（农业水土工程专业论文）强化潜流人工湿地硝化作用研究.pdf

王霞：强化济流人上湿地硝化作用研究 中文摘要 潜流人工湿地( 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 ) 污水处理系统因具出水 水质稳定、耐冲击负荷强、基建成本和运行费低、易维护、兼具美学价值等优点， 已广泛应用于处理生活污水、农业点源污染和面源污染以及富营养化水体的治理。 但是，人工混地去除氨氮的能力往往较差。人工湿地主要通过硝化和反硝化 的联合作用来去除氮素，而人工湿地本体氧化还原电位( 0 r p ) 一般是负值，能 充分满足反硝化作用的要求但不能满足硝化作用的要求，因此硝化能力是人工湿 地污水脱氮系统总效率的限制因子。 本文采用改变水力坡度、间隙进水、预曝气进水方式提高人工湿地的硝化能 力。以一种改进的潜流人工湿地一波式潜流人工湿地( w a v ys u b s u r f a c ef l o w c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，简称w - s f c w ) 为研究对象。 试验历时近一年，主要结果有： ( 1 ) 改变水力坡度后。人工湿地的好氧区变大，能有效的提高人工湿地的硝化 能力。降低出水水位时，w - s f c w 出水氨氮的浓度为8 5 8 m g l ，w s f c w 中氨氮 的平均去除率为7 8 。2 7 ，比正常出水提高了7 5 1 ，平均硝化活性由原来的 0 3 3 u g n ( d , 时。g 土) 增加到0 4 9 u g n ( j , 时。g 土) ，硝化活性提高了4 6 2 9 。 ( 2 ) 间隙进水过程中，非进水阶段空气进入了湿地内部，有利于人工湿地中硝 化反应的发生，从而能更好的去除污水中的氮。间隙进水对，w - s f c w 出水氨氮 的浓度为1 0 3 7 m g l ，w s f c w 中氨氮的平均去除率为7 7 5 6 ，比正常进水提高 了6 8 0 ，平均硝化活性由原来的o 3 3 u g n ( d 、时。g 土) 增加到0 4 8 u g n ( d x 时g 土) 。 硝化活性提高了4 5 4 5 。 ( 3 ) 采用预曝气进水的方式，在配水池处进行曝气，增加进水口处污水的含氧 量，大量的氧进入人工湿地，弥补湿地中含氧量不高的缺陷，促进湿地内部的硝 化反应。预曝气进水时，w s f c w 出水氨氮的浓度为6 5 3 m g l ，w - s f c w 中氨氮 的平均去除率为8 5 6 7 ，比j 下常进水提高了1 4 9 l ，硝化活性由原来的 0 3 3 u g n ( j 时。g 土) 增加到0 5 5u 斟( 小时x g 土) 。硝化活性提高了6 6 6 7 。 ( 4 ) 采用改变水力坡度、间隙进水、预曝气进水方式时，人工湿地的反硝化活 性有所降低，但总体来说，人工湿地的反硝化作用仍比硝化作用大很多，反硝化 u 扬州大学硕士学位论文 能力相对过剩。 ( 5 ) 针对本文中改变水力坡度、间隙进水、预曝气进水方式这三种技术研究进 行综合评价，提出评价指标，利用模糊数学知识建立评价标准和量化方法，并以 狄色关联分析法进行技术评价。根掘评价结果，水力坡度的变化是强化人工湿地 硝化活性的首选技术，其次是预曝气进水技术，间隙进水技术相对来说可操作性 不高。 本研究所得到的实验数据和成果，对于人工湿地内部硝化反硝化能力平衡有 较大的意义。 关键词：水污染，潜流人工湿地，硝化，模糊数学，灰色关联分析 a b s t r a c t s e w a g et r e a t m e n ts y s t e mi ns f c w ( 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 ) h a v e a d v a n t a g ei ns t a b l eo u t f l o ww a t e rq u a l i t y , s t r o n g l ye n d u r i n gi m p u l s i o nl o a d , t h el o w e r o fc a p i t a lc o n s t r u c t i o nc o s ta n dr u n n i n gc o s t ，e a s i l ym a i n t a i n i n g , a n da e s t h e t i c sv a l u e s f c wh a sa l r e a d ya b r o a db ea p p l i e di ns e w a g et r e a t m e n t ，a g r i c u l t u r ep o i n tf o u n t a i n p o l l u t i o n ，s u r f a c ef o u n t a i np o l l u t i o na n dt h et r e a t m e n ti ne u t r o p h i c a t i o no f t h ew a t e r b o d i e s b u t ，t h ea b i f i t yo ft t i t r o g e nr e m o v a li nf l f c wi ss o m e t i m e sr e l a t i v e l yp o o r n i t r o g e nr e m o v a li ns f c wm a i n l ya s s o c i a t e sn i t r i f i c a t i o nw i t hd e n i t r i f i c a t i o n 。