（环境工程专业论文）人工湿地处理受污染水体效能及其微生物多样性研究.pdf

内容摘要 近几年的环境状况公报显示，我国绝大部分地表水体的水质不能满足水体功能要求， 且有明显恶化趋势。对受污染水体进行治理修复，已成为社会经济发展及生态环境建设 亟待解决的问题。人工湿地是一种为处理废水而利用工程手段模拟自然湿地系统建造的 构筑物，它不受地域的限制，也不会危及当地的生态环境。在世界各国特别是欧洲广泛 应用于处理生活污水、工农业废水和面源污染等。潜流式湿地对废水中氮磷的去除效率 在不同的文献报导中差异很大，本文从潜流式湿地在不同植物和不同填充介质条件下对 受污染水体中有机物及氮磷的去除效果与机理方面进行研究，以期为提高潜流式湿地脱 氮除磷效率提供理论依据和为水体污染治理提供技术指导。 以同济大学内的受污染水体三好坞湖水( 该湖水水质属于劣v 类水体) 为研究对象， 利用三种不同植物和填充介质配置的潜流式人工湿地对其进行处理，考察不同季节条件 下人工湿地的运行情况。利用p c r - d g g e 技术分析人工湿地中微生物结构多样性随季节 的变化情况。研究结果表明： ( 1 ) 3 个潜流式人工湿地对c o d c ，都有较好的去除效果，季节变化对c o d c , 去除 有一定影响。夏季出水c o d c ，浓度均低于2 0m g l ，c o d c ，的去除率接近8 0 ；春冬季 接近4 0m g l ，c o d c r 的去除率只有4 0 巧0 。植物的生长有助于水中c o d c ，的去除； 填充介质对水中c o d c , 去除的直接作用不大。 ( 2 ) 3 个潜流式人工湿地系统对t o c 的去除受季节影响较小，系统出水t o c 的平 均浓度均维持在7 m g l 左右。 ( 3 ) 夏秋季3 个湿地系统出水中氨氮和t n 的浓度较低，系统对氨氮和t n 的平均 去除率分别达到8 0 和7 0 以上；冬季w l 和w 2 系统出水中氨氮及t n 的浓度迅速升 高，并高于进水，致使系统对氨氮的去除率呈现负值；春季w 1 和w 2 系统出水中氨氮 和t n 的浓度有所下降，多植物系统的w 2 湿地表现最为明显。多填充介质的w 3 湿地 系统受季节变化的影响较小，由于沸石对水中的氨氮有较强的去除能力，因此在冬季并 没有出现氨氮去除效率为负值的情况。 ( 4 ) 夏秋季3 个湿地系统对t p 、d t p 和o p 的去除效率最高；而冬季w 1 和w 2 湿地系统对t p 、d t p 和o p 的去除能力最差，系统出水中的t p 、d t p 和o p 甚至稍高 于进水；春季对t p 、d t p 和o p 的去除能力有显著提高。多填充介质的w 3 系统对各种 形态磷去除能力最强，且基本不受季节变化的影响，说明多介质对磷的吸附作用是磷去 除的重要途径之一。 以上结果说明植物的吸收作用对w 1 和w 2 系统中氨氮、t n t p 、d t p 和o p 的去除 发挥了重要作用。 ( 5 ) 运用p c r - d g g e 技术，能够真实的记录人工湿地微生物种群结构及分布情况。 d g g e 图谱显示，不同季节三种潜流人工湿地在微生物种群结构上有很大差异，体现了 温度、植物和填料对微生物群落结构的影响。秋季样品的总细菌d g g e 图谱的条带数目 和亮度最高，而冬季样品最低。 ( 6 ) 对氨氧化茵群落结构多样性的研究，反映出不同季节湿地系统氨氧化菌种群的 变化，秋季和春季样品都获得了氨氧化菌d g g e 图谱，而冬季样品没有扩增到氨单加氧 酶基因。测序条带代表的微生物均属于氨氧化菌属，且均为不可培养的氨氧化茵，各条 带的序列与u n c u l t u r e db a c t e r i u mc l o n ej u l a m o a l ，j u l a m o a 2 6 和f e b a m o a 2 0 的氨单加 氧酶基因序列的相似性达到了9 7 以上，都属于n i t r o s o m o n a s 属。 关键词：人工湿地，脱氮除磷，微生物多样性，氨氧化菌 2 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，n a t i o n a le n v i r o n m e n ts t a t u sc o m m u n i q u d si n c i c a t e dt h a tw a t e rq u a l i t yo f m o s ts u r f a c ew a t e r si nc h i n ac o u l dn o tm e e tt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sf o rw a t e r s ，a n d w o r s e n e d s i g n i f i c a n t l y f o re c o n o m i cd e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n dc o n s t r u c t i o no f e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t , i ti sa nu