（环境工程专业论文）潜流人工湿地降解受污染水体中有机物研究.pdf

摘要 摘要 本论文旨在研究潜流人工湿地对受污染水体进行处理时，有机物降解机理， 研究内容主要包括：( 1 ) 以同济大学内的受污染水体三好坞湖水为研究对象， 构建3 个潜流人工湿地系统芦苇、砾石l 挣系统，芦苇、组合填料2 系统， 组合植物、砾石3 撑系统，考察在不同停留时间的运行条件下c o d 降解规律； ( 2 ) 采用人工配水，以农药阿特拉津为研究对象，考察潜流人工湿地对其降解 的可行性以及不同盐度抑制下对其降解效率的影响；( 3 ) 采用p c r - d g g e 技 术研究净化受污染水体的潜流人工湿地中的微生物种群结构及其分布特征，考 察不同盐度抑制作用下降解阿特拉津的潜流人工湿地中微生物种群结构及其分 布特征。通过本研究可以得到如下主要结论：( 1 ) 采用潜流人工湿地处理受污 染水体时，随着停留时间从2 d 增加到8 d ，3 个湿地系统c o d 去除率基本上维 持在7 0 0 ，8 0 之间，而c o d 去除速率则随着c o d 负荷率的提高而提高，并 且两者之间存在显著的线性相关性。从沿程c o d 浓度变化可知，潜流人工湿地 c o d 降解主要集中在前端1 2 处。从c o d 去除效果而言，组合植物一砾石的 2 捍系统 芦苇一组合填料的3 群系统 芦苇一砾石系统。( 2 ) 静态试验条件下，潜 流人工湿地内阿特拉津的降解半衰期约为1 6 d ，降解过程符合一级降解动力学， c = 0 0 9 6 4 8 e x p ( 0 0 3 9 3 9 0 ( c 为残留阿特拉津浓度，t 为停留时间) 。当盐度分别 为1 5 、3 0 、5 0 、1 0 0 、1 5 0 e , l 得到相应盐度抑制下阿特拉津降解动力学方程， 符合一级降解动力学，盐度对潜流人工湿地阿特拉津降解效率呈现指数抑制作 用i n k = 3 2 2 1 0 5 + 0 0 4 6 2 9 m ( k 为降解常数，m 为n a c l 浓度) 。通过试验证明潜 流人工湿地系统内阿特拉津浓度降低并不是水解或吸附作用造成的，湿地系统 极可能存在微生物将阿特拉津降解转化为中间产物d e a 、d i a 。( 3 ) 采用分子 生物方法p c r - d g g e 技术研究潜流人工湿地系统内微生物群落结构变化，从分 子生物水平揭示微生物与有机污染物去除之间的关系。通过对3 个湿地系统总 细菌d g g e 结果分析1 撑系统沿程微生物种类基本不变，表明芦苇一砾石系统植 物与填料的单一性造成微生物种类的均一性；群、3 撑系统微生物种类沿程变化 较大，不同的植物和填料表现出对微生物不同的刺激生长作用，从而提高了系 统微生物多样性。停留时间为4 d 时，通过沿程c o d 变化，建立微生物多样性 与有机物去除率的关系，表明射、3 群装置沿程c o d 与s h a n n o n 指数存在显著 摘要 的相关性，并且植物对微生物多样性影响胜于填料对其的影响。( 4 ) 通过对湿 地内氨氧化菌的研究发现，湿地内存在丰富的氨氧化菌，测序结果显示，该类 细菌与n i t r o $ o m o n a 8 属较为接近。启动初期由于新鲜沸石填料能够大量的吸附 氨氮3 群系统几乎没有氨氧化菌，而到了后期沸石填料吸附能力已经趋于饱和， 游离的氨氮促进了氨氧化菌的生长，3 撑系统存在少量氨氧化菌。( 5 ) 盐度抑制 下降解阿特拉滓潜流人工湿地微生物种群相当丰富，盐度的改变影响了微生物 的生长，使得微生物种群结构发生了迁移，阿特拉津降解常数随着微生物 s h a n n o n 指数减少而减小。 关键词：潜流人工湿地受污染水体有机污染物阿特拉津盐度p c r - d g g e 微生物群落结构s h a n n o n 指数 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em e c h a n i s mo fo r g a n i cp o l l u t a n td e g r a d a t i o ni nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d t r e a t i n gp o l l u t e ds u r f a c ew a t e rw a ss t u d i e di nt h i st h e s i s t h es t u d yi n c l u d e d ：( 1 ) w i t ht h ei n f l u e n tf r o mt h es a n h a ol a k e , t h r e et y p e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，w h i c h w a t e s y s t e m 1 撑w i t h s i n g l e - m a c r o p h y t ea n ds i n g l e - m e d i a , s y s t e m2 群w i m m u l t i m a e r o p h y t e sa n ds i n g l e - m e d i a , s y s t e m3 撑w i t