b u t o r pi ns f c wu s u a l l yi sn e g a t i v e i ti sa b l et os a t i s f yd e n i t r i f i c a t i o n , a n di tc a n t s a r i s f yn i t r i f i c a t i o n t h e r e f o r en i t r i f i c a t i o n i sar e s t r i c tg e n ei ns f c w sn i t r o g e n r e m o v a ls y s t e m ，t h ea b i l i t yo f n i t r o g e n ( i n c l u d i n go r g a n i cn i t r o g e n ) i sr e s t r i c t i n gw i t h n i t r a t i o n c h a n g e dw a t e r p o w e rg r a d e ，c l e a r a n c ei n f l o wa n da e r a t i o ni n f l o ww e r ea d o p t e d t o i n c r e a s en i t r i f i c a t i o n t h et h e t i se m p h a s i z e dam o d i f i e dc o n s t r u c t e ds u b s u r f a c e w e t l a n dt h a tc a l l e dw a v ys 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 ( w - s f c w ) t h er e s u l t so fm o n i t o r i n gf o ray e a ri n d i c a t e dt h a tw h e nt h ec o n c e n t r a t i o n so f i n f l u e n ta l e ； ( 1 ) w h e nr e d u c i n go u t f l o ww a t e rl e v e l a e r o b i ca r e ai ns f c wi sl a r g e r e r , t h e a b i l i t yo f n i t r i f i c a t i o nw a si n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o no f n h 4 + - ni nw - s f c w s o u t f l o w i s8 5 8 m g l a v e r a g er e m o v a lr a t e so f n i - h + - ni nw - s f c ww e r e7 8 2 7 i th e i g h t e n s 7 5 1 n i t r i f y i n ga c t i v i t yi si n c r e a s e dt o0 4 9 u g n ( h x g ) f r o m0 3 3 n g n 0 a x g ) ，i t h e i g h t e n s4 6 2 9 ( 2 ) w h e na d o p t i n gc l e a r a n c ei n f l o wt e c h n i c 。a i re n t e ri n t ot h ew e t l a n d si n n e r , o x y g e nc o v e r i n gw o u l db eh a p p e n e di ne x i g u i t yh o l e i nm e d i u m t h ea b i l i t yo f n i t r i f i c a t i o nw a si n c r e a s i n g t h e r e f o r en i t r o g e ni ns e w a g ew i l lb ee a s i l yw i p e do f f c o n c e n t r a t i o no f n i - h + - ni nw - s f c w so u t f l o wi s1 0 3 7 m g l a v e r a g er e m o v a lr a t e s o fn h 4 + - ni nw - s f c ww e r e7 7 5 6 i th e i g h t e n s6 8 0 n i t r i f y i n ga c t i v i t yi s i v扬州人学硕+ 学位论文 i n c r e a s e dt oo 4 8 u g n ( h 。