（环境科学专业论文）人工湿地对我国北方城市生活污水的深度处理.pdf

人工湿地对我国北方城市生活污水的深度处理 t e r t i a 巧t r e a t m e n to f d o m e s t i cs e w a g ew i 恤ac o n s 饥l c t e d 厂e t l 甜l di nn o r d lc h i m a b s t r a c t a ni l l 删e d3 - s t a g ev e m c a lf l o wc c 咀s t l l j c 蜘w e u 锄dw 笛l l s c df o rt c n i a 巧臼朗柚舱mo f e f n u c n tf - r o md l m e s t i c 簧州a g e 慨砸加僦p l a n t si nd a l i a n ( 0 n eo fm ec i t i e si i ln o m lc i l i n a ) ， w h e mt 1 1 ew 弱t e w a 由盱w 弱恤e a t e dt l l r o u g ha c ( m d 【a r yb i o l o g i c a l 仃e a t m 钮tp c e 鲻d u 血l g n o v 2 0 0 6t 0d e c 锄b e r2 0 0 7 ，m ee 胁o f 觥a n d 唧l i o nm o d e 叫f i 谢o no f l o w c 0 玳删i o n 删c i l ，a l w a g eb y 璐虮l c t e dw e n 趾dw 嬲i i r 旧s t i g a ：c c d i n0 r d 凹t 0s t u d y t h ef e 鹤i b i l i 锣o fc ( m 蛐m c t c dw e n 锄d 鹤c c m d a 巧n c a t m e n tu 血o f 蛔e s t i c w a g e ，t h e 恤a 舡n 咖e l j f e c to fh i g hp o l l 砸l o a d 咖j n i c i p a l $ e 啪g c 讹a t c d b yc 0 璐缸u c t c d 袱蛆a n d 啪s 删g a t i e dd u 咖gj 缸2 0 0 8a n df e b 2 0 0 8 ，w 洫m 汀o f8 h 锄d q 眦i a lb a ：t c 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rp o l l u t 锄峪i n c 陀弱懿s l i g h t l y w i _ ml o n g 盱职：t 印t i t i l l 托0 伽商出疵i 培t 1 1 ep l 刑f 0 巾瑚c ed i 丘打e n ，曲删r t 盱阳t e | 砸o no f8 hi s 嘴s t e d船懈啪n a b l c ，l l i l e e m u e n tc o d ，t p 锄dn h 3 - nm e c tt l l e e d so f e n _ v i 姗m 锄t a lq l 脚毋s 伽l d a m 蚤盯s u m 髓w a l e r ( ( m3 8 3 8 2 0 0 2 ) i ，a n dv i i i 诵m e r w h e n 邢n 血n gi na 唧i n gb 础m o d e w i d l8 ho f r e t e n 矗o nt i f ，e 用啪n t s 丘0 mp 重i 玎1 a 巧s c d i l l 舱n t a l i o nt a i l k 鹪w e u 鹳c o n d a r yb i o l o 西c a l 恤a l 口把n tp o n dw e 托 i i l v e s t i g 删r e s u n ss b o w e d 也a ：tt h ee m 啪tq l l a l 姆i sb c 啦盯m a nt h en d so fd i h a r 萨 s t a | 1 d a r do f m 皿i c i p a lw 豳晒) v a 嘧1 h 哟n e n tp l a n t ( g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) c l 蜀b si w h i l e 饥 a t i l l g n d a d re m u c n t h 们峨t h ee m u 钮t 掣i a l 姆o n l ym t st 1 1 en d so fd i h a r g es t 鲫d a r d o fp o u 呦蠊f o rm 1 m i c i p a lwa s t | 聊i l e rt 坳蜘锄tp l 咖( g b1 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) c l 瓣ib ，w h i l e 仃i 咖也ep r 呻d i m 即洳t