（市政工程专业论文）人工湿地植物蒸腾与光合特性及其对去除效果的影响.pdf

摘要 人工湿地植物蒸腾与光合特性及其对去除效果的影响 东南大学 硕士研究生：王峰导师：王世和教授 摘要 人工湿地处理污水具有出水水质好，基建投资与运行费用低，维护管理方便等优点， 特剐适合于我国中小城镇污水的实际处理。人工湿地的相关研究，如净化机理、系统控 制、设计及运行参数等方面都取得了一定进展。而有关人工湿地植物蒸腾与光合作用特 性及对湿地除污效果的影响研究直到目前尚少见到。 本文以人工湿地中栽种的美人蕉和芦苇为研究对象。采用l i 6 4 0 0 光合测定系统对 蒸腾速率( 1 r ) 、净光合速率( p n ) 、气孔导度( c s ) 和胞间c 0 2 浓度( c i ) 进行了测定，并同步 测定了光合有效辐射( p a r ) 、空气相对湿度( r h ) 和气温( 1 h ) 等环境因子。以t r 和p n 时平 均值为基础绘制了其日变化曲线。并对t r 和p n 与环境因子的关系进行了相关分析和最 佳模型拟合，对t r 、p n 与其它生理参数( g s 、c i ) 以及t r 、p n 之间进行了相关分析。以 城市污水处理厂初沉池出水为处理对象，通过室外中试试验，详细探讨了人工湿地中美 人蕉与芦苇的蒸腾与光合作用对湿地去除效果的影响。 研究结果表明，影响植物t r 和p n 的主要环境因子为p a r 、t a 及i m ，主要植物生 理特征参数为c s 和c i 。按环境因子对植物t r 和p n 的影响程度强弱排列：p a r t a r h 。t r 、p n 分别可用含p a r 的优化模型表达，t r 与p n 的关系可用二次方型回归模型 表示。 两种植物蒸腾量占湿地蒸散量的9 0 左右，占湿地蒸散的绝大部分。虽然植物每日 蒸腾量占湿地蒸散量的比重很高，但相对于湿地日处理水量来说，只占处理水量的 3 2 4 4 7 8 ，仍是较小的。通过对湿地蒸腾量与湿地处理效果的分析发现。湿地的 c o d 、t n 、t i ? 去除率变化与蒸腾量的日变化存在对应关系。主要原因为植物光合蒸腾 的生理过程不但会吸收营养元素氮、磷等，更重要的是植物会将光合作用产生的氧输送 到根毛区，在湿地基质中交替出现好氧、缺氧和厌氧的状态，为湿地的脱氮与除磷创造 了有利的微环境。 关键词：人工湿地、蒸腾作用、光合作用、影响因素、去除效果 东南犬学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s t r u c t e dw e t l a n df o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n th a st h ea d v a n t a g e so fg o o do u t l e tq u a l i t y , l o w e rc o s to fc o n s t r u c t i o na n dd a i l yo p e r a t i o na n dc o n v e n i e n c eo fm a n a g e m e n t s oi t sv e r y s u i t e df o rt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tr e q u i r e m e n to ft h es m a l la n dm i d d l i n gc i t i e si no u r c o u n t r y t h er e l a t i v er e s e a r c ho nt h er e m o v a lt h e o r y , o nt h es y s t e md e s i g na n dc o n t r o la n do n t h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sh a sm a d ec e r t a i ne x t e n th e a d w a y b u tt h ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c h o nt r a n s p i r a t i o na n dp h o t o s y n t h e s i sa n dt h e i ri n f l u e n c e0 nr e m o v a le f f i c i e n c yi nc o n s t r u c t e d w e t l a n di sl a c k i n gi np r a s e n t a i m e da tc a n n aa n db u l r u s hp l a n t e di nc o n s t r u c t e dw e t l a n dm o d e l ，t h ee x p e r i m e n t m e n s u r a t e dt r a n s p i r a t i o nr a t e ( t 0 。