（环境工程专业论文）农田径流人工湿地处理中磷的去除研究.pdf

南大学硕十论文摘要 农田径流人工湿地处理中磷的去除研究 环境工程专业硕士研究生刘波 指导教师陈玉成教授 摘要 随着点源污染治理力度的加大，面源污染的控制逐渐成为削减外源污染负荷的关键。而 农田径流携带的污染物是农业区面源污染的重要组成部分，外源磷输入是导致湖泊、河流和 海洋等水体富营养化的重要因素。因此控制农田径流携带的磷对于污染防治和富营养化风险 的削减具有重要的意义。人工湿地最初是用来处理城镇生活污水和农村污水的，以去除b o d 5 和s s 为主，随着n 、p 标准的提高，关于人工湿地的研究逐步转向了对污水中t n 、1 1 p 去除 的研究。目前，人们对人工湿地处理污水方面开展了很多的研究，为人工湿地的推广和应用 提供了理论基础，但关于人工湿地处理农田径流方面的研究较为缺乏。据此，本研究通过静 态试验分析了重庆常见的4 种人工湿地填料对磷的吸附特征，从动力学和热力学的角度探讨 了人工湿地填料除磷的机理，为填料的选择提供理论依据；通过长期定点监测的方式调夯分 析了农田径流污水水质特征，并在此基础上通过中试模拟的方式，对人：【湿地处理农田径流 中磷作了重点分析和研究，最后通过模拟暴雨径流分析了人工湿地抗氮磷冲击负荷的能力。 结果表明，农田径流各指标的浓度变化基本无规律，在本试验条件下农田径流中总氮基 本由硝态氮和铵态氮组成，两者平均值接近1 ：1 ；总磷主要成分是可溶性磷，占总磷的8 8 5 1 ； t n ，n h 4 n 、n 0 3 n 、t p 、d p 的浓度范围分别为0 5 3 1 2 1 1 ，0 3 0 1 2 9 、0 1 8 2 6 7 ， 0 0 4 5 - - 0 6 8 8 ，0 0 4 0 4 ) 6 6 4m g l 。以地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中三级标准作标 准，采用n e m e r r o w 指数评价方法对农田径流污水作评价分析可知零肥料与农药处理农田径流 污水达到轻度污染程度，而常规肥料与农药处理达到了严重污染的程度，因此，农田径流污 染应给予高度关注。 l a n g m u i r 和f r e u n d l i e h 等温吸附方程均能很好地描述4 种填料对磷素的吸附过程，其磷 素理论饱和吸附量大小顺序依次为石灰岩 河沙 页岩 紫色土，分别为6 6 6 6 7 、5 0 0 0 0 、4 3 4 7 8 、 4 1 6 6 7 m g k g 。e l o v i c h 方程对拟合填料对磷素的等温吸附动力学特征最好( 序= 0 8 3 l o 9 6 6 ) 。 从饱和填料对磷的解吸率来看，4 种填料释磷风险为河沙 页岩 石灰岩 紫色土。4 种填料对 磷的吸附都是自发进行的，主要为物理吸附。从磷素的最大吸附容量、吸附速率、释磷的安 全性评价方面综合考虑，石灰岩更适合作为人工湿地填料。 3 种人工湿地系统对农田径流中磷均有很好的削减作用，在本研究条件下出水水质均达到 地表水i 类标准。t p 的去除率随停留时间的增加而提高，且在同一停留时间下3 个系统除磷 效果为风车草床 美人蕉床 无植物床。系统除磷的稳定性随停留时间的增加而更加趋于稳 南大学硕十论文摘要 定，用) 户韧时b 线性方程拟合系统总磷负荷率与其去除速率，风车草床、美人蕉床和无植物床 的关系式分别为：y i = 0 7 8 8 1 x l + 2 9 7 0 7 ( r 2 = 0 9 8 9 1 ) ：兕= o 7 2 9 9 x 2 + 5 1 3 8 6 ( = 0 9 6 8 0 ) ： 玢= 0 6 7 6 2 x 3 + 6 8 9 1 7 ( f = o 9 4 6 9 ) 潜流构造湿地t p 的去除满足一级推流反应动力学关系，风 车草床、美人蕉床、无植物床一级反应动力学常数k 分别为0 0 7 5 5 ，o 0 6 6 9 和0 0 4 4 ( 1 d ) ， 指数方程能较好地拟合1 1 p 的沿程动态去除情况，方程分别为m = o 8 9 0 5 e - o 。0 1 8 1 x 1 ( r 2 = 0 9 7 5 2 ) ，y ，= o 9 5 4 3 e - o 0 1 7 1 j 2 ( f = 0 9 8 1 2 ) ，儿= 1 0 0 4 8 e _ 0 0 1 5 7 朋( d = 0 9 7 4 9 ) ，可为 实际工程设计提供参考。 潜流人工湿地能有效地用于暴雨径流中污染物的控制，具有较强的耐冲击负荷能力。无 植物床、美人蕉床和风车草床对暴雨径流中t p 有较好削减作用。植物在整个径流污染负荷削 减过程中具有重要作用。当平均水力负荷为5 9 7 3 3 c m d 时，系统对t p 的去除效果为风车草床 美人蕉床 无植物床。系统对1 1 p 的平均去除率分别为5 7 0 5 6 、5 4 6 2 3 、4 8 2 3 2 ：比较 而言风车草床的控制效果相对较好。在暴雨径流过程中，t p 和t n 出水浓度随时间呈现出缓 慢升高，缓慢回落的趋势。植物在人工湿地系统中具有重要的作用，对于去除t n 来说：系统 中美人蕉和风车草贡献率分别为1 0 3 6 8 和1 3 3 5 5 ；对于除t p 来说：系统中美人蕉和风车草 贡献率率分别为1 1 1 8 7 和1 4 1 4 5 。