a i 咄e m u 蹦t ， 奎塑盔堂堡圭塑墼 m 嘣s 姆v e i t i c a ln o wc o 憋删w e t l a n dp e 触w e l l f 0 r 砌n o v 证gc o d 、1 1 p 、t n 觚dn h 3 - nf b o ms e c o i l d a r ye m u 咄丘眦c h l i 血鲫旧g cp l 趴ti nd a l i 讥缸at e n i a r y 仃e a h l l e n t t e c h n i q ，c 0 璐t r i l 酏w e n a n ds h 0 、张a 伊e 砒p o t e n t i a lf o rp 陀v e n t i n g 咖 e 咖的p t 虹c a t i o n ，他u o f 啾毗e c o l o g i c a l 他s t 0 酬o n ，l 舳d s p e 邯缸u c t i 锄d 咖 蚴u r c e 础c t i h o w e v e r m o 坞i n v e 鲥g a 矗。璐h a v et 0b ed o 聆w i 出璐t r t u c t c dw e t l a n d 嬲s e c o i l 出町n a t 蚴t 眦蹒 k e yw o r d s ：c 伽s 缸删w e u a n d ；m u i l i c 删s e w a g c ；a d v 卸c c dp i | r i f i c 撕o n ；s n ； o 】聊觚o nm o d e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： o g 、匹、f 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定升，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权大连理 工大学可l ；之将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：垒娑! ! 塑作者签名：竺! ：! ! ! 羔 导师签名：塑堑垒篁二 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着我国经济的飞速发展和城市化进程的加快，污水的排放量大幅度增加，而相对 发展缓慢的相关的水处理设施并不完备。据统计，2 0 0 1 年，全国城市污水经过处理后排 放的总量仅占污水排放总量的3 5 。截止到2 0 0 4 年底，全国6 6 1 座城市有污水处理厂 7 0 8 座，处理能力4 9 1 2 万n 1 3 d 1 ，这些城市的污水排放总量达4 2 8 亿m 3 ，全年城市污水 处理量1 6 2 8 亿一，城市污水处理率为4 5 7 ：而2 0 0 4 年，全国的1 6 3 6 个县城有1 1 7 座污水处理厂，处理能力2 7 3 万o d - 1 ，污水处理率只有1 1 2 。截至2 0 0 5 年6 月底， 全国还有2 9 7 个城市没有建成污水处理厂。而我国政府2 0 1 0 年的目标是完善全国5 0 城市地区的污水处理设施，中等城市( 县级市) 的污水处理能力至少达到6 0 ，各省级 直辖市的污水处理能力超过7 0 ，要实现上述目标，仍需要大量的资金投入， 目前部分污水经处理没有达标甚至未经处理直接排放现象很严重，而污染物超过水 体环境自净能力将引起水环境状况日益恶化，引起水体富营养化现象，使得水生态环境 日益脆弱甚至破坏。因此，改善水质、保护和恢复水生态环境是非常紧迫的。 当前各种水处理技术在我国的废水处理中得到不断的应用与发展，其中相对成熟、 运行稳定的传统活性污泥法是主要工艺。但该工艺基建投资大，运行费用高，且主要以 去除碳源污染物为目的，虽然绝大部分悬浮固体和有机物得以去除，但还残留着部分悬 浮固体和溶解的有害物质，如n 、p ，排入水体后将引起“水体富营养化”等环境问题。 虽然，“富营养化 的自然进程是缓慢的，但人为因素的影响加快了这一进程，例如我 国，2 0 0 1 年全国1 3 0 余个湖泊调查资料显示：高营养化湖泊占调查总数的4 3 5 ，中营 养化湖泊占调查总数的4 5 ，再加上该进程具有难以逆转的特点，因此水体富营养化问 题是当今世界面临的最主要水污染问题之一。虽然，目前采用的三级处理可解决传统污 水处理工艺带来的n 、p 等问题，但其投资和运行费用昂贵而难以推广，并且效果也不 是很理想。因此，需要一种新型工艺来弥补以上问题。人工湿地水处理技术作为一种低 投资、低能耗、低处理成本和具有n 、p 去除功能的废水生态处理技术，已逐渐被世界 各国所接受，目前已被广泛研究和应用。近年来，人工湿地技术在我国引起了广泛的关 注，为城市生活污水的处理和深度净化提供了新的思路与途径。 本研究基于以上几点考虑，在实验室现有的研究基础上，对传统人工湿地反应器结 构和运行方式进行改进，考察人工湿地污水处理系统对我国北方( 大连) 城市生活污水 深度处理效果。 