（环境工程专业论文）复合潜流人工湿地脱氮性能研究.pdf

摘要 在大量阅读国内外现有人工处理湿地文献资料和研究成果的基础上，在实验室建立 了由垂直潜流( v f ) 和水平潜流( s s f ) 组成的复合潜流人工湿地小试系统，模拟生活 污水，采用间歇运行的方式处理城市生活污水。本试验主要研究复合湿地系统的脱氮性 能，包括系统在启动期和运行期的处理情况，氮素沿程变化情况，以及污染负荷和间歇 时自j 对系统净化能力的影响；通过种植物和不种植物系统的对照，分析了植物对脱氮及 水质净化的作用。试验装置设计功能齐全，试验中发现v f 湿地既能进行硝化又能进行 反硝化，主要的脱氮反应发生在v f 湿地，这些是本文的创新所在。 试验结果表明： 1 垂直潜流湿地系统对有机污染物的去除能力较强，去除效果也比较稳定。启动阶段， 进水c o d e r 浓度为1 3 2 2 4 8 8 8 m g l ，湿地a ( 种植物) c o d e l 平均去除率为7 1 ， 湿地b ( 不种植物) c o d e r 平均去除率为7 2 7 ；运行阶段，进水c o d e r 浓度为1 6 7 3 2 4 9 6 m g l ，a 湿地c o d e r 去除率为8 5 9 0 9 8 2 0 4 ，b 湿地c o d e r 去除率为7 9 4 9 6 o 。v f 湿地既能进行硝化又能进行反硝化，复合潜流湿地系统主要的脱氮反应发 生在v f 湿地。总氮去除率a 湿地为3 8 4 6 1 4 ，b 湿地为4 2 o 6 3 7 。 2 垂直潜流湿地内污染物沿程( 4 0 c m 、7 0 e m 和9 5 e m 深度) 变化规律因污染物性质种类 不同而不同。有机污染物浓度沿程降低，且有机物在v f 湿地7 0 c m 高度处已去除8 0 以上；总氮和氨氮浓度随水流方向沿程呈下降趋势，但降低的幅度不大。t n 进水浓度 为3 6 m g l ，出水浓度为1 7 7m g l 1 8 6m g l ，去除率为4 8 4 5 0 9 ，且各个高度 去除率相差不大，在1 4 2 3 之间；氨氮在v f 湿地随进水方向在不同高度处也逐渐 得到了降解，浓度沿程降低，4 0 e m 、7 0 e m 和9 5 e m 的去除率a 湿地为1 9 5 、1 4 o 和 1 1 7 ，b 湿地为2 5 1 、1 1 2 和3 3 4 ； 3 在四个污染负荷下，有机物进水c o d 浓度为3 2 2 8 、3 4 8 1 、4 0 3 0 和4 2 6 5m g l ， a 、b 湿地去除率均保持在9 2 以上，出水浓度均低于4 0m g l ，氨氮在高污染负荷下( 进 水n h , 一n 浓度为1 7 3 、1 9 3 、2 1 8 和2 4 5r a g l ) 转化率下降，t n 进水浓度为3 7 4 、4 1 1 、 4 6 2 和4 9 5m g l ，去除率在2 7 o l 和7 5 6 2 之间。 4 在试验稳定运行阶段，间歇时间的长短对c o d e r 的去除并没有太大的影响，氮素的 变化受问歇时问的长短影响较大。自j 歇时间长，n i t , 一n 转化率高，n o 广n 生成量大，t n 去除率高。 5 植物不适宜在长期高污染负荷下生长，否则会成为一个污染源。 关键词：复合潜流人工湿地垂直潜流湿地生物脱氮有机物负荷间歇时问 a b s t r a c t b a s e do n al o to ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a ni n t e g r a t e ds u b s u r f a c ef l o w ( v e r t i c a lf l o wa n d s u b s u r f a c ef l o w ) c o n s t r u c t e dw e t l a n di nas m a l ls c a l ew a se s t a b l i s h e d s i m u l a t e du r b a n d a i l y w a s t e w a t e rw a si n t e r m i t t e n t l yt r e a t e di nt h i se x p e r i m e n t t h e e x p e r i m e n tf o c u s e do nn i t r o g e n r e m o v a l , t h et r e a t m e n td u r i n gs t a r t - p h a s ea n dm n n i n g - p h a s e ，t h ee f f e c to fc o n t a m i n a t i o nl o a d a n d r u n n i n gi n t e r v a l ；b yc o m p a r i n gp l a n t i n gw i t hn o n - p l a n t i n g , t h i se s s a ya n a l y z e st h e i n