但主要去除途径都还是填料作用。 关键词：农田径流，人工湿地，磷 i l 南入学硕十论文 a b s t r a c t r e m o v a lo fp h o s p h o r u sf r o mf a r m l a n dr u n o f f b y c o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e m c a n d i d a t ef o rm a s t e rd e g r e e ：l i ub o s u p e r v i s o r ：p r o f c h e ny u c h e n g a b s t r a c t a st h ei n c r e a s i n go fp o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a r n e s s ，t h ec o n t r o lo fn o - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a s g r a d u a l l yb e c o m et h ek e yo fi n d u c i n go u t s i d ep o l l u t i o nl o a d i n g w h i l et h ep o l l u t i o no ff a r m l a n d r u n o f fw a sa l li m p o r t a n ta p a r t m e n to ff a r m l a n dn o - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，i n p u to fe x o g e n o u s p h o s p h o r u sw a sak e yf a c t o rt h a tr e s u l t si ne u t r o p h i c a t i o no f w a t e rb o d yo fl a k e s ，r i v e r s ，o c e a n ，e t c s o ，t h ec o n t r o lo fp h o s p h o r u sf r o mf a r m l a n dn o p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a sa ni m p o r t a n tv a l u ef o r p r e v e n t i n gp o l l u t i o na n di n d u c i n ge u t r o p h i c a t i o nr i s k s c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，m a i n l yr e m o v a lb o d a n dc o dh a db e e nu s e di nt r e a t i n gc i t ys e w a g ea n dr u r a ls e w a g e ，a si m p r o v e m e n to fs t a n d a r d sf o rn a n dp ，t h er e s e a r c ho fc o a s t r u c t e dw e t l a n dg r a d u a l l yt u r ni n t ot na n dt po fs e w a g e a tp r e s e n t ，t h e r e h a sm a n l yr e s e a r c ha b o u tc o n s t r u c t e dw e t l a n df o rt r e a t i n gs e w a g et h a tp r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i so f a p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o n ，b u tt h e r eh a sr e l a t i v e l yl a c k i n ga b o u tt r e a t i n gf a r m l a n dr u n o f f h e r e b y , a d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i co ff o u rk i n d sf i l l e ro fc o n s t r u c t e dw e t l a n dw a sa n a l y s i s e db ya d s o r p t i o no f s t a t i c t h em e c h a n i s mo fr e m o v a lp h o s p h o r u sf r o mf i l l e rh a sb