（环境工程专业论文）潮汐流人工湿地处理生活污水研究.pdf

摘要 摘要 人工湿地是一种简便有效的生态工程污水处理技术。由于该工艺具有出水 水质好、运行管理费用低、投资省、机构简单、操作管理便利等优点，特别用 于广大农村、中小城镇的污水处理，具有广阔的应用前景。然而传统的人工湿 地复氧能力有限，床体氧环境较差，直接影响了污水处理效果，且易于堵塞。 本论文以研究新型潮汐流人工湿地处理生活污水为目的，对湿地植物的吸收性 能和潮汐流启动、影响因素进行了研究。 研究发现，试验中的1 0 种湿地挺水植物对生活污水具有良好的去除效果， 试验期间植物未出现死亡现象。对各污染物的平均去除效果，亚硝酸盐氮 c o d c r t t ， 氨氮 硝酸盐氮 t n 。南荻对各形态氮均有良好的去除效果，适用 于含氮较高的污水；紫芋对c o d c ，、t n 、t p 和氨氮均有良好的处理效果；茭白 对t n 去除效果较好，但对c o d c r 、t p 去除效果略低；姜花对t p 去除效果较好， 对各形态氮去除效果略低。 水培过程中发现，植物对污染物的去除率在第7 天、8 天达到平衡，即使增 加水培时间，污染物去除率变化也很小。 试验装置所采用的粒径级配填料对生活污水具有较强的吸附能力。对不同 污染物填料吸附能力不同，c o d c t 亚硝酸盐氮 t n t p 氨氮 硝酸盐氮。增加 水中d o 可提高填料对氮、磷的吸附效果。 影响因素试验研究表明，生活污水进入床体4 小时左右，污染物可得到大 部分降解，继续延长时间对去除效果影响不大。当床体空床时间为8 小时，系 统出水效果最好。浸润线与基质持平时，湿地系统去除效果最好。通气管的设 置能增加水体中d o ，但是影响有限。 关键词：潮汐流人工湿地；生活污水；挺水植物； a b s t r a c t a b s t r a c t o w i n gt ot h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d si sas o r t o fs i m p l e ，c o n v e n i e n ta n de f f e c t i v e z o o l o g yt r e a t m e n tt e c h n o l o g y ，w i t ht h e a d v a n t a g e so fh i g hr e m o v a lc a p a c i t y ，s i m p l ec o n s t r u c t i o n ，l o wi n v e s t m e n t ，l o w m a i n t e n a n c ea n do p e r a t i o nc o s t ，s i m p l eo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ea n ds oo n i th a v e w i d ea p p l i a n c ef o r e g r o u n db e c a u s et h et e c h n o l o g ya d a p tt ot h ew a s t c w a t e rt r e a t m e n t i nc o u n t r ya n dt o w n b u tt h eo x y g e ns u p p l yi nt r a d i t i o n a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d si s l i m i t e d ，w h i c ha f f e c t st h e s y s t e mp e r f o r m a n c e a n dc a u s e sm o r e c l o g g i n g h a p p e n e d t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri ss t u d i e san e wt y p et i d a lf l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d sf o rd o m e s t i cs e w a g et r e a t m e n t ，a n dt h ea u t h o rs t u d i e dt h ea d s o r p t i o no f w e t l a n d sp l a n t 、s y s t e ms t a r t u pa n d i n f l u e n c i n g i nt h i ss t u d y , t h i st h e s i sr i m sa ts t u d y i n gt h en e wt y p eo ft i d a lf l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n dt r e a t i n gd o m e s t i cw a s t e w a t e r a b s o r p t i o no fw e t l