（环境工程专业论文）垂直复合流人工湿地深度处理污水厂尾水研究.pdf

摘要 城市尾水的资源化利用是水资源可持续利用的战略性措施。本论文以南京市 城东污水处理厂尾水为对象，以垂直复合流人工湿地系统为深度处理工艺，探讨 垂直复合流人工湿地深度处理城市污水厂尾水的净化效率及处理出水回用于城 市景观水体的可行性。同时，针对尾水特征，对系统污染物去除机理进行了分析。 主要研究成果如下： ( 1 ) 系统对污水厂尾水净化效率研究。进水各指标平均值分别为p h 值7 8 4 、 d o o 8 8 m g l 、s s7 9 m g l 、c o d c r7 9 6 m g l 、n h 4 + - n1 5 3 1m g l 、t n2 9 3 1 m g l 、 t p2 2 2 9 m l 时，出水平均值分别为p h 值7 2 2 、d o1 6 2 m g l 、s s9m l 、c o d c r 1 3 0 m g l 、n h 4 + - n0 7 3 m g l 、t n1 4 7 2 m g l 、t p0 1 0 7 m g l 。出水各水质指标平 均值均能满足景观环境用水的再生水水质标准( g b t1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) ，可作为城市 景观水体的补水水源。 ( 2 ) 系统对有机物去除途径分析。系统对有机物去除率为8 5 0 7 ，并且主 要集中在下行池0 1 0 c m 基质层内，该部分去除率为7 8 8 3 。通过1 、5 、1 0 、 2 0 、4 0 c m 基质层微生物分析，系统中相同深度基质层内下行池微生物数量多于 上行池；同一池体上层( o 1 0 c m ) 基质层微生物数量远大中下层的微生物数量， 最多可以达4 个数量级，中下层微生物数量变化不明显。系统有机物去除与下行 池基质中细菌、真菌、放线菌数量存在显著相关性，分别为f o 9 1 8 ，p = o 0 2 8 ； r ：o 9 4 4 ，p = 0 0 16 和r = 0 9 l8 ，p = o 0 2 8 。 ( 3 ) 系统对氮的去除途径分析。系统进水中氮素主要是有机氮和氨氮，出 水氮主要为硝酸盐氮，沿程氮素总体表现为氨氮减少，硝酸盐氮增加的趋势。在 水流沿程方向上，氨氮的去除主要集中在下行池3 0 6 0 c m 基质层内，该部分去 除效率为8 6 5 4 。由于低碳尾水碳源的限制，系统水流沿程方向上，亚硝酸盐 氮和硝酸盐氮浓度呈增加趋势。系统对t n 的去除率为4 5 9 ，其中基质吸附、 植物吸收和微生物转化的氮量分别占总氮去除量的1 7 6 2 、3 1 5 和7 9 2 3 。 ( 4 ) 系统对磷的去除途径分析。系统总磷去除率为9 7 1 5 ，总磷去除主要 集中在下行池0 6 0 c m 基质层，该部分去除率为8 5 4 6 。系统基质吸附沉淀、 植物吸收和其他途径去除的磷量分别占总磷去除量的8 0 ，1 3 、1 5 9 和1 8 2 8 。 关键词：垂直复合流人工湿地深度处理污水厂尾水吸附降解 a b s t r a c t t h eu t i l i z a t i o no ft a j l - wa _ t e ri sas 乜- a t e g i cm e a s u r et os u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e i tt o o kt h et a i l w a t e r 仔o mn 删i n gc h e n g d o n gw 瓠t e w a t e rt r e a n n e n tp l a n ta sr e s e a r c ho b j e c t ，锄d b yu s i n gt h ei n t e g r a t e dv e r t i c a l 一n o w c o n s 仃u c t e dw e t l a l l d( i v c m 仃e 咖e n tp r o c e s s ，廿1 e p u r i f i c a t i o ne 街c i e n c yo ft a i l w a t e rf 幻mw a s t e w a t e r 仃e a t m e n tp l a n ta 1 1 d t h ef e a s i b i l i t ) ，o ft h e r e u s i n go ft h ee m u e n tt ot h eu r b a nl a i l d s c a p ew r a t e rw e r er e s e a r c h e di nm i sp a p e r - a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft a i l w a t e r ，l er e m o v a lm e c h a i l i s mo fp o l l u t 锄t sw a sd i s c u s s e d t h em a i l l s t u d