（环境工程专业论文）添加植物碳源对多级复合垂直流人工湿地氮、磷去除能力的影响.pdf

摘要 摘要 随着近年来我国农村经济的快速发展，农村面源污染已对受纳水体构成了 严重的威胁。在江西省鄱阳湖区，农村面源污染对湖体水质造成的危害显然与 鄱阳湖区的生态经济发展战略相悖。在鄱阳湖区农村面源污染控制方面，人工 湿地技术是有效的控制手段，但人工湿地在运行中经常出现由于碳源不足而抑 制湿地对污染物净化能力的现象，因此从节省运行费用角度从廉价易得、环境 友好的植物秸秆( 茭白和芦苇) 中筛选最佳植物碳源向多级复合垂直流人工湿 地中投加用来提高人工湿地污染物净化能力。本研究主要分为植物碳源的筛选 和其对多级复合垂直流人工湿地净化污染物能力的影响。实验结果： ( 1 ) 茭白秸秆中碳、氮元素的质量分数分别为1 8 0 9 和0 3 3 9 ，芦苇秸 秆中碳、氮元素的质量分数分别为3 3 1 3 和1 3 1 1 ，两种秸秆中所含碳元素是 可释放的并可作为人工湿地的有效碳源。 ( 2 ) 在8 0 d 植物秸秆静态释放实验中发现芦苇秸秆中碳元素释放曲线较平 缓，是较好的持久植物碳源材料。 ( 3 ) 通过实验对比，芦苇秸秆相较茭白秸秆更适合用作人工湿地的植物碳 源，且添加量为1 0k g m 2 时最佳。 ( 4 ) 将1 ok g m 2 的芦苇秸秆添加至多级复合垂直流人工湿地中，发现系 统出水c o d 浓度稳定，c o d 的去除率稳定在9 0 左右。系统对n o s - n 的去 除率从7 6 6 7 提高到了9 4 7 ，植物碳源的添加有效地促进了系统内微生物的 反硝化反应，提高了系统将n 从湿地中彻底脱除的能力。对系统净化n h 3 - n 的能力影响较小，去除率仅从添加碳源前的8 1 提高到8 5 5 。植物碳源添加 后缓解了系统内n 0 2 。- n 的积累状况，也促进了n 素从湿地中的彻底去除。植 物碳源的添加有效的将t n 去除率从6 6 8 5 提高到了8 6 1 3 ，进一步验证了植 物碳源在提高湿地脱氮能力的可行性及有效性。对系统的除磷能力有正面促 进作用，因系统里碳源量的增加促进微生物的生长，从而提高微生物对p 素的 吸收及转化，促进了p h 3 气体的释放。 关键词：农村面源污染；多级复合垂直流人工湿地；植物碳源；反硝化；总磷 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s er u r a le c o n o m yi nr e c e n ty e a r s ，t h em r a l n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ( n p sp o l l u t i o n ) g r a d u a l l yb e c o m e sas e r i o u st h r e a tt ot h e r e c e i v i n gw a t e rb o d i e s i np o y a n gl a k er e g i o ni nj i a n g x i ，t h eh a r mt ot h el a k ew a t e r q u a l i t yw h i c hc a u s e db yt h er u r a ln p sp o l l u t i o ni sa g a i n s tt h ee c o l o g i c a l & e c o n o m i c d e v e l o p m e n ts t r a t e g yi np o y a n gl a k er e g i o n t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dt e c h n o l o g yi s e f f e c t i v em e a n so fc o n t r o l l i n gt h er u r a ln p sp o l l u t i o ni np o y a n gl a k er e g i o n i n c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，r e g u l a r i t yt h el a k eo fc a r b o ns o u r c er e s t r a i n st h ea b i l i t yo f r e m o v a lc o n t a m i n a t e s t os a v i n go p e r a t i n gc o s t s ，ab e s tc a r b o ns o u r c ei sc h o s ef r o m t h ec h e a pa n de a s y , e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yp l a n t ( w a t e rb a m b o oa n dr e e d s ) s t r a w s t h eb e s tc a r b o ns o u r c ei sa d d