hs i n g l e - m a e r o p h y t e a n d m u l t i - m e d i aw e r eb u i l t t h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c yi n f l u e n c e db yt h ed i f f e r e n t r e t e n t i o nt i m ew a ss t u d i e d ( 2 ) a t r a z i n ed e g r a d a t i o na n dt h ei n f l u e n c ec a u s e db y d i f f e r e n ts a l i n i t yw e r es t u d i e di nc o n s t r u c t e dw e t l a n d ( 3 ) t h em i c r o b i a lc o m m u n i t y a n di t sd i s t r i b u t i n gc h a r a c t e ri nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d 仃c a t i n gp o l l u t e dw a t e ra n d a t r a z i n ew i n ld i f f e r e n ts a l i n i t yw e r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) a st h er e t e n t i o nt i m ei n c r e a s i n gf r o m 2 dt o8 d t h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h et h r e ec o n s t r u c t e dw e t l a n dt r e a t i n g p o l l u t e ds u r f a c ew a t e rr e m a i n e d7 0 - - 8 0 b u tt h ec o dr e m o v a lv e l o c i t yw a s l i n e l y p o m o t e d b y t h e i n c r e a s i n go f c o d l o a dr a t e m o r e t h a n h a l f o f t h e c o d w a s d e g r a d e di nt h ef i r s th a l f o f t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n da l o n gt h ed i r e c t i o no f w a t e rf l o w 一,considering t h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c y , m u l t i - m a c r o p h y t e sa n ds i n g l em e d i a s y s t e mw a st h eb e s t ，s i n g l e - m a c r o p h y t ea n dm u l t i - m e d i as y s t e mw a st h es e c o n d ，a n d s i n g l c - m a c r o p h y t ea n dm e d i as y s t e mw a st h el a s t ( 2 ) u n d e rs t a t i cs t a t ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n , a t r a z i n ed e g r a d a t i o nh a l f - l i f ei nt h es u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n dw a s a b o u t1 6 d ，a n di tm e tt h ef i r s t - o r d e rr e a c t i o nk i n e t i c s ，c = o 0 9 6 4 8 e x p ( - 0 0 3 9 3 9 0 ( c a t r a z i n ec o n c e n t r a t i o nl e f ti nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t r e t e n t i o nt i m e ) t h ea t r z i n e d e g r a d a t i o nd y n a m i ce q u a t i o nu n d e rt h es a l i n i t yc o n c e n t r a t i o no f1 5 、3 0 、5 0 、1 0 0 、 1 5 o