g ) f r o mo 3 3 u g n ( h x g ) ，i th e i g h t e n s4 5 4 5 ( 3 ) w h e na d o p t i n ga e r a t i o ni n f l o w , w ea r ev e n t i l a t i n gi ns e r v i c er e s e r v o i r m o r e o x y g e ni se n t e r e di n t ot h ew e t l a n d si n n e r , w h i c hm a k e su pt h el i m i t a t i o nt h a to x y g e n c o v e r i n ga r e aa n dt h er o o ts y s t e m sr i v i n go u to x y g e na r e aa r es m a l l i ta d v a n c e s n i t m t m nr e a c t i o n c o n c e n t r a t i o no fn i - h * - ni nw - s f c w so u t f l o wi s 6 5 3 m g l a v e r a g er e m o v a lr a t e so fn h 3 - ni nw - s f c ww e r e8 5 6 7 ，i th c i g h t e n s 1 4 9 1 n i t r i f y i n ga c t i v i t yi si n c r e a s e dt oo 5 5 u g n ( h g ) f r o mo 3 3 u g n ( h 曲，i t h e i g h t e n s6 6 6 7 “) w h e na d o p t i n gt h et e c h n i co fr e d u c i n go u t f l o ww a t e rl e v e l c l e a r a n c ei n f l o w a n da e r a t i o ni n f l o w , d e n i t r i f y i n ga c t w i t yr e d u c e sal i t t l ei nw - s f c w w h e r e a sf r o m m a c m s c o p i c a ld i r e c t i o n , d e n i t r i f y i n ga c t i v i t yi sb i g g e rt h a nl l i t r i 研n ga c t i v i t y , t h e a b i l i t yo f d e n i t r i f i c a t i o ni sr e l a t i v e l ys u r p l u s ( 5 ) w es y n t h e t i c a l l ye s t i m a t et h et h r e et e c h i n e so fc h a n g i n go u t f l o ww a t e rl e v e l ， c l e a r a n c ei n f l o wa n da e r a t i o ni n f l o w , a ne v a l u a t i n gi n d i c a t o rs e tu s e df o rt h ed e c i s i o n c o u p et os d e e tt h et e c h i n c sw a sp r o p o s e d t h i sw i l lb eh e l p f i l lt ou s et h ek n o w l e d g e o ff u z z ym a t h cm a s t i c st oe s t a b l i s ht h ev a l u a t i n gs t a n d a r da n dq u a n t i f i c a t i o nm c t h o d ， a n dt oo p t i m i z et h ed e c i s i o nf r o mc a n d i d a t e sb yg r a ya s s o c i a t e da n a l y s i s a c c o r d i n gt o t h ee s t i m a t er e s u l t ，w ek n o wt h a tt h et e e h i n eo fc h a n g i n go u t f l o ww a t e rl e v e li st h e b e s t 。