e dt ot h em u l t ii n t e g r a t e 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 ( m i v f c w ) t oi m p r o v ei t sc a p a c i t yo fr e m o v a lc o n t a m i n a t e s t h i ss t u d yh a s t w op a r t s ，ac h o o s i n go fp l a n tc a r b o ns o u r c ea n dt h ee f f e c to nt h ea b i l i t yo fr e m o v a l c o n t a m i n a t e st ot h em i v f c w t h e s er e s u l t sa r eg o t ： ( 1 ) t h ew a t e rb a m b o os t r a w sc a n dnt a k e18 0 9 a n d0 3 3 9 r e s p e c t i v e l yi n w e i g h t t h er e e d ss t r a w sca n dn t a k e3 3 13 a n d1 311 r e s p e c t i v e l yi nw e i g h t a n dt h eci nt h e s et w os t r a w sc a nb er e l e a s e da n du s e da sa v a i l a b i l i t yc a r b o ns o u r c e i nc o n s t r u c t e dw e t l a n d ( 2 ) i nt h ep l a n ts t r a w ss t a t i cr e l e a s ee x p e r i m e n t a lf o r8 0d a y s ，w ef i n dt h a tt h ec r e l e a s ec u r v eo ft h er e e d ss t r a w si sr e l a t i v e l yf l a t a n dt h er e e d ss t r a w ss h o u l db et h e b e t t e rp e r m a n e n c ep l a n tc a r b o ns o u r c em a t e r i a l s ( 3 ) b yt h ec o m p a r i s o ni ns m a l lc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h eb e t t e rk i n da n da d d i n g w e i g h ta r ec o n f i r m e d ，t h a ti st h er e e d ss t r a w sa t1 0k g m za d d i n gw e i g h t ( 4 ) a f t e ra d d i n gt h er e e d ss t r a w sa t1 0k g m za d d i n gw e i g h t t ot h em i v f c w , w e c a nf i n dt h o s e ： c o do ft h ee f f l u e n tw a t e rf r o mt h em i v f c wi ss t a b l e ，a n dt h e r e m o v a lr a t eo fc o di sm a i n t a i n e da ta b o u t9 0 i ti m p r o v e st h er e m o v a lr a t eo f n 0 3 - nf r o m7 6 6 7 t o9 4 7 i ta d v a n c e st h em i c r o o r g a n i s m sd e n i t r i f i c a t i o n r e a c t i o n ，a n de n h a n c e st h ec a p a c i t yo fr e m o v a ln f r o mm i v f c wr a d i c a l l y i th a s l e s se f f e c to nt h ec a p a c i t yo fr e m o v a ln h 3 - nf r o mm i v f c w , o n l yi m p r o v e st h e i i a b s t r a c t r e m o v a lr a t eo fn h 3 - nf r o m81 t o8 5 5 i tc a nr e m i s s i o na c c u m u l a t i o no f n 0 2 - n ，a n de n h a n c e st h ec a p a c i t yo fr e m o v a lnf r o mm i