n e tp h o t o s y n t h e s i sr a t e ( p n ) ，e n v i r o n m e n tf k t o f ss u c ha s p a r , r h ，t aa n dp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r ss u c ha sc sa n dc ib yu s i n gl l i 一6 4 0 0p o t a b l e p h o t o s y n t h e s i sm e a s l 】r os y s t e m b a s e do nm e a nv a l u a so f t ra n dp n , i tg e t st h ef i g u r eo f d a i l y v a r y i n gc u r v e c o r r e l a t i v i t ya m o n gt r , p n , e n v i r o n m e n t f h c t o r sa n dp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s i sa n a l y z e da n ds i m u l a t i v em o d e li sc o n s t r u c t e d b a s e do nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dm o d e l ，t h e t r e a t m e n te x p e r i m e n t sf o rt h ep r e - s e d i m e n t a t i o ne f f l u e n to f m u n i c i p a ls e w a g ep l a n ta t ed o n e t r a n s p i r a t i o na n dp h o t o s y n t h e s i s i n f l u e n c eo i lt h er e m o v a le f f i c i e n c yi sd i s c u s s e dw i t ht h e e x p e r i m e n td a t a t h er e s u l ts h o w st h a tt h em i ni n f l u e n c i n gf h c t 0 幅o ft ra n dp ni n c l u d e se n v i r o n m e n t f a c t o r s ( p a r ，t a , r h ) a n dp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s ( c i ，c s ) t h e r ee x i s t ss o m ec o r r e l a t i v e r e l a t i o n sa m o n gt ra n dp na n dt h ei n f l u e n c i n gf h c t 0 璐b yt h ei n f l u e n c ee x t e n ts e q u e n c e ：p a r t a r h t ra n dp nc a nb ed e s c r i b e di nt h em o s to p t i m i z e dm o d e lw i t hp a ra st h e i n d e p e n d e n tv a r i a b l e a n daq u a d r a t i cm o d e lc a nb eu s e dt od e s c r i b et h ec o r r e l a t i v er e l a t i o n b c c w e e l lt ra n dp n t h ep l a n t s t r a n s p i r a t i o ni s9 0 0p r o p o r t i o nw i t ht h e i re v a p o t r a n s p i r a t i o na n d3 2 4 4 7 8 p r o p o r t i o nw i t ht h ew e t l a n dd a i l yt r e a t m e n ta m o u n t a n a l y s i so i lt r a n s p i r a t i o na n dt h e r e m o v a le f f e c to f w e t l a n ds h o w st h a tr e m o v a le f f i c i e n c yo f c o d ，t n ，t pc o r r e s p o n d sw i t hr a n dt h er e m o v a le f f i c i 四c yo fp | a n t ai sh i g h e ri n $ 1 h r n - f l e rt h a nt h a ti na u t u m n t h e t ra n dp n o fp l a n tr i s e