（环境工程专业论文）人工湿地除磷特性研究.pdf

摘要 人工湿地除磷特性研究 东南大学 硕士研究生：刘洋 导师：王世和教授 摘要 人工湿地作为一种高效、低耗的污水处理新工艺已被工程界广泛接受，特别是在脱氮除磷方面 的应用逐步为人们所重视。但由于目前尚缺乏对潜流型人工湿地除磷机理的系统研究，使人工湿地 在污水的深度处理应用中受到限制。 本文研究了作为潜流型人工湿地基本要素的基质、植物和微生物对磷的去除作用，探讨了水力 条件、温度等对人工湿地除磷效果的影响。通过对人工湿地较长期的运行试验和观测，较全面地掌 握了潜流型人工湿地的除磷机理和相关影响因素。在此基础上，探讨了几种强化除磷措施在人工湿 地中应用的可行性。 研究结果表明，潜流型人工湿地对磷的去除主要依赖于系统内基质的物理化学作用、植物吸收 和微生物对磷的转化与同化作用，三者中部分为可逆过程。其中，基质对磷的吸附、截留和化学反 应是人工湿地除磷的主要机制。所研究的六种基质中，对磷的最大吸附量依次为：钢渣 煤渣 页岩 栉渣 土壤 砂石；钢渣对磷的最大吸附黉为土壤的1 1 8 倍，煤渣和页岩是土壤的1 3 倍植物在湿 地除磷中发挥着直接吸收利用和间接调节湿地中磷转化过程的作用：在相同运行条件下，美人蕉湿 地和芦苇湿地对磷的去除效果最好。在湿地除磷过程中，微生物对磷的同化是一个短期动态过程， 长期作用是通过磷酸酶促进磷的转化。人工湿地对磷的去除有一个最佳的水力停留时间，随湿地吸 附的逐渐饱和，最佳水力停留时间延长。在人工湿地吸附饱和前，外界气温、运行水位以及植物光 合作用等均对磷的去除效果产生一定的影响。 本文以优选基质、改变湿地构型和改变进水方式等进行了强化除磷试验。结果表明，采用煤渣 填充湿地预留槽，t p 去除率在填后一周内可提高2 0 左右，三周后达到饱和；垂直流人工湿地的 t p 去除率高出水平流湿地1 0 左右；采用多点进水时，配水比为2 ：1 ：l 时，t p 去除率可提高5 - 1 0 ；采取间歇运行方式。湿地停歇时间越长，t p 去除率上升越多。由此可见，各种强化措旅均不同 程度地提高人工湿地对磷的去除效果。 关键词：人工湿地、基质、水力条件，强化除磷 东南大学硕七学位论文 a b s t r a c t c o n s t r u c t e dw e t l a n di sw i d e l ya c c e p t e da san e ws e w a g et r e a t m e n tp r o c e s sf o ri t sg o o dr e m o v a l e f f e c t s , l o wc o n s 付l l c t i a n do p e r 址i o nc o s t a tp r e s e n tt h ea p p l i c a t i o no fr e m o v i n gn i t r o g e na n d p h o s p h o r u si sp m dm o l ea t t e n t i o n h o w e v e r , f o rt h el a c ko fs y s t e m m i c a ls t u d y0 1 1p h p b sr e m o v a l c h a r a c t e r i s t i co fs u b s u r f a c ew e t l a n d s ，c o n s t r u c t e dw e t l a n dt c c l m o l o g yi sr e s t r a i n e dt oa p p l yi nf u r t h e r i r e a t m e n to f w a s t e w a t e r i nt h i sp a p t h ef u n c t i o no fs u b s t r a t e ，p l a n ta n dm 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 d sw 肿 r e s e a r c h e d , t h ei n f l u e n c eo f h y d r a u l i cc o n d i t i o n , t e m p e r a n u ea st h eo u t s i d ef a c t o r sh 饿d i s c u s s e da sw e l l b yg r e a tm n o t m to fe x p e r i m e n tf r o mt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ss t a r t u p ，t h em e c h a n i s ma n de f f e c to f p h o s p h o r u sr e m o v a lw e r er e v e a l e da n de x 舢d e di nt h ep a p e r b a s eo ni t , s o m em e a s t t r a 5f o ri n t e n s