g l ，t h e ya l s om e tt h ef i r s t - o r d e rr e a c t i o nk i n e t i c s t h er e l a t i o nb e t w e e ns a l i n i t y a n da t r a z i n ed e g r a d a t i o n e f f i c i e n c y w a sa s f o l l o w i n ge q u a t i o ns h o w i n g ， l n k = 3 2 2 1 0 5 + 0 0 4 6 2 9 m ( k - d e g r a d i n gc o n s t a n t , m - n a c lc o n s e n t r a t i o n ) i tw a s c o n c l u d e dt h a ta t r a z i n ec o n c e n t r a t i o nd e c l i n i n gw a sn o tc a u s e db yh y d r o l y z a t i o no r a d s o r p t i o n , t h em i c r o o r g a n i s mi nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dd e g r a d e da t r a z i n ei n t of i r s t i i i a b s t r a c t o r d e rm i d d l e - p r o d u c t i o n , d e aa n dd i a ( 3 ) t h em o l e c u l eb i o l o g i c a lm e t h o d p c r - d g g ew a su s e dt os t u d yt h em i c r o b i a lc o m m u n i t y , a n dt or e p r e s e n tt h e r e l a t i o nb e t w e e nm i c r o o r g a n i s ma n dr e m o v a lo fo r g a n i cp o l l u t a n t a f t e ra n a l y z i n g t h ed g g er e s u l to ft h et h r e ec o n s t r u c t e dw e t l a n d s i tw a gf o u n dt h a ts y s t e ml 群h a d h o m o g e n e o u sm i c r o o r g a n i s ma l o n g t h ed i r e c t i o no fw a t e rn o w a n di ti n d i c a t e dt h a t s i n g l ep l a n ta n dm e d i al e dt oh o m o g e n e o u sm i c r o o r g a n i s md i v e r s i t y s y s t e m2 捍a n d s y s t e m3 # h a dg r e a tv a r i o u sk i n d so fm i c r o o r g a n i s m s a n di ti n d i c a t e dt h a tm u l t i p l e p l a n t s a n dm u l t i p l em e d i as t i m u l a t e dt h ed e v e l o p m e n to fd i f f e r e n tk i n d so f m i c r o o r g a n i s m u n d e rt h er e t e n t i o nt i m eo f4 d ，t h er e l a t i o nb e t w e e nm i c r o b i a l d i v e r s i t ya n do r g a n i cp o l l u t a n ta l o n gt h ed i r e c t i o no f w a t e rf l o ww a gc o n d u c t e d ，a n d t h er e s u r ss h o w e dt h a tt h e r ew a ss i g n i f i c a n tl i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nc o d c o n c e n t r a t i o na n dt h es h a n n o ni n d e xa l o n gt h ed i r e c t i o no f w a t e rf l o wi ns y s t e m2 a n d3 撑i tw a gf o u n dt h a tt h ei n f l u e n c ec a u s e db ym u l t i