s ，e c o l o g ym e t a b o l i s mi n c r e a s e sa n dp h o t o s y n t h e s i si m p r o v e st h el e v e l o f d i s s o l v e do x y g e no f r o o t 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 ，t r a n s p i r a t i o n , p h o t o s y n t h e s i s ，r e m o v a le f f i c i e n c y ；i n f l u e n c i n g f a c t o r s 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入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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 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： 导师签名：兰笠兰釜三2 日期：! 三：f ： 第一章绪论 第一章绪论 水是人类赖以生存和发展的基本条件，它对于人类社会的文明和进步起到至关重要的作用。随 着世界人口的不断增长和工农业的迅速发展，人类对水资源的需求量日益增加。由于水资源利用与 水量分布的不平衡，水资源的不合理开发及浪费，导致我国水资源环境问题严重。环境污染是造成 我国水资源紧张的另个重要原冈。目前，全国约有1 3 的l ：业废水和大量的生活污水未经处理就直 接摊入自然水体，使水环境遭到严重的污染，许多河流成了排污沟，大量湖泊富营养化严重，近一 半的重点城镇水质不符合饮用水标准。形成了水质性缺水问题。由此可见，如何使水资源得到保护， 污水得到及时有效的处理并作为一种资源再一次有效利用，已经成为我国面临的重要课题之一。 我国在水污染治理的道路上历经了由借鉴吸收发达国家的污水处理经验到探索寻求符合我国发 展中国家国情现状的治理方法的过程。人工湿地处理技术是正在不断得到研究应用和发展的污水处 理使用新技术，具有投资低，出水水质好，抗冲击能力强，增加绿地面积，改善和美化生态环境， 操作简单、维护和运行费用低廉等优点。这项技术适合我国国情，尤其适合广大农村、中小城市的 污水处理，具有极其广阔的应用前景。因此，国内对这项技术的应用研究也不断的开展深化并逐渐 投入到生产实践中。 所谓人工湿地是利用适当的工程措施创建由挺水植物或潜水植物、处于饱和状态的基质层和野 生动物组成的较为复杂的生态系统，该生态系统利用湿地中植物的热扩散作用、水体中的硝化与反 硝化作用达到去污目的。它是经过人为模仿自然净化过程井进行优化配置进而强化了的具有处理污 水功能的生态系统，对污水的逐级净化过程由生态系统各级层层吸收转化实现，真正实现了污水资 源化，这种资源化不仅对人类是必要的，对水生态系统也是有益的。 1 1 人工湿地概述 1 1 1 湿地的概念、特征 湿地( w e t l a n d s ) 是地球上水陆相互作用形成的独特生态系统，是重要的生存环境和自然界最 富生物多样性的生态景观之一。在抵御洪水、调节径流，改善气候、控制污染，美化环境和维护区 域生态平衡等方面有其它系统所不能替代的作用。被誉为“地球之肾”、生命的摇篮”、“文明的发源 地”和。物种的基因库”。因而在世界自然保护大纲中，湿地与森林、海洋一起并列为全球三大生态系 统。 湿地科学定义可归纳为以下几类：从生态学角度，湿地是介于陆地与水生生态系统之间的过渡 地带，并兼有两类系统的某些特征“1 ：其地表为浅水覆盖或者其水位在地表附近变化；从资源学的 角度，凡是具有生态价值的水域( 只要其上覆水体水深不超过6r n ) 都可视为湿地，不管它是天然 的或是人工的，永久的还是暂时的“1 ；从动力地貌学的角度，湿地是区别于其它地貌系统( 如河流 地貌系统、海湾、湖泊等水体) 的具有不断起伏水位的、水流缓慢的潜水地貌系统；从系统论的观 点，湿地是一个半开放半封闭的系统。一方面，湿地是一个较独立的生态系统，它有其自身的形成 发展和演化规律。另方面，湿地又不完全独立，它在许多方面依赖于相邻的地面景观与它们发生 东南大学硬- i 学位论文 物质和能量交换，也影响邻近系统的活动”。湿地广泛分布于世界各自然地带。据初步统计，全球湿 地总面积为8 5 6 万k m 2 ，约，世界陆地面积的6 4 。2 0 0 3 年8 月起，中国采用3 s 技术进行全 国首次湿地资源调查，当年完成，并确定以后每5 年重新调查一次。经调查，我国湿地面积达6 5 。9 4 万k m 2 ，居砭洲第一、世界第四位，几乎囊括了国际湿地公约的所有湿地类型，并拥有世界上独特 的青藏高原湿地。由于湿地兼有水陆两类生态系统的某些特征，冈而具有多种生态功能和经济与社 会价值，湿地己成为人类赖以生存和发展的自然资源宝库与生存环境。为此，湿地科学研究受到越 来越多的关注，已成为当今世界所关注的重点学科与研究领域。 