人工湿地对我国北方城市生活污水的深度处理 1综述 1 1我国水体富营养化问题概述 2 0 世纪9 0 年代以前我国水体富营养化并不十分明显，但是9 0 年代以后情况就比较 严重。东海、南海多次大面积出现赤潮，全国湖泊约有7 5 的水域受到n 、p 的严重污 染，部分河流水域也出现富营养化，最为严重的是滇池，该湖自出现富营养化以来，采 用了许多种防治措施，已花费巨额资金，但仍然没有明显好转。最近几年，江苏的太湖 也出现了严重的富营养化【1 1 。水体富营养化问题已经成为当今世界面临的最严重的水污 染问题之一。 1 1 1 水体富营养化概念及成因 ( 1 ) 水体富营养化的概念 由于人类活动，水体中营养物质增加，引起植物过量生长和整个水体生态平衡的改 变，因而造成危害的一种污染现象叫做水体富营养化。水体富营养化过程与n 、p 的含 量及n 、p 含量的比率密切相关。反映营养盐水平的指标t n 、1 1 p ，反映生物类别及数 量的指标叶绿素a 和反映水中悬浮物及胶体物质多少的指标透明度作为控制湖泊富营养 化的一组指标。有文献报道，当t p 浓度超过0 1m g l 。1 ( 如果p 是限制因素) 或t n 浓 度超过0 3m g l - 1 ( 如果n 是限制因素) 时，藻类会过量繁殖。经济合作与发展组织 ( o e c d ) 提出富营养湖的几项指标量为：平均t n 浓度大于0 0 3 5m g l 1 ；平均叶绿素 浓度大于0 0 0 8i n g l ；平均透明度小于3m 。而目前国际上公认的水体发生富营养化的 限制浓度是：t n 0 2m g l 一，1 1 p o 0 2m g l 。 ( 2 ) 水体富营养化的成因 导致水体富营养化的污染源包括： 工业废水和生活污水 工业废水尤其是钢铁、化工、制药、造纸和印染等行业的废水中含有一定的氮n 、 p ，近年来工业排放的污水逐年增加，但是由于技术和资金的原因，大部分工业废水只 经过简单的处理甚至未经过任何处理直接排入江河等水体中，大量的n 、p 等营养物质 不断的在水体累积。 人们在日常生活中产生了大量的生活污水，其排放量已经超过了工业废水的排放 量。生活污水中含有大量的n 、p 的有机物，其中p 主要来自洗涤剂。生活污水已逐渐 取代工业废水成为水体富营养化的最大的污染源【3 l 。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 农业面源污染 进入2 0 世纪以来，大量工业废水和生活污水的排放引起了水体富营养化，逐步增 加的化肥施用量以及肥料的流失更是造成水体富营养化日益严重的直接原因。由于水体 富营养化的产生原因，人们把注意力放在控制营养物质的来源上，特别是点源污染，采 用对污染严重的企业进行彻底的整治和城市污水集中处理等方法，这些措施有效降低了 水体营养物质的负荷量，但是水质状况并未因此得到明显改善。由此类们开始逐步意识 到农业面源污染在水体富营养化中扮演的重要角色，特别是由于环境恶化而造成的水土 流失给水体带来了大量的营养物质。我国是一个农业大国，农业面源污染对水体富营养 化影响较大，已成为水体富营养化最主要的污染源之一。 囝大气干湿沉降 来自于大气干湿沉降而增加的水体中的n 、p 等营养物质已经越来越受到研究者的 关注，在控制富营养化水体污染源时应同时注意来自大气中干湿沉降的营养元素。 底泥n 、p 释放 底泥是江河湖库的沉积物，是自然水域的重要组成部分。n 、p 能通过颗粒物吸附、 沉淀、水生生物死亡沉积等方式存于底泥中。当湖泊底泥作为营养盐的“源 时，n 、p 从底泥中释放出来，为水生生物的生长提供必要的营养元素，进而一起水体富营养化【4 】。 1 1 2 水体富营养化的危害 水体富营养化会破坏生态环境。水体富营养化，常导致水生生态系统紊乱，水生生 物种类减少，多样性受到破坏。因为富营养化造成水的透明度降低，阳光难以穿透水层， 从而影响水中植物的光合作用和氧气的释放，同时浮游生物的大量繁殖，消耗了水中大 量的氧，使水中溶解氧严重不足，而水面植物的光合作用，则可能造成局部溶解氧的过 饱和。溶解氧过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物( 主要是鱼类) 有害，造成鱼类 大量死亡。富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体，以及 一些浮游生物产生的生物毒素( 如石房蛤毒素) 也会伤害水生动物。 水体富营养化影响水体应用和危害人体健康。水体富营养化后，部分藻类还能分泌 藻毒素，藻毒素不能以常规方法去除，该物质是肝脏肿瘤的强诱发剂，不仅严重威胁着 人体健康和饮用水安全，还能引起鸟类、牛、羊等动物中毒，可能有致突变作用。另外， 藻类在生命活动中可以提高水体的p h 值，为霍乱孤菌等某些病菌的繁殖创造了有利条 件，使水质卫生指标下降，直接威胁人体健康【5 】。