a n dp l a n t s ，t i d a ls t r e a m s t a r t i n g ，a f f e c t i n gf a c t o r sw e r es t u d i e d 10o ft h et e s t e dw e t l a n d s 7 e m e r g e n tp l a n t st u r n e do u tt oh a v eg o o dr e m o v a l e f f e c tt o w a r d i n gd o m e s t i cs e w a g e ，n od e a dd u r i n gt h et e s t m e n t t h ea v e r a g eo f e a c h p o l l u t a n t r e m o v a l e f f i c i e n c y i s n 0 2 - h c o d c r t p n i - h - h n 0 3 - h t n t r i a r r h e n al u t a r i o r i p a r i ah a v eg o o dr e m o v a le f f e n tt on ，s oi ti ss u i t a b l ef o r s e w a g ew h i c hc o n t a i n sh j l g hp e r c e n t a g eo fn ：c o l o c a s i at o n o i m on a k a ih a v eg o o d t r e a t m e n te f f e c to nt h ec o d c r 、t n ，t pa n dn h 4 - h ；h e d y c h i u mc o r o n a r i u ms h o w s b e t t e rr e m o v a le f f i c i e n c yo nt h et n ，b u th a v eaw o r s er e m o v a le f f e c to nc o d c ra n d t p ；g i n g e rf l o w e ri sb e t t e ro nt pr e m o v a le f f i c i e n c y ，b u tl o w e ro ne a c hk i n do f n i t r o g e n s i z eg r a d e df i l l e r sw h i c hi su s e di nt h et e s t e rh a v es t r o n ga d s o r p t i o nc a p a c i t y t o w a r d i n gt od o m e s t i cs e w a g e i t sa d s o r p t i o n 。c a p a c i t yi s d i f f e r e n to nd i f f e r e n t p o l l u t a n t ，c o d c r n 0 2 - h t n 1 r i 堋4 - - h n 0 3 一h i n c r e a s i n gt h ed o i nw a t e r , f i l l e rw i l lh a v eb e t t e ra b s o r p t i o ne f f i c i e n c yo no ft h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h er e s u l to fe f f e c t i n gf a c t o r sr e s e a r c hs h o w st h a tp o l l u t a n tc a l lb ed e g r a d a t i o n m o s t l yw h e nd o m e s t i cs e w a g ef l e wi n t ob e db o d yf o r4 h o u r s ，h o w e v e r ，e x t e n dt h e i i i a b s t r a c t t i m e ，t h e r ew i l lb el i t t l ee f f e c to nr e m o v a l w h e nt h eb e db o d yi se m p t yb e df o r8 h o u r s ，t h ee f f l u e n tw a st h eb e s t w h e nt h es a t u r a t i o nl i n ee q u a l sw i t ht h em a t r i x ，t h e w e t l a n ds y s t e mw i l lh a v eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c y s n o r k e lc a ni n c r e a s ed o i nt h e w a t e r ，b u tt h ei m p a c ti sl i m i t e d k e yw o r d s ：t i d a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ；d o m e s t i cs e w a g e ；e m e r g i n gp l a n t i v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 概述 当前，水污染及水资源短缺已成为世界各国所面临的共同问题，对于发展 中国家尤甚如此。