v f c wr a d i c a l l yt o o n h a sap o s i t i v er o l ei np r o m o t i n gpr e m o v a lc a p a c i t yo ft h es y s t e m b e c a u s et h ec a r b o n s o u r c ea m o u n tp r o m o t e st h eg r o w t ho fm i c r o o r g a n i s m s ，t h ea b s o r p t i o n a n d t r a n s f o r m a t i o no ft h em i c r o o r g a n i s m so fpi si m p r o v e d ，t h e nt h er e l e a s eo fp h 3i s p r o m o t e d k e yw o r d s ：r u r a ln o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nf n p sp o l l u t i o n ) ；m u l t i p l e 。s t a g e i n t e g r a t e 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 ( m i v f c w ) ；p l a n tc a r b o n s o u r c e ；d e n i t r i f i c a t i o n ；t p i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 据国家环保部所发布的2 0 1 0 年中国环境状况公报中显示，我国的部分环境 质量指标仍持续好转，但环境总体形势却依然十分严峻，仍面临许多困难和挑 战。长江、黄河、辽河、海河、淮河、松花江和珠江等七大水系总体上为轻度 污染。在2 0 4 条河流里的4 0 9 个国控断面中，i 至i i i 类、至v 类和劣v 类水 质的断面所占比例分别为5 9 9 、2 3 7 和1 6 4 。其中长江和珠江总体水质良 好，松花江和淮河为轻度污染，黄河和辽河为中度污染，海河为重度污染。湖 泊( 水库) 富营养化问题依然突出，在2 6 个监测营养状态的湖泊( 水库) 中，富营养 化状态的占4 2 3 。从2 0 0 7 年到2 0 0 9 年鄱阳湖的营养状态指数由4 5 增长至5 0 4 ， 由此可知鄱阳湖水体已然接近富营养化边缘，部分水域甚至发生蓝藻爆发。引 起鄱阳湖水体污染的主要污染物有氮、磷等营养物质，其主要来源于入湖河流 及沿湖周围城镇产生生活点源与非点源排放，由于其中六成以上的污染物来自 于无组织的非点源排放，因此加强对非点源的控制也尤显重要i lj 。到目前为止鄱 阳湖是我国水质相对较好的淡水湖泊之一，为避免重蹈太湖和滇池先污染后治 理的覆辙，必须在加快中部地区经济发展的同时，加大对“一湖清水”的保护 投入。 1 1 1 农村面源污染及控制研究概况 非点源污染( n o n - p o i n ts o u r c ep o l l m i o n ，简写n p sp o l l u t i o n ) ，又称为面源 污染或扩散源污染【2 】，指溶解性或固体的污染物在大面积降水及径流的冲刷作用 下汇入受纳水体从而引起的水体污染【3 】。 根据文献资料统计，在2 0 世纪6 0 年代，人们还处在于面源污染的认识阶 段，从那时开始，由于农业活动强度的增加，地表水中的n 含量逐渐上升。在 2 0 世纪7 0 年代是面源污染模型发展阶段，美国环保局颁布了著名的最佳管理措 施( b m p s ) 。2 0 世纪8 0 年代面源污染受到了广泛的重视，就在8 0 年代末期， a n d e r s o n 4 等研究发现大约有3 4 5 0t a 的p 以饲料、化肥及人类消费品的形式进 入到美国南部的奥基乔比湖，另外3 0 0t 是以降水形式输入奥基乔比湖。根据美 第一章绪论 国在1 9 9 0 年的调查评估报告显示【5 】，其面源污染占总污染量的三分之二左右， 而其中农村面源污染又占面源污染总量的6 8 8 3 ，影响到了5 0 7 0 受污染的 地表水体。直至2 0 世纪9 0 年代后，面源污染模型在计算机科技迅猛发展的推 动下，结合“3 s ”技术等可视化模拟和多维评价新技术的开发，面源污染模型才逐 渐完善。 在我国，随着地方经济发展、工业与城镇化的不断推进，面源污染问题日 益凸显，特别在农业生产、畜禽养殖、农村生活等引起的农村面源污染尤其严 重。据史志华、曹秀玲、潘洁等研究表明，农村面源污染已成为引起汉江、云 南三湖( 抚仙湖、杞麓湖和星云湖) 和丽水水体污染的重要影响因素。近年来， 农村面源污染的影响程度在我国“三湖”( 太湖、滇池和巢湖) 、“三河”( 淮河、 海河和辽河) 、“一库”( 三峡库区) 等重点水域也不断升高1 6 8 】。 针对鄱阳湖湖区内农村经济和区域农业的发展情况，以及湖区人口的快速 增长，湖区内的农村面源污染也越来越严重。