（环境科学专业论文）新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化.pdf

通过对火山石、沸石、碎石三种基质的比较发现：火山石的堆积密度最小， 仅为6 9 3k g 1 t i 一，碎石和沸石的堆积密度大约为火山石的两倍；吸附动力学试验 表明氨氮在三种基质表面的吸附在6 小时后达到平衡；通过对等温吸附试验数据 进行非线性拟合发现火山石和碎石符合l a n g m u i r 等温吸附方程，而沸石更符合 f r e u n d l i c h 等温吸附方程，通过对方程相关参数的分析表明沸石对氨氮的理论饱 和吸附量最大，火山石次之，碎石最差；通过生物膜量试验发现当体积一定时， 沸石的生物膜量最大。 三、几种湿地植物的对比研究 本文通过对四种湿地植物根系泌氧轴向分布进行研究，发现四种植物的泌氧 浓度都是沿轴向先升高后降低，在从根基算起的根长度的1 4 处达到最大值，在 根尖处达到最小值；对根系的径向泌氧研究发现，四种植物根的径向泌氧能够扩 散到周围5 0 0 m n 的范围；通过对泌氧量大小的比较得出4 种湿地植物的平均泌 氧量大小为：鸢尾 芦竹 香蒲 芦苇。 关键词：好氧厌氧串联；氨氮：吸附；根系泌氧 n e wt y p es u b s u r f a c efio wc o n s t r u c t e dw e tia n df o r tre a t m e n to fru rald o m e s tics e w a g ea n do p timiz a tio n a b s t r a c t n a n s i h ul a k ea st h es t o r i n gl a k ea n dt h ew a t e rc h a n n e lo fs o u t h - t o - n o r t hw a t e r t r a n s f e re a s tr o u t ep r o j e c t ，t h ew a t e rq u a l i t yt h e r ei st h ek e yt ot h es u c c e s s b u tf o ra l o n gt i m e ，d u et ol a c k i n go fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf a c i l i t i e s ，a s w e l la sl a c k i n g e f f e c t i v em a n a g e m e n t ，m o s to ft h ed o m e s t i cs e w a g ew a sd i r e c t l yo ri n d i r e c t l y d i s c h a r g e di n t o t h el a k e ，c a u s i n gt h el a k ew a t e rp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，e f f e c t i v e t r e a t m e n to ft h ed o m e s t i cs e w a g em u s tb eu s e dt og u a r a n t e et h ew a t e rq u a l i t yi nr u r a l a r e a s c o n s t r u c t e dw e t l a n d sw a t e rp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e so fl e s s i n v e s t m e n t ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o na n ds t r o n gb u f f e r i n gc a p a c i t y , s oi t so n eo ft h e b e s tc h o i c e sf o rd e a l i n gw i t hr u r a ld o m e s t i cs e w a g ei nc h i n a t h er e m o v i n go fn i t r o g e ni nc o n s t r u c t e dw e t l a n d s m a i n l yd e p e n d s o n a m m o n i f i c a t i o n ，n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n n i t r i f i c a t i o ni so c c u r r e di na e r o b i c e n v i r o n m e n t s ，w h i l ed e n i t r i f i c a t i o ni si na n a e r o b i cc o n d i t i o n s d u i n gt oi t ss t r u c t u r a l l i m i t a t i o n s ，c o n v e n t i