f l u e n c eo fp l a n tt oc o n t a m i n a t i o nr e m o v a l t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a t ： 1 t h ev e r t i c a ls u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sas t r o n ga b i l i t yt or e m o v eo r g a n i c s e w a g e ，a n dt h ee f f e c ti ss t a b l e i ns t a r t - p h a s e ，c o d e r i ni n f l u e n tw a sf r o m1 3 2 2m g lt o 4 8 8 8m r , r e t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o d c ri nc o n s t r u c t e dw e t l a n da ( p l a n t i n g ) w a s 7 1 9 ，a n dt h a ti nc o n s t r u c t e dw e t l a n db ( n o n p l a n t i n g ) w a s7 2 7 ；i nr u n n i n g - p h a s e ， c o d e ri ni n f l u e n tw a sf r o m1 6 7 3m g lt o2 4 9 6m g lt h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f c o d e ri nc o n s t r u c t e dw e t l a n da ( p l a n t i n g ) w a sf r o m8 5 9 t o9 8 2 t h a ti nc o n s t r u c t e d w e t l a n db ( n o n - p l a n t i n g ) w a sf r o m7 9 4 t o9 6 0 i ti sv fc o n s t r u c t e dw e t l a n dt h a ti s t h em a i np l a c ef o rn i t r o g e nr e m o v a li ni n t e g r a t e ds u b s u r f a c ew e t l a n d t h er a t eo f n i t r o g e n r e m o v a li nc o n s t r u c t e dw e t l a n da w a sf r o m3 8 4 t o6 1 4 a n dt h a ti nc o n s t r u c t e d w e t l a n dbw a sf r o m4 2 0 t o6 3 7 2 t h ee f f l u e n tc h a r a c t e r i s t i c sc h a n g e da l o n gt h eh e i g h t ( 2 0 c m , 4 0 c m ，9 5 c m ) o f v fw e t l a n d o f g a n i cw a s t ed e c r e a s e da l o n gt h eh e i g h t , a n di tw a sr e m o v e da b o v e8 0 a t4 0 c mh i g h i nv fc o n s t r u c t e dw e t l a n d ；t h ec o n c e n t r a t i o no ft o t a ln i t r o g e na n da m m o n i a n i t r o g e n d e c r e a s e ds l i g h t l ya l o n gt h eh e i g h t t ni n f l u e n tc o n c e n t r a t i o nw a s3 6m g kt ne f f l u e n t c o n c e n t r a t i o nc h a n g e db e t w e e n1 7 7m g la n d1 8 6m g lt h er e m o v a lr a t ew a sf r o m 铝4 t o5 0 9 ，a n dt h ed i f f e r e n c ew a sn o tv e r ym u c ha tv a r i o u sh e i g h t ( b e t w e e n1 4 a n d2 3 ) ；a m m o n i an i t r o g e nw a sb e i n gd e g r a d e da l o n gt h eh e i g h t ，t h