i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v a lw e r ep u tf o r w a r d , f u r t h e r m o r e , t h ef e a s i b i l i t yo f t h e i ra p p l i c a t i o nw a sd i s c u s s e d t h er e s e a r c h e ss h o w e dt h a tt i l ef u n c t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n d st or e m o v ep h o s p h o r u si sc o m p o s e d o fp h y - c h e m i c a le f f e c to fs u b s i r a l e ，p l a n ta b s o r b i n g , t r a n s f o r m i n ga n da s s i m i l a t i n gb ym i c r o o r g a n i s m , w h i c hw e r ep a r t l yr e v e r s i b l e a d s o r p t i o n , p e r c o l a t i o na n dc h e m i s t r yr e a c t i o nb ys u b s l r a t ew a st l * m a i n f u n c t i o ni nt h ep r o c e s so f r e m o v i n gp h o s p h o r u s o nt h es i xs u b s t r m e ss t u d i e d , t h em a x i m u ma d s o r p t i o no f p h o s p h o r u sw a sa sf o l l o w s ：s t e e ls l a g c i n d e rs l a g s h a l e b o i l e rs l a g s o i l g r a v e l t h em a x i m u ma d s o r p t i o n o fs t e e ls l a g , c i n d e rs k 喀a n ds h a l ew a sl l s ，1 3 ，1 3t i m e st h a nt h a to fs o i ls e p a r a t e l y o nt h e o 靼o f p h o s p h o r u sr e m o v i n g , p l a n ta b s o r b e ds o l u b l ep h o s p h o r u sd i r e c t l y , a n dr e g u l a t e dp h o s p h o r u st r m m f h i n d i r e c t l y u n d e rt h es a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n , c i m n a sa n dl e e d sh a db e t t e rr e m o v a le f f e c t st h a nt h e o t i 地rp l a n t ss t u d i e d a s s i m i l a t i n gp h o s p h o r u sb ym i c r o o r g a n i s mw a sas h o r td y n a m i cp r o c e s s , a n dt h el o n g f u n c t i o nw a st oa c c e l e r a t et r a n s f e rp h o s p h o r u sb yp h o s p h a t a s e c o n s t r u c t e dw e t l a n d sh a d o p t i m a l h y d r a u l i cc o n d i t i o nf o rp h o s p h o r u s m o v a l a st h ec o n s t r u c t e dw e d a n d ss a t u r a t e d ，h y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m ew a sp r o t r a c t e da c c o r d i n g l y b e f o r ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ss a m r a t e d ，a i rt e m p e r a t u r e , o u t f l o wl e v e la n d p h o t o s y n t h e s i sa l la f f e c t e dt h ep