r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e dt or e h a b i l i t a t et h e s ep o l l u t e d w a t e r s c o n s t r u c t e dw e t l a n d ( c 聊i s 肌e n g i n e e r e ds y s t e mb u i l tt o u t i l i z et h et r e a t m e n t p r o c e s s e sa v a i l a b l ei nn a t r a lw e l a n dt ot r e a tw a s t e w a t e r i ti sn o tl i m i t e db yr e g i o na n dd o e s n t e n d a n g e rt h el o c a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n t i th a sb e e nu s e df o rt h et r e a t m e n to fd o m e s t i c s e w a g e ，i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lw a s t e w a t e r sa n dn o n - p o i n t $ o r c ep o l l u t i o na l lo v e rt h e w o r l d ，e s p e c i a l l yi ne u r o p e t h e r ea r em a n yi n c o n s i s t e n tr e s l t sr e p o r t e do nna n dpr e m o v a li n 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 t h eo b j e c t i v e so f0 1 1 1 r e s e a r c ha r et od e t e r m i n et h e e f f e c t i v e n e s so ft h ew e t l a n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g yi nr e d u c i n gc o n t a m i n a n t s ，na n dpi n p o l l u t e df i v e r , a n dt oc h a r a c t e r i z em i c r o b i a lc o m m u n i t i e sa n dd e t e r m i n eh o w t h ec o m m u n i t y d i v e r s i t ym a yc h a n g ew i t ht h es e a s o ni nc o n s t r u c t e dw e t l a n d sw i t hd i f f e r e n tp l a n t sa n d s u b s t r a t a w a t e rf r o ms a nh a o w ul a k ei nt o n g i iu n i v e r s i t yw a su s e da si n f l u e n t t h ew a t e rq u a l i t y c o u l dn o tr e a c hl e v e lvo fs t a n d a r d sf o rs u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n t t h r e ec o n s t r u c t e d w e t l a n d sw e r eo p e r a t e do nl a b - s c a l e ，w h i c hw e r em o n o c u l t u r es y s t e mp l a n t e dw i t hc o m m o n r e e d ( w 1 ) ，p o l y c u l t u r es y s t e mp l a n t e dw i t l lt h r e ed i f f e r e n tp l a n ts p e c i e s ，a n dm o n o c u l t u r e s y s t e mw i t hd i v e r s es u b s t r a t a t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ： ( 1 ) t h r e ec w sa l lh a dag o o dr e m o v a lc a p a c i t yt oc o d ，a n ds e a s o n sh a da l le f f e c to nc o d r e m o v a l d u r i n gs u m m e ra n da u t u m n ，c o dc o n c e