（环境科学专业论文）补充碳源提取液对水平潜流人工湿地脱氮效果的影响研究.pdf

东华大学硕士学位论文补充碳源提取液对水平潜流人工湿地脱氮效果的影响研究 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密战 学位论文作者签名：j 七g 日期：2 0 f 3 年乙月“f t r 、) 指导教师签名：l 彳孕髟少 日期纠；年7 1 月“日 东华大学硕士学位论文 补充碳源提取液对水平潜流人工湿地脱氮效果的影响研究 本论文由国家自然科学基金项目水平 潜流人工湿地水动力模拟及去污实证研究 ( 项目号：n o 5 1 0 7 9 0 2 8 ) 资助完成 东华大学硕士学位论文 摘要 补充碳源提取液对水平潜流人工湿地脱氮效臬的影响研究 摘要 水平潜流人工湿地作为低成本的污水处理系统，能去除有机质， 营养元素及致病菌等多种污染物。水平潜流人工湿地中存在多种脱氮 机理，包括硝化一反硝化，氨挥发，吸附和植物吸收等，其中硝化一 反硝化被认为是人工湿地中最主要的脱氮途径。由于水平潜流人工湿 地整体厌氧的环境，使其具有较好的反硝化能力。硝化一反硝化水平 受碳源供给水平的影响很大，其它影响人工湿地脱氮的因素还包括 p h ，溶解氧和温度等。 为了提高水平潜流人工湿地脱氮效率，本文在不同条件下分别对 美人蕉、香蒲及稻杆进行稀硫酸水解，以获得相应的碳源提取液。正 交实验表明：稀酸浓度的提高和水解时间的增加都会导致碳源释碳能 力的提高，稻杆在5 稀硫酸溶液中水解3 0 m i n 以上，释碳能力最高。 根据正交试验的结果，稻杆提取液被选作湿地脱氮实验的外加碳源。 在实验室构建的小试人工湿地装置及水平潜流人工湿地装置中，碳源 提取液分别经计算后投入进水中，观察不同c o d n 比值下脱氮效率 的变化。 小试实验表明：前2 d 是系统脱氮反应高峰时段。对以n h 4 + 一n 和n 0 3 - - n 为氮源的脱氮过程，随c o d n 升高，n 0 3 - - n 和t n 去除 率增长明显；而n h 4 + n 受溶解氧制约，去除有限；随c o d n 升高， 东华大学硕士学位论文 摘要 碳源对系统溶解氧的竞争进一步抑制硝化反应的彻底进行。而对以 n 0 3 - n 为氮源的反硝化过程，补充碳源对t n 和n 0 3 - n 的去除有明 显作用；t n 去除由5 4 提高到9 5 ，n o s - n 去除由4 8 提高到9 6 ； 中间产物n 0 2 - n 的积累与n o s - n 去除率有关；当n 0 3 - n 去除率较 高时，n 0 2 - n 无积累。此外，基质反硝化强度也随c o d n 升高呈上 升趋势，湿地填料细沙层的反硝化强度略高于碎石层。 在水平潜流人工湿地系统中，不同水力停留时间及进水c o d n 比值的组合效应被分别进行了模拟研究，以进一步证实补充碳源对提 升湿地脱氮效率的作用。实验表明：水力停留时间为4 天时湿地的脱 氮效率好于停留2 天时湿地的脱氮效率；随着c o d n 比值的调整溶 解氧的变化对n h 4 + - n 去除有着显著的影响。湿地进水c o d n 比值 为2 或4 时n h 4 + - n 去除率高于进水c o d n 比值为6 或9 时n h 4 + - n 的去除率。当进水中碳源含量有限时，n 0 3 - n 去除率往往较低，同 时n 0 2 - n 存在一定量的积累。总氮去除和n 0 3 - n 及n 0 2 - n 积累之 间存在着很明显的联系，且总氮去除率随着c o d n 比值升高而升高。 合理调整进水中的c o d n 比值对实现湿地最佳脱氮效果起着至关重 要的作用。 关键词：碳源提取液，c o d n 比，溶解氧，水平潜流人工湿地，脱 氮，硝化反硝化 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t e f f e c to fs u p pl y 矾gac a r b o ne x t r a c t 矾g s o l u t i o no nn i t r o g e nr e m o 、厂a li n h o r i z o n t a ls u b s l 7 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 a b s t r a c t h 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 dw e t l a n d sa r el o w c o s tt r e a t m e n ts y s t e m sw h i c hh a v e b e e ns u c c e s s f u l l ye m p l o y e dt or e m o v ec l a s s i c a lc o n t a m i n a n t sf r o mw a s t e w a t e r s ，s u c ha st h e o r g a n i cl o a d , n u t r i e n t sa n dp a t h o g e n s t h em a i np r o c e s s e so fn i t r o g e nr e m o v a li nt h eh 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 sa re n i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o n , a m m o n i a - v o l a t i l i z i n g , a d s o r p t i o na n dp l a n tu p t a k e n i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o ni sw i d e l ya c c e p t e da st h em a i np r o c e s s f o rn i t r o g e nr e m o v a l t h ed e n i t r i f i c a t i o np o t e n t i a li sc o n s i d e r e dt ob eh i g hi nt h eh 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 da si t sa n o x i ca n d a n a e r o b i ch a b i t a t s n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o ni sg r e a t l ya f f e c t e db yt h ea v a i l a b i l i t yo fe a s i l yd e g r a d a b l eo r g a n i c c o m p o u n d s o t h e rf a c t o r si n f l u e n c i n gn i t r o g e nr e m o v a li nc o n s t r u c t e dw e t l a n d sa r ep h ，d i s s o l v e d o x y g e n , t e m p e r a t u r ea n ds oo n t oe n h a n c et h e n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yi nh 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 d w e t l a n d , c a n n ai n d i c at y p h al a 醢f o l i aa n dr i c es t r a ww e r eh y d r o l y z e db yd i l u t es u l p h u r i ca c i d u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n st og e tr e l e v a n tc a r b o ne x t r a c t i n gs o l u t i o n s o r t h o g o n a lt e s ti n d i c a t e d t h a tt h ei n c r e a s eo fd i l u t ea c i dc o n c e n t r a t i o na n dt i m eo ft h eh y d r o l y s i sl e dt ot h ei n c r e a s eo fc o d c o n c e n t r a t i o n r i c es t r a wh y d r o l y z e di n5 d i l u t es u l p h u r i ca c i do v e r3 0m i n u t e sh a dt h eh i g h e s t c o dc o n c e n t r a t i o n a c c o r d i n gt ot h e r e s u l to fo r t h o g o n a lt e s t ，r i c es t r a ww a sc o l l e c t e df o rt h e p r e p a r a t i o no fc a r b o ne x t r a c t i n gs o l u t i o n i nt h el a b s c a l ec 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 , a f t e rc a l c u l a t i o n , r i c es t r a we x t r a c t i n gs o l u t i o nw a sa d d e dt o t h ei n f l u e n ta tv a r i o u sc o n c e n t r a t i o n st oa c c e s st h ee f f e c to fc o d nr a t i oo nn i t r o g e nr e m o v a l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h er e m o v a lr a t eo fn i t r o g e nw a s h i g hi nt h ei n i t i a l t w od a y so ft h ee x p e r i m e n t t h er e m o v a l so fn i - 1 4 + - na n dt no b v i o u s l yi n c r e a s e da st h ec o d n r a t i oi n c r e a s e dw h i l en i - 1 4 + - nw a sc o n t r o l l e db yd oa n di t sr e m o v a lw a sl i m i t e d c a r b o ns o u r c e i i i 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t f u r t h e rr e s t r a i n e dr e a c t i o no fn i t r i f i c a t i o nb yc o m p e t i t i o nf o rd o a d d i n gc a r b o ns o u r c e s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e dt h er e m o v a lo ft na n dn o f - n w i t ht h er e m o v a lo ft ni n c r e a s e df r o m5 4 t o9 5 a n dt h er e m o v a lo fn 0 3 - ni n c r e a s e df r o m4 8 t o9 6 t h ea c c u m u l a t i o no fi n t e r m e d i a t e p r o d u c t n 0 2 。- n ”w a sd e p e n d e n to nt h er e m o v a lr a t eo fn 0 3 - n w h e nt h er e m o v a lo fn 0 3 - n w a sr e l a t i v e l yh i g h , n oa c c u m u l a t i o no fn 0 2 - nw a sf o u n d f u r t h e r m o r e ，d e n i t r i f i c a t i o ni nm a t r i x s h o w e da ni n c r e a s i n gt e n d e n c ya st h ec o d nr a t i oi n c r e a s e da n dd e n i t r i f i c a t i o ni nt h ef i n es a n d l a y e rw a sr e l a t i v e l yh i g h e rt h a nt h a ti nr u b b l el a y e r i nt h eh 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 dw e t l a n d , c o m b i n a t i o n so fd i f f e r e n th y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ( h r t , e s p e c i a l l yf o re - d a ya n da - d a y ) a n dd i f f e r e n ti n f l u e n tc o d nr a t i o sw e r e d e s i g n e dt op r o v et h ee n h a n c e m e n to nn i t r o g e nr e m o v a lb yc a r b o ns o u r c es u p p l e m e n t t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sh