e e nr e s e a r c h e db yt h ew a yo f d y n a m i c sa n dt h e r m o d y n a m i c s t h es e w a g ec h a r a c t e r i s t i co ff a r m l a n dr u n o f fh a sb e e ns u r v e y e da n d a n a l y s i s e db yl o n gt e r mf i x e d - p o i n tm o n i t o r i n g o nt h i sb a s i s ，t h er e m o v a lp h o s p h o r u sf r o m f a r m l a n dr u n o f fi nc o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sb e e nk e ys t u d yb yl a br e s e a r c h a tt h es a m et i m e , p h o s p h o r u st r e a t m e n ti ns t o r mr u n o f fh a sb e e ns t u d yb yu s i n gt h ew a yo fs i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc h a n g eo fp o l l u t ei n d e xi nf a r m l a n dr u n o f fh a sn o ts h o w e di t s e l far u l e ， t ni nf a r m l a n dr u n o f fh a sb e e nc o n s t i t u t e db yn 1 - 1 4 - na n dn 0 3 n ( p r o p o r t i o nr a t i ow a sl ：n s o l u b i l i t yp h o s p h o r u s ，a c c o u n tf o r8 8 51 ，w a sam a i n l yp r o p o r t i o no ft o t a lp h o s p h o r u s t h e c o n c e n t r a t i o n r a n g e o ft n ，n i - h - n ，n 0 3 - n ，t p , d pw a s0 5 3 12 1 1 ，0 3 0 - 1 2 9 ，0 18 以6 7 ， o 0 4 5 4 ) 6 8 8 ，o 0 4 0 - - 0 6 6 4 m g l ，r e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h r e es t a n d a r d so fg b 3 8 3 8 - 2 0 0 2a n d t a k i n gn e m e r r o wi n d e xa se s t i m a t em e t h o d ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tf a r m l a n dr u n o f fb yb l a n k d i s p o s e da r r i v e da tl i t t l ep o l l u t i o n ，b u tf a r m l a n dr u n o f fb yg e n e r a ld i s p o s e da r r i v e da tb a d l yp o l l u t i o n s ot h ep o l l u t i t o no ff a r m l a n dr u n o f fm u s tb eh i g ha t t e n t i o n 。 t h eb e h a v i o r so fp h o s p h o r u sa d s o r p t i o nt os u b s t r a t e sc a nw e l lb ef i t t e dt ob o t hl a n g m u i ra n d f r e u n d l i c hi s o t h e r m a la d s o r p t i o ne q u a t i o n s t h ep h o s p h o r u sa d s o r p t i o nc a p a c i t yo ff o u rs u b s t r a t e s i i i 南大学硕十论文 a b s t r a c t f o l l o w e dt h a tl i m e s t o n e ( 6 6 6 6 7 m g k g ) r i v e rs a n d s ( 5 0 0 0 0 m g k g ) s h a l e ( 4 3 4 7 8 m g k g ) p u r p l e ss o i l ( 416 6 7 m g k g ) e l