富营养化对水体生态和人们生活造成 很大影响，对于那些依靠富营养化水体为饮用水源的城市来说，情况尤为严重，因为大 量生物和有机物残体沉积于水的底层，在缺氧情况下，被一些微生物分解，产生h 2 s 、 人工湿地对我国北方城市生活污水的深度处理 n h 3 、c h 4 等有害气体，对生命健康是一种威胁，在富营养化水体中，硝酸盐氮和亚硝 酸盐氮的数量也增多，这对动物和人体也是一种威胁。 富营养化水体作饮用水源会严重影响水厂的工艺运行、腐蚀管网、恶化出水水质。 水中的藻类会大大提高化学需氧量( c o d ) 、生物需氧量( b o d ) 、悬浮固体( s s ) 等的 浓度，增加水处理负担。藻类在过滤时会堵塞滤料，在氯化消毒时产生三卤甲烷( 删s ) 等有毒副产物。藻类代谢物如糖酸等在混凝过程中与混凝剂反应，降低处理效果，增加 混凝剂用量，而生成的络合物又会导致管网腐蚀。 水体富营养化加速水体沼泽化、陆地化进程。由于富营养化的水体含有大量的营养 物质，使水中藻类和水生生物大量生长和繁殖，加速了水体沼泽化和陆地化进程，破坏 了特定地区的生态平衡【4 j 。 水体富营养化破坏自然景观。山清水秀用来形容人文和自然景观，有水的地方式人 们休闲娱乐的重要场所，然而现在许多地方的水体都严重污染，特别是由于水体富营养 化引起的“水华刀等现象，使水体透明度下降，再加上异常的气味，使得游人望而却步， 严重影响了自然生态系统平衡和当地经济的发展阁。 1 1 3 我国水体富营养化现状 我国湖泊、水库和江河富营养化的发展趋势非常迅速。1 9 7 8 年1 9 8 0 年大多数湖 泊处于中营养状态，占调查面积的9 1 8 ，贫营养状态湖泊占3 2 ，富营养状态湖泊占 5 o 。短短1 0 年间，贫营养状态湖泊大多向中营养状态湖泊过渡，贫营养状态湖泊所 占评价面积比例从3 2 迅速降低到o 5 3 ，中营养状态湖泊向富营养状态过渡，富营养 化湖泊所占评价面积比例从5 0 剧增到5 5 0 l 。近1 0 年来武汉汉江下游水质急剧恶化， 呈富营养化状态，在2 0 世纪9 0 年代曾2 次出现水体中藻类急剧繁殖的。水华一现象。 根据全国水环境监测网2 0 0 0 年的水质监测资料和国家 地面水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 - 8 8 ) ，对全国九大流域片的7 0 0 多条河流的水质进行了评价。在评价的1 1 4 万 k m 河长中，i 类水占4 9 ，类水占2 4 o ，类水占2 9 8 ，类水占1 6 1 ，v 类水占8 1 ，劣v 类水占1 7 1 。枯、丰水期水质变化不大。而我国海域受污染的状况 也不容乐观，目前，我国已有约2 0 万耐的近海海域受到污染影响，约4 万姘的海 域水质已不能满足水产养殖、海水浴场、海上运动娱乐以及滨海旅游的要求。据统计， 2 0 0 0 年我国近海共发生2 9 次赤潮，面积累计超过l 万虹1 2 ；2 0 0 1 年我国遭受赤潮灾害 2 8 次，如2 0 0 1 年夏初发生于浙江温岭的赤潮，有3 0 人由于食用含赤潮p s p 海贝而中 毒【6 j 。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 我国是一个多湖泊的国家，面积在l 肼以上的湖泊有2 3 0 0 个，湖泊总面积约为 7 1 7 7 8 7 k m 2 ，约占全国总面积的0 8 ，其中淡水总贮量约占湖泊总贮量的3 1 9 。目前， 我国湖泊污染现象严重，2 0 0 4 年七大水系的4 1 2 个水质监测断面中，i 类、v 类 和劣v 类水质的断面比例分别为：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 ，这些水系的主要污染指标为 氨氮、c o d 、高锰酸钾盐指数和石油类【铜。而2 0 0 5 年，2 8 个国控重点湖( 库) 中，满 足i i 类水质的湖( 库) 2 个，占7 ；类水质的湖( 库) 6 个，占2 l ；水质的湖( 库) 3 个，占l l ；v 类水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质湖( 库) 1 2 个，占4 3 。 其中，太湖、滇池和巢湖水质均为劣v 类。主要污染指标为t n 和t p 。三湖水体情况如 下【刀： ( 1 ) 太湖 由于t n 污染严重，太湖湖体水质为劣v 类。湖体营养状态指数为6 2 ，处于中度富 营养状态。与上年相比，湖体水质无明显变化。2 0 0 5 年太湖湖体主要污染指标及水质情 况如表1 1 所示： 表1 12 0 0 5 年太湖湖体主要污染指标及水质情况 协1 1m m a i n c o n t a i 彻懈n s 锄d 咖q u a l 时o f m e t a i l a k e ，2 0 0 5 ( 2 ) 滇池 2 0 0 5 年滇池草海处于重度富营养状态，外海处于中度富营养状态。湖体1 0 个国控 监测点位监测结果表明，草海水质为劣v 类，外海水质为v 类，草海污染程度明显重于 外海。与上年相比，湖体水质无明显变化。