yr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d yo nt 1 1 er e m o v a le 壤c i e n c yo ft h es y g t e mo ft a i l - w a t e rf b m w a s t e w a t e r 仃e a 恤e m p l a n t 、枷e n t h ea v e r a g ei n f l u e mn o n nw a sp h7 8 4 ，d o0 8 8 m g l ，s s7 9 n l g l ，c o 【b 7 9 6 m g l ，n h 4 + - n15 31m g 几，t n2 9 31m g l ，t p2 2 2 9 m g l ，a v e r a g ee m u e n tc o n c e n 仃a t i o nw a s p h7 2 2 ，d o1 6 2 m g l ，s s9 m g l ，c o d c r 13 0 m g l ，n h 4 + 一n0 7 3 m g l ，t n 14 7 2 m g l ，t p 0 10 7 m g l t h ee m u e mq u a l i 够c o u l dc a t c hu pw i t ht h er e c l a i mw a t e rq u a l i t ) r f o ru r b a n l a l l d s c 印ew a t e ru s e ( g b 厂r18 9 21 2 0 0 2 ) t h ee m u e n tc o u l db eu s e da sr e c h 鹕es o u r c et 0t 1 1 e u r b a i ll a i l d s c a p ew a t e r ( 2 ) a n a j y s i so ft h er e m o v a lp a t h w a yo fo r g a l l i c s 7 r h er e m o v a le 伍c i e n c yo f t h es y s t 啪w a s 8 6 5 9 t h er e m o v a lo fo r g a n i c sw a sm a i n j yi nt h e0 10 c ms u b s t r a t el a y e ri nt h ed o w n - f l o w s y s t e ma j l dt h er e m o v a le 币c i e n c yo fm i sp a r tw a s7 8 8 3 t h ea n a l y s i so ft h ea b u n d a n c eo f m i c r o o r g a n i s mi nt h ed i 腩r e n ts u b s t r a t e so f1c m ；5 c m ；l0 c m ；2 0 c ma n d4 0 c ms h o w e dt h a ti nt h e s 锄ed e p t hs u b s t r a t e st h ea b u n d a n c eo fm i c r o o 唱a n i s mi nt h ed o w n f l o ws y s t e mi sl a r g e rt h a ni n t h eu p f l o ws y s t e m ，a n d t h ea b u n d a n c ei nt o p1 a y e r ( 0 10 c m ) w a sl a 玛e rt h a ni nm i d d l ea i l d b o t t o ml a y e ra b o u t4l o gu n i t s ，a n dt h ed i 能r e n c eo ft h ea b u n d a n c eo fm i c r o o 唱a 1 1 i s mi n t h e m i d d l ea n db o t t o ml a y e rw e r en o to b v i o u s t h eb i v a r i a t ec o l l r e l a t i o no fo 玛a n i c sr e m o v a l e 衔c i e n c ya n dt h ea b u n d a n c eo fb a c t e r i u m ，f u n g u sa n da c t i n o m y c e si n t h ed o w n 。