1 1 2 人工湿地的定义 人下湿地是人工建造和监督控制的，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理，化学 和生物作用的优化组合来进行的，也正是利用这三种作用的协同关系来进行废水处理的。用人工湿 地( c o n g 咖c t e dw e t l a n d ) 来处理城市污水是发达国家近十年来才兴起的生态处理法，它是为处理污水 而人为地在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料( 如砾石等) 混合组成填料床，使污水在 床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，并选择适应饱和水状态及高污染物浓度的植物物种，充 分发挥湿地生态系统的废水处理功能，提高污水净化效果而构筑的人工生态系统。其污水净化功能 是天然湿地所不可比拟的。人工湿地的污染物降解是在湿地基质，土壤中微生物和植物的共同作用下 发生物理化学和生物学过程，包括沉淀吸附、过滤、固定、离子交换、硝化反硝化、植物和微生物 的吸收和同化等综合作用。 1 i 3 人工湿地的分类 根据污水在人工湿地中的流动，国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样 4 1 ，不同类型的人 工湿地对特征污染物的去除效果不同，各具优缺点。 ( 1 ) 表面流人工湿地 又称为水面型人工湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称f w s ) ，其中表面流人工湿地根据植物种类 的不同又可分为挺水型、浮叶型、漂浮型、沉水型植物人工湿地。污水从湿地表面流过，具有投资 省、操作简便、运行费用低等优点，但占地面积大，水力负荷小。去污能力有限。氧主要来源于水 体表面扩散、植物根系的传输，但传输能力十分有限。湿地系统运行受气候影响较大，夏季有孳生 蚊蝇的现象，产生不良气味，冬季容易结冰等缺点。 ( 2 ) 潜流型人工湿地 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 f s ) 是目前研究和使用较多的一种人工湿地系统。 s f s 人工湿地的污水在湿地床的表面下流动，处理效果好受气温的影响相对较小，卫生条件也较好， 但该系统比f w s 人工湿地系统的造价高。潜流型人工湿地根据迸水方式的不同分为： 1 水平流人工湿地( h o r i z o n t a l - f l o ws y s t e m ，简称为h f ) ，构造如图l - l 所示。水平潜流人工湿 地因污水从一端水平流过基质床而得名。床体设有防渗层，防止污染地下水。与自由表面流人工湿 地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大，对b o d 、c o d 、s s 、重金属等污染物的去除效果好，而 且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象。但其脱氮除磷效果不如垂直潜流人工湿地。 2 垂直流人工湿地( v e r t i c a lf l o w w e t l a n d ，简称为? w ) 。与水平流人工湿地相比，v f w 供氧 效果较好，系统硝化能力较强，对n h 4 十- n 和t n 的去除效果较好，但构造比较复杂，且对s s 的去除率 不高，所以往往在v f w 后连接s f s 的效果较好。 2 第一章绪论 ( 3 ) 潮汐潜流人丁湿地 潮汐潜流人j ：湿地是近年来由伯明翰大学提出的。芦苇床交替地被充满水和排干，床体充水过 程中空气被挤出，捧水过程中新鲜的空气被带入床内。伯明翰大学最新研究成果表明，肖水被排出 芦苇床，有机污染物留在基质内时是氧消耗繁最大的时刻。因此排水过程中进入的新鲜空气可看 作是去除污染物的氧源，通过这种交替的进水和空气运动，氧的传输速率和消耗量大夫提高，极大 地提高了芦苇床的处理效粟。但潮汐流湿地运行一段时间后，床体可能会被大量的生物所堵塞，限 制了求和空气在床体内的流动，降低了处理效果。因此，设计中考虑有备用床交替运行，以便利用 闲置期进行生物降解。 1 2 人工湿地的发展及应用 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 这个词是个很新的发明，但此概念已很老，古代中国和埃及使用 此法已有多年。现代晟早运用人工湿地处理污水的实例当为建在英国约克郡e a f b y 的被认为世界上 第一处用于处理污水的人工湿地。它建于1 9 0 3 年并连续运行直到1 9 9 2 年。人工湿地处理污水工艺 在世界各地受到重视并被运用，始于上世纪6 0 年代末。1 9 5 3 年，德国k a t h es d d e l 博士在研究中发 现，芦苇能去除大量有机和无机物，他通过进一步试验发现一些污水中的细菌( 大肠菌、肠球菌、沙 门氏菌) 在种植芦苇后消失，试验还表明芦苇及其它高大植物能从水中去除重金属和碳水化合物。这 些试验室观察开始推广至许多大规模试验并用以处理工业废水、江河水、地面径流和生活污水 ”( s e i d e l ，1 9 7 8 ) 并由s e i d e l 开发出一种。