（环境工程专业论文）人工湿地对污染河水的净化效果及机理研究.pdf

摘要 摘要 随着我国城市化进程的加快，城市水环境污染日趋严重，尤其是城市河流， 水污染不仅影响城市的景观，还危害人们的身体健康。目前污染河流的治理己成 为重要课题。本文紧密联系镇江“8 6 3 ”课题一一镇江水环境质量改善与生态修复 技术研究及示范，开展了利用人工湿地对污染河水的净化效果及机理的研究，结 果表明： ( 1 ) 与生活污水不同，污染河水的特点主要是有机污染物浓度低、氮磷等营 养盐浓度相对较高且悬浮态污染物含量高。利用复合垂直流人工湿地系统净化劣 v 的古运河河水时，具有较好的处理效果。在水力负荷h l = 7 5 0 m m d 条件下， c o d m n 去除率约5 0 - - 6 0 ，t n 去除率约为4 0 - - 5 0 ，t p 去除率约为3 0 , - - 4 0 ，出水水质能够达到i v 类水甚至i i i 类水。 ( 2 ) 利用复合垂直流人工湿地净化污染河水时，主要是下行池发挥作用，尤 其是湿地表层( 0 3 0 c m ) 的作用，上行池没有发挥足够的作用。人工湿地对河水 中污染物的去除首先表现为下行池表层( 0 - - 3 0 c m ) 的填料和植物根系对进水中悬 浮态污染物质的过滤、吸附等物理作用，进水中溶解态或胶体态污染物直接被附 着在填料和植物根系表面的微生物所利用或与填料发生物理化学反应，转化为稳 定的物质( 微生物体、c 0 2 、n 2 、h 2 0 等) ；随后，下行池表层截留下来的悬浮态 颗粒污染物质在微生物作用下转化为溶解态污染物并随水流动，进一步在微生物 的作用下转化为稳定的物质。 ( 3 ) 污染河水流经人工湿地时，上行池的作用不够明显，分析认为可能有两 方面原因：一方面，湿地表层截留的悬浮态物质转化为溶解态进入水中，增加了 上行池溶解态污染物的浓度，从而抵消了上行池的一部分去除效果；另一方面， 由于表层微生物降解有机物时消耗了大量的溶解氧，造成污水流至上行池时水中 溶氧浓度和c n 过低，从而对有机物、t n 的降解速率降低。 ( 4 ) 对于以硝氮为主的污水，补充碳源促进了微生物的反硝化过程，从而提 高了人工湿地的脱氮效率；但对于以氨氮为主的污水，由于水中溶氧的限制，硝 化细菌的作用受到抑制，使得反硝化过程不能顺利进行，因此添加碳源对t n 去 除效率的提高作用不明显。 摘要 ( 5 ) 在湿地入水碳源充足( c n 8 ) 的条件下，硝态氮污水的t n 去除率随着水 力负荷的提高而降低，尤其在水力负荷h l 7 5 0 m m d 时，t n 去除率随水力负荷 的提高而迅速降低。 ( 6 ) 通过对进入复合垂直流人工湿地的污染物的物料平衡分析，发现污水中 有机污染物和氮污染物的去除主要是微生物的作用，分别占9 7 3 、8 5 2 ；水 中磷的去除主要是碎石填料的化学沉积作用，占去除总量的8 8 o ；芦苇对氮、 磷污染物的直接吸收作用较小，分别只占去除总量的8 9 和2 4 。因此，可以 通过强化微生物活性提高有机物、氮的去除效果，通过选择对磷的吸附和化学沉 积能力强的填料提高除磷效果。 关键词：人工湿地、复合垂直流人工湿地、污染河流、碳源、物料平衡 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ew 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 to f u r b a n i z a t i o ni nc h i n a t h ew a t e rp o l l u t i o nn o to n l yd e s t r o y e dt h el a n d s c a p eb u ta l s o d i dh a r mt ot h eh e a l t ho ft h ec i t i z e n a tp r e s e n t ，t or e s t o r et h ep o l l u t e df i v e rh a s b e c o m ea ni m p o r t a n tt a s k c o m b i n i n gt h e “8 6 3 ”p r o j e c t 一一i m p r o v e m e n ta n d e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n ti nz h e n ji a n gc i t y ，t h ee f f i c i e n c ya n d m e c h a n i s mo ft r e a t i n gt h ep o l l u t e dr i v e rw a t e rw i t hc o n s t r u c t e dw e t l a n dw e r es t u d i e d i nt h i sp a p e r t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w ： ( 1 ) c o m p a r e d 谢t ht h es e w a g e ，t h