o n a l s 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 sc a nn o tp r o v i d e a e r o b i ca n da n a e r o b i ce n v i r o n m e n ta tt h es a m et i m e t nr e m o v a lo fas i n g l et y p eo f c o n s t r u c t e dw e t l a n d si so f t e nn o th i g h t od e a l 、析t ht h ep r o b l e ma b o v e o u rr e s e a r c ht e a mh a sd e s i g n e dt h ea e r o b i c a n a e r o b i cm u l t i 1 e v e ls e r i e ss 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 sw a t e rp u r i f i c a t i o n t e c h n o l o g y , a n dt h et e c h n o l o g yh a ss u c c e e di nl a b o r a t o r yt e s tp h a s e i nt h i ss t u d y , a p i l o tp l a n ts y s t e mh a sb e e nb u i l t ，a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 4 + - n ，t n ，c o da r e s t u d i e dt ov e r i f yw h e t h e rt h ew a t e rp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yc a na p p l i e di nr e a ll i f e a t t h es a m et i m e ，t h ep r i c e 、t h ea d s o r p t i o np r o p e r t i e sa n dt h ea m o u n to fb i o f i l mo ft h r e e k i n d so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d sm a t r i xw e r ec o m p a r e d ，r a d i a lo x y g e nl o s so ff o u rk i n d s o fw e t l a n dp l a n tw e r ea l s oc a r r i e do u tac o m p a r i s o n ，a i m st op r o v i d et h e o r e t i c a l s u p p o r tt ot h eo p t i m i z a t i o no fs u b s t r a t e a n dp l a n tf o rn e wt y p es 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 d s ，a n dp r o v i d ear e a l i s t i cb a s i sf o rp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n o fc o n s t r u c t e dw e t l a n di nt h cv a s tr u r a la r e a s m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h er e s e a r c ho fw a t e rp u r i f y i n ge f f e c tw i t hn e wt y p es 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 d s c o dr e m o v a lm a i n l yo c c u r si n t h ea e r o b i cs e c t i o nw h i c hi s a tt h e f r o n to f c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，c o dr e m o v a lr a t eo f u pt o9 0 i ns u m m e r , a n di ti sa l s oh i g h e r t h a n5 5 d u r i n ga u t u m n ；h i g h e ra m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t eo c c u r si nt h ea e r o b i c s e c t i o nw h i c hi sa tt h er e a ro