引起农村面源污染的污染物主要 来源有农业生产中农药与化肥的盲目施用，农业生产废物( 如农膜、秸秆等) 的随意堆放焚烧，规模化集约化养殖业废物的非集中处理排放，人畜禽粪便和 农村生活垃圾的任意排放等等，这些污染物以开放式状态进入环境中，经风力、 降雨、径流及地下渗漏等自然作用以及灌溉、农田排水等人为因素，大部分都 将进入到湖体内，最终导致湖泊水体的恶化。农村面源污染的产生就使其具有 分散、隐蔽、随机、不确定、广泛、滞后、模糊和不易监测等特性，造成对其 研究和控制的难度较大9 1 6 】。农村面源污染中主要污染物及其危害见表1 1 f 1 7 1 。 表1 1农村面源污染中主要污染物及其危害 随着国民环保意识的增强和污染物处理技术的提升，点源污染控制能力不 断提高，农村面源污染对水体污染的“贡献越发显现，许多国家已经开始从经济 2 第一章绪论 和法律等方面入手，来加强对农村面源污染的管理与控制，国内外许多学者对 如何从技术上控制农村的面源污染做了大量的研究。在国家经济措施方面英国 自2 0 0 5 年4 月开始对农民保护环境性经营给予补贴【1 8 j ，近年来我国也筹集大量 资金在全国广大农村地区内推广普及农村户用型沼气，畜禽养殖业废弃物处理 技术以及平衡施肥等，这实际上就是一种国家级奖励性防治农村面源污染的经 济措施。在国家法律措施方面，例如美国颁布了清洁水法案( c w a ) ，最大日负荷 计划( t m d l ) ，农村清洁水实施计划，非点源污染治理实施计划，杀虫剂实施计 划，海岸非点源污染控制实施计划等等法案来加强对农业面源污染的控制及管 理【1 9 1 。同样，我国在1 9 9 6 年修订水污染防治时就关注了农村面源污染的问 题，提出应采取措施，指导农业生产者科学合理地施用化肥和农药，控制化肥 和农药的过量使用。1 9 9 3 年制定的中华人面共和国农业法中要求保护耕地、 合理施用化肥和农药、预防和治理水土流失等。另外，1 9 9 2 年颁布了农田灌 溉水质标准，2 0 0 2 年正式颁布了畜禽养殖污染防治技术规范，2 0 0 3 年颁布 了畜禽养殖污染物排放标准，这些对于控制农村面源污染起到了一定的效果 2 0 1 口 在国家经济措施与法律措施的支持下，如何从技术上控制农村面源污染对 水体造成的危害已是许多学者研究的热点。农村面源污染控制技术措施的主要 分类有保护性耕作、沼气技术、堆肥化、前置库技术、生态渠技术、植物缓冲 区技术、人工湿地技术以及有机组合以上或更多技术为一体的最佳管理措施。 保护性耕作是指经少耕、免耕、合理种植、地表覆盖以及地表微地形改造技术 等综合配套措施，降低农田的土壤侵蚀，保护农田的生态环境，并同时获得经 济效益、生态效益和社会效益协调发展的可持续农业技术【2 1 1 。沼气技术在我国 农村地区的应用较普遍，就是将养殖业、种植业与沼气使用相结合，获得最佳 的生态效益与经济效益。堆肥化技术，是依靠自然界中广泛分布的细菌、真菌、 放线菌等微生物，可控制的促进可生物降解的有机物向着稳定的腐殖质方向转 化的生物化学过程f 2 2 】。前置库技术是利用水体水质从_ k n 下其浓度呈梯度递减 特点，按水库情况，将水库分为一个或多个子库与主库相连接，以达到增长水 力停留时间，提高水中泥沙及营养盐沉降，同时利用子库中的水生植物、藻类 等对营养盐的拦截、吸附和吸收等作用来降低其含量【2 3 1 。生态渠技术是近年来 在控制农村面源污染修复生态系统中一种有效措施。生态渠的设计是依据生态 学和环境工程学原理对原有的农灌渠进行技术性改造，使其具备灌溉排水与污 3 第一章绪论 水净化的双重功能。植物缓冲区技术是设计在面源污染区与受纳水体间，能够 减少面源污染源与河流、湖泊等受纳水体间的直接连接，利用树木、草坪或湿 地植物等永久性植被来拦截污染物及有毒有害物质，降低农村面源污染造成的 危害l z 4 j 。人工湿地技术是人工模拟自然湿地系统，构建以基质植物微生物为主 体污染物去除系统，通过基质对污染物的拦截、吸附，植物对污染物的吸收转 化以及微生物对污染物的降解利用等一系列作用达到去除污染物的目的。最佳 管理措施( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ，b m p s ) 是“对任何去除与削减、防止与控 制面源污染的技术、行动、操作方法或设备计划的统称”。通常为工程性措施和 管理性措施。工程性措施主要包括修建集水系统、渠塘系统、湿地系统及植被 缓冲区等。管理性措施主要包括耕作、养分以及景观管理【2 5 】。目前由于我国农 村面积广袤，且农民科技水平有限，因此对于实施耕作、养分和景观管理等措 施难度较大，并且又有人畜禽排泄物、秸秆等等不可避免污染物产生，所以在 我国农村面源污染控制过程中大部分是工程性技术措施。在各种工程性措施的 运用中b m p s 得到较多的研究与推广。b m p s 在我国的千岛湖流域、黑河流域、 三峡库区、太湖流域等区域都已得到广泛应用，并对各自流域内的农村非点源 污染进行了有效控制1 2 睨引。 面对着农村面源污染管理与控制的压力，我国的“十一五”科技发展规划 在其重点领域以及优先主题里就明确提出：研究农村面源污染防治着重开展农 村环境污染趋势及其特点的分析研究，研究并制定了国家面源污染控制行动的 方案等其他环境科技问题。