（环境科学专业论文）复合型芦苇人工湿地对化粪池出水净化效果的研究.pdf

首都师范大学硕士学位论文 a b s i r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u r u r e , t h ep r o b l e mo fa q u a t i c e n v i r o n m e n ts e c u r i t yb e g a nt os p r i n gu p ，w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o li sv e r yu r g e n t , w h i c h c a l l sf o rn e w l yb u i l d i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s t h e r ea r cm a n y u r b a u s , w h i c hl i f eo f b a de c o n o m i cl e v e l ，a n dt h em a n a g e m e n tl e v e li su n e n l i g h t e n e d a ni n n o v a t i v e , l o we n e r g yc o n s u m p t i o na n dm a n a g e m e n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g yi sh i g h l yn e e d e d c o n s t r u c t e dw e t l a n di ss u c ho n e i th a sl o wi n v e s t m e n t , l o wo p e r a t i o nc o s t ，l o wd e m a n d so f t h ea d m i n i s t r a t i o n , l e s ss u r p l u ss l u d g ep r o d u c t i o n , a n dh i g h - e f f i c i e n c ye c o s y s t e me n g i n e e r i n gf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dw a t e rr e u s e , i na c c o r d a n c ew i t l lf u t u r et h et o w n s e s p e c i a l l yt h eg e o g r a p h i ca n de c o n o m i ca n d e l i m a t i cc o n d i t i o ni nu r b a na r e a s c o n s t r u c t e dw e t l a n di sa ni n t e g r a t e de c o s y s t e m w i t ht h ef u n c t i o no f p u r i f y i n gw a s t e w a t e rt h a ti sm a d eo f v a r i a n ts t u f f i n g sa n dv a r i a n t p l a n t s , a n i m a l s , m i c r o o r g a n i s m sa n dt h ee n v i r o n m e n ta r o u n d a c c o r d i n g l y , t h e e f f l u e n to f t h es y s t e mh a sab i o l o g i c a ls a f e t y a c c o r d i n gt ot h ec l i m a t ea n dt h ei m p o r t a n tp r o b l e m so nh y d r a u l i c sa n do p t i m a l d e s i g no fc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t h ea u t h o rc h o o s er e e da n dt h r e ec l a s s i e a if l o w s y s t e m sa n dt h r e es t u f f i n g st om a k eu po fs i xs e r i e sp r o c e s s i n gu n i t s h o d z o n t a l s 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 ，v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n da n d s u b s u r f a c e - v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n da r ec o m p o s e do fs i xf l o ws y s t e m s ： v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n da n ds u b s u r f a c e v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ， v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n da n dv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，v e r t i c a lf l o w c o n s t r u c t c dw e t l a n d a n dh o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d s u b s u r f a c e - v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n da n dv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d s u b s u r f a c e - v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n da n ds u b s u r f a c e - v e r t i c a lf l o w c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，s u b s u r f a c e - v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n da n dh o r i z o n t a l s 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 h et e s ti n c l u d e du n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r er e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t r e a t m e n te f f e c ta n do p e r a t i o nc h a r a c t e ra n dr e l a t i v ep a r a m e t e rt h a tu s i n gt h e c o n s t r u c t e dw e t l a n dt r e a t m e n tt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e ri nt w oy e a r s ，t h ec o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w ： 1 ) n ee f f l u e n tq u a l i t yo fv e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d sp l a n t e dw i t hr e e d s w e r eb e t t e rt h a nt h o s ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sw i t h o u tr e e d s w h e nh r ti s2d a y s t h e r e m o v a lo fc o d ，p l a n t e dr e e dc o m p a r e dt on o tp l a n t e dr e e di sh i g l e r1 6 4 ；t ot p r e m o v a l w i t hp l a n t i n go fr e e di sh i g h e l 1 2 7 t h a nw i t h o u tp l a n t i n go fr e e d ；t o n h 4 一nr e m o v a l ，p l a n t e dr e e dc o m p a r e dt on o tp l a n t e dr e e di sh i g h e r2 3 2 ) h r ti sam a i nf a c t o rw h i e he f f e c t st h er e s u l to f t r e a t m e n t c o m m o n l y t h e t r e a t m e n tr e s u l to f c o n s t r u c t e dw e t l a n dg e t sb e t t e ra st h eh r tb e