er e m o v a lr a t e si n c o n s t r u c t e dw e t l a n daa t2 0 c r a ，4 0 c m , 9 5 c mw e r e1 9 5 ，1 4 o a n d1 1 7 ，a n dt h o s ei n c o n s t r u c t e dw e t l a n dbw e r e2 5 1 1 1 2 a n d3 3 4 3 w i t hf o u rk i n d so fc o n t a m i n a t i o n sl o a d s , c o d e ri ni n f l u e n tw a s3 2 2 8m 儿3 4 8 1m 叽 4 0 3 0m u la n d4 2 6 5m g f li nr e s p e c t i v e l y t h er e m o v a lr a t ei nc o n s t r u c t e dw e t l a n daa s w e l la sbr e m a i n e da b o v e9 2 ，a n dc o d e ri nt w oe f f l u e n t sw e r eb e l o w4 0m 班 a m m o n i a n i t r o g e ni ni n f l u e n tw a s1 7 3m g 化1 9 3m g l2 1 8m g la n d2 4 5m g l r e s p e c t i v e l yu n d e r d i f f e r e n c el o a d s ，w i t l lt h er i s eo fn h 4 nc o n c e n t r a t i o ni ni n f l u e n t , t h e r e m o v a lr a t ew a sd e s c e n d e d n i t r o g e ni ni n f l u e n tw a s3 7 4m g 化4 1 1m 叽4 6 2 r a g l a n d4 9 5m g lr e s p e c t i v e l y ，t h er e m o v a lo f t nw a sf r o m2 7 o t o7 5 6 4 i n s t a b l yr u n n i n g s t a t e ，i th a d n o to b v i o u sr e l a t i o nb e t w e e nt h el e n g t ho fi n t e r v a la n d c o d c rr e m o v a l t h ec h a n g eo fn i t r o g e nw a sa f f e c t e db yt h el e n g t ho fi n t e r v a l t h e l o n g e rw a st h el e n g t ho fi n t e r v a l ，t h eh i g h e rw a st h ec o n v e r s i o nr a t eo fn h 4 - n ，t h em o r e w a st h ea m o u n to fn 0 3 - n ，a n dt h eh i g h e rw a st h er e m o v a lr a t eo f t n 5 t h ep l a n t si nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n da g r o w e dr a p i d l yd u r i n gt h es t a r t p h a s e h o w e v e r , w i t ht h et i m eg o i n g , w h e ni n c r e a s i n gt h ec o n t a m i n a t i o nl o a dt h ep l a n tw a sw i t h e ra w a y g r a d u a l l y c o m p a r e dt ot h e c o n s t r u c t e dw e t l a n db ( n o n p l a n t i n g ) , t h ee f f l u e n tq u a l i t yo f c o n s t r u c t e dw e t l a n daw a sw o r s et h a nb i ts h o w e dt h a ti tw a sd e a t ho fp l a n t st h a tl e a d i n g t ot h ew o r s ew a t e r q u a l i t y i tw a sa l s op r o v e dt h a tt h ep l a n t so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d