n t r a t i o n so fe f f l u e n t sf r o mt h r e ec w sw e r e l e s st h a n2 0 m g l ，a n dc o dr e m o v a le f f i c i e n c i e sw e r ea b o v e8 0 d u r i n gw i n t e ra n d s p r i n g ， e f f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o n sw e r ec l o s et o4 0 m g l ，a n dc o dr e m o v a le f f i c i e n c i e sw e r eo n l y a b o u t4 0 - - 6 0 p l a n t sw e r eh e l p f u lt ot h er e m o v a lo fc o d s u b s t r a t an e a r l yh a dn oe f f e c t o nc o dr e m o v a l ( 2 ) n ei n f l u e n c eo fs e a s o n so nt o cr e m o v a li nc w sw a sl i t t l e ，a n de f f l u e n tt o c c o n c e n t r a t i o n sw e r em a i n t a i n e da t7 m g li nt h r e ec w s ( 3 ) a m m o n i u ma n dt nc o n c e n t r a t i o n so fe f f l u e n t sf r o mw la n dw 2w e r eb e s td u r i n gs u m m e r a n da u t u m n ，a n da v e r a g er e m o v a le f f l c i e n c i e sw e r ea b o v e8 0 a n d7 0 ，r e s p e c t i v e l y f o rw 1 a n dw 2 ，e f f l u e n ta m m o n i u ma n dt nc o n c e n t r a t i o n sr a p i d l yi n c r e a s e dd u r i n gw i n t e r , a n dw e r e e v e nh i g h e rt h a ni n f l u e n t , s ot h er e m o v a le f f i c i e n c i e st o o ko nn e g a t i v ev a l u e s w h e ns p r i n g w a sc o m i n g , e f f l u e n ta m m o n i u ma n dt nc o n c e n t r a t i o n sd e c r e a s e dg r a d u a l l y , e s p e c i a l l yf o r 3 w 2 b e c a u s et h es u b s t r a t u mz e o l i t eh a dg o o da d s o r p t i o nc a p a c i t yt oa m m o n i u m ，s e a s o nh a d n oe f f e c to na m m o n i u ma n dt nr e m o v a lf o rw 3s y s t e m ( 4 ) r e m o v a lo ft p , d t pa n do pi nt h r e ec w s w a ss i m i l a rt on i t r o g e nr e m o v a l f o rw la n d w 2 ，s y s t e mp e r f o r m i n gw a sb e s td u r i n gs u m m e ra n da u t u m n ，a n dw o r s td r i n gw i n t e r i n s p r i n g ，t p , d t pa n do pr e m o v a lc a p a c i t i e si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t s h a l ew h i c hh a sg o o d a d s o r p t i o nc a p a c i t yt opw a sf i l l e di nw 3s y s t e m ，s os e a s o nh a dn oe f f e c to np h o s p h o r u s r e m o v a l a d s o r p t i o nt os u b s t r a t aw a sak e yw a s t e w a t e rp r e m o v a lm e c h a n i s mi nw 3s y s t e m f o