o v i c he q u a t i o n sc o u l db ea c c u r a t e l yf i t t e df o rd e s c r i b i n ga b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i co ff o u rs u b s t r a t e s ( = 0 8 31 - 4 ) 9 6 6 ) t h er a t eo fs a t u r a t e ds u b s t r a t e sp h o s p h o r u s d e s o r p t i o nf o l l o w e dt h a tr i v e rs a n d s ( 4 2 5 7 ) s h a l e ( 3 8 0 3 ) l i m e s t o n e ( 3 6 3 8 ) p u r p l e s s o i l ( 2 13 4 ) t h ep h o s p h o r u sa d s o r p t i o np r o c e s so ff o u rs u b s t r a t e sw a sas p o n t a n e o u sp r o c e s s ( a g ” c a n n al i l y b e d b l a n kb e d t h er a t i oo fr e m o v a lp h o s p h o r u sa n di t sl o a d i n gh a sb e e nf i t t e db yt h el i n e a r e q u a t i o n ( 尸时6 ) t h a t y l = 0 7 8 8 1 x 1 + 2 9 7 0 7 ( r 2 = o 9 8 9 1 ) ，y 2 = 0 7 2 9 9 x 2 + 5 1 3 8 6 ( = 0 9 6 8 0 ) ， 弦= o 6 7 6 2 x 3 + 6 8 9 1 7 ( r 2 = 0 9 4 6 9 ) ，r e s p e c t i v e l y t h er e m o v a lp h o s p h o r u so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d c o l u db e e nf i t t e db yf i s tp u s h i n gk i n e t i c se q u a t i o n f i s tk i n e t i c sc o n s t a n to f3k i n d so fc o n s t r u c t e d w e t l a n dw e r e0 0 7 5 5 ，0 0 6 6 9a n d0 0 4 4 d 一，r e s p e c t i v e l y t h ed y n a m i cp a t ho fr e m o v a lp h o s p h o r u s c o u l db e e nf i t t e d b ye x p o n e n t i a le q u a t i o n t h a t m = o 8 9 0 5 e 卸删x 1 ( n 2 = 0 9 7 5 2 ) ， y 2 = 0 9 5 4 3 e 加舵( n 2 = 0 9 8 12 ) ，儿= 1 0 0 4 8 e 卸0 1 5 7 x 3 ( 萨：0 9 7 4 9 ) ，r e s p e c t i v e l y i tc o u l d p r o v i d et h e r e f e r e n c eo fp r a c t i c a lp r o j e c td e s i g nb e c a u s eo ft h es i g n i f i c a n to fe q u a t i o nc o r r e l a t i o n c o n s t r u c t e dw e t l a n dc o l u db ee f f e c t i v e l yu s e di nc o n t r o lp o l l u t a n to f s t o r mr u n o f fa n dh a das t r o n g l y a b i l i t yo ft o l e r a b l ei ns h o c kl o a d t h et o t a lp h o s p h o r u sc o l u db er e d u c e dc y p e r u sa l t e r n i f o l i u sb e d ， c a n n al i l yb e da n db l a n kb e di ns t o r mr u n o f f t h ep l a n to fc o n t r u c t e dw e t l a n dh a sa l li m p o r t a n t f u n c t i o nd u r i n gr e d u c eo fr u n o f f t h ec f f e