因此在“十一五国家科技支撑计划项目：“鄱阳湖 生态保护与资源利用研究”之子课题2 “水污染控制及水质保护技术研究与示范” 中“小流域面源污染控制技术集成与示范研究”里对农村面源污染进行了控制 与处理研究。该研究采用工程性b m p s 对该区域内所产生的污染物进行处理， 经追踪研究发现b m p s 系统中的人工湿地单元对各种污染物的去除效果良好， 去污能力稳定并耐冲击负荷性较好【2 圳。 1 1 2 人工湿地的发展概况 人工湿地在上个世纪5 0 年代在德国被发现，直至7 0 年代发展为一种污水处 理工艺【3 0 1 ，是由基质、生长在其上的植物以及附着与悬浮在前两者之上的微生 物共同组成的生态系统。系统内污水沿一定的流向经过整个系统，水体含有的 污染物在基质植物微生物的协同作用下得到去除。由于其具备着耐冲击负荷 4 第一章绪论 强、污染物去除效果好、投资低、运行管理方便而得到广泛的应用1 3 h 引。 目前在美国有超过6 0 0 处人工湿地工程用来处理生活、工业和农业废水p 4 | ， 在英国、丹麦、德国分别至少有2 0 0 个人工湿地在使用【3 引，在新西兰被投入使 用的人工湿地系统也有8 0 多个【3 6 1 。在北美约有三分之二的湿地是表面流类型， 其中有五成是自然湿地，其余为人工表面流湿地。在湿地中种植芦苇、菖蒲、 茭白等植物，此外为了保证水力的潜流效果，多数湿地系统采用砾石等作为基 质。 至今人工湿地技术在欧美等一些西方发达国家的发展已日趋完善也得到了 广泛的应用，然而我国在人工湿地领域的研究起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代 对人工湿地技术的研究才开始展开，国家环保局组建了首支庞大的科研团队， 对大规模污水的人工湿地处理技术进行研究，在北京、天津、昆明、沈阳等地 构建了各类人工湿地污水处理工程示范，获得了宝贵的研究成果以及运行与管 理经验【3 7 1 。在1 9 8 7 年天津市建成了处理量为1 4 0 0 m 3 d 的芦苇湿地【3 8 】。1 9 8 8 年 北京环保所在北京昌平县开展自由水面湿地的研究并建成处理规模为5 0 0 m 3 d 的芦苇湿地p 9 1 。1 9 9 0 年在深圳白泥坑地区所建的人工湿地污水处理工程在投入 运行后出水水质可达二级水平。在本世纪初沙田人工湿地系统污水处理厂作为 深圳市河流综合治理重点工程之一，取得良好的成效【4 0 】。近几年随着我国对人 工湿地研究的不断深入，从湿地的基本类型、种植植物、填充基质、去污机理、 影响因子、工艺条件控制及优化设计等各个角度展开对人工湿地污水处理技术 潜力的探讨与开发。 一般具有大型挺水植物的人工湿地可根据其水流形态及布水方式分成三种： 表面流湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ，s f w ) 、潜流型湿地( s u b s u r f a c ef l o w w e t l a n d s ，s s f w ) 和垂直流湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d s ，v f w ) 。这三种基本 类型人工湿地的主要组成均为基质植物微生物，利用这三者间的相互作用形成 相对稳定的生态系统，在这个生态系统里化学过程、物理过程与生物过程三者 均发生作用，通过沉淀、过滤、离子交换、吸附、植物吸收和微生物利用等等 过程来达到对污水净化的目的。然而s f w 具有造价低、投入少、操作简单等特 点 4 0 删，并对有机物的净化效果良好，但对氮、磷的去除效果欠佳，且受气候 等因素的影响较大、占地面积大，在夏天易孳生蚊蝇等不足之处。s s f w 由于有 厌缺氧区的存在，比s f w 具有更好的氮、磷去除效果，但需要选择粒径及材质 适宜的基质材料来尽量避免运行中基质的堵塞。v f w 整合了s s f w 和s f w 的 5 第一章绪论 各自特点，水流在基质中呈垂直方向的流动，污染物的去除机理与s s f w 相似， 与s f w 相比v f w 氧化能力更强，同时也具有更高的处理能力，目前v f w 正 逐渐受到人们的重视4 。 1 2 复合垂直流人工湿地的发展现状 人工湿地在对污染物进行净化时，受许多可控制因素影响，去除效果存在 一定局限性，为提高其处理效果，削弱人工湿地缺点所带来的不利影响，近年 来国内外许多学者针对各种可控因子展开了大量的研究，研究内容包括：湿地 基质材料的筛选及组合 4 2 , 4 3 】；湿地植物的筛选与组合m ，4 5 】；在湿地前置曝气或湿 地床体底部曝气提高复氧【4 6 州】；出水回流调节【5 2 】；进出水及水流控制陋5 6 】；基 本类型湿地串联组合等等 5 7 - 6 0 。 1 2 1 复合垂直流人工湿地系统的对污染物的净化机理 复合垂直流人工湿地系统( i n t e g r a t e 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 s y s t e m ，简写i v f c w s ) 是在“九五”期间中科院水生所联合奥地利维也纳农业大 学、德国科隆大学等单位提出的【6 1 | ，i v f c w s 示意图见图1 1 。