（环境工程专业论文）垂直流人工湿地填料淤堵机理研究.pdf

摘要 人工湿地在使用过程中会发生填料淤堵现象，极大地限制了人工湿地的功效。目前对 于人工湿地填料的淤堵问题，多采用对进水进行预处理的方法。而在湿地发生淤堵后除了 采取更换填料的方法外，还没有较好的治理办法。这种方法工作量大、耗资较多且对湿地 内已经形成的稳定微生物系统具有毁灭性的破坏。 如何解决这一问题已成为目前湿地研究的关键课题。本文从湿地填料淤堵的本质一填 料孔隙减小入手，开展人工湿地填料淤堵的机理研究，为合理管理人工湿地，防治人工湿 地填料淤堵提供有力的理论依据。本文在综合分析了前人的研究成果的基础上，开展了以 下工作： 1 、选择垂直流人工湿地作为研究对象，构建小型垂直流人工湿地作为研究模型； 2 、通过实验找出几个导致淤堵的主要因子； 3 、针对导致淤堵的主要因子开展相关研究，探讨垂直流人工湿地填料淤堵的机理； 4 、结合各因子造成淤堵的机理，总结垂直流人工湿地填料的淤堵机理。 通过以上研究，得出了以下结论： l 、以填料渗透系数作为判定湿地淤堵的判定指标，提出了淤堵的判定方法； 2 、被填料截留的无机s s 、被截留但未能及时降解的有机s s ，生物膜的生长是导致淤 堵的主要原因，无机s s 较其它两者更易造成填料的淤堵； 3 、淤堵并没有对人工湿地内部的微生物系统产生不良影响，主要是造成了水流的不 畅； 4 、淤堵主要是造成处理水量减少，使污染物的每日去除总量降低，从而降低湿地的 效率； 5 、温度也是控制填料淤堵的重要因子； 6 、微生物膜的淤堵属于较难防治的淤堵，主要发生在填料上层部分，但中下层也有 一定程度的淤堵； 7 、人工湿地系统进水有机负荷越大，系统越容易淤堵。同样的，进水有机s s 负荷越 大系统越容易淤堵，且淤堵越快。 关键词：垂直流人工湿地；填料淤堵；生物膜；有机悬浮颗粒 a b s t r a c t t h ep h e n o m e n o no fs u b s t r a t ec l o g g i n ge x i s t sd u r i n gt h ep r o c e s so fu s i n gc o n s t r u c t e dw e t l a n d ， w h i c hl i m i t st h ee f f e c to fc o n s t r u c t e dw e t l a n da l o t n o w a d a y sp e o p l em o s t l yu s et h e a n t i c i p a t i o nt os o l v et h ep r o b l e mo fs u b s t r a t ec l o g g i n g w h i l ea f t e rt h ec l o g g i n gh a sh a p p e n e d ， t h e r ei sn o ag o o dw a ye x c e p tr e p l a c i n gt h es u b s t r a t e b u tt h i ss o l u t i o nt a k e sal o to fw o r ka n d m o n e y ，w h a t se v e nw o r s ei si tc a nt o t a l l yd e s t r o yt h em i c r o b es y s t e mw h i c hh a sa l r e a d yf o r m e d s t a b l yi nt h ew e t l a n d i th a sb e c o m et h ek e yt o p i co fw e t l a n ds t u d ya b o u th o wt os o l o v et h ea b o v ep r o b l e m i nt h i s p a p e r , if o c u so nt h ee s s e n c eo ft h es u b s t r a t ec l o g g i n go ft h ew e t l a n d t h ed e s c r e a s i n go ft h es i z e o fs u b s t r a t ep o r e ，s t a r tt os t u d yt h ep r i n c i p l eo ft h es u b s t r a t ec l o g g i n go ft h ew e t l a n d ，a n ds u p p l y ap o w e r f u lb a s i ct h e o r yo fm a n a g i n gt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n da n dp r e v e n t i n gt h es u b s t r a t e c l o g g i n go f t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d i nt h i sp a p e r , id e v e l o pt h ef