f l o ws y s t e m s h o w e das i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i v i 妙( f o 9l8 ，p = o 0 2 8 ，f o 9 4 4 ，p = 0 016a n df 0 9 18 ， p = 0 0 2 8r e s p e c t i v e l y ) ( 3 ) a n a l y s i so ft h er e m o v a lp a t h w a yo fn i 仃o g e n t h en i t r o g e ni nt h ei n f l u e n tw 硒m a i n l y 0 l g a n i cn i t r o g e na n da m m o n i a ，w h i l ei nt h ee f f l u e n tw a sm a i n l yn i t r a t en i t r o g e n ，a l o n gt h en o w m ea m m o n i aw a sr e d u c e dw h i l et h en i t r a t en i t r o g e nw a si n c r e a s e d t h e 砌m o n i aw a sm a i n l y r e m o v e di nt h e3 0 6 0 c ms u b s t r a t el a y e ri nt h ed o w n n o ws y s t e m ，a n dt h er e m o v a le 伍c i e n c yo f t h i sp a nw a s8 6 5 4 t h en i t r i t ea n dn i t r a t ew e r ei n c r e a s e da l o n gt h ef l o w b e c a u s eo f t h el i m i t so f o 唱a n i c r e s o u r c e t h er e m o v a le f f j c i e n c yo ft o t a ln i t r o g e nw a s4 5 9 ，a n dh es o r p t i o no f s u b s t r a t e s ，p l a n t su p t a k ea n dt h e m i c r o b i a lt r a n s f i o n n a t i o nf b rn i t r o g e nr e m o v a l a c c o u n t e df 0 r l7 6 2 ，3 15 a n d7 9 2 3 r e s p e c t i v e l y ( 4 ) a n a l y s i so ft h er e m o v a lp a t h w a yo fp h o s p h o r o u s t h er e m o v a le 用c i e n c yo ft h es y s t e m w a s9 7 15 i nt h es y s t e mt h et o t a lp h o s p h o r o u sw a sm a i n l yr e m o v e di nt h eo 6 0 c ms u b s t r a t e 1 a y e ri nt h ed o w n f l o ws y s t e m ，a 1 1 dt h er e m o v a le 伍c i e n c yo ft 1 1 i sp a r tw a s8 5 4 6 t h es o r p t i o n 锄ds e d i m e n t a t i o no fs u b s 仃a t e sa n d p l a n t su p t a k e a i l dt h eo t h e rr e m o v a lp a t h w a y sf o r p h o s p h o r o u sr e m o v a la c c o u n t e df o r8 0 13 ，1 5 9 a n d18 2 8 r e s p e c t i v e l y t h es o 叩t i o na 1 1 d s e d i m e n t a t i o no fs u b s t r a t e sw a st h em 勾0 rp a _ t h w a yf o rp h o s p h o r o u sr e m o v a l 1 畸w o r d s ：i n t e g r a t e dv e r t i c a l - n o wc o n 蛐r u c t e dw e t l 锄d ；a d m c e d 仃e a 恤e n t ；t a i l w a t e rf 如m w a s t e w a t e r 打e 咖e n tp 1 柚t ；a b s o 印t i o n d e g r a d a t i o n 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己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) ：昊歪驽僦年月夕日 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) ： 蔓，至鸯 枷年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 水资源危机及污水回用意义 2 0 世纪以来，全球工业化不断发展、城市化速度加快、居民生活水平不断 提高，使全球取用水量不断增加。