（环境工程专业论文）潜流人工湿地处理污染河水的试验研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文 摘要 摘要 人工湿地系统作为一种生态处理方法，它具有效率高、投资少、低运行费用、低 能耗、适用面广等优点，正逐渐成为比较有前途的污水处理工艺。但是，由于人工湿 地具有地域性特征，目前人工湿地的建设缺乏统一的设计参数和方法。人工湿地污水 处理工程一般都是在试验取得成功的基础上，扩大规模进行建设。 本文采用处理效率较高的潜流人工湿地，利用苏州科技学院河水进行处理试验研 究。研究的主要内容包括：( 1 ) 最佳水力负荷和停留时间的确定；( 2 ) 填料和植物最佳 组合的确定：( 3 ) 氮磷去除机理的研究。 试验结果表明：( 1 ) 在实验范围内通过比较得出最佳水力负荷为2 4 c m 3 e r a 2 d 。在 最佳水力负荷2 4 c m 3 c m 2 d 下，人工湿地出水高锰酸盐指数浓度为3 0 1 5 9 5 m g l ，平 均去除率为4 4 5 1 ；出水总氮浓度为1 4 6 0 3 3 6 0 m g l ，平均去除率为5 2 9 9 ；出水 氨氮浓度为0 0 9 9 5 9 5 0 m g l ，平均去除率为6 3 3 9 ；出水总磷浓度为 0 0 3 9 0 1 7 2 m g l ，平均去除率为6 7 9 8 ；出水正磷酸盐浓度为0 0 1 3 0 0 9 m g l ，平均 去除率为6 3 8 8 。( 2 ) 在实验范围内通过比较得出中试试验的潜流人工湿地最佳的植 物与填料组合是酣地的香蒲+ 沸石+ 黄沙+ 碳酸钙组合。( 3 ) 通过测定，粗略估算出 植物芦苇和香蒲对氮、磷的吸收量。经估算芦苇茎和叶所含氮量占进水中氮含量的 8 3 4 ，芦苇茎和叶所含磷的量占进水中磷的含量的1 2 1 8 。香蒲叶所含氮的量占进 水中氮的含量的2 9 6 ：香蒲叶所含磷量占进水中磷含量的6 9 7 。( 4 ) 本实验证明了 植物吸收氮、磷的量是非常有限的，主要通过吸收以外的其他因素如填料的吸附与沉 淀、改善水力条件和根系微环境来改善潜流人工湿地的脱氮除磷效果。 关键词：潜流人工湿地，污染河水，水力条件，香蒲，芦苇 苏州科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t 量曼曼曼量量量鼍曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼皇舅_i 。ii i = ；i 皇曼曼曼 a b s t r a c t c o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mi san e wt y p eo fe c o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y i t i sap r o c e s sw i t hh i g ht r e a t m e n te f f i c i e n c y , l o wi n v e s t m e n t ，c h e a p o p e r a t i o n a lf e e ，l o we n e r g y , w i l df i e l do fa p p l i c a t i o na n ds o o n s o ，c o n s t r u c t e dw e t l a n d w i l lb e c o m eap r o s p e c to fp o l l u t e dw a t e rt r e a t m e n tm e t h o d s h o w e v e r , t h e r ei sl a c ko f u n i f o r md e s i g np a r a m e t e r sa n dm e t h o d st ob u i l dc o n s t r u c t e dw e t l a n da tp r e s e n t t h e r e f o r e t h ec o n s t r u c t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n di su s u a l l yb a s e do ns u c c e s s f u lp i l o te x p e r i m e n t t h i sa r t i c l eu s e st h es u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n dw h i c hi se f f i c i e n tp r o c e s s i n g ，a n d u s et h ef i v e rw a t e ro fu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fs u z h o ut om a k e e x p e r i m e n t a ls t u d y n em a i nc o n t e n to ft