p l ep l a n t sw a gg r e a t e rt h a n t h a to ft h em u l t i p l em e d i a ( 4 ) t h e r ew e r ev a r i e t yo fa m m o n i a - o x i d i z i n gb a c t e r i ai n t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，a n dt h e ) rw e r ec l o s et on i t r o s o m o n a ss p i ns y s t e m3 群，t h e 疗e s hm e d i az e o l i t ea d s o r b e da b u n d a n ta m m o n i ai nt h ei n i t i a ls t a g eo ff i m c t i o n a n d i tr e s u l t e di nf e wa m m o n i a - o x i d i z i n gb a c t e r i a l a t e rw h e nt h ez e o l i t ea d s o r b t i o n a b i l i t yb e c o m e ss a t u r a t e d ，t h ed i s s o c i a t i v ea m m o n i aa c c e l e r a t e dt h ea m m o n i a o x i d i z i n gb a c t e r i ag r o w t h i tw a gf o u n dt h a taf e wo fa m m o n i a - o x i d i z i n gb a c t e r i a e x i s t e di ns y s t e m3 撑( 5 ) u n d e rs a l i n i t yc o n d i t i o n , t h em i c r o b i a ld i v e r s i t yw a s a b u n d a n t d i f f e r e n ts a l i n i l yi n f l u e n c e dt h eg r o w t ho fm i c r o o r g a n i s m a t r a z i n e d e g r a d a t i o nk i n e t i cc o e f f i c i e n tw a gd e c l i n i n ga st h es h a n n o ni n d e xw a sd e c r e a s i n g k e yw o r d s ：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 ，p o l l u t e ds u r f a c ew a t e r , o r g a n i c p o l l u t a n t ，a t r a z i n e , s a l i n i t y , p c r - d g g e ，m i c r o b i a lc o m m u n i t y , s h a n n o n i n d e x 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 籍硷萎 刎年3 月7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名；撕筮 洲_ 7 年月1 7 日 第1 章绪论 1 1 水污染现状及其修复 第1 章绪论 水是人类赖以生存的资源，然而随着社会经济的发展，工业化进程的推进， 人类的活动给生存环境造成了巨大的压力，水体污染现状已严重危害到人类的 健康与发展。据2 0 0 5 年中国环境状况公报，我国的主要河流污染严重，水环 境问题日益突出【“。七大水系的4 1 1 个地表水监测断面中，i i 类、v 类 和劣v 类水质的断面比例分别为4 1 、3 2 和2 7 。其中，珠江、长江水质较好， 辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河污染严重。主要污染指标为氨氮、 五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。 要 蒙 鬓 口i 瑶烫口v 类日劣v 共 长冱t 河珠，i 秘栉扛淮河灌河仃葡鱼件 水系 图1 12 0 0 5 年中国七大水系水质类别比例比较 此外，我国湖泊普遍遭到不同程度的污染，重金属污染和富营养化问题尤 其突出。2 0 0 5 年，2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的湖( 库) 2 个，占 7 ；i i i 类水质的湖( 库) 6 个，占2 1 ；i v 水质的湖( 库) 3 个，占1 1 ；v 类水 质的湖( 库) 5 个，占1 8 ：劣v 类水质湖( 库) 1 2 个，占4 3 。其中，太湖、 滇池和巢湖水质均为劣v 类【1 】。