h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c t s t h i se x p e r i m e n tt o o kf o l l o w i n gm e a s u r e st o i n t e n s i f yp h o s p h o r u sr e m o v a l ，i n c l u d i n gs e i e c t i n g e f f i c i e n ts u b s t r a t e a m e l i o r a t i n gw e t l a n ds i n 嵋t 埘ea n dc h a n g i n gi n f l o ww a y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 曲时 p h o s p h o r u sr e m o v a lr a t er o s eb y2 0 。, 4i naw e e ka f t e rc i n d e rs i a gf i l l e dt h ep r e p a r e dt r o u g hi nc m m m m t e d w e t t a n d , b u tt h ec i n d e rs l a gr e a c h e di t ss a t u r a t i o na tt h et h i r dw e e k w h e nw e t l a n dw a sc o n s t r u c t e di n v e r t i c a ls t r u c t u r e , t h ep h o s p h o r u sr e m o v a lr a t ew a sa b o u t1 0 m o r et h a nt h a to f h o r i z o n t a lf l o ww e t 锄l d s i nm u l t i i n f l o ww a y , t h ep h o s p h o r u si m o v a lr a t er o s eb y5 - 1 0 , w h e nt h er a t i oo fi n f l o ww a s2 ：1 ：1 o n i n t e r m i s s i o no p e r a t i o n , t h e 慨w e t l a n d sp a u s e d , t h em o r ep h o s p h o r u sr e m o v a l 廊l o s e r e s u l t s p r o v e df i l mt h ei n t e n s i f y i n gm e a s u r e sd i dr e a c ht h ea i mt ol 目n o v ep h o s p h o r u sf r o mc o n s t r u c l e dw e t l a n d s 越 m el e v e l k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ；s u b s t r a t e ；h y d r a u l i cc o n d i t i o n ；i n t e n s i f yp h o s p h o r u sr e m o v a l i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作t n 确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：麴! 至日期：) = 里z ：! ，7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：二啤导师签名：垃日期：衅 第一章绪论 第一章绪论 水是生命之源生存之本随着全球人口的不断增加，工农业生产的迅速发展，人类对水资源 的需求以惊人的速度增长；日益严重的水污染侵蚀着人量可利用的水资源。水资源短缺成了限制人 类发展甚至生存的严重问题。磷是生态系统中最重要的生命元素之一，在淡水沼泽湿地中，它被作 为一种主要的限制性营养盐；同时又是江河、湖泊等永久性淹水湿地发生富营养化的主要因素之一 人类无节制地向环境中捧放各种含磷化合物，己引起一系列严重的生态问题。如何采用低投入、低 能耗、高效率、易管理操作的处理工艺，以提高污水中氮、磷等营养物质的去除效果，是改善我国 河流、湖泊水环境质量，控制水华和赤潮的关键，而上个世纪初出现，并逐渐兴起的人工湿地处理 工艺为解决这一难题提供了可能。 人工湿地技术具有投资、维护和运行费用低，出水水质好，抗冲击能力强，操作简单和美化环 境等优点人工湿地技术非常适合我国国情，尤其是对广大农村、中小城镇的污水处理，有着十分 广阔的应用前景 1 1 人工湿地概述 1 1 1 人工湿地的概念 1 9 8 2 年3 月1 2 日修正的“国际湿地公约”1 1 1 中，将湿地定义为：“不论天然或人工，长久或暂 时，静止或流动，淡水或咸水，由沼泽、泥沼、泥炭地或水域所构成的地区，包括低潮时水深六米 内的海域”湿地是具有最高初级生产力的生态系统，它不仅是许多野生动植物生长繁殖的场所，还 具有涵养水分、调节气候的功能。