h i ss t u d yi n c l u d e s ：( 1 ) c o n f i r m i n gb e s th y d r a u l i c l o a d i n ga n dr e s i d e n c et i m e ；( 2 ) c o n f i r m i n gb e s tc o m b i n a t i o no fs t u f f i n ga n dp l a n t ；( 3 ) t h e s t u d yo nr e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a t ：( 1 ) w i t h i nt h es c o p eo fe x p e r i m e n t , g e tt h eb e s th y d r a u l i c l o a d i n gt h a ti s2 4c m c m 2 dt h r o u g hc o m p a r i s o n u n d e rt h eb e s th y d r a u l i cl o a d i n g ，2 4 c m 3 c m 2 ，p e r m a n g a n a t e - i n d e xd e n s i t y i nt h ew a t e ro ft h ea r t i f i c i a lw e t l a n di s 3 01 - 5 9 5 m g l ，r e m o v i n gr a t ei se q u a l l y4 4 51 ；t h ed e n s i t yo ft o t a ln i t r o g e ni no u t p u t w a t e ri s1 4 6 0 3 3 6 0 m g l ，r e m o v i n gr a t ei se q u a l l y5 2 9 9 ；t h ed e n s i t yo fa m m o n i a n i t r o g e ni no u t - p u tw a t e ri so 0 9 9 5 9 5 0 m g l ，r e m o v i n gr a t ei se q u a l l y6 3 3 9 ；t h ed e n s i t y o ft o t a lp h o s p h o r u si no u t - p u tw a t e ri s0 0 3 9 0 17 2 m g l ，r e m o v i n gr a t ei se q u a l l y6 7 9 8 ； t h ed e n s i t yo fo r t h o p h o s p h a t ei no u t - p u tw a t e ri s0 0 1 3 0 0 9 m g l ，r e m o v i n gr a t ei se q u a l l y 6 3 8 8 ( 2 ) w i t h i nt h es c o p eo fe x p e r i m e n t ，g e tt h eb e s tc o m b i n a t i o no fs t u f f i n ga n dp l a n t o fs u b s u r f a c ef l o ww e t l a n di nm e d i u mo fe x p e r i m e n tt h a ti st y p h aa u g u s t i f o l i a + z e o l i t e + y e l l o ws a n d + c a l c i u mc a r b o n a t e ( 3 ) t h r o u g hm e n s u r a t e ，r u d e l yg e ta b s o r p t i o nc a p a c i t y o fr e e da n dt y p h aa u g u s t i f o l i at ot h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s b ye s t i m a t e ，t h en i t r o g e n c o n t e n to ft h es t a l ka n dl e a fo fr e e do c c u p yt h en i t r o g e nc o n t e n ti nt h ew a t e ri s8 3 4 t h e p h o s p h o r u sc o n t e n to ft h es t a l ka n dl e a fo fr e e do c c u p yt h ep h o s p h o r u sc o n t e n ti nt h e w a t e ri s12 18 t h en i t r o g e nc o n t e n to ft h el e a fo ft y p h a o c c u p yt h en i t r o g e nc o n t e n ti n t h ew a t e ri s2 