o l l o w i n gw o r kb a s e do ns t u d y i n gt h ef o r m e ra c h i v e m e n t ： 1 c h o o s et h ev 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 da st h er e s e a r c ho b j e c t ，d e s i g na n db u i l dt h e m o d e lo ft h ev 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 da st h er e s e a r c hm a t e r i a l 2 f i n ds e v e r a lm a i nf a c t o r so fc a u s i n gt h ec l o g g i n gt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s 3 p r o c e e dt h er e s e a r c hm a i n l yo nt h o s em a i nf a c t o r sa n dd i s c u s st h ep r i n c i p l eo ft h ev e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d 4 g i v eac o n c l u s i o no ft h em e c h a n i s m so ft h ev 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 da s s o c i a t et h e m a i nf a c t o r so f c a u s i n gt h ec l o g g i n g ig e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o na c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s e a r c h ： 1 p r e s e n tt h ew a yo f j u d g i n gt h ec l o g g i n ga c c o r d i n gt ot h ep e n e t r a t i o nc o e f f i c i e n t 2 f i n dt h em a i nf a c t o r sw h i c hc a u s i n gs u b s t r a t ec l o g g i n gb ye x p e r i m e n t s 3 t h ec l o g g i n gd o s e n te f f e c tal o to nt h em i c r o b es y s t e mi n s i d et h ec o n s t r u c tw e t l a n db u t m a k e st h ew e t l a n d sc a nn o tp a s st h ew a s t e w a t e rs u c c e s s 4 t h ec l o g g i n gm a i n l ym a k e st h ew a t e rd e s c r e a s es ot h a tt h ed a i l ya m o u n to fg e t t i n gr i do ft h e p o l l u t i o nd e c r e a s e s ，f i n a l l yt h ee f f i c i e n c yo ft h ew e t l a n dd e c r e a s e s 5 t e m p a r a t u r ei fa l s oa ni m p o r t a n tf a c o ro fc o n t r o l l i n gt h es u b s t r a t ec l o g g i n g 6 t h ec l o g g i n go ft h eb i o m e m b r a n ei sd i f f i c u l tt op r e v e n t i n g i tm a i n l ye x i s t si nt h eu p p e ro ft h e s u b s t r a t e , b u tt h e r ei sa l s os o m ec l o g g i n gi nt h em i d d e ra n dl o w e rp a r t s 7 t h em o r eo r g a n i cl o a d i n gc a u s et h ed e e p e rd e g r e ed o g g i n g t h em o r eo r g a n i cs sl o a d i n g c a u s ed e e p e rl o a d i n ga n df a s t e rc l o g g i n g k e y w o r d s ：v c w ；s u b s t r a t ec l o g g i n g ；b i o m e m b r a n e ；o r g a n i cs s 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：立血汾b 年易月i 厂日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，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。