2 0 0 5 年滇池湖体主要污染指标及水质情况如 表1 2 所示： 人工湿地对我国北方城市生活污水的深度处理 表1 22 0 0 5 年滇池湖体主要污染指标及水质情况 t a b 1 2mm a i l lc 伽t a i n m e n t s 锄d 啪研掣i a l 时o f t h ed i 锄c l l il a c l ( ，2 0 0 5 ( 3 ) 巢湖 2 0 0 5 年巢湖处于中度富营养状态( 其中，西半湖处于中度富营养状态，东半湖处于 轻度富营养状态) 。巢湖湖体1 2 个国控监测点位监测结果表明，湖体水质总体为劣v 类( 其中，东半湖为v 类水质，西半湖为劣v 类) ，西半湖污染程度明显重于东半湖。 与上年相比，巢湖水质无明显变化。2 0 0 5 年巢湖湖体主要污染指标及水质情况如表1 3 所示： 表1 32 0 0 5 年巢湖湖体主要污染指标及水质情况 t a b 1 3 ，n 圮m a i l lc o n t a i 咖即临锄d 啪t e rq u a l 姆o f t l l ec h k 岫，2 0 0 5 我国富营养化湖泊主要分布在长江中下游湖区、云贵湖区、部分东北山地及平原湖 区和蒙新湖区。城市湖泊由于较小，因此受城市废水的影响大，无论地理位置如何几乎 都已达到富营养化的程度。除了处于人烟稀少的地区和原始状态的部分湖泊外，我国大 部分淡水湖泊的营养盐水平已达到了富营养化发生的基本浓度，水体的富营养化在多数 湖泊中已处于相当的水平，其主要特征为哺】： 大淡水湖已具备发生富营养化的条件。我国五大淡水湖水体的n 、p 含量均大大超 过富营养化发生的浓度，尤其t n 浓度高达1 0 倍以上。目前，太湖、巢湖已进入富营 养化状态，局部水域已达到严重富营养化水平。其他三湖只要某些条件一具备就会显漏 出富营养化症状。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 中型湖泊大部分已处于富营养化状态。中型湖泊的n 、p 浓度已接近或超过富营养 化发生的浓度，同时这些湖泊换水周期较长、水深较浅，因此大部分已进入营养化状态， 部分已达到严重富营养化水平，如滇池等。 1 1 4 我国城市生活污水排放对水体富营养化的影响 据统计，2 0 0 1 年，全国城市污水经过处理后排放的总量仅占污水排放总量的3 5 。 截止到2 0 0 4 年底，全国6 6 1 座城市有污水处理厂7 0 8 座，处理能力4 9 1 2 万o d 1 ，这 些城市的污水排放总量达4 2 8 亿o ，全年城市污水处理量1 6 2 8 亿m 3 ，城市污水处理 率为4 5 7 ；而2 0 0 4 年，全国的1 6 3 6 个县城有1 1 7 座污水处理厂，处理能力2 7 3 万 m 3 d 1 ，污水处理率只有1 1 2 。截至2 0 0 5 年6 月底，全国还有2 9 7 个城市没有建成污 水处理厂。虽然，我国政府2 0 1 0 的目标是完善全国5 0 城市地区的污水处理设施，中 等城市( 县级市) 的污水处理能力至少达到6 0 ，各省级直辖市的污水处理能力超过 7 0 。但要实现上述目标，仍需要大量的资金投入网。因此，目前部分污水经处理没有 达标甚至未经处理直接排放现象很严重。 而环保总局有关调查报告显示，近年来，城市生活污水排放量以年均5 的速度递 增，并在1 9 9 9 年首次超过工业污水排放量，占到全国污水排放总量的5 2 9 。生活污 水以厨卫污水为主，据粗略统计，我国每年大约产生7 亿吨的粪便而大部分的粪便最终 被排入水体。人们排放的生活污水中，尿液中的n 约占生活污水中n 总量的8 0 ，p 约占5 0 ，其余的p 排放主要来自洗涤剂。n 、p 严重超标是水体富营养化的主要原因 之一，太湖、滇池水污染的主要原因就是生活污水的排放。生活污水已经构成保护水资 源的头号障碍。 对城市污水脱氮除磷的处理又称为三级处理，在欧美等发达国家运用较多。但是三 级处理主要是脱n ，除p 效果不明显，而且某些工艺会造成二次污染。此外，三级处理 工艺复杂，费用较高，我国城市污水集中处理量还很低，难以大规模地在常规处理的基 础上再增加三级处理，无法实现n 、p 高标准达标排放，其处理技术研究面临“瓶颈 。 因此，生活污水中n 、p 的控制在我国大部分地区尚难实行。随着城市化的进程和居民 生活水平的提高，生活污水中n 、p 会有进一步的上升，因此，控制城市生活污水中n 、 p 的排放，提高对城市生活污水中n 、p 的去除能力，已经成为了刻不容缓的问题。 1 1 5 水体富营养化控制措施 水体富营养化的防治是水污染治理中最为复杂和困难的问题，目前还没有任何一种 物理方法、化学方法和生物方法等措施能较好的治理富营养化水体。防治水体富营养化， 人工湿地对我国北方城市生活污水的深度处理 主要是解决水体n 、p 污染的问题。因此，根据造成富营养化水体的具体特点，结合我 国国情探索一条经济、有效的富营养化治理方法已成为当务之急。 ( 1 ) 控源对策 绝大多数水体富营养化主要原因是外界输入的营养物质在水体中富集造成的。