c o m e sl o n g e r 3 ) t 0r e m o v a lo fc o d ，c o n t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mh a sb e t t e rr e s u l t ，t h ea v e r a g e r e m o v a lr a t i oi sm o r et h a n6 0 ；e s p e c i a l l yv e r t i c a l v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ， t h ea v e r a g ee f f e c t i v e n e s si sr e a c h e d8 0 4 1n ea v e r a g er e m o v a lr a t i o no fv e r t i c a l s 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 dt o t nr e m o v i n gi s7 1 8 5 a n di ti st h eb e s td e a l i n gw a y c o m p a r a t i v e l y 3 堕塑堕翌查兰堡主堂垡堡塞 5 ) t h ea v e r a g er e m o v a lr a t i o no fv e r t i c a l v e r t i c a lf l o wc o n s t r u e dw e t l a i l dt o n h 4 - n r e m o v i n gi s6 3 6 1 ，a n di ti st h eb e s td e a l i n gw a y c o m p a r a t i v e l y 6 ) t h ea v e r a g er e l l l o v er a t i o no f s u b s u r f a c e - s u b s u r f a c ef l o wc o n s t n i c t e dw e t i a l l dt o n h j - nr e m o v i n gi s7 1 0 9 ，a n di ti st h eb e s td e a l i n gw a y c o m p a r a t i v e l y 7 ) t ot pr e m o v a l ，t h ef l o ws t y l eh a sn o tm u c h d i f f e r e n c e , a n dt ot pr e l n o v a li s m o s t l yh 印p a l e di nf i r s t5 0h o u r s 8 ) t h et e m p e r a t u r eh a si m p o r t a n te f f e c t i v e n e s si n w a s t e r w a t e r 打e a t m e n tb v k e y w o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；s t u f f i n g ：w a s t e w a t 盯t r e a t m e n t ：r e m o v a lo f n i n 馏胁 a n dp h o s p h o r u s ；h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) 4 首都师范大学硕士学位论文 文中采用的主要缩略语表 缩写单位英文名称中文名称 t n m g !k j e l d a h ln i t r o g e n 凯氏氮 n 0 3 _ nh i i g a n i t r i t en i t r o g e n硝态氮 n h 4 n m g ! a m m o n i a n i t r o g e n 氨态氮 t p m g l t o t a l p h o s p h r u s 总磷 c o d m g ! c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d化学需氧量 d o m g a d i s s o l v e do x y g e n溶解氧 h r th h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e水力停留时问 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：7 砑t 三刍 脚易 日期乏彬月旧 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在 学位论文作者签名 日期洱钿日 首都师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 水是生命之源，是人类和其他生物生存必不可少的物质，又是工业、农业发 展所必需的资源，是国民经济的命脉和综合国力的重要构成部分 我国水资源总量平均每年达到2 8 0 0 0 亿m ，但由于人口总量大，导致人均 水资源拥有量仅约2 3 4 0 m 3 a ，为世界平均值的l 4 ，居世界第8 8 位。