rw la n dw 2 ，p l a n tu p t a k ew a st h em a j o rna n dpr e m o v a lm e c h a n i s m ( 5 ) p c r - d g g et e c h n o l o g yc o u l dr e f l e c tc h a r a c t e r i z a t i o no fm i c r o b i a lc o m m u n i t ya n d c o m p o s i t i o no ft h ec o m m u n i t y i nc w s d g g e p a t t e mi n d i c a t e dt h a tt h e r ew e r ed i f f e r e n c e si n t h es t r u c t eo fm i c r o b i a lc o m m u n i t yi nc w si nt h ed i f f e r e n ts e s o n s t e m p e r a t u r e ，p l a n ta n d s u b s t r a t ah a ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so nt h es t r u c t u r eo fm i c r o b i a lc o m m u n i t y t h en u m b e ra n d t e n s i t yo fb a n d sf r o ma u t u m ns a m p l e so nd g g ef i n g e r p r i n tw e r eh i g h e s t ，w h i l et h a tf r o m w i n t e rs a m p l e sw e r el o w e s t ( 6 ) t h ed i v e r s i t yo fa m m o n i a - o x i d i z i n gb a c a t e r i ai nc w sw a si n v e s t i g a t e d a n a l y s i so fd g g e f i n g e r p r i n t sr e v e a l e dt h a tt h ed i v e r s i t yo fa o bi nc w sc h a n g e dw i t hs e s o n s p c r - a m p l i f i e d a m o ag e n ef r a g m e n t sw e r eg a i n e df r o ma u t u m na n ds p r i n gs a m p l e sb u ta m o ag e n ef r a g m e n t s w e r en o ta m p l i f i e db yp c rf r o mw i n t e rs a m p l e s s e q u e n c i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e e n v i r o n m e n t a ls e q u e n c e sr e t r i e v e df r o mc w sg r o u p e dw i t h i nt h ep h y l o g e n e t i cr a d i a t i o n d e f i n e db yc u l t u r es t r a i n so fg e n e r an i t r o s o m o n a s t h e s es e q u e n c e sh a dh i 曲s i m i l a r i t i e s ( a b o v e9 7 ) w i t hu n c u l t u r e dc l o n e so fa m o ag e n e s k e y w o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，na n dpr e m o v a l ，m i c r o b i a ld i v e r s i t y , a m m o n i a o x i d i z i n g b a c t e r i a 4 第一章绪论 淡水资源短缺是全球面临的重大问题。全球目前有8 0 多个国家和地区( 占全球人口 的4 0 ) 用水短缺，其中大约3 0 个国家在每年的大部分时间内严重缺水【l 】。据预测，在 2 0 2 5 年以前缺少淡水的人数将增至5 5 亿人，占全世界人口的2 3 ，因为水的原因而成为难 民者将多达1 亿人。随着世界淡水系统的严重退化，全球半数河流断流，世界上已知的1 万种淡水鱼中，在最近的几十年来已经有2 0 的鱼种消失或处于将要灭绝的危险之中。 随着人口的增长和气候变暖引起干旱等自然灾害，因争夺水资源而引起地区和国家间的 冲突难以避免。由于水体被污染，世界淡水资源短缺的现象日益严重。在农村和城乡结 合部，居民生活污水通过地面径流和渗漏污染了地下水和地面水，尤其是在雨季【2 】。