1 1 ) 硝化作用受很多因素影响，如温度、p h 、d o 、碱度、碳源、微生物和氨氮浓度等 硕士论文 人工湿地处理城镇污水厂尾水深度脱氮实验研究 4 6 】。一般温度低于4 ，硝化作用基本就停止了。将l g n i - h + 氧化差- j n 0 3 - 需要4 3 m 9 0 2 和 7 1 4 m g 碱度( c a c 0 3 ) 。 2 、反硝化作用 反硝化作用是指在微生物作用下，土壤中的硝酸被还原为分子态氮的过程。反硝化 作用需要在缺氧条件下发生，n o 、n 2 0 和n 2 是硝酸盐的还原产物。一般情况下，n 2 是 反硝化反应的终极产物，具体表述如下： 6 ( c h 2 0 ) + 4 n 0 3 = 6 c 0 2 + 2 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 1 2 ) 反硝化作用与系统中d o 、o r p 、土壤湿度和类型、温度、p h 等因素密切相关，它 所需的最小c 小为l g c g n 0 3 。- n ，产生碱度为3 0 9 c a c 0 3 g n 0 3 。- n 。 湿地系统中，微生物在降解有机物和去除氮污染物方面发挥着重要作用。好氧微生 物、厌氧微生物和氮还原类微生物是湿地系统中最为常见的三种细菌，通过利用不同的 有机物作为碳源及能源，再加上电子受体和其它营养物质的辅助，微生物就可以实现新 陈代谢，进而促进自身生长发育，其中好氧菌的电子受体为氧，而有机物、c 0 2 或者碳 酸盐是厌氧菌的电子受体，氮还原菌的电子受体则为氮的氧化物。 2 2 2 2 脱氮机理 氮在湿地系统中包括7 种价态，存在着多种有机、无机形态的转化【5 ，其循环如下 图2 2 一l 所示。在污水中，氮主要以有机氮和氨氮形式存在，其最终净化的途径有以下三 种【竭： 1 ) 在同化作用下，湿地植物和微生物吸收氨氮，并将它转变成有机物，通过定期 收割植物即可去除； 2 ) p h 较高( p h 9 ) 时，氨氮挥发； 3 ) 氨化作用先将有机氮转化成氨氮，在好氧条件下，氨氮经亚硝化和硝化作用转 变为n 0 3 - - n ，在缺氧环境且系统有碳源时，n 0 3 - - n 经反硝化作用被还原为n 2 ，最终释放 到大气中。 目前的研究表明，在上述三种n 去除途径中，由湿地植物、微生物的同化吸收和氨 氮的挥发而去除的氮的量很少，绝大部分n 是通过第三种途径得到去除的【5 3 】。除好氧微 生物起氮化作用外，专性厌氧细菌、兼性厌氧细菌也起到了一定的作用。作为湿地系统 脱氮的一个主要环节，硝化作用需要优越的好氧环境，因此要保持湿地基质在好氧环境 中，当上层基质中氧浓度大于5 时，n h 4 + 离子将在自养型微生物( 硝化菌) 的作用下 被氧化成n 0 3 离子；氧浓度较低时，硝化作用则会受到限制终5 6 1 。 9 2 人工湿地硕士论文 图2 2 1 人工湿地系统中n 的循环 f i g 2 2 - 1n i t r o g e nc y c l ei nt h es y s t e mo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d 2 2 3 磷 植物吸收、微生物去除及基质与磷的物理化学作用是人工湿地除磷的主要机制【5 丌。 与无机氮类似，无机磷也是湿地系统中植物生长所必需的营养元素。通过植物的吸收和 同化作用，废水中的无机磷可转变成植物的a t p 、d n a 及r n a 等有机成分，通过对植物 的收割即可达到去除目的【5 引。