ep o l l u t e dr i v e rw a t e rh a sm u c hd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s f o re x a m p l e ，t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o nw a sh i g h ，t h e o r g a n i s mc o n c e n t r a t i o nw a sl o w ，a n dt h ew a t e rc o n t a i n e dl o t so fs u s p e n d e dp o l l u t a n t t h er e m o v a le f f i c i e n c yw a sg o o dw h e nt r e a t i n gt h ep o l l u t e dw a t e ri nt h ea n c i e n t c a n a lw h i c hw a sw o r s et h a ng r a d evw i t ht h ei n t e g r a t e dv e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d w h e nt h eh y d r a u l i cl o a d i n g ( h l ) w a sa b o u t7 5 0 m m d ，t h er e m o v a lr a t eo f t h ec o d m n ，t na n dt pw e r er e s p e c t i v e l yf r o m5 0 t o6 0 ，f r o m4 0 t o5 0 ，a n d f r o m3 0 t o4 0 ，a n dt h eq u a l i t yo f t h ee f f l u e n tc o u l d r e a c hg r a d ei v o re v e ni i i ( 2 ) w h e nt r e a t i n g t h ep o l l u t e df i v e rw a t e rb yt h e i n t e g r a t e dv e r t i c a l - f l o w c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t h ep o l l u t a n tw a sr e m o v e dm a i n l yb yt h ed o w n - f l o wc h a m b e r ， e s p e c i a l l yt h es u r f a c el a y e r ( 0 - 3 0 c m ) ，w h i l et h ef u n c t i o no ft h eu p f l o wc h a m b e rw a s l e s s a tt h ef i r s ts t e p ，t h es u s p e n d e dp o l l u t a n tw a sh o l db a c ka n da d s o r b e db yt h e p a d d i n ga n dp l a n tr o o t s t h ed i s s o l v e dp o l l u t a n tw a st r a n s f o r m e di n t os t a b l e m a t e r i a l ( s u c ha sm i c r o o r g a n i s m 、c 0 2 、n 2 、h 2 0a n ds oo n ) b yt h em i c r o o r g a n i s mo n t h ep a d d i n ga n dp l a n tr o o t s a tt h es e c o n ds t e p ，t h e s u s p e n d e dp o l l u t a n tw a s t r a n s f o r m e di n t od i s s o l v e dp o l l u t a n tw h i c hw a sf l o w i n gw i mt h ew a t e ra n dd e g r a d e d b yt h em i c r o o r g a n i s m ( 3 ) t h er e a s o no fl o we f f i c i e n c yo fu p - f l o wc h a m b e rc o u l db ee x p l a i n e db yt h e f l o w i n g ： o nt h eo n eh a n d ，t h es u s p e n d e dp o l l u t a n tc o u l db et r a n s f o r m e di n t o d i s s o l v e dp o l l u t a n ti