以我国为例，根据2 0 0 9 年中国环境状祝公报显示，目前我国 的水环境污染形势日趋严峻，绝大多数江河湖海的污染负荷日益增加，许多水 体自净能力已经丧失或者逐渐在丧失，全国废水排放总量为5 8 9 2 亿吨，其中生 活污水3 5 4 8 亿吨，生活污水所占比例越来越重。 随着改革开放和新农村建设的启动，我国城镇以及农村生活污水的排放飞 速增长。现阶段乡镇污水处理率不足1 0 ，随着我国乡镇建设的发展，估计我 国8 0 的污水将来自乡镇【旧。 所以生活污水将成为未来我国主要的废水组成部分，特别是乡镇、农村生 活污水处理。目前城市生活污水处理工艺较成熟，全国城镇污水处理及再生利 用设施“十一五”建设规划中指出到2 0 1 0 年，全国设市城市污水处理率达到7 0 ( 其中省会以上城市平均达到8 0 以上、地级市平均达到6 0 、县级市平均达 到5 0 ) ，县城城市污水处理率达到3 0 。 目前我国乡镇生活污水处理率低下，9 6 的农村没有排水渠道和生活污水处 理系统，绝大部分生活污水未经处理直接排放，对周边生态环境造成严重的污 染1 3 , 1 , 4 , 5 】。而城市生活污水处理工艺适合规模较大污水处理厂，并且造价运行费 用昂贵，结构复杂，运行维护需要专人负责，不适合乡镇、农村小规模的生活 污水处理。 人工湿地处理系统具有投资与运行费用低、维护管理简便、氮磷去除效果 好、耐冲击负荷能力强、生态景观改善效果明显等优点，完全能满足乡镇、农 村小规模生活污水处理的要求。因此本研究内容主要针对采用人工湿地生态系 统处理乡镇及农村生活污水进行研究。 1 2 人工湿地概况 1 2 1 人工湿地的定义 人工湿地( c w ，c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 是在模拟自然湿地生态系统的基础上 第1 章引言 发展起来的一种污水处理生态工程技术，是一种由人工建造和监督控制的，与 沼泽地类似的地面，利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用， 通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水高效 降解。与自然湿地生态系统相比，人工湿地生态系统在地点选择、负荷量承载、 可控性及对污水净化效果上，都远远超过自然湿地生态系统 6 - 9 1 。 1 2 2 人工湿地的分类及特点 国内外不同学者对人工湿地系统的分类各不相同1 1o 1 1 】。不同类型的人工湿地 对特征污染物的净化效果也有所不同，在各个方面具有各自的优、缺点。人工 湿地类型按照湿地中主要高等植物的类别可分为浮水植物系统、挺水植物系统 和沉水植物系统【1 2 , 1 3 】。沉水植物系统还处于研究阶段，主要应用在初级处理和二 级处理后的深度处理，以及水体生态修复等领域。人工湿地按照系统布水方式 的不同或水流方式差异一般分为自由表面流( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，f w s ) 和潜 流型湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s f s ) 。潜流型人工湿地又包括水平潜流人工 湿地、垂直潜流人工湿地和潮汐流人工湿地【1 4 。1 踟。 1 2 2 1 表面流人工湿地 表面流人工湿地( s u r f a c ef o l ww e t l n a d ，s w f ) 也称为水面湿地( w a t e rs u r f a c e w e t l a n d ，w s w ) 、自由水面湿地( f r e ew a t e rs u r f a e ew e t l a n d ，f w s w ) ，通常由一 个或几个池体或槽沟构成，池体或槽沟之间设有隔墙，底部通常设有隔水层， 防止下渗，污染地下水，表面流人工湿地是最接近自然湿地的人工湿地【1 9 1 。在 表面流人工湿地系统中，污水在湿地的表面流动，水位较浅( 0 1 0 6m 之间) ， 负荷可达2 0 0m 3 ( 1 0 4 m 2 d ) t 2 0 。污水中的绝大部分有机物依靠生长在植物水下部 分的茎、杆上的生物膜来完成的。这种系统难以充分利用生长在填料表面的生 物膜和生长丰富的植物根系对污染物的降解作用，所以其处理能力较低。 这种湿地的优点是投资少、设计简单、管理简单，缺点是夏季容易滋生蚊 蝇且散发臭味、冬季水面容易结冰、负荷较小、占地面积大、不能充分利用填 料及丰富的植物根系，因此在实际工程应用中很少采用。其基本结构如图1 1 所 示。 