微生物对磷的去除作用包括其对磷的正常同化吸收作用和 聚磷菌对磷的过量积累作用：湿地系统中的某些细菌可以吸收污水中的磷，微生物细胞 内由于过量积累而储存的内含物可通过定期更换湿地床而去除。物理化学作用包括基质 对磷的吸附及基质与磷酸根离子的化学反应，基质不同，这种作用对无机磷的去除也会 有差别。石灰石及含铁基质中的c 瘌f e 可与p 0 4 3 - 反应沉淀而去除p 0 4 3 ，因而是除磷效 果较好的基质，因此污水中含钙质或铁质时反而有利于人工湿地除磷【5 9 】。但是，每一种 基质都存在一个饱和度，一旦其所有的吸附点被占用，基质就不能再吸附了。因此，当 湿地基质的吸附能力被耗尽，其对磷的去除作用也就饱和了。研究表明，基质对磷的吸 附和沉淀作用并不是永久的，而是具有部分可逆性，当系统中磷浓度过低时，基质中被 吸附的磷有部分会重新回到系统中【蹦。通常情况下，湿地中的一部分有机质分解速率 很慢，随着有机质的积累，包含在有机质中的磷也会积累，由此形成了“去除 过程， 因此，人工湿地除磷的另一个机制是有机质在湿地基质中的积累。 l o 硕士论文 人工湿地处理城镇污水厂尾水深度脱氮实验研究 2 3 人工湿地去除污染物的影响因素 2 3 1 植物的选择与搭配 人工湿地系统中可选用的植物种类众多，目前，对植物的研究都是基于特定的条件， 哪种植物对污染指标具有最佳的去除效率暂时还没有得到统一意见，但总体而言，湿地 中所栽种的植物应具有下列特性：( 1 ) 植物有发达的根系，并且传递氧能力较好；( 2 ) 植 物应具有抗冲击性，能承受湿地系统内含盐量、温度和p h 较大范围的波动；( 3 ) 植物应 适合在当地生长，本土的土著植物最适宜；( 4 ) 植物应对污染物有良好的去除效果；( 5 ) 植物应具有一定的美学或经济价值。目前，芦苇、菖蒲、水葱和美人蕉等植物已经得到 国内外学者的广泛认同并被推广使用。在进行湿地植物种类的选择时，也应重视植物的 多样性和适应性，因为植物的成活率与自然气候、运行条件和虫害等因素密切相关，为 防止单一植物由于上述原因死亡，建议混合种植，通过自然选择来确定植物的种类。 2 3 2 基质的种类与搭配 基质不仅为植物和微生物的生长提供载体，还在污染物的净化方面扮演着重要角 色，它的净化功能主要包括以下五点【6 2 】：( 1 ) 基质的机械阻留作用；( 2 ) 基质的离子交换 作用；( 3 ) 基质中微生物降解、转化和生物的固定化作用；( 4 ) 基质胶体及其复合体的 络合和沉淀作用；( 5 ) 基质中植物根系吸收、转化、降解和生物合成作用。基质不同， 湿地系统内植物和微生物的生存环境也不相同，对污水的处理效果也就不同，因此要根 据不同的水质选择相应的基质。 当污水进入人工湿地系统后，n 、p 等营养物在基质的吸收、吸附、过滤、离子交换、 络合反应等物理和化学作用下去除。在对湿地的基质进行选择时，需要考虑它的水力传 导性。此外，基质的种类对磷的去除影响很大，研究表明【6 3 1 ，若以除磷为目的，人工湿 地基质最好选择粉煤灰、页岩或钢渣，沸石对磷的吸附能力较差。 2 3 3 温度 温度能影响微生物的生化反应速率和水生植物的生长，因此会间接地影响水中溶解 氧含量，从而影响湿地系统内好氧生物的降解。微生物的分解代谢和植物的作用是人工 湿地净化作用的主要机制，而温度对他们影响都较大，当湿地系统内温度较低时，污水 净化效果不佳，湿地甚至停止工作，这也导致了在寒冷地区人工湿地技术难以推广m j 。 2 3 4p h 值 由于湿地系统中微生物的活性受p h 值影响，因此它就能影响污水中氮、磷的去除。 在中、碱性的条件下，硝化细菌和反硝化细菌比较适宜生长。