i g h e ri nt h ec o n d i t i o no f4 - d a yh r tt h a ne - d a y h r ti nc o n s t r u c t e dw e t l a n d ；t h ev a r i a t i o no fd oc o n c e n t r a t i o nw i t hc o d nr a t i o sh a d s i g n i f i c a n te f f e c to nt h er e m o v a lo fn h 4 + - n n h 4 + - nr e m o v a le f f i c i e n c i e si nt h ew e t l a n d sw i t h l o wc o d nr a t i o s ( 2a n d4 ) w e r eh i g h e rt h a nt h o s ew i t hh i g hc o d nr a t i o s ( 6a n d9 ) ；al o w i n f l u e n tc o d nr a t i oc a u s e di n c o m p l e t ed e n i t r i f i c a t i o n , a n dt h ea c c u m u l a t i o no fn 0 2 0 no c c u r r e d w h i l et h en 0 3 - nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sr e l a t i v e l yl o w ；s t r o n gr e l a t i o n s h i p se x i s t e db e t w e e nt n r e m o v a la n dt h ea c c u m u l a t i o no fn 0 3 - na n dn 0 2 - n ，a n dt nr e m o v a le f f i c i e n c yi n c r e a s e dw i t h t h ec o d nr a t i o s a p p r o p r i a t ec o n t r o lo fc o d nr a t i oi nt h ei n f l u e n tw a sc r u c i a lt oa c h i e v et h e o p t i m a ln i t r o g e nr e m o v a li nt h ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：c a r b o ne x t r a c t i n gs o l u t i o n , c o d nr a t i o ，d i s s o l v e do x y g e n , h 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 , n i t r o g e nr e m o v a l ，n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n 东华大学硕士学位论文目录 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 人工湿地概述2 1 2 1 人工湿地的定义及类型2 1 2 2 人工湿地国内外研究热点3 1 2 3 人工湿地研究中存在的问题一5 1 3 潜流人工湿地的脱氮现状6 l - 3 1 湿地脱氮机理一6 1 3 2 影响湿地脱氮的主要因素6 1 3 3 提高脱氮效能方法研究8 1 4 反硝化脱氮的研究现状1 1 1 4 1 反硝化碳源的分类及特点1 1 1 4 2 反硝化碳源的应用及补充途径1 2 1 4 3 影响湿地反硝化脱氮的主要因素1 3 1 5 研究目的、内容及意义1 7 1 5 1 研究目的1 7 1 5 2 研究内容，1 8 1 5 3 研究意义一18 1 5 4 技术路线1 9 1 6 论文创新点2 0 第二章实验装置与方法2 1 2 1 实验装置的构建2 1 2 2 实验内容及步骤2 2 2 2 1 碳源提取液的制备2 2 2 2 2 小试装置中补充碳源对脱氮效果的影响研究2 3 2 2 3 水平潜流人工湿地中补充碳源对脱氮效果的影响研究2 3 2 2 4 基质反硝化强度的测定实验2 4 2 3 水质监测项目及分析方法2 5 第三章不同处理方式下碳源提取液的研究3 2 3 1 实验设计3 2 3 2 不同碳源稀硫酸水解的正交试验研究3 3 3 3 小试装置中不同c n 比迸水时的脱氮效果分析3 5 3 4 反硝化过程中c n 比对提高脱氮效果的有效性3 8 3 5 本章小结4 0 东华大学硕士学位论文 目录 