太湖湖体高锰酸盐指数和总磷年均值分别达到 类、类水质标准，但由于总氮污染严重，湖体水质仍为劣v 类。滇池草海处 于重度富营养状态，外海处于中度富营养状态，分别为劣v 类和v 类水体。巢 第1 章绪论 湖处于中度富营养状态，总体为劣v 类水质，西半湖污染程度重于东半湖。 水量不足和水质型缺水已成为影响我国许多地区社会经济可持续发展和维 持生态良性循环的重要制约因素，水体污染给经济的发展和人民群众的生活带 来了严重的影响：灌溉污染后的水使有效耕地面积减少，农产品质量下降；渔 业生产严重受损；水资源供应更为紧张，严重威胁到城乡居民的饮水安全和人 民群众的健康。 对受污染水体进行治理修复是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要。 在整治之初，采取的高强度治理措施，如疏挖底泥、机械除藻和引水冲淤等， 但往往治标不治本，且投资运行费用高。随着自然生态修复理念的提出，按照 自然界自身规律去恢复自然界的本来面貌，强化自然界固有的自净能力去治理 受污染水体思想被引入具体的治理措施，逐渐形成一种受污染水体生态修复的 新技术。其中，人工湿地处理技术就是近年来发展迅速的污染水体生态修复技 术之一。 人工湿地污水处理系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤或 其它填料混合组成填料床，水或者在床体的填料缝隙中曲折流动或者在床体表 面流动，床体表面种植具有净化性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、 美观及具有经济价值的水生植物( 如芦苇、香蒲) ，形成独特的动植物生态环境， 利用物理、化学和生物的三重作用共同实现对污水的净化。目前，采用人工湿 地技术处理河道受污染水体研究已成为国际、国内湿地科学与河道生态整治研 究前沿领域的热点之一。 1 2 人工湿地处理技术 1 2 1 人工湿地概述 根据湿地公约定义，湿地是指自然或人工、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、半咸水或咸水水体， 水深一般不超过6 m ”。而人工湿地( c o n s t r u c t e d w e t l a n d ) 是在自然条件下并不 存在湿地的地方，人为创造水湿条件及种植相应的水生植物等所形成的湿地。 建造人工湿地除了为野生生物提供生境外，更重要的是利用人工湿地有效地处 理生活污水和工业废水。 2 第1 章绪论 人工湿地处理污水的技术理论研究始于1 9 5 3 年德国的m a xp l a n c k 研究所 3 1 ，该研究所的s e i d e l 博士在研究中发现人工湿地中的芦苇能去除污水中大量 的有机和无机污染物，通过进一步试验发现一些污水中细菌( 大肠杆菌、肠球 菌、沙门氏菌) 在通过种植的芦苇时消失。2 0 世纪6 0 年代中期，s e i d e l 博士与 k i c k u t h 博士合作并由k i e k u t h 于1 9 7 2 年提出了根区理论【4 1 ，此理论基于一种种 植芦苇的矩形池体，水以地下潜流形式水平流过芦苇床，有机物得到降解，n 被去除，p 与c a 、f e 、a 1 等元素共沉积累于土壤中。该理论的提出掀起了人工 湿地研究与应用的“热潮”，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理 技术正式进入水污染控制领域。目前，在北美和欧洲地区，已有大量的各种类 型的人工湿地在运行，用于处理不同的废水。 我国在“七五”期间开始人工湿地研究，1 9 8 7 年，天津市环保科研所建成 我国第一个芦苇湿地工程，脱氮除磷高效、稳定。1 9 9 0 年，国家环保局华南环v 。 境科研所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建成可处理7 0 0 0 人乡镇小区综合污 水的人工湿地，其出水达到二级处理水平。9 0 年代以来，云南、河北、广东、 北京及辽宁等省市开始利用人工湿地技术处理工业及生活污水。2 0 0 2 年，云南 抚仙湖建成了当时最大的人工湿地，日处理污水超过3 5 0 0 吨，其作用相当于一 个小型污水处理厂。 研究表明，人工湿地能够利用基质、微生物和植物复合生态系统的物理、毒r 化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、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，有效的去除化学需氧量、悬浮固体、氮、 磷、重金属、有机化合物和致病菌。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，实现污水的资源化与无害化。人工湿地 处理污水具有出水水质稳定、对氮磷等营养物质去除能力强、基建投资和运行 费用低、技术要求低、维护管理方便、耐冲击负荷强、适于处理间歇排放的污 水并且具有美学价值等优点【5 ，6 】。目前，人工湿地被广泛的应用于城市污水的二 级处理或是三级处理【7 ，8 - 9 1 以及其他来源的污水，包括暴雨径流d 0 , 1 t 】、垃圾渗滤 液1 2 l 、工业污水 1 3 , 1 4 , 1 5 】、农业污水 t 6 , 1 7 和酸矿排水 i s , t 9 , 2 0 l 。