a n dt h e ni sa e r a t i o ni n f l o w tt e c h n i c ；t h ef e a s i b i l i t yo fc l e a r a n c ei n f l o wi s r e l a t i v e l yl o w t h et h e s i sb r o u g h tam a t t e rt oas p e e d yc o n c l u s i o nt h a tt h ed a t aa n df r u i t so ft h i s t h e s i sa r eb e n e f i tt ot h eb a l a n c eo fn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i t i c a t i o ni ne n n s t r u e t e d w e t l a n d s i n t e r i o r k e yw o r d s ：w a t e rp o l l u t i o n ，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 ，n i t r i f i c a t i o n , f u z z ym a t h e m a t i c s g r e ya s s o c i a t e da n a l y s i s 王霞：强化潜流人工湿地硝化作用研究 l 1 绪论 1 1 综述 1 1 1 水污染现状 2 0 世纪以来，工业豹迅速发展，入口的大量增加，地球的自然资源被大规模 开发利用，在单一追求经济利益的驱动下，大量生产和生活的废水、废弃物、有 毒化学物品不作处理排放水体，致使水体污染日益严重l 。据统计，2 0 0 6 年排入 全球水体的氨氮有1 8 万t 。 我国处于经济起飞阶段，水体污染情况较为严重，全国9 5 万k m 河流，有1 9 万i c l i t 受到污染，0 5 万k m 受到严重污染。松花江、淮河、海河和辽河水系污染较 重，8 6 的城市河流受到不同程度污染【2 】。面源污染曾经被认为主要是农村滥用农 药、化肥引起，然而最新研究表明1 3 】；地表水体中8 5 以上是n 地l n ，主要来源于 人畜粪尿和有机肥，不是源于当季施入的无机n 肥。全球性水污染问题已对人类 生存和经济发展构成越来越严重的威胁，防治水体恶化、保护水资源，走可持续 发展的道路己成为人类共同追求的目标。 1 1 2 中小城镇生活污水治理现状 到2 0 0 6 年底，生活污水的排放量占到了我国年污水排放总量的5 3 ，但只有 3 5 得到了处理【4 】。两且主要集中在经济发达的大城市及沿海地区，经济欠发达地 区、中小城市、处理率更低。中小城镇( 乡镇) 生活污水仍然处于不加处理直接 排放到水体的状态，也就是说处理率几乎为零。生活污水已成为我国水体环境污 染的主要来源，因此，解决好中小城镇生活污水的达标排放问题在当前显得尤其 重要。 1 1 3 人工湿地的概述 本世纪七十年代蓬勃兴起的人工湿地，是一种包含土壤、植被、微生物的生 态处理工程，它是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的，利用自然生 态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，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污水的高效净化的技术嘲。它在处理污水的同 2 扬州大学硕士学位论文 时可改善环境，且具有高效率、低投资、低运转费用、低维持技术，用地少和基 本不耗电的优点，是正在不断得到研究应用和发展的面源、点源污染处理实用新 技术，是近年来发展较快、应用较广的一种污水生态处理技术。 1 1 - 3 1 国外应用与研究现状 人工湿地技术在国内外得到了广泛的发展应用。据统计，截止到2 0 世纪9 0 年代，英国有2 0 0 3 0 0 多座人工湿地在使用1 6 7 】，乌克兰有2 0 3 0 座，新西兰大约 有8 0 座在使用【删，美国北部有6 5 0 多座自然和人工湿地( 占7 9 ) 投入使用， 捷克有4 0 多座在使用 6 , 1 0 】其他国家如德国、丹麦、瑞典、波兰、澳大利亚、印 度等都有成功运行人工湿地的经验。且根据调查显示这些人工湿地系统大部分处 理效果良好，都不同程度满足了各地排放标准的要求1 6 1 。 自由表面流湿地在欧洲发展缓慢【1 1 1 ，而地下潜流湿地在欧洲应用较多，在丹麦、 德国、英国每个国家都至少有2 0 0 个系统在运行，绝大多数系统种植芦苇。在德 国大多数系统介质是土壤，认为根的生长和芦苇根区会增加和稳定导水性，但几 乎所有土壤系统都遇到表面短流问题。为了保证潜流，英国和北美大多数采用砾 石床。虽然砾石床也会堵塞，但主要是预处理不充分( 1 2 l 。 在过去的几十年中，国外研究人员进行了大量的关于人工湿地处理生活污水 1 3 - 1 6 1 、市政废水【 l 、垃圾渗滤液【、农业废水1 1 9 , 2 0 、石油化工废水2 1 , 2 2 1 、城市暴 雨径流污染控制【2 3 1 以及湖泊污染防治 2 4 1 等方面的研究。 