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 童森二撕易年6 月 l 厂日 河海大学硕士毕业论文 第一章绪论 水是生命之源，它滋润万物、哺育生命、创造文明，是地球上一切生命赖以生存、人 类生活和生产必不可少的基本物质。水资源是基础自然资源，是生态环境的控制因素之一； 同时，又是战略性的经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分。水覆盖地球表面积 的7 0 8 。地球上的水总储量约为1 4 ，0 0 0 亿m 3 ，其中9 7 以上是海水。在占地球总水量 3 的淡水中，7 7 2 分布在南北两极地带及高山高原地带，以冰帽或冰川形式存在，湖泊、 沼泽水占0 3 5 ，河水占0 0 1 ，大气中水占0 0 4 。其中，便于人们取用的淡水只有河 水、淡水湖水和浅层地下水，其量估计约为2 0 亿m 3 ，占地球总水量的o 2 左右。因此， 淡水是一种极为有限的资源，水资源的可持续利用是经济和社会可持续发展极为重要的保 证 1 - 3 。 1 1 我国的水环境现状 中国是一个水资源短缺的国家之一，是世界上1 3 个贫水国之一。我国水资源总储量平 均每年达2 8 ，0 0 0 亿m 3 ，排在世界第六位，但人均水资源拥有量仅为2 ，2 2 0m 3 a ，为世界平均 值的四分之一，居世界第1 2 1 位【】。我国水资源不仅总量缺乏，而且时空分布也很不均匀。 从水资源的时间分布来看，年际年内变化很大；从水资源的空间分布来看，南北差异较大。 由于我国降雨分布由东南向西北递减的总趋势，形成南方水多、北方水少的局面。长江以 南的南方地区河川径流量约占全国总径流量的8 3 ，而北方地区的河川径流量仅占全国总 径流量的1 7 ；全国水资源的地区分布与人口、土地资源配置也很不适应【6 】。据统计资料 表明，在2 0 世纪8 0 年代，全国缺水的城市2 3 6 座，缺水总量1 ，2 0 0 ) 7 m 3 d ；2 0 世纪9 0 年代初， 缺水城市增3 h n 3 0 0 座，总缺水量位1 ，6 0 0 万m 3 d ；截至2 0 0 0 年，全国共有4 5 0 座城市缺水， 缺水总量高达2 ，0 0 0 万m 3 d t 7 8 1 。城市的缺水影响了人民的正常生活，制约了经济的发展。 全国有2 x 1 0 7 h m 2 农田受干旱威胁，9 3 x 1 0 7 h m 2 草场缺水。同时我国水资源浪费也较为严重， 单位国民生产总值的耗水量是日本的三十多倍，是美国的十五倍【9 j 。 除了水资源本身的匮乏之外，能够被人类直接利用的有效水资源也遭受到了不同程度 的污染。我国水污染现状是“局部有所改善，整体仍在恶化” 8 、1 0 】。据国家环保部门的监测 河海大学硕士毕业论文 资料表明，通过对全国七大水系中4 0 7 个重点监测断面的监测，适于直接饮用的仅有3 4 ( 属i 类水质) ，适于渔业生产的只有2 4 8 ( 属i 、i i 类水质) ，适于游泳的占了38 1 ( 属i 、i i 、类水质) ，另有3 8 1 是没有任何用途的水( 属v 类、劣v 类水质) ，水 污染形势严峻【1 1 】。 以长江为例，据统计，至1 j 2 0 0 3 年，长江流域的工业废水和城市污水年排放量已高达 2 5 0 多亿吨，其中9 0 未经处理直接排入长江，沿江5 0 0 多座城市的饮用水供给受到威胁【1 2 】。 长江流域的河流水质总体保持良好，但城市江段、部分支流水质较差【1 1 1 。在长江干流2 1 个 城市江段中，污染带总长4 5 2 - 3 公里，其中重庆长2 7 4 公里、岳阳长2 9 5 公里、武汉长7 7 3 公里、南京长1 2 2 8 公里、镇江长2 1 2 公里、上海长5 2 3 公里，六城市累计污染带总长度占 长江干流污染带总长的3 。上海、南京、武汉、重庆、攀枝花等2 1 个城市被调查的7 9 0 公 里江段中，已形成约5 6 0 公里长的污染带【1 3 】，污染带宽度达2 0 1 ，7 0 0 米【1 2 】。 造成水污染状况加剧的主要原因是工业废水和城镇生活污水的排放。工业废水的污染 经过近年来的整治已得到很大改善，城市污水排放总量不断攀升，且已超过工业污水排放总 量。从1 9 9 5 年至2 0 0 0 年，生活废水排放量增长了6 5 2 ，生活c o d 排放量增长了2 1 3 。 2 0 0 2 年，全国工业废水和城镇生活污水排放总量达到4 3 9 5 亿吨，比2 0 0 1 年增长1 o ， 其中生活污水排放总量为2 3 2 3 亿吨，比上年增长1 0 。