此外，人工湿地还可 用于控制面源污染【2 1 , 2 2 , 2 3 捌，恢复和重建河流、湖泊湿地1 2 5 捌，在线净化受污染 的河流、湖泊 2 3 2 7 , 2 8 ，2 9 1 等各个方面。 第l 章绪论 1 2 2 人工湿地组成 人工湿地一般由以下的结构单元构成：底部的防渗层；由填料和植物根系 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( 主要是根生挺水植物) 【3 0 】。而从功能方面考虑，人工湿地最重要的组成 成分包括：基质、植物和微生物。 人工湿地中的基质又称为填料、滤料，一般由土壤、细砂、粗砂、砾石、 沸石、碎石、钢渣等构成。基质在人工湿地中具有重要作用：为植物生长提 供物理支持，合适的基质深度足以支持和固定植物的根系生长；通过过滤、 沉淀、吸附作用去除污水中的不溶性颗粒物；为微生物生长提供稳定的依附 表面；某些基质对氮、磷等营养物存在特定的吸附、吸收作用，如沸石对氨 氮有选择性吸附作用，钢渣对磷有很强的吸附沉淀作用等。 水生植物是人工湿地系统重要的组成部分，其主要作用有：通过通气组织 向根和根状茎供氧，为根际好氧微生物提供良好的生境；植物根系也为微生物 的生长提供物理载体；植物对基质层导水性有很大影响，发达的根系可以显著 增加和稳定基质透水性；植物生长吸收氮和磷，通过定期收割可强化系统的脱 氮除磷性能。用于污水二级处理时，收割去除的氮磷量占系统脱氮除磷总量的 比例通常并不高，但用于深度处理或处理低浓度污水时，该比例要高不少，有 时甚至成为系统脱氮除磷的主要途径。为取得良好的净化效果，湿地处理系统 需要根据废水性质及当地气候、地理条件，选择适宜的水生植物。t a n n e r l 3 1 l 认为， 适宜在人工湿地中种植的水生植物应具备如下特性：生态的可接受性，所选 种的植物对周边自然生态环境的生态遗传的整体性( e c o l o g i c a lg e n e t i ci n t e g r i t y ) 不会构成危害；能适应当地的气候条件，具有一定的抗病虫害能力；能忍 耐污染物和水生的环境条件；容易繁殖和快速生长；净化能力强，可以通 过直接的吸收、同化和贮存或间接的通过增强微生物的转化作用来达到去除污 染物的效果。水生和湿生植物有2 5 0 0 余种，其中，国内外应用于湿地系统的植 物种属约3 0 余种，常用且有效的水生植物种属有：芦苇、香蒲、水葱和菖蒲等【3 2 1 。 微生物是有机物降解的主体，其代谢活动是人工湿地系统净化有机物的主 要机制。在湿地处理系统中，同时存有微生物的好氧、缺氧和厌氧过程。水生 植物通过通气组织将氧气输送到植物根区，在根系表面和附近区域形成好氧生 境，在好氧区域内，好氧微生物将废水中的有机物质氧化为c 0 2 和h 2 0 。而在离 4 第1 章绪论 根区稍远的厌氧区域，有机物则被厌氧细菌分解发酵。有机氮首先在氨化细菌 的作用下转化为氨氮，接着在硝化细菌的作用下氧化生成硝酸盐，硝酸盐可在 反硝化细菌的作用下还原成为氮气。 1 2 3 人工湿地分类 依据植物的存在状态，可将人工湿地分为浮水植物系统、沉水植物系统和 挺水植物系统。 1 2 3 1 浮水植物系统 在浮水植物系统中，水生植物漂浮在水面，根系呈淹没状态。代表性植物 有风信予和浮萍。浮水植物系统的自净功能不同于兼氧塘，系统光合作用释放 出的氧气集中在水面以上的区域( 不同于生长在水面下的浮游藻类) ，这有效地 减少了空气中氧气的扩散，因此浮水植物系统主体是缺氧的，有氧活动主要局 限于根部。 浮水植物系统的净化功能主要通过3 种途径实现；附着在植物根系上和池 底泥沙中的混合兼氧微生物的新陈代谢；对污水中悬浮固体沉积截留；水 生植物对营养的吸收及其后期的收割。浮水植物系统能够有效的减少b o d 、悬 浮固体总量，并通过反硝化作用削减硝酸盐氮。浮水植物系统的深度视植物而 定，如风信子的深度在0 扣1 2 m 之间，浮萍深度则在1 2 , - , 1 8 m 之间。在用于污水 深度处理和营养物去除时，系统有机负荷应保持在3 5 k g ( h a d ) 以下。 在浮水植物系统中，优势植物相对单一，其处理效能易受到短时期内植物 集体性死亡等灾害性事件的影响。为了去除营养物和维持植物最佳生长率必须 定期收割，收割后浮水植物不仅需要干化，且干化后仍需进一步处理1 3 ”。 1 2 3 2 沉水植物系统 在沉水植物系统中，水生植物完全淹没于水中，根扎于底泥或漂浮于水中， 代表植物为狐尾藻，金鱼藻。沉水植物对氮、磷营养元素能够短期储存，控制 水体富营养化。但由于操作和实施难度较大，沉水植物系统还处于试验室研究 阶段，在工程上的应用并不多见，主要用于污水的深度处理。沉水植物为寡污 性植物，因此系统中水的浊度不能太高，否则会影响植物的光合作用。 1 2 3 3 挺水植物系统 第1 章绪论 在该系统中，水生植物根茎生于底泥中，植物体上部挺出水面，代表植物 有芦苇、菖蒲、水葱和香蒲等。目前，对挺水植物系统研究应用最多，工艺设 计已渐成熟。根据污水在湿地中水面位置的不同，挺水植物系统又可以分为两 类：自由表面流( f r e ew a t e rs u r f a c e ，f w s ) 型人工湿地和潜流( s u b s u r f a c ef l o w , s s f ) 型人工湿地。