9 6 t h ep h o s p h o r u sc o n t e n to ft h el e a fo ft y p h ao c c u p yt h ep h o s p h o r u s c o n t e n ti nt h ew a t e ri s6 9 7 ( 4 ) mt e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tp l a n t h a r v e s t i n gi s u n i m p o r t a n t ，1 f 1 抡p l a n tc a l li m p r o v es y s t e mm i c r o e n v i r o m e n ta n dh y d r o l o g yc o n d i t i o n a n ds oe a r li n c r e a s en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e k e y w o r d ：s u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，p o l l u t e dr i v e rw a t e r , h y d r a u l i cc o n d i t i o n , t y p h aa u g u s t i f o l i a , r e e d i i 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 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研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：羞! 隆 日期：邕篮年月j 马日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学 校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用 影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：耋1 2 1 曼日期：砬年月j 尘日 指导教师签名：一弛 日期：c h 丝年 巳月j 乒日 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 总体背景 当前，水资源不足与水污染已成为全世界范围内所共同面临的重大问题，对于发 展中国家尤其突出。大量未经处理的污水排入各种水体，引起水环境不同程度的污染， 水生生态系统遭受破坏，人民的健康受到威胁。水环境问题越来越引起人们的普遍关 注，治理水体污染，改善水环境状况已成为整个世界的共同课题。 自改革开放以来，伴随着经济和工业的高速发展，在我国各地河流污染的情况也 日益严重，各大、中城市中对供水水源水质的保护问题也越来越突出。据不完全统计， 至1 9 9 5 年为止，每天排放的城镇生活污水以达3 0 0 0 万吨以上，工业废水约5 0 0 万吨。 这些污水的绝大部分未经处理便排入直接或间接涉及供水水源流域的江、河流、湖泊、 水库，直接威胁到人们的身体健康和生存环境。根据国家环保局近期公布的一份报告 指出，全国3 2 个重点城市的7 1 个水源地，有3 0 个达不到地表水i i 类水质标准，占 总数的4 2 。全国9 0 以上城市水域污染严重，如今，7 亿人饮用大肠杆菌含量超标 的水，1 7 亿人饮用被有机污染的水。我国有6 3 0 多个城市、近3 亿城市居民正面临 水污染带来的威胁。 1 1 2 苏州水系水污染问题 2 0 0 1 年的监测数据表明，大运河苏州段，外城河和内城河的高锰酸盐指数年均 值均未超过地面水v 类标准，但氨氮年均值均超v 类标准，污染较严重。新运河和元 河塘超过地面水v 类标准。内城河b o d 5 ，氨氮，总氮和总磷4 项指标均高于地面水 v 类标准，其中氨氮、总氮和总磷的最大超标倍数分别达到1 4 5 、6 5 4 和4 5 5 倍， 属重污染程度，部分河段有黑臭现象发生。只有风津运河、金枫运河、金山浜水质基 本达到地面水类标准，苏州的水环境质量如不能得到进一步的改善，必将影响苏州 城市居住和生活质量，弱化苏州水乡旅游城市的特色，影响到苏州市招商引资环境， 阻碍社会经济的发展。水环境质量改善的必要性和迫切性显而易见。 当前，苏州市城市河道水环境存在的突出问题是：一是河水滞流。由于考虑防洪 防涝，苏州内城河与外城河的交汇处均设置闸门，利用泵站进行少量的换水，故河水 大多数时间处于滞流状态。二是点污染源负荷量大，周边居民区，商业区的生活污水 仍有相当部分截流或未经适当处理直接排入河道；三是长时间的纳污使河水中积累了 较高的污染负荷，尤其是氨氮和磷浓度超标较为严重。水环境综合治理一、二期工程 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 实施后，通过支管到户工程将有效地减少点源污染的排放，但是由于苏州市古城区特 有的水环境特征，河道特征和水动力条件，以及污染物的特征，还无法从根本上解决 以上三个突出的问题。 