并且水资源 时空分布不均，南多北少，东多西少。在我国北部地区，降水大部分集中在6 - 9 月，此期间降水量占全年总量的7 0 8 0 略1 , 2 1 城市缺水严重制约经济的发展，影响了人民的生活，在8 0 年代，全国缺水 城市2 3 6 座，缺水总量1 2 0 0 万m 3 d ，9 0 年代初，缺水城市增加到3 0 0 座，总缺 水量为1 6 0 0 万m 3 d ，到2 0 0 0 年，有4 5 0 座城市缺水，总缺水量达到2 0 0 0 万 m 3 d 3 1 。2 0 0 3 年，在七大水系的1 2 2 个省界断面中，i i i l 类，v 类和劣v 水 质的断面比例分别为3 4 4 、2 9 5 和3 6 1 。 作为我国的政治、经济、文化中心和2 0 0 8 年奥运会主办城市的北京的水环 境现状：北京地处海河流域，共有蓟运河、潮白河、北运河、永定河及大清河五 大水系横贯其间，其中仅北运河发源于本市，其余四水系发源于河北、山西、内蒙 古等三省区。五大水系多年平均年径流总量2 1 6 亿m 3 ，多年平均年入境水量1 6 5 亿m 3 ，其中永定河8 5 亿m 3 ，潮白河7 1 亿m 3 ，两河入境水量占入境水总量的 9 4 5 。自5 0 年代以来，由于上游工农业生产的发展，用水量剧增，导致永定河和 潮白河的入境水量由5 0 年代的近4 0 亿m 3 ，锐减至9 0 年代的约8 亿m 3 ，呈现强 烈的衰减趋势。水质亦呈现明显的恶化趋势，官厅水库上游的洋河宣化以下非汛 期基本为超v 类水，导致官厅水库近年来总氮、总磷含量一直较高。1 9 9 7 年后。 水库已不能作为生活饮用水水源，仅用于工业、农业灌溉和城市河湖补水。密云 水库上游来水水质也呈明显下降趋势，1 9 9 5 年后潮河戴营断面铁离子浓度常年为 超v 类标准，密云水库水体也有富营养化的趋势【4 1 0 北京缺水形势已经十分严峻。根据联合国的划分标准：人均水资源占有量小 于1 0 0 0 m 3 的为缺水地区，小于5 0 0 m 3 的为水危机地区。北京人均水资源占有量不 足3 0 0 m 3 ( 含城市流动人口) ，为全国人均的1 7 ，全世界人均的1 2 5 ，属于严重的 水危机地区。目前北京水供需形势已非常严峻，据北京市“十五”时期国民经济 和社会发展目标及城市总体规划来预测，2 0 1 0 年平水年份将缺水1 6 1 5 亿m 3 ， 堕塑堑堇查兰堡主主垒堡苎 如遇枯水年份可供水资源缺口更大，水资源短缺已严重制约了首都经济和社会发 展【5 1 。 目前全市每年排放的工业废水和生活污水达到1 0 多亿m 3 ，除2 0 得到处理外， 其余部分都直接排入河道、坑塘，不但是水资源的巨大浪费，还致使全市2 2 0 条 大小河流半数以上受到不同程度地污染。通惠河、凉水河、坝河、清河完全成了 排污河道，有的河道生物绝迹，数十条河道、沟渠变成了新的“龙须沟”，水体变 黑发臭，直接影响首都城市环境。地下水的超采，导致地下水质恶化，城市近郊区 硬度和硝酸盐超标面积均达3 1 2 k m 2 左右。农作物也因大面积引用污水灌溉而造 成污染，土壤中重金属含量明显增加。可是由于乡镇企业的飞速发展和分散布局， 加重了污染治理的难膨们 废水处理刻不容缓，废水处理是将废水中有害、有毒物质加以分离，另行处 理或回收利用，或使有毒物质转变成无毒物处理方法大体可分为物理处理法、 物化处理法及生化处理法。物理处理法包括自然沉降、浮选、过滤、蒸发等。物 化法包括混凝沉淀、中和、氧化还原、萃取、吸附、离子交换、反渗透、电渗析 生化处理包括活性污泥、生物滤池、氧化塘、污水灌溉、湿地及人工湿地。目前 对污水的处理主要采用生物处理方法，具有造价低，出水水质好，处理效率高等 特点。其中人工湿地污水处理系统具有以下优点：1 建造和运行费用低；2 易于 维护，技术含量低；3 可进行有效可靠的废水处理；4 可缓冲对水力和污染负荷 的冲击；5 可提供和问接提供效益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野 生动物栖息、娱乐和教育( 白晓慧等，1 9 9 9 ) 。因此，人工湿地现在受到普遍的重 视，甚至有取代深度治理中水的趋势。 1 2 人工湿地系统处理污水的国内外研究进展 1 2 1 概述 采用人工湿地系统处理污水是上世纪七十年代发展起来的一种处理污水 技术”。二十多年来，人工湿地污水处理系统在世界各地逐渐受到重视并被应 用，由实践到理论，理论到实践，正在不断的发展和完善。而运用人工湿地处理 污水最早可追溯到1 9 0 3 年，建在英国约克郡e a r b y 的这个被认作世界上第一处 用于处理污水的人工湿地连续运行直到1 9 9 2 年州但是，直到上世纪七十年代 初，这一工艺技术才引起人们的注意，这要归功于k i c k u t h 。k i c k u t h 自1 9 7 0 年起在德国用芦苇床进行处理生活和工业污水的实验。