根据湿地中水流动的状态，潜流型人工湿地又分为水平流 ( h o r i z o n t a lf l o w , h f ) 系统和垂直流( v e r t i c a lf l o w v f ) 系统。 ( 1 ) 自由水面人工湿地 自由水面人工湿地的水面位于湿地基质层以上，其水深一般为0 3 o 5 m ，设 计思想来源于天然湿地对废水的处理，是早期的人工湿地形式。目前采用最多 的水流形式为地表径流( s u r f a c ef l o w , s f ) ，水流呈推流式前进。这类湿地全年 或一年中的大多数时间都有表面水存在，这使得湿地与污水接触面积较大且污 水停留时间较长，因此对悬浮物和有机物去除效果理想。藻类和其它的浮游植 物可以在湿地自由水体表面生长，这比挺水植物有更高的光合活性，产生更多 的0 2 ，间接从水体中转移c 0 2 ，水体的p h 增大呈现碱性，导致磷酸盐浓度的下 降和氨气的挥发。同时这些藻类和浮游植物的沉积物和植物枯叶也为反硝化提 供了附加的碳源，能使硝氮通过反硝化途径得以去除。自由表面流湿地在北美 应用较多，其2 0 0 座湿地处理系统有2 3 是自由表面流湿地。 图1 2 自由水面人工湿地示意图 自由水面人工湿地处理系统的优点是：投资及运行费用低，建造、运行和 维护简单。尽管自由水面人工湿地应用较多，但其存在明显的缺点：对营养 盐氮、磷的去除率偏低，这是因为氮、磷的去除过程主要发生在基质内，而自 由水面人工湿地污水仅仅在基质表面流过，因此营养盐只能通过扩散过程进入 6 第1 章绪论 基质层，这一过程是缓慢的，大量的营养盐未经过任何处理直接流出湿地系统， 造成出水氮、磷浓度偏高。在达到同等处理效果的条件下，其占地面积大于 潜流型湿地。在寒冷季节表面会结冰，夏季会繁殖蚊子，还会有臭味，污水 直接暴露于空气中有传播病菌的可能。 ( 2 ) 水平潜流人工湿地 与自由水面人工湿地相比，水平潜流型人工湿地的水面位于基质层以下， 基质通常由矿石和粗砂组成，从而能提供较多的孔隙以使污水能迅速渗漏到整 个基质层。这种湿地系统是目前广泛研究及应用的湿地处理系统，主要形式为 采用各种填料的芦苇床系统，废水从布水端流入湿地，沿着基质下部潜流里水 平渗滤前进，从另一端出水渠流出，该湿地系统在欧洲、澳大利亚和南非等国 应用广泛，目前已成功应用于处理城市污水、食品加工废水、制浆造纸废水、 化工废水和垃圾渗滤液。 图1 3 水平潜流人工湿地示意图 水平潜流人工湿地处理系统的优点有：可以充分利用填料表面生长的生 物膜、丰富的植物根系及填料本身，发挥了系统( 植物、微生物和基质) 间的 协同作用，其处理能力比相同面积情况下的自由水面型湿地系统有大幅提高； 表层土和填料的截留作用，可以延长污水停留时间，提高处理效果和能力； 污水基本上在地面下流动，保温效果好，处理效果受气候影响小；卫生条 件好，不易孳生蚊虫。该湿地系统缺点是：该湿地系统氧主要来源于植物根 系，根系传氧能力有限，因此硝化反应受到限制，尤其是在冬季，植物枯萎， 湿地系统几乎没有氧的来源，强烈抑制硝化作用：同自由水面型人工湿地相 比，其建造费用高，控制相对复杂。 7 第1 章绪论 ( 3 ) 垂直流人工湿地 垂直流人工湿地污水通过填料上部的布水管从湿地表面纵向流向填料床的 底部。水流流态基本上呈现由上向下的垂直流，水流经床体后通过铺设在出水 端底部的集水管收集而排出。该系统往往采用间歇进水的方式，床体处于不饱 和状态，氧气可通过大气扩散和植物传输两种途径进入湿地系统，使该系统硝 化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。垂直流人工湿地 由于具有高的净化效率和相对较小的土地需求等优点而应用变得越来越普遍 m 】。其缺点在于对悬浮固体和有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统， 控制相对复杂，投资也较大。 图1 4 垂直流人工湿地示意图 复合垂直流人工湿地( i n t e g r a t e dv e r t i e a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d i v c w ) 系统是近年来兴起的一种新型技术，它由下行流池和上行流池组成，下行流池 表面为一排上半面截除的布水管，下钻小孔；上行池表面为一排集水管，下钻 小孔用来收集出水，两池之间设隔墙，池底相通。复合垂直流人工湿地具有明 显优势，水流不易短路，复氧迅速，强化系统硝化作用，磷的释放缓慢，获得 较好的营养盐去除效果。但是复合垂直流人工湿地也存在缺点，一是堵塞，堵 塞后由于填料渗透系数减小会延长水力停留时间，导致下行流池表面积水，阻 碍空气中的氧气的进入，使好氧微生物活性下降，去除效果受到影响【3 5 】。 8 第1 章绪论 进永下行麓涟上行藏拖 图1 5 复合垂直流人工湿地示意图 1 3 潜流人工湿地污水处理技术 1 3 1 潜流人工湿地有机污染物降解机理 潜流人工湿地对有机污染物有理想的去除能力，污水中可溶性有机物通过 生物膜的吸附及微生物的代谢过程得到去除【3 6 】；而不溶性有机物则通过湿地的 沉淀、过滤可以很快从污水中截留下来，可被微生物、原生动物及后生动物利 用。 