考虑到苏州作为我国重要的历史文化名城和国际知名的风景旅游城市的地位，从 保护苏州古城风貌，恢复苏州江南水乡特色的独特旅游景观，提升苏州的人居环境质 量出发，在水环境治理的工程措施基础上，采用生态修复的途径，对河道的水环境质 量实现更为长远、持续的改善，构建能够在人工强化的工程措施支持下实现调控、恢 复的安全健康的城市水生态系统，重塑苏州的水文化景观。再现“东方的威尼斯”风貌， 是更具战略意义和长远影响的重要举措。本项目即是实现这一目标的探索和尝试。研 究、开发和推广应用以生态技术为核心的城市河道水质恢复技术系统，将为苏州经济 文化的可持续发展提供有力的支持。 1 1 3 城市水系运用人工湿地的优势 威胁城市河湖的主要问题是富营养化。因此，关键是要控制河湖氮、磷营养物 含量，尤其要控制磷的含量，人工湿地对此具有独特的优势。目前，河湖水质污染程 度相对较低，较差水体一般在4 0 - - 6 0 m g l ，符合人工湿地对水质一般不超过1 0 0 m g l 的要求。人工湿地具有非常高的耐水力及污染冲击负荷能力，适应河道水量和水质的 变化，湿地技能不易受到破坏。城市水系主要河道都贯穿许多湖泊、公园和滨河建筑， 为建造人工湿地提供了地里条件，而河道较大的水位落差、完善的闸坝管理，为湿地 运行提供了保障。 1 2 人工湿地污水处理技术概述 1 2 1 人工湿地的起源 湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡带，具有多功能和使用价值的生态系统。 1 9 7 1 年拉姆萨尔国际湿地保护公约将湿地定义为：“湿地系指不论其为天然或人工、 常久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动，或淡水、半咸水或咸 水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的水域【i 】。”它在蓄洪防旱、调节气候、控制土 壤侵蚀、降解环境污染物等方面起着极其重要的作用，被称为地球之“肾 【2 1 。 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 贝, u 是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类 似的湿地系统，它是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，来实 现污水净化的一种新型污水生态处理工剖3 1 。 2 0 世纪7 0 年代德国学者k i c h u t h 提出了根区法( t h er o o t z o n e m e t h o d ) 理论，人们 才真正开始有目的、有意识地利用人工湿地处理污水。7 0 年代的湿地污水处理系统大 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 皇璺曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼量量量量曼曼皇曼曼曼舅皇曼曼鼍爱i 一一一曼i 皇毫量曼量皇曼皇曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅 多利用原有的天然湿地，保持了天然湿地的结构。它们大多以泥泽的形式出现，常被 结合到氧化塘工艺中，以提高氧化塘系统的处理效果。实验发现应用天然湿地系统处 理污水会导致系统种类组成、种群结构、功能及湿地总体价值的显著变化。这种湿地 不影响自然湿地价值，且可对处理工艺优化控制，是一种具有巨大应用潜力的污水处 理工艺。 8 0 年代后，人工湿地则发展到人工建造的、以不同粒径的砂石为基质的处理系统， 并由试验阶段进入应用阶段。1 9 8 5 年以来，美国田纳西河流域管理局在美国东南部建 造了一系列的人工湿地以处理流域内的污水【4 】。 国际上，就人工湿地污水处理系统这种新的污水处理工艺，先后在美国田纳西州 ( 1 9 8 8 年) 和英国剑桥( 1 9 9 0 年) 召开了研讨会，总结了各国人工湿地处理污水的经验， 提出了有关机理及一些可供参考的设计规范和数据，标志着人工湿地系统作为一种独 具特色的污水处理技术正式进入了环境科学技术领域 4 1 。 1 2 2 人工湿地的分类 人工湿地根据湿地中主要植物形式可以分为：1 、浮生植物系统：2 、挺水植物系 统；3 、沉水植物系统：沉水植物系统还处于实验室阶段，其主要应用领域在于初级 处理和二级处理后的深度处理浮生植物系统，主要用于n 、p 去除和提高传统稳定塘 效率。人工湿地按废水湿地床中的不同流动方式可分为三类，即地表流湿地( s u r f a c e f l o ww e t l a n d ，s f w ) 、潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s s f w ) 和垂直流湿地 ( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ，v f 4 1 。 s f w 系统中，废水在湿地的土壤表层流动，水深较浅( 一般在o 1 0 6 m ) 。