由于需水量的增加、干旱、地下水污染及依靠 单一水资源，全世界人类面临着由于需水量增加带来的挑战【l 】。水资源短缺问题 己成为2 l 世纪全球资源环境的首要问题。2 0 0 6 年，我国全年水资源总量2 5 3 3 0 1 0 8 m 3 ，比上年减少9 7 ；人均水资源1 9 4 5 m 3 ，减少9 6 。全年总用水量5 7 9 5 1 0 8 m 3 ，比上年增长2 9 ，其中生活用水增长2 9 ，工业用水增长4 7 ，农 业用水增长2 2 。由于水资源的减少和用水量的增加，全年曾有3 5 7 8 万人口、 2 9 3 6 万头大牲畜发生临时性饮水困难【2 】。 与水资源危机相对应的是水环境污染的不断加剧【3 】。根据环保部门对全国河 流、湖泊、水库的水质监测，由于近年来工业废水和城镇生活污水的排放，我国 主要水系的水体都受到不同程度的污染。长江及较大支流的水质，一般属i i i 类， 、v 类水占总河长的1 9 9 ，劣v 类占总河长的2 1 8 。高原湖泊污染严重， 如昆明滇池流域面积2 9 2 0 m 2 ，年天然水资源量5 5 1 0 8 m 3 ，注入滇池的污水量 达1 8 5 1 0 8 m 3 ，水质为v 类【2 1 。由于水体的污染，使得水源的可利用程度下降， 可利用水量减少，从而加剧了水资源的紧张状况【3 】。 根据我国各方面的客观情况，解决水资源短缺的问题可以采取以下几方面的 措施【4 】：一是转变观念，加强环境教育，培养个人良好用水习惯，避免用水浪费； 二要提高生产技术，降低工业生产用水量和废水排放量，减少农业灌溉用水量， 同时提高水处理新技术，减少污水排放量；三是水资源开发，即通过开发新的水 资源来满足用水需求；四是水资源合理调配，合理调配农业、工业、环境、生活 用水的比例，用有限的水资源保证最大限度的经济发展；五是水资源再生，即在 各种可能的范围内将使用过的水资源直接或间接地进行重复利用，以从整体上减 少对水资源的需求。水资源再生是缓解水资源危机的重要措施之。 对于水资源的开发利用，科学合理的次序是地面水、地下水、城市再生水、 雨水、长距离跨流域调水和淡化海水【4 】。目前地面水和地下水的短缺导致了水资 河海大学硕士学位论文 源危机的出现，因此，城市再生水的开发利用受到了广泛的关注和重视。 城市污水就近可得，具有易于收集处理、数量巨大、稳定可靠的优点【5 】，对 保障城市安全供水具有重要的战略意义。城市污水经处理净化后，可以回用于农 业、工业、市政用水、景观娱乐，补充地表水和进行地下水回灌，以及工业用水 的循序使用、循环回用等。它增大了水供给并减少了人类行为对环境的影响【6 j 。 污水资源化作为第二水源，不仅可以缓解水资源的紧张问题，而且可减轻江河、 湖泊污染，保护水资源不受破坏，对水资源保护起到了积极的作用。 1 1 2 污水厂尾水深度处理的：邂受世 城市污水包括生活污水、工业废水和一部分城市地表径流，是一种混合污水。 它以可生物降解有机污染物为主，水质成分复杂。一般而言，城市污水厂去除的 对象主要为c o d 、b o d 5 、s s 和氮、磷营养物质等。根据现有的二级处理技术 ( 如活性污泥法等) 净化功能对城市污水所能达到的处理程度，二级出水中还含 有其他相当数量的污染物质，如b o d 5 ：2 0 3 0 m l ；c o d ：6 0 1 0 0 m l ；s s ： 2 0 3 0 m g l ；n h 3 - n ：1 5 2 5 m g l ；p ：6 1 0 m g l 。大多数污水厂二级出水存 在着有机物和氮磷排放不达标的问题。此外，还可能含有细菌和重金属等有毒有 害物质，这样的水质不适于直接回用，必须对其进一步深度处理【4 j 。 深度处理是将二级处理出水再进一步进行物理化学和生物处理，以更好的去 除城市污水处理厂出水中剩余的污染成分，这些污染物质主要是氮磷、胶体、细 菌、病毒、微量有机物、重金属以及影响回用的溶解性矿物质等。只有经过深度 处理后的城市污水厂尾水，才能达到回用水的水质要求【7 】。 1 2 污水回用的深度处理工艺 1 2 1 常规污水深度处理工艺 污水深度处理以处理方法的理论基础为依据可分为物理法、物理化学法、化 学法和生物化学法【8 1 。一般采用滤池、混凝沉淀法去除悬浮物和大分子的有机物； 用生物处理技术、臭氧氧化和活性炭吸附去除溶解性有机物，臭氧氧化和活性炭 吸附还能够有效去除色度、嗅味；用臭氧和投氯来杀灭细菌【7 j 。 目前，我国城市污水深度处理由以下技术优化组合而成：混凝；沉淀( 澄清、 气浮) ；过滤；活性炭吸附；超滤膜法；半透膜法；微絮凝过滤法；接触氧化过 2 第一章绪论 滤法；生物快滤池法；流动床生物氧化消化法；离子交换；反渗透；臭氧氧化； 氯吹脱；折点加氯等。表1 2 1 为目前较为常用的污水深度处理技术【4 1 。近年来， 各国学者通过研究又开发出一些其他的污水深度处理工艺，如：光催化氧化技术、 超临界氧化法、高梯度磁场分离技术等【9 1 。 表1 2 1 深度处理单元技术 以上各深度处理技术由于去除污染物的机理各不相同，去除的污染物对象也 各不相同。