2 第1 章引言 图1 1 表面流人工湿地 1 2 2 2 水平潜流人工湿地( s s f c w ) t 水平潜流人工湿地因污水从一端进入湿地系统，以水平流动的方式经过湿 地中基质空隙，然后从另一段流出而得名。水平潜流人工湿地同样由一个或几 个池体或槽沟组成，池体或槽沟之间设有隔墙，底部通常设有隔水层，防止下 渗，污染地下水。池中一般使用粗糙的基质作为填料，如砾石、卵石、砂、土 壤等多孑l 介质，其粒径一般在5 3 2e m 之间，常用植物为芦苇和香蒲，在欧洲 也称为“芦苇床处理系统 。 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高，对b o d 、 c o d 、s s 、重金属等污染物的去除效果好【2 1 1 ，且很少有恶臭和滋生蚊蝇现象， 由于水在地表地下流动温度波动小，处理效果受气温影响小，微生物丰富，卫 生条件较好，目前该系统在国际上应用较广泛，但投资比表面流人工湿地略高， 建造和维护管理费用也较高。其基本结构如图1 2 所示。 z 二 鹰蓊 i 卺毽毫 第1 章引言 1 2 2 3 垂直潜流人工湿地 垂直流人工湿地中，污水流动方式综合了表面流人工湿地和水平潜流人工 湿地的特点，污水从湿地从底部垂直向上流出表面或表面垂直流过填料床的底 部，床体处于不饱和状态，氧可以通过大气扩散和植物传输进入人工湿地。床 体结构与水平潜流人工湿地基本一致。 与水平潜流相比，垂直潜流人工湿地充氧更充分，有利于好养微生物的生 长和硝化反应的进行，适用于处理含氨氮浓度较高的污水，同时对土地资源需 求相对较小圈，不会滋生蚊蝇，但对有机物去除效果不好，控制复杂，落干淹 水时间较长团】。其基本结构如图1 3 所示。 图1 3 垂直潜流人工湿地 1 2 2 4 潮汐潜流人工湿地 潮汐流湿地【2 4 ，2 5 1 系统是近年来由伯明翰大学研究并提出的，他们利用芦苇床 进行了试验。在这种湿地系统中，芦苇床按时间序列交替的充满水和排干。床 内充水的过程中，空气被挤出，床的介质材料逐渐被淹没，排水过程中新鲜的 空气被带入床内。伯明翰大学的最新研究成果表明当水被排出芦苇床，有机污 染物留在基底内时是氧消耗量最大的时刻，因此，在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，氧的传递速 率和消耗量大大提高，极大的提高了处理效果。但是，该系统运行一段时间后， 微生物可能将床体阻塞，限制了空气和水在床体中的流动，降低了处理效率， 设计中建议采用备用床交替运行。目前，对这类人工湿地的研究还处于探索阶 段，其处理效果和经济上的可行性还需进一步的考查，是人工湿地重要的研究 4 第1 章引言 方向之一。 1 2 3 人工湿地处理技术的发展状况 1 2 3 1 人工湿地在国外的发展概况 人工湿地污水处理技术的发展最早可追溯到1 9 0 3 年，英国约克群e a r b y 洲 建立了世界上第一个用于处理污水的人工湿地，并且连续运行至1 9 9 2 年，人工 湿地污水处理工艺在世界各地受到重视并广泛应用始于2 0 世纪6 0 年代。德国 的s e i d e l 在1 9 5 3 年研究工作中发现芦苇能大量去除有机物和无机物。s e i d e l 通 过进一步实验发现【2 6 加，一些污水中的细菌( 肠球菌、沙门氏菌、大肠杆菌等) 在通过种植的芦苇时消失，且芦苇等高大植物能从水中吸收碳水化合物和金属。 后来，这些实验室观察开始推广至大规模试验，用于处理生活污水、工业废水， 江河水和地表径流1 2 s 】，后来s e i d e l 研究出“m a x p l a n c hi n s t i t u t e p r o c e s s 系统， 该系统由四级或五级组成，每级由几个栽有挺水植物的池子并联组成【2 7 - ，2 9 。 根据s e i d e l 的思路，荷兰发明了一种叫做“l e l y s t a dp r o c e s s 的大规模处理 系统。该系统是一个占地一公顷的星形表流人工湿地，水深0 4 米，随后荷兰建 立大量的这类湿地处理系统。 s e i d e l 的工作刺激了德国在这方面的研究。2 0 世纪6 0 年代中期，s e i d e l 和 k i e h u t h 合作并由k i c h u t h 开发出了“根区法，进一步推动了人工湿地污水处理 技术的发展。此法由栽有芦苇矩形池子组成。土壤经选择含有c a 、f e 、a 1 添加 剂，用于改善土壤结构和提高对p 的沉淀性能。水以地下潜流水平流过芦苇根 区，污染物被降解或累积于土壤。此法的问题在于土壤渗透能力并非像k i c h u t h 预测的那样随时间增大而增大，且芦苇传氧至根部的能力比k i c h u t h 所说的小 【2 9 ，1 2 】 o 2 0 世纪6 0 年代末，美国n a s a 实验室研发了一种称为“采用厌氧微生物和 芦苇处理污水的复合系统”，n a s a 的砾石床系统在去除b o d 、s s 、大肠杆菌和 氮方面效果明显。 2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初，美国召开了人工湿地研讨会，总结各国人 工湿地污水处理技术的经验，提出了相关设计规范和理论依据，标志着人工湿 地作为一种独特新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。 