fc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ei s m a i n t a i n e da ta b o v e6 0 ；t o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr a t ei sm a i n t a i n e da ta b o v e5 0 ， s o m e t i m e si tc a ng e tu pt o6 8 t h er e s u l t sa r ec l o s et ot h el a b o r a t o r yt e s t d a t a ， i n d i c a t i n gt h a tt h en e wt y p ep u r i f i c a t i o np r o c e s sa l s oh a sg o o dt r e a t m e n te f f e c ti nt h e r e a l i t y s e c o n d ，t h ec o m p a r i s o na n ds t u d y i n go ns e v e r a lw e t l a n dm a t r i x e s t h ec o m p a r i s o no fv o l c a n os t o n e ，z e o l i t e ，g r a v e lr e v e a l st h a tv o l c a n os t o n eb u l k d e n s i t yi sm i n i m u m ，o n l y6 9 3 k g m 。3 ，p a c k i n gd e n s i t yo fg r a v e la n dz e o l i t ei sa b o u t t w i c et h a to ft h ev o l c a n i cr o c k ；t h ea d s o r p t i o nk i n e t i c se x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h e a d s o r p t i o n o fa m m o n i an i t r o g e ni nt h et h r e e t y p e so fm a t r i xs u r f a c et or e a c h e q u i l i b r i u ma f t e r6h o u r s ；a f t e rn o n l i n e a rf i t t i n go fa d s o r p t i o ni s o t h e r me x p e r i m e n t a l d a t a ，i ti ss h o w st h a tv o l c a n i cr o c ka n dg r a v e li nl i n ew i t ht h el a n g m u i ri s o t h e r m e q u a t i o n ，w h i l et h ez e o l i t ei sm o r ei nl i n ew i t ht h ef r e u n d l i c hi s o t h e r me q u a t i o n ；b y a n a l y s i so ft h er e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h ee q u a t i o ns h o wt h a t t h a tt h et h e o r e t i c a l s a t u r a t i o no ft h ez e o l i t eo nt h ea m m o n i a n i t r o g e na d s o r p t i o nc a p a c i t yi st h el a r g e s t ， f o l l o w e db yv o l c a n i cr o c k ，g r a v e lw o r s t ；b i o f i l m sa m o u n te x p e r i m e n t ss h o wt h a t w h e nt h ev o l u m ei sf i x e d ，z e o l i t e sb i o f i l mi st h el a r g e s t t h i r d ，t h ec o m p a r i s o na n ds t u d y i n go ns e v e r a lw e t l a n dp l a n t s a f t e rd e t e c t i n gt h eo x y g e ns a t u r a t i o na tt h er o o ts u r f a c ea l o n gt h er o o t ，i ts h o w s t h a tt h em a x i m u mo x y g e ns a t u r a t i o no c c u r r e di nt h eb a s a lr e g i