1 1 3 2 国内应用与研究现状 我国在“七五”期间丌始人工湿地的研究。首例研究工作始于1 9 8 8 1 9 9 0 年在北 京昌平进行的自由水面流人工湿地。处理量为5 0 0 咖的生活污水和工业废水，占 地2 h a ，水力负荷4 7 c m d ，h r t4 3 d ，b o d 负荷5 9 k g b o d j ( h a - d ) 。1 9 9 0 年，华 南环科所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建立实验基地，占地8 4 0 0 m 2 ，处理3 1 0 0 t ，d 的城镇综合污水。到目前为止，已经成功运行的有北京昌平人工湿地污水处理场、 广州抽水蓄能电站( 管理区和库区移民区) 污水处理场、深圳自泥坑、沙田人工 湿地污水处理厂和胶南市人工湿地污水处理厂等 2 5 1 。 华中农业大学李科德等采用人工模拟芦苇床处理生活污水，对其净化机理进 乇霞：强化潜流人- l ：湿地硝化作_ i j 研究 3 行了研究1 2 5 ；中科院水生所吴振斌、成水平等人将传统的人工垂直流湿地技术发 展成上行流下行流污水处理技术2 6 】；同济大学周琪、杨敦、徐丽花等人采用潜流 人工湿地控制暴雨径流污染问题1 2 7 】；清华大学钱易、刘超翔等入对潜流湿地处理 低浓度农村污水进行了试验研究【2 8 1 ；扬州大学何成达教授等人采用降流式厌氧紊 动床+ 人工潜流漫地处理生活污水，对其净化及机理进行了研究1 2 9 3 。 1 1 3 3 人工湿地除氮机理 湿地中氮主要通过基质和植物吸收、微生物的硝化和反硝化等途径被去除。 原废水中的氮一般以有机氮和氨氮的形式存在3 0 1 。废水中的有机氮在处理过程中 被异养微生物首先转化为氨氮( 氮化反应) ，面后氮氮在硝化菌的作用下被转化为 亚硝态氮( 亚硝化) 和硝态氮( 硝化) ，最后通过反硝化以及植物根系的吸收作用 而从系统中去除【3 。研究表明，污水中的无机氮可作为植物生长过程中不可缺少 的物质而直接被植物摄取，合成植物蛋白质等，通过植物的收割从污水和湿地系 统中去除，但这一部分仅占总氮量的8 1 6 ，因而不是主要的脱氮过程 3 2 1 。在 人工湿她系统中，植物根系周围形成有利于微生物实现硝化作用的好氧徼区，而 在远离根系周围为厌氧区，枯枝、碎屑及底质层中可利用的碳源又提供了反硝化 条件，所以人工湿地的脱氮主要是靠微生物的硝化、反硝化来实现的【3 3 3 4 1 。 氨化反应 r c h n h ：c o o h + 0 2 塑t 马r c o o h + c o t + n h ， 亚硝化，硝化反应 k h ：+ 妥0 t 墨曼马n o ；+ h r o + 2 h 二 n o ；+ 兰o l j 墼n o ； 二 反硝化反应 n o ；- - * tn o ；一n 2 0 一n ，( 异化反硝化) 山一u o ； n h ，o h 寸有机体( 同化反硝化) 如前所述，湿地系统中的植物根系的输氧及对氧的释放，使得床体内部存在许 多好氧、缺氧和厌氧区，这相当于许多串联或并联的a 2 o 单元，使硝化和反硝化 作用在湿地中同时发生j 6 1 。这使得人工湿地处理系统具有比传统活性污泥法更 4 扬州火学硕士学位论文 强的脱氮能力，同时其工程投资也比a 2 o 工艺大为节省。硝化作用仅仅是氮的转 化过程而不是去除途径，反硝化作用与作物吸收才是真正有效的脱氮途径。 1 1 ，3 4 影响人工湿地系统除氮的主要因子 l ! 地是个复杂的生态系统，影响漫地对氮的去除效率的外界因子有很多，例如 温度、溶解氧、水力持留时间、c ：n 比、水力负荷、重金属离子浓度、p i - i 值等。 以下就温度、溶解氧、水力持留时间、c ：n 比、重金属离子浓度和p h 对系统除氮 效果的影响作一简单介绍，为提高人工湿地硝化能力提供一些理论参考。 ( 1 ) 温度 氮的去除取决于系统内细菌、藻类和高等永生植物的生命活动，冬季植物、微 生物的活动微弱，特别是硝化作用减小，系统的除氮作用也随之减小【3 7 】。硝化细 菌的适宜温度是3 0 3 5 ，对低温比氨化菌敏感，故冬季时土壤中铵的数量多于 硝酸盐；温度对反硝化作用也有一定的影响，士温为2 5 3 0 ，反硝化作用进行 的最强烈，0 c 左右，反硝化作用几乎停止【3 8 l 。 王磊等研究固定化硝化菌去除氨氮时发现适合硝化菌生长的温度在2 5 3 5 之间，在2 4 1 2 2 8 c 固定化硝化菌硝化速率很高，除氮效果相当好1 3 9 1 。j h u a n g 等 通过研究得到了温度相关系数的经验公式：k r - - - 0 1 2 5 9 a r l ( 1 0 0 7 9 ) ( r 2 0 ) ，硒随着温度 的升高而增大i 帅】。 ( 2 ) 氧气 进入人工湿地系统的污水经过连续的好氧一厌氧过程，相当于串联的a 0 污 水处理系统，从而达到从湿地中去除污染物的目的。因此氧的分布在湿地除氮过 程中占十分重要的地位。人工湿地中的氧气主要来自于大气向湿地中的扩散和植 物根的放氧作用。 