与s s f w 系统相比，其优点是投资省，缺点是负荷低。北方地区冬季表面会结冰夏季会滋生蚊 蝇、散发臭味，目前较少采用。s s f w 系统是污水在湿地床的内部流动，因而一方面 可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表土层和填料截留等的作 用，以提高其处理效果和处理能力；另一方面则由于水流在地表以下流动，故具有保 温性较好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点。它在污水处理中得到了广 泛的应用【5 棚。目前国际上采用的比较多是这种工艺t 9 1 们，但该系统的投资要略高一些。 v f w 系统是综合了s f w 和s s f w 的特性，水流在填料床中基本上呈由上向下的垂直 流，水流流经床体后被铺设在出水端底部的集水管收集而排出处理系统。这种系统的 基建要求较高，较易滋生蚊蝇，目前己不多采用。 1 2 3 人工湿地的构造 湿地系统是在有一定长宽比和底面坡度的洼地中，由土壤和填料( 如砾石等) 混 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼i i i ii 曼曼曼皇曼蔓曼曼曼曼曼曼曼皇鼍。a am 鼍曼曼皇曼皇曼曼皇鼍 合组成的填料床。废水在床体的填料缝隙中流动或床体表面流动，并在床体表面种植 具有性能好、成活率高、抗水性强、生命周期长、美观及具有经济价值的水生植物( 如 芦苇、蒲草等) ，形成一个独特的动植物生态系统，对废水进行处理【1 1 】。 绝大多数自然和人工湿地由以下五部分的全部或部分组成：具有各种透水性 的基质；适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物；水体( 在基质表面以下或以 上流动的水) ；好氧、兼氧或厌氧微生物；无脊椎或脊椎动物。 1 2 4 人工湿地的特点 人工湿地处理污水具有效率高、投资、运行及维护费用低、适用面广、耐冲击负 荷强等优点。 去除效率高 人工湿地的显著特点之一是其对有机物有较强的降解能力。国内外有关城市污水 的研究表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对b o d 5 的去除率可达8 5 * * - 9 5 ， c o d c ，的去除可达8 0 以上，处理出水e f l b o d 5 的浓度在1 0 m g l 左右，s s d , 于2 0 m g l 湿地对n ，p 去除率也很高，可分别达到6 0 和9 0 以上。而城市二级污水处理厂对n ， p 的去除率仅能达到达2 0 0 o - 6 0 。 投资、运行及维护费用低 据国外统计，一般湿地系统的投资和运行费用仅为传统的二级污水厂的 1 1 0 1 2 。对我国已建成或正在建的常规生化二级处理厂投资进行分析，也表明人工 湿地的投资远远低于常规二级水处理设施。 表1 1 人工湿地与其他工艺比较表 从表1 1 中可以看出人工湿地吨水处理费用仅为相近地区的鼓风曝气型项目投资 的1 6 ( 珠海) 2 0 ( 深圳) ，为同一地区氧化沟方法投资的3 4 。由于人工湿地基本上 不需要机电设备，故维护上只是清理渠道及管理作物，一般农民完全可以承担，只需 个别专业人员定期检查。实践证明，低投资、低运行费用和低维护技术将使广大中小 城镇采用人工湿地处理污水成为可能。 、 适用面广 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 人工湿地适用面广泛，不仅可以用于以脱氮除磷为主要目的的三级处理，还可以 直接用于污水的二级处理；不仅可以处理以耗氧有机物和n ，p 等营养物为主的生活 污水，而且可以处理以耗氧有机物、重金属和油类为主的工业废水【1 2 1 ，不仅可以应用 于集中点源的治理，还被国内外许多研究人员或工程技术人员经过工艺改造后用于农 业面源污染、城市或公路径流【1 3 】，等非点源污染的治理。 耐冲击负荷强 据研究，采用人工湿地处理污水出水水质稳定，无论是对有机污染负荷还是对水 力负荷在一定范围内的波动都有很好的适应性。而且，其本身具有很好的扩充性，因 此容易适应未来不确定的负荷增长【l 4 。 综合效益高 人工湿地污水净化工艺能充分地利用大自然的大型植物及其基质的自然净化能 力净化污水，并在净化污水的过程中促进大型动植物生长，增加绿化和野生动物栖息 的面积，有利于促进良性生态环境的建设。此外，还可直接和间接提供水产、畜产、 造纸原料、建材、娱乐和教育等效益，真正实现生态效益、环境效益、社会效益和经 济效益的协调统一【l 5 。 人工湿地污水处理技术优点很多，但其缺点同样突出，主要表现在以下几个方面： 占地面积大；缺乏长期运行资料；设计参数不统一、差异较大：生物和 水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏；易受病虫害影响。 1 3 人工湿地污水处理技术的应用及研究进展 1 3 1 国外人工湿地技术应用及研究进展 ( 1 ) 国外人工湿地技术应用现状 由于人工湿地在水处理方面具有突出的优点，因此，从它诞生不久，就显示出强 大的生命力，在世界范围内得到广泛的应用，不仅在发达国家，还有许多发展中国家 都有大量的人工湿地工程被建设和投入运行。 