更重要的是湿地具有净化污水的功能，因而被誉为“地球之肾”， 人工湿地污水处理系统源于对自然湿地的模拟。由于自然湿地资源有限，其数量和净化能力难以达 到超负荷，长期、大量地接受富含各种有毒有害物质、病原微生物及n 和p 等营养元素的污水输入 所以，用人工湿地模拟自然湿地来净化污水也就应运而生。人工湿地由人工基质和生长在其上的植 物组成，是人为构造的具有独特性质的基质一植物一微生物生态系统，它依靠物理、化学、生物的 协同作用完成污水的净化过程，强化了自然湿地生态系统的去污能力。 1 1 2 人工湿地的分类 人工湿地污水处理系统按水流方式可分为：水平流湿地( h o r i z o n t a lf l o ww e t l a n d ，简称h f ) 和 垂直流湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ，简称v f ) 水平流湿地又包括表面流湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ， 简称s f ) 和潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称s s f ) 两种形式嘲。表面流湿地类似于沼泽， 污水以较慢速度从湿地表面流过，水位较浅，一股为0 1 , - - 0 6 m i ”，其占地面积大，水力负荷低，净 化能力有限，冬季寒冷地区湿地表面会结冰，夏季湿地表面会滋生蚊虫，还会有臭味，系统运行受 i - 东南大学颂 ：学位论文 气候影响大；潜流湿地中污水从床体表面下流过， 保温作用，可以实现较好而相对稳定的处理效果。 1 2 人工湿地研究进展 1 2 1 人工湿地的净化机理 可以承受的水力负荷与污染负荷较大，地卜层有 目前国际上采用较多的是潜流型人j ：湿地工艺。 人工湿地的净化过程如“黑箱效应”1 4 1 ，污水从湿地的一端流入，再从另一端流出以此为基 础，人们对污水进入湿地系统后污染物的迁移转化规律和机理进行了大量的研究。多年的研究结果 表明，人工湿地能够利用基质一微生物一植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协同作 用，通过过滤、吸附、共沉、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；同时， 通过营养物质和水分的生物化学循环，促进绿色植物生长和增产，实现废水的无害化及资源化。在 净化过程中，人工基质、植物和微生物三者相互关联，互为因果，形成了一个共生系统i ”j 人工基质为微生物的生蚝提供稳定的依附表面，为植物提供载体和营养物质。废水在人工基质 缝隙或在床体的表面流动时，固体物质被人工基质阻拦截留，通过些物理化学途径净化污水中的 有机物、氮、磷等营养物质。 在人工湿地污水处理系统中，植物是系统中的重要组成部分湿地植物根系形成网状结构，一 方面自身吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质；同时，为微生物的生存和降 解营养物质提供了必要的场所和好氧、厌氧条件川，并且具有维持水力传输的作用。 微生物依附在填料和植物根系表面，通过代谢作用降解水中污染物。有机质通过生物膜的吸附， 同化及异化作用而得以去除。因湿地植物根系对氧的传递释放，湿地床层及其周围的微环境中依次 呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，有利于硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用，达到脱氮 除磷的效果。 1 2 2 人工湿地技术的应用 人工湿地污水处理技术的发展最早可追溯到1 9 0 3 年，英国约克郡e a r b y 州建立了世界上第一个 用于处理污水的人工湿地，并连续运行到1 9 9 2 年。2 0 世纪6 0 年代末，s e i d e l 与k i c u k u t h 合作并由 k i c u k u t h 于1 9 7 2 年提出了根区理论嗍。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。 近十多年来，英国、德国、法国、澳大利亚、巴西、荷兰等国的人工湿地发展迅速唧美国约 有1 2 0 个湿地系统，英国约有2 5 5 个，丹麦有大约1 0 0 个，这些人工湿地的规模或大或小，不仅成 为中小城镇的重要污水处理措施，而且也成为雨水处理、工业废水处理的重要技术。 我国在“七五”期间开始人工湿地研究。首例采用人工湿地处理污水的研究工作始于1 9 8 8 - 1 9 9 0 年在北京昌平进行的自由水面流人工湿地，处理量为5 0 0t - d 1 的生活污水和工业废水。1 9 9 0 年，国 家环保局华南环境科学研究所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建立实验基地【4 j ，处理3 1 0 0t - d 1 的城 2 第一章绪论 镇综合污水。