nt h es u r f a c e l a y e r ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ed i s s o l v e d a b s t r a c t p o l l u t a n tw a si n c r e a s e d s ot h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h eu p - f l o wc h a m b e rw a s d e c r e a s e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h em i c r o o r g a n i s mc o s tl o t so ft h eo x y g e na n do r g a n i c m a t e r i a li nt h es u r f a c el a y e r ，s ot h ec o n c e n t r a t i o no ft h eo x y g e na n dt h er a t i oo fc n w e r el o wi nt h ew a t e ro ft h eu p - f l o wc h a m b e r ，w h i c hd e c r e a s e dt h ed e g r a d a t i o n v e l o c i t yo ft h eo r g a n i s ma n dn i t r o g e n ( 4 ) t h er e m o v a lr a t eo ft h et nw a si m p r o v e db yt h em e t h o do fa d d i n gc a r b o n s o u r c et ot h en i t r a t ew a s t e w a t e r d e s p i t eo fa d d i n gc a r b o ns o u r c et ot h ea m m o n i a w a s t e w a t e r ，t h er e m o v a lr a t eo ft h et nw a sn o ti m p r o v e da st h ec ni m p r o v e d d o w a sl o wi nt h ed o w n - f l o wc h a m b e r ，s ot h en i t r o b a c t e r i aw a sr e s t r i c t e da n dt h e r e m o v a lr a t eo ft h et nd e c r e a s e da st h ec ni m p r o v e d ( 5 ) i fc a r b o ns o u r c e ( c n 8 ) i nt h ei n f l u e n tw a sa b u n d a n t ，t h et nr e m o v a lr a t eo f t h en i t r a t ew a s t e w a t e rw a sd e c r e a s e da st h eh li n c r e a s e d e s p e c i a l l yw h e nt h e h l 7 5 0 m m d ，t h er e m o v a lr a t eo ft h et nw a sd e c r e a s e dp r o m i n e n t l ya st h eh l i n c r e a s e d ( 6 ) b ya n a l y z i n gt h e m a t e r i a lb a l a n c eo fc o n t a m i n a n ti nt h ei n t e g r a t e d v 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 ，t h eo r g a n i cc o n t a m i n a n ta n dn i t r o g e nw a sm a i n l y r e m o v e db yt h em i c r o o r g a n i s ma n dt h er e s p e c t i v er e m o v a lr a t ew a s9 7 3 a n d8 5 2 p h o s p h o r u si nt h ew a t e rw a sr e m o v e db yc h e m i c a la g g r a d a t i o n so ft h eg r a v e lp a d d i n g i n t e n s i f y i n gt h ea c t i v i t yo fm i c r o o r g a n i s mc o u l di n c r e a s et h er e m o v a lr a t eo f o r g a n i