i v f c w s 因表面 无积水，适合更多种类的植物生长，且水流可依次经过好氧缺厌氧段，从而具 有了更好的景观功能和污染物去除功效，已得到了广泛的应用【6 引。 图1 1 常见复合垂直流人工湿地结构 由图1 1 所示，这里的i v c w 地是将v f w 的一个下行池和一个上行池串联， 在水流路线上形成好氧缺厌氧好氧的功能区。i v c w 在大气复氧以及植物根系 6 第一章绪论 输氧等共同作用下使湿地上表层成为好氧功能区【6 3 1 ，在湿地底部水淹区域形成 缺厌氧功能区。 湿地系统去除有机物的主要机理有沉淀、过滤、植物吸收以及微生物降解 等过程。由于进入湿地系统的有机物分为颗粒和溶解性，颗粒性的经基质的过 滤和沉淀等作用可以得到去除，溶解性的则主要是通过湿地微生物的代谢活动 经降解而去除畔】。由于在i v c w 系统的表层土壤中好氧微生物活性高，对溶解 性有机物去除能力强，大部分有机物在污水进入设备后的第一个好氧功能区就 开始得到去除，继而进入缺厌氧功能区，当进入第二个好氧功能区时有机物浓 度就已偏低。 湿地去除n 的主要机理有n h 3 的挥发，湿地植物的吸收，基质的过滤、沉 淀、吸附以及微生物硝化和反硝化的作用【6 5 1 ，n 去除过程的基本路径见图1 2 ， 其中微生物的作用占主导地位。传统生物脱氮的基本过程分为三个步骤：第一 步氨化，就是将有机氮转化成氨的生物反应( o r g n n h 3 ) ；第二步硝化，就是 将氨逐步氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生物反应( n h 3 一n h 2 0 h n o n 0 2 一 n 0 3 ) ，可根据微生物种类分为自养和异养两种硝化作用；第三步反硝化，就是 将硝酸盐和亚硝酸盐逐步还原为氮气的生物反应( n 0 3 - - + n 0 2 一n o n 2 0 n 2 ) 。相关反应方程式如下： ( 1 ) 硝化： n h ：+ i 3 8 2 0 ：+ 1 9 8 2 h c o ；丝骂0 9 8 2 n o ：+ 1 0 3 6 h ，o + 1 8 9 1 h ，c o ：+ o 0 1 8 c ，h ，o ：n n o ；+ 0 4 8 8 0 2 + o 0 1h 2 c 0 3 + o 0 0 3 h c o ；+ 0 0 0 0 3 n h ：马n o n 0 0 8 h 2 0 + 0 0 0 3 c 5 h 7 0 2 n n h ：+ 1 8 6 0 2 + 1 9 8 2 h c o ；马o 9 8 2 n o ；+ 1 0 0 4 h 2 0 + 1 8 8 1 h 2 c 0 3 + o 。0 2 1 c 5 h 7 0 2 n ( 2 ) 反硝化( 以甲醇为碳源例) ： n o ；+ i 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3 坠0 4 7 n 2 个+ 1 6 8 h 2 0 + h c o ；+ o 0 5 6 c 5 h 7 0 2 n n o j + 0 6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 h 2 c 0 3 骂o 4 8 n 2 个+ 1 2 3 h 2 0 + h c o ；+ 0 0 4 c 5 h 7 0 2 n 一般认为湿地中植物与基质对氮的吸收作用很少，植物吸收大概只有8 1 6 ，大部分氮都是通过微生物的作用去除。s p i e l e s 等嘲研究发现在人工湿地 中，通过反硝化作用的脱氮量占总除氮量的6 0 - - 一7 0 ；黄娟等【6 7 1 对潜流人工 湿地的除氮途径及规律进行研究，得出微生物的降解氮量约占进水总氮的5 0 ； 因此湿地中n 的去除主要是依靠植物根系与基质表面上附着的微生物的作用 7 第一章绪论 6 8 1 ，所以提高人工湿地n 素去除效果的关键就是强化湿地系统中硝化和反硝化 作用的能力。在i v c w 系统中由于水流依次经历好氧缺厌氧好氧功能区，为 微生物提供发生硝化反硝化作用的良好环境，n 素则主要是随水流在功能区里 通过硝化反硝化反应得到去除。氨化和硝化作用均是含氮化合物形态的转化过 程，反硝化作用是将n 从水体中去除的关键步骤，由反硝化反应式可知碳源是 反硝化反应的一个限制因子。 挥发植物吸收n 2 ，n 2 0 基质吸附微生物吸收 图1 2 湿地中n 去除主要机理 湿地系统去除p 素主要机理有基质的吸附、截留、离子交换和络合物反应 等，植物吸收以及微生物吸收、转化【删等，p 去除过程基本路径见图1 3 ，其中 占主导地位的是基质的吸附作用。在潜流式的湿地中填充基质的种类及组合对p 的去除效果影响很大，可溶性无机磷可以与基质中的铁、铝、钙盐等发生沉淀、 吸附反应从而被基质稳定下来。所以主要由矿物填料和高铝含量填料构建的湿 地系统比由含有机物量高构建的湿地系统除磷能力强。在湿地系统中由吸附和 沉淀作用稳定下来的p 并非是永久性的去除，当湿地水体中可溶性磷的浓度减 小等情况下，这些磷就会重新溶解并释放。所以矿物性的填料实际上是一种p 的缓冲器进而来控制不同情况下p 的浓度【69 1 。经研究发现在厌氧条件下还原环 境利于微生物将含磷物质还原为p h 3 气体，通过向大气中释放来实现湿地系统 中p 的去除。