废水中c o d 排放总量为l ，3 7 0 万吨，其中生活污水c o d 排放总量为7 8 0 万吨，已超过c o d 排放总量的5 0 【1 4 】。随着 社会、经济的不断发展，污水的排放量将会逐渐增大，如不加以控制水污染状况将会加剧， 因此城市污水处置技术的研究成为解决这些问题的关键。针对这些问题，在过去的2 0 年 间国内外专家们开展众多的污水处理和水污染处置措施的研究。 1 2 城市污水处理技术 城市污水包括城市全部的生活污水和部分工业废水，水质污染主要为有机污染。目前国 内外采用物化法和生物法处理技术，并以后者为主【1 5 】。 1 2 1 污水的物理化学处理方法 絮凝沉淀技术是目前常用的污水物理化学处理方法。絮凝法是通过物理化学作用使污 水中处于分散状态的有机物转化为聚集状态，使难于沉降的细颗粒物变为可重力分离的粗 颗粒物，然后从水中分离出去。化学絮凝法去除有机物的机理相当复杂，主要包括脱稳凝 2 河海大学硕士毕业论文 聚、金属离子与有机物分子相作用生成不溶性复合沉淀物以及氢氧化物胶体对有机物的物 理化学吸附等【1 6 1 。1 9 世纪后期，英、美等国曾广泛采用絮凝沉淀技术。我国四川省遂宁市 污水处理厂( 8 万m 3 d ) 采用分期建设方案，预留二级处理场地，一期为化学强化一级处理 ( c h e m i c a l l ye n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t ，简称c e p t ) ，采取投加化学药剂的絮凝沉淀法。 该方法存在的主要问题是出水水质难以达标【1 5 】。 1 2 2 污水的生物处理方法 自然界中存在着数量巨多的以有机物为营养物质的微生物，它们具有氧化分解有机物 并将其转化为无机能的功能。污水的生物处理技术就是采用一定的人工措施，创造有利于 微生物生长、繁殖的环境，使微生物大量繁殖，以提高微生物氧化分解有机物的一种技术。 污水的生物处理方法主要有：活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法【2 1 。 1 2 2 1 活性污泥法 活性污泥法属于好氧生物处理方法，是处理生活污水、工业废水过程中使用的最广 泛的一种方法。由于在活性污泥上栖息、生活着大量的微生物，这种微生物以溶解性有机 物为食料，获得能量，并不断增长繁殖，通过相互协同作用，加快了污染物质的降解，从 而使废污水得到净化。该方法可以去除污水中可生物降解的溶解态的及胶体态的有机物也 可以去除能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质，无机盐类( 磷和氮的化合物) 也能 部分地被去除。目前活性污泥法已根据其缺点由原来的传统活性污泥法逐步改进为逐步曝 气法、吸附再生活性污泥法、完全混合法和延时曝气法等改进方法【1 7 、1 8 1 。 1 2 2 2 生物膜法 生物膜法和活性污泥法一样，同属于好氧生物处理方法。它是让污水连续流经固体填 料( 砾石、塑料填料等) ，在填料上生成生物膜，生物膜上生长着大量的微生物，它们起 着与活性污泥同样的净化污水的作用。生物处理通过氧化一还原反应获得能量提供细胞生长 和维持，有机物和无机物便被微生物转化，生物膜法中的填料为微生物生长提供巨大的表 面积，以利于生物膜的形成。同时固着生长微生物比悬浮式微生物更有利于流经它周围水 中的基质和营养接触。生物膜法另外一个重要特点是微生物通常利用许多种不同化合物， 以获得充足的营养维持自身生长【l 纠。生物膜法中固着于填料表面上的微生物对废水水质、 河海大学硕士毕业论文 水量的变化有较强的适应性，微生物固着于固体表面，即使增殖速率慢的微生物也能生存， 易于构成稳定的生态系统。 1 2 2 3 厌氧生物处理法 厌氧技术在废水处理中应用非常广泛，厌氧生物处理是利用兼性厌氧茵和专性厌氧菌 在无氧条件下降解有机污染物的处理技术。因其效率高、成本低而成为现代先进的废水处 理技术。用于厌氧处理的构筑物的最普通的消化池，如厌氧滤池、上流式厌氧污泥床、厌 氧转盘、挡板式厌氧反应器以及复合厌氧反应器等。近年来又发展了一些新型的工艺，如 厌氧接触系统、厌氧生物滤他、厌氧污泥床等。我国在这方面的一些技术居于世界领先地 位【1 8 1 。 1 2 3 污水的自然生物处理法 污水的自然生物处理法是指利用自然条件下生长、繁殖的微生物或植物等处理污水的 一种技术。其特征主要是工艺简单、建设与运行费用比较低，但是净化功能受自然条件的 制约。主要的处理的技术有水生植物塘法、稳定塘法、土地处理法和人工湿地法等。 1 2 3 1 水生植物塘法 水生植物塘是氧化塘中的一种，水深一般为1 2 米，它利用植物、动物、藻菌的共 生系统使有机物分解，在塘的上部由水生维管束植物进行光合作用，然后将氧从植物上部 输送至根部，从而在根区或根际形成好氧环境，好氧菌在此层进行氧化代谢，同时它的根 区为微生物生存提供必要的场所，在塘的下部氧含量较少形成厌氧环境，厌氧菌在此进行 厌氧反应。通过水生植物的光合作用及自身的代谢完成对污水的净化，塘中的微生物将污 水中的污染物、生态系统中生产者和消费者的排泄物及其尸体等有机物分解，转变为无机 物，并从中取得自身生长繁殖的营养。