o na ta b o u t1 4o ft h e t o t a lr o o tl e n g t ha n dv a l u e sd e c r e a s e dt o w a r d st h er o o tt i pf o rb o t h p l a n t s ；t o i n v e s t i g a t et h eo x y g e ng r a d i e n ta sw e l la st h ee x t e n s i o no ft h eo x y g e nd i f f u s i o nz o n e ， v e r t i c a lo x y g e np r o f i l e sf r o mt h er o o ts u r f a c ei n t ot h ea g a rw e r em e a s u r e d ，t h er e s u l t s r e v e a l e da no x y g e nd i f f u s i o nz o n ea r o u n dt h er o o t so f5 0 0 “mt h i c k n e s sf o rb o t hp l a n t ； t h e r o l ( r a d i a lo x y g e nl o s s ) a b i l i t y o ff o u rw e t l a n dp l a n t si s ：i r i s a r u n d o d o n a x c a t t a i l r e e d k e yw o r d s ：a e r o b i c a n a e r o b i cs e r i e s ；a m m o n i an i t r o g e n ；a d s o r p t i o n ；r a d i a l o x y g e nl o s s 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 u 日i j 舌 南水北调工程是为了解决我国北方地区水资源短缺问题而建设的特大基础 设施项目，该项目包括西线、中线、东线三条调水线路。其中的东线工程主要供 水目标为黄淮海平原东部以及山东半岛地区，解决山东东部、江苏北部以及河北 东南部和津浦铁路沿线城市的缺水问题。其中，南四湖作为南水北调东线工程的 重要调蓄湖泊和输水通道，其水质是否达标是东线工程成败的关键。 南四湖湖区内居住的渔民和农民约有1 5 万左右，每天产生约0 7 5 万吨生活 污水。长期以来，由于农村地区缺乏基础环保设施以及有效的管理，生活污水大 都直接或间接的排入湖内，造成湖水污染。庞煜等人对南水北调东线山东省境内 四大流域的水污染现状进行了全面的调查。结果表明：除南四湖微山岛东侧水质 符合地表水环境质量标准1 v 类地表水标准外，其余4 个监测点水质只能达到 或低于v 类水质标准，而南四糊1 0 条河流入湖断面中的八个断面均为劣v 类水 质( 庞煜等，2 0 0 2 ) 。因此，必须对南四湖湖区农村的生活污水进行有效利用和 治理，才能够保障南水北调东线工程对南四湖水质的要求。 人工湿地水质净化技术具有投资少、能耗低、出水水质稳定、耐冲击力强和 美化环境等优点。从我国农村地区的实际情况出发，将人工湿地选为农村生活污 水的处理技术，其应用前景非常广阔且具有良好的环境生态效益。其中，好氧 厌氧多级串联潜流人工湿地是针对传统湿地对氮去除率不高的缺点，经过结构上 的优化而形成的一种新型的人工湿地水质处理工艺。本课题组曾在室内对该工艺 进行研究和结构优化，结果表明其对c o d 、氨氮和总氮的去除率均优于传统的 港流湿地。 本次研究是基于好氧厌氧多级串联潜流人工湿地的室内模型，将该工艺应 用到实际当中，通过对该系统中的c o d 、氨氮、总氮等水质参数进行监测和分 析，验证该工艺在实际应用中对水质的处理效果。并进一步对3 种湿地基质的物 理性质、生物膜量和吸附性能进行了研究，同时对4 种湿地植物的根系泌氧能力 进行了比较，以期能对本新型潜流人工湿地基质和植物的优化提供理论支持，并 为人工湿地水质净化工艺在广大农村的推广应用提供实践经验和应用借鉴。 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 农村生活污水特点 农村由于经济水平低，管理方法落后，生活配套设施不健全，缺乏收集污水 的环保基础设施，再加上长期以来农民形成的不良生活习惯，如随地倾倒污水等， 使得农村水体环境恶化( 张增胜等，2 0 0 8 ) 。也正是由于农村生活方式及经济发 展程度等因素的影响，农村生活污水与城市生活污水、工业废水具有显著不同的 特点。 农村生活污水一般包括两个来源：一是沐浴、洗涤、厨房炊事等分散的家庭 用水，二是来自农村畜禽养殖产生的粪尿。农村生活污水相对于城市生活污水排 放量较小且有机物、氨氮含量偏高，并且由于是问歇排放，因此波动大。 我国农村地区的人口分布较广，生活污水水质、水量波动性大，排水管网很 不健全；并且农村的经济实力较弱，也缺乏专业的污水处理人员( 赵璇等，2 0 0 7 ) 。 正是由于这些现状，农村污水处理工艺不能一味地选择技术先进、处理效果好、 自动化水平很高的处理工艺，而是应该着重考虑既成熟可靠又具有抗冲击负荷能 力强、建设运行费用低、操作管理简单等特点的技术。 