c t i v eo fr e m o v a lp h o s p h o r u so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s h o w e dt h a tc y p e r u sa l t e r n i f o l i u sb e d c a n n al i l yb e d b l a n kb e da tt h ea v e r a g eh y d r a u l i cl o a d i n g o f5 9 7 3 3c m d ，t h er a t i oo fr e m o v a lp h o s p h o r u sw e r e5 7 0 5 6 ，5 4 6 2 3 ，4 8 2 3 2 ，r e s p e c t i v e l y c o m p a r a e dt oo t h e rb e d s ，c y p e r u sa l t e r n i f o l i u sb e dh a sb e t t e re f f e c t e f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r u ss h o w e dt h a ts l o w l yi n c r e a s ea n ds l o w l yf a l l b a c ki nt h ep r o c e s so fs t o r mr u n o f f t h e p l a n th a sa ni m p o r t a n tf u n c t i o ni nc o n t r u c t e dw e t l a n d ，f o rt h er e m o v a lp h o s p h o r u s ，t h ec o n t r i b u t i o n r a t i oo fc y p e r u sa l t e r n i f o l i u sa n dc a n n al i l yw e r e1 1 1 8 7 a n d1 4 1 4 5 ，b u tt h em a i nr e m o v a l a p p r o a c hi ss u b s t r a t e s k e y w o r d s ：f a r m l a n dr u n o f f , c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，p h o s p h o r u s i v 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：办f 坡 签字日期：钆呖歹多 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文： 保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：纠砍 签字日期：2 0 10 年0 6 月钿 溺磊密， 导师签名：陡厶叭 签_ - y - 日期：2 0 10 年0 6 月彦日 口 保护知识产权声明 本人完全了解西南大学关于对研究生在本校攻读学位期间撰写论 文的知识产权保护规定。本人撰写的论文是在导师具体指导下，并得 到相关研究经费支持下完成的。具体数据和研究成果归属于导师和作 者本人，知识产权单位属西南大学。本人保证毕业后，以本论文数据 和资料发表论文或使用论文工作成果时，需征得导师同意，并且署名 第一单位仍然为西南大学。 学位论文作者签名： 幺f 艇 签字日期：五吻年多月分日 两南大学硕+ 论文文献综述 第l 章文献综述 磷、氮是重要的生命元素，也是促进农业持续发展的根本要素。但是，磷氮肥料的投入， 带来了令人担忧的环境问题。近2 0 年来的研究统计表明，n ，p 非点源污染负荷已占受纳水体 污染负荷的5 0 以上，并对受纳水体产生严重影响( 包锡南，1 9 9 2 ；吴炳方。1 9 9 1 ；c a n t e r ， l - w ，1 9 8 6 ：c o o t e ，d r e ta l ，1 9 8 2 ：d o n i g i a n ，jr a s e ta l ，1 9 9 1 ) 。目前，面源污染引 起的湖泊水库富营养化问题也非常严重，如在巢湖、滇池、三峡库区的统计资料也表明，9 0 的悬浮物来自农田径流，n 、p 大部分来源于农田径流，可见农村非点源污染源在水体污染中 占据重要地位。调查显示( 汤承彬，1 9 9 7 ) ，降雨径流特别是暴雨径流形成的面源污染，已 经远远超过城市点源产生的污染量。而人工湿地具有独特而复杂的净水机理，作为一种高效 低耗的污水处理系统，人工湿地已经广泛运用于农村生活污水处理，重金属废水的处理，农 田暴雨径流的控制，河流及湖泊水体富营养化的控制，并取得了良好的效果。其诸多特点决 定了它尤其适合丁经济发展水平不高、能源短缺、技术力量相对缺乏的广大农村和中小城镇 地区，在我国当前的现实条件下更具有特别重要的意义。目前，人们对人工湿地处理污水方 面开展了很多的研究，为人工湿地的推广和应用提供了理论基础，但关于人工湿地处理农田 径流方面的研究较为缺乏，还处于起步阶段。 