s ma n dn i t r o g e n ，a n dc h o o s i n gt h ep a d d i n gw h i c ha d s o r b e da n da g g r a d a t e d p h o s p h o r u se f f e c t i v e l yc o u l di n c r e a s et h er e m o v a lr a t eo fp h o s p h o r u s 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 ，i n t e g r a t e dv 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 ，p o l l u t e d f i v e r ，c a r b o ns o u r c e ，m a t e r i a lb a l a n c e j，i jj一ji i l i_，调ij j lq自_：，_ 缩写 c o d m 。 d c o d m n s c o d m 。 n h 3 - n t n t d n t s n t p t d n t s n d o 缩略词 单位英文名称 中文名称 m g l p e r m a n g a n a t ei n d e x 高锰酸盐指数 m g l d i s s o l v e dp e r m a n g a n a t ei n d e x ( 溶解态有机物) 高锰酸盐指数 m g ls u s p e n d e dp e r m a n g a n a t ei n d e x ( 悬浮态有机物) 高锰酸盐指数 m g l a m m o n i a n i t r o g e n 氨态氮 m g l t o t a ln i t r o g e n总氮 m g l t o t a ld i s s o l v e dn i t r o g e n 总溶解氮 m g l t o t a ld i s s o l v e dn i t r o g e n总悬浮氮 m g l t o t a lp h o s p h o r u s总磷 m g l t o t a ld i s s o l v e dn i t r o g e n总溶解磷 m g l t o t a ld i s s o l v e dn i t r o g e n总悬浮磷 m g l d i s s o l v e do x y g e n溶解氧 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：囊妒知占年 易 月尸日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 一 1 1 1 概述 ( 1 ) 河流与人们的密切关系 人类因河流而生，因河流而繁，也因河流而亡。河流已成为人类文明的象 征【1 1 。人类从诞生开始就与河流有着千丝万缕的联系，河流是地球生态环境的重 要组成部分，它与人类的关系的密切性体现在以下方面： 河流哺育着人类，为人类的生存和发展提供水资源保障。河流提供了人 们一半的饮用水并且和地下水互为补给，而地下水则提供另一半的饮用水；人们 利用河流进行交通运输、引用河水种植作物、开采河流中的渔业资源，河流也为 人们提供了娱乐的空间场所，可以说人们的一生都与河流相处。 河流是自然环境的血液，健康的河流担当健康生态系统的基础作用，为 野生动植物系统提供栖息地带，并保护着无数淡水动物物种；健康的河流可控制 自然洪水，河漫滩能够容纳大量的水，在暴雨期间能够减少下游的洪水压力，起 到控制和减缓洪水的作用，并且河漫滩上的天然湿地能够大量削减暴雨所携带的 污染物质，避免河水水质受到污染。 河流是传统遗产的部分，是人类古代文明的发源地。几乎所有的古代文 明都起源于河流，如中华文明起源于黄河与长江，印度文明起源于恒河，埃及文 明起源于尼罗河，灿烂的古代巴比伦文明则是在幼法拉底河和底格里斯河的养育 下兴起等等。 在全世界范围内有一半以上的城市是依靠河流而建的，在城市形成和发展 中，河流作为重要的资源和环境载体，关系到城市的生存，制约着城市的发展， 尤其是现代，河流更成了社会经济发展必不可少的前提条件，它具有供应水源、 交通运输、文化娱乐、调节气候、保护环境等各项生态功能，在城市生态建设、 拓展城市发展空间方面显示出不可替代的作用。 第一章绪论 ( 2 ) 河流的水环境污染严重 水是人类赖以生存的自然资源。地球三分之二的面积被水所覆盖。据估算， 地球的总水量为1 3 8 6 1 0 1 8 m 3 ，其中淡水总量仅有3 5 1 0 1 61 - - 1 1 3 ，占总水量的 2 5 3 。淡水中，冰雪固态淡水、深层地下水等不易为人们直接利用，与人们的 生活生产关系最为密切的水资源是河流、湖泊和浅层地下水，这些水资源仅占总 储存量的0 3 4 ，还不到全球水资源总量的万分之- - 2 1 。河流流量仅占世界淡水 资源0 0 0 6 ，但是2 0 0 0 年人类取用5 4 河流径流，预计2 0 2 5 年将达7 0 【3 j ， 可见河流所承载的负担及其重要性。 