m a x - p l a n c ki n s t i t u t e - p r o c e s s ”。该系统由四或五级组成。 每级由几个并联并栽有挺水植物的池子组成。根据d r s e i d e l 的思路，荷兰于1 9 6 7 年还开发了一种 现称为l c l y s t a dp r o c e s s 的大规模处理系统。 在6 0 年代中期s e i d e l 与k i c k u t h 合作并由k i c k u t h 在6 0 年代中期开发了“根区法”( r 珊) ， 此根区法由一组种有芦苇的矩形池子组成。土壤经筛选，含有钙、铁，铝添加剂，以改善土壤结构 和对磷的沉淀性能。水以地下潜流水平流过芦苇根，污水流过芦苇床时，有机物被降解，n 被硝化 反硝化，p 与c a 、f e 、a 1 共沉积累于土壤中。水面保持在地面水平，在池子进口、出口进行布水和 收集。此法的问题”1 在于土壤渗透能力并非像d r k i c h u t h 预测的那样随时问而增大，且芦苇传氧至 搬的能力也通常被认为比d r k i c k u t h 声称的要少( 1 9 9 0 ) 。k i e k u t h 于1 9 7 2 年提出了根区理论。 在北美，由于观察到自然湿地的同化能力，而在70 年代开始对不同设计的人工湿地进行实验。 8 0 年代末和9 0 年代初，在美国相继召开了人工湿地研讨会，提出了一些有关的机理和参考设计规 范与数据，标志着人工湿地作为一种新型污水女b 理技术进入水污染控制领域。 近十年来英国j 德国、法国、澳大利亚、巴西、荷兰等国人工湿地发展迅速，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可大可小，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”期间开始人工湿地的研究。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攫地。1 9 9 0 年，国家环保局华南环境科研所与深圳东深供 水局在深圳白泥境建立实验基地，占她8 4 0 0 m7 处理3 1 0 0 t d 的城镇综台污水“1 。1 9 8 9 1 9 9 0 年， 天津环保科研所建立1 1 个实验单元研究芦苇湿地对城市污水的处理能力，并对水力负荷，有机负荷， 停留时间及季节等与污水中主要污染物问规律进行探索。此后，全国磊地都建立了类似的处理系统， 并进行了相应的研究工作，在净化机理、系统控制、设计及运行参数等方面都取得可喜进展。国家 为促进人工湿地的应用研究还专门设立了多个自然科学基金项目。 3 末南大学磺 = 学位论文 1 3 人工湿地研究热点 近年来国内外对人工湿地污水处理系统的研究主要集中在以下四个方面： l ，3 1 处理效果的研究 自从各国兴起对人工湿地的研究热潮以来，人工湿地技术发展迅速，尤其是对其处理效果的研 究已相对成熟。人工湿地不仅被用于城市和各种工业废水的二二级处理，还被用于高级处理中的精处理 和对农田径流的处理。r a n n e f 【8 喏察了潜流人= i ：湿地处理农场废水的效果，其出水水质可达到w h o 灌溉用水标准。v r h o v s e k 【9 】将人工湿地技术应用于食品加废水的处理。一些发达国家还进行了人 工湿地处理特殊工业废水的研究，这也是人工湿地发展的一个特点和趋向， 1 3 2 净化机理的研究 污水进入湿地系统后污染物的迁移规律和转化机理是湿地应用必须探讨的问题，是对人工湿地 净化作用认识的深入。大量研究结果表明，在人工湿地污水净化过程中，基质、植物和微生物三者 相互联系，互为因果，形成了一个共生系统 1 1 , 1 2 , 1 3 ，利用基质微生物植物三者之间物理、化学 和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物降解来实现对废水 的净化。 作为一种兼具水陆特性的生态系统，氧对于人工湿地的平稳有效运行有着举足轻重的作用。人 工湿地中氧的主要来源为迸水中携带的氧、水面更新溶氧及植物根系对氧的传递和释放。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。湿地植物根系形成一个网络，一方面自身吸收 一部分营养物质，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1 1 4 , 1 5 1 。 图1 1 人工湿地系统溶解氧分布 湿地植物通过光合作用 产生的氧，会有一部分通 过植物的运输组织和根 系的输送作用释放到湿 地环境中，在根系周围形 成一个好氧区域，同时由 于好氧生物膜对氧的利 用而在离根系较远的区 域形成缺氧状态，在更远 的区域呈厌氧状态。湿地 床中溶解氧的分布有利 于废水中不同污染物的降解、转化及去除” 。 目前人工湿地系统广泛采用砂粒、沙土、土壤、石块为基质。当污水流经湿地系统时，基质通 过一系列物理化学作用降解污水中的有机物、氮、磷等营养物质。i 乙棚y 【”】在研究中发现人工湿 地中的磷可通过沉淀或吸附反应而降解，其中p h 值起到重要作用。研究人工污水中的磷在模拟秋茄 湿地系统中的分配循环发现”e 1 ”】，加入的磷主要残留在土壤中，留存在植物体和凋落叶中的很少 人工湿地中碳、氮、磷等元素的循环离不开微生物的活动。