1 1 2 农村生活污水处理技术 ( 1 ) 国外农村生活污水处理技术概述 在农村生活污水处理技术的研究与应用方面，外国积累了大量经验。澳大 利亚科学和工业研究组织( c o m m o n w e a l t hs c i e n t i f i ca n di n d u s t r i a lr e s e a r c h o r g a n i z a t i o n ，c s i r o ) 研发了一种叫做“f i l t e r ”的处理工艺，该工艺主要用污 水对农作物进行灌溉，污水自上而下经过土地处理后，再利用埋在地下的暗管将 其汇集排出。“f i l t e r ”系统对农村生活污水的处理效果好，并且运行费用低，适 用于土地资源丰富的地区( 苏东辉等，2 0 0 5 ) 。 美国加州大学伯克利分校的o s w a l d 基于传统的稳定塘，研制出了高效藻类 塘处理技术。该技术利用了藻类产生的氧气来促进细菌对有机物的降解，具有基 建投资少、水力停留时间短、运行费用低等优点。目前高效藻类塘技术在美国、 德国、以色列、新加坡等地都有应用( m c l e a n 等，2 0 0 0 ；g o m e z 等，1 9 9 5 ) 。 。日本从1 9 7 3 年开始实行农村生活污水分散处理计划，研究了一系列的的小 2 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 型一体化污水分散处理设施，并于2 0 0 1 年4 月实行了相关的新法律，以确保农 村地区生活污水的净化处理( 王君如等，2 0 0 5 ) 。其中，日本独立发展的净化槽 技术( i o h k a s o u s ) 已经广泛应用于农村生活污水的处理。净化槽处理技术是通过 物理处理和生化处理相结合，利用微生物分解、化学絮凝反应和物理沉淀来降解 污水中的污染物。如今日本已经研发出了两种比较成熟的净化槽用于生活污水处 理：一种是合并处理净化槽，主要针对洗涤和粪便等生活污水的净化处理；另一 种是深度处理净化槽，它不仅可以降低有机物的含量，还有脱氮除磷的功能( 王 君如等，2 0 0 5 ) 。1 9 9 4 年，清华大学和同济大学开始对净化槽技术进行研究。目 前国内已有少数净化槽生产厂家，但是国内厂家普遍存在如下问题：( 1 ) 处理设 备跑冒滴漏、噪音、臭气问题严重，( 2 ) n 生产成本高，使得制造商在采用低成 本、不成熟的生物处理技术。( 3 ) 生产规模和销售量偏小。( 4 ) 无国家级的技术 评价系统。因此这项技术在中国广泛推广尚需时日。 此外，目前国外正在研究的技术还有一体化氧化沟技术、蚯蚓生态滤池污水 处理技术等：一体化氧化沟是集曝气、沉淀、泥水分离、污泥回流等功能于一体 的技术，适合中小型污水处理厂的应用；蚯蚓具有促进有机物质的分解转化和提 高土壤通气透水性能的能力，因此法国和智利研究开发了蚯蚓生态滤池污水处理 技术，该技术既能高效地去除生活污水中的污染物，又能大幅度的降低污泥处理 费用( 郝桂玉等，2 0 0 4 ) 。 ( 2 ) 国内农村生活污水处理技术概述 我国的农村在生活污水处理方面起步较晚。近些年来，随着我国经济实力的 增强，一些发达省份逐步意识到农村污水处理问题的重要程度。于是开始应用一 些实用性强、能耗低和运行费用低的处理技术来进行农村污水治理，国内常见的 处理技术有以下几种： 生物沼气池技术：生物沼气池工艺是传统化粪池的代替工艺，在我国南方地 区的一些城镇已经得到广泛使用。据农业部统计，2 0 0 6 年中国农村新建生活污 水净化沼气池1 3 0 7 9 3 个，新增产气总量8 3 5 9 9 3 3 万立方米，实现农作物秸秆或 人畜粪便的合理利用，减轻了农村生态环境的压力( 张家炜等，2 0 1 1 ) 。农村生 活污水经过厌氧发酵后，大部分的有机物被分解，出水可直接灌溉农田；同时， 污水中的有机物质经厌氧发酵后产生的沼气可用作清洁能源。生物沼气池的工艺 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 简单，建设成本低，运行费用也低，比较适合在农户家中使用。 土壤渗滤处理技术：土壤渗滤处理技术是利用“土壤植物。微生物系统”的 综合净化作用，有控制地将农村生活污水分配到渗滤性能良好的土壤表层，生活 污水在自上而下的渗滤过程中，通过微生物氧化、硝化与反硝化、土壤的过滤沉 淀作用以及氧化还原等一系列反应而得到净化的一种生活污水土地处理技术 ( u n i t e ds t a t e se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ，19 81 ) 。系统包括慢速渗滤系统、 地表渗滤系统、快速渗滤系统土壤含水层处理系统、地表漫流系统等。其中， 人工土快速渗滤系统是土壤渗滤处理技术的一种，该系统中的土壤为人工配制， 这样就可以在保证土壤中微生物活性的前提下大幅度提高土壤的渗水率，从而使 得系统既能承受较高的水力负荷又具有良好的污染物去除效果( 崔理华等， 2 0 0 0 ) 。但是，土壤渗滤系统处理农村生活污水也存在抗冲击负荷能力差和出水 氨氮含量高且不稳定等缺点，且干湿交替运行地下土壤渗滤系统存在占地面积 大的缺点。 