随着人类社会的进步，人们对水资源的需求目益增长，然而养育人类的河流、 湖泊却遭受着污染与破坏。全世界每年有大量的污水直接排入江河、湖泊中，具 文献资料显示，全世界每年排入水体的工业废水和生活污水达5 0 0 0 亿吨以上， 造成了河流、湖泊的严重污染【4 1 。世界上许多国家和地区的淡水水体，如美国的 密西西比河和五大湖、俄罗斯的伏尔加河和乌拉尔河、英国的泰晤士河等都遭受 了破坏性污染，造成了周边环境的恶化和许多生物绝迹【5 , 6 , 7 】。虽然有些河流、湖 泊的水环境治理获得了很大成功，但是它们的治理过程也是十分艰难和漫长的， 且耗费了大量的人力物力。 目前，我国的水环境问题同样十分严峻。一方面点源污染没有得到有效控制， 2 0 0 1 年，全国工业废水排放量为2 0 0 7 亿吨，城镇生活污水2 2 7 7 亿吨，而全国 污水处理率只有3 4 3 ，大量未经处理的废污水进入河流、水库、湖、洎【8 】；另一 方面农业面源、城市面源污染加剧，导致河流、湖泊等水体富营养化加剧，据调 查显示，我国农业面源对河流、湖泊所产生的污染已经超过点源的污染量【9 , 1 0 】。 国家环保总局发布的( 2 0 0 4 年中国环境状况公报显示：2 0 0 4 年七大水系的4 1 2 个水质监测断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：4 1 8 、 3 0 3 和2 7 9 ，主要污染指标为氨氮、b o d 5 、c o d m 。和石油类；2 0 0 4 年监测 的2 7 个重点湖库中，i i 类水质的湖库2 个，占7 5 ；i h 类水质的湖库5 个，占 1 8 5 ；i v 类水质的湖库4 个，占1 4 8 ；v 类水质湖库6 个，占2 2 2 ；劣v 类水质湖库1 0 个，占3 7 0 ，主要污染指标是总氮和总磷【1 1 1 。水利部2 0 0 3 年对 全国1 3 0 0 条河流约1 3 万k m 河长开展了水资源质量评价，评价结果表明：劣v 类水质的河段约占1 7 4 ；i v v 类河段约占1 7 4 【1 2 】。 第一章绪论 我国河流的水污染日益严重，尤其是城市中小河流，由于受到城市生活污水、 工业废水、农业面源等影响，水质污染与生态破坏十分严重。近年来全国水域的 水环境质量调查统计，流经全国4 2 个大中城市的4 4 条河流中有9 3 被污染，其 中重污染和中度污染占7 9 ，6 4 的城市河段为类或v 类水质【1 3 】，这意味着大 多数城市河流已成为城市的排污场所，河流的生态功能消失，只剩下排污的功能。 其危害不仅如此，由于城市河流是居民生活用水、农业灌溉和渔业用水的主要水 源，水体中的污染物质会在农作物、水产品中积累，最终进入人体，影响人们的 身体健康；河流中的污染物质最终汇入湖泊、水库中，引起湖泊、水库的富营养 化。 ( 3 ) 城市河流治理已成为重要课题 河流水资源的过度开发与严重的污染问题已经使得世界上很多河流流域的 生态环境遭受了重创，人类的生存和社会经济的发展受到越来越严重的威胁，采 取有效措施来治理河流污染、保护水资源则是人们目前的重要任务。 目前河流污染的治理在发达国家已经受到高度重视，并采取了有效的手段来 进行河流污染的治理与河流生态环境的整治。他们所采取的主要措施有： 有效控制点、面源污染，减少入河的污染物量。采取的主要手段有加大 城市污水厂的建设力度，广泛采用新型的生态治污技术，诸如人工湿地等。目 前，日本、美国及欧洲一些发达国家的污水处理率己达到9 0 以上，点源污染 得到了有效控制，对于面源污染也正在逐步加强控制【l 4 1 。 根据本国河流的特点，采取人工强化净化的措施对污染的河流进行治理， 加速河流水质的改善，并有效地进行河流生态修复。采用的措施有河流直接曝 气、河流清淤、生物膜强化净化、修复河漫滩湿地、增加河流的蜿蜒度等净化 方式。这些技术运用，提高了河流的净化能力，河流的水环境质量得到了提高。 欧美等发达国家通过利用以上技术手段对河流进行了治理，并获得了成功， 如英国的泰晤士河、欧洲的莱茵河等，它们的水环境质量与生态环境得到明显改 善，但是由于很多技术如河流直接曝气法、河流清淤法需要大量资金，对于经济 落后的发展中国家而言，难以承受；而生物膜强化净化法、人工湿地法等生态治 理措施具有投资少、运行费用低、处理效果好的特点，尤其是人工湿地直接净化 i p l p、，ir 0rl 第一章绪论 法，不仅能够直接净化污染水体和有效控制面源污染，还能够进行水生态修复， 丰富河流的生物多样性。 随着我国经济的发展与人们生活水平的提高，人们对水资源的需求量日益增 长的同时对城市河流的水环境质量的要求也越来越高。人们的思想已经由征服自 然转向与自然和谐相处，建立一个亲水型的社会是我们追求的目标。我国政府部 门对环境污染问题非常重视，尤其在水环境污染治理方面高度重视。温总理在十 届人大第三次会议上提出：要让人民喝上干净放心的水。“十五”期间采取了一系 列的政策措施来推动水环境的治理，如科技部启动“水专项”的城市水环境课题， 从技术和行政两个层面推动了我国城市水环境质量改善工作的进剧1 5 】。近五年， 在城市河流、富营养化湖泊治理方面，无论是技术研究还是治理效果都取得了许 多有益的成果。