人工湿地用于污水处理在 蔓塑堕塾查兰婴主兰竺丝茎 世界范围内得到重视、研究和应用还是从1 9 7 7 年德国学者k i c k u t h 提出根区法 ( t h er o o t z o n e m e t h o d ) 奠定了湿地废水处理的理论基础之后开始的“” 湿地是一生态术语，现在还没有一个能适用于所有领域的唯一正确的定义 作为湿地的基本特征，即一年中基质大部分时间处于水饱和状态，适应此环境的 生物区系和促使湿地形成的水力学条件是不可少的“” 1 9 7 9 年美国鱼类和野生生物不以科学研究为目的，定义了湿地生境类型， 规定湿地是陆地和水体系统之间的过渡地带，在湿地中，至少有一段时间的水位 达到土表或被浅水所覆盖被称为湿地的地区至少应具有下列三个特点之一m ： ( 1 ) 生长的植物主要是水生植物，或间歇生长的水生植物 ( 2 ) 主要发育的土壤为水成土壤，长时间湿润，以致足以产生能限制地上 生长的植物种类的厌氧环境 ( 3 ) 没有土壤的底质( 如岩石、石砾等) 至少在生长季节的某些时间充满 水或被浅水所淹没。 1 9 7 1 年2 月2 日在伊朗的拉姆萨尔签订的并于1 9 8 2 年3 月1 2 日修正的湿 地公约( 全称为关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约) 中湿她的 含义为：“湿地系统不论其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地 或水域地带、带有或静止或流动、或为淡水、半成水或咸水体者，包括低潮时水 深不超过6 米的水域”“”。我国政府在1 9 9 2 年加入了湿地公约组织。 在我国，为了加强对湿地资源的管理、科学研究及丌发与建设，国家环保总 局正在拟定中国湿地分类分级标准，该标准拟将中国湿地分为3 大系统1 1 个 子系统3 2 型和4 级l o 等“。参照“拉姆萨尔”国际湿地保护公约及其他一些国 家的湿地定义，定义我国湿地为：“陆缘为含6 0 以上湿生植物的植被区、水缘 为海平面以下6 米的近海区域，包括内陆与外流江河流域中自然的或人工的、咸 水的或淡水的所有富水区域( 枯水期水深2 米以上的水域除外) ，不论是区域内 的水是流动的还是静止的、间歇的还是永久的。”并从要素、条件、类型三个方 面对湿地进行界定： ( 1 ) 要素：植被、土壤和淹水程度。 ( 2 ) 条件：湿地至少应具有下列条件之一： 至少周期性地生长有处于优势地位的水生或湿生植物； 基质以不渗水的有机质土层为主； 蔓塑塑堕查兰婴主堂竺堡苎 基底非土质、被水淹没、至少每年植物生长季节保持高水位 ( 3 ) 类型：湿地主要类型包括 生长有水生或湿生植物。且有或多或少的泥炭层，如各种类型的沼 泽； 生长有水生或湿生植物，且具有有机质土层为主的区域，如尚未形 成泥炭层的潮间带芦苇区、湖泊挺水植物区等； 无水生或湿生植物，但是具有一定的有机质土层，如由于剧烈波浪 运动、高度混浊或高度盐分等造成阻碍水生或湿生植物生长的区域； 无土壤但有水生植物，如被海草部分覆盖的岩石海岸带等； 无土壤无高等植物生长区，如生长有硅藻的砂石海滩及无植被的砾 石河滩等。 湿地具有土地资源功能、水源功能、生产资源功能、减灾功能、环境净化功 能、保存生物多样性功能、旅游资源功能等“ 湿地分为天然湿地和人工湿地 1 2 2 天然湿地 由于人类活动和生产的发展，许多天然湿地已被人类开垦成农田、湖泊、鱼 塘等。长期以来，天然湿地的许多功能未被充分认识。因此，天然湿地面积在不 断地缩小，湿地的生态环境不断受到人为破坏，甚至被人认为是无用的土地据 报道，七十年代中期，美国原有的8 7 0 0 万公顷的湿地，只有4 0 0 0 力j 公顷( 约 4 6 ) 保存下来湿地的消失速度估计每年平均1 8 5 万公顷，其中8 7 被改造成 农田”“1 。湿地是陆生生态系统和水生生态系统的过渡地带，已被认为是地球上 生产力最高的生态系统之一“”。随着人类对环境认识的提高，发现许多湿地生产 力远远超过了肥沃的农田。湿地接受、保持、再循环了从高地不断冲刷下来的营 养元素，维持了大量的大型和微观植物的生长，直接或间接地满足了许多动物及 人类的生存需要，为浮游生物、轮虫类、昆虫类、甲壳类、爬行动物、两栖动物、 鱼类、鸟类及哺乳动物等提供了良好的生存和繁殖的场所，吸引其他地区的生物 进入湿地系统生活等，在生态系统中起着重要的作用。据估计，美国湿地保存有 1 9 0 种两栖动物，2 7 0 种鸟类和超过5 0 0 0 种的植物。濒危种中有2 6 的植物和4 5 5 的动物直接或间接的以湿地为生，所以许多学者把湿地视为濒危生物应急的栖息 地”“1 。同时湿地能改良水质，为多种水污染提供了一个有效：+ 经济的治理场所。 4 蔓塑堑整查兰堕主堂竺堡塞 用于降解和除去点源、非点源所捧放的有机质、重金属及过多的营养物质 我国湿地面积广大，类型繁多，居亚洲第一，天然湿地类型主要有沼泽、泥 炭地、湿草甸、浅水湖泊、高原咸水湖泊、沼泽地和沿海岛屿及海岸滩涂等，全 国各地均有分布，湿地总面积约2 5 0 0 万公顷，其中许多湿地具有国际性重要价 值除了天然湿地外，我国还有很多人工湿地，如水库、池塘以及水稻田等，面 积在7 0 0 0 万公顷左右“” 我国的天然湿地比较集中的是东北地区和川西高原。