如果 减少或截断外部输入的营养物质就会使水体失去营养物养物富集的可能性。 控制外源性营养物质可以采用以下措施【5 j ： 面源污染控制：面源污染主要是由于农业活动产生的。农业养分主要通过径流、农 田排水等途径进入水体的。不适当的生产活动引起的地表侵蚀使土壤中大量的营养物质 随地表径流进入水体，成为湖泊营养物质的主要来源之一。因此，对农业活动，特别是 土地的利用和管理尤为重要。 点源污染控制：最主要的点源排放是生活污水和工业废水。目前的污水处理主要是 除去水中的耗氧有机物，对n 、p 的去除效果不明显。污水的一、二级处理对n 、p 的 去除率分别为1 5 和3 0 ，三级去除率可达到5 5 。但是由于经济和技术的原因，我国 城市污水的三级处理短期内很难普及。这就需要开发和应用新型的水处理技术来解决三 级处理的问题，本论文将讨论人工湿地技术在这方面的应用。 截污和排污工程：生活污水、工业废水以及农田雨水径流输入的营养物质是导致湖 泊、水库等水体水质富营养化的主要原因。实践证明对点源排放的营养物质以及其他污 染物质实行截流是控制水体富营养化的关键措施之一。目前，截流工程已经成为中国许 多富营养湖泊治理的重要途径之一。 限p 或禁p ：p 对城市湖泊富营养化的负荷要超过n 。因此，p 是产生富营养化的 关键因素。目前使用的洗涤剂普遍含有较高的p 成分，因此在实施截污工程以前，限制 或禁止含p 洗涤剂的使用也是一项非常重要的措施。 减少内源性营养物质的负荷 输入到水体内的营养物质在时间和空间上的分布非常复杂。这些物质可以被水生生 物吸收利用，也可以溶解于水中，也可以经过复杂的物理、化学和生物过程沉降，并在 底泥中不断积累，在一定的条件下再释放到水体中【5 】。 减少内源性营养物质负荷主要是防止营养物质的反复，有效地控制水体内部n 、p 的富集，应根据不同水污染情况，采用不同的方法，如物理法、化学法等。这些措施包 括【4 l ： 大连理工大学硕士学位论文 底泥疏浚：被认为是减少内源污染的一个重要的方法，能有效的去除底泥中的营养 物质。但是底泥的疏浚耗资巨大，需要消耗大量的人力和物力。因此，这一措施一般只 用于利用价值较高的水体，而且一般应在枯水期进行。 引水换水：时减少和稀释水体营养物质的有效方法，但是最终没有能够去除水体中 的营养物质，是治标不治本的权宜之计，只是暂时的把污染物质转嫁给其它地区。 这种措施适用于那些水较深而出现厌氧层的水体。在已经富营养化的湖泊中，底泥 的p 易于在厌氧条件下释放出来，如果采用曝气船定期为底层补氧，使水和底泥界面间 不出现厌氧层这将有利于抑制底泥p 的再释放。这种方法由于受到经济条件的限制往往 只能在小型湖泊内推广运用【5 l 。 化学方法：是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法。许多种阳离子可以使p 有效的从水溶液中沉淀出来，其中最有价值的是价格比较便宜的铁、铝和钙，它们都能 与磷酸盐生成不溶性沉淀物而将其去除。而用杀藻剂是另一种化学方法，该方法适用于 水华盈湖的水体。但是该方法再将藻类杀死后，藻类腐烂分解仍旧会释放出p 。因此应 将被杀死的藻类及时捞出，或者继续投加适当的化学药品，将藻类腐烂分解释放的p 沉 淀。使用化学方法很容易造成二次污染，因此该方法尽量避免在饮用水源地或人类活动 频繁的地区使用。 ( 2 ) 利用生物方法治理富营养化 生物治理措施是一项去除湖泊内源营养物负荷的有效的措旄。利用水生生物通过吸 收利用n 、p 元素进行代谢活动以去除水体中n 、p 等营养物质的方法。能源是利用太 阳能，污染少，能实现资源的再利用，有利于建立合理的水生态循环【4 】。 利用藻类治理富营养化水体 这些藻类包括：单细胞藻类和水网藻类。单细胞藻类不但具有蛋白质含量高、耗能 少等特点，而且还可以用起来吸收净化水体中的营养盐。但是该细胞体积微小，很难收 集。因此，用于净化大型的水体将会受到限制。而水网藻繁殖能力比形成水华的蓝、绿 藻更强，并在生长过程中可以大量吸收n 、p 等营养物质，使其它藻类失掉了赖以生存 的营养物质，达到了以藻治藻的目的。 利用微生物修复污染水体 微生物作为生态系统的分解者，对污染物的去除和养分的循环起着不可忽视的作 用，尤其是当水生态系统中接受了大量的无机营养物质的时候。通过对氮的氨化、消化 和反硝化作用，微生物驱动着水体中n 的生物地球化学循环；微生物参与着有机磷的分 解作用，可以崔进水生植物对其的吸收。依靠接种有益微生物菌株来加速c 、n 、p 在 水体环境中的生物地球化学循环，并强化对这些营养物质的去除，可以作为生物修复中 人工湿地对我国北方城市生活污水的深度处理 的一项重要手段。接种的微生物既可以单独使用，也可以作为植物修复的配套技术使用。 目前，在环境修复中说使用的微生物修复技术包括： 固定化光合细菌( p s b ) 的使用：固定化光合细菌是将游离的光合细菌，包括红螺 科、红假单细胞茵属的光合细菌，利用固定化材料将其固定，由于处理污染水体的一种 方法。该方法可有效去除c o d 、p 和硝态n 等物质。 