城市河流水环境的治理与生态修复已成为当前的重要课题。 1 1 2 目前污染河流的治理技术 1 1 2 1 物理净化法 物理净化法是采用物理的、机械的方法对污染河流进行人工净化，常用的方 法有引水稀释和底泥疏竣。 ( 1 ) 引水稀释 引水稀释是通过工程调水对污染的水体进行稀释，使污染水体在短时间内达 到相应的水质标准。引水稀释法将大量污染物在较短时间内输送到下游，减少了 原来河流的污染物总量，使得河流从缺氧状态变成为好氧状态，提高河流自净能 力。1 9 6 4 年，东京为了改善隅田川的水质，从利根川和荒川以1 6 6 m 3 s 的流量 引入清洁水进行冲污，改变了隅田川的黑臭现象，b o d 由4 0 m g l i 绛1 0 m g l 1 6 1 。 我国的苏州河、黄浦江也曾使用过引水稀释法，效果良好。 引水稀释法的缺点在于只是转移而非降解污染物，会对流域的下游造成污 染，治标不治本，只能作为对付突发性水体污染的应急措施或作为城市河流污染 治理的辅助手段。 ( 2 ) 底泥疏竣 污染严重的水体其底泥中会沉积大量的污染物质，如有机物、氮、磷、重金 属等，在一定条件下这些污染物质会从底泥中释放出来，使水质恶化，形成二次 污染，因此底泥使天然水体的一个重要内污染源【1 7 】。通过疏竣河流底泥，可以将 4 第一章绪论 底泥中的污染物移除出河流生态系统，同时也能消除河流的淤睹问题。由于该方 法技术简单，因此是目前世界各国改善水环境使用最多的方法。 由于不同河流的污染类型、时间和时间不同，河流底泥厚度、密度、污染物 浓度的垂直分布差别很大，这就造成了底泥疏竣的难度。另外，底泥疏竣会对河 流生态环境造成一定影响，开挖过深会破坏河流生态环境。因此，在开挖前应当 确定合理的挖泥量和挖泥深度。 1 1 2 2 化学净化法 化学净化法主要是指通过向污染水体中投加化学药剂，利用药剂与污染物质 发生化学反应，使水体中的污染物得以去除的一种方法。 ( 1 ) 化学除藻 化学除藻是控制藻类生长的快速有效方法，在富营养化的湖泊治理中已有应 用【1 8 】。常用的化学除藻剂有c u s 0 4 、c 1 0 2 等。混凝剂配合除藻剂使用会取得较 好的效果。 化学除藻操作简单，可以在段时间内取得明显的除藻效果，提高水体透明度， 但是该法只是通过杀死藻类，然后通过絮凝作用将其沉淀，并没有将藻类去除出 水体，氮磷等营养物质仍然留在水体中，不能从根本上解决水体富营养化问题。 另外，除藻剂的生物富集和生物放大作用对水生生态系统可能会产生负面影响， 使得除藻剂的使用受到限制。 ( 2 ) 絮凝沉淀 絮凝沉淀技术对于控制河流内源磷负荷，特别是河流底泥的磷释放，有一定 效果。除磷可投加的絮凝剂有c a ( o h ) 2 、a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、f e c l 3 、明矾等，使之与磷酸 根反应形成不溶性固体转移到底泥中。投加絮凝剂还可以快速去除水体中的s s ， 快速提高水体的透明度。絮凝沉淀技术的缺点在于治理成本比较高，固定沉淀的 磷在一定条件下还会溶出，容易导致二次污染。 ( 3 ) 重金属的化学固定 河流底泥中的重金属在一定条件下会以离子态或某种结合态进入水体，因此 可以通过投加一些化学试剂与重金属发生化学反应生成沉淀，从而抑止重金属的 释放，降低其对河流生态系统的危害。常用的药剂有石灰、硅酸钙炉渣、钢渣等。 投加量要视底泥中重金属的种类、含量及p h 值的高低而定，其控制比较复杂。 第一章绪论 1 1 2 3 生物净化法 生物净化法是利用水体中的微生物降解污染物的功能，采用人工措施来创造 更有利于微生物生长和繁殖的环境，培育出大量净化能力强的微生物，以提高污 染水体自净能力的一种净化方法。该法的优点在于：处理效果好、投资省、能耗 低且能够恢复或增强水体的自净能力。 ( 1 ) 投菌法 投菌法是直接向污染水体中投加微生物以促进污染物降解，消除水体的黑臭 与富营养化。用于净化污染河流的微生物应该符合以下条件：不含病原菌等有害 微生物；不对其它生物产生危害；能适应河流的环境特点。国内外用于河流净化 的投菌技术主要有c b s 技术和e m 技术。 微生物强化技术的主要缺点是高效微生物的选育需要较长的时间；净化效果 持续时间短，易受外部条件的制约，如温度、水流等。向污染水体投加菌种后， 可能会干扰土著菌种，破坏水域原有的生态结构。 ( 2 ) 生物膜法 生物膜法的实质是使细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物一类的 微型动物附着在滤料上生长繁育，并在其上形成生物膜状生物污泥生物膜。 污水与生物膜接触时，污染物质为生物膜上的微生物所吸附、摄取并得到降解， 从而使得污水得到净化。用的滤料一般有天然材料( 碎石) 或人工接触材料( 塑料、 纤维等) 。滤料的比表面积比较大，其上可以附着大量微生物，因此生物膜法具 有较强的降解能力，且能承受一定的冲击负荷。 国内外常用的净化河流的生物膜技术有：粒间接触氧化法、生物填料接触氧 化法、薄层流法和伏流净化法。生物膜技术的缺陷在于投入费用高，作用单一( 只 能达到水质净化的目的而不能直接进行水生态修复) 。 ( 3 ) 曝气充氧法 曝气充氧法与污水处理中的活性污泥法相似，采取人工措施向污染水体中充 入空气，加速水体的复氧过程，恢复水体中好氧微生物的活力，使得水体的自净 能力增强，水质得到改善。河流人工增氧有固定式曝气和移动式曝气等形式，分 别针对不同特点的河段运用。此外，还可充分利用水坝跌水、水闸泄流、天然落 差、水上人工娱乐设施等进行增氧。 6 第一章绪论 曝气充氧法在英国的泰晤士何、德国的柏林河、北京的清河、苏州的苏州河 等【1 9 , 2 0 1 都曾采用过，且河流的净化效果良好。但是人工曝气充氧的技术含量较高， 且投入的资金较大，在资金有限的前提下，不宜大规模采用。 1 1 2 4 生态技术 生态技术是模拟或者强化生态系统的某些特别的结构和功能，以进行水污染 治理和生态修复的新兴工程技术，主要方法有：植物净化技术、土地处理技术、 稳定塘技术、人工湿地净化技术等。它具有治理效果好、能耗低、运行费用低、 维护简单的优点。生态技术强调人与自然的和谐统一，是国内外污染控制与生态 修复技术研究开发的重点。 ( 1 ) 植物净化技术 植物修复技术是通过向污染水体中移植水生植物( 沉水植物、挺水植物) 或将 陆生植物种植到水体水面上，利用植物的生长从污染水体中吸收污染物( 氮、磷、 重金属) ，植物收割后，污染物即被移除出污染水体。该技术具有明显的水质改 善效果，但是需要定期进行植物收割，以防植物死亡后腐烂而引起二次污染。 南京太平湖水面栽培水上蔬菜和花卉，种植面积占太平湖总面积的5 1 5 ， 在治理后一个月内湖体的总氮与治理前相比，降低了4 6 3 ，总磷降低4 8 4 ， 藻类密度降低了6 3 2 ，治理效果显著【2 。东太湖水生植物覆盖率9 7 ，年生 产量11 2 0 3 2 5 t ，吸收同化氮3 9 1 6 t ，磷4 8 6 t ，年收获利用水生植物5 9 9 2 9 5 t ，带走 氮1 8 9 1t ，磷2 9 6 t ，相当于东太湖年外源氮、磷输入量的2 8 和5 7 ，但每年仍 有5 2 1 0 3 0 t 的水生植物残留在湖中，引起局部湖区的水质污染和淤积【2 2 1 。 ( 2 ) 土地处理技术 土地处理技术是利用土壤一微生物一植物系统的陆地生态系统的自我调控 机制和对污染物的综合净化功能处理污水，使水质得到不同程度的改善，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，实现污 水资源化与无害化。根据土壤渗透能力的大小，污水土地处置可分为慢速渗滤、 快速渗滤和地表漫流三种土地处理的基本工艺类型。 土地处理技术对水质有以下要求：不传染疾病；不能破坏土壤的结构与性能； 土壤中重金属及有害物质的积累不能超过有害水平；不能危害农作物，不能影响 农作物的产品和质量：不能污染地下水等【2 3 】。 第一章绪论 ( 3 ) 稳定塘技术 稳定塘是一种处理污水的自然生物处理技术，对水质起净化作用的生物包 括：细菌、藻类、微型动物、水生植物等，其中细菌和藻类起主要作用。稳定塘 的净化效果受温度、光照、营养物质、进水性质、蒸发量、降雨量等因素的影响。 用于河水处理的稳定塘可以利用河边的洼地构建，对于中小河流，还可直接 在河流上筑坝拦水形成一级或多级滞留塘。河流滞留塘在国内外已有应用实例， 且治污效果明显【2 4 ，2 5 ，2 6 1 。目前在传统稳定塘的基础上开发出了处理效果更好的变 形稳定塘工艺，如我国的串联结构的综合生物塘技术【2 7 】，美国的高级综合稳定塘 技术【2 8 】等。 ( 4 ) 人工湿地净化技术 人工湿地净化技术是在长期应用天然湿地净化功能基础上于2 0 世纪7 0 8 0 年代发展起来的一种污水净化资源化生态工程技术【2 9 1 。人工湿地系统是一个综合 性的生态系统，具有缓冲容量能力强、处理效果好的优点，在此系统中，物理、 化学及生物的协同作用使废水中的污染物质能得到较彻底的处理。人工湿地系统 已广泛运用于污染河流、富营养化湖泊的治理及面源污染的控制。本文研究则采 用人工湿地技术净化污染河水。 人工湿地处理系统运用于污染河流治理时，其布置形式主要有两种：体外处 理与体内处理。体外处理是指在河流周边建立人工湿地，通过地形或者利用水泵 将污水引入人工湿地，处理后排入河流中，在暴雨时可将暴雨径流引入人工湿地 中加以处理，以削减面源污染；体内处理是指在河漫滩上构筑人工湿地系统，在 暴雨时可削减面源污，在无雨天气可用水泵将污染河水抽到人工湿地中加以处理 并排入河流中。构筑体内人工湿地时，必须要考虑其对泄洪的影响。构筑形式见 i 图1 j 和图1 2 。 面源j rx丫芦 图1 1 污染河流体外式处理系统 第一章绪论 布 图1 2 污染河流体内式处理系统 1 2 人工湿地净化技术的研究现状 1 2 1 概述 湿地是指被地表水或地下水长期或间断性地淹没或饱和，并通常伴生有优势 的水生植被与水生生物地地方。湿地具有强大的生态功能与环境容量，被誉为“地 球之肾”。而人工湿地则是通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位 置与地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地【3 0 1 ，它利用物理、化学和生物 的三重协同作用来实现污水的净化。