湿地对氮的去除主要是通过硝化一反硝化这一好氧厌氧过程进行豹。磷化作 用是一个好氧过程，要使硝化一反硝化途径畅通，提高氮的去除率最重要的是提 高系统中硝化作用的强度。对湿地污水进行曝气，以增加污水中溶解氧或使污水 中的氮素物质进入湿地前作预处理，转化成硝态氮，也可以增加湿地植物的密度， 或采用问歇式进水的方法使硝化菌获得充足的氧气以提高系统的硝化能力，从而 增加系统对氮的去除效果。 = e 霞：强化渐流人j ：湿地硝化作用研究 5 反硝化作用是一个厌氧过程，研究资料表明，只要土壤中有少量氧存在，反 硝化产生的n 2 0 不会进步还原为n 2 。土壤氧化还原电位在3 4 0 m v 以上时，硝 酸盐氮相当稳定不被还原：当降低至3 0 0 m v 或2 4 0 m v 时，硝酸盐氮数量大大减 少，并发生反硝化作用【4 l 】。 ( 3 ) 持留时间 ， 已有文献报道，n h 3 和t k n 在湿地中的浓度随持留时间的增加而减小【4 2 舢】。 郭明新等报道当水力停留时间小于7 8 小时，氮去除率随停留时间延长而显著提高， 超过7 8 小时，可能由于死亡植物有机氮的释放，抵消了部分氮的去除水l 。 ( 4 ) 碳氮比 瀑迪的反硝化过程可以表示为：5 6 c 6 h 1 2 0 6 + 4 n 0 3 一+ 4 旷- - 5 c 0 2 + 2 n 2 + 7 h 2 0 ，葡 萄糖是能源，n 0 3 一：是电子受体，n ：是反应产物挥发到大气中【4 5 1 。在非植物生 长期的冬季，由于有机碳的供给不足，系统脱氮效果下降。 l i n 在湿地去除污水中n 0 3 的研究中发现，每去除1n a gn 0 3 - 一n 需要消耗 6 7 8 0 m g c o d ，有机碳限n t 系统的脱氮作用1 4 6 1 。文献表明c ：n 比至少为5 ：1 才能保证充足的c 供给脱氮作用。在不同有机碳浓度的废水中，脱氮率取决于c ：n 比，最高脱氮率出现在c ：n 比大于5 ：1 的时候 4 7 - 4 8 。人工湿地系统中有机碳的供 给主要来自湿地植物的生长和死亡，因此选取一些植物提供反硝化作用的能量是 湿地技术的一个值得研究的问题。 ( 5 ) 重金属离子 硝化一反硝化这一微生物学过程常受到污水中各种有害因子的干扰。重金属 等有毒污染物在床体的不断蓄积，随着土壤容纳重金属离子的饱和，新增重金属 离子将以有效态形式作用于湿地微生物群落，严重抑制反硝化等微生物代谢过程， 消弱人工湿地去除氮、磷等污染物的功能。游离态的铝对于硝化细菌有着相当强 的毒性，锌在很大程度上能抑制硝化作用1 4 9 。已有研究表明c d 2 + ，c t l _ 2 + z n 2 + 对反硝 化作用有抑制作用，其抑制n 2 0 产生的程度顺序为c a 2 + z n 2 + c u 2 + t - s o j 。p e l i m 等也报道湿地中氨氮的去除与重金属的浓度呈反比，影响程度为c d p b z n ，尚没 有发现协同作用 5 1 1 。因此必须控制废水的重金属等有毒污染物的负荷，保持人工 湿地长期有效运转。 6 扬州大学硕士学位论文 ( 6 ) p h 大量研究发现，p h 对人工湿地中微生物去除氮磷等营养物质有较大的影响。 k r r e d d y 等研究发现，在酸性和中性p h 条件下，根区附近的亚硝化细菌和硝 化细菌活动增强，其中硝化作用占主导地位：而当处于碱性p h 条件下时，n h s 的 蒸发作用以及可溶性正磷酸盐的化学沉淀作用就占主导作用，从而影殉了湿地对 氮磷等营养物质的去除1 5 3 1 1 “l 【5 6 】【5 7 1 【5 8 1 。与此同时，詹发萃等人也研究发现，当风眼 莲培养在不同的p h 条件下，其微生物群落活性不相同，其净化效率也不相同【5 5 1 。 此外，人们还研究发现在不同的p h 条件下，土壤对氮磷的去除作用也受到影响 5 9 和1 。 1 1 4 研究的背景和意义 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 污水处理系统因具出水水质稳定、耐冲击负荷 强、基建成本和运行费低、易维护、兼具美学价值等优点，已广泛应用于处理生 话污水 6 6 1 1 6 7 l 【6 8 】、农业点源污染和面源污染( 6 9 u o 7 1 1 以及富营养化水体的治理【7 2 1 。 但是，国内外研究者们都发现，由于人工湿她内部整体处于缺氧恹氧状态， 人工湿地的硝化能力往往较差，成为污水氮素去除效率的限制因素1 7 3 7 4 1 ，传统潜 流人工湿地处理污水的t n 去除效果难以进一步提甜”l 。典型的研究报道认为人 工湿地的污水t n ( 总氮) 去除率为4 0 6 0 ，且出水t n 浓度中硝态氮( n 0 3 ) 和亚 硝念氮( n 0 2 ) 含量很低，主要为氨氮【7 6 j 即1 。中科院武汉水生所最近研究成果表 明，复合垂直流人工湿地基质中硝化菌数量比反硝化菌数量低两个数量级邢i 。因 此，各种关于人工湿地污水氮素去除研究比较一致的结论是，传统的人工湿地不 能将污水氨氮充分转化为硝态氮( n 0 3 - ) 和亚硝态氮( n 0 2 ) m 1 。 