东北地区的沼泽地约有 8 2 0 0 0 k m ，占东北地区面积的6 2 川西高原地带沼泽的面积也较大，主要分布 在四川省阿坝州的若尔盖和红原两县，面积约有2 7 0 0 k i n “”。我国的其他平原及 高山区的红河两岸、湖滨洼地及沿海地区都有零星的湿地分布，西藏拉萨市郊区 也有约7 k d 沼泽地。科学的保护和利用这些湿地资源是当今环境科技工作者的一 项重要责任 天然湿地用于废水处理可以追溯到二十世纪初，在美国麻省的两块面积分别 为1 9 4 和2 4 h a 的香蒲沼泽用于废水处理，运转至今已有8 0 年以上的历史“” 分布在北美和东、北欧的用于废水处理的一部分天然湿地见表i 1 1 ，这些天然 湿地所处理的废水有城镇生活污水、制糖工业废水、酸性矿井废水等。 表1 1 国外用于废水处理的天然湿地 地点描述营养物去除率 运转年数 美国密执安州 金钟柏及草本硝氮、氨氮 9 l1 2 北方低地沼泽总磷 9 7 美国威斯康辛氧化型深水香硝氮 5 1 3 6 5 州蒲沼泽总磷 6 4 美国佛罗里达木本草本沼泽总磷 9 8 3 0 州中部 总氮 9 8 5 美国路易斯安氧化型芦苇沼总磷 9 7 5 l l 那州 泽 氨氮 9 3 2 美国加利福尼氧化型深水香氨氮 9 ，61 4 亚州蒲沼泽硝氮 7 7 4 首都师范大学硕士学位论文 美国麻萨诸塞氧化型深水草总磷 6 87 9 州本沼泽硝氮 5 7 氨氮 9 7 美国路易斯安池杉沼泽 t o c 那州 美国密执安州泥炭沼泽 匈牙利澳洲芦苇湖泊 总磷 9 8 总氮 9 6 加拿大安大略氧化型深水草 氨氮 9 5 56 9 省本沼泽 硝氮 8 1 8 加拿大c o o t e s 美洲甜茅、金 1 2 p a r a d is e鱼藻、狸藻、 浮萍湖泊 加拿大苔草草地氨氮 9 61 5 总磷 丹麦 b o d 5 26 l u n d e rs k o w总氮 5 3 总磷 4 5 1 2 3 人工湿地 概述 人工湿地是利用人为手段建立起来的具有湿地性质和特殊用途或功能的场 所。是由一些浮水、挺水及沉水植物和微生物、野生动物与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包括如下五个要素： ( 1 ) 有具备一定过水能力的基质层； ( 2 ) 有可在处于水饱和及厌氧状态的基质层中生长的植物； ( 3 ) 有无脊椎动物和脊椎动物； ( 4 ) 有好氧和厌氧微生物( 包括细菌、真菌、藻类和原生动物) ； ( 5 ) 有可在基质层中或基质表面流动的水流。 人工湿地和天然湿地一样，具有为大量植物、动物和微生物提供栖息场所 6 首都师范大学硕士学位论文 的功能，由于天然湿地具有净化污水的功能，并且在用于废水处理方面成效显著， 而在需要处理污水的地方往往找不到天然湿地，同时，天然湿地处理污水不易控 制，若处置不当，会对天然湿地资源和生态系统造成破坏。人们从天然湿地处理 污水中受到启发，进行研究、试验、设计、建设专门用于处理污水的人工湿地。 因经过专门设计建设的人工湿地具有比天然湿地更高的污水处理效率，又因其场 地选择灵活、建发运行费用低、有一定的生态效益而受到社会的重视，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，且方兴未艾，大 有取代传统的二级生化处理及部分深度处理工艺的发展趋势，见表1 2 。 表1 2国内外八十年代部分用于废水处理的人工湿地 地点描述营养物去除率运转年数 s a n t e e草、芦苇、香蒲 氨氮 2 8 4 9 3 31 9 8 3 8 1 9 8 4 1 2 美国加州 ( 1 8 5 * 3 。5 * 0 7 6 )b 7 4 3 9 5 5 t s s8 6 4 9 3 6 i s e l i n 浮草、草食鱼、草地 b o d9 71 9 8 7 美国宾夕法氨氮 7 7 尼亚州总磷 8 2 p e m b r o k e 沼泽一池塘一草原 1 9 8 7 美国肯塔基 州 0 t h f r e s e n 澳洲芦苇 8 0 d9 61 9 7 9 德国( 2 2 5 h a ) 总氮 9 8 总磷 9 9 m o s s g a r d 宽叶香蒲、苔草、芦 b o d 8 01 9 8 4 3 丹麦苇( 2 5 2 0 m )总氮3 8 总磷3 0 h j o r d k a e r 澳洲芦苇 b o d6 61 9 8 4 7 丹麦 ( 8 7 * 1 3 m ) 总氮 2 9 总磷1 3 i n g s t r u p澳洲芦苇 b o d 9 51 9 8 4 “ 丹麦( 8 5 + 1 3 5 m )总氮9 0 首都师范大学硕：e 学位论文 总磷 9 4 b o r u p 澳洲芦苇 b o d 5 91 9 8 5 4 一 丹麦( 1 9 1 9 )总氮 2 5 总磷 1 8 h o l t b y坡度5 、流量 b o d1 9 8 6 6 英国 3 0 m 3 ds s 氨氮 m a m h u l l 2 个床，坡度4 、 b o d1 9 8 7 4 英国流量8 5 m 3 d s s 氨氮 c a s t l e r o e芦苇，2 个士壤床，b o d 1 9 8 6 3 2 5 北爱尔兰2 个沙砾床，坡度 s s 2 4 、流量5 m 3 d氨氮 自泥坑 b o d9 5 0 11 9 9 0 6 中国深圳 s s9 3 o 总氮 3 9 4 总磷 2 8 ，2 分类 从工程设计角度，按照系统布水方式或者系统中流动方式，人工湿地处理处 理系统可分为三种：垂直流人工湿地潜流人工湿地和表面流人工湿地；从水力 学角度，可分为水面湿地和渗滤湿地；按污水在其中的流动方式，可分为水面式 人工湿地和潜流式人工湿地：按照湿地中的主要植物，可分为浮水植物系统、挺 水植物系统和沉水植物系统。