主要由以下三部分组成：透水性的基质材料， 水生植物( 主要指挺水植物) ，栖息在根系和基质材料表面的微生物及原生动物。 人工湿地主要有以下三种构型： 表面流人工湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，缩写为s f w ) 表面流人工湿地，与自然湿地接近，污水在填料表面漫流。污染物质的去除 主要是通过生长在植物水下茎杆上的生物膜来完成的。表面流人工湿地不能充分 利用填料和丰富的植物根系的作用，且卫生条件也不好。但是表面流湿地富氧能 力较好，有利于去除耗氧的氨氮、有机物污染物。同时，表面流人工湿地不被填 料的淤陪问题所限制，如若发生悬浮物沉积导致的淤陪也容易解决。表面流人工 湿地一般不单独作为污水处理系统，而是作为污水预处理系统。 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 ，缩写为s s f w ) 在潜流人工湿地中，污水在湿地床内流动，可充分利用系统中微生物、植物、 填料的协同作用降解污染物，因此潜流人工湿地具有较强的净化能力。根据水流 的方向，潜流人工湿地可以分为水平潜流人工湿地与垂直潜流人工湿地，后者为 垂直流人工湿地，我们通常说的潜流人工湿地一般是指水平潜流人工湿地。由于 9 第一章绪论 污水在地表下流动，因此很少有恶臭产生且不易滋生蚊蝇，具有保温性较好、处 理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点，是目前研究和应用比较多的一种人 工湿地处理系统。 垂直流人工湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ，缩写为? w ) 垂直流人工湿地中，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，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直流人工湿地的硝 化能力高于潜流湿地，且占地面积小，但是它的控制相对复杂，建造要求较高。 复合垂直流人工湿地是新型的人工湿地工艺，是“九五期间”，中科院水生所与德 国科隆大学、奥地利维也纳农业大学等共同承担的欧洲联盟国际合作项目中提出 的，该工艺是将水流方向相反的两个垂直流人工湿地有机的结合在一起，池体由 下行池和上行池组成。该类型人工湿地投资低、运行费用省、维护简单、出水水 质好，是一种实用有效的水处理技术，对水体水质改善和水生态系恢复具有重要 意义【3 1 , 3 2 】。 1 2 2 人工湿地的净化机理 ( 1 ) 填料的作用 常用的人工湿地填料有砂子、砾石、土壤、煤渣等。填料在人工湿地中承担 基础性作用，主要表现为以下几点：载体作用；沉淀、吸附作用；化学吸收作用。 载体作用 填料的载体作用表现为水生植物提供载体和营养物质，为微生物生长提供稳 定依附表面。 过滤、吸附作用 湿地填料的沉淀作用：污水中的悬浮物在填料表面上沉淀去除。填料是一个 具有较大比表面积的沉淀池，悬浮物在重力作用下沉淀到颗粒表面上得以去除。 湿地填料的表面吸附作用：基质表面具有一定的吸附活性，能吸附污水中的 各种溶解性污染物，尤其是磷，这些污染物被填料吸附得以去除。常用填料对磷 的吸附能力强弱如下：煤渣 土壤 砾石 砂子。 化学沉积作用 1 0 第一章绪论 填料与污染物发生化学反应而形成稳定的固态物质，从而将水中的污染物去 除。填料的化学沉积作用与其材料有很大关系。特别是对磷素污染物有着重要的 作用【3 3 】，磷在湿地中通过化学沉积而去除的化学反应如下： 5 c a 2 + + 3 p 0 4 3 - + o h 一一c a s ( p 0 4 ) 3 0 hl a 1 3 + + p 0 4 3 - 一a 1 p 0 4l f e 3 + + p 0 4 3 - 一f e p 0 4l ( 2 ) 微生物的作用 微生物通过同化与异化作用降解污染物，是人工湿地降解污染物质的主体。 细菌是分解有机污染物的主体微生物种群。付融冰【3 4 1 等的研究表明细菌的数量与 b o d 5 去除率之间的相关性显著( r = o 8 9 7 ，p 3 5 时，湿地系统 的硝氮去除率就得到显著的提高c o d ：n 6 2 时，硝态氮的去除可达到9 0 以 上【6 2 】；二是在湿地填料中埋设树枝秸秆等有机物，作为碳源的储存库，通过它们 来释放碳源，从而改善湿地中后部碳源不足的状况，提高氮的去除率 6 0 ，6 1 1 。我 国的吴振斌等在处理低碳源污染湖水时提出复合垂直流上行池氮去除效果不佳 的原因在于缺少碳源【6 3 1 ，薛玉等利用人工湿地处理滇池流域暴雨径流时，通过在 进水中添加有机碳源，提高了湿地的脱氮能力，并提出适宜的碳氮比为5 ：1 【6 4 1 。 1 3 研究目的、内容和意义 1 3 1 研究目的 研究人工湿地对污染河水的净化效果并分析其净化机理。对于污染河水而 言，相对有机污染的控制，n 、p 含量的控制更加重要，因此，本文还深入研究 应用复合垂直流人工湿地对污染河水脱氮、除磷效果及机理分析，以