人们普遍认为p h 3 是厌氧微生物还原环境中含磷物质的产物，但 是厌氧微生物究竟是还原环境中的无机磷还是有机磷而产生p h 3 一直在讨论中 7 0 - 7 3 】。由于i v c w s 中p 素随着水流依次经历下行池和上行池的基质层，与基质 的接触相对充分，促进了基质对p 的吸附作用，并且设备底部的厌氧功能区也 为p h 3 气体的产生提供了良好的反应条件。 8 第一章绪论 图1 3 湿地中p 去除主要机理 1 2 2 复合垂直流人工湿地在水污染控制中的运用 许多学者对i v f c w s 在多种环境及可控因素下进行了研究。 在i v f c w s 的运行影响因素研究中，张晟r 7 4 1 等人研究发现，在不同季节以 及不同水力负荷冲击下，i v f c w s 可常年维持稳定且具有较高的除p 效果，对 水力负荷变化有较好的耐冲击性能，因此i v f c w s 具有较好的应用前景和理论 价值。w a n gx i a o 7 5 j 等人经研究发现i v f c w s 作为一种投资少、易管理、效果好 的污水处理系统，在夏季温度较高时在0 6 - - - 0 8 m 3 m 2 d 的水力负荷下对c o d ， n h 3 - n 和t n 的去除率分别为7 1 ，6 7 和8 0 左右，在低温( 1 0 左右) 时系 统对污染物c o d ，n h 3 - n 和t n 的去除效果有所下降，分别在5 1 7 1 ，1 9 8 7 和2 9 7 6 。袁林江【7 6 】等人研究了进水方式对i v f c w s 去除污染物性能的影响， 该系统在运行稳定后对c o d ，n h 3 - n 和t n 去除率分别可达8 5 ，8 0 和7 0 ， 间歇性进水有利于提高去污能力。并且发现表层0 2 5 c m 是对c o d 的去除的主 要功能区，主要是微生物对c o d 的降解以及基质与根系对c o d 的截留、吸附 等作用；表层0 3 5 c m 是对n 去除的主要功能区，主要是微生物的硝化及反硝化 作用及植物吸收，还有基质与根系的截留、吸附作用。 在i v f c w s 的结构研究中，y o n g j u nz h a o t 7 7 】等人对垂直流人工湿地进行了 下行- 下行、上行一上行、下行一上行和上行下行四种组合，分别对这四种组合的 污染物去除能力进行了研究。通过调节模拟废水的c n ( 依次为2 。5 ：1 ，5 ：l 和 1 0 ：1 ) ，发现组合湿地对c o d ，t n ，t p 和t o c 的去除率分别为7 3 9 3 ， 9 第一章绪论 4 6 一8 7 ，7 5 9 0 和4 0 6 6 ，表现出了对c o d 和t p 良好的去处能力， 并且在c n 为1 0 和5 时对c o d 和t p 的去除效果达到最大。四种组合相比较而 言混合型组合湿地在运行时对t n 和t o c 表现出更明显的去除能力( p 中龄 高龄，叶 根 茎。 詹德昊f 3 5 】等对i v f c w s 的堵塞问题进行了研究，经研究发现i v f c w 堵塞 后出水流量下降及h r t 延长，i v f c w 小试系统的实际h r t 在堵塞前为2 1 3h ， 在堵塞后延长为3 2 5h ，中试系统在堵塞前为1 9 4h ，堵塞后延长为2 6 8h ， i v f c w 系统的堵塞造成了下行池表面的积水，这不仅恶化了周边卫生环境，且 降低了系统对污染物的净化能力。 1 3 外加碳源在污水处理中的运用 在生物废水脱氮处理过程中，微生物的反硝化作用是将n 从水体中彻底去 除的关键步骤。如何给反硝化反应提供良好的发生环境，促进反硝化反应的发 生提高脱氮效率已成为现在的研究热点。国内外在上流式厌氧反应器、序批式 第一章绪论 厌氧生物膜反应器、s b r 等系统中针对投加不同形态碳源来提高脱氮效率方面 进行了研究【8 6 - 8 9 1 。 针对反硝化反应所利用碳源的研究上一般将碳源分成三类：易于生物降 解及利用的溶解性有机物( 如甲醇、乙醇。葡萄糖等) ；可慢速生物降解及利 用的有机物( 如淀粉、蛋白质等) ；细胞质，即细胞利用自身成分进行内源反 硝化1 9 。另外根据电子供体来源也分为三种：外部添加的碳源、有机体自身的 内部碳源以及废水中原有的有机物碳源。从微生物反硝化脱氮过程来看，碳源 主要可分为以下两大类【9 l j ：内碳源，是指污水本身自有碳源。它可分为三种： 一是废水所含有机碳( b o d 5 ) ，属较理想与经济的碳源；二是颗粒状可慢速生物 降解的有机物( 初沉有机污泥) ，可被进一步转化为易生物降解的有机碳源。三 是指微生物在死亡或破裂后自溶释放出来的一部分可被微生物利用有机碳。 外加碳源，一般认为当废水中b o d 5 h i 小于3 5 时，为达到较好的反硝化速率， 则须向反应系统内投加有机碳，作为反硝化反应的可利用碳源，目前外加的碳 源多采用甲醇，乙醇，葡萄糖等【9 2 1 ，碳源成为了反硝化速率控制的重要参数【9 3 1 。 