目前。分类方法是按水流方式的不同分为三种基本 类型：表面流人工湿地、潜流人工湿地和垂直流人工湿地。 表面流人工湿地( 如图1 1 ) 主要特点是废水在填料表面形成漫流，有机物 的去除主要依靠填料表面、植物在水下根、茎、杆上的的生物膜的作用，这种湿 地流态与天然湿地较为接近，有利于废水的自然复氧，但处理效果不理想，不能 充分利用填料及植物根系的作用，容易生长蚊蝇，产生臭味，影响景观，因此目 前已经逐渐被淘汰。 首都师范大学硕士学位论文 图1 1 表面流人工湿地 潜流人工湿地( 如图1 2 ) 的主要特点是废水在填料下流动，可以充分利用 填料表面及植物根系上生物膜及其他作用处理污水，卫生条件好，是目前应用较 为广泛的湿地流态。 图1 2 潜流人工湿地 垂直流人工湿地( 如图1 3 ) 的水流形态综合了表面流和潜流的特点，建筑 要求相对较高，目前也是一种比较流行的方式。 9 首都师范大学硕士学位论文 图1 3 垂直流人工湿地 1 2 4 人工湿地处理污水系统 人工湿地系统处理污水技术兼具一般土地处理和氧化塘处理系统的特点，且 在处理效果、投资费用、占地面积和运行维护等方面都比她们更为优越、灵活， 因而越来越受到人们的重视，上世纪八十年代得到迅速发展。在上世纪七十年代 和八十年代初，仅在月r 麦就建立了3 0 多座人工湿地废水处理场f 2 2 1 。从1 9 8 8 年丌 始，每隔两年召丌一次人工湿地系统处理污水国际学术交流会。我国对人工湿地 处理污水技术的研究始于上世纪八十年代中期，并在北京、天津、深圳、上海、 四川等地建立了不同类型的试验或示范人工湿地处理污水系统阻2 4 埘2 6 2 7 1 ，其 中1 9 9 0 年建成的深圳白泥坑人工；! j i ! 地处理污水系统是我国第一个完整的处理城 镇污水的人工湿地示范工程。 k i c k u t h 根区法理论认为，生长在湿地中的挺水植物通过叶呼吸和茎杆的运 输作用将空气中的氧转运到根部，再经过植物的根部表面组织扩散，在根须周围 形成好氧区，这样在植物根须周围就会有大量好氧微生物降解有机物，在根须较 少达到的地方将形成兼性区和厌氧区，发生兼性微生物和厌氧微生物降解有机物 的作用。并且植物的根可提高基质的水力传导性能。 人工湿地处理污水系统本身也是土地处理系统的主要工艺类型之一。是一项 运用生态学原理加上工程方法而形成的生态废水处理技术，其生态学原则具体体 现在对现代生态学三项基本原则的灵活运用：整体优化、循环再生和区域分异， 在污水处理芳面体现了完整性、配套性和优越性，具有1 0 项特征。人工湿地处 1 0 堇塑塑垫查兰堕主兰垡堡兰 理污水的方法还同时兼具生物滤池法1 2 8 2 9 1 和活性污泥法【圳处理污水的某些性 能。如人工湿地床中的基质相当于生物滤池中的滤料，都是人工有选择的添加进 去的，都有供微生物附着的并与污水直接接触的表面积，活性污泥法中微生物与 污水直接充分接触依赖于人为搅动( 曝气、机械) ；人工湿地和生物滤池、活性 污泥法都是依靠生物净化污水；人工湿地与生物滤池、活性污泥法在生态及生物 类别方面的不同之处在于：生物滤池结构( 塔式) 是封闭的，活性污泥法结构是 半封闭的，里面生物是微生物，是异养型生态系统：人工湿地结构是开放式的， 里面的生物体系复杂，以植物和微生物为主，为自养型与异养型相结合的生态系 统。生物滤池和活性污泥法在处理污水过程中所需要的氧气是靠人工( 鼓风机、 气泵) 输入的，人工湿地处理污水所需要的氧气是靠自然( 植物和大气复氧) 输 入的，也正因为如此，人工湿地处理污水系统设施占地面积较大从生物滤池、 活性污泥法到人工湿地的变化特点为：人工充氧系统一自然充氧系统，封闭式的 生物滤池一开放式的湿地生态系统。 人工湿地处理污水系统多用于生活污水和某些工业废水的二级处理，在世界 各地也有用人工湿地处理农业污水的范例。例如在美国，一个有5 0 0 头猪的农场 建立了一座带有芦苇床的示范设施，用于处理饲养这些猪产生的污水，污水进入 芦苇床前经过一个塘系统的处理【3 l 】。另外，在前捷克斯洛伐克，用于鸡场废物处 理的芦苇床对b o d 5 、 i n 、t p 的去除率分别为8 0 、8 0 和6 5 e 3 2 】。我国在上 海也建立了人工湿地塘床系统处理鸡粪污水试验工程。 国外在八十年代就尝试用人工湿地对二级处理后的污水进一步处理，以满足 再利用的需求，使排放水质更好，含氮、磷浓度更低。在佛罗墨达的奥兰多市就 有一座4 9 0 公顷的人工湿地，处理来自该城市污水处理厂( 在该厂停留了约3 0 天) 的出水，日处理量为7 6 万m 3 f 3 鲫。 入工湿地处理污水系统是以人工湿地处理为主的包括前处理和后处理的污 水处理工艺。