目前，人工湿地在欧美得到了广泛应用。据不完全统计，截止2 0 0 6 年，欧 美建有一万多座人工湿地，北美有近两万座人工湿地，亚洲、澳洲、拉丁美洲 5 第1 章引言 等也有更多的人工湿地系统建设投入运行。 1 2 3 2 人工湿地在国内的发展概况 我国对人工湿地的研究从2 0 世纪五六十年代已经开始，起步相对较晚，直 至”七五”期间才开始对人工湿地较多方面的研究。国内第一个人工湿地系统是天 津市环保所在1 9 8 7 年建成的占地9 0 亩，处理规模为1 4 0 0m 3 d 的芦苇湿地工程 即o 】。1 9 9 0 年，国家环保总局华南环保所在深圳白泥坑建造了处理规模为3 1 0 0 m 3 d ，占地8 4 0 0m 2 的人工湿地示范工程【3 1 3 2 1 ，北京市环科所在北京昌平县建成 规模为5 0 0m 3 d 的芦苇人工湿地工程【踮】，其处理效果见表1 1 。由此，我国开始 对人工湿地的构建方法及处理污水的规律进行了比较系统的研究。 。 表1 1 北京昌平人工湿地处理效果c r a g l ) 19 8 9 - 19 9 0 年，天津环保科研所建立1 1 个实验单元，研究芦苇床人工湿地 对城市污水的处理能力，并对有机负荷、水力负荷、停留时间及季节等与污水 中主要污染物之间规的律进行研究。结果发现，该系统出水优于二级处理i l 引。 1 9 9 6 年胶南市充分利用风河下游北岸的大片盐碱荒滩，建造成芦苇湿地系 统，不仅很好的解决了当地生活污水和工业废水的问题，且引来了多种珍贵鸟 类栖息，取得了良好的生态效果【3 引。 吴振斌等瞰】发明的复合垂直流人工湿地( i v c w ) ，并对i v c w 系统的净化功 能和净化基质进行了系统的研究，该系统改变了表面流湿地、潜流湿地和单一 垂直流湿地的水流方式，有效的解决了其它类型湿地出现“短路”现象，使得 湿地中污水能够充分利用基质，提高了湿地的处理效果；同时好氧、厌氧的复 合水处理结构加强了硝化反硝化的作用，提高了系统的整体的除氮效果；并且 间歇式的进水方式也有利于系统的复氧。 目前在我国武汉、北京、上海、深圳、天津、杭州、温州、西安、海南等 地均有或多或少的人工湿地投入运行。我国对人工湿地处理系统的研究正方兴 未丈。 6 第1 章引言 1 2 4 人工湿地的组成及功能 1 2 4 1 湿地基质 基质和广义上的填料在人工湿地系统中是一个概念，泛指湿地床中非生物 构建，包括表层土壤和下层的砾石、沙、废渣等物质。基质一方面为微生物的 生长提供稳定依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质。当污水流 经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学的途径( 如络合反应、离子交换、吸 收、滤过、吸附等) 来净化污水中的氮、磷等营养物质【3 5 】。因此，基质填料的选 择是湿地建造和能否实现其功能的关键。 目前，广泛应用的人工湿地基质主要有沙粒、沙子、土壤、石块【3 6 】。新型 填料也在不断地得到研究和应用，d r i z o 等以页岩为基质的潜流人工湿地进行了 研究，发现对磷的去除率可达9 8 - - - 1 0 0 ，徐丽花等【3 刀采用沸石石灰石复合基 质的人工湿地来处理污水，取得了良好效果。聂发辉【3 8 】利用蛙石作为湿地填料 进行研究，对氨氮的有较好的去除效果。b a r t o n & k a r a t h a n a s i s ( 1 9 9 9 ) 3 9 】利用 石灰和其它填料组合来处理酸性矿区废水，也取得了较好的效果，白晓龙等m 以砾石、沙子、珍珠岩三种填料对生活污水中氨氮的去除效果进行了研究，发 现沙子对氨氮的去除效果最好，邓雁希等的研究表明【4 1 1 ，炉渣有较高的吸附活 性，能够有效去除废水中的磷。尹连庆以粉煤灰作为基质的人工湿地去污能力 强，同时也利用以废治废的优点，创造多种效益【4 2 】。 基质的一些理化性质，如比表面积、孔隙率、灿和f e 氧化物的非定形和弱 晶形也影响基质表面对磷的吸附【4 3 】，此外对不同粒径分布的砂砾的研究表明， 适当的孔隙率、粒径分布及比表面积可改善污水的水力传导率和去污能力m 。 目前填料的种类非常广泛，有沙子、碎砖、玻璃塑料等。通常将其分为两 大类：无机类填料和有机类填料。作为生物膜载体，湿地填料的选择一般要遵 循以下原则：有足够的机械强度、比表面积要大、生物化学及热稳定性要好、 有良好的亲水性、价格便宜、吸附能力强、可再生性好等。 为了综合发挥各种填料的优势，人工湿地中应选择不同功能的填料组成复 合填料床，通过适宜的填料级配，以有效的去除各种污染物质，同时有效避免 堵塞。 1 2 4 2 湿地植物 人工湿地是人为建造的利用植物、基质与微生物三者的物质循环与能量流 7 第1 章引言 动来处理污水的一种生态系统。与一般生物处理方法不同，湿地植物是人工湿 地的重要组成部分，对污染物的转化与降解具有重要的作用。已有研究表明【4 5 j ， 不同的湿地植物，其生长速度、对污染物的吸收转化能力，泌氧能力等存在显 著差异，也使基质中生长的微生物种群及数量有所不同，因此筛选适宜的人工 湿地植物，对提高和稳定人工湿地的净化功能具有重要的意义。 