sm a y w a sap o l l u t i o ns o u r c ei fi td i e d k e y w o r d s ：i n t e g r a t e ds 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 v e r t i c 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 r e m o v i n gn i t r o g e nb ym i c r o o r g a n i s m c o n t a m i n a t i o n sl o a d l e n g t ho fi n t e r v a l 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：影曾矗 日期：o 圳年9 月站日 北京建筑一l ：程学院硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 人工湿地 1 1 i 湿地的定义 针对不同的使用目的，湿地有不同的含义，通常大约有6 0 种定义“卜嘲。湿地一词 最早出现在1 9 5 6 年美国鱼和野生动物管理局 3 9 号通告中，通告将湿地定义为“被 间歇的或永久的潜水层覆盖的土地”叫。1 9 7 1 年在拉姆萨尔通过了关于特别是作为 水禽栖息地的国际重要湿地公约( 简称湿地公约，即r a m s a r 公约) ，该公约将湿地 定义为“不问其为天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带、静止或流 动、淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6 米的水域”m 。凡签署加入国 际湿地公约的缔约国都已经接受这一定义，所以该定义在国际上具有通用性。 1 1 2 人工湿地的定义 人工湿地是指为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱 和基质、挺水、浮水与沉水植被、动物、微生物和水体组成的复合体。 1 1 3 人工湿地的分类 按照污水在湿地中的流动方式，人工湿地可分为三类：表面流人工湿地( h o r i z o n c 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 ，i - i f ) ，水平流潜流人工湿地( s u b s u d a c ef l o w c o n s t m c t c dw e t l a n d ，s s f ) 和垂直流潜流人工湿地( v e r t i c a ls 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 v f ) t 9 。埘。 表面流人工湿地 水蚴 图l - h 表面流人工湿地结构示意图( h f ) 北京建筑| ：程学院硕+ 学位论文 第一章绪论 表面流人工湿地是最接近于自然的人工湿地。污水在湿地表面流动，水位较浅，一 般在0 1 o 6 m 之间。污水中的有机物主要通过长在植物水下部分茎、杆上的生物膜来 降解，不能充分利用植物根系及填料表层生物膜来转化，处理能力低。表流湿地受气候 影响大，在寒冷的冬季表面易结冰，处理效果差；夏季又易孳生蚊蝇，散发臭味，卫生 条件差。同时，表流湿地水力负荷率小，占地面积大，不适合在土地资源紧张的地方建 立但表流湿地投资少、操作简单、运行成本低。 据统计1 ，在北美，有2 3 的湿地是自由表面流湿地，其中一半是自然湿地( 1 1 0 0 0 i l m 2 ) ，其余为人工自由表面流湿地( 通常比较小，6 0 小于1 0 h m 2 ) 。自然湿地水力 负荷小于人工湿地，系统水深范围一般为3 0 4 0c m 。 水平流潜流人工湿地 水生植物 髫竺 楚一坐 逆燃顿硎妣出椭b 图1 - 2 ：水平潜流人工湿地结构示意图( s s f ) 水平流潜流人工湿地主要形式为采用各种填料的芦苇床系统，芦苇床由上下两层组 成，上层为土壤，下层是由易于使水流通的介质组成的根系层，如粒径较大的砾石、炉 渣或砂层等，在上层土壤中种植芦苇等耐水植物。床底铺设防渗层或防渗膜，以防止废 水从湿地床底部渗漏，污染地下水。沿水流方向，湿地床底部一般具有l 的坡度。进 水区和集水区由粗大砾石组成，便于布水和集水。污水从进水区起在根系层中沿水平方 向缓慢流动，表层土和填料截留、吸附了部分大颗粒物质，填料和植物根茎表面生长的 生物膜将污水中的有机物进行了降解，经净化的水流入具有水位调节装置的出水管和集 水装置后排出系统。 与表面流人工湿地相比，水平流潜流人工湿地投资高，操作管理较复杂，氮磷去除 效果差。但水流在地表以下流动，受气候影响小，卫生条件好，在欧洲，特别是在一些 东欧国家应用较广泛，在丹麦、德国各国至少有2 0 0 处人工湿地( 主要为地下潜流湿地) 系统在运行“o 。在系统中种植有芦苇、菖蒲、香蒲等湿地植物，为了保证潜流，绝大多 数系统还采用砾石作为填斟。