利用这种生物处理方法来处理无毒污水是一种较为 有效的处理方法【2 0 】。 1 2 3 2 稳定塘法 稳定塘是一种利用天然净化能力的生物处理构筑物的总称。稳定塘中自然发育着许多 好氧微生物、兼氧微生物及厌氧微生物，由塘中生长的藻类的光合作用及塘面与大气相接 4 河海大学硕士毕业论文 触的复氧作用提供氧，利用菌和藻的共同作用处理污水中的有机污染物。污水在塘内通过 长时间的停留，其有机物通过不同细菌的分解代谢作用后被生物降解。稳定塘污水处理系 统具有基建费用和运转费用低、维护和维修简单、操作简便、去除污水中的有机物和病原 体能力强、无需污泥处理等优点。稳定塘分为好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘及深度处 理塘等【2 l 】。 1 2 3 3 土地处理法 土地处理是利用土地生态系统的自我净化能力净化污水中污染物。土地处理系统利用 了土壤一作物系统综合的物理、化学和生物的复杂过程，土地生态系统的净化过程包括过 滤截留、物理化学吸附、化学分解、微生物氧化以及植物和微生物的摄取等作用。它包括 以下主要过程：当污水渗过土壤时，土壤将污水中处于悬浮和溶解状态的有机物截留下来， 土壤颗粒的表面形成一层微生物膜，膜里充满着微生物，微生物能将污水中的有机物转化 为无机物，将诸如c 0 2 、n h 3 、硝酸盐和磷酸盐等通过光合作用转化成植物体的组成成分， 从而实现了有害污染物到成有用物质的转化，使污水得到利用和净化。土地处理法主要有 五种基本处理方式：地表漫流系统、慢速渗滤系统、快速渗滤系统、自然湿地系统和地下 灌溉系统 2 、2 2 1 。 1 2 3 4 人工湿地法 人工湿地是一种人工设计、模拟天然湿地结构和功能的复合体，由水、基质、植物和 微生物等组成，利用一系列的物理、化学、生物过程的协同作用，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污水的高效净化。我国主要水域仍以氨氮和有 机污染物为主，主要超标指标为氨氮、高锰酸钾指数和生化需氧量等，人工湿地( c o n s t r u c t e d w e t l a n d s ，c w s ) 是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种污水处理技术，具有净化效率高、工 艺设备简单、运转维护管理方便、系统配置可塑性强、对负荷变化适应性强、工程基建和 运行费用低等特点，而人工湿地处理污水系统不仅具有较好的脱氮除磷和去除有机污染物 的能力，它还具有投资低、运行维护费用低、能耗低和不需复杂的维护技术等优剧2 3 2 9 1 ， 因而人工湿地正逐渐被广泛应用于污水处理中。 河海大学硕士毕业论文 1 3 污水净化中的人工湿地技术 1 3 1 人工湿地概述 湿地是指天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有静止 和流动淡水、半咸水、咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的海域( 国家林业局1 9 9 7 年定义) 。湿地具有强大的生态功能与环境容量，被誉为“地球之肾”。人工湿地则是根据人 们的需要选择一定的地理位置与地形，人工建造的，通过模拟和强化天然湿地的结构与功 能，利用其内部填料、植物和微生物的三重协同作用来实现污水的净化的系统。 人工湿地主要由以下全部或者部分组成：透水性的基质；湿地植物；好氧、兼氧或厌 氧微生物；原生动物。 1 3 2 人工湿地形式 目前在国内外主要研究的人工湿地有：表面流人工湿地、水平流人工湿地和垂直流人 工湿地三种【3 0 、3 1 1 。 1 3 2 1 表面流人工湿地 表面流人工湿地与自然湿地接近，污水从湿地表面流过，系统中氧的来源主要是水体 表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用，绝大部分有机物是由生长在植物水下茎、 杆上的生物膜去除的。表面流人工湿地不能充分利用填料和丰富的植物根系的作用，去污 能力有限，卫生条件也不好，夏季易孳生蚊蝇，且气候能对运行造成较大的影响，因此表 面流人工湿地一般不单独作为污水处理系统，而是被用作污水预处理系统比较多。但是表 面流湿地富氧能力较好，有利于去除耗氧的氨氮、有机污染物。同时，表面流人工湿地不 被淤堵问题所限制，如若发生悬浮物沉积导致的淤堵也容易解决。 3 2 - 3 4 】 1 3 2 3 水平流人工湿地 水平流人工湿地，由一个或多个填料床组成，床体填充填料，床底设防渗层，污水从 一端水平流过填料床。由于污水在地表下流动，因此很少有恶臭产生且不易滋生蚊蝇，具 有保温性较好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点，是目前研究和应用比较多 的一种湿地处理系统。这种类型的人工湿地的水力负荷比自由表面流人工湿地大，可充分 6 、河海大学硕士毕业论文 利用系统中微生物、植物、填料的协同作用降解污染物，对b o d 、c o d 、s s 等污染指标 的去除效果好，但容易发生堵塞现象，控制相对复杂【3 5 、3 6 1 。 