稳定塘处理技术：稳定塘是利用水体中天然存在的藻类和微生物，对生活污 水进行生物处理的天然或人工池塘，该系统可以在天然条件下利用水体自净作用 来完成废水的处理。稳定塘技术目前在许多国家广泛应用，我国从2 0 世纪8 0 年代开始在全国范围内开展研究。稳定塘技术与传统的生物法相比，具有运行费 用低、投资少、管理简便等优点，其缺点是能够承受的有机负荷低，并且占地面 积过大，处理效果不稳定，易于散发臭气、滋生蚊蝇等。随着对稳定塘处理技术 研究的深入，相继出现了如高效藻类塘、移动曝气塘、水生植物塘等新型塘，强 化了稳定塘优点的同时改进了其存在的缺点，使的该技术在农村生活污水处理中 具有更广阔的应用前景( 张瑞星，2 0 0 6 ) 。 我国农村生活污水处理水平低且处理方式落后，主要的处理手段是利用化粪 池，目前经常采用的沼气化粪池则必须经过后续的兼性或者好氧滤池处理才能达 到综合污水排放标准的二级标准( 陈华永等，1 9 9 9 ) 。近几年来，一些研究 人员尝试采用膜生物反应器、序批式生物反应器或地埋式接触氧化池等处理技术 来处理农村污水，都因为投资大、运行费用高、耗能高、管理困难等原因难以推 广( 张凯松等，2 0 0 3o 目前，我国大部分城市的污水处理厂都是采用二级活性 污泥法处理工艺来处理废水，这种工艺基建费用高、运行能耗高、运行管理的要 4 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 求也高，因此城市集中式处理污水的办法无法在农村推广。所以在广大农村开发 具有运行高效、节能环保、操作管理便捷的生活污水处理技术，具有很大的意义。 人工湿地作为一种污水处理技术已经有3 0 多年的历史，它具有投资少、能 耗低、出水水质稳定、耐冲击力强和美化环境等优点。从我国农村地区的实际情 况出发，将人工湿地选为农村生活污水的处理技术，其应用前景非常广阔且具有 良好的环境生态效益。 1 2 人工湿地概述 1 2 1 人工湿地概念 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，c w ) 是指人工建造和管理控制的、工程化 的湿地；是由水、基质及水生生物所组成的，具有较高生产力和较天然湿地有更 好的污染物去除效果的生态系统。人工湿地能够提供水资源、调节气候、降解污 染物，还具有吸收s 0 2 、n o 。、c 0 2 等气体，净化空气，消除城市热岛效应等作 用( p r i d e 等，1 9 9 0 ) 。 1 2 2 人工湿地发展历史 人工湿地污水处理系统的发展最早可追溯到1 9 0 3 年，位于英国约克郡的 e a r b y 州建立了第一个用于污水处理的人工湿地，该湿地一直运行至1 9 9 2 年。 1 9 5 3 年，德国的s e i d e l 博士通过研究发现芦苇能够去除水体中大量的有机和无 机物，并进一步发现了污水中的某些细菌( 沙门氏菌、大肠菌等) 在种植芦苇后消 失。1 9 7 2 年，德国学者k i c k u t h 提出了根区法( n er o o tz o n e m e t h o d ) 理论， 该理论在世界各地掀起了对于人工湿地污水处理系统研究与应用的高潮。从8 0 年代末至9 0 年代初，美国先后召开了数次人工湿地研讨会，提出了一些相关机 理和参考设计规范，标志着人工湿地作为一种独特的污水处理技术正式进入了环 境科学领域。目前，加拿大和美国约有5 0 0 处湿地废水处理系统，欧洲也有5 0 0 多个，规模有小至4 0 m 2 ，也有大至1 0 0 0 多公顷的，用来处理农业排水、城市污 水、垃圾渗滤液以及雨水等( 汪俊三等，2 0 0 9 ) 。 我国在1 9 8 7 年开始人工湿地的研究和应用工作，国家环保局华南环境科学 研究所在深圳市白泥坑村建立了我国第一个植物碎石床潜流式人工湿地。随后深 圳市洪湖公园、深圳沙田、四川省成都市活水公园等地都先后建造了植物碎石床 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 人工湿地，云南省滇池、天津市、大港油田城区等地也相继建立了各式的人工湿 地污水净化系统。 1 2 3 人工湿地的构造与分类 大部分的人工湿地包含五部分：具有透水性能的基质，如碎石、砾石、火 山石、土壤、砂等；适于在水中生长的植物，如鸢尾、香蒲、芦苇、芦竹等； 微生物种群，如硝化细菌、反硝化细菌等；脊椎或无脊椎动物；水体。湿 地系统正是在这种具有一定长宽比和底面坡度的低洼地势中，由底层基质( 如碎 石等) 和上层土壤混合组成填料床，污水在床体的表面或者床体的填料缝隙中流 动，并在床体表面种植成活率高、生长周期长、耐水淹、美观以及具有经济价值 的水生植物( 如芦竹等) ，从而形成一个独特的动植物生态系统。按照水的流动 状态，人工湿地可分为：表面流湿地、潜流湿地、垂直流湿地。 表面流湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s f w ) ，又称自由表面流湿地( f r e ew a t e r s u r f a c ew e t l a n d ，f w s w ) ，其流水方式类似于自然湿地，污水从湿地的表面流过， 氧气通过水面扩散补给绝大部分有机物的去处由生长在植物水下茎或杆上的生 物膜来完成。这种湿地的优点是投资少、运行费用低、操作简单，缺点是占地面 积大，且水力负荷小、净化能力弱，运行受气候温度的影响大，夏季易孳生蚊蝇， 因此现在设计中较少采用( l u 等，2 0 0 7 ) 。 