1 1 磷与面源污染 1 1 1 磷素的环境效应 污水中的磷主要以溶解态和颗粒态两种形式存在，可以分为：无机磷酸盐( h 2 p 0 4 、h p 0 4 厶， p 0 4 3 - ) 、聚合磷酸盐和有机磷化合物三种。其中无机磷酸盐主要来自于洗涤剂、暴雨径流等， 有机磷化合物主要来自于生物过程、生活污水中的食物残余和人畜排泄物、处理废水中的活 性或非活性生物。磷的环境效应具有两面性，一方面，磷是植物生长所必须的必要的营养元 素，是植物生长所不可或缺的，另一方面，磷素又是促成水体富营养化的关键因子，受磷污 染的水体，藻类人量繁殖，藻体死亡后分解会使水体产生霉味和臭味。许多种类还会产生霉 素，并通过食物链影响人类的健康。n 、p 是引起水体富营养化的主要元素，如今水体富营养 化已成为举世关注的问题。所以可以肯定的说，要控制水体富营养化，必须去除污水中的磷。 1 1 2 农业面源污染 按污染的发生类型，将水环境污染分为点源污染和非点源污染。非点源污染是指溶解的 或固体的污染物从不特定的地点，在降雨径流的淋洗和冲刷作用下汇入受纳水体，而引起的 水体污染，也可称为降雨径流污染，是发生在整个空间范围内的污染问题( b a s hn o v o t n yvc t a l ，2 0 0 7 ) 。 随着经济与技术的发展，以及人们环保意识的不断增加和污染治理水平的提高，点源污 染已得到明显的控制，但对城镇垃圾、农田化肥和农药等随雨水产生的地表径流进入水体的 非点源污染没有引起足够的重视。研究表明，污染物约有一半以上来自农村非点源，包括农 两南大学硕十论文文献综述 田污染、分散的养殖业污染和村镇污染等，它们通过降雨径流进入水体。非点源污染对区域 生态环境和人类健康形成了严重的危害，如降低水体生态功能；引起水体富营养化：污染饮 用水源等等。目前，我国非点源污染引起的湖泊水库富营养化问题也非常严重，如在巢湖、 滇池、三峡库区的统计资料也表明，9 0 的悬浮物来自农田径流，n 、p 大部分来源于农田径 流，可见农村非点源污染源在水体污染中占据重要地位。 1 2 人工湿地概述 从生态学上说，湿地是由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的填料以及水生生物所 组成，是一个具有较高的生产力和较大活性，处于水陆交接相的复杂的生态系统。相对于天 然湿地来说，人工湿地生态系统的群落结构和种群结构要简单得多，但其按照管理者意愿进 行污水处理的功能却更强。从自然调节作用看，人工湿地还具有强大的生态修复功能，不仅 在调节气候、降解污染物、提供水资源等方面发挥着重要作用，还能吸收二氧化碳氮、氧化 物、二氧化硫等气体，增加氧气、净化空气，消除光污染、城市热岛效应和吸收噪声等( 卢 观彬等，2 0 0 8 ) 。其主要是靠填料微生物植物复合生态系统通过物理，化学，生物三重作用 共同对污水进行高度的净化，强化了自然湿地生态系统的去污能力。作为一种高效低耗的污 水处理系统，人工湿地已经广泛运用于农村生活污水处理，重金属废水的处理，农田暴雨径 流的控制，河流及湖泊水体富营养化的控制，并起得了良好的效果。 1 3 人工湿地除磷的机理 磷的去除与人工湿地的类型无关，而受到其他多种因素的影响，因此去除效果一直不是 很理想( 籍国东，2 0 0 2 ) 。进入湿地系统中的含磷化合物主要包括有颗粒磷、溶解有机磷、和 无机磷酸盐、。湿地系统中的磷的形态不是固定不变的，而是随着湿地环境条件的变化而变化 的，在人_ t 湿地中，磷可以通过床体中的填料的吸附，过滤和各种磷酸盐的沉淀作用以及植 物体的吸收和微生物的同化作用而去除。 1 3 1 填料吸附沉淀 人工湿地除磷机理主要是化学作用、植物和藻类吸收、填料的吸附、与有机物结合、微 生物同化等，填料对磷的吸附被认为是最有效的机制( t a n n e rc ，1 9 9 9 ) 。它往往被认为是 磷的最终沉淀池。填料又称滤料，一般由土壤、细沙、粗砂、灰渣等构成，其在为生物和微 生物提供生长介质的同时，通过沉淀、吸附和过滤等作用直接去除污染物( t a n n e rc ，1 9 9 9 ； n i c o l ajc ，2 0 0 2 ；n a m i n gw a n g ，2 0 0 2 ) 。填料除磷的机理可分为物理去除和化学沉淀去除。 1 3 1 1 物理去除 物理除磷主要是指湿地系统中吸附在悬浮固体颗粒物上的磷通过沉积、截留等作用随悬 浮固体颗粒物存储于湿地内部的过程。沉积物枯枝落叶是天然湿地的主要( 9 5 以上) 储磷 场所( t a n n e rc ，1 9 9 9 ) ，有机质在填料中的积累是人工湿地去除磷的另一机制，在大多数 湿地中，有机质的一部分分解速率较为缓慢，以至于包含在有机质中的磷随着有机质而积累， 2 两南人学硕十论文文献综述 由此形成了湿地重要的物理“去除”过程。有的研究( n i c o l ajc ，2 0 0 2 ) 还表明湿地底层中累 积、腐败的植物残体仍具有吸附结合和促进共沉淀含磷化合物的作用，可以给人工湿地系统 带来新的磷吸附能力。 1 3 1 2 化学沉淀去除 填料的化学除磷指湿地系统中的磷通过吸附、沉淀作用使污水中的磷固定于湿地内的过 程。