1 3 1 1 微生物作用 微生物作用是潜流人工湿地有机污染物降解的主要机理。人工湿地基质表 面及湿地植物根系上的生物膜可吸附水中有机物，并通过代谢作用将有机物降 解去除【3 7 】。水生植物将氧气输送到根区，形成了根表面的好氧状态。污水中大 部分的有机物质在这一区域被好氧微生物分解为c 0 2 和h 2 0 。另外，氨氮在好 氧区域中被硝化细菌硝化；离根表面较远的区域氧气浓度降低，属于兼性区， 硝化作用仍然存在，但主要是依靠反硝化细菌将有机物降解，并使氮素物质以 n 2 的形式释放到大气中。在离根区更远的区域或填料区，则处于厌氧状态，有 机物经过厌氧细菌的发酵作用，分解成c 0 2 和c i - h 释放到大气中。由于人工湿 地存在着这样一系列好氧区、兼氧区和厌氧区，不同区域微生物群的相互配合 将有机物以及氮素化合物等有效去除。对于废水中的磷化合物，有机磷及溶解 性较差的无机磷酸盐都不能直接被水生植物吸收利用，只有经过磷细菌的代谢 活动，将有机磷化合物转化为简单的磷化物或使诸如磷酸钙等可溶解性差的磷 9 第1 章绪论 化合物溶解【3 引，才能被植物吸收利用，进而通过植物的收割将磷从湿地系统中 彻底去除。 1 3 1 2 水生植物与填料作用 ( 1 ) 水生植物作用 在潜流人工湿地净化污水过程中，湿地植物在有机物降解方面的重要作用 主要体现在植物对微生物的影响： 1 ) 植物为微生物的生长提供附着表面，水生植物的根茎为微生物的生长提 供了巨大的表面积。植物组织为可进行光合作用的藻类、细菌和原生动物群落 的形成提供了附着物； 2 ) 为根区好氧微生物输送氧气，在根区形成有氧区域，为好氧微生物群落 提供了一个适宜的生长环境，而根区以外则适于兼氧或厌氧微生物群落的生存， 通过反硝化反应和厌氧发酵，有机物得到降解： 3 ) 根系分泌物为附着微生物提供碳源和营养物质。植物可将输入到根部的 大部分碳水化合物释放到根际，形成根际沉积。根际沉积物包括分泌物、粘胶 质和细胞脱落物等。根际的碳沉积是连结植物、土壤和微生物的纽带，在由“植 物土壤微生物”构成的根际微生态系统中，根际沉积物对于植物的碳素平衡、 根际微生物的生长代谢至关重要。植物还会向根区释放其它化学物质。在一些 早期研究中，德国m a x p l a n c k 研究所的s e i d e l 博士证明，灯芯草可从根部释放 抗生素，当污水经过灯芯草植被后，一系列细菌如大肠杆菌、沙门氏菌属和肠 球菌明显消失【3 9 】。然而，目前的研究结果还很难解释根系分泌物对微生物同时 存在的促进( 为微生物提供基质) 以及抑制( 杀菌) 作用，因此还需要对其机 理作用做迸一步的研究； 4 ) 植物种类影响微生物的数量和种类。例如，种植芦苇的湿地系统存在优 势菌属：假单胞菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属【柏1 ，并且芦苇根际比香蒲更适合 亚硝酸盐细菌的生长【4 ”。研究表明，种植不同植物的湿地系统根区微生物数量 不同，其湿地净化效果也不同【4 2 1 。 ( 2 ) 填料作用 潜流湿地的填料基质作为湿地植物和微生物的载体，也对污水处理起到重 要的作用。基质为微生物的生长提供了稳定的吸附表面。当污水流经人工湿地 时，基质通过一些物理和化学的途径( 如吸收、吸附、过滤、离子交换、络合 1 0 第1 章绪论 反应等) 来净化污水中的n 、p 等营养物。 1 3 1 3 环境因子的影响 ( 1 ) 温度 温度主要是和湿地系统所处的区域有关，会随着昼夜、季节和纬度变化而 发生变化。温度变化不仅影响湿地系统中微生物的代谢速率，而且还影响到其 它重要的环境因子，如水的分层、营养循环和初级生产等。这些因子影响着微 生物种群和群落的动力学乃至群落的结构和功能，从而影响有机物降解效率。 大量研究显示，湿地系统中微生物的种类和数量随季节的改变而变化【4 3 1 ，一般 情况下，夏秋季数量最高，冬季最少。以硝化细菌和反硝化细菌为例，硝化作 用受温度影响随季节改变而变化，当温度低于5 或高于4 0 时，硝化菌活性 降低；在夏季几乎能达到较彻底的反硝化效果，当季节温度低于1 5 ( 2 时，反硝 化作用明显受到限制l 4 4 】。 ( 2 ) 溶解氧 由于湿地系统各区域溶解氧( d o ) 状况的不同，可分为好氧、微好氧、兼 性厌氧和厌氧微生物提供相应的生境。人工湿地系统内部通常为厌氧环境，在 根区附近存在好氧环境。在潜流式系统中，好氧过程主要发生在近根部和根表 面的氧化区，厌氧过程如反硝化、硫酸盐还原和产甲烷主要发生在还原区。 ( 3 ) p h 大量研究表明，微生物受p h 的影响较大，如在低p h 条件下，湿地中真菌 类微生物的活性较强，而高p h 条件下会影响湿地系统对氮磷的去除；湿地植 物在不同的p h 条件下其活性有所不同，如凤眼莲在不同p h 条件下其活性有所 不同；p h 的变化还会影响土壤中离子的电离，从而影响土壤对污水中有机物的 吸附去除作用p ”。 ( 4 ) 盐度 高浓度无机盐对废水生物处理的毒害作用表现为通过升高的环境渗透压而 破坏微生物的细胞膜和菌体内的酶，从而破坏微生物的生理活动。高浓度无机 盐对废水生物处理的影响与无机物的类型和浓度有关，般随着浓度升高对生 物反应速率影响