垂直流湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d s ，v f w ) 结合了表面流和水平潜流人工 湿地水流特点：污水从系统表面经由配水系统周期性的进入，然后从系统下部流 出。此系统的优点是系统可以排空水，以最大限度的进行氧气补给，因此系统的 硝化效率高，适合处理氨氮高的生活污水，但其对c o d 的去除率欠佳。并且垂 直流人工湿地的操作复杂，从落干状态到淹水状态的时问周期长，天热时易孳生 蚊蝇。由于该系统建造复杂，因此目前尚未广泛推广。 在各种人工湿地当中，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 s f w ) 是目 f j 采用较多的类型。在潜流湿地中，污水从进口处经由砂石等透水性基质进入系 统表面以下，以近水平流的方式从基质缝隙中流向出口。潜流湿地的优点是可以 充分发挥基质表面附着的生物膜的作用，也可以充分利用基质颗粒截流、植物根 系的作用来提高对污水的处理效果。由于水流在表层以下流动，既可以避免表面 流湿地中的蚊蝇和臭气，也可以起到保温作用、受气候影响小。潜流湿地对b o d 6 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 和重金属的去除效果好，但对n 、p 的去除效果欠佳。在实际应用中，水平潜流 人工湿地占主导地位，根据美国国家环境保护局( u s e p a ) 对1 5 0 多个处理生活 或工业废水的人工湿地的调查，证明大部分采用潜流式系统，欧洲等地的人工湿 地均以潜流型为主。 1 2 4 人工湿地的去污原理 人工湿地可通过水体与基质、水生植物、微生物之间一系列物理、化学和生 化反应，通过沉淀、离子交换、过滤、基质吸附、微生物分解转化、植物吸收等 途径实现对污水中污染物的去除。 ( 1 ) 人工湿地对有机物的去除 污水中的有机物包括可溶性有机物与不溶性有机物。不溶性有机物通过在湿 地基质中的沉积、过滤作用，很快被截留，进一步被湿地中的微生物分解和利用； 可溶性有机物则通过生长在植物根系的生物膜吸附、吸收以及厌氧、好氧生物代 谢降解过程被分解去除( 黄德锋，2 0 0 7 ) 。 有机物在人工湿地中的生物降解过程可划分为好氧降解和厌氧降解。当采用 人工湿地处理污染负荷较高的生活污水时，由于植物供氧不足，湿地内部为缺氧 或厌氧环境，有机物主要通过厌氧降解去除；当处理污染负荷较低的地下水时， 根际的泌氧和水中的溶解氧可使湿地系统内部呈现好氧环境，溶解氧( d 0 ) 浓 度能够满足一些好氧微生物的需求，有机物主要通过好氧微生物降解去除( 王展 等，2 0 0 6 ) 。人工湿地对有机污染物的去除率与系统的水力停留时间( h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ，h i 玎) 和进水水质有关，生活污水的去除率一般在8 0 9 0 左 右，富营养化水体由于有机物较少，因此去除率仅为6 0 左右( 汪俊三等，2 0 0 5 ) 。 ( 2 ) 人工湿地对氮的去除机理 进入人工湿地系统中的氮素可以通过：氨的挥发、微生物硝化反硝化作用、 植物吸收以及基质的沉淀吸附等过程得以清除。 氨的挥发：人工湿地氨的挥发由湿地表面氨的挥发与植物叶片氨的挥发两部 分构成。当水体的p h 值大于8 0 时氨容易挥发，而一般的人工湿地p h 常常维 持在7 5 8 0 之间，因此湿地通过挥发去除的氨氮含量可忽略不计。然而当人工 湿地用石灰石之类的基质填充时，系统中的p h 会升高，此时挥发的氨氮需要加 以考虑。植物叶片的氨挥发现象是近2 0 年来科学家研究的热点，推测该现象是 7 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 植物生长后期氮素积累降低的原因之一( n o r m a n 等，1 9 9 2 ) 。 植物吸收：湿地植物在湿地脱氮的过程中起到了重要作用：一方面植物可将 氧气输送至根系周围，并且为微生物的生长提供场所，从而促进硝化细菌对氮的 处理效果；另一方面植物可以直接吸收氮，其对硝态氮和氨氮都有吸收，以硝 态氮为主。目前，除少数研究认为植物吸收是人工湿地脱氮的主要途径以外，绝 大部分的研究人员认为植物吸收对湿地脱氮的贡献很小。b r i x ( 1 9 8 7 ) 认为植物 在一个生长季中所吸收的氨量相对于湿地进水中的氮量很小。g e r s b e g ( 19 8 6 ) 等人预测芦苇人工湿地中，植物吸收的氮素占人工湿地氮去除总量的1 2 1 6 。 v a no o s t r o m ( 1 9 9 0 ) 等人估算在一年中，潜流人工湿地中芦苇吸收或富集的氮 量占整个人工湿地氮去除总量的1 4 左右。总而言之，植物对氮的吸收量只能占 到人工湿地氮去除总量的一小部分，所以依靠收割植物来去除氮污染的做法作用 不大，在欧洲的人工湿地中植物一般不收割。 基质吸附：还原态氨氮性质较稳定，能被吸附到土壤颗粒或者湿地基质的活 性部位。因此，如果基质选择合理，通过基质的吸附可以去除部分氨氮( 黄德锋， 2 0 0 7 ) 。