随后在山东、天津等地建成不同处理规模的入_ t 湿地。 1 2 3 人工湿地的技术特点 比较于传统的污水处理方法，人工湿地处理污水具有如下特点d t l o l ： ( 1 ) 经济。人工湿地处理污水具有投资省、运行费用低、易操作，高效、稳定、能耗低、无须 化学试剂等优点。据欧洲和美国已投入运行的湿地系统分析，尽管各个具体的系统冈地而异，差异 较大，但平均来说，湿地系统的投资和运行费用仅为传统二级污水厂的! 1 0 至l ，2 ，还可以在无动力 的条件下运行。 ( 2 ) 处理效果好。在欧洲和美国，凡是投入运行并达到成熟阶段的人工湿地，基本上都能达到 规定的污水捧放标准。 ( 3 ) 适用面广据现有资料分析，湿地处理系统不仅可用于以耗氧有机物和氮、磷等营养物质 为主的生活污水处理，也可以处理广泛的- e = 业性废水，尤其是对含有重金属和酸性有机及无机矿物 污染物的废水仍有良好的净化效果。 ( 4 ) 对负荷变化的适应能力强。据研究，人工湿地系统无论对有机污染物负荷还是水力负荷在 一定范围内的波动都有很好的适应性。而且，人工湿地本身的处理能力具有很好的可扩展性，因此 容易适应未来不确定的负荷增跃 ( 5 ) 促进生态循环人工湿地可促进农业、渔业的发展；湿地本身又可供环境美化、公共娱乐， 野生动植物保护和科学研究使用。 1 3 人工湿地除磷研究现状 1 3 1 人工湿地中磷的存在及转化 人工湿地中的磷化合物可分为有机态和无机态两部分。其中有机态的磷主要有：核酸类、植素 类和磷酯类。在基质中，无机态的磷种类很多，根据其所结合的主要阳离子的性质不同，可以将土 壤中通常存在的磷酸盐化合物分为：磷酸钙( 镁) 化合物，磷酸铁( 铝) 化合物、闭蓄态磷以及磷 酸铁铝与碱金属、碱土金属复合而成的磷酸盐类。基质中无机态的磷传统上可分为矿物态、代换态 和水溶态几种”2 1 其中水溶态的磷数量很少。一般只有o 1 lp p m ，但它是最速效部分，是可供植 物利用的主要形态。水溶态的磷和固相的磷酸盐及代换态的磷保持着平衡关系，当溶液中的磷浓度 不足以提供植物的需要时，土壤有效磷就依赖于固体部分的不断补充，包括磷酸盐的溶解和被同定 磷的释放近几年，微生物量磷逐渐独立出来，它也是植物有效磷的一个来源。磷在微生物组织中 的含量为1 4 0 7 ，细菌为1 5 , - 2 5 ，真菌为4 8 ，这比植物体中的磷含量都要高。当微生物体完 全分解后，固持其内的磷也以无机磷形式释放出来。和士壤有机磷相比，微生物含的磷更容易矿化 为植物有效磷。 人工湿地中磷转化的一个重要过程是有机磷与无机磷的转化。磷在同化作用中，不发生任何化 一3 一 东南大学硕 。学位论文 合价的变化，磷以离子形式被同化，植物不还原磷酸盐。这种离子大都无变化地参加有机化合，既 使在有机磷化合物中也是以1 0 4 的形式存在。有机物降解时，磷的化合价也不发生变化| 1 3 , 1 4 | 有机 磷转化为无机磷主要决定于有机物的源和环境因素，如p h 、温度和湿度。从有机磷剑无机磷的转化， 通常发生在有机物的c ：p 3 0 0 ：l 时，则发生固定作用，即无机磷变为生物体 内的磷 1 3 2 人工湿地对磷的去除途径 磷在人工湿地系统中的去除主要依赖于三方面作用：即基质的物理化学作用、植物的吸收及微 生物的正常同化和聚磷菌的过量摄p 作用。 基质对磷的固定是整个去污过程的首要基础。所谓磷的固定就是当富含磷的污水流经人工湿地 后，磷大部分吸附、沉降于基质组分中，基质组分与其反应又将其移出基质液相，成为生物不容易 利用的形态在人工湿地中磷的固定，除了被生物同化变为有机态磷外，磷的吸附同定机制还包括： 物理吸附、化学沉淀和物理化学吸附。人工湿地基质是人工湿地除磷的主要组成部分，进入湿地中 的磷主要留存于基质中 基质对磷的截留主要受基质理化性质的影响，包括基质孔隙度，p h 值、粒度、有机质含量、铁 铝氧化物、c a 2 + 、c a c 侥等一般来说，基质孔隙度越大，湿地的容水体积就越大。水体中的磷在 湿地内能受到较长时间的吸附与吸收转化，净化效率也会相对增加。基质和根系周围的电子活跃元 素如f e 、a l 、c a 等可与磷生成不溶性的磷酸盐而使磷在系统中同定下来。系统的电位和p h 等条件 也影响着这一过程，如f e 的氧化还原电位为2 0 0 4 0 0 m v 之间时，以f ，形式存在，可以与磷形成 f e - p 络合物；当电位下降时，f 矿变成f e ”，磷从络合物中释放。基质为酸性时，磷易与f c 、c a 结 合；而在碱性基质中磷被c a c 0 3 吸收。r e d d y i ”j 等研究发现，在酸性和中性p h 条件下，根区附近 的亚硝化细菌和硝化细菌活动增强，其中，硝化作用占主导地位；而当处于碱性p h 条件下时，可 溶性正磷酸盐的化学沉淀作用就占主导作用，从而影响湿地对磷的去除。基质对磷的储存能力与有 机质含量有关，一般有机质含量愈高，对磷的吸附能力愈强。研究表明，可溶性的无机磷化物容易 与基质中的a p + 、f e 3 + 、c a 2 + 、c a c 0 3 等发生沉淀和吸附反应。传统观点认为，在酸性条件中a 1 3 + 、 f 矿是控制磷截留的主要因素；在中性和碱性条件中，主要是c a c 0 3 或水溶性磷与c 矿+ 生成沉淀固 磷而李祖荫等1 1 7 1 研究发现，c a c 0 3 与土壤固磷百分率间的相关性很差，并认为石灰性土壤同磷基 质主要是 煤渣 页岩 炉渣 土壤 砂石。