此类系统趋向于对近1 0 0 0 人口当量的乡村级社区进行二 2 北京建筑 ：程学院硕十学位论文第一章绪论 级处理，北美则趋向对人口较多的地区进行高级处理，在澳大利亚和南非则用于处理 各类废水“”。在西德按照植物根区方法( r o o t - z o n e - m e t h o d ) 设计的以土壤为基质的潜 流湿地也得到了迅速发展1 。 垂直流潜流人工湿地 水生植物 图1 - 3 ：垂直流潜流人工湿地结构示意图( 、f ) 垂直流潜流人工湿地又分为上向流和下向流系统，污水自上而下流经填料床的称为 下向流，反之称为上向流。该系统常采用间歇进水的方式运行，由此带入大量氧气，同 时大气复氧和植物根区输氧也加强了系统中氧的浓度，使硝化反应充分，可处理氨氮含 量高的污水，且能在高水力负荷下长期运行。但垂直流潜流湿地流程短，反硝化作用弱， 故常在其后连接一个表面流湿地或出水循环至前端的沉淀池进行反硝化。垂直流潜流湿 地可简单的人为改变系统的供氧能力，加强污水净化效果，提高向水均匀性，因此越来 越受到重视。在欧洲一些国家如荷兰、法国，已广泛采用垂直流人工湿地处理农村家庭 生活污水。按一个人口当量需要l 3 m 2 来计算垂直流湿地的面积“”。一般污水经化粪池 沉淀后流入湿地，湿地出水又循环至前端化粪池，最终出水用于庭院绿化等回用，做到 了家庭污水零排放。 1 2 各类系统脱氮效果的比较 表1 一l 表面流、水平潜流和垂直潜流湿地脱氮效果的比较 类型表面流水平潜流垂直潜流 水流流动方式 表层漫流基质层问水平流动 基质层间垂直流动 硝化效果一般差很好 反硝化效果一般很好差 3 北京建筑i ：程学院硕十学位论文第一章绪论 1 3 垂直流潜流人工湿地的发展历史及应用现状 垂直流湿地1 5 年来逐步得到改善，在硝化作用、b o d 。和s s 的去除方面取得了很好 的效果，为一家一户、村落、小城镇或远离市政排水管网的旅店、高尔夫球场、垃圾填 埋厂等的污水处理提供了更好选择。但是垂直流湿地易堵塞从而形成表面溢流，因此选 择砾石和砂子作为湿地基质很重要，因为它们影响着湿地的水力停留时问和氧的传输率 【嘲 垂直流湿地设计取得成功的重要因素是： 要选择湿地基质的种类及在床体的合理布置，使下批污水流入之前上批污水流出 床体，同时保证污水停留一定时间，和长在介质上的微生物充分接触，使出水达到处理 水质要求。 要提供足够的湿地表面积，使氧气能够传递进来，微生物能大量生长。 1 3 1 第一代垂直流潜流湿地( 复合垂直流湿地) 早期的复合垂直流湿地是由一系列并列的垂直流湿地和水平流湿地构成，间歇进水 的垂直流湿地在前，水平流湿地依次在后。1 9 9 3 年英国湿地专家c o o p e r 和他的同事们 建立了一个用于污水三级处理的v f 湿地( 进水t s s 含量低) ，间歇进水，表层以细砂为 介质，主要用来进行氨氧化，属于第一代v f 湿地。其运行期水力负荷为3 0 6 m d ，但 高峰时也达到过1 5 0 0m d ，四个床体交替轮休运行“”。p l a t z e r 和m a u c h 推荐v f 湿地 的有机物负荷应小于2 5 9 c o d m z ，以避免发生堵塞“”。l a n g e r g r a b e r 等在v f 系统小试试 验中观察到了堵塞，但如果水力负荷小于l o o m m d 时，堵塞现象便不会发生“”。 许多早期的湿地数据是通过阶段取样分析获得的。英国奥克兰公园采用两套并列的 v f - h f 复合垂直流湿地，湿地最终出水汇合进入氧化塘，如图i - 4 所示。 图i - - 4 英国奥克兰公园复合湿地工艺流程示意图 对上述湿地系统从1 9 8 9 年8 月到1 9 9 1 年9 月间采集的4 7 个水样进行水质分析， 其结果的平均值如表1 - 2 “”。 4 第一章绪论 表1 2 英国奥克兰公园二级处理复合湿地进出水水质 分析参数 进水 v f iv f 2h f lh f 2氧化塘 ( m g l ) 8 0 d ； 2 8 55 71 41 571 l t s s 1 6 9 5 31 7 1 192 1 n h | 一n 5 0 52 9 21 4 01 5 4 1 1 18 1 t o n1 7 l o 22 2 51 0 o 7 2 2 3 o r t h op2 2 72 2 71 6 91 4 51 1 91 1 2 从表中可以看出，氨氮的去除效果很好，去除率达到了8 3 9 ；b o d ；去除率为9 6 1 ，同时可以发现在1 1 f 湿地中发生了反硝化。 据m i t t e r e r - r e i c h m a n n 报道，在奥地利大约有7 0 0 个人工湿地用于处理小于5 0 0 人口当量的生活污水，其中2 0 0 个湿地是第一代垂直流湿地，每个垂直流湿地前端或后 端都跟着一个水平流湿地。垂直流湿地按1 5 0 l p e d ，5 5 m 2 p e ，h l r 为2 7 m d 设计，没 有轮休的湿地床。