1 3 2 4 垂直流人工湿地 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， 氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统，垂直流人工湿地系统的水流状态是维持 系统正常运行、使系统充分发挥净化效果的重要因素，水流状态对净化效率影响较大。垂 直流人工湿地的硝化能力高于潜流湿地，且占地面积小，但是它的控制相对复杂，建造要 求较高。 1 3 3 人工湿地的去污机制 人工湿地对有机物有较强的去除能力，对各种污染物质都能进行有效的处理。 有机物分为悬浮态和溶解态两种。悬浮态的有机物通过沉淀、过滤从污水水中截留下 来成为微生物生长的养料被微生物吸收利用；溶解态的有机物在被生物膜吸附后通过生物 降解作用成为二氧化碳和水得以去除。 人工湿地对氮的去除主要依靠微生物的同化、硝化和反硝化作用，污水中的氮在处理 过程中被异养微生物转化为氨态氮，随后氨氮在硝化细菌的作用下被转化为无机的亚硝态 氮，最后通过微生物的反硝化作用和植物吸收被去除。 磷也是造成水体富营养化的重要元素，人工湿地中磷的去除主要有三个方面的途径： 污水中的无机磷在植物的吸收及同化作用下变成植物有机组成成分( 如三磷酸腺甘a t p 、 脱氧核糖核酸d n a 和核糖核酸r n a 等) ，这部分磷可通过植物的收割而被去除；无机磷 在聚磷菌对磷的过量积累作用下在生物体内变成多聚磷酸盐，成为微生物的内含物而被固 定下来，还有一部分磷通过填料的吸附以及与填料中矿物质进行的离子交换作用而在湿地 中成为沉淀而去刚3 7 39 1 。 1 4 问题的提出 1 4 1 问题的存在 人工湿地作为一种新兴的污水处置技术，与2 0 世纪7 0 年代被提出【4 0 】。人工湿地具有 河海大学硕士毕业论文 很好的非点源控制功效且投资低、操作简单、维护和运行费用低的、占地面积大等特点【4 1 1 正逐渐地应用于广大中小城镇和乡村地区的生活污水处理中。但人工湿地在实际的运行过 程中存在填料淤堵问题【4 2 】，国内外关于人工湿地填料淤堵现象都有一些报道 4 3 , 4 4 ，根据美 国环境保护署( u s e p a ) 对1 0 0 多个人工湿地的调查结果表明将近5 0 的湿地在投入使用 后的五年内形成了不同程度的淤堵【4 5 1 。 由于人工湿地去除污水中污染物的机理，其在处理污水的过程中，进入人工湿地的污 染物被填料一植物一微生物系统去除或截留，被截留的污染物有的以原有形态残留在填料 孔隙中，有的在微生物的作用下转变成其他形态或微生物组织残留在填料孔隙中，有的则 被湿地植物作为生长养料转化为植物组织。随着人工湿地的运行，残留在填料孔隙中的污 染物不断累积占据填料孔隙，填料有效孔隙体积不断减少，累积到一定程度后造成填料孔 隙的淤堵。 淤堵后填料的渗透系数急剧降低，过水能力随之下降，人工湿地无法继续使用，或改 变原有设计运行方式f 矧。引入湿地系统的污水仅有部分能流经填料并被处理，大量污水直 接从湿地系统表面流过，流经填料的污水得到了很好的处理，而未流经填料直接从表面流 过的污水由于停留时间很短、微生物作用时间短，污水中的污染物质不能得到较好的去除， 使得湿地处理功效大大降低达，出水指标不到人工湿地的设计标准，原设计运行方式为潜 流的人工湿地变成了表面流湿地。湿地表面的长期积水也带来了蚊蝇滋生、恶臭等卫生问 题，造成了环境的二次污染。 因此，填料淤堵问题成为人工湿地应用过程中亟待解决的重要问题。 1 4 2 国内外研究现状 目前，国内外学者针对人工湿地的淤堵问题开展了许多相关研究工作。 j o n e s 4 6 】等人认为，淤堵过程一般可分为三个阶段：渗透速度接近开始运行时的水平但 呈现下降趋势的阶段；渗透速度缓慢下降的平衡状态阶段；填料表面间歇积水到续积水并 转为厌氧状态的阶段。 新西兰水和大气研究所的t a n n e r 等【4 7 】研究了经过好氧塘、厌氧塘预处理的奶牛场废水 引入有植被和无植被砾石床人工湿地进行处理淤堵后人工湿地中有机颗粒累积情况，结果 表明，无植被系统的有机物平均积累量大约为0 4 - - 一2 3 k g m 2 ，而有植被系统的有机物平均 累积量达到了4k g m 2 ，高负荷时渗透速度明显降低，通过测定发现实际的污水停留时间仅 河海大学硕士毕业论文 为理论值的一半左右；还发现有植被系统保持了较高的填料渗透性，但同时也导致了更多 的有机物累积。 德国柏林大学的p l a t z e r 和m a u e h 4 8 1 综述了垂直流芦苇床人工湿地淤堵的机理、参数和 后果，研究结果表明，填料淤堵是高负荷污水处理系统中常发生的现象，需氧量是个重要 的因素，在填料淤堵问题中总有机物浓度比有机负荷更为重要。k h b o w m e r t 4 9 】等人在印 度研究了把人工湿地应用于处理印染厂废水，在研究过程中发现水流在湿地中形成一块“死 地”，用示踪剂方法进一步研究得出在填料床底部砾石中积累的大量污泥是造成“死地”的主 要原因。 r y s z a r d 等人【5 叫初步研究了潜流人工湿地的填料淤堵现象，并根据前人的研究成果总 结并提出了一个理论方程来描述由于孔隙率的减小导致的填料淤堵，方程假设生物量的增 长和有机悬浮颗粒的生物降解量相等，根据每日悬浮固体输入量结合悬浮固体含水率计算 悬浮固体体积，以此来推导孔隙率的变化并预测淤堵时间。