在人工湿地系统中植物可以通过光合作用为净化作用提供能量，可以直接 吸收、利用污水中可利用态的营养物质，吸附和富集重金属及一些有毒物质 4 6 4 9 】；能输送氧气至根区，有利于微生物的好氧呼吸【5 0 5 1 1 ；其庞大的根系为细菌 提供了多样的环境，根区的细菌群落可降解多种污染物【5 2 , 5 3 j , 根系生长能增强和 维持介质的水力传导【5 4 , 5 5 】；此外植物还可以作为人工湿地所受污染程度的指示 物j 可固定土壤中的水分，圈定污染区，防止污染源的进一步扩散；还可增强 和维持介质的水力传输；并且具有美观价值，能改善景观生态环境：通过收割 还可以回收植物资源，产生经济效益。 1 2 4 3 微生物 人工湿地污水处理系统是通过植物一基质一微生物协同作用来实现对污染 物的净化，其中微生物在对污染物的吸附和降解中起着核心的作用( 5 6 , 5 7 】。 人工湿地中的微生物是极其丰富的，是人工湿地污水处理系统中重要的分 解者。李科得【5 8 】对比芦苇床系统和天然芦苇场总根面及根际中的细菌、真菌、 放线菌等的数量，结果发现，人工芦苇床系统中微生物数量明显高于天然芦苇 场，芦苇床系统的根表面和根际的细菌数量可达1 0 8 个儋干重，且趋于稳定，随 季节变化不大；杨桂芳等【5 9 】在慢速渗透土系统的水稻土中研究发现氨化细菌的 数量在1 0 7 个克干重以上；靖元孝等【删研究了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高于无植物系统。沈耀良等【6 l 】研究表明，人工芦苇 湿地系统中的优势菌属主要有三种，分别是假单胞杆菌属、产检杆菌属和黄杆 菌属。 通常微生物的数目和种类与污水净化效果有很大的关系。李科得等【6 2 j 研究 发现芦苇系统内根际微生物与污染物去除率之间有明显的相关性。付融冰等1 6 3 j 研究了不同植物以及无植物潜流水平湿地基质中微生物状况与净化效果的关 系，结果表明，微生物数量与b o d 5 及t n 的去除有显著的相关性，与1 1 p 去除 相关性不明显，硝化能力与亚硝化细菌相关性显著，说明微生物的作用是去除 8 第1 章引言 它们的重要途径；污水中的b o d 和c o d 的去除率与微生物的数目都有较明显 的相关性。梁威等畔】研究发现，污水氨氮的去除率与根区的硝化细菌和反化细 菌数量的相关性极显著；而磷元素的去除率则与根际中的磷细菌数目呈正相关。 1 2 5 人工湿地的净化机理 人工湿地是一个复杂的生态系统，由基质、植物和微生物组成一个共生的 系统，利用基质、植物和微生物的物理化学和生物的三重协同作用，通过吸附、 过滤、离子交换、溶解、气化、固化、络合反应、硝基化、反硝基化、植物吸 收和微生物降解等来实现对污水的净化【6 5 1 。 人工湿地系统的的显著特点之一就是对有机物具有较强的去除效果。不溶 性有机物可通过基质过滤、植物拦截、沉降等方式截留而被微生物利用，可洛 性有机物主要通过植物的吸收，好氧、缺氧和厌氧细菌分解。 人工湿地对废水中氮的去除主要包括：微生物的吸收，植物的吸收，基质 的吸附，硝化反硝化作用，氨气挥发，其中硝化和反硝化、氨气挥发是人工湿 地脱氮的主要作用【6 4 , 6 6 - 6 9 1 。 人工湿地中磷的去除主要包括：植物对无机磷的吸收及同化，然后通过植 物收割除去；p 0 4 3 - p 与填料中a 1 3 + 、c a 3 + 、f e 3 + 发生吸附和反应沉淀除去【7 m 7 6 】； 基质表面也能吸附部分磷，但是这个不是永久性吸附。微生物对磷也有吸收， 但是当微生物死亡后会再次释放到湿地系统中。 金属离子的去除途径主要有：植物的吸收和生物富集作用、基质的吸附沉 淀作用和金属离子与硫化物和氢氧化物形成沉淀，作为不可溶的盐类沉淀下来。 人工湿地对s s 去除效果非常好，主要通过沉淀、聚集、表面粘附絮凝、基 质的过滤、植物根茎的拦截、微生物的降解等作用除去【7 7 1 。 1 2 6 人工湿地的数学模型 国内外对人工湿地数字模型进行了大量的研究。目前，人工湿地数字模型 主要是基于一级动力学模型、衰减方程和生态动力学模型。 一级动力学模型在湿地的设计和湿地对污染物去除效果的预测得到广泛的 应用。该模型主要考虑处理负荷和处理效率之间的关系，模型推导以一级反应 动力学为基础，假设一些模型中的参数为常量【_ 瑁】。一级动力学模型表达式通常 为【7 9 1 ： 9 第l 章引言 c o = q a q ) ( 一氟f ) c o = q e x p ( - k o q ) ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) 式中： q 进水浓度，m l 3 ； 白一出水浓度，m l 3 ； 知一体积去除速率常数，l t ； 一面积去除速率常数，l t ； t - 水力停留时间，t q 水力负荷，坍。 同济大学史云鹏等【8 0 认为，m o n o d 模型比一级动力学模型更符合微生物 处理的实际情况，更适合于微生物起主导作用的污染物降解过程。但是具体应 用计算成本方面，涉及到生化反应动力学方面的一些参数的确定，使计算过程 较难实现。m o n d o d 模型可表示如下： r ，= 包。