2 0 0 个垂直流湿地床水质指标的平均值如下表l 一3 所示： 表l 一3 奥地利2 0 0 个垂直流湿地床进出水水质指标的平均值 进水系统出水类型i 出水类型i i 出水类型i i i 出水 b o d 52 8 74 2 5 1 3 91 7 c o d 5 1 13 1 74 l2 8 12 5 6 扎一n ( 所有温度) 7 7 55 5 65 3 2 1 硼。- n ( 1 2 ) 7 7 92 22 41 92 3 n 如一n1 22 6 31 1 94 7 3 p o | 一p9 43 83 o5 7 类型i = v f + h f 湿地 类型i i = v f 湿地 类型= 1 9 9 9 年以后建的用砾石层排水的v f 湿地 1 3 2 第二代垂直流潜流湿地( 紧凑的垂直流湿地) 早期有轮休床体的v f 湿地被称为第一代v f 湿地，在最近5 年里，许多设计者们报 道：仅用一个v f 湿地床体，没有轮休的备用床体，也不用间歇运行，处理效果却非常 好。这些系统被称为第二代v f 湿地，也叫紧凑型v f 湿地 c o m p a c tv e r t i c a lf l o w 5 北京建筑： 程学院硕十学位论文第一章绪论 b e d s ( c v f ) 。这些系统的处理效果如表l 一4 所示： 表l 一4 紧凑型v f 湿地进出水水质 b o 隗 t s sn i l nt nt p c 1 f 进水 3 5 0 82 5 8 19 3 91 2 4 51 6 6 c v f 出水 5 0 9 8 1 0 2 95 5 87 7 表1 4 紧凑型v f 湿地进出水水质来自于w e e d o n 的报道乜1 捌，他给出了在英国 w i v e l i s c o m b e 建立的w e e d o n 系统的处理生活污水的效果。这个系统用一个1 6 7 m 2 的床 体处理八个人的污水，每个人口当量需湿地2 1 叠。相对于进水浓度而言，系统对b o d 。、 t s s 以致于n 地一n 的处理效果都是令人满意的。 表1 - - 5 第八届水污染控制湿地国际会议论文数据总结 c l r 进水 c w l 出口 p 过滤出口 c w 2 出口 b o d s2 3 73 92 3 9 4 t s s1 3 71 45 93 o n l n3 87 34 72 o t o n 0 5 1 8 1 31 8 h l r ( r m n d ) 4 7 22 3 6 t ( )7 75 2 表l 一5 的数据是2 0 0 2 年9 月召开的第八届水污染控制湿地国际会议一些代表性论 文中数据的总结o ”矧。论文详细论述了c v f 小试系统的研究和设计。系统中b o d ；、t s s 和n 地一n 都达到了很好的去除效果。表中2 级v f 湿地面积为2 7 m 2 p e ，而且这项研究在 荷兰成功的应用于一家一户的小规模污水处理中汹1 。 1 3 3v f 系统用于处理未初沉污水 在法国一些小城镇，现在有1 0 0 多个v f 系统用于处理生活污水，其中大多数系统 是用于处理未经过预处理的生活污水御删。系统由两级床体组成，一级床体间歇进水， 其作用类似污泥芦苇干化床，后面连接一个传统的v f 湿地床；最后连接的是一系列二 级湿地。根据污水特性，这些系统使用的湿地面积为2 0 - 2 5m 2 p e ，大部分湿地由d i r k 和他在s i n t ( s o c i e t ed i n g e n i e r i en a t u r ee tt e c h n i q u e ) 的同事们建立的， 自从1 9 8 7 年在法国g e n s a cl ap a l u e 建立第一个处理未经预处理的生活污水的湿地以 来，他们逐渐地改造着这些系统，使之更加具有适用性。 6 北京建筑：i ：程学院硕十学位论文第一章绪论 1 3 4 潮汐流系统( 面d a l f l o ws y s t e m ，即t f s ) 潮汐流系统是v f 系统的新形式，它的发展用来克服早期v f 系统的一些诸如表面堵 塞的常见问题啪1 。t f 系统毫无疑问是v f 系统，但内部水流分上向流和下向流。上向流 大约已经有1 5 年的历史了，但存在由于在湿地表面以下配水而使人不易观察的问题。 在t f 系统，污水首先经泵投加到设在湿地底端的曝气进水管内，然后在湿地内向上流 动，直到湿地表面被污水彻底淹灌后，水泵停止进水。污水停留在湿地床内，和长在介 质表面的微生物充分接触，在设定的停留时问结束后，污水向下流动排出湿地。当污水 从湿地床体内排出时，处理循环过程结束，空气经扩散进入床体的空隙，下一次处理循 环开始。 t f 系统的优点是避免了湿地表面的堵塞，而湿地表面堵塞恰是将污水直接从湿地 表面布水的传统、r f 系统面临的难题。典型的进水和排水循环周期是2 小时。s u n 等人嘲 首次将此项研究在英国r u g e l e y 的a r m 有限公司内建立并运行。近期作者c o o p e rp f 和他的同事。”研究了家庭生活污水的硝化问题，估计出要想实现完全硝化大概需要的湿 地面积为2 5 m 2 p e 1 4 湿地床基本参数的确定 目前，人工湿地污水处理技术还处于发展阶段，尤其在我国还没有成熟的设计参数， 其工艺设计也处在经验摸索阶段。