t a n n e r 等人的研究结果表明此 方程具有一定的合理性【5 i 】。 e j f i s h e r 5 2 1 等人自运用人工湿地处理污水的研究过程中发现，系统在运行的第一年前 端填料就发生了渗透系数急剧降低的现象，在两年半的调试期间后端的渗透性能相对稳 定，固体颗粒累积带并未向前移动；通过示踪剂的方法研究表明，平均水力停留时间较理 论值降低了1 0 2 5 。 r c o o p e r 5 3 1 等人指出砾石床系统在处理肉类废水的过程中，第一年时系统前端就发生 了淤堵和表面流。r h k a d l e c 5 4 】等人研究表明，在填料前端的四分之一部分凝胶体的积累 使得填料孔隙率降低了约5 0 ，分析得出累积的物质中8 0 以上为无机物。 詹德吴等【5 5 】针对复合垂直流人工湿地淤堵前后的水力特征进行研究，发现淤堵后人工 湿地水力特征发生变化，出水流量减少，下行池表面积水，小试系统停留时问由原来的2 1 3 h 延长至3 2 5 h ，中试系统停留时间由原来的1 9 4 h 延长至2 6 8 h ，这是由于复合垂直流人工 湿地结构特殊，污水必须先向下流动经过下行池，然后才能向上流动经上行池流出，淤堵 后污水渗透速度降低，污水流线由于回混等原因延长。维也纳农业大学的l a b e r 等 5 6 1 研究 了复合垂直流湿地的淤堵现象，总结了淤堵与水头损失之间的变化规律。 詹德吴等【5 7 】还利用灼烧失重法研究了复合垂直流人工湿地中有机质的积累规律及其 与湿地填料淤堵的关系，发现有机质积累是导致人工湿地淤堵的一个重要原因，且有机质 含量与填料渗透系数呈明显负相关性，淤堵后水力特征发生改变，延长了系统的实际水力 停留时间。 9 河海大学硕士毕业论文 付贵萍【5 8 】等人结合填料粒径、渗透性能和有机质含量对负荷垂直流人工湿地的填料淤 堵问题也进行了相关研究，结果表明，填料层渗透系数随着填料的深度增加而增加，填料 各层中，渗透系数最小值并非存在于填料表层而是存在于填料表层以下1 5 - - - 3 0 c m 处。 t 黜1 0 5 9 】等人还从微观上进行了有关湿地植物对于填料淤堵的影响研究，结果表明， 植物根茎虽然占据了一定的填料孔隙，但植物在生长过程中使得填料孔隙增大，填料床体 高度增加。 国内外学者还对填料中淤堵物质进行了分析研究，得出淤堵物质是由沉降和被过滤的 固体颗粒在微生物的作用下累积而成。填料表面和孔隙中的淤堵物质是由厌氧分解产物 ( 多糖类物质和聚尿类物质) 以及受低温限制未能降解的有机化合物组成。这些在湿地填 料孔隙中的污泥和生物膜是由有机物颗粒、嵌入在细菌胞外的多聚物、腐殖质等组成。这 些细菌胞外的多聚物有着很高的含水率，能形成低密度的凝较状结构，具有很高的淤堵能 力【4 2 6 0 1 。 目前对于淤堵的研究中，得到的研究成果主要都是侧重于淤堵后人工湿地填料单位体 积内的有机质积累、水力特征变化等问题。 1 5 本文的研究目的及意义 我国的水环境污染情况严重，严重的水污染导致的水资源匮乏必将成为制约我国社会 经济发展的重要因素，对面源污水的控制技术和污水处置技术的研究及改善也以成为研究 领域的重要课题。人工湿地以其良好的非点源控制能力且投资低、操作简单、维护和运行 费用低等优点，正越来越多地应用于非点源污染控制和污水处理领域。 人工湿地作为近年来新兴的污水处置工艺，使其在面源控制及污水处理中发挥最大的 功效是我们目前研究的主要方向。由于我国对于人工湿地的研究起步较晚，我们对它的设 计、施工、运行和维护还没有形成套完整的理论体系和规范，正是由于这一点，人工湿 地在实际的运行过程中还存在很多问题。填料淤堵就是人工湿地运行过程中出现的主要问 题，填料的淤堵也正是制约人工湿地功效发挥的最大因素，为了解决这一问题，对于填料 的淤堵研究成为我们目前亟待开展的课题。 开展人工湿地填料淤堵机理的研究，从淤堵过程入手把握人工湿地填料的淤堵机理， 从本质上了解填料淤堵的根本原因。从机理上解释人工湿地淤堵原因，为探讨防治措施提 供基础性资料和理论依据，指导改良人工湿地的设计施工及运行维护，为人工湿地的设计 1 0 河海大学硕士毕业论文 施工和运行维护提供可靠的理论参考，具有较高的理论和现实意义。 1 6 本文的主要工作内容 - 我国的水环境污染严重，而面源污染是造成这一状况的重要原因。人工湿地是近年来 兴起的面源污染控制技术，人工湿地的处理能力和寿命是决定人工湿地功效的主要因素。 但在实际应用中的填料淤堵问题大大的缩短了人工湿地的寿命、降低了湿地的处理能力， 其机理尚不清楚。目前，针对淤堵问题的解决办法多为更换湿地填料，这种办法较为复杂 且易破坏人工湿地微生态结构。基于上述分析，本文通过室外小试实验，对人工湿地填料 淤堵的机理进行了系统地研究，主要工作内容如下： ( 1 ) 人工湿地的选择与构建：本文以填料淤堵现象较为普遍的湿地垂直流人工湿 地作为研究对象；并结合当前国t 勾# t - 研究结论和工程实例，设计垂直流的配水、排水系统， 以及运行参数；同时选择适当的填料和植物系统，构建一系列的垂直流人工湿地模型，为 进一步开展研究奠定基础。 ( 2 ) 垂直流人工湿地填料淤堵主要因子的确定：目前的针对湿地淤堵问题的研究结果 中，造成填料淤堵的因子很多。