农 业化学肥料的大量应用，显著增加了非点源污染程度，导致了河流、湖泊的富营养化。 我国是一个水资源缺乏的国家，人均占有水资源只有世界平均水平的1 4 ，且水资源 在地区上分布极不均匀，水供需矛盾十分突出。据专家预测。中国供水缺口n 2 0 z o 年将 达l1 4 0 亿吨，2 0 3 0 年达至j j 2 3 0 0 亿吨，2 0 5 0 年达至1 j 3 7 1 0 亿吨。在全国6 6 8 个城市中，有4 0 0 多个供水不足，1 l o 多座严重缺水。因为缺水，全国工业产值平均每年减少2 3 0 0 多亿元人 民币【3 4 1 。同时，水质污染和水资源浪费现象十分严重。2 0 0 1 年，全国工业和城镇生活废 水排放总量为4 2 8 4 亿吨，其中工业废水排放量2 0 0 7 亿吨，城镇生活污水排放量2 2 7 7 亿 吨，城市生活污水处理率仅为1 8 5 。大部分工业废水和生活污水未经任何处理直接排 入江、河、湖泊，使水质受到严重污染，甚至完全丧失利用的价值，加重了水资源的短 缺。据悉，我国1 2 0 0 条河流中，有8 5 0 多条河受到不同程度的污染；一些大型湖泊和一些 著名的风景湖泊，如杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖等众多湖泊富营养化情况较为严 重，四大海区近岸海域有机物和无机磷浓度明显上升，无机氮全部超标。 随着中国工业化、城市化进程的加快，淡水资源短缺正日趋严重，特别在沿海地区 将更为突出。上海虽然地处江南水乡，但水资源储量并不丰富。在水量方面，上海的水 资源绝大部分为过境水，水资源年均9 3 3 5 亿立方米，看似总量很大，但据2 0 0 4 年的水资 源公报，上海本地水资源的径流量仅为2 4 9 8 亿立方米，只占总水资源量的0 2 7 。因此， 如不计算过境水资源，上海本地水资源是全国最少的城市之一。在水质方面，上海水环 境质量不容乐观。根据上海水资源公报，1 6 条主要骨干河道，如黄浦江、苏州河、太浦 河等评价结果：类水占1 0 5 ，类水占2 6 ，n 类水占1 7 2 ，v 类水占1 6 3 ，劣 子v 类水占一半以上，达5 3 4 。也就是说偌大的上海，已经基本上找不到水质最好的 i 类水，而水质恶劣的v 类以下的水资源却占到了半壁江山。陆柱警告，由于水环境收 到污染，上海已经进入“水质型 缺水城市。目前上海全市污水总量约5 6 1 6 万吨，而截 污率维持在6 5 左右，还有超过1 3 的污水进入河道，影响和污染了水体。 总之，全球性水污染问题已对人类生存和社会经济发展构成越来越严重的威胁，防 治水体的恶化、保护水资源，走可持续发展的道路已成为人类共同追求的目标。由于废 水排放量的急剧增加以及对废水处理要求的日益严格，传统工艺在处理的多功能性、高 效稳定性和经济合理性方面已难以满足不断提高的要求。开发、研究和应用新型废水处 理工艺和技术，已成为各国水污染控制工程领域研究的重要课题。因此，积极创新技术、 寻求防治水污染的新模式就显得日益紧迫。人工湿地系统正是顺应这一要求而发展起来 的一种简便有效的生态工程污水处理技术。 1 1 人工湿地概述 1 1 1 人工湿地分类 入工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一种废水处理新技 术，兴起于美国、澳大利亚、荷兰、丹麦、英国等国家【5 1 。其特点是：出水水质好，具 有较强的氮磷处理能力，运行维护方便，管理简单，投资及运行费用低【6 】。比较适合子 资金少、能源短缺和技术人才缺乏的中小城镇和乡村。由于生活污水处理费用的剧增， 德国乃至整个欧洲社会对人工湿地处理生活污水产生了极大兴趣。目前，德国正在使用 的人工湿地大约有5 0 0 0 个，广泛用于从单个家庭到上千居民的社区生活污水的治理【7 】。 我国在“七五”期间开始开展人工湿地的研究工作，国家环保局华南环保所1 9 9 0 年在深圳 白泥坑建造了占地面积1 8 9 亩，处理规模为3 1 0 0 m 3 d 的人工湿地示范工程；天津市环保局 建成了实验室规模的人工湿地研究系统，并在1 9 8 7 年建成了我国第一个占地9 0 亩、处理 规模为1 4 0 0 m 3 d 的芦苇湿地工程【8 】o 但是除了有限的几个示范工程之外，人工湿地在我 国的实际应用还很少。 2 人工湿地是为了处理废水而模拟自然湿地系统所建造的一种构筑物，它是由渗透性 的基质、浮水植物、动物和水共同组成的复合系统。废水在人工湿地中历经了一系列反 应过程，其中最重要的包括生物降解、过滤、沉淀和吸附，在它们的共同作用下，废水 中的有机化合物、悬浮圆体、一些含氮化合物、磷和病原菌得到了极大的减少。从工程 设计的角度出发，按照系统布水方式的不同，人工湿地可划分为三种类型【9 】：表面流人 工湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s f w ) 、潜流型人工湿地( 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 w ) 。垂直流湿地又称之为过滤型人工湿地 ( i n f i l t r a t i o nw e t l a n d ，i w ) 。其构造如图1 1 所示。 