水力负荷、有机负荷、湿地床体的构造形式、工艺流 程、不同地区的气候条件、植被类型等都会对系统的设计产生影响。 1 4 1 水平潜流湿地床参数的确定 美国土地利用面积大，在潜流湿地和表流湿地的设计上都有丰富的理论经验和工程 实践，因此他们的结论具有一定的代表性。一般认为，从根本上来讲，所有的废水处理 工程本质上都是由微生物引起的，而微生物的活动和温度是密切相关的，因此可以得出 如下方程“”： h r t = ( l n c o l n c e ) k t a 。= q h r t d n 式中：c o ：进水有机物的浓度( m g l ) c o ：出水有机物的浓度( m g l ) k t ：与温度有关的速率常数，( d - 1 ) 常做如下校正 k 。= 1 0 1 4 ( 1 0 6 1 ” q ：进水流量( m 3 d ) d ：介质床深度( m ) 7 第一章绪论 n ：介质孔隙率 a s ：湿地面积( m 2 ) 计算面积后，通常再校正温度，以保证关于温度的假设正确。另外也可以通过假设 在温和的气候条件下湿地每年去除的c o d 重量来进行面积估算，在美国，一个可靠的估 计值是2 5 k g ( 2 年) 潜流湿地可根据不同的目的进行设计，若不是以去除有机物为主，而是将脱氮作为 其主要目标，则可将式中的c 。和c 。相应地以n 0 3 。和n 瓯。代替， n 0 3 。一进水硝酸氮 的浓度( r a g l ) ，n 魄，一出水硝酸氮的浓度( m g l ) ，k t = 1 1 5i t - 2 0 ) ，在典型的冬季气 候条件下，水温为5 1 0 时，k 。取值范围为0 1 2 o 2 5 。 潜流湿地系统深度一般为0 3 o 7 m ，推荐使用0 4 o 6 m ，其中进口水深0 4 m ， 填料层高度由进口处的水深决定，且应比水高0 1 m 嘲，以保证湿地厌氧环境。以前的 文献都对湿地的长宽比做了许多规定，近来b o u n d s 等人研究发现1 ，在三个平行的长 宽比分别为4 ：l 、1 0 ：1 和3 0 ：1 潜流湿地中，t s s 和b o d 的去除并没有显著区别，大 部分均在湿地进水前端的1 3 长度处被去除；长宽比在湿地的设计中并不是一个重要因 素，但建议在一个单独的湿地处理单元中，最大宽度与最小长度之比宜控制在1 ：1 1 ： 2 。 1 a 2 垂直潜流湿地床参数的确定 欧洲的许多国家由于国土面积小，故建立垂直流湿地处理家庭及乡村生活污水的实 例较多，且都采用人口当量( p e ) 方法进行湿地面积的计算。法国采用2 o 2 5 m s p e ， 英国采用2 1m s p e 、奥地利早期采用5 5m 2 p e g r a n t 和g r i g g s 提出针对超过1 0 0 个人口当量的湿地面积计算公式啪1 ： a = 5 2 5 p o ”+ 0 9 p a s = 0 5 a ( 采用化粪池作为初级处理设施) a 。= 0 6 a 。( 不采用化粪池作为初级处理设施) 式中：a 。一1 级垂直流湿地面积( m 2 ) a 2 - - 2 级垂直流湿地面积( m 2 ) p 一人口当量数( 即p = p e ) c o o p e r 也总结了经验公式“： a = 1 o p ( 仅b o d 的去除) a = 2 o p ( b o o 和n f h 的去除，分两级去除) 8 北京建筑：l ：程学院硕十学位论文 第章绪论 垂直流湿地的深度主要由所栽种的植物及其根系生长的深度决定，以此保证湿地 床中必要的好氧条件。有研究表明，垂直流湿地深度超过1 m 后，污水的硝化作用很弱， 所以一般垂直流湿地的深度都在l 米左右。 1 5 垂直流湿地技术目前存在的问题 和水平流潜流湿地一样，垂直流湿地面临的最大问题是湿地床体堵塞的问题。当运 行一段时间后，湿地进水下渗速度越来越慢，停留时间延长，如果进水有机物浓度提高 的话，微生物繁殖速度加快，数量增加，则湿地堵塞的时间会进一步提前。r e e d 曾在 1 9 9 0 年针对表流湿地研究湿地进口截面有机物负荷和湿地床体产生表面溢流现象之间 的关系，试验假设是由于进水口的堵塞引起了湿地表面溢流。结果他发现，在进水口截 面有机物负荷 0 5 k g b o d j m 2 d 时，观察到了表面溢流现象。 1 6 湿地水生植物的筛选 实际工程中一般遵循以下原则选取湿地植物哺1 ：植物有发达的根系，可通过根茎繁 殖扩展；生物量大或径秆密度大，可最大限度地吸收营养；表面积大，能为微生物生长 提供场所；植物具有发达的输气组织，能有效地将氧气传输到根区；多种植物组合，地 上部分充分利用太阳光，水下部分密度大；以乡土植物为主要的选择对象；所选则的植 物最好有一定的经济价值。 本试验中依据研究的目的，处理水的水质及北京市的气候特点，选用当地普遍野生 芦苇、香蒲、千屈菜、鸢尾和水葱五种植物 芦苇( p h r a g m i t e sc o 唧u n i s ) ：禾本科芦苇属，多年生草本。叶片线形，渐尖，叶 基宽，圆锥花穗稠密，夏末秋初抽穗开花。根状径粗壮，匍匐，秆高达1 3 米。 香蒲( t y p h a el a t i f o l i a ) ：又叫蒲草、水蜡烛等，香蒲科香蒲属，多年生草本植物。 