目前，仅在美国就约有6 0 0 多座人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水， 4 0 0 座多的人工湿地被用于处理煤矿废水，5 0 多个人工湿地用于处理生物污泥，近4 0 个人工湿地应用处理暴雨径流，超过3 0 个人工湿地系统用于处理奶产品加工废水。在 丹麦、德国、英国每个国家也都至少有2 0 0 个地下潜流湿地系统在运行，新西兰也有 8 0 多个人工湿地系统被投入使用。 在北美自由表面流湿地是主要的处理湿地，其湿地处理系统有2 3 是自由表面流 湿地，其中一半又是自然湿地。自然湿地的大小从1 1 0 0 0 公顷，其中一半在1 0 1 0 0 公 顷。人工自由表面流湿地通常比较小，6 0 d x 于1 0 公顷。自然湿地水力负荷小于人工 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量曼曼皇曼曼皇曼舅- 一一i _ a m u ! ! m m 鼍曼曼曼曼曼曼曼 湿地，系统水深范围为5 9 0 c m ，以3 0 4 0 c m 较普及。最常见的预处理是兼性或氧化塘， 或者说许多湿地系统被用于现行塘系统的精处理。 表1 2 列出了国外人工湿地处理废水典型实例。由表可以看出，人工湿地的应用 非常灵活，面积从数平方米到数公顷不等，既可以用于处理单家独户的生活污水，也 可以用于处理整个小城镇或社区的市政综合废水。除了用于处理生活污水或二级污水 厂出水外，还被广泛用于处理工业废水，如矿山酸性废水、淀粉工业废水、制糖废水、 褐煤热解废水、炼油废水、油田采出水、造纸废水、食品加工和奶制品加工废水等以 金属离子、b o d 5 、c o d c r 和油为主要特征的废水。 - 寸 暑 2 - n - i n 冷 警 卜 寓罱 卜 暑焉： - 卜 o o o 寸n o 一 o o o 一 n 寸寸卜o 寸卜口 卜n 寸_ o 岭寸 寸口n n 。6 n 西 【- 6 o 西 1 卜n d n o n 一n o 寸o n 卜一 n o n n n o _ 【 n n n 卜 岔n n 寸n 一 口寸n 价寸 i o h n 寸_ 崎 寸 _ “ 吨_ n n o _ t o n 卜 爆徊常 皿精 * 蛉震粼睾 o 。t ， 螗旧僻也血 哑撇 疑燃辫辫蝼 冷0-”nio o 寸 o 9 煺艇卜霉 般口 苌丑v n 小卜 。一 一寸 。一 n “ n n n 寸 n 寸n 卜n 寸 n o i - c n 一价 t o 媾旧懈丑皿 k椰最*斟h景宸廿 o h 小! n o 婷姆卜雾 匝粼 * 瑙熙盛 o n n n 9 n 爆挺卜霉 哑球 繁瑙h 最寂廿 葛 心0 臻艇卜冒 圳陋辐*髓h其粼墨 n 卜 鳝埘常如蛾 旧口 * 蜉烬州 o o n n o o ” 爆辫卜簧 袢证 * 蛉烬州 o o = n 崎 爆艇卜署 匝粼 * 贮督怪 o o o o a o；n媾旧僻忸皿 皿粼 繁蛉餐怛 卜0 心葛_葛坎 煺龆卜舞 皿粼 繁蛉督怛 。心2心n心卜 薅艇卜冒 哑撇 繁蛉餐倍 o 【岔 c 6 0 嚣龆卜暮 哑粼 * 丑霹摹坷 繁丑 繁稍* 丑 苌捌 * 习 * 斟 * 习 * 教 * 丑 苌戏 勺 ， p m 剥粼冒赠 最匠 最彩繁鲻 一暑m)di 一暑m)吝1宕邑n-+_苫厶一8邑占ou一暑m)n【o 厘苔| 曷班 释旧 咖烬 暴俅副球*馁斟文碧嘣h 漂浮植物 挺水植物。研究表明，不同器官 对重金属浓缩的倍数不同，一般根 茎 叶，各器官的累积系数随污水浓度的上升而 下降洲。植物对有害物质的吸收以被动吸收为主，增加植物和废水的接触时间，可增 强植物对其去除率【2 】。但是，植物对n ，p 和重金属的吸收只占这些污染物质去除量 很小的一部分，只有在水量处理能力较小的自由表面流人工湿地中，植物对n ，p 等 营养物质的吸收才起重要作用p 7 。 ( 4 ) 影响湿地水力条件 植物根系是除湿地基质外影响水力流动状况的主要因素。其对水力流动状况造成 的物理效应一是减小了湿地容水体积( 孔隙体积) ，提高了出水量、出水速率；二是 增加了表层砂土的水流通道并沟通基质上、下层，使污水流动迅速，出水畅快，缩短 了停留时间【3 引。 2 3 微生物在系统中的作用 微生物是人工湿地净化废水的主要“执行者”，它们把有机质作为丰富的能源，将 其转化为营养物质和能量。人工湿地在处理污水之前，各类微生物的数量与自然湿地 基本相同。但随着污水不断进入人工湿地系统，某些微生物的数量将逐渐增加，并在 一定时间内达到最大值而趋于稳定。 人工湿地处理污水时，有机物的降解和转化主要由植物根区微生物活动来完成 湿生植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根区，在植物根须周围微环境中依次出 现好氧区、兼氧区和厌氧区，废水中大部分有机物在好氧区内被好氧微生物氧化分解， 而在还原区域内则经厌氧细菌的发酵作用将有机物分解【2 】【3 9 】 人工湿地中的优势菌属主要有假单胞杆菌属、产碱杆菌属和黄杆菌属。这些优势 菌属均为快速生长的微生物，其体内大多含有降解质粒，是分解有机污染物的主体微 生物种群。