张曦( 2 0 0 3 ) 等人使用沸石床人工湿处理雨水径流和农田排灌水，结果 表明：沸石对氨氮的吸附速度快( 8 小时) 、吸附量大( 1 1 5m g g - 1 ) ，并且沸石 的吸附能力在一定条件下可通过自然充氧和生物作用得以再生。 硝化，反硝化作用：人工湿地中的硝化过程主要由两步构成：n h 3 或n h 4 + 被亚硝化单胞菌转化成n 0 2 ，n 0 2 被硝化细菌氧化成n 0 3 ；而反硝化过程是 一个n 0 3 的生物还原过程，反硝化细菌利用n 0 2 - 和n 0 3 为呼吸作用的最终电子 受体，把n o z 和n 0 3 最终还原为气态氮( n 2 、n 2 0 或n o ) 。 硝化反应受到温度、溶解氧( d o ) 浓度、碳源、氨氮浓度等多种因素的影 响。硝化细菌比亚硝化单胞菌更易受到温度的影响，温度降低意味着生长速率减 慢，5 时硝化细菌的生长周期是1 5 0 - 2 0 0 小时，而在3 0 时仅为1 5 小时。而 生长速率减慢又将直接影响到人工湿地的硝化速率。硝化细菌需要在有氧的环境 中才能存活，因此溶解氧( d o ) 也是一个极其重要的因素。l g 的氨氮( n h 4 十- n ) 完全被硝化为硝态氮( n 0 3 - n ) 大约需要4 3 9 氧气，而在潜流湿地中仅仅依靠 进水的携带和植物根系泌氧所提供的氧气量非常有限，因此d o 不足是制约硝化 反应的重要因素。 8 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 反硝化细菌同样受到温度、d o 等因素的影响。反硝化细菌生长的最适温度 是2 0 - 2 5o c ，反应速率在低于5 时最慢。细菌的反硝化过程是一个严格厌氧的 过程，当有d o 存在时，反硝化细菌优先选择d o 呼吸，阻止了硝酸盐和亚硝酸 盐作为最终电子受体( 李平等，2 0 0 5 ) 。 湿地植物经光合作用产生的氧气，一部分通过组织和根毛输送并释放到湿地 环境中，并在根毛周围形成了一个好氧区域，而离根毛较远的区域呈现缺氧状态， 更远的区域则完全处于厌氧状态，这样就形成了连续的好氧、缺氧及厌氧的局部 环境( 杨敦等，2 0 0 3 ) 。这种氧的不均匀分布为硝化细菌和反硝化细菌的生长提 供了条件：在离植物根系较近的好氧区域发生硝化反应，而远离根系的土壤或基 质环境条件适合反硝化细菌进行反硝化反应。硝化反应将好氧区域的氨氮转化为 硝态氮，于是与缺氧和厌氧区中高浓度的氨氮形成了浓度梯度，在浓度梯度的作 用下，邻近区域的氨氮可以持续地向好氧区扩散进行硝化作用( i 辽d d y 等， 1 9 8 8 ) 。同理，硝化作用产生的硝态氮在浓度梯度的作用下扩散到缺氧和厌氧区 域，在反硝化细菌的作用下生成氮气等排出湿地系统。 1 2 5 潜流湿地水质净化存在的问题 潜流人工湿地由于自身结构的限制，基质中氧气供应量不足，因此湿地内部 长期处在厌氧或缺氧的状态，硝化细菌由于缺氧而导致活性降低，使的硝化作用 进行的不完全，限制了人工湿地的脱氮能力( 刘超翔等，2 0 0 3 ) 汤显强( 2 0 0 8 ) 、 鄢璐( 2 0 0 7 ) 等人采用间歇曝气等方式来增加湿地系统中溶解氧的含量，提高了 硝化细菌的活性，促进了潜流人工湿地的脱氮能力，但是由于系统中溶解氧的增 加破坏了局部的厌氧条件，因此抑制了反硝化过程的进行，使得硝态氮和亚硝态 氮无法顺利的转化为n 2 ，因而去除效果并无显著提高。 上述问题的一种解决办法是在实际应用中给人工湿地配以其他辅助工艺，以 达到最优处理效果。王云龙等人通过对上海南汇地区4 种已经运行污水处理工艺 的效果比较，发现一体化生物集成工艺可保障废水处理效果，而一体化集成工艺 与人工湿地组合工艺则具有很强的耐冲击能力，处理效果稳定；两种方式都可以 获得7 5 以上c o d 去除率，对氨氮去除率超过7 0 ( 王云龙等，2 0 1 1 )。徐 芝芬( 2 0 11 ) 等人利用“厌氧生物反应器潜流复合型人工湿地”组合工艺处理 农村生活污水中的氮和磷，该工艺对总氮、氨氮以及总磷的平均去除效率分别为 9 新型潜流人工湿地处理农村生活污水示范及优化 3 0 7 、4 2 9 和7 2 。胡恒祥( 2 0 1 0 ) 等人运用“生活污水净化沼气池一人工湿 地”组合工艺处理农村生活污水，该工艺对c o d 的平均去除率达到9 0 4 6 ，对 氨氮的去除率达到8 9 1 7 。尹家村污水处理工程采用m b r 人工湿地组合工艺处 理农村生活污水取得了较好的处理效果，出水水质达到城镇污水处理厂污染物 排放标准的一级a 标准( j i a n g 等，2 0 1 0 ) 。胡敏华( 2 0 1 0 ) 等人利用厌氧池结 合人工湿地工艺来处理桐庐县1 3 个农家乐和9 个自然村的生活污水，出水水质 可以达到污水综合排放标准的一级标准，c o d 由原来的4 5 0m g - l d 降至1 0 0 m g l 。1 以下。给人工湿地配以其他辅助工艺的解决办法虽可以起到一定的作用， 但是相对于单纯的建设人工湿地而言，添加辅助工艺建设成本更高，运行和管理 也更为复杂，不利于在农村大范围推广。 上述问题的另一种解决办法就是从潜流湿地自身结构优化来着手。在设计潜 流人工湿地时既要保证系统中有充足的溶解氧来完成氨氮的硝化，又要确保反硝 化细菌拥有合适的厌氧环境以保证反硝化过程能够顺利的进行，从而同时提高氨 氮和总氮的去除率。李锋民( 2 0 1 0 ) 等人将传统潜流湿