前处理单元可包括各种预处理工艺，如格栅、沉砂池、调节池、沉 淀池、化粪池、厌氧硝化池等；后处理单元可包括贮水池、农灌、过滤、消毒、 水回用设备等。典型的入工湿地系统处理污水工艺流程见图1 4 所示。 首都师范人学硕士学位论文 注：“一”为水流方向 图1 4 人工湿地系统处理污水工艺示意图 图1 4 所示的人工湿地单元主要是人工建造的多级植物床、植物塘、养鱼塘 等项组合的湿地单元及水流控制设施。在实际应用中，人工湿地单元组合及顺序 不是固定不变的，因地制宣，既可以是由一个或多个植物床( 具有一种或多种植 物、一种或多种基质即一种或多种水流方式) 构成，又可以是由一个或多个植物 床和植物塘或兼性塘、氧化塘等多种类型湿地单元组合而成。不同的系统组合对 湿地单元的水力学因素有较大的影响。水力学因素包括流速、水深及波动、停留 时间、混合、紊流、回流及布水方式，这些因素对污染物净化过程有很大的控制 作用。系统组合的主要目的是要改善系统的布水以达到污水和基质、植物最充分 的接触，并最大限度控制短路和死区。采用回流可以稀释进水b o d 和s s ，减少 2 蔓塑堑蔓查兰堡圭堂笪堡苎 产生臭味的可能性，并能增加溶解氧和水力停留时间，有助于硝化作用的进行。 但这样做会增加基建费用和运行费用。 在美国，潜流人工湿地处理污水系统的预处理主要包括化粪池、初沉池或氧 化塘等方式。处理高强度污水时，可以在湿地前增加一级厌氧反应器。根据特定 的污染去除要求，预处理和湿地单元可由许多不同的组合形式，以达到最佳处理 效果。预处理要达到的目的是：去除大颗粒( 块) 固体；减少有机负荷。在 美国，有许多人口达5 0 0 0 人的城镇用人工湿地处理污水，同时还用初级沉淀池、 初级氧化塘或腐解槽以首先除去各种固形物【川。 湿地床可采用两级系统配套使用，第一级是并排布置的又长又窄的线( 条) 形湿地床，用以处理较高污染负荷的污水第二级是用于对第一级出水进行深度 处理的巨型湿地床湿地中栽种可在潮湿条件下茁壮生长的植物( 包括百合花、 美人蕉、蕨类植物、蝴蝶花等) ，这会产生一种令人愉快的景观效果【3 5 1 1 2 5 人工湿地未来发展趋势 人工湿地污水处理系统具有出水水质稳定，对氮、磷去除能力强，基建运行 费用低，易于维护，耐冲击负荷强，适于处理间歇排放的污水，并具有美学价值 等优点，发展前景十分广阔。但由于人工渝地系统中影响因素繁多，受地域及气 候条件影响较大，人们对污水进入湿地系统后污染物的迁移转化机理与过程的认 识尚不充分，人工湿地设计的可移植性不强。因此，为全面了解污水在湿地中的 净化机制，改善人工湿地的处理效率，未来的研究趋势是3 6 j 订。 ( 1 ) 对不同构造的湿地系统中污水的流体力学特性进行研究，探讨水力负荷、 污水停留时间、出水速率、湿地容水体积( 空隙度) 和出水量等与污水净化效果之 间的藕合关系，以揭示水力学特点对污水净化效果的影响规律。 ( 2 ) 深入研究湿地系统中0 2 的供应和不同类型植物的输氧能力对基质中微生物 生境的影响。 ( 3 ) 重点研究在提高人工湿地氧化、硝化能力的同时如何提高其反硝化能力， 以解决有机物与总氮的同时高效去除问题。 ( 4 ) 研究垂直流人工湿地污水处理特点，研究其在未来污水处理中应用时各项 参数的影响。 ( 5 ) 以废水的特征污染物为指标，研究合理的人工湿地构造与工程参数，推算 系统设计方程。 堕塑堑蔓查兰堡主堂垡堕壅 ( 6 ) 研究低浓度、高盐、有毒、难降解有机废水对湿地系统中氧分布和微生物 生境的影响 ( 7 ) 结合不同地区不同污水的特性筛选出抗性强、净化效果好的工程植物。 ( 8 ) 根据不同地区、不同气候条件及不同特性生活污水的使用数据建立数据库， 促进人工湿地处理生活污水治理技术的推广。 ( 9 ) 研究各种人工湿地改良技术，深入研究人工湿地技术在上业废水处理中的 应用。 由于人工湿地属自然处理法，气候条件、规模、负荷率、几何布置、植物种 类构成及废水的类型构成等在空间上的变化很大。美国e p a 目前正在开发北美人 工湿地数据库，在其他国家甚至已存在地方数据库。为减少重复劳动和改良经验 湿地设计方法，所有这些数据都应通过公共数据库使世界各地的工程师和科技人 员能够获得。这样的数据库将是非常有用的工具，能够尽可能地减少建设低效湿 地的风险。两种湿地( 表面流和潜流) 的设计指南现已出版，但仍有必要针对不 同地区特征和运行特点进行更细致的研究，以实现人工湿地系统的改良，以及为 将来的建设提供更合理的参数1 。 1 3 人工湿地处理生活污水的净化机理 人工基质、水生植物和微生物是人工湿地的主要组成部分。多年的研究表明， 人工湿地能够利用基质一微生物一植物这个复合生态系统的物理、化学和生物三重 协调作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对 废水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物 生长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。 1 3 1 人工基质 人工湿地中的基质又称填料、滤料，一般由土壤、细沙、粗沙、砾石、碎瓦 片或灰渣等构成。基质是湿地植物