一般认为人工湿地系统对磷的去除途径主要是填料的吸附沉淀作用，r e d d y 等( 1 9 8 5 ) 在 研究中发现人工湿地系统中7 ，扣8 7 的磷是通过填料吸附沉淀作用而被去除的。 第一，污水流中的磷通过扩散作用而被吸附到填料的表面，并可沿填料表面孔道进一步 向其内部迁移。冈此，填料在某种程度上是作为一个“磷缓冲器”来调节污水中磷浓度的 ( n a m i n gw a n g ，2 0 0 2 ) 。 第二，由于填料表面电荷和表面电势的存在，使填料表面具有静电作用，故能吸附水体 中带负电的磷酸盐( 汤鸿霄，1 9 9 3 ) 。 第三，填料中大都含有丰富的铁、铝、钙、镁等活性物质。污水中可溶性磷酸盐容易与 填料中的c a 2 + 、f e ”、a 1 3 + 等金属氧化物、金属离子和氢氧化物以及粘十矿物通过配位体交换 作用发生吸附和沉淀反应，生成难溶性磷酸盐而固定下来( a r i a sca ，2 0 0 1 ) 。袁东海等( 2 0 0 5 ) 通过磷素等温吸附和磷素饱和吸附后磷素的形态变化试验，研究了凹凸棒七、蒙脱土、高岭 土、沸石和蛭石五种粘土矿物，以及黄褐土和下蜀黄土两种粘粒士壤中磷素的吸附净化性能 和机理，结果表明粘土矿物和粘粒士壤吸附净化磷素的机制主硬为化学机制，其吸附的磷素 大多转化为c a s p 、c a l o p 、f e p 和a i - p 等难溶的磷酸盐。 1 3 1 3 植物吸收 植物在人i t 湿地除磷过程中起着十分重要的作用，可分为直接净化作用和间接净化用。 直接净化作用是指植物通过吸收、吸附和富集等作用直接去除污水中污染物( c h e n gsp ， 2 0 0 2 ) 。间接净化作用是指植物根茎输送氧气，增强和维持填料的水力传输，影响水力停留 时间；而且根系巨人的表面积会附着大量微生物，根际会创造利于各种微生物生长的微环境 ( v y m a z a lje ta l ，2 0 0 2 ；w o o da ，1 9 9 5 ) 无机磷是植物生长所必需的营养元素，污水中可 溶性磷酸盐经植物的吸收和同化作用，被合成为a t p ，r n a 和d n a 等有机成分，通过收割植 物而去除。人工湿地植物群落中的植物组织的磷的质量分数和储存量，这二者和组织种类、 植物种类、季节以及培养液的质量浓度等因素有关( 高拯民等，1 9 9 0 ；谭风仪，1 9 9 9 ：b r i c k s h ，1 9 9 7 ；k i ms y ，2 0 0 1 ) 。k n i g h t 等( 2 0 0 3 ) 的研究表明在北美佛罗里达州1 3 个河湖的沉水 植物占主导的湿地系统，能长期的去除水中的磷，去除能力为p1 2 0 k g h m - 2 a - 1 。r e d d y 等( 1 9 8 5 ) 研究了凤眼莲等8 种水生植物净化污水的能力，结果发现，这8 种水生植物中，夏季去除磷效 果最好的是凤眼莲，冬季去除磷效果最好的是水鳖和浮萍。邓仕槐等( 2 0 0 7 ) 通过姜花人工 模拟湿地，采用畜禽养殖废水处理二级工艺出水进行处理，研究它们在处理过程中的脱氮除 磷效果。结果表明：有植物床的脱氮除磷效果好于无植物床，姜花根对氮的积累量最大，而 3 两南大学硕+ 论文文献综述 ! i i 曼邑皇皇曼曼曼曼曼曼皇量量曼曼曼曼量曼曼量舅曼皇曼皇曼曼曼量量曼鲁量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼罾置曼曼曼曼皇鼍曼皇量量曼皇曼曼皇曼葛曼舅曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼皇 对磷积累不明显。贾滨洋等( 2 0 0 8 ) 研究认为植物是湿地中重要的去污成分，根植丁= 填料层 中，不仅可通过自身的生长与繁殖，消耗大量有机污染物及无机物，还可通过植物的光合作 用为湿地填料中附着生长的微生物提供氧气。在湿地植物方面，研究主要集中于芦苇、香蒲、 菖蒲、美人蕉和灯心草等数种植物，对其它植物的去污研究不多。在国内，胡勇有( 2 0 0 6 ) 和陈志澄等( 2 0 0 6 ) 分别研究了1 4 种和2 7 种植物对c o d 、氮、磷的去除，并指出对c o d 的去 除能力不适合作为筛选湿地植物的指标，而应以氮、磷的去除率作为筛选指标，考察不同植 物净化效果的差异并据此开展筛选研究还需做大量工作，将仍是未来几年的研究重点。 1 3 1 4 微生物作用 磷的另一去除途径是通过微生物对磷的正常同化吸收、聚磷菌对磷的过量积累，通过对 湿地床的定期更换而将其从系统中去除。微生物对磷的作用包括正常吸收和过量积累。进入 构筑湿地系统中的含磷化合物主要包括颗粒磷、溶解有机磷和无机磷酸盐。无机磷化合物的 溶解性改变，有机磷化合物的分解矿化，无机磷的氧化、还原都需要磷细菌等微生物的生物 化学反应及酶的催化来实现( x ugh ，1 9 8 6 ) 。生物磷的去除过程比较复杂，需要厌氧和好 氧2 种条件，并且需要在厌氧条件下提供短链脂肪酸( 杨秀山，1 9 9 5 ) 。此外，聚磷菌的过量 摄磷与植物的同化吸收作用可：晦磷合成为a t p ，r n a 和d n a 等有机成分，最终通过收割植物 和更换填料从湿地中去除。