李科得等1 2 0 】比较了芦苇床系统与天 然芦苇场中根面及根际土的细菌、真菌、放线菌等的数量，结果发现人工芦苇床系统中各类微生物 4 第一章绪论 的数量明显地高于天然芦苇场。杨棒芳8 ”等在慢速渗透+ 地系统的水稻十中研究发现氮化细菌的数 量在1 0 7 个幢干重以上。水生植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根区，从而形成了根表面及附 近区域的氧化状态。废水中大部分有机物质在这一区域被好氧微生物利用氧而分解成c 0 2 和水；有 机氮化物等则被这一区域的硝化细菌所硝化。而在湿地中的还原状态区域，则是经过厌氧细菌的发 酵作用将有机物分解1 2 2 。2 4 。 1 3 3 湿地建模 国内外对建立人工湿地污染物去除数学模型的研究相当活跃。b l - n 2 ”研究发现整个湿地系统可 用稳态的一级反应动力学方程来描述。澳大利亚、欧洲、美国广泛应用一级动力学模型于湿地的设 计和对湿地污染物去除效果的预测。虽然有许多局限性，但其参数的求解及计算过程都很简单，因 此目前仍把它作为描述湿地中污染物去除的最合适的方程1 2 6 1 ，应用于b o d 、营养物、s s 和细菌以 及金属离子的去除计算。 湿地一级动力学方程，主要考虑处理负荷与处理效率之间的关系，模型的推导以基质的降解服 从一级反应动力学为基础。经常假设模型中的一些参数如速率常数等为常量，与水力负荷或进水浓 度无关，以及湿地中的水流形态为稳定的柱塞流等。一级动力学模型的表达方式通常为口7 】： c o = c 同【p ( k t ) ；( 1 1 ) c o = c j c 【p ( - k a 0 3( 1 2 ) 式中：c 广进水浓度【m i 力：旷出水浓度【m ，i 力；k 广体积去除速率常数【1 ，明；k - 面积去除 速率常数【l t 1 ；卜水力停留时间盯】：广水力负荷 t l r 。 而史云鹏唧1 等认为m o n o d 动力学模型与一级动力学模型相比更符合微生物处理的实际情况，更 适用于那些微生物起主导作用的污染物降解过程。 一级动力学和m o n o d 动力学的设计方程都是由污染物稳态时的质量平衡得到的，都是湿地床的 静态宏观模型，两者都没有考虑到传质效率，即都假定物质从液相迁移到生物膜的过程没有阻力。 新的模型应考虑到湿地植被的空间分布，应根据实际的停留时间分布来模拟污染物在湿地中的去除， 而不是仅考虑单一的停留时间。另外，人工湿地是一个复杂的生态系统，其对污染物的去除是人工 湿地各组成部分共同作用的结果，新的模型应充分考虑到各种因素的影响，因此应对人工湿地污染 物的去除机理及其影响因素作深入全面的研究。 1 3 4 应用强化措施 国内外专家提出了一系列强化人工湿地污水处理效果的措施。降低负荷、曝气、采用问歇式迸 水、增加植物密度、提高植物的充氧作用等都有助于改变系统内的氧状态口目。多点进水可改善处理 效果，使植物生长均匀，促进根系深入，采用较大长宽比可防止前端堵塞和短流现象 3 0 l 。潜流型人 工湿地周期性排水可将堵塞在空隙中的s s 冲刷出去，从而延长湿地的运行寿命p ”。人工湿地单元 流态方面也由通常的稚流式发展到阶梯迸水式、回流式或综合式。 这些强化措施的提出大大提高了人工湿地对污水的净化效果，使人工湿地污水处理技术日益完 善起来 5 东南大学硕士学位论文 1 4 本文研究的目的和内容 植物的蒸腾作用指水分以气态通过植物体的表面而扩散到大气中的过程，其本质上是一个蒸发 过程。但由于它与植物形态解剖和生理特性密切相关，故受植物生理过程调节，又是一个复杂的生 理过程。光合作用是绿色植物吸收太r 光能，将二二氧化碳和水合成有机物质并释放氧的过程。有关 植物蒸腾与光合作f 的研究在农业及嗣林领域开展的较早，也较深入。这些研究主要集中在变化规 律、影响网素和理论模型等方面。而在人工湿地领域，有关湿地植物的蒸腾与光合作用特性、蒸腾 与光合作用之间的关系、蒸腾与光合作用的影响因素及蒸腾与光合作用对湿地处理效果的影响等等 诸方面则缺乏系统的研究。 本文旨在针对以上所述各个方面，以城市污水为处理对象。通过大量的室外中试试验，详细探 讨了人工湿地中美人蕉与芦苇的蒸腾和光合作用的变化规律，影响蒸腾与光合的因素，蒸腾与光合 作用之间的关系及其与湿地除污效果的关系等，为人工湿地技术的进一步发展及工程设计与运行管 理提供参考。 本研究的创新之处在于：系统研究了人工湿地系统中植物的蒸腾与光合作用及其影响因素，并 探讨了各自与相关污染物去除效果的关系。 课题来源于国家自然科学基金人工湿地的氧传机理与强化脱氮技术( 5 0 2 7 8 0 1 6 ) ，本论文为 该课题研究内容的组成部分。 6 第_ 二章试验概况 第二章试验概况 本文的人工湿地系统设在南京锁金村城镇污水处理厂的初沉池旁，共分为自行设计的八块人工 湿地。其中七块为小湿地，一块为人湿地，分别种上不同植物。 2 1 湿地的平面布置与结构 2 1 1 平面布置 湿地所处位置为污水厂内初沉池南侧空地，沿南北方向布置。湿地进水来源于南京市锁金村污 水处理厂初沉池内，采用虹吸进水，进水口设在o 8 m 高度处。总管及各分管安装截止阀以调节水量。 每个系统进水末端设有穿孔管与总管相连，起到均匀配水的作用。 