第四章补充碳源提取液对水平潜流人工湿地脱氮影响研究4 2 4 1 以硝态氮为氮源的脱氮过程中提高c o d n 比对脱氮的影响4 3 4 1 1 实验设计4 3 4 1 2 不同c o d n 比进水的反硝化效果4 4 4 1 3 沿程碳源分布及其浓度分析5 1 4 1 4 沿程水质指标插值模拟研究5 3 4 2 以氨氮和硝态氮为氮源的脱氮过程中提高c o d n 比对脱氮的影响5 6 4 2 1 实验设计5 6 4 2 2 溶解氧和进水c o d n 比对硝化作用影响5 7 4 2 3 湿地系统各形态氮浓度变化和去除效果分析6 1 4 3 本章小结6 5 第五章结论与建议6 7 5 1 结论6 7 5 2 建议6 8 参考文献6 9 攻读学位期间主要学术成果7 5 致 谢7 6 东华大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水是一种极为宝贵的具有多种用途的自然资源，是维系人类生存和保证社会 经济发展的最基本的物质条件之一。我国是一个水资源严重短缺的国家，水资源 占世界总量的8 ，却维系着占世界2 1 5 人口的生存，因此水资源短缺问题己 成为国家经济社会可持续发展的严重制约因素。据水利部统计，截止2 0 0 7 年， 全国6 6 0 多个城市中有4 0 0 多个存在不同程度的缺水问题，其中有1 3 6 个缺水情 况严重。过去缺水城市主要在华北地区和长江以北的沿海城市，近年来南方城市 也相继出现缺水问题，如深圳、海口、三亚、杭州、宁波等城市。江苏、广东、 上海等一大批省市已经面临日益严重的“水质污染型”缺水。2 0 0 0 年北方地区百 年不遇的大旱，使许多水库河流出现从来没有过的断流和枯干，城市供水出现了 前所未有的紧张局面，天津等不少城市用水告急。预计2 0 1 0 年后，我国将进入 严重缺水期。水资源短缺会严重影响工农业生产和城市建设。 我国不仅是一个水资源短缺的国家，且水资源在地区分布上极不均匀，水的 供需矛盾十分突出。另一方面，水质污染和水资源浪费现象亦十分严重。特别是 随着人类社会的进步，工业迅速发展，人口大量增加，人们对水资源的需求日益 增长。随之而来的水环境污染问题络绎不绝，大量生产和生活废水、废弃物、有 毒化学物品等不经处理排入水体，造成水质变差，水体生态环境日益恶化的局面。 大量的污染排放也使得我国很多流域的生态环境遭受了重创。全国9 5 万千米河 流，有1 9 万千米受到污染，0 5 万千米受到严重污染。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1 2 1 。全国七大流域中，太 湖、淮河、黄河流域都有7 0 以上的河段受到污染；海河、松辽流域污染也相 当严重，污染河段占6 0 以上。因此，治理并保护我国水环境己到了刻不容缓 的地步，急需我们寻找切实、有效的方法和途径来应对日趋严重的水环境问题。 针对我国目前水环境污染问题的特点，未来2 0 年污染源将主要是生活污水 和面源污染，污染物将以有机污染为主，主要污染物为氨氮、磷及“三致”污染物 3 1 。为了降低水体污染带来的各种危害，开发、研究和应用新型废水处理工艺和 东华大学硕士学位论文第一章绪论 技术，已成为各国水污染控制工程领域研究的重要课题，人工湿地系统正是顺应 这一要求而发展起来的一种简便、有效的生态工程污水处理技术h 3 。 1 2 人工湿地概述 1 2 1 人工湿地的定义及类型 湿地系统是分布于陆生生态系统和水生生态系统之间具有独特水文土壤、植 被和生物特征的生态系统。湿地系统可以分为自然湿地系统和人工湿地系统两类。 人工湿地是根据自然湿地净化污水的原理，通过人工建造和监督控制来强化其净 化能力的污水处理系统。人工湿地对污染物的净化主要通过植物、填料和微生物 之间的物理、化学和生物作用实现，其中微生物群体是维持湿地生态系统和实现 生态净化功能重要组成部分，大量的有机物和氮素均通过微生物作用去除。 按照湿地系统内部水流方式的不同，人工湿地主要分为以下三种类型：表面 流人工湿地( 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 ，缩写为s f c w ) 、水平潜流人工 湿地( h 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 dw e t l a n d ，缩写为h s f c w ) 、垂直流 人工湿地( 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 ，缩写为v f c w ) 。下图按水流方式 对人工湿地系统进行了分类。 表 面 流水 人 平 工 潜 湿 流 地久 工 潜 谴 流 地 人 工 垂 疆 直 土乜 潜 流 人 工 湿 地 图1 1 人工湿地系统按水流方式分类 f i g 1 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n d sb yf l o wm o d e 2 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 表面流人工湿地 表面流人工湿地的水面位于湿地基质层以上，以推流式前进。