钢渣对磷的吸 附量是土壤的1 1 8 倍，煤渣和页岩对磷的最大吸附量大约为土壤的1 3 倍 由静态配水试验可得。在除磷方面。钢渣、煤渣和页岩具有一定的优势，但若想将其应用到人 工湿地中，需要进一步进行原水静态试验和动态士柱试验研究 3 1 工基质对城市污水除磷的静态试验 鬻篓茎| | | 要甜 定的吸附去除效果。原水试验中，钢渣对掌。【朔圈影圉酗圈 豳 c o d 和氨氦也表现出较好的去除效果，这i 韵圜i a 豳彭图崮瞬 是因为钢渣中的铁，铝氧化物溶于水后，形l 影圈影圈i z 圈免圈 成了一个复合的铁、铝絮凝体系，对原水中o ：= l 二= = ：一 3 1 3 基质填料柱的动态试验 3 1 j 1 填科柱结构及运行条件 为进一步考察基质对磷的去除效果，以及除磷能力所持续的时间，试验进行了填料柱动态吸附 过程研究。在城市污水厂内建立三根模拟垂直流人工湿地填料柱，如图3 5 所示。试验填料柱由有 机玻璃管制成，以便观察柱内微生物发育状况。填料柱高h = 0 8 5 m ，每根圆柱内径d = 0 i s m ，沿填 - 1 5 一 东南大学硕i 学位论文 料柱高度方向等距离设置5 处取样口。试验采 f i 城市生活污水，由小水箱调节阀j 控制。进水由下 至上流经填料柱，防止发生短流。填料梓顶端以透水纱网密封，防i l 柱内基质被上升水流带出。每 根填料柱的水力负荷为q = 0 6 m 3 m 2 。d 。 图3 5 填料柱动态试验装置 根据静态试验结果，选取土壤，页岩、煤渣+ 钢渣基质作为三根土柱试验的填科。第一根填料 柱填充土壤。土壤粒径较小，相应的柱体填充较为密实。第二根填料柱中填充页岩。为减小阻力， 保证水流畅通，选取粒径在0 5 - - 2 c m 之间的页岩颗粒。第三根填料柱填充钢渣和煤渣混合填料。由 于钢渣对磷具有优越的去除效果，但其粒径在0 1m 左右，若直接进行土柱填充，很可能发生堵塞 或钢渣流失，故采用钢渣和具有多孔结构的蜂窝煤渣进行混合填充，一方面，可以使钢渣附着在蜂 窝煤渣表面以防发生堵塞；另一方面，蜂窝煤渣本身也具有较好的除磷及吸附其它污染物的效果， 联合使用以期提高对磷的整体去除效果。将蜂窝煤渣与钢渣分层填充，体积配比约为2 ；1 3 1 填料柱对污水中磷的去除效果 填料柱进水之后。跟踪测定进出水的各项指 标。图3 6 为填料柱进、出水中t p 浓度随运行 历程的变化曲线。填料柱对磷的去除主要依靠基 质的吸附、截留及沉淀作用。由图可知，土壤填 科柱对磷的吸附截留量迅速达到饱和，页岩其 次。钢渣+ 煤渣填料柱对磷的去除效果最好。 在填料柱运行至第5 d 时，土壤柱出水浓度 达到4 m g l 以上；随后，出水t p 浓度不断上升， 并且在进水浓度较低时，土壤对t p 的去除率为 负值，发生了释磷现象。页岩填料柱刚开始时对 磷的去除率可达8 0 左右，随后，页岩填料柱 运行时间d 图3 6 填科柱进、出水t p 浓度随运行 历程变化曲线 对磷的去除率维持在5 5 - - , 7 0 ，当填料柱运行至第3 1 d 时，页岩对t p 的去除率显著下将，填料柱发 生穿透，之后出水浓度在4 m g l 以上钢渣+ 煤渣混合填料柱对磷的去除更为彻底持久，相比于页 岩填料柱，在未穿透前，出水t p 浓度比页岩填料柱低o 5 l m g ，l ，当运行至4 3 d 时，钢渣+ 煤渣混 合填料柱达到饱和。 - 1 6 第二章人t 湿地除磷机理的考u 步研究 由此可见，土壤对磷的吸附位点极为有限，容易达到吸附饱和。在饱和时间上，页岩对磷的吸 附能力是土壤的6 倍，钢渣+ 煤渣混合填抖是土壤8 倍。 试验进一步考察了钢渣+ 煤渣混合填料 柱对总磷( t p ) 和可溶性正磷酸盐( i p ) 的去 除率随运行历程的变化，如图3 7 所示钢渣 + 煤渣填料柱对伊和t p 去除率均随运行历程 而下降。开始时下降比较平缓，运行前1 7 d ， t p 去除率一直在9 0 左右，随后稳定在6 0 8 0 之问，直至运行至4 3 d 后磷的去除率迅速 下降。吸附及沉淀固磷趋于饱和。 由图可见，口和1 甲的去除率曲线形状相 似，钢渣+ 煤渣填料柱出水中i p 的去除率略 高于t p 的去除率。由此可推断，钢渣+ 煤渣 图3 7 钢渣+ 煤渣填料柱对t p 和m 的去除率随运行历程的变化曲线 混合填料柱对磷的去除主要依靠对水中溶解性正磷酸盐的去除而实现。试验中，蜂窝煤渣表面附着 有白色物质，说明溶解性j e 磷酸盐发生了沉淀反应，产生的钙磷沉淀黏附在多孔的煤渣表面，使大 部分磷最后通过化学沉淀作用从水中去除。 3 1 j 口填料柱对污水中c o d 的去除效果 三根填料柱对污水中c o d 的去除效果如图3 8 所示。 土壤填料柱对c o d 的去除率随运行历程 变化平缓。这是因为土壤对c o d 的去除不仅 依靠自身的截留作用，还包括土壤微生物的降 解作用。钢渣+ 煤渣混合填料柱对c o d 的去 除率随运行历程不断下降。在开始运行的1 0 d 内，由于煤渣对c o d 的吸附截留作用，c o d 的去除率略好于土壤，但由于填料柱较高的 讨i 值环境，不适于微生物生长，所以，随着 对有机物截留量的下降，混合填料对c o d 的 去除率也相应下降。