固定化聚磷菌的应用：聚磷茵主要有不动杆菌、气单胞菌和假单胞菌等等。聚磷菌 除鳞的本质在于其在厌氧条件下分解体内的聚磷酸盐同时产生j 岍，并利用a t p 将废 水内的脂肪酸等有机物摄入细胞，以p 皿( 聚b 羟基丁酸盐) 及糖原等有机颗粒的形 式储存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出胞外。此为聚磷菌的厌氧释 磷现象。一旦进入好氧环境下，该类菌又可利用p 皿氧化分解所释放的能量来摄取磷， 并把磷合成聚磷酸盐储存于胞内。此为聚磷菌的好氧聚磷现象。聚磷菌就是依靠好氧吸 聚磷比厌氧释磷的量更多来达到除鳞的目的。由于聚磷菌生长较慢、较易在厌氧和好氧 交替的环境内成为优势菌群。因此可以采用固定化技术固定聚磷菌并模拟聚磷条件运用 于物理生态工程将可达到除磷的目的。 e m 制剂修复湖泊富营养化：e m 菌是由筛选出的又是乳酸菌、酵母菌、放线菌以 及光合菌等功能性菌株组成，具有广泛的应用价值。该菌在适宜的条件下能够发挥良好 的抑藻作用。 c l e a r - f l o 系列菌剂修复湖泊富营养化：c l e 小f l o 是美国某公司开发的系列微生物制 剂，除了用于修复污染河流外，也用于修复富营养化的湖泊。 基因治藻：近年来，蓝藻在基因运载构建、基因定位、基因转移、表达、功能分析 等方面都取得了显著进展。利用基因工程，我们可以培植一批经济价值高、有自净化功 能的藻类植物用于污水处理，也可以培植藻类的竞争生物，抑制那些特征性藻类的生长， 或者直接利用生物生长除藻剂。 ( 3 ) 利用大型水生植物修复污染水体 大型水生植物都具有发达的机械组织，植物个体比较大。该种植物有三种类型：浮 生植物、沉水植物以及挺水植物。大型水生植物是水生态系统中重要的组成部分和主 要的初级生产者之一，对生态系统物质和能量的循环、传递起调控作用。这种植物除了 直接吸收、固定、分解污染物之外，通常只有间接的参与污染物的分解，通过对基质中 细菌等微生物的调控来进行环境修复，其在水污染控制中的生态效应主要表现在以下几 个方面【5 】： 物理作用 大连理工大学硕士学位论文 覆盖在湿地中的水生植物，使风速在近基质或水体表面降低，有利于水体中悬浮物 的沉积，降低了沉积物质再悬浮的风险，增强了水体和植物间的接触时间，同时还可以 增强底质的稳定和降低水体的浊度。 对水环境的改善 吸收、吸附和富集作用：水生植物能直接吸收利用污水中的营养物质，供其生长发 育。废水中的有机n 、p 被微生物分解、转化，但无机n 、p 作为植物生长过程中不可 缺少的物质被植物直接摄取，合成蛋白质和有机n 、p ，再通过植物的收割而从废水中 除去。 氧的传输作用：湿地环境对微生物来说是一种严酷的逆境，其原因就是湿地缺氧。 水生植物的输氧速率远比依靠空气向液面扩散速率大，植物输氧功能是植物将光合作用 产生的氧气通过气道输送至根区，在植物根际形成好氧环境，有利于微生物的生长和生 物脱氮除鳞。 为微生物提供栖息地：微生物是净化污水的主要“执行者一，它们把有机制作为丰 富的能源，将其转化为营养物质和能量。水环境中微生物的种类和数量都很丰富，因为 水生植物的根系形成一个网络状结构，并在根系周围形成好氧、厌氧、和缺氧的不同环 境，为各种微生物的吸附和代谢提供了良好的生存环境，也为人工湿地污水处理技术提 供了足够的分解者。 维持生态系统的稳定：维持水系统稳定的首要条件就是保证水力传输，水生植物在 这方面起了重要的作用。植物根和根系对介质具有穿透作用，从而在介质中形成许多微 小的气室或间隙，减小了介质的封闭性，增强了介质的疏松度，使介质的水力传输得到 加强和维持。 化感作用 在一种植物群落里，植物通过释放化学物质促进或抑制其它个体或自体的现象称为 生物化感作用。这些物质称为化感物质。大型水生植物产生的化感物质可以抑制水体中 藻类的生长。植物生长在一起，其作用一是对环境因子如光、水、肥的竞争，一是向环 境释放化学物质影响其它生物的生长。前者称为竞争，后者称为相生相克。 水生植物植物在治理富营养化水体和其它方法相比，成本低、能耗小、治理效果好、 对环境骚动小、有利于资源化、有较好的经济价值、有较高的美化环境价值和有利于整 体生态环境的改善。另外，水生植物对环境和气候的反应不是很敏感，为该技术的推广 创造了很好的条件。水生植物在治理富营养化水体的发展和应用将具有很广阔的前景。 ( 4 ) 综合防治 人工湿地对我国北方城市生活污水的深度处理 防治水体富营养化不能只用单一的或只用有效的措施，必须因地制宜采取综合防治 措施，加强管理、以防为主进行治理。水环境的管理是一项系统工程，是建立在包括法 律、政府、财政、技术等各方面组成的社会范围之内，技术是基础，经济是支撑，而法 律是实现湖泊环境保护的根本保障。因此，要实现水体环境的改善，必须加强法律建设， 完善水环境保护的法律法规，建立和健全水环境管理机构，对水资源利用和保护中有关 的技术、规划、法律问题进行统一的领导和管理。 1 2 人工湿地污水处理技术概述 1 2 1 人工湿地简介 “人工湿地 是人为创造的一个适宜于水生植物或湿生植物生长的，用于处理污水 的一种工艺。