表面流人工湿 地不能充分利用填料和丰富的植物根系作用，并且易受季节影响，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和有机污染物。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。 ( 2 ) 水平潜流人工湿地 污水从湿地一端水平流过填料床，并从湿地另一端流出。与表面流人工湿地 相比，水平潜流人工湿地可承受较大水力负荷和污染物负荷，并且由于污水在地 表下流动，可充分利用系统中微生物、植物、填料的协同作用更好地降解污染物。 此外，水平潜流人工湿地还具有卫生条件好、保温性能好、受气候影响条件小等 特点，是目前应用和研究比较广泛的一种湿地系统。水平潜流人工湿地的缺点是 供氧能力不足导致硝化能力不足。 ( 3 ) 垂直流人工湿地 在垂直流人工湿地中，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，氧气可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统。垂直流人工湿地的硝 化能力高于水平潜流人工湿地，可用于处理氨氮较高的污水。垂直流人工湿地由 于具有较高的净化效率和相对较小的占地面积等优点，越来越受到关注，也逐渐 成为研究的焦点。但是，其构造比较复杂，建造要求较高，并且对悬浮物去除率 不高。所以，常在垂直流人工湿地后接水平潜流人工湿地，以结合两者特点，发 挥各自优势，更好地去除污水中的污染物。 1 2 2 人工湿地国内外研究热点 人工湿地系统不仅在污水处理方面取得了卓越的成效，其对于整个湿地环境 的调控、生物多样性的的维系和保护等方面都有着积极的意义。作为一项重要的 生态工程技术，国内外的研究者们对其给予了高度关注和重视。近些年来，人工 湿地国内外研究热点和发展趋势主要有以下几方面： ( 1 ) 湿地脱氮作为湿地的重要功能之一，近年来越来越受到重视。由于氮 在湿地微生物作用下主要经硝化和反硝化作用去处，因此研究如何保证湿地硝化 和反硝化这一重要脱氮机制的畅通，仍是今后研究的重点。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 结合不同地区不同污水的特性筛选出抗性强、净化效果好的植物。并 研究植物的脱氮性能和脱氮机理，为进一步发挥植物在人工湿地中的作用，完善 人工湿地污水处理技术提供依据和手段。 ( 3 ) 已有基质材料的低孔隙度和易饱和的特点影响了人工湿地寿命，限制 了湿地的推广应用，因此，新型基质材料研发是今后基质研究的重点。合理利用 易得的天然材料，充分开发工业副产品或是人工合成新型材料，研制出吸附容量 大、截留效果好、性能长效持久的新型湿地基质材料，应用到人工湿地工程中， 提高人工湿地的去污净化能力。同时，针对不同基质的去污效果和基质成分在实 验前后的变化，对不同基质去污机理展开研究，同时进行不同基质对堵塞的影响 研究，将会是今后人工湿地基质研究中的主要内容。 ( 4 ) 运用各类计算机软件和数学模型对不同构造的湿地系统中污水的水力 学特性进行研究，探讨湿地容水体积、水力停留时间、水力负荷、出水量及水流 方式等同污水净化效果之间的耦合关系，以解释水力学特点对污水净化效果的影 响规律。同时研究合理的人工湿地构造及最优化的湿地运行条件，确立相关工程 参数，推算系统设计方程。 ( 5 ) 建立适合于不同地区、不同气候条件及不同水质特性的人工湿地数据 库将成为今后研究的重要内容。在此基础上，在人工湿地领域系统开展具有高对 比性的研究也将成为今后研究的一个重要方向。 ( 6 ) 碳源供应对反硝化有很强的影响作用。需要寻找可利用的碳源，以获 得更为有效的反硝化结果。同时可以考虑采用混合碳源的方法进行反硝化。新型 碳源的研究是目前反硝化脱氮方向的关注热点。对于异养反硝化细菌来说，在不 同形态的碳源中，固体碳源有其独特的优势：它们在充当碳源的同时还可以作为 反硝化细菌的生长载体。在脱氮过程中不需要额# 1 - 力h 可溶性有机物为反硝化菌群 的生长繁殖补充营养物质，可望解决传统工艺中所存在的外加碳源投加难以控制 的弊端，给反硝化生物创造一个稳定、易于维护的生存环境。正因此，固体碳源 的研究成为了反硝化脱氮研究工作的新热点。关于向人工湿地中选择投加外源碳 的种类、投加方式、投加量的多少、投加外碳源后氮素转化的动力学模型以及对 脱氮效果的影响等方面亟需开展大量的研究工作。 ( 7 ) 微生物是湿地污染物净化过程中主要参与者，在有机物、氮、磷去除 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 过程中发挥着重要的作用。