一般来说，混凝沉淀用于分离水中的油类、纤维、藻类以及一些低密 度杂质；活性炭吸附可用于去除大多数有机物和某些无机物，包括可能有毒的痕 量金属、痕量有机物等；膜技术可以去除细菌、病毒、溶解性有机物和磷等。总 体而言，这些深度处理工艺对来水水质和水量变动都具有一定的适应性，可取得 稳定的处理出水水质【1 0 】。表1 2 2 是不同深度处理单元组合对污水的深度处理效 果【1 1 1 。 表1 2 2 不同单元组合工艺对污水深度处理的效果 河海大学硕士学位论文 1 2 2 常规深度处理工艺成本分析 目前，所采用的污水深度处理技术，虽然能对污水中的污染物取得较好的去 除效果，处理出水能达到相应的回用水水质标准的要求。但是，污水深度处理及 回用技术并没有在我国广泛开展。制约城市污水回用发展的主要因素之一就是回 用水处理的运行成本。从表1 2 3 可以看出，虽然经深度处理过的污水能回用于各 部门，但其投资成本和运行费用也很高。一般来说，深度处理的基建与运行费用 一般约为相同规模二级处理厂的2 3 倍，能源和物料消耗更大【l2 。，正是由于回用 水的成本太高，才导致城市污水回用的发展和推广受到限制，难以普及【7 1 。 表1 2 3 城市污水深度处理出水水质、回用部门及费用情况 注：费用比是以常规二级污水处理j 的费用比为1 做对比。 根据我国目前的发展水平，回用水处理技术工艺的衡量标准应该适合国情。 以高效、低耗和低成本为主要标准。各类效率高、投入低，可以达到城市污水处 理与回用要求的深度处理技术，对经济尚不发达的我国各地区，具有重要的意义。 人工湿地水处理技术是近年来发展迅速的一种新型水处理技术，虽然占地面 积大，但它具有建造成本低，运行费用小，操作维护简单，对氮、磷去除效果好， 对不同类型污水适应能力强等特点，同时，成熟的人工湿地系统还具有一定的生 态效应。 从经济角度而言，利用人工湿地系统进行深度处理，与常规的物理、化学、 物化及生化方法处理工艺相比，有着其独特的优势：人工湿地处理污水的运行成 本非常低廉，国内外同类经验与测算表明，对城市污水厂二级处理出水，采用混 凝一沉淀一过滤一消毒技术处理，在管网长度适宜条件下，每日1 0 0 0 0 m 3 回用水 量以上工程的吨水投资都应在7 0 0 元左右，处理成本o 7 元左右，对于人工湿地 第一章绪论 工艺，由于无需曝气，投加药剂和回流污泥，也没有剩余污泥产生因而可大大节 省运行费用，通常只需要消耗少量电能用于提高进水水位，处理费用一般不会超 过0 0 5 元m 3 。由于人工湿地基本上不需要机电设备，因此易于维护管理，同时 还避免了高额的运行费用，以及一般污水厂在能耗过程中产生的c 0 2 ，s 0 2 等气 体形成的大气污染。同时，湿地植物还可以作为工业原料和生活资源，也是一笔 可贵的经济资源【1 3 】。 1 3 人工湿地污水处理系统 1 3 1 人工湿地深度处理技术的应用 人工湿地应用于二级出水的深度处理，在欧美一些国家已经有了丰富的实践 经验与较深的研究。在澳大利亚昆士兰州【1 4 1 ，当地政府迫于遵从污水排放环境规 定的压力，以及长期的干旱危机，尾水深度处理显得尤为重要。经深度处理后的 尾水达到一个更高的水质标准以适于排放、灌溉或其他回用途径。人工湿地技术 可以有效去除营养盐并且具有杀毒作用，从湿地出来的污水可以用来灌溉谷物、 游乐场、公园或高尔夫场以及排入河口和河流。同时，人工湿地可以提供动植物 栖息地，出水也可以用于修复天然湿地。在意大利卡塔尼亚地区【l 引，市政当局利 用人工湿地( c w ) 或稳定塘进行深度处理，将污水回用于农业灌溉。 在大多数发展中国家，由于污水处理过程中成本高，并且缺乏有效的环境污 染控制条例或法规，污水处理设施很不完善，集中式污水处理系统大多为稳定塘、 氧化塘、活性污泥、滴滤池、厌氧处理系统和土地处理系统。鉴于湿地系统的环 境、经济和景观效应，人工湿地系统在发展中国家也越来越受到重视。在泰国， 人工湿地应用于处理工业废水出水以及污水厂初沉池出水。在较长的停留时间 下，湿地系统能较好的去除营养盐和有机物。在乌干达，应用本土植物为湿地植 物处理市政污水，结果表明，系统不仅可以去除有机物、悬浮固体和营养盐等常 规水质参数，对粪大肠杆菌也具有很高的去除效果。在台湾，象草碎石床人工湿 地与常规污水处理工艺相结合，取得了良好的效果。在巴西，人们在稳定塘后联 合人工湿地系统，进行污水的深度处理【l 引。 我国也在开展这方面的工作。在武汉市汉阳地区水环境质量改善技术与综合 示范中，应用人工湿地处理以a 2 o 工艺为主体处理工艺的污水厂二级出水，出水 t n 浓度为7 m l 左右，c o d 、b o d 、n h 4 + n 、t p 可以达到地表水质量标准【1 7 j 。 5 河海大学硕士学位论文 由北京大学环境工程研究所开展的高效复合垂直流构建湿地水处理工艺，是一种 适用于各种工业废水及生活污水，尤其是难降解有机废水深度处理并同时进行脱 氮除磷的新工艺【1 8 】。该系统具有水力负荷高，净化功能强，长年运行比较稳定， 建设运转费用较低并且与景观建设相结合，净化美化环境的优点，具有广阔的应 用前景捌。 