1 3 1 外加碳源的发展及研究现状 目前人们对外加碳源的研究主要集中在像葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸钠以 及原污水等的以溶液形式添加至系统内的液体碳源，许文峰【9 4 】等研究了甲醇、 乙酸钠、葡萄糖这些不同碳源对b a f 脱氮能力的影响，研究发现，当碳氮比在 3 4 之间，滤速为1 0m h 时，分别以甲醇、乙酸钠和葡萄糖分别为碳源时，n 0 3 - n 的去除率分别可达9 0 ，8 5 和5 0 以上，可见外加碳源可以明显促进反硝化 速率，但根据加入碳源种类的不同，对反硝化速率所起的促进所用也不同。谭 洪新【9 5 】等人研究向潜流加表面流组合的人工湿地系统中添加碳源对其n 、p 去除 效果的影响，具体方法是向组合人工湿地系统的进水( a o 工艺出水) 中通过添 加城市原污水来补充进水中的碳源，经对比分析得，未添加城市原污水时( 工 况a ) 组合湿地系统的进水c o d t n 为1 0 ，( n 0 2 + n 0 3 。) t n 为0 4 8 ，c o d ， t n 和t p 的表面负荷去除率分别为1 8 2 ，1 5 9 和o 1 4 9 ( m 2 d ) ；在组合湿地进 水中添加适量城市原污水( 工况b ) 后c o d t n 为3 5 5 ，( n 0 2 。+ n 0 3 ) t n 为 o 4 4 ，c o d ，t n 和t p 的表面负荷去除率分别为1 9 0 3 ，5 4 2 和0 2 9 9 ( n 1 2 d ) ， 可见在工况b 下t n 和t p 的表面负荷去除率比工况a 明显要高。余丽华1 6 3 j 等 人研究了向i v f c w s 中分别投加葡萄糖和羧甲基纤维素对设备除氮效果影响， 1 2 第一章绪论 经研究显示，直接向湿地系统内添加碳源不仅可以促进系统的反硝化作用，还 可以大大节省碳源的添加量，葡萄糖对系统脱氮效率的影响要高于羧甲基纤维 素，但该类碳源在水体中存在溶解稀释过程，在系统中持续时间短，运行时需 经常补充，并且投入量控制的不合理便会引起二次污染。因此目前许多学者将 开始研究更加廉价易得，使用方便的固体碳源。 傅利剑 9 6 1 研究了反硝化菌对甘油和柠檬酸钠两种不同碳源的利用，发现碳 源的种类对硝酸还原酶没有明显的影响，但对于氧化亚氮还原酶有明显影响， 并且通过包埋反硝化微生物对碳源的利用实验中得出在一定的碳源浓度范围 内，硝酸盐的去除率是随着碳源浓度的增加而增加的，亚硝酸盐氮浓度在c n 为3 时最小，当c n 小于3 时，可能由碳源不足而导致亚硝酸盐还原酶量偏少， 不能够及时去除亚硝酸盐氮，因此出现亚硝酸盐的积累，当c n 大于3 时会出 现由于碳源过于充足，n h 4 + - n 形式的氮源相对不足，亚硝酸盐氮作为硝酸盐氮 转至氨氮的中间产物也会出现积累，因此可见在一定的情况下，c n 存在一最佳 比值来满足反应的进行，以及便于对n 进行更好的脱出。 t a k a h i r oy a m a s h i t a 9 7 】等人将木头作为一种碳源投加到反硝化反应器内用来 处理模拟废水，发现在水力停留时间为2 4 h 时，最大反硝化速率为6 2 4 9n 0 3 ( m 3 d ) 。在设备运行1 5 0 0 天后仍具有硝酸盐去除能力，通过硫酸盐浓度的下 降和木质降解，反硝化效率可以提高硫酸盐的还原。 y ic h e n l 9 8 j 等人研究发现溶解氧浓度对植物凋落物的分解率影响很大，有可 能是溶解性有机碳供应和依赖碳源的反硝化反应的决定因素。在2 个月的运行 期间，厌氧条件下溶解性有机碳的累积优于好氧条件下，这是由于水解酶的高 活性和更低的水解产物转化成气态碳。实验发现使用植物凋落物的厌氧渗滤液 作为碳源可以得到更快的反硝化速率。可利用碳源可以作为湿地中反硝化速率 良好的表征物。根据此次实验的结果，湿地中胞外酶活性是d o 短期变化的结果。 这有可能转变凋落物碳源通量和可溶性有机碳的特性并在湿地中具备多重效 应。 s o r e nw a r n e k 和l o u i sa s c h i p p e r 吲以树枝填充的大型反硝化床 ( 1 7 6 m x 5 m x l 5 m ) 为研究对象，研究其处理含高硝酸盐氮( 浓度大于1 0 0 9 m 3 ) 水培温室废水的能力，通过一年的实验对碳源可用性、溶解性有机碳、溶解氧 浓度、温度、p h 、硝酸盐浓度、亚硝酸盐和硫离子浓度、温室气体产生状况以 及碳流失等多种影响因素研究，发现这种以树枝填充的反硝化床是处理含高硝 1 3 第一章绪论 酸盐氮废水的有效途径，并且可利用有机碳浓度和温度对硝酸盐氮去除率的影 响力远远高于硝酸盐浓度的影响。 l us o n g l i u 1 0 0 等人对人工湿地内不同植物的不同除氮能力进行了探讨。提 高反硝化速率的影响因素有有机碳浓度，硝酸盐负荷，湿地植物，p h 和湿地温 度都做了系统的研究。研究结果表明外加碳源( 糖类) 可以显著的提高人工湿 地的脱氮能力。在硝酸盐浓度在3 0 4 0 m g l ，水力停留时间为2 4 h 时，向人工湿 地中加入2 5 m g l 的可溶性有机碳，发现在夏季硝酸盐的去除率从2 0 提高到 5 0 ，在冬季从1 0 提高到3 0 。还发现植物对p h 和水温的调节能力可以提高 湿地的反硝化能力，季节变化也会影响湿地的反硝化能力。 陈云峰 1 0 1 等利用不同形态的固体碳源用于去除污水处理厂尾水中硝态氮，