第一个完整的人工湿地的实验始于1 9 7 4 年，由前西德的o t 埘慨进行。 1 9 8 5 年，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 污水。我国也于1 9 9 0 年在深圳建成我国第一个人工湿地污水处理工程白泥坑人 工湿地污水处理系统。与别的污水处理工艺相比，人工湿地具有明显的优点：建造及运 行费用低( 仅为传统二级污水处理厂的l 1 0 至l c 2 ) 、维护简单、效果好、适用面广、 对负荷变化的适应能力强等。人工湿地系统不仅可处理以耗氧有机物和n 、p 等营养物 质为主的生活污水，而且对含重金属、酸性有机及无机矿物质等工业废水也具有良好的 去除效果。此外，人工湿地还可为众多野生动物提供栖息地。 ( 1 ) 人工湿地的定义 目前关于人工湿地的定义并没有一个统一的权威说法。人工湿地可以理解为是模拟 自然湿地的人工生态系统类似自然沼泽地，但由人工建造和监督控制，是一种人为地将 石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成基质，并有选择性地植入植物的 污水处理生态系统。人工湿地主要组成部分：人工基质、水生植物、微生物，其对污水 的净化是基质、水生植物和微生物共同作用的结果。或者可以说人工湿地是指人工建 造和监督控制的，类似于沼泽的地面，其设计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，利用这3 种作用的协调关系来实现污水的净化作用。如水库、 池塘、水稻田等都属于广义上的人工湿地【姗。 ( 2 ) 人工湿地的分类 国内外对人工湿地的分类有多种，可根据植物、用途、以及水体流动方式来划分。 具体划分如下： 人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为：浮生植物系统、沉水植物系统以及 挺水植物系统。浮生植物主要用于n 、p 的去除和提高传统稳定塘效率，该种植物种类 繁多，习性各异，大小不一。沉水植物系统中植物光合作用的组织全部潜在水中，该系 统还处于实验室研究阶段，其主要应用领域为预处理和二级后的深度处理。目前，应用 较广泛的是挺水植物系统，通常情况下所指的人工湿地系统都是指挺水植物系统。 人工湿地根据建造目的不同可分为：人工抗洪湿地，用于控制洪水或者泄洪； 人工生境湿地，协助天然湿地保护生物多样性；人工水产湿地，用于农业生产与水产养 殖；人工处理湿地，用于污染治理等类型【1 1 1 。实际中，大多数人工湿地适用于污染治理 的，即为处理湿地。 人工湿地污水处理系统按照污水流态流向的不同可以分为表面流湿地 ( s l l r e f l o ww 甜锄d s 缩写为s f w ) 、水平潜流湿地( h 硎删s u b s u 血f l o w w e t l 锄d s 缩写为h s s f w ) 和垂直流湿地( v e n i c a lf l i 哪w e t l 锄d s 缩写为7 w ) 三种主 要类型。 表面流人工湿地中废水在湿地的土壤表层流动，水位较浅，一般为0 3 o 5m 。表 面流人工湿地随着有机物的去除对铵态氮有良好的硝化作用但氮的反硝化作用常常受 到碳源的限制与地下潜流工艺相比其优点是投资少，其缺点是负荷小，冬季北方表面会 结冰，夏季会繁殖蚊子，还会有臭味，但其投资少，运行费用低，维护简单。表面流人工 湿地常常用于市政废水的处理【1 2 】。 潜流人工湿地中废水在地表下流动。由于潜流人工湿地为微生物提供了更多的表面 积，因而增加了水中污染物与微生物接触的机会，处理负荷也比表面流人工湿地高的多。 另一个主要优点是在冬季保温效果好，处理效果受气候的影响小，但投资要比地表流工 艺大一些，但维护费用要低的多衬潜流人工湿地填料成本、建设费用较高的，但在污水 处理应用中却是最常用的i u j 。 垂直流人工湿地是潜流人工湿地的改进。与潜流人工湿地之间的差异主要是水流方 向是垂直的( 向上流或向下流) 。这种人工湿地水力负荷较大，占地面积相对较小，能 有效地去除废水中的氨氮【1 4 ，嘲，但反硝化能力弱，t n 的去除效率不理想【1 6 1 但要比潜流 人工湿地的去除效果好。垂直流人工湿地即使在冬季也能对有机物的去除以及n 的硝化 有良好的运行效果。尽管u s e p a 己经出版了表面流人工湿地和潜流人工湿地设计和运 行手册。但是关于垂直流人工湿地的设计还没有可操作的指导方针，对垂直流人工湿地 还需进行深入研究。 ( 3 ) 人工湿地水处理技术去污机理 一1 3 - 人工湿地对我国北方城市生活污水的深度处理 人工湿地处理系统是一种集物理、化学、生化反应于一体的废水生态处理技术，是 一个独特的基质、植物、微生物综合生态系统，其对污水的净化有着非常复杂的机理过 程。一般认为，水体、基质、水生及湿生的植物和微生物是构成人工湿地污水处理系统 的个基本要素。植物吸收、微生物代谢以及基质的吸附、过滤、沉淀