1 3 2 人工湿地类型及其组成 ( 1 ) 人工湿地结构类型 根据水的流动状态，人工湿地系统分为如下类型：自由水面系统( f w s ， 骶ew a t e rs y s t e m ) ，又称表面流湿地；潜流系统，又称潜流湿地，分为水平潜流 系统( h s f ，h o r i z o n t a ls u b s 眦f k ef l o w ) 和垂直潜流系统( v s f ，v e r t i c a ls u b s 删雠e n o w ) 。 自由水面系统 污水从系统表面流过，氧通过水面扩散补给。这种类型的人工湿地具有投 资少、操作简单、运行费用低等优点，而且该湿地系统与自然湿地最为类似，具 有较高的生态效益。但这种湿地系统占地面积大，水力负荷率较小，去污能力有 限，运行受气候影响较大，夏季有孳生蚊蝇的现象【2 0 】。 水平潜流人工湿地 污水从进口经由砂石等系统介质，以近水平流方式在系统表面以下流向出 口，在此过程中，污染物得到降解。介质通常选用水力传导性良好的材料。氧主 要通过植物根系释放【2 0 】。水平潜流湿地的水力负荷和污染负荷较大，对污染物去 除效果好，且卫生条件较好；缺点是系统内氧含量较少，硝化效果不如垂直流人 工湿地【2 。 垂直流人工湿地系统 该系统通常在整个表面设置配水系统，污水从表面纵向流向填料床底部。 氧可以通过大气扩散和植物传输进入人工湿地。该系统有较高的好氧处理能力， 因此硝化能力强，但硝化能力强的同时，反硝化能力下降，对t n 去除效率有影 响。为防止堵塞，填料级配复杂，建造要求高，落干淹水时间长，操作相对复 艺& 【2 2 】 j 、o 垂直复合流人工湿地系统 6 第一章绪论 基于垂直流人工湿地系统所开发的垂直复合流人工湿地系统是一种全新的 潜流型人工湿地。该类型湿地由下行流和上行流两池组成，两池中间设有隔墙， 底部连通。下行池和上行池均填有不同粒径的基质，其中下行池基质层比上行池 的基质层要高1 0 2 0 c m 。进入湿地床中的污水首先经过配水管向下流行，穿越 下行池的基质层，在底部的连通层汇集后，穿越隔墙进入上行池。在上行池中， 污水由下向上经过基质层后经集水管收集排除。污水在垂直复合流人工湿地中的 流动不需要动力，依靠两池中的水位差推动水流前进。该类型湿地占地面积小， 对于有机物和氮具有更高的净化效果【2 引。 ( 2 ) 人工湿地组成部分 人工湿地主要由植物、基质、微生物构成，它利用基质、微生物及动植物群 落的物理、化学及生物的相互作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物 分解、植物吸收等过程实现对污水中有机物、氮、磷等去除的复杂生态系统。 湿地植物 植物是湿地系统的重要组成部分，在植物一基质一微生物的相互关系中承担 着重要角色。植物在人工湿地中主要起着以下作用【2 4 】：直接吸收利用污水中可利 用态的营养物质、吸附和富集重金属和有毒有害物质，研究表明种植水烛和灯心 草的人工湿地基质中n 、p 的含量分别比无植物的对照基质中的含量低1 8 2 8 和2 0 3 1 【2 5 】，风车草能吸收水体中3 0 的铜和锰，对锌、镉、铅的富集也在 5 1 5 之间【2 6 】；错综复杂的根系为微生物吸附生长提供更大的表面积；植物 对氧具有输送、释放和扩散作用，可以将氧输送到根部周围的区域，在根部形成 好氧区域，为根区好氧微生物输送氧气；植物的根和根系对介质的穿透作用，能 在介质中形成许多微小的气室或间隙，减小了介质的封闭型，增强了介质的疏松 度，从而加强和维持基质的水力传输性能。 正因为人工湿地植物对湿地系统有较大的影响，因此，植物的筛选对系统的 净化能力具有重要意义。植物的筛选主要从以下几个方面来考虑：植物的净化能 力，要求植物有较大的生物量，并且有较强的污染物吸收能力；抗逆性，要求植 物具有较强的环境适应能力，抗病虫害能力和抗热抗冻能力；植物物种安全，以 土著植物为先；生态美学与经济性【2 4 】。目前，国内外人工湿地植物种类都采用水 生植物类型为主，尤其是挺水植物，其主要有芦苇、菖蒲、灯心草和香蒲等，而 7 河海大学硕士学位论文 对于中生植物几乎没有采用【2 7 】。 湿地基质 人工湿地基质是人工湿地的重要组成部分，湿地中的基质一方面为微生物生 长提供稳定的附着表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质，此外基质自 身也可以通过一些物理、化学途径( 如吸收、吸附、过滤、离子交换、络和反应 等) 来去除污水中的氮、磷等营养物质。研究表明，基质对于净化污水中的磷素 污染物有着良好的去除效果【2 8 】。一些新开发的基质也陆续应用到氮的去除中来， 相关研究表明f 2 9 1 ，采用沸石为介质，以间歇流方式运行，处理二级废水，取得了 很好的除氮效果；徐丽花【3 叫等人利用沸石一石灰石混合介质处理自配污水，并采 用间歇运行，氨氮去除率始终保持在9 7 以上。 由于不同的基质形成的微域环境不同，为植物和微生物提供的生存环境也不 同，基质本身对污染物的吸收能力也各异，因此，根据水质合理的选择基质是必 要的。所选基质应满足以下条件3 1 】：质轻，松散容积小，有足够的机械强度；比 表面积大，孔隙率高，属多孔惰性载体；不含有害于人体健康和妨碍工业生产的 有害物质，化学稳定性良好；水头损失小，形状系数好，吸附能力强；使用周期 长；同时，由于基质所需费用在湿地系统建设费用中占较大比重，因此也要考虑 所选基质的经济可行性。