人工湿地主要靠硝化和反硝化的联合作用来去除氮素( 图1 1 ) 。硝化过程需要 高氧分压条件( 好氧) ，反硝化需要低氧分压条件( 厌氧) 。但是人工湿地本体氧化还 原电位( o r p ) 一般是负值，能充分满足反硝化作用的要求但不能满足硝化作用 的要求，因此硝化能力是人工湿地污水脱氮系统总效率的限制因子。如何提高硝 化能力一直是从事人工湿地研究者们关注的重要课题 s o l 。 干霞：强化满流人 ：湿地硝化作用研究 7 设法增加系统中0 2 量确能提高硝化能力，但是因为硝化和反硝化需要的氧化 还原条件恰好相反( 图1 1 ) ，提高硝化能力必然会降低反硝化能力；反硝化能力降 低意味着出水中n 0 3 - - n 较高，从而影响系统的除氮总效果。因此，除氮效果好的 人工湿地应该是：在硝化能力和反硝化能力基本匹配( 某种“平衡，) 前提条件下，硝 化能力最大化的系统( 简称为“匹配系统”，即图l ，2 中所示的系统2 ) 。除微生物细 胞和植物吸收的n 以外，假设每天还有l o ok gn 负荷需要通过硝化和反硝化联合 加以去除，那么湿地的硝化能力和反硝化能力都应该近似等于或大于1 0 0 k g nd 1 ， 这样的湿地系统就是“匹配系统”。 8 扬州大学硕士学位论文 1 1 5 国内外已有研究成果及目前研究动态 人工湿地是7 0 年代发展起来的一种污水处理技术，和传统的二级生化处理相 比，人工湿地具有氮、磷去除能力强，投资低，处理效果好，操作简单，维护和 运行费用低等优点。作为传统的污水处理技术的一种有效替代方案，这对于节省 资金、保护水环境以及进行有效的生态恢复具有十分重要的现实意义，也越来越 受到世界各国的重视和关注。目前它被广泛应用于处理生活污水1 8 2 1 1 8 3 1 【8 4 1 、农业 点源污染和面源污染 s 5 1 1 8 6 1 1 8 7 j 以及水体富营养化问题的治理【7 5 l 。但各种研究和实际 应用都一致发现，人工湿地硝化能力低，是污水脱氮总效率的限制因子 s s j t s g l 。 1 2 问题的提出 波式人工潜流湿地( w a v ys u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，简称w - s f c w ) 是一 种改进型的潜流人工湿地【2 9 1 ，它通过在传统潜流人工湿地( s u b s u r f a c ec o n s t r u c t e d w e t l a n d ，简称s f c w ) 内部有规则地设置导流板对水流条件加以改进，以波式流 态取代水平流念，使污水在垂直方向上多次经过湿地内部不同特性的构造层，以 期达到增强污水处理效果的目的。 此前，研究工作针对w - s f c w 已做了较为全面的分析，主要围绕进出该湿地 的生活污水各污染物的去除情况展开，试验将w - s f c w 与s f c w 在相同水力负荷 下进行对比分析。结论如下： ( i ) w - s f c w 显示出比s f c w 更好的去除污染物的特性，表现在c o d 、s s 、 n l - h + - n 、t p 等主要生活污水指标全面优越于s f c w 。 ( 2 ) w - s f c w 比s f c w 有更好的适应不同水力负荷的能力。w - s f c w 改进了 s f c w 的水流状态，使污水在人工湿地内部沿波式路线流动，挖掘了传统潜流人 工 ! i i ! 地去除污染物的潜力。 ( 3 ) 湿地的理论停留时间和实际平均停留时间的相差很大，说明原先认为水流 在湿地中呈推流式前进的假设过于理想化地估计了实际水流状况。 ( 4 ) 两种湿地的流态均介于推流与完全混合流之间，从停留时间分布曲线来看， w - s f c w 的响应曲线接近理想推流反应器的脉冲响应，滞留区也小于s f c w 。在 同样的水力负荷条件下，w - s f c w 相对s f c w 来说，将污染物降到同一浓度所需 干霞：强化满流人1 ：湿地硝化作用研究 9 时间更短，因而去除效率更高。 ( 5 ) w - s f c w 流态和3 个串联的c s t r 停留时间分布图较为相近，由于w - s f c w 内部设置的导流板使得水流发生3 次波浪式流动，即可认为是在连续串联的3 个 c s t r 反应器流动，而是n o 韵c s t r 串联的水流流态就相当于p f r ，这很显然 改善了s f c w 流态。 ( 6 ) 重金属对湿地基质土壤微生物的硝化、反硝化活动有影响，对硝化活动促 进的作用微弱、反硝化活动的抑制作用较大。 1 3 研究内容与试验装置 1 3 1 研究内容与目的 1 3 1 1 研究内容 在上述研究工作的基础上，本文迸一步研究的内容是： 以波式潜流人工湿地系统为背景，研究影响人工湿地硝化能力的主要因素， 如水力坡度、间隙进水、预曝气进水等等，筛选可调节的影响硝化反硝化能力的 主要因素，着重研究人工湿地基质从表面至内部的硝化反硝化能力的消涨规律。 1 3 1 ，2 研究目的 该研究成果的取得，将丰富人工湿地污水脱氮理论，揭示水力坡度，间隙进 水和充氧等措施对人工湿地硝化活性的影响，使人工湿地技术在广泛应用于消除 面源水污染、改善水环境质量方面具有非常积极的意义。 