相比之下，页岩填料柱对 c o d 的去除效果最好页岩填料柱对c o d 的 运行时间d 图3 s 填料柱对c o d 去除率随运行 历程变化曲线 去除率开始时有所下降。而后上升并逐渐趋于平缓。试验中发现，填料柱运行至1 2 d 时，页岩表面 出现了墨绿色的微生物膜，此时页岩对c o d 的去除率有所同升，尽管进水浓度变化较大，去除率仍 可达4 0 - - 6 0 。运行至后期，页岩与土壤柱对c o d 的去除效果相近，优于钢渣+ 煤渣混合填料柱对 c o d 的去除效果。在有微生物存在的条件下，微生物在降解有机物耗氧的同时，也消化吸收了有机 氮污染物，疏通了页岩内被污染物堵塞的孔隙，有利于氧的传递。 - 1 7 1害世并 东南大学硕 学位论文 3 1 3 4 填料柱对污水中氨的去除效果 湿地系统中基质的所有理化性状如基质类型、渗透率、基质胶体、p h 值、基质粘性以及各种络 合剂，整合剂的存在，都可能影响其对污水中氮的去除效果1 3 i l 。为此，试验还考察了填料柱对氮的 去除效果，如图3 9 和3 1 0 。 图3 ，填料柱对t n 去除效果随运 行时间变化曲线 ： 葚 摹： i o 运行时问d 图3 1 0 填料柱对氨氮去除效果随运 行时间变化曲线 整体来看，填料柱对氨氮和总氮的去除效果均为：页- 岩 g g 渣+ 煤渣 土壤。基质对污染物具有 类似于活性炭的吸附作用，也会对除氮效率产生一定的影响。在填料柱运行前期，页岩和钢渣+ 煤 渣混合填料柱对氨氮均有较高的吸附水平，对应的t n 去除率也较高。至运行中期，氨氮的去除能 力有所下降，说明基质的阳离子交换位点发生的氨氪的阳离子交换不能发挥长期效应。故可推断， 在人工湿地长期运行中，基质对于氢的去除是惰性的，只是为微生物吸附和降解提供了场所和中介。 试验结果也证明，在有微生物生长的页岩柱内，出水的氨氮去除率较高，说明页岩表面的微生物硝 化菌群对氨氮，产生了硝化作用。 综合以上试验结果，湿地基质对磷及其它污染物的吸附去除均存在一个饱和度，基质吸附饱和 后，吸附性能会大大降低。为延长湿地系统对磷的去除寿命，应选择那些对磷具有较大吸附饱和度 的基质作为填料。试验中，钢渣对磷的去除性能最好，但其微小的粒径所带来的堵塞问题和钢渣水 溶液所引起的p h 升高问题都影响其在入工湿地系统的直接应用，有待进一步的试验研究。虽然钢 渣不宜作为湿地基质进行直接填充，但可作为除磷材料，对湿地尾水进行处理，这样不仅可以实现 钢渣的变废为宝，也可以达到对湿地出水进行深度处理的目的。试验中，蜂窝煤渣对磷去除效果仅 次于钢渣，对磷具有较大的吸附饱和容量。蜂窝煤渣硬度小、易碎，不宜作为湿地的底部填料，但 可以作为可更换填料，对湿地预留槽进行分段填充，以期强化人工湿地的除磷效果，延长湿地使用 寿命试验中，页岩对磷也具有较好的去除效果，填料柱试验表明，其对磷的吸附饱和容量是土壤 的6 倍，不仅如此，页岩对氨氮、1 n 和c o d 的吸附去除能力也优于其它填料。页岩表面具有与土 壤相似的理化性质，适合微生物的生长繁殖，加之其具有可选择的粒径尺度，可考虑应用到整个人 工湿地中，作为表层覆土以下的基质使用。 1 8 第二章人t 湿地除磷帆理的初步研究 3 2 植物对磷的去除作用 植物在人j 二湿地系统中具有以下作用1 3 2 3 3 | ：1 ) 根系的物理作用。为微生物生长提供附着表面、 根系的过滤作用、增强和维持介质的水力传输。2 ) 植物对氮、磷等营养物质的吸收作用。3 ) 植物 根系输氧和分泌酶等对污染物降解的协同作用。4 ) 湿地丰富的植被还为野生动物提供了很好的栖息 场所，具有一定的生态效益。本节研究了植物种类、生长期、光合作用对湿地中t p 去除效果的影响， 阐明了植物在磷去除中的作用，并初步筛选出对磷净化能力强、抗逆性好的部分植物 3 2 1 不同植物湿地对磷的去除效果比较 湿地植物的吸收、过滤及协同作用是人工湿地系统除磷的一个重要组成部分2 0 0 4 年，在湿地 进入稳定运行的第年，在五块水平潜流型小湿地上，分别栽种富贵竹、茶花、美人蕉、芦苇，空 心菜，并利用另一块小空白湿地作为比照。图3 1 1 是不同植物湿地对t p 去除效果的比较 由图可以看出，有植物湿地对t p 的去除 效果优于无植物湿地。尤其在春、夏两季，各 种植物湿地对磷的去除效果更佳。这是由于植 物在春季处于生长期，对营养元素磷的吸收作 用使去除率有所提高；夏季，随着温度的升高， 植物旺盛生长，植物根系逐渐成熟，对磷的过 滤作用使得t p 去除率进一步上升。从t p 去 除率的四季变化规律来看，夏季 春季 秋季 冬季。秋季t p 的去除率比夏季有显著下降， 原因可能是由于，秋季植物代谢缓慢，部分残 圈3 1 1 不同植物对t p 的去除效果比较 枝落叶覆盖在湿地表面，并腐烂至湿地中，使得磷元素又回到人工湿地系统中，造成出水中t p 去除 率的下降。冬季植物处于休眠期，对磷的去除主要依靠基质和植物根系对磷的过滤作用。由图也可 以看出，除芦苇外，其它植物湿地在冬季对t p 的去除率与空白湿地相近。 从图中不同植物湿地的除磷效果看出，美人蕉和芦苇湿地对磷的去除效果最好。