v y k + 二c ( 1 3 ) 式中： r _ 生物降解速率，m 厂r ： k 一饱和常数，m l k o ，零阶体积去除率常数，m t l 3 ； 啪地体积，l 3 。 当c 一k 时，动力学方程呈一阶形式，当c 继续增加，方程逐渐达到饱和， 根据m o n o d 模型，可以得出湿地床体内污染物的物料平衡方程： 丝：k ov s a j ：生j ( 1 - 4 ) d zok + cq zk + c -j 式中： 瑚地纵断面面积，l 2 ： q 一水力负荷，u 儿； z 一湿地床的长度，m 。 l o 第1 章引言 1 2 7 人工湿地的不足及发展趋势 1 2 7 1 人工湿地的不足 人工湿地是一项具有广阔应用前景的水处理技术，但在人工湿地仍然存在 许多不足的地方： ( 1 ) 人工湿地处理系统对氮的去除主要是靠微生物的硝化、反硝化反应， 传统的人工湿地内部供氧不足，限制了硝化、反硝化反应，湿地除氮能力不足。 ( 2 ) 占地面积大。人工湿地水力负荷有限，导致比传统污水处理工艺占地 面积至少大了一倍，使得在土地资源有限的地区难以推广使用。 ( 3 ) 受限制大。人工湿地植物的类型直接关系到人工湿地处理系统对污水 的处理能力，而植物的生长受气候的影响大。此外，表面流如果是在寒冷地区 表面容易结冰，抑制水的流动；在夏天容易滋生蚊蝇，影响卫生。 ( 4 ) 容易堵塞。随着湿地系统运行时间的延长，植物根系的延伸、固体物 的沉淀以及营养物质在生物体内的积累，湿地容易产生阻塞的现象，使水力传 导率降低，湿地纳水能力降低，影响出水效果。 ( 5 ) 缺乏长期运行系统的详细资料。 ( 6 ) 人工湿地相关理论研究相对滞后，对化学过程、生物学、水力学等方 面无全面、细致地了解和掌握，“黑箱现象依然存在。 ( 7 ) 各种类型湿地的构建主要依靠经验，无法保证处理效果，尚缺乏相应 完整的设计规范。 ( 8 ) 存在湿地植物病虫害、火灾以及自身生长周期等问题。 1 2 7 2 人工湿地的发展趋势 人工湿地作为一个仿真的湿地生态系统，具有出水水质稳定、对n 和p 去 除能力高、基建费用低、运行管理简单、耐冲击负荷、低能耗、具有美学价值 等优点。是一项非常适合广大农村地区和中小城镇地区的污水处理方法。目前 在我国是一项得到广泛的研究、应用和发展的污水处理新技术。但是由于人工 湿地系统的影响因素很多，受气候及地域条件影响较大，人们对污水进入湿地 系统后污染物的迁移转化机理与化学工程的认识尚不充分，人工湿地设计的可 移植性不强。未来的研究趋势是： ( 1 ) 改良人工湿地处理技术，开发组合工艺，解决人工湿地占地面积大的 缺点，并且进一步提高对污染物的处理效果。 第l 章引言 ( 2 ) 加强人工湿地污染物去除机理研究和反应动力学研究。目前，虽然有 一些理论研究，但是还不够成熟，有待进一步升入研究。 ( 3 ) 扩大人工湿地的应用领域。目前人工湿地污水处理系统主要还是应用 于处理生活污水，富营养化水体，对工业废水的应用较少。 ( 4 ) 建立人工湿地数据库和设计指南。由于各地的湿地规模、气候条件、 负荷率、植物配置及废水的类型等变化很大，因此人工湿地很难有统一的设计 运行标准。美国e p a 发行了一些湿地的设计指南，但只是初步成果。 ( 5 ) 在农业非点源污染治理的研究和应用。目前，非点源污染已经远远超 过点源污染，用传统的点源污染控制技术很难治理非点源的污染，而人工湿地 在这方面具有很明显和独特的优势和潜力，国外已经开始了这方面的应用与研 究，但国内在实用研究方面的报导还很少。 一 一一 1 2 第2 章研究方法与内容 第2 章研究方法与内容 2 1 研究目的与意义 目前城市污水处理一般采用活性污泥法，虽然活性污泥法具有处理效果稳 定，负荷大的优点，但是其投资、运行管理水平和投资费用比较高。不适合在 小城镇和广大农村地区使用。 人工湿地污水处理系统广泛适用于处理小城市、乡镇及农村生活污水、工 农业生产污水，是污水的小型化和分散化处理发展趋势。人工湿地对我国水体 污染控制具有重要的意义。、 进一步深入研究人工湿地在污水净化过程中的作用，逐步优化人工湿地结 构设计以及植物的配置，从而提高人工湿地污水处理效果，充分发挥人工湿地 污水处理系统在环境治理上的作用。这使得本论文的研究具有重要的意义。 鄱阳湖作为我国大型淡水湖泊中目前保护还相对良好的少数湖泊生态系统 之一，现仍然具有系统结构的相对完整性。从陆地至核心水域区，在植物上具 有陆生植被_ 湿生植被一挺水植被和浮游植物一浮叶植被和浮游植物一沉水植 被和浮游植被一浮游植物的结构特征。根据鄱阳湖、中国湖泊志等资 料记载，鄱阳湖地区目前已识别的水生维管束植物1 0 1 种，其中湿生植物3 5 种， 占总数的3 4 7 ；挺水植物3 0 种，占2 9 7 ；沉水植物1 6 种，占1 5 8 ；浮叶 植物1 1 种，占1 0 9 ；飘浮植物9 种，占8 9 。可见，鄱阳湖湖泊湿地植被种 群类型和特征是十分复杂的【盯。8 3 】。鄱阳湖湿地植物资源作为景观或污水处理的 人工湿地的应用较少，本文对于推广利用鄱阳湖资源具有重要的意义。 2 2 研究方法 对潮汐流人工湿地进行初步设计。根据国内外相关技术资料，根据潮汐流 人工湿地优缺点，优化设计潮汐流试验装置。 通过对江西省本土常见湿地植物以水培的方式进行研究，筛选出具有良好 去污能力适应生活污水的植物。 