细菌能使含氮化合物转化为可供植物和微生物利用的含氮无机化合物：真 菌具有强大的酶系统，能引起纤维素、木质素、果胶等的分解，能使蛋白质化合物分 解释放氨；放线菌是降解含氮化合物的积极参与者，还能形成抗生物质维持湿地生物 群落的动态平衡：磷细菌能将有机状态的、不可直接利用的磷素降解为简单的、可供 植物及微生物吸收的磷化物，并在厌氧条件下提供短链脂肪酸；硫细菌能将有机硫化 苏州科技学院硕士学位论文 第二章人工湿地的净化机理 物降解为无机硫化物再从污水中除去；含氮化合物的去除则先由亚硝化细菌和硝化细 菌在好氧条件下将其降解为硝酸盐和亚硝酸盐，又在缺氧条件下经反硝化细菌将其还 原为n 2 0 或n 2 ；藻类起着光合作用放氧和吸收营养物质的作用；原生动物摄食一些 微生物和碎屑，起调节微生物群落的动态平衡和清洁水体的作用【4 。 人工湿地中微生物的种类和数量是极其丰富的，这为人工湿地污水处理系统提供 了足够的分解者。芦苇床系统的根表面根际土的细菌数量可达1 0 8 个克干重，且趋 于稳定，季节变化不大【3 6 l ；芦苇和菱白湿地中氮转化细菌丰富，显著高于无植物系统， 且比基质上的高出1 2 个数量级【l 川；香蒲、灯心草人工湿地中细菌、放线菌、真菌 数量大，且季节变化大，空间分布不均匀。研究证实污水中b o d s 和c o d c , 的去除率 与微生物数目明显相关：污水中n h 4 + - n 的去除率与根区的硝化细菌和反硝化细茵数 量相关性极显著；t n 的去除率与服酶的活性有较明显的正相关p 6 】。 2 4 小结 众多的研究表明，人工湿地具有出水水质稳定、对n ，p 等营养物质去除能力强、 基建和运行费用低、技术含量低、维护管理方便、耐冲击负荷强和具有美学和经济价 值等优点。它利用基质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 协调作用，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 中s s ，b o d 5 ，c o d c r ，n ，p 和重金属等污染物质的去除。对于稳定运行的人工湿 地，其去除主要机理如表2 1 所示。 表2 1人工湿地的净化机理 注：为最主要作用，主要作用，次要作用，o 作用很小或无作用 苏州科技学院硕士学位论文第三章潜流人工湿地中试试验 第三章潜流人工湿地中试试验 3 1 潜流人工湿地中试概况 作为“十五”国家重大科技水专项苏州市城市水环境质量改善技术研究与综 合示范工程的子课题，中试试验采用潜流人工湿地。由于苏州科技学院河道水系和苏 州城市河道水系都是相对封闭，学校的河道能代表苏州河道的情况，故选定建筑系馆 西北面的新桥的水作为潜流人工湿地的进水，试验基地的地形如图3 1 所示。潜流人 工湿地中试试验基地于2 0 0 4 年8 月初建成并投入运行。 图3 - 1 中试试验位置示意图 桥 一气圈 3 2 潜流人工湿地中试试验 潜流人工湿地初始设计处理规模为5 0m 3 d ，初始设计水力负荷2 5 e m d ，h r t = 3 d 。 整个潜流人工湿地高7 5 c m ，其中覆土层厚2 0 c m ，填料层5 0 5 5 c m ，底板坡度i = 1 5 。整个潜流人工湿地为正六边形，从中心到各边有效距离为l o r e 。该中试基地有六 种组合方式，组合如下： 1 号地：芦苇+ 砾石+ 黄沙；2 号地：香蒲+ 砾石+ 黄沙； 3 号地：芦苇+ 沸石+ 黄沙；4 号地：香蒲+ 沸石+ 黄沙； 5 号地：芦苇+ 沸石+ 黄沙+ 碳酸钙：6 号地：香蒲+ 沸石+ 黄沙+ 碳酸钙。 可考察不同填料与植物的组合。中心设有配水井，通过控制三角堰的长度可改变试验 苏州科技学院硕士学位论文 第三章潜流人工湿地中试试验 量皇曼皇曼量曼曼曼量鼍量一 | i _ j。ii - - il。 i 皇 的水力负荷和停留时间；在每一块试验湿地中距中心不同距离设有深度不一的取样 管，便于考察不同距离、不同水深的去除效率及其发生的机理。出水区先按照一对 的方式出水，有利于考察每块湿地的处理水量和水质，经测定后再汇于总排水取经管 道返回河道中。其示意图见图3 - 2 和图3 3 。 图3 - 2 潜流人工湿地示意图 图3 - 3 填料层构造详图 苏州科技学院硕士学位论文第三章潜流人工湿地中试试验 3 3 实验设置 潜流人工湿地中试试验基地从2 0 0 4 年8 月开始运行，在其寒假期间停运，寒假 过后实验继续进行，本论文实验是从2 0 0 4 年9 月2 0 日开始，在实验期间的实验内容 如下： ( 1 ) 确定填料和植物最佳组合； ( 2 ) 最佳水力负荷和停留时间的确定 ( 3 ) 了解和确定污染物的降解过程 在实验期间第一阶段的进水流量变化：2 0 0 4 年9 月2 0 日2 0 0 5 年3 月3 1 日期 间为2 m 3 i l ，2 0 0 5 年4 月1 3 日- 5 月1 6 日期间为3 m 3 h a ，2 0 0 5 年5 月1 7 日5 月2 6 日 期间为4 m a h ；第二阶段又补充了两个流量，2 0 0 5 年7 月2 2 日9 月1 2 日期间为l m 3 h a ， 2 0 0 5 年9 月1 6 日1 0 月2 4 日期间为5 m 3 h 。 