通过实验以表征人工湿地淤堵的本质特征有效孔隙率、渗 透系数的降低入手，结合人工湿地淤堵过程中的进出水水质指标及其它运行指标，找出几 个导致淤堵的主要因子； 一 ( 3 ) 垂直流人工湿地填料淤堵机理初探：针对导致淤堵的主要因子开展相关研究，探 讨垂直流人工湿地填料淤堵的机理。 1 7 研究的技术路线 进行人工湿地填料淤堵的机理研究，我们首先要构建垂直流人工湿地模型，并找出造 成填料淤堵的主要因子。针对造成淤堵的主要因子开展相关研究，设置以该因子为变量， 其它实验参数为恒量的实验组，结合淤堵过程中湿地各运行参数的变化研究该因子造成淤 堵的影响因素，最后综合分析研究结论，探讨垂直流人工湿地填料淤堵的机理。 技术路线如图1 一l 所示： 河海大学硕士毕业论文 图1 1 技术路线图 1 2 河海大学硕士毕业论文 第二章垂直流人工湿地的构建与主要淤堵因子的确定 人工湿地的淤堵实际上是湿地填料有效孔隙率和渗透系数显著下降的宏观反映，因 此，从水质角度来看，悬浮颗粒对湿地淤堵可能存在较为重要的作用。不同性质和浓度的 悬浮颗粒对湿地系统的淤堵可能存在一定的差异。 基于上述分析，本章以污水中的悬浮颗粒为研究对象，以表征人工湿地淤堵本质特征 的有效孑l 隙率与渗透系数的变化，以及进出水水质指标变化为参照，分析模拟废水中不同 性质颗粒物对湿地填料淤堵的影响，试图了解淤堵过程中悬浮颗粒的积累规律和导致淤堵 的主要因子，为人工湿地的运行管理提供基础性资料和理论依据。 2 1 材料与方法 2 1 1 植物的选取 植物是人工湿地的重要组成部分，不同植物由于根系发达程度不同，放氧速率不同， 对微生物的活性影响不同，从而对污水的净化效率也不同，选取三种实验当地常见水生植 物：芦苇、美人蕉、香蒲为待选湿地植物。 芦苇( p h r a g - m i t e sc o m m u n i st r i m ) ，属木本科多年生草本植物。茎秆直立，节下常生 白粉，株高l 一3 m 。具长、粗壮的匍匐根状茎，以根茎繁殖为主。生在浅水中或低湿地， 新垦麦田或其他水田、旱田易受害。上海地区3 月中下旬从地下根茎长出芽，仁5 月大量 发生，9 1 0 月开花，1 月结果。 香蒲( t y p h aa n g u s t i f o l i a ) ，为多年生草本植物，高可达两公尺，地下茎匍匐泥中， 地上茎直立呈圆柱型，于4 - - - 9 月开花。耐淹。 美人蕉( c a n n ag e n e r a l i sb a i l e y ) ，英文名：l a r g e f l o w e rc a n n a 多年生草本，耐湿的 陆生花卉。地下茎粗壮，地上茎直立。植株高1 2 米，茎绿色或紫红色，有粘液。叶互 生，下部叶较大，卵状长圆形，长4 旺5 0 厘米，顶端尖，基部阔楔形。须根，根系发达 原产美洲，我省普遍栽培。 针对上述三种植物，根据人工湿地选择植物的原则：耐污能力强、净化能力强、根系 发达、适地适种原则、经济和景观效果好等。以上三种均可为实验植物。但本实验采用的 i3 河海大学硕士毕业论文 是直径3 0 厘米的圆桶单元模型，香蒲、芦苇均是地下匍匐茎根，根系发达，生长后根系 发育会对测定系统有效孔隙体积有较大影响，不适合本实验，且由于湿地淤堵后容易滋生 蝇蚊、产生异味，而美人蕉具有较好的景观效果，故选择美人蕉为实验用湿地植物。 2 1 2 湿地运行参数的选取 人工湿地的深度一般是按水生植物根系自然扩展的深度来设计的【6 1 1 ，美人蕉根系一般 长4 0 , - 、, 5 0 厘米，湿地上部需流出部分高度以便于测定填料渗透系数，故本实验采用填料 高度5 0 厘米，模型高度8 0 厘米。 常见污水的污染物基本指标见表2 1 【6 2 “3 1 。由于开展实验的背景湿地多用于处理轻 度污染的河湖水，故选取进水污染物指标为总氮1 0m g l 、总磷2m g l 。由于实验周期的 限制，为了控制淤堵时间，通过估算确定悬浮颗粒含量为1 0 0m g l ；为了使得微生物更快 的生长，加大有机负荷，控制系统进水高锰酸盐指数在1 0 0m g l 。 表2 1 常见污水污染物指标( m g l ) 有研究表明叫，进水负荷增大引起停留时间、出水速率和出水量的下降，不利于污水的 净化处理。但另一方面，进水负荷太小又不能充分发挥湿地的净化潜力，因此湿地系统都 存在一个较佳进水负荷。目前对水力负荷的选取的研究并没有一个确定的指标，本实验选 用一个较为适中的水力负荷8 5 0 m m d 。 2 1 3 垂直流人工湿地单元模型的构建 由于人工湿地淤堵实验的周期较长，必须采用多个模型同时进行平行实验，实验装置 如图2 1 所示。垂直流人工湿地单元模型采用内衬塑料薄膜的铁皮圆桶，其直径为3 0 e r a 、 高8 0 c m 。圆桶底部装填5 c m 厚配水砾石( 1 0 2 0 m m ) ，砾石上部装填4 5 c m 厚粗砂，装填 1 4 河海大学硕士毕业论文 后未经压实。底部设有可调节水位的出水口。在单元模型的表层种植美人蕉，美人蕉采自 镇江当地，栽种时平均株高3 0 c m 、平均株重0 2 5 k g ，栽种密度为1 4 株m 2 j 人工湿地进水 方式为连续流，设有一个容积为6 0 l 的配水桶，通过一根带有流量控制阀的皮管进行配水。 3 0 c m 1 卜- 纠 图2 1 实验模型 实验所用填