分子生物学技术的发展为深入了解湿地生态系统中的 微生物的种群结构和群落动态提供了强大的技术手段。因此如何将湿地中污染物 的迁移转化与不同微生物种群的分布联系起来，深入了解湿地系统中微生物的作 用机制以及湿地中微生物、植物、基质问的协同作用，是当前研究的热点之一。 此外，抑制性毒物及有害物质的排入和积聚对湿地微生物生境、微生物的活性及 湿地氧环境也存在显著影响，需要进一步探究及分析。 1 2 3 人工湿地研究中存在的问题 目前对人工湿地净化机制的了解多基于“黑箱”理论，人们对人工湿地系统中 污染物的去除机理仍然缺乏了解，为保证湿地运行的稳定性以及污染物去除的高 效性，在以下几个方面仍需要进一步的研究和探讨。 ( 1 ) 作为一项新型污水处理工艺推广应用，还有许多工作有待于进一步开 展。由于影响湿地系统的因素繁多，受气候及地域条件影响较大，人们对污染物 在湿地系统中的迁移转化规律的认识尚不充分，人工湿地设计的可移植性不强。 而且由于目前对人工湿地的研究没有统一的对比标准，人工湿地的规模和类型千 差万别，诸多研究成果缺乏可比性。 ( 2 ) 人工湿地占地面积比传统污水处理工艺大2 - - , 3 倍。此外，在冬季温度 很低的北方，对人工湿地系统的处理效果影响很大。另外，随着时间推移，湿地 产生淤积、阻塞现象将影响水的复氧及流速，从而影响微生物的活性，继而最终 影响整个处理效果。而且，人工湿地也易受病虫害的影响，需要对水生植物进行 定期管理以避免蚊蝇滋生等问题的衍生。 ( 3 ) 目前人工湿地运行参数的取得，大多为短期的实验或监测结果，并不 能比较全面反映整个人工湿地系统运行的情况。因为随着时间的推移，人工湿地 对氮、磷等污染物的去除效果在不断发生变化，并且受到各种因素的交叉影响。 因此需要探寻更先进的技术手段，对人工湿地进行长期连续的动态监测。同时也 需要加强对人工湿地后续运行管理的研究，促进其健康、稳定、持续运行。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 潜流人工湿地的脱氮现状 1 3 1 湿地脱氮机理 人工湿地中，氮的去除方式包括挥发、氨化、硝化反硝化、植物吸收和基 质吸附。其中微生物硝化反硝化是潜流人工湿地中主要的脱氮机制，主要原因 是湿地为微生物创造了良好的硝化反硝化环境【5 】。湿地中氮的去除分两步进行： 第一步是氨氧化成硝酸，即硝化作用；第二步是硝酸还原成n 2 0 或n 2 ，即反硝化 作用。硝化作用是好氧过程，主要由亚硝化细菌和硝化细菌来完成；而反硝化过 程则在缺氧条件下由反硝化细菌来完成。在s a n t e e 的报道中，硝化反硝化除氮量 占氮去除总量的6 0 - - 一8 6 t 6 1 。 目前，在一些前沿性的研究中短程硝化反硝化和厌氧氨氧化等新的脱氮工艺 逐渐受到关注。短程硝化反硝化能在亚硝化菌的作用下，把氨氮氧化成n 0 2 ，然 后直接进行反硝化，在节约能耗、降低处理费用的同时，更有效地提高了硝化和 反硝化的能力。此外，国外已有学者试图将厌氧氨氧化菌群引入湿地，以解决溶 解氧限制硝化的问题，同时也可充分利用湿地内部的缺氧环境来提升脱氮效率。 厌氧氨氧化菌在氧气缺乏的条件下利用氨、氢、有机物作为电子供体，将亚硝酸 盐还原为氮气，比全程硝化减少6 3 需氧量【_ 7 1 。已有研究证实在氧有限的环境里， 好氧硝化菌和厌氧氨氧化菌能共生【引。 1 3 2 影响湿地脱氮的主要因素 ( 1 ) 温度与季节的影响 温度对潜流湿地脱氮性能的影响主要有两方面，一是对微生物的影响，二是 对植物的影响。在较低温度条件下( 一8 18 。c ) ，氮的去除能力只有3 - - 一1 5 t 9 1 。 一般硝化作用的最佳温度范围是3 0 - - 一4 0 。c ；反硝化作用的最佳温度范围是1 5 3 0 。c 。此外k u s c h k 等研究发现，氮的去除率在春、秋季与氮的负荷呈线性关 系，而冬夏季却与氮的负荷无关。另一方面，温度变化对植物影响明显，植物在 冬季摄氮明显低于夏季。冬季温度降低，植物枯萎死亡，停止吸收并且逐渐向系 统中释放氮，由于微生物活性降低，不能及时将植物和微生物释放出的氮降解掉， 导致系统脱氮效率降低。 6 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 溶解氧的影响 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ，d o ) 是潜流湿地脱氮过程中最为主要的限制性 因素。一般来说，潜流湿地内植物和大气的复氧作用较弱，系统内通常整体是厌 氧的，氧化还原电位小于3 0 0 m v 。而微生物脱氮过程对氧含量的要求有很大差异， 硝化是一个需氧过程，反硝化、厌氧氨氧化则是厌氧过程，单一的氧环境导致湿 地内生物脱氮过程不畅。通常适于硝化反应的d o 应该高于2 m g l ，否贝, t j d o 将成 为反应的限制因素，同时0 2 m g l 被认为是硝化发生的最低d o 要求；另外，反硝 化反应的d o 应控制在0 5 m g l 以下，高于该值反硝化作用将受到严重抑制。