2 1 2 湿地结构 图2 1 人工湿地平面布局 衬 况 池 其中七组试验装置为水平推流式潜流湿地，床体一端均匀布水。污水水平流过床体；一组为垂 直潜流湿地，污水从池底底部布水，以阶梯方式三次垂直向上流过床体。每块小湿地池体尺寸均为 3 3 m xi o m x1 o m ，水平流湿地底面坡度为1 ，垂直流湿地底面坡度为2 ，底部和四周以水泥墙 封闭，并进行防渗处理。每个系统都分为进水段、处理段、出水段。大湿地池体尺寸为1 3 o m x 3 0 m x1 o m ，采用水平流，底面坡度为1 ，配水和集水与小湿地类似。 7 集水外捧 东南大学硕j 擘位论文 图2 2 水平流湿地构造 图2 3 垂直流湿地构造 配水区长约0 1 5 米，宽1 米，以穿孔板与处理段分隔，以保证配水均匀，区内铺设粒径在4 0 m m 左右的砾石，抑制污水短流使其得到均匀分配，还可以起到对污水进行初步过滤作用防止湿地内 部堵塞。处理区长约3 米，宽1 米，深1 米，底坡1 。处理区填料由四层组成，底层为2 0 c m 厚粗 糙砾石( 粒径4 0 6 0 m m ) ，中层为3 0 c m 厚中等砾石( 粒径2 0 4 0 m m ) ，上层为1 5 c m 厚细小砾石( 粒 径1 0 m m 3 0 m m ) ，表层覆十厚约2 0 c m 。集水区长0 1 5 米，宽1 米，铺设粒径在4 0 r a m 左右的砾石， 并以穿孔板分隔集水区和处理区，以防止短流。出水管有三根，分别设在0 2 米、0 a 米、0 6 米高 度，以调节湿地系统中的水位。 2 2 湿地植物的栽种情况 栽种植物的选择以南京地区较典型的根系发达、易栽培、根系生物量较大、多年生水生或湿生 植物为原则。试验中，大湿地始终栽种芦苇；小湿地则在试验前期( 2 0 0 5 年1 月以前) 和试验期( 2 0 0 5 年1 月之后) 栽种植物的情况不同。具体栽种情况可见表2 1 。 表2 1 人工湿地植物的栽种情况 在湿地运行期间，定期对湿地进行除草、植物修剪、反冲洗等维护管理措施，冬季对各湿地采 取保温措施。 8 第一二章试验概况 2 3 试验水质 本试验的进水来自南京市锁金村污水处理厂的初沉池出水，水质条件具体见下表。 表2 2 人工湿地进水水质 由表可见，经南京市锁金村污水厂初沉池预处理过的生活污水c o d c ，( 后面来注明时化学耗氧 量均指c o d c ，) 、b o d 值较低，平均变化幅度不大，d o 、t p 浓度偏低，p h 值略偏碱性，具有明显色 度，并带有强烈难闻气味。总氮及氨氮浓度均不高。 2 a 水质测定方法及仪器 本试验测试方法均依据国家环保局编制的水和废水监测分析方法( 第四版) ，如表2 3 。 表2 3 各污染物指标测试方法 主要测试仪器 ( i ) c o d 回流装置( z ) t g 3 2 8 a 型分析天平 ( 3 ) h g l 0 1 2 型电热鼓风干燥箱( 4 ) h h s 8 型电热恒温水浴锅 ( 5 ) 7 5 2 c 型紫外可见分光光度计( 6 ) ( 2 8 0 b 型手提不锈钢蒸汽消毒器 ( 7 ) r e x 、j p s j - 6 0 5 型溶氧仪( 1 精度) ( s y h s - 2 c 型精密酸度计( 1 精度) ( 9 ) l i - 6 4 0 0 型便携式光合作用测定仪 9 东南大学硕上学位论文 2 5 试验方法 2 5 1 湿地植物蒸腾量的测定 设计三只盆栽塑料桶如图2 4 ，分别 栽种美入蕉和芦苇进行盆栽试验以测定 对应蒸发蒸腾量。植物栽种密度与湿地系 统中栽种情况相同。士壤蒸发量和植物蒸 腾量合称蒸散量。第三只桶不种植物作为 对照，以测定土壤蒸发量；对其它种有植 物的桶测定蒸散量与第三只空白桶作对 照，可近似得出植物蒸腾所占比例。备桶 大小相同，内径2 5 c m ，高7 0 c m ，由底部 向上铺有粒径由大到小的三层砾石，最上 层为覆土，与所构筑的人工湿地条件一 致。试验前从湿地中移植物到塑料桶中， 接入初沉池污水并稳定一个月。每只塑料 桶侧面设置连通管，监测水位变化以测定 空白 i i t - i j ： 苫弦 强秀 0000 蒸散量。测量计算方法见附录l 。通过同步测定塑料桶中的蒸腾量及对应条件下湿地中的去除率， 考察植物蒸腾与光合对人工湿地处理效果的影响。 2 5 2 植物蒸腾速率及净光合速率的测定 光合及蒸腾作用的测定采用l r - - 6 4 0 0 便携式光合作用测定仪f 美国，l b c o r 公司) ，开放式气 路。在野外非离体条件下直接测定植物的净光合速率( p n ，p m o lc 0 2 m - z 8 _ 。) ，蒸腾速率m ， m m o l h 2 0 m 2 s 1 ) ，光强( p a r ，p , m 0 1 m 2 s 1 ) 等指标。选择湿地中长势良好的植物各三棵，每棵植 株的中上部选择健康完整向阳的成熟叶片，在6 月和8 月每个月中旬选择晴朗天气测定两种植物蒸 腾速率与净光合速率的日变化。从早上八点到下午六点每小时测定一次，测定后取平均值。同时记 录胞问c 0 2 浓度c i ( p m o l - l 1 ) 、气孔导度c s ( m m o l - m 2 一) 等。空气湿度( r h ，哟和温度f 耽) 采用温 湿度计与p n 同步测定，每小时记录1 次。 