高l 2 米，根茎匍匐，有多数须根。叶扁平，线形，宽4 l0 l i 胁，质稍厚而柔，下部 鞘状，穗状花序圆柱形，长3 0 6 0 c m ，雌雄花序问有间隔l l s c m ；雄花序在上，长 2 0 3 0 c m ，雄花有早落的佛焰状苞片，花被鳞片状或茸毛状，雄蕊2 3 。雌花序长l o 3 0 c m ，雌花小苞片较柱头短，匙形，花被茸毛状与小苞片等长，柱头线头圆柱形，小坚 果无沟。花期6 7 月，果期7 8 月。生于池、沼、浅水中。分布几遍全国。采用分株 进行繁殖，春季萌芽前取出地下根茎，切成约l o 厘米的小段，带2 3 枚芽，植入土壤 中。 千屈菜( l y t h r u ms a l i c a r i a ) ：别名水柳、水枝锦、对叶莲，千屈菜科千屈菜属。 总状花序顶生；花两性，数朵簇生于叶状苞片腋内，花梗及花序柄均甚短，花萼圆柱形 叶对生或3 片轮生，狭披针形，长3 5 6 5 厘米，宽8 1 5 毫米，先端稍钝或锐，基 部圆形或心形。花黄色或玫红色，花期7 - 9 月。喜温暖及光照，、通风良好的环境。耐 寒，生命力极强，浅水或地植均可。 9 北京建筑1 ：程学院硕十学位论文 第一章绪论 鸢尾( r o o f i r i s r h i z o m e ) ：别名蓝蝴蝶、铁扁担、扇把草。鸢尾科植物鸢尾属，多 年生草本。叶互生，2 列，剑形，长3 0 4 5 c m ，宽约2 c m 。花青紫色，l 3 朵排列成 总状花序，花柄基部有佛焰花苞，长4 5 c m ；花被片6 ，2 轮，外轮3 片圆形，上面 有鸡冠状突起，白色或蓝色，内轮3 片较小，拱形直立；雄蕊3 ，着生于外轮花被片基 部；子房下位。蒴果长椭圆形，有6 棱，长3 4 c m 。种子多数，圆形，黑色。花期4 5 月，果期1 0 1 1 月。根茎扁圆柱形，表面灰棕色，有节，节上常有分歧，节间部 分一端膨大，另一端缩小，膨大部分密生同心环纹，愈近顶端愈密。 水葱( s c i r p u st a b e r n a e m o n t a n i ) ：莎草科藤草属。别名冲天草。多年生宿根挺水 草本植物，株高1 2 米，茎杆高大通直，中空。须根根多，基部有3 4 个膜质管状叶 鞘，鞘长可达4 0 厘米，最上面一个叶鞘具叶片，线形叶片长2 l l 厘米。圆锥状花序 假侧生，花，花序似顶生。苞片由杆顶延伸而成，多条辐射枝端，长达5 厘米，椭圆形 或卵形小穗单生或2 3 个簇生于辐射枝顶端，长5 1 5 毫米，宽2 4 毫米，上有多数 的花。花果期6 9 月。耐寒，在北方大部分地区地下根状茎可在水下自然越冬。以分 株繁殖为主，在初春将植株挖起切成小块，每块带3 5 个茎块芽，植入浅水中即可。 1 7 本课题的研究意义 针对垂直流湿地硝化效果好，而反硝化效果弱，且易堵塞的特点，本试验设计了一 套由垂直潜流和水平潜流湿地组合在一起的复合潜流湿地小试装置，此装置采用间歇运 行的方式处理城市生活污水。 试验主要研究组合系统的脱氮性能，探讨复合潜流湿地不同部分、不同污染负荷 和间歇时间下的脱氮性能和除污效果。通过种植物和不种植物系统的对照，分析了植物 对脱氮及水质净化的作用。为人工湿地的有效运转提供了理论依据，并为复合潜流湿地 的大力推广应用提供了理论基础，具有一定的理论意义和实践价值。 1 8 科研技术路线 配制模拟水样+ 试验装嚣启动 调整进水有机污染负荷 呻 进行污染物指标的测定 确定系统的最佳运行参数。 在已确定的工况下，分析系统的去污能力和脱氮效果，并比较植物净化污水的能力。 进行有机污染负荷和间歇时问的试验。 北京建筑【：程学院硕十学位论文 第二章试验设计 第二章试验设计 2 1 试验目的 试验主要研究垂直潜流和水平潜流组合在一起的复合潜流湿地小试系统的脱氮性 能，通过种植物和不种植物对照系统的比较，分析植物在湿地除污中的贡献，并探讨复 合潜流湿地在不同污染负荷和间歇时间下的脱氮性能和去除有机物的效果。 2 - 2 试验内容 本试验共分为四个阶段，第一阶段为系统启动阶段，第二阶段为系统运行阶段，第 三阶段为抗污染物冲击负荷试验阶段，第四阶段为间歇时间试验阶段。 2 2 1 系统启动阶段 此阶段通过对系统运行工况和进水有机负荷的调整，确定系统运行的最佳工况， 进行植物和生物膜的培养，比较有无植物装置在启动阶段的去除有机物的效果。 监测指标有c o d e r 、p h 、t n 、t p 、n h 。- n 。 2 2 2 系统运行阶段 此阶段通过固定自j 歇周期和水力负荷，对系统进出水质进行监测，分析系统的去 除有机物的能力和脱氮效果；通过对垂直流湿地不同高度取样点和潜流湿地进出口水质 的监测，分析垂直流湿地的硝化效果和潜流湿地的反硝化效果；通过对种植物和不种植 物两个垂直流湿地的对照，分析植物对系统净化能力的贡献。 监测指标有c o d e r 、p h 、t n 、t p 、n o 广n 、n 0 2 - n 和n f l n 。 2 2 3 抗污染物冲击负荷试验阶段 针对运行过程中出现的问题，对装置和试验条件进行调整，进行有机污染负荷的试 验，探讨湿地对污染物的承载能力。