有研 究表明，利用通气管对湿地系统内部进行复氧，能极大增强系统硝化能力，提高 有机物和氮的去除效果。 ( 3 ) p h 的影响 p h 值是影响微生物脱氮作用的一个重要因素，微生物的生命活动只有在一 定的p h 值条件下才能发生。一般地，氨化作用的最佳p h 值范围是6 5 - - - 8 5 ，硝化 作用的最佳p h 值范围是7 5 - - - 8 6 ，而反硝化作用的最佳p h 值范围是7 8 【1 2 】，在这 个p h 值条件下，反硝化速率最高。p h 值过高或者过低都会影响反硝化的进行。 ( 4 ) 重金属 随着基质容纳重金属离子的“饱和”，以水溶态和交换态存在的重金属离子就 会对反硝化等微生物过程产生抑制作用，削弱除氮功能。l i me e 等人研究结果 表明1 3 】：不同重金属对n 的去除率影响不同，c d 、p b 和z n 对氨氮的去除率都有 抑制作用，随着它们在污水中负荷的增加氨氮的去除效率不断下降，它们对系统 氨氮去除率的抑制作用强弱顺序是：c d p b z n 。 ( 5 ) 水力停留时间 一般随水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，h r t ) 的延长，污水中的 氮能与湿地内的微生物及基质发生充分接触，因而脱氮效率也会随之上升。王世 和等人【1 4 1 的相关研究表明，当水力停留时间在1 3 d 时，氨氮去除率只有5 1 1 - - 5 6 0 ，停留时间为5 d 时，氨氮去除率达到最大值6 5 3 。但h r t 过长，可能会 导致污水的滞留和厌氧。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 提高脱氮效能方法研究 1 3 3 1 湿地植物与基质的选择 对潜流湿地而言，其植物选择主要从提供系统溶解氧含量和微生物附着点来 考虑。此外，如果湿地以脱氮为主要功能，那么植物吸附脱氮的能力也很重要。 因此，在植物甄选时，应该选择地上生物量较大、根系发达、针对不同形式氮都 有较强吸收能力的植物。像芦苇的根系深度为6 0 - - 一7 0 c m ，适应种植于多数潜流 人工湿地中。另外，像菖蒲和水葱都属于深根散生型植物，抗逆性强，具有很好 的景观效应且能安全越冬，适合配种于潜流人工湿地。 基质的存在对微生物数量有着直接的影响，而通过微生物代谢过程进行硝化 一反硝化是人工湿地脱氮的主要途径。有些基质由于疏松、通气性好、比表面积 大，有利于空气中的氧气进入湿地，为硝化细菌提供充足氧气，有利于硝化作用 除氮；而一些多孔基质由于含水率高，能使湿地形成厌氧环境，有利于反硝化作 用除氮；靳同霞等【1 5 1 人在研究中发现，两种湿地的填料表层和底层的氨氮去除 率均高于中层填料，其原因应是，表层填料中溶解氧含量高，有利于硝化反应； 底层溶解氧含量低，有利于反硝化反应进行；因此，通过选择合适基质进行层级 配置，使得湿地中形成上层以硝化菌为主的硝化反应区和下层以反硝化菌为主的 反硝化区，将有利于提高湿地脱氮效率。一般应该选择比表面积大、多孔、通透 性好、吸附能力强的基质，以创造良好的水力条件，为微生物提供良好的栖居环 境，增强湿地系统的截污能力和脱氮效果。刘慎坦等【1 6 】人通过对组合基质和煤 渣基质人工湿地的脱氮效果对比研究，发现组合基质人工湿地脱氮效果更好。其 原因在于基质类型对人工湿地中硝化菌和反硝化菌的数量和空间分布有较大影 响；在上层，组合基质人工湿地硝化细菌数是煤渣基质人工湿地的2 8 倍；而在 下层，反硝化细菌数是煤渣基质人工湿地的1 8 倍。充裕的硝化和反硝化菌是湿 地脱氮的重要保证。 基质除了作为微生物生长繁殖的场所以及为微生物脱氮提供良好环境外，基 质自身还能通过吸附和过滤作用除氮。其中，沸石显示出比砾石和碎石都要好的 去除效果。李旭东等【1 7 1 研究发现，在同样的进水水质和水力负荷下，沸石床在 脱氮方面明显优于砾石床。s t e f a n a k i s 等【】8 】人通过两组湿地对比投加天然沸石( 斜 发沸石) 前后的去污效果，结果显示脱氮率接近8 0 。此外研究发现，当沸石粒 8 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 径为1 6 - 3 0 m m 时，氨氮的去除率可以达到7 8 左右【1 9 】；尹连庆等【2 0 l 研究了粉煤 灰对生活污水的去除，结果表明粉煤灰湿地对c o d 、s s 、氨氮均具有良好的去 除效果。此外，聂发辉等人【2 1 1 研究又发现，蛭石的饱和吸附量达2 0 8 3 m g l ，超 过现在使用广泛的沸石，因此可考虑使用蛭石作为基质来提高脱氮效果。此外， 通过多种基质的合理搭配所产生的互补效应，也可以提高湿地基质层的去污能力。 徐丽花等【2 2 】通过研究沸石、沸石石灰石、石灰石三种填料的净化能力，发现沸 石和石灰石混合使用不会降低沸石吸附氨氮的能力，