研究目的：采用若干技术措施提高人工湿地的硝化活性，目的是最大化地去 除污水中的氮。 1 3 2 试验流程及装置 试验污水取自学校家属区的化粪池出水，经过水泵提升至试验场地的高位水 箱，预处理后分别进入s f c w ，w - s f c w ，出水流入出水槽，计量排放。 ，一传统潜流湿地 污水一沉淀池一高位水箱一厌氧预处理一i l 波式潜流湿地 1 0 扬州大学硕士学位论文 水平潜流人工湿地 图1 3 污水处理工艺示意图 w - s f c w 长6 0 m ，宽2 0 m ，总高1 0 m ，参见图1 3 。本次试验的潜流湿地在 构造上与传统的潜流湿地有所不同，将湿地床沿长度方向，分为3 大格，每格2 0 m ， 每个大格又分2 小格，自j 隔1 0 m ，水流下行格板距离池底5 5 0 r a m ，水流上行格板 距离池顶5 5 0 r a m ，上下行格板间隔排列，强制湿地中的污水呈波式流动。试验的 湿地地面以下深度7 0 0 r a m ，坡度为1 ，沿着水流方向设置了不同高度的采样口。 湿地中的填料由土壤和砾石组成，填料床高度为7 5 0 m m ，填料级配规格见表 1 ，1 。通过试验测定，床体平均孔隙率为3 6 。湿地栽种的植物为芦苇和美人蕉， 本试验为了提高处理效果，采用密植方式，芦苇种植密度为6 株m 2 ，每株8 1 0 根；美人蕉种植密度为5 株，m 2 ，每株3 6 根。 1 3 3 试验水质 试验用水为经厌氧预处理过的化粪池污水，具体水质情况如表1 2 所示。 于霞：强化满流人j ：湿地硝化作用研究 1 1 1 3 4 试验方法 1 3 4 1 土壤采样方法 6 m i m 的湿地的土壤采样方法：每个湿地沿着长度方向均分为6 块小湿地， 每块小湿地中选9 个点( 采样点选取采用对角线法) 。土壤取样时，分为表层，中 层，深层，依次深度约为0 5 c m ，5 1 0 c m ，1 0 1 5 c m 。9 个点的样品碾碎混匀，风 干待用( 测定吸附态氨氮、硝态氮用的是鲜土) 。 本试验每一个月取一次样，需要强调的是土壤采样位黑，见图1 4 。 w - s f c w 从进水口到出水口，被导流板分为6 格，因此在每格平面中心位置 取样，取样的平面点位见图1 4 。图1 4 中a l 至a 6 是w - s f c w 的6 个取样点的 平面位置。s f c w 与w - s f c w 取样对应，编号为b 1 至b 6 。 略 。 耶 乃 协 篡= 裟一 觚 如 盘 3 ：2 盘 耄| 肌 艄 肌 觚 潍 m 蠛 蝣 强 3 2 6 6 嘶岬口m豁蝉 1 2扬州人学硕士学位论文 波 形 人 工 湿 地 传 统 人 ：l 混 地 水流方向 _ 口口口 口口口 a 6a 5a 4 a 3a 2a 1 _ 最品昌昌曼昌 幽1 4 试验人：l 湿地基质采样点位置平面示意圈 1 3 4 2 分析项目及方法 测定包括：进水、厌氧反应器出水、两个湿地出水的c o d ，n h 4 + - n 等，湿地 土壤中的速效氮、硝化活性、反硝化活性和总氮等，方法按照水和废水水质监 测方法( 第三版) 【9 0 1 和土壤农化分柝( 第三版) 9 1 1 水样和土样分析项目及其分析 方法见表1 3 、表1 4 。各样品处理均重复3 次。 表1 j 水样分析项目及其分析方法 表1 4 土样、植物分析项目及其分析方法 手霞：强化潜流人一i ：湿地硝化作用研究 1 3 2 水力坡度对人工湿地硝化、反硝化活性影响研究 2 1 试验内容及方法 2 1 1 试验内容 水力坡度，又称比降( w 蛆雠l s l 瓜f a c e s l i d p e o r g r a d m n t ) ：湿地水面 单位距离的落差，常用百分比、千分比、万分比表示。这里人工湿地进出水口两 点的水平距离是6 米，进水水位比出水水位高o 1 米，则人工湿地的水力坡度是 1 6 。 湿地整体处于缺氧状态。这是因为土壤颗粒浸泡在污水中，会使得颗粒空隙 闯处于水分饱和状态，不利于氧气进入，因而也不利于硝化作用。为了给湿地提 供较好的好氧条件，本实验采取降低出水水位的措施。以正常出水、抬高出水水 位作为对比试验，分析水力坡度的变化对人工湿地硝化一反硝化活性的影响。 2 0 0 6 年4 月，植物已经正常生长，人工湿地正常进、出水：2 0 0 6 年5 月人工 湿地降低出水水位1 0 e m ；2 0 0 6 年6 月抬高出水水位1 0 e r a 。隔两天取人工湿地进、 出水样，测定其中c o d 、n i - h + n 、n 0 3 一n 、t n 。每隔1 个月取土样，测定土壤 中的速效氮、总氮、硝化活性、反硝化活性。 2 1 2 水样与土样采集及测定方法 采样方法及测定方法见1 3 2 。 本次的试验时间为2 0 0 6 年5 月和6 月份。 2 2 结果与分析 2 2 1 基质对n 吖- h 的饱和吸附含量 为了解湿地内部土壤和石头对n l l 4 + n 的吸附能力，对人工湿地中的土壤和石 头做了n i 1 4 + n 吸附试验。试验结果见图2 1 、图2 2 。试验结果发现，土壤吸附 n 地+ n 的能力最强，试验条件下，吸附量达到了2 1 ，7 8 1 t g