表面流湿地潜流湿地垂直流湿地 图1 1 三种人工湿地构造 不同类型人工湿地对特征污染物的去除效果不同，并具有各自的优缺点。 ( 1 ) 表面流湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) ，结构简单，工程造价低，但由于废水在 填料表面漫流，易孳生蚊蝇，对周围环境会产生不良影响，而且其处理效率较低，现在 一般不采用。 ( 2 ) 潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) ，水在填料缝隙之间渗流，因而可以充分 利用填料表面及植物根系上生物膜及其它作用处理废水，出水水质好。由于水平面在覆 盖土层或细砂层以下，卫生条件较好，故被广泛采用。潜流湿地废水流程较长，有利于 硝化和反硝化作用的发生，能形成有利于于n 、p 长期去除的腐殖酸，能建立一定的营 养梯度；但是难于实现均匀布水，且为了优化氧的供应，必须进行精确的水力负荷计算， 此外，占地面积也较大。 ( 3 ) 垂直流湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ) ，废水沿着垂直方向流动，氧供应能力较强， 硝化作用较充分，占地面积较小，可实现较大的水力负荷长期运行。但是废水的流程较 短，反硝化作用较弱，且工程技术要求较高。由于垂直流湿地可方便的采用工程手段来 3 改善系统的供氧状况，提高布水均匀性，营造更加有利于硝化和反硝化发生的系统环境， 故越来越受到人们的重视。 人工湿地一般设计成有一定底面坡降的、长宽比大于3 且长大于2 0 m 的构筑物。在 构筑物的底部按一定的坡度填充选定级配的填料( 如碎石、砂子、泥炭等) ，池底坡降 及填料表面坡降往往受水力坡降及填料级配的影响，一般选值范围为1 - - 8 。在填料表 层土壤中种植一些处理性能良好，成活率高，生长周期长，美观及具有经济价值的水生 植物( 如芦苇) 。在设计湿地处理系统时，应尽可能地增加系统的稳定性和处理能力， 实际设计中，一般附加一些预处理、后处理的构筑物，且往往将人工湿地多级串联或不 同类型的人工湿地串联。 适合人工湿地种植的水生植物有芦苇( r e e d ) 1 0 , 1 1 , 1 2 】、香蒲( c a t t a i l ) 1 3 , 1 4 】、灯心草 ( r u s h ) t 1 5 1 、菖蒲( c a l a m u s ) 【l l i 嘲、香根草【期、风车草【1 6 】等。池深的选择根据池形、水质 及湿地植物的根系深度来进行，以使大部分污水都能在植物根系中流动。在美国，利用 芦苇床湿地处理城市污水，池深采用6 0 , - 7 0 c m ，而德国为6 0 c m 。 1 1 2 人工湿地污水处理系统的特点 人工湿地污水处理系统是一项运用生态学原理加上工程方法而形成的生态工程水处 理技术。人工湿地处理污水具有以下优点： ( 1 ) 污水资源化 不管是生活污水还是生产废水，都是含有某些过量物质元素的水，只要应用得当， 这些水和其中的过量物质元素都是有用的资源。用人工湿地处理污水，利用其本身含有 的营养物质满足了植物和野生动物生长的需要。这样，一方面使植物和动物迅速生长， 使人们能在污水处理过程中获得大量的动植物原料和绿化环境的效益；另一方面，在微 生物、植物、动物生长的过程中吸附、分解、吸收污水中的污染物质，使污水得到净化 【l 引。当人工湿地把污水净化到可满足农业及渔业生产的要求时，即可用于灌溉和养殖【搠。 ( 2 ) 投资少、能耗低、运行费用低 以我国1 9 9 0 年建设的深圳白泥坑人工湿地系统为例，它处理7 0 0 0 人的乡镇生活污 水( 每天3 1 0 0m 3 ) ，占地8 4 0 0m 2 ，出水达二级污水处理厂出水标准【2 0 1 。经二年多运行， 4 达到了预期的效果。人工湿地处理污水具有投资少、能耗低、运行费用低等特点。 ( 3 ) 增加绿地面积，可为野生动植物提供良好的栖息地 人工湿地处理系统占地面积比传统的二级生化处理大，但它所占用的地方不是变成 不能种养生物的水泥地面，而是变成了可以种养大量植物、动物的绿化地或水面，为野 生动植物的生长和繁殖提供了充分的条件，从而促进了野生动植物的生长和繁殖，促进 了当地生态环境的良性循环。也就是说，人工湿地处理系统所占用的土地基本上仍可发 挥其自然属性的作用。 1 2 人工湿地的净化机理 人工湿地对废水的处理综合了物理、化学、生物三种作用【2 1 1 。人工湿地废水处理过 程包括沉积作用，过滤作用，吸附作用，生物降解，硝化和反硝化作用【2 2 】。人工湿地成 熟后，填料表面和植物根部生长了大量的微生物形成生物膜，废水流经时，s s 被填料及 根系阻挡截留，有机物通过生物膜的吸附及同化作用而得以去谢5 1 。人工湿地中氮得以 去除主要是依靠微生物的硝化和反硝化作用来实现，此外，水生植物的吸收和氨的挥发 也可以去除废水中的部分氮【7 2 3 1 。人工湿地废水中磷的去除是依靠填料和湿地中沉积物 吸附、微生物和植物的吸收，气态磷( p h 3 ) 挥发等来实现的，其中填料和沉积物吸附 是人工湿地磷去除的主要因素【2 4 捌。 1 2 1 湿地对有机物去除机理 人工湿地对有机物有较强的去除能力。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤可以很 快从污水中截留下来，被微生物和原生动物及后生动物加以利用；可溶性有机物则通过 生物膜的吸附及微生物的代谢过程被去除。 