3 3 1 填料和植物最佳组合选定 一、机理 填料吸附是除磷的主要方式，同时填料选择还影响植物生长，从而进一步影响植 物吸收氮和磷，以及附着在植物上的微生物生长并影响脱氮效果( 硝化和反硝化) ， 因此填料和植物有一个最佳组合，从而达到最佳的去除氮磷效率。 二、试验方法 根据参考文献，固定进水水力负荷( 本试验采用设计负荷) 、p h 值( 7 9 ) 、停 留时间( 3 d ) 和温度( 当时季节) ，采用对比试验方法，从三种填料( 沸石，砾石， 沸石+ 石灰石) 和两种植物( 芦苇和香蒲) 组成的六种组合中找出氮磷综合去除效果 最佳的组合。 3 3 2 最佳水力负荷和停留时间的确定 一、机理 进水负荷大，则在人工湿地中停留时间短，与植物和微生物接触时间短，会降低 处理效果，同时还会冲刷并带走一部分微生物和生物膜；水力负荷太小，则会增大污 水停留时间，减少湿地中植物和微生物营养负荷，不能充分发挥湿地的处理能力，并 导致系统中植物和微生物营养不足，系统运行和处理效果缺乏稳定性，因此存在一个 最佳进水水力负荷。 同时可以通过固定水力负荷，改变潜流人工湿地的水面高度，达到改变水力停留 时间，影响植物根系在水下部分，进而影响最终脱氮除磷效果。 二、试验方法 苏州科技学院硕士学位论文第三章潜流人工湿地中试试验 ! ：_ !i ii ii - - 曼曼曼舅曼量曼曼曼曼曼蔓量曼曼曼皇皇曼鼍曼曼曼曼鼍曼皇曼曼曼曼量 采用上述试验确定的最佳植物和填料组合，固定p h 值( 7 9 ) 和温度( 当时季 节) ，改变进水负荷，研究氮磷去除效率和进水负荷关系，得出最佳进水水力负荷， 使得氮磷去除效果最佳。 3 3 3 污染物的降解过程 ( 1 ) 考察沿水流方向不同距离、不同填料层高度对营养物去除的贡献率，为今 后潜流人工湿地的设计积累有用的经验； 结合上述二个试验的进行，从预置的采样管取样分析相关水质指标，以考察不同 距离、不同填料层高度对氮磷去除的贡献率。 ( 2 ) 分析不同填料层高度营养物去除的主要作用过程，进一步研究潜流人工湿 地去除氮、磷的机理，了解营养物经过填料吸附、生物降解和植物吸收的规律。 3 4 水质分析测定方法 3 4 1 测定项目 为了对水体污染程度以及评估潜流人工湿地对污染河水的去除效果，对进水和出 水水样做物理化学测定。 水质的物理化学指标测定： 定期采样，测定高锰酸盐指数、t p 、p 0 4 3 - _ p 、t n 、n h 3 - n 、n 0 3 一- n 、n 0 2 - - n 、 d o 、p h 、浊度、水温。其实验方法都是取自于水和废水监测分析方法。 取样时取每一块湿地出水管里的水，用1 0 0 m l 的注射器和橡胶管取，取后的水样 用矿泉水瓶盛放，并且在2 3 小时内测定，从湿地取得水样经过中速滤纸过滤后再测 定其水质指标。 苏州科技学院硕士学位论文 第三章潜流人丁湿地中试试验 3 4 2 测定方法及仪器 水样的物化指标测定项目、方法及仪器见表3 一l 表3 1水样的物化指标测定项目、方法及仪器 2 l - 苏州科技学院硕士学位论文 第四章实验结果 皇曼曼曼曼曼曼曼曼璺| _ i i 一- 曼- 曼曼曼曼皇曼曼曼舅 第四章实验结果 4 1 不同流量下各污染物的平均浓度和平均去除率 为了确定在不同流量下各植物与填料组合对各污染物的去除效果，以及考察不同 流量下人工湿地对各污染物的平均去除效率，列出2 0 0 4 年9 月2 0 日1 0 0 6 年5 月 3 1 日期间，在此期间分析其中的典型数据，表4 1 、4 2 、4 3 、4 4 和4 5 分别表示流 量在l m 3 h 、2 m 3 h 、3 m 3 h 、4 m 3 h 和5 m 3 h 时各污染物的平均浓度和去除效率。由于 未知原因，1 j 湿地于2 0 0 5 年3 月3 1 日起没有出水，这段时间期间没有1 拌湿地的实 验数据。 & 一卜崎n n 卜卜 口寸价寸一卜卜卜n 9 寸 心n “ 寸o n o寸h oo n n o2 n o _ n i n 6 ” n a 一口 寸寸n n 匕卜n寸a 一心 n 卜n 试寸o “寸o _ “寸n 一“n o n n 岔岔卜嚣6 卜卜s 崎口_ 1 一心岔o a 母n o田”o 0卜n o 0n o o n o 0 n o 0 口卜卜c a 岔o 岔n i n n c 岭n o n 卜o 0卜n o o寸n o o寸口o o心寸o o 西n 卜_ c n8 n昏n “n卜n ”n 卜n 卜岣寸心寸寸n 卜_ i “h n h o h o “ i i o 试 繁隧 j ”稚寸难n簸n 霎一褂 罱暑v 一料 罱眦) 摹一瓣 奇眦) 摹v 锝 盖g v 霎一褂 奇m ) 畿眯露 越长轷 篮求露牛 毯蛏霸牛 篮稍羁 憾蛏露 筐悄露牛 毯蛏轷 篮悄露 趟蛏霸 酶顺 晤硇 辎镫鼙目 餐蹈 妊靼钼箭螭恒 褂笾佩曩睁暑碧窭船廿圭世疑露阡g赛球烬啦卜壤m【 蹀蛞承林褂臣扶 钗秘趟扑_=卜隧龌扑辎藻丢椽 寸n 卜寸n nt 卜”n _ 6 nn n c a 0 n n n寸心0”n o_ 口t oa on 卜n 0 n n n 卜心冀口n a n 一寸 卜n 卜n n n ”i 卜小寸n n _ o c n 寸寸 卜a 一n 心心c 寸 卜n n c t n 卜