芦苇由于具有 庞大的网状根系，对磷的截留作用优于其它植物，并且芦苇生长茂盛，株高可达1 5 m 以上，对磷元 素的需求量大，故整体去除效果好，尤其在秋季和冬季，表现出较大的去除优势美人蕉湿地对磷 也有很好的去除效果缪绅裕等研究发现i 3 4 】，不同植物种类及植物体的不同部位对磷的吸收能力是 不相同的。人工湿地运行一段时间后，植物体各器官含磷鼍各不相同，依次为叶 根) 茎 胚轴。而 美人蕉叶片宽大肥厚，有利于磷的吸收去除。美人蕉属于花卉植物，既能提高湿地的除磷能力，又 可起到景观美化作用。茶花湿地在春季对t p 的去除效果较好，这是因为茶花是花卉类多年生草本植 物，须根旺盛，春季正值花期，茶花开放，生长旺盛对磷的去除有较大的促进作用。富贵竹生长较 慢，在夏秋两季对磷的去除效果尚好，但在冬季对t p 的去除率比空白湿地还要低，这可能是由于富 贵竹耐寒能力差，冬季根部腐烂，茎叶枯萎后释放磷所致。空心菜属于叶菜类植物，在几种植物中 1 9 东南大学硕l 学位论文 对t p 的去除效果晟差，与空白湿地相仿，这与其生长量小有密切关系。 与空白湿地的比较可知，各种植物湿地对磷的去除效果优于空白湿地，且季节变化影响了植物 的生长及生理活动，间接影响到植物吸收、吸附和协同作用，从而在整体上影响了植物湿地对磷的 去除效果。相关研究表明，在人工湿地中，植物根系分泌物可促进某些嗜磷细菌的生长，促进磷的 释放、转化，从而间接提高净化效率。有植物的湿地中，嗜磷细菌的数量显著高于无植物湿地，且 植物根部的细菌比介质中高l 2 个数量级。这为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。植物 的输氧作用所形成的好氧环境也会促进湿地基质对磷的吸附、沉淀和蓄积稳定；而且，植物还可改 善和提高湿地基质的渗透性能，这也是有植物系统具有更好的除磷效果的一个重要原因 试验发现，遇雨雪天气，湿地出水中磷的去除率都会大幅降低，甚至出现负值。这是由于雨水 稀释使污水中磷浓度降低，土壤中会有部分磷被重新释放到水中。这也说明，磷的吸附沉淀反应不 是永久地沉积在基质里，是一个部分可逆的过程。人工湿地中基质的作用在某种程度上可看作一个 “磷缓冲器”，来用以调节污水中的磷 综上所述，湿地植物在人工湿地除磷过程中起到一定的促进作用。湿地有无植物对磷的去除率 影响较大，有植物系统对磷的去除率高于无植物系统：不同植物种类除磷效果也不同不同的湿地 植物，在不同季节有不同的生长速度，对营养物质的需求和适应能力不同，故吸收转化能力也不同 在植物成热之后应对植物进行及时收割，将植物生长吸收合成为生物体内的磷移出人工湿地系统， 以避免磷通过枯叶层释放重新返回湿地系统。本试验研究结果表明美人蕉和芦苇两种植物对磷的去 除具有一定的优势，可作为优选植物予以推荐。 3 2 2 植物栽种及收割前后对磷的去除效果比较 为进一步探讨植物在人工湿地除磷中的作用，试验研究了人工湿地在植物栽种及收割前、后对 磷去除效果的影响。 3 2 2 1 植物栽种前后对t p 去除效果的影响 人工湿地稳定运行后。在两块小湿地上移植美人蕉和富贵竹。植物培植前后，人工湿地对磷的 去除效果如图3 1 2 所示。 由图可以看出，在植物栽种之前l o d ，两 块湿地对磷的去除率相当，由于进水浓度的波 动，使得去除率在2 0 - 3 0 变化。植物移植之 后，两块湿地对t p 的去除率总体不断上升。 从移植前后系统对t p 去除率的变化波动看， 植物栽种后湿地对磷的去除率更为平稳，这说 明，植物对湿地污染负荷的变化具有一定的调 节作用 植物刚移植入湿地之后，两块湿地的t p 去除率都显著上升，这可能是由于植物刚刚移 一2 0 图3 1 2 植物栽种前后的t p 去除率变化 第三章人工湿地除磷机理的初步研究 入，对营养的需求处于饥渴状态，对磷等营养物质的需求餐大，造成t p 去除率迅速提高。随后，在 富贵竹移植之后一个月左右的时间内，富贵竹湿地对磷的去除率上升较慢，去除率维持在3 0 左右， 随后，对t p 去除率得到较大幅度地提高，栽种后4 0 d 时，t p 去除率可达4 5 以上。与此类似，在 美人蕉移植后2 0 d 左右的时间里，t p 去除率缓慢上升，随后对磷的去除率迅速提高。在达到去除率 的第二次快速增长后，两块植物湿地对t p 的去除率趋于稳定。 由此可见，植物移植之后对t p 的去除率会出现两次快速的上升，第一次由于植物对磷的迫切 需求引起磷去除率升高；第二次是在植物适应了湿地环境之后，根系不断向基质深处生长对磷进行 截留，日益成熟的根系可以利用更多的营养物质，并且在根系周围产生更多的生物量，伴随着微生 物的大量繁殖生长，微生物的同化作用得到加强，故出现了t p 去除率的第二次快速提升。 比较两种植物对磷的净化效果可见，美人蕉移植后对湿地的适应速度更快，对磷的去除能力更 强，t p 去除率比富贵竹湿地平均高出1 0 左右。 3 22 2 植物收割前后对t i p 去除效果的影响 为进一步考察植物生长特性对t p 去除率的影响，试验分别于黑麦草生长旺盛期及空心菜成熟 期对两种植物进行收割并除根。试验测定了收割前1 0 d 及收割后一个月内两块湿地对t p 的去除率变 化，如图3 1 3 所示。 由图可见，在植物收割后，两块湿地对t p 的去除率均迅速下降。收割前后1 0