2 5 3 数据处理与分析 ： 以t tpi l ，c s c i 和p a r 的时平均值、以及r h ，t a 时测定值为基础，采用s p s s l 3 0 统计软件进行 均值分析、相关分析、回归分析。s p s s ( s 协b s 虹c a l p r o d u c t a n ds c - r v i c e s o l u t i o n s ) 原是针对社会科学 的应用由美国斯坦福大学的三位研究生在2 0 世纪6 0 年代末研制开发的统计分析软件，实际上广泛应 用于经济学、社会学、生物学、教育学、心理学、医学以及体育、工业、农业、林业、商业和金融 等各个领域。在国际学术界有条不成文的规定，即在国际学术交流中，凡是用s p s s 软件完成的计 算和统计分析，可以不必说明算法旧，可见其准确性十分可靠。 l o 第一二章试验概况 2 5 4 试验工况的确定 湿地蒸发、植物蒸腾的水量损耗、湿地液面的可自由升降、水深的人为调控等均会引起人 ：湿 地水力负荷，水力停留时间及处理效果的变化【3 ”，故很难确定植物的蒸腾、光合因素与去除效果的 关系。考虑到以上冈素，试验过程中，每次均取相同工况( 水位为6 0 e r a ，停留时间5 5 d ) ，待运行 稳定( 以出水水质稳定为依据) 后，再铡定相关数据，使以上因素的影响降低到最小，从而忽略其 影响，进行近似的单因素试验。 2 6 试验内容 本试验研究的主要内容包括：设计盆栽及空白试验，以测定人工湿地的蒸发、蒸腾量，确定蒸 腾量占蒸散量的比例，湿地蒸敖占人工湿地处理水量的比例：考察不同月份、植物的不同生长期， 人工湿地各植物的蒸腾速率和净光合速率变化规律及其影响因子，以及人工湿地中植物湿地与空白 湿地的蒸腾量与污染物去除效果的关系。 东南犬掌碛上学位论文 第三章植物蒸腾与光合作用特性 湿地植物是人工湿地的重要组成部分，对污染物的降解和去除有重要的作用。在人工湿地污水 净化过程中，基质、植物和微生物三者相互联系，互为因果，形成了一个共生系统，利崩基质一微 生物一植物的物理、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 微生物降解来实现对废水的净化。不同的湿地植物种类，其生长速度、对污染物的吸收转化能力、 泌氧能力有显著差异，基质中的生长的微生物也有所不同，所以对污水的净化能力也有显著差异。 植物蒸腾作用是植物根系吸水的最主要动力，植物的蒸腾特性体现了植物的生长活力。光合作 用是植物生长的物质和能量基础，也是植物生长活力的一个标志。要研究植物对湿地处理效果的影 响，首先要研究植物的蒸腾与光合特性。本章即是主要讨论湿地植物蒸腾与光合作用的变化规律、 影响人工湿地植物蒸腾与光合作用的因素、及植物蒸腾量对人工湿选水量平衡的影响程度。 3 1 蒸腾速率的日变化 圈3 16 月份蒸腾速率的日变化图3 28 月份蒸腾速率的日变化 表3 1 两种植物不同月份蒸腾速率的日最大值和日均值( 单位：m m o l h 2 0 产s - i ) 植物! 望! 望 。 蒸腾速率晟大值蒸腾速率平均值蒸腾速率最大值蒸腾速率平均值 美人蕉 4 3 43 4 0 5 3 2 3 9 9 芦苇4 7 93 1 95 8 8 3 8 4 由两种植物蒸腾速率的日变化曲线图可以看出，6 月期间芦苇和美人蕉蒸腾速率的日变化均呈 单峰型，在中午1 2 ：o o 左右达到最大值：8 月期间美人蕉的蒸腾速率变化曲线仍呈单蜂型，在中午 1 2 ：0 0 左右达到最大值，而芦苇的变化曲线则在中午1 2 ：0 0 和下午2 ：o o 各出现了一个峰值，曲 线星双峰型。中午芦苇蒸腾速率下降，发生所谓的“午休”现象，这是因为在炎热夏季的强光高温 条件下，中午前后叶片失水过多，气孔关闭，使蒸腾明显下降；下午叶片水分稍有增加，蒸腾义可 回升；直到傍晚蒸腾逐渐减弱以至停止。 1 2 一譬，导一口日邑、声哥赣誉摊 第三章檀物蒸腾i 光合作用特性 3 2 影响湿地植物蒸腾的因素 一般来说植物地上部的各种器官如茎、叶、花、果实等都能进行蒸腾作用，但植物的蒸腾绝大 部分是在叶片上进行的。水分在叶片上的蒸腾可以分为气孔蒸腾和角质蒸腾两种；成熟叶片的角质 层厚，蒸腾鼙很小，由占总蒸腾最的3 5 ，所以气孔蒸腾是植物蒸腾作用的主要形式。 植物的蒸腾作用作为以天为周期的生理过程，其日变化情况一方面决定于植物自身的生物节律， 另一方面也要受到环境条件的影响，= 者对蒸腾特性影响的程度因植物而异。通常情况下，影响植 物蒸腾特性的环境条件也存在明显的日变化，植物正是在长期进化中适应了环境条件的这种日变化， 形成了自身的生物节律。 圈3 36 月份环境因子的变化图3 a8 月份环境因子的变化 3 2 1 环境因子的影响 气孔是植物进行蒸腾的孔道，而且蒸腾速率的快慢常决定于叶孔内、外蒸汽压之差，所以凡是 影响气孔运动和叶内外蒸汽压差的外界条件都会影响植物蒸腾。由植物生理学研究资料及前人研 究成果 3 6 3 7 3 5 1 表明，影响植物蒸腾的环境因子可能有：光强( p a r 。m 0 1 m - ：s - 1 ) 、空气相对湿度( r h ， ) ，气温( t a 。) 、风和土壤条件等等。因测试期间风俗情况为静风，故忽略其影响。植物蒸腾 特性用蒸腾速率c t r ，m m o l h