p h 值不同，氮的存在形式 也不同，当中、碱性环境时，湿地系统内易发生硝化反硝化反应；碱性环境时，湿地系 2 人工湿地 硕士论文 统内易发生氨化反应，氮则容易以n h 3 的形式挥发而去除。因此，相比于酸性环境，碱 性环境更有利于湿地对氮的去除 6 5 】。 2 3 5 水力停留时间 湿地系统中积水达到某一水位高程的持续时间被定义为人工湿地的水力停留时间， 它对湿地系统内n 吖_ n 、 i n 和t p 等污染指标的去除有一定影响。在一定条件下，延长 h r t ，氮、磷的去处效率也相应提高：然而，h r t 也并非越长越好，当超过一定的范围 后，污染物质可能会重新释放，或者发生可逆反应，导致处理效果下降，因此，h r t 是 非常重要的参数。时间过短，水质处理效果则不佳，出水甚至不达标；时间较长，水质 处理效果虽然会提高，但一味的延长h r t 也会造成能源和资源的浪费嘲。 2 3 6 污染物负荷率 通常情况下，人工湿地中污染物的去除速率与其负荷率成正比，湿地系统对污染物 的去除速率随系统内污染物负荷率的升高而增大，直至达到最大去除速率【6 7 1 。 2 4 组合人工湿地 为提高人工湿地对污水的净化效率，尤其是脱氮效率，近年来，学者们研究了各种 类型人工湿地的组合工掣6 8 棚】，主要包括复合潜流人工湿地、复合垂直流人工湿地、垂 直流水平流组合人工湿地( v e r t i e a lf l o wa n dh o r i z o n t a lf l o w ，简称一h f ) 和水平流垂直 流组合人工湿地( h o r i z o n t a lf l o wa n dv e r t i e a lf l o w ，简称h f 。v f ) ，图2 4 一l 所示为各组合 湿地工艺的具体构造。在组合湿地系统中，v f 和h f 湿地床组合工艺最为常见，就其组 合方式而言，有两个学派。j o h a n s e n 和b r i x t 删认为，应将h f 置于v f 之前，同时回流部分 v f 出水至h f ，以使反硝化作用彻底，进水中的有机组分提供反应所需碳源；c o o p e r 6 9 】 认为，应将h f 置于v f 之后，原因有以下两点：( 1 ) 相比h f ，v f 对b o d 5 和n h 4 + - n 降解能 力更高，因此v f - h f 组合可使占地面积减少；( 2 ) 植物和微生物的代谢产物是该系统主 要的反硝化碳源，因此就省却了回流工艺，从而节省了动力费用。 2 4 ih f - v f 组合人工湿地 j o h a n s e n 和b r i x 最早提出t h f v f 组合人工湿地的概念，而后c i u p a 【7 0 】在波兰建造， 运行结果表明，b 0 0 5 和t s s 的去除率均超过8 5 ，t n 的去除率在6 5 上下浮动。h o u s e t 7 i 】 采用h f - v f 处理当地一所中学的生活污水，其t n 、t p 和n i - - 1 4 + - n 的去除率分别为7 7 、 4 4 和9 7 。刘雯【7 2 】采用h f ：处理化粪池出水，研究结果显示，h f v f 工艺处理效果 稳定，c o d 、b o d 5 、t n 、t p 的平均去除率分别为7 2 、8 0 、3 3 和8 3 ，相比无植 物湿地系统，栽种植物湿地系统的污染物去除效率明显较好。 硕士论文人工湿地处理城镇污水厂尾水深度脱氮实验研究 一捌1 = 垡o l r 一 一，r ，t ， 厂复合：警蔬人工：显地： 二二：一r t j 2 生一1 1 r + r i 一 卜一、叠。拦一引一 l 一一- j l 、刭j 溜也零1 浮瀚 l 一：。 l “胎肛挝一了：- 一蠢 l l 3 姆搏黟秀 2