1 2 2 湿地脱氮机理 人工湿地作为一种有效的脱氮生态废水处理技术，及其结构简单，工程造价低，运 行管理简便，日常运行费用省等特点，引起了大量研究人员对其脱氮机理的探索。人工 湿地是一个生态废水处理系统，具有较强的脱氮能力，脱氮机理包括 2 6 】：植物和其它生 物体的吸收，氨化作用，硝化和反硝化作用，氨气挥发，铵离子交换( 或填料吸附) ，如 5 图1 2 所示。 氮摔发 反硝化 图1 2 人工湿地废水处理中氮去除示意 有机铽 氨氟 氮氧化物 污水中的氮基本以有机氮和氨氮两种形式存在。一般情况下，有机氮被生物分解成 氨氮。污水中无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质可以直接被植物摄取，合成植 物蛋白质等有机氮。但氮的去除主要通过微生物的硝化、反硝化作用来实现的，由于湿 地植物根系周围的微生物环境连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态，相当于许多串联或并联 的a a o 处理单元，使硝化作用及反硝化作用可以在湿地系统中同时进行，从而实现脱 氮的目的。 1 2 3 湿地除磷机理 人工湿地对1 p 的去除率一般低于对t n 的去除率。人工湿地对磷的去除作用包括 基质的吸附、过滤、沉淀、植物吸收、微生物去除及物理化学作用【2 每2 引。 湿地对磷的去除途径主要是吸附和沉淀作用【2 8 刎。可溶性无机磷易与f e 、a 1 、c a 和粘土矿物质发生吸附和沉淀反应而固定于土壤中。与c a 反应主要在碱性条件下，而 与f e 和a l 反应主要在酸性和中性土壤中【姗。吸附除了化学的配位交换作用外，还有物 6 理吸附。每一种基质都有它固定的吸附能力，一旦所有的吸附点被占用，就不能再吸附 了。因此，湿地基质对磷的去除作用存在饱和的问题 3 l 】。t a n n e r 2 4 】等人对磷在人工湿地 基质中的积累进行了研究，发现5 年之后，磷的去除明显降低。有机质在基质中的积累 是人工湿地去除磷的另一机制。在大多数湿地中，有机质的一部分分解速率非常慢，以 致于包含在有机质中的磷随着有机质而积累，由此形成了多数湿地重要的“去除 过程 【3 2 】 o 如同无机氮一样，无机磷也是湿地植物必需的养分。废水中无机磷在植物吸收及同 化作用下可以变成植物的a t p 、d n a 及r n a 等有机成分。微生物对磷的去除包括它们 对磷的正常吸收和对磷的过量积累。 1 3 影响人工湿地中氮磷去除的主要因素 1 3 1 影响硝化反硝化的因素 传统理论认为硝化和反硝化是两个基本分开的反应，在土壤，沉积物，水体或反应 器中分别由不同的微生物在不同的区域进行。研究表明【3 3 1 ：硝化细菌和反硝化细菌的生 境并不是严格分开的，在混合培养甚至是纯培养的微生物群落中，硝化和反硝化能同时 发生。直到2 0 世纪8 0 年代末，人们仍普遍认为自养硝化菌的新陈代谢过程相当简单： 首先专性好氧氨氧化细菌把氨氧化成n 0 2 - ，然后专性好氧亚硝化菌把n 0 2 - 氧化成n o ：。 这种反应被认为非常稳定，可以用硝化产物n 0 2 和n 0 3 = 来衡量硝化效率的高低。p o t h 的研究发现【蚓，自养硝化茵新陈代谢并不像传统认为的那样简单，氨氧化细菌在适宜的 实验条件下，能够产生n o ，n 2 0 甚至n 2 。在氧限制的实验条件下，典型硝化菌亚 硝化单胞菌( n i t r o s o m o n a se u r o p a e a ) 产生大量的n 2 0 ，而一种未鉴定的亚硝化单胞茵菌 株产生了n 2 。这种现象说明，产n 0 2 - 的自养茵具有在低溶解氧甚至是厌氧生境下生存 的能力。 研究表明：硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化反应；反硝化 不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝 化菌同时也是异养硝化菌( 如t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 菌) ，并能把n h 4 + 氧化成n 0 2 - 后直 接进行反硝化反应【3 5 1 。异养硝化菌至少有两种完全不同的反硝化途径【4 0 】： 7 n h 4 + - n h 2 0 h _ n 0 2 乙悄0 3 一( 无机硝化途径) 姗一i 心m o h _ 1 0 n o - 黜、j 0 2 n o ，( 有机硝化途径) 1 3 1 1 游离氨的浓度( f a ) 和p h 值 游离氨的浓度对亚硝酸盐的积累影响最大。游离氨会抑制亚硝化单胞菌和硝化杆菌， 而硝化杆菌对游离氨比亚硝化单胞杆菌更为敏感，因此可以选一个比较合适的相对较低 的游离氨浓度，使其能抑制硝酸杆菌的活性，而不影响亚硝化单胞杆菌的活性。但亚硝 酸盐的积累很难维持，因为硝化杆菌能够很快适应游离氨的浓度变化( 即硝化杆菌的驯 化) 。亚硝酸菌要求的最适p h 值为7 7 8 之间，硝化杆菌要求为6 7 5 ，因此p h 值升高 到8 以上时，会出现亚硝酸盐的积累【3 5 1 。由于游离氨的浓度是随p h 值的升高而增加， 则高p h 值与高游离氨浓度结合在一起会严重抑制或阻碍生物硝化的完成。 