根据污水中污染物种类、特征可以选取不同的基质或采 用几种基质组合。一般说来处理以t s s 、c o d 和b o d 为特征污染物的污水时， 可根据停留时间、占地和出水水质要求选用土壤、细沙、粗砂、砾石、灰渣中的 一种或两种作为基质；以磷为目的则多选择方解石、大理石或含c a 2 + 、f c 3 + 、a 1 3 + 离子较多的矿石；以除氮为目的时最好选用煤灰、沸石、累托石等【3 2 1 。 湿地微生物 人工湿地中的微生物是对污染物进行吸附和降解的主要生物群体和承担者， 在湿地中与其它动物和植物的共生体的相互关系中往往起着核心作用。人工湿地 中微生物除了在生长繁殖过程中直接吸收利用有机物和无机营养盐之外，湿地中 的有机物主要靠好氧、兼氧和厌氧细菌降解得到去除【3 3 】；氮的去除则需要微生物 的氨化作用、硝化作用和反硝化作用转化为n 2 等连续过程来实现；有机磷被磷 细菌转化成磷酸盐后被基质吸附而去除1 3 引。 目前对湿地中微生物的研究主要包括微生物的活性和繁殖能力3 3 1 ，微生物数 第一章绪论 量和生物膜的成长f 3 4 】，以及人工湿地内的微生物多样性【3 5 1 。人工湿地中的微生 物主要包括细菌、真菌和放线菌等。b u e d i n g 【3 6 】研究表明在湿地系统中，细菌占 主导地位，放线菌其次，真菌最少。李科德等p 7 】对人工模拟芦苇床根际微生物的 数量进行了测定，结果显示，植物根面和根际微生物数量与污染物去除率之间有 明显的相关性：细菌数量稳定且季节变化不大。付融冰等【3 8 】测定了不同植物以及 无植物的潜流水平湿地基质中微生物的数量，结果表明，植物对湿地基质微生物 数量差异不显著；湿地基质中不同空间处微生物数量一般上层多于下层；微生物 数量与b o d 5 、t n 的去除有显著相关性，基质微生物数量与t p 的去除率相关性 不明显。ga 晡e l av a c c a 掣3 9 】利用p c r s s c p 技术研究了不同类型湿地和有植物 和无植物湿地系统，结果显示，系统中的生物多样性以及肠杆菌科的变化明显受 植物、基质种类以及湿地流态的影响。g as a w a i t t a y o t h i n 【4 0 】研究了处理垃圾渗 滤液的湿地中微生物种群，发现对b o d 5 起主要降解作用的是异养和自养细菌。 1 3 3 人工湿地污染物去除机理 ( 1 ) 悬浮物去除机理 进入人工湿地的悬浮物可通过基质的过滤作用、湿地植物根茎的拦截作用、 湿地动物的摄食作用和微生物的降解作用等得以去除。水中悬浮固体不仅在填料 形成的空隙内沉淀、截留，也可通过颗粒表面间的相互作用产生吸附，以上过程 统称为过滤作用【4 1 1 。湿地中根系密集发达交织在一起的植物亦能对固体颗粒起到 拦截吸附作用。湿地系统中还存在某些原生动物及后生动物，甚至一些湿地昆虫 和鸟类也能参与吞食湿地系统中沉积的有机颗粒，进行同化作用后作为营养物质 吸收，从而在某种程度上去除悬浮固体。另外，微生物对积累的颗粒态有机物进 行降解，进行同化作用，组成细胞成分的过程也能去除一部分悬浮固体【2 川。 ( 2 ) 有机物去除机理 人工湿地对有机物的去除效果是显著的。不溶性有机物可通过沉降、植物拦 截、土壤过滤很快被去除，截留下来的不溶性有机物被微生物加以利用i 可溶性 有机物则可通过基质和植物的吸收以及微生物的代谢过程被去刚4 引。 植物的吸收对有机物的去除有一定贡献，湿地中植物根系结构的存在可为生 物膜提供附着场所，大型植物还可能通过植物根系运送少量氧到填料床中1 4 引，但 废水中大部分有机物的最终归宿是被异养微生物转化为微生物体及c 0 2 和h 2 0 。 9 河海大学硕士学位论文 异养菌主要以有机碳作为碳源，相对于自养菌具有更高的新陈代谢速率，在有机 物的去除中，异养菌占主导作用。有机物被捕获或己沉淀后，附着在植物表面或 在系统底部微生物在厌氧、兼氧或好氧的条件下把有机物逐级降解，最终成为单 质或简单化合物】。 ( 3 ) 氮素去除机理 污水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮四种形态存在。湿地对污水 中氮素的去除主要有植物的吸收、基质吸附、挥发、氨化、硝化、反硝化等作用。 水生植物可以吸收污水中氨氮作为自身机体【4 5 】。在植物生长初期，水生植物 将营养盐贮存在叶和茎中，成熟的水生植物则贮存在根和根茎中。因此，通过植 物收获去除的氮素相对有限。湿地系统内的基质可通过离子交换作用实现对氨氮 的吸附，但此过程可逆，这取决于水相中氮与填料吸附氮之间的平衡关系。吸附 解附过程对总氮全年去除作用甚小，但具有削减峰值和缓慢释氮的作用。湿地 氨挥发包括湿地地面氨挥发和植物叶片氨挥发两部分。湿地地面氨挥发需要在水 体p h 大于8 5 的情况下发生，一般人工湿地的p h 在7 5 8 o 之间，因此通过 湿地地面挥发损失的氨氮可以忽略不计【4 酬。近年来，许多研究者发现了农作物叶 片的氨挥发现象【4 7 】，并认为是植物生长后期氮素积累降低的原因之一。