潮汐流人工湿地是一种新型的人工湿地处理技术，目前正处于探索阶段。 本文的目的在于优化潮汐流人工湿地运行参数，提高其对污水的净化能力，研 1 3 第2 章研究方法与内容 究其在我省应用的效果。 2 3 技术路线 技术路线见图2 1 。 2 4 试验内容 潮汐流人工湿地是一种新型的人工湿地，目前在国内很少相关报道，本研 究的主要内容为： 一、人工湿地植物研究：研究本地多种湿地植物对c o d ( 本文中c o d 以重 铬酸钾法测出，下同) 、氨氮、总磷和总氮的去除规律：分析植物生长时间对污 染物去除的影响，挑选出适应生活污水，对污染物净化效率高的植物。 二、人工湿地影响因素试验研究：设计制造小型模拟人工湿地，开展试验 研究，对湿地系统进行因素分析及效果分析，分析内容包括填料吸附性能、启 动过程、浸润线、反应时间，空床时间等因素。 1 4 第3 章湿地植物的吸收性能研究 第3 章湿地植物的吸收性能研究 植物是人工湿地生态系统中的重要组成部分，对系统的运行具有重要的意 义。植物的种植可以提高人工湿地的污染物去除率，可以通过光合作用为湿地 环境提供部分氧，可以维护系统运行的稳定性。 3 1 试验装置 试验装置见图3 1 ，装置是l x b x h = 3 5e m 2 7e m x1 2c m 的塑料盆，植物 用泡沫固定住，同时也可以减少水分蒸发。 图3 1 植物筛选试验装置 3 2 试验方法 试验植物栽培在l x b x h = 3 5e m x 2 7e m x1 2c m 的塑料盆中，水位以刻度 标示，定在盆高1 0c m 处，每盆的水量保持在3 5c m 2 7c m 1 0c m = 9 4 5l ，( 空 白实验对照盆与水培植物实验条件一致，水位一致) 。实验前每种植物的生物量 均为5 0 0g 。试验采用自然光照，避免淋雨，试验期间每日定时用蒸馏水补充蒸 发水量，每个净化周期定时更换取污水。 试验在初春室内进行，每个植物分别按不同的净化周期进行更换水样并做 好实验分析，净化周期分别为1d 、2d 、3d 、4d 、5d 、6d 、7d 、8d 、9d 和 1 0d ，定时更换水样，每次都在规定的时间内及时取样、及时测试分析净化前后 的水质指标。同时做空白对照实验。 1 5 第3 章湿地植物的吸收性能研究 3 3 试验植物 根据植物的耐污性、生长能力、根系的发达程度以及经济与美学价值等因 素，同时宜采用当地品种，保证对当地气候的适应性等原则，本实验选择江西 本土的水生湿地植物，主要包括黄菖蒲( i r i sp s e u d o a c o r u s ) 、姜花( h e d y e h i u m c o r o n a r i u m ) 、梭鱼草( p o n t e d e r i ac o r d a t a ) 、花叶芦竹( a r u n d od o n a xv a r v e r s i c o l o r ) 、宽叶苔草( c a r e xs i d e r o s t i c t a ) 、芦苇( p h r a g m i t e sa u s t r a l i s ) 、紫芋 ( c o l o c a s i at o n o i m on a k a i ) 、茭白( z i z a n i al a a f o 肠) 、南荻( t r i a r r h e n a l u t a r i o r i p a r i a ) 、小香蒲( t y p h am i n i m a ) 。试验植物均是来自江西本土的植物， 其中黄菖蒲、姜花、梭鱼草、花叶芦竹、小香蒲等六种植物主要采自南昌市艾 溪湖森林湿地公园；宽叶苔草、芦苇、南荻、茭白等主要采自鄱阳湖南矶山湿 地植物；紫芋采自赣州市定南县。 3 4 试验水质与测试方法 试验水质为污水处理厂的生活污水，试验水质特征污染物每天进行测定， 试验水质特征污染平均值见表3 1 。 表3 1 试验水质特征污染平均值( m g l ) 试验中各水质指标主要依据国家环保局颁布的水和废水监测分析方法( 第 四版) 【矧中规定的标准测试方法进行测试，主要分析项目、分析方法及仪器见表 3 2 所示。 表3 2 试验主要分析项目、分析方法及测试仪器 1 6 第3 章湿地植物的吸收性能研究 3 5 试验结果与分析 3 5 1 植物生长情况 实验过程中发现，1 0 种植物长势均良好，试验期间未出现植物死亡现象。 从鄱阳湖南矶山采来的挺水植物的生长状况不如人工培植的观赏植物的生长状 况。分析认为，本土野生植物可能由于对生活污水的适应性相对较差些，且在 人工水培过程中，由于人工活动的扰动性过大，对野生植物的生长也产生了一 定的干扰。相对而言，从艾溪湖森林湿地公园中采来的植物在人工水培和驯化 过程中适应能力更强，生长状况更加良好。 3 6 1 植物对c o d 去除效果分析 1 0 种不同植物对c o d 去除效果见图3 2 。由图3 2 可知水培l o 天后，1 0 种 植物对c o d 具有非常好的去除效果，明显高于空白，去除率平均达到9 1 1 6 ， 说明植物对c o d 去除有直接的影响。在本实验条件下，随着水培时间的延长， 污水中c o d 去除率不断升高。水培时间在1 7 天之间时，c o d 去除率上升速 度较快，呈对数上升