1 3 1 2 温度 生物硝化反应的适宜温度为2 0 3 5 c ，硝化杆菌在低温( 15 c 以下) 和高温( 3 0 c 以 上) 时受到抑制的程度比亚硝化单胞杆菌要大，从而造成亚硝酸盐的积累。 1 3 1 3 碳氮比 有机碳是影响硝化反应的一个重要因素。研究发现【3 3 】：异养硝化菌( t p a n t o t r o p h a ) 和自养氮化菌( n e u r o p a e a ) 在不同的碳氮比条件下，对n i - h + 的去除效果不一样。碳氮 比较低时，n i - h + 主要是依靠自养硝化菌作用去除；随着碳氮比的升高，异养硝化菌的作 用逐渐增强；当c ：n 为1 0 时，异养硝化菌的硝化作用约为自养硝化的2 倍。随着碳氮 比的升高，被吸收的氨氮的量也随之增加。这也预示着利用异养细菌比自养细菌进行硝 化的反应器产生的污泥量要大。此外，有机碳作为反硝化的能源和反硝化反应的电子供 体，是反硝化的主要限制因子。 1 3 1 4 溶解氧 一般认为硝化反应中d o 至少在0 5 m g l 以上，h a n a k i 等实验发现，d o 小于0 5 m g 1 时，亚硝化单胞杆菌增长量加倍从而弥补了低溶解氧造成的基质利用率的降低。但硝化 杆菌的产量未增加，产生亚硝酸盐的积累。g a r r i d o 等认为这可能使硝化杆菌位于生物 膜的内侧或亚硝化单胞杆菌的氧半饱和常数比较小的缘故。也有人认为应把d o 与f a 综合考虑，当d o 但a 2 0 0 m gp 1 ) 土壤和沸石对p 的吸附不超过3 0 ，而 高炉矿渣和钢渣仍吸附了5 0 以上的p 。所有的基质中，高炉矿渣具有最高的p 的吸附 能力。经过多次回归分析显示，基质对p 的吸附与基质中a l 和f e 的含量具有良好的相 关性( r 2 = 0 9 0 1 ) ，说明基质中a l 和f e 等氧化物的存在影响废水中p 的去除。另外， 土壤对p 的吸附与土壤中有机物( t o c ) 的相关性( r 2 = 0 0 4 4 ) 分析表明，土壤中有机 物含量对土壤吸附p 的影响微弱。 人工湿地水力负荷、运行时间和湿地植物对污水中磷去除有一定的影响。t a n n e r 等 幽采用奶牛场废水在4 种不同的水力负荷下进行试验，t p 负荷为5 2 0 2 0 0 0 9 m 2 ，运行5 年。研究发现，运行2 年后，填料t p 的平均累积量范围：栽种植物的湿地为5 2 - 1 0 0g m 2 ； 未种植物的湿地为4 0 5 0g m 2 ，两者磷累积量都随水力负荷的增加而增加。运行5 年后， 所有栽种植物的湿地的填料t p 累积量在为1 1 5 - 1 2 8g m 2 。湿地植物在运行的前2 年提 高了废水t p 的去除率，同时增加了填料t p 的累积量，但不同的湿地间差异较大；随着 植物贮存p 的稳定和填料对p 吸附能力的逐渐饱和，后3 年填料t p 累积减少。人工湿 地在5 年运行中，实现了2 3 2 5g m 2 y r 的填料t p 累积速率，如表3 所示。 l u e d e r i t z 等 3 6 】提出，为了得到高的磷的吸附能力，可使用富含钙和铁的砂子和砾石 作为基质。在运行7 年后的l o b u r g 芦苇床湿地系统中，t p 的6 3 以有机物的形式存在； 说明人工湿地填料磷吸附饱和后，磷在人工湿地沉积物中的贮存成为磷去除的主要途径。 1 4 人工湿地中微生物生态研究概述 1 4 1 微生物在人工湿地中的分布特征 人工湿地中的微生物是及其丰富的，不同的类群具有不同的功能，受到各种因素的 9 影响，微生物的数量和种类在人工湿地的不同区域分布不相同。有植物系统的微生物数 量显著高于无植物系统。植物根区与非根区的微生物种类和数量存在较大差异，湿地基 质表面和植物根区的功能性微生物种类和数量相对较多【3 7 , 3 8 】。植物根区是微生物最活跃 的区域，根、根茎及根须提供了结构不同的表面，并形成了根分泌物和气体( n 2 、0 2 、 c 0 2 ) 浓度梯度，刺激了好氧以及厌氧的矿化过程，因此组成了多样化的微生物群落。 靖元孝等【3 9 】研究的风车草人工湿地系统中，氨化细菌、硝化和反硝化细菌数量明显比对 照系统高；由于风车草茎和根的输氧作用，增加了硝化菌数量和硝化强度，而在远离风 车草根部的区域形成缺氧、厌氧环境，导致较多的反硝化菌数量和较强的反硝化强度。 微生物数量和种类在人工湿地的垂直分布上也呈现一定的规律，即随着基质层的加深逐 渐减少。吴振斌等1 4 0 的研究结果表明，好氧和厌氧微生物的空间分布存在着差别，垂直 流人工湿地0 - - 1 0 c m 的基质层中好氧微生物数量高出3 0 , - 5 5 c m 的层面l 2 个数量级；而 兼性厌氧菌如反硝化细菌几乎存在于基质各层中，达到1 0 7 个g 干土以上。d o n n e l l y 等【4 l 】 对海草根区细菌数量的调查表明，有植物系统中植物根区( 土壤层l 3e r a ) 细菌数最多， 相反，无植物系统从水一土界面随土层的加深细菌数递减。 微生物的数目和种类与污水净化效果也有一定的关系。经相关性分析发现【4 2 , 4 3 】，湿 地植物根区的细菌总数与b o d 5 去除率之间存在显著相关性；根区微生物数量( 细菌、 真菌和放线菌) 与1 1 p