但目前关 于人工湿地植物氨挥发所起的作用尚不清楚。微生物吸收氮作为自身组成，但死 亡后大部分又释放出来。一般认为这部分氮数量有限，在评价人工湿地脱氮作用 时可忽略不计【4 8 1 。少数微生物通过自生或与少数植物共生来固定大气中n 2 的作 用称为生物固氮作用。但固氮作用转化的数量极低也可忽略不计【4 9 1 。 目前，大多数研究认为微生物的转化，即氨化、硝化与反硝化是人工湿地系 统脱氮的主要途径。有机氮在细菌的水解作用下矿化为氨氮。氨化速率在好氧条 件下最高，其次为缺氧，再次为厌氧。氨化速率与温度、p h 值、c n 和有机氮 浓度相关，其中，最佳氨化温度为4 0 6 0 ，最佳p h 值为6 5 8 5 。硝化作用 是硝化菌在好氧的条件下，首先将氨氮在亚硝化菌的作用下转化为亚硝酸盐，再 将亚硝酸盐在硝化细菌的作用下氧化为硝酸盐。硝化过程受温度、p h 值、碱度、 无机碳源、氨氮量和微生物种群等因素的影响。硝化速率在3 0 4 0 最高，最 佳p h 值为7 5 8 6 。硝酸盐在缺氧条件下，通过反硝化细菌的作用还原为氮气。 反硝化过程受温度、p h 值、氧化还原电位、硝酸盐浓度和有机碳源的影响。最 1 0 第一章绪论 佳温度为2 5 6 5 ，最佳p h 值为7 8 【5 0 ，5 。 ( 5 ) 磷素去除机理 人工湿地对总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。 基质对磷的吸附是人工湿地系统早期运行中除磷的重要途径。但随着填料的 吸附趋于饱和，此途径的除磷能力将大幅度降低，甚至还有释放现象5 2 1 。化学沉 淀是除磷另一重要途径，即可溶的无机磷与a l ”、f e ”、c a 2 + 等元素形成化学沉 淀5 3 1 。其中在碱性条件下，可溶的无机磷更容易与c a 寸发生反应，而在中性或 酸性条件下容易与a 1 3 + 、f e 3 + 发生反应【5 4 】。有研究表明，因为污水大多呈碱性， 因此具有高c a 含量的石灰石、贝壳和高f e 含量的钢渣是湿地除磷填料的上佳选 择【5 5 】。 植物吸收无机磷和吸收无机氮一样，都是在吸收同化作用下，将无机磷变成 植物体的组成部分，最后通过植物收割去除。植物对磷的吸收作用( 植物收获) 是磷唯一的持续性去除机理。如果不被收获，这些营养的大部分在秋季和冬季将 通过淋洗和有机质矿化过程而重新释放，因此在夏季末收获植被能提高湿地对营 养的去除能力。 微生物对磷的吸收是大部分可逆的，在其“生长一衰亡 的周期性生命活动 中，微生物生长所吸收的磷在其衰亡中大部分将释放出来。 1 3 4 人工湿地净化效果影响因素 影响人工湿地净化效果的因素诸多，主要可以分为内部因素( 植物、基质、 流态等) 和外部因素( 气候条件、进水水质等) 。这些因素对人工湿地的影响存 在着十分复杂的作用机理和相互关系。 ( 1 ) 气象气候条件 影响人工湿地净化效果的气象气候条件主要有气温、光照和降雨等。气温和 光照与植物和微生物的生物量及其活性密切相关。在温度较高的情况下，植物叶 面和根部的代谢活动得到加强f 5 6 1 ，有利于植物对污染物的吸收和湿地内部的溶氧 条件；较低温度将直接影响氮的氨化、硝化与反硝化过程，从而影响氮的去除【5 ， 低温下微生物的基质酶活性将受到抑制，导致酶促反应速度减慢，进而影响到硝 化和含氮有机物的降解【5 8 1 。温度也会影响系统的磷净化效果，较低温度会导致植 河海大学硕士学位论文 物和微生物活性降低，并且使得水的粘度增大，使含磷化合物沉淀变慢5 9 1 。光照 一般与气温呈正相关，它对湿地的净化效果影响与气温相似，而降雨特别是暴雨 通过改变水力负荷、污染物浓度和基质层含氧量对湿地净化效果造成影响。 ( 2 ) 水力条件 水力条件对人工湿地净化效果的影响主要包括水力负荷率、水力停留时间和 水流分布。人工湿地的配水系统有无和好坏对其净化功能影响显著，一般要求相 同的湿地获得等量的水流分配，各湿地的过流断面上水流分配均匀。水力停留时 间是影响湿地净化效果的重要因素。多数研究表明，水力停留时间的适当延长， 有利于污染物的去除，但水力停留时间过长时去除率会出现下降趋势。研究发现， 水力停留时间小于7 8 h ，氮的去除率随停留时间的延长而显著提高，超过7 8 h ， 可能由于死亡植物有机氮的释放，会抵消一部分氮的去除【6 0 1 。当水力停留时间大 于4 0 h ，出水中的可溶性磷浓度才能低且稳定【6 l 】。随着湿地的运行，其植物生长 量越来越大，植物越来越密集，根系越来越发达，其结果将导致湿地中的过流面 减少，水力停留时间随之下降。另外，随着人工湿地的运行，其基质层累积的颗 粒物也会引起堵塞问题，必须要定期翻新和更换基质才能恢复其净化功能。 ( 3 ) 进水性质 进水中的p h 值、有机物、重金属和氮磷的组成、含量及赋存形态都会影响 人工湿地系统的净化功能和效果。 p h 值对人工湿地中微生物去除氮磷等营养物质有较大的影响。在酸性和中 性条件下，根区附近的亚硝化细菌和硝化细菌活动增强，硝化作用占主导地位； 而当处于碱性条件下时，氨的挥发和可溶性正磷酸盐的化学沉淀作用就占主导作 用，从而影响湿地对氮磷的去除【6 2 】。 进水的有机