w a n g 等( 2 0 0 0 ) 的研究表明：微生物死亡后其体内吸附的磷儿乎 全部迅速分解释放，回到水体当中，所以一般认为微生物的活动与总磷的去除效率之间并无 显著相关，但是有机磷酶促水解无饥化，却是人工湿地系统中磷被填料吸附沉淀和植物吸收 利用的关键一步。潜流人工湿地中磷的去除与各类微生物的相关性并不显著，但人量研究表 明( b r a s k e r u dbc ，1 9 8 2 ) ，微生物可以影响除磷的其他过程，说明系统中磷的去除是由植物 的吸收作用、填料床的沉积吸附作用及微生物的代谢作用协同完成的。 1 4 人工湿地控制面源污染 在农业区，污水源具有面广、量大、分散、间歇的峰值和高无机沉淀物负荷的特点，而 且由于历史原囚，目前农田径流的收集系统多数不完善，若采用常规二级污水处理技术，污 水收运系统的完善费用高，因此农田径流污染负荷需选用低投资、高效率和低运转费用的技 术来削减。构造湿地污水处理技术被认为是控制农田非点源污染的一种低费用、实用有效的 方法( mk a oe ta l ，1 9 9 9 ) 。自从1 9 7 7 年德国学者k i c k u t hr 提出根区法奠定湿地废水处理的 理论基础之后，各国学者对构造湿地开展了广泛的理论和基础研究，促进了湿地在世界范围 的运用，张荣社等( 2 0 0 3 ) 对潜流构造湿地处理农田面源污水的脱氮效果进行了中试研究。 研究证明潜流湿地氮去除效率和水力停留时间呈正相关关系，芦苇床的脱氮效果明显好于茭 草床和无植物床，氮的去除满足一级推流反应动力学关系。构建芦苇( p h r a g m i t e sa u s t r a l i s ) 水平潜流人湿地处理农村生活污水中的磷素，徐和胜等( 2 0 0 7 ) 考察了湿地除磷效果以及地 上植物吸磷量。在试验条件下，湿地填料的吸附和沉淀等作用是水平潜流人湿地除磷的主要 4 两南大学硕十论文文献综述 途径，植物吸收仅占湿地总磷去除最的9 1 ，但是湿地水生植物是人丁湿地重要组成部分， 可以通过影响湿地的其他条件间接影响湿地除磷效果。人工湿地是适合于农村地区的优良的 污水处理技术。晏维金等( 1 9 9 6 ) 研究了磷氮物质从水稻田中的径流流失方式和机理，结果 发现磷氮物质从水稻田中的径流流失量与水稻田持水量、施肥量、降雨量、水稻生长过程和 水稻田排水堰高度等因素有关，并提出了一个模型计算磷氮径流流失量，表明在施肥情况下 的磷氮流失量分别高达0 6 9 和1 1 2 k g h m ，是最大的潜在非点源污染。卢少勇( 2 0 0 6 ) 等采用 现场采样及室内分析的方法，研究了湿地对农田径流中磷去除的季1 了性规律，结果表明：湿 地具有良好的拦截进水磷的能力，有效降低了农业区农田径流对滇池的污染。农田灌溉径流 造成的污染涉及范围广，发生机制复杂，治理难度大，至今还没有经济有效的治理技术近 年来，湿地成为控制面源污染的研究热点之一。 1 4 1 湿地运行过程中除磷 目前，人工湿地已经广泛地应用于处理生活、养殖污水( w z 砌认s ，1 9 9 5 ) ，蓄积和 净化暴雨径流( 徐丽花等，2 0 0 2 ) ，利用人工湿地控制面源污染( b r a s k e r u db c ，2 0 0 2 ) 。 恢复和重建河流、湖泊湿地( h u n tpg ，1 9 9 9 ) ，净化受污河、湖水( d ec e b a l l o s o ， 2 0 0 1 ) 等各个方面。然；i i ，大量研究表明：湿地系统实际运行中磷的去除也存在不少问题。 首先，湿地中磷去除效果的评价指标体系不完善，涉及到磷的去除量基本上是以去除率的形 式加以报道，评价不尽合理。第二，湿地系统是一个十分复杂的生态除污系统，很难找到兼 顾高效脱氮除磷的外界环境条件。第三，新建人工湿地除磷数据并不能代表长期运行后的湿 地，新建湿地对磷的吸附量显然大于长时间运行的湿地。这是因为任何湿地系统都存在一个 吸附饱和的问题。所以加强高效除磷填料的筛选，特别是几种填料的合理搭配，将是今后人 工湿地除磷研究的热点。第四，人工湿地是一个小型生态系统，除磷任务由植物，微生物， 填料等共同完成，所以研究时应该更多的关注其整体可持续的特点，不应该限于对某种除磷 作用的单一分析，应进一步加强植物，微生物，填料等除磷作用的耦合研究，找到特定环境 条件下的植物，微生物，填料除磷的最佳耦合条件，体现人工湿地的生态价值。第五，除污 效果指标的综合平衡分析，人工湿地不仅对t n 、t p 具有很好的去除作用，还对c o d 、s s 、 b o d 5 及各种重金属离子均有一定的去除作用，所以在评价某一特定参数下的除污效果时，应 全面平衡各种指标的关系，不应该单一的用某一指标的去除效果来判定人工湿地的除污效果。 所以合理的分析某一特定水质特征条件下的湿地运行参数，对其除污效果进行合理的整体性 评价。 1 4 2 湿地运行中的堵塞 人工湿地是自2 0 世纪7 0 年代以来迅速发展的污水处理新工艺，应用日益普遍。然而，由 于设计不当或管理不善等原因，湿地极易出现堵塞现象，美国有近一半的构建湿地在投入运 行后的5 口内形成了堵塞( u s e p a ，1 9 9 3 ) ，国内的白泥坑、雁田、沙田等人工湿地也出现了 5 两南大学硕十论文文献综述 不同程度的堵塞现象。湿地中堵塞层的形成是有机固体物在填料内部颗粒间隙的沉积、填料 间隙内生物量生长和分解以及填料本身所含物