（环境工程专业论文）进水方式及出水口位置对潜流人工湿地脱氮的影响研究.pdf

桂林理工大学硕士论文 摘要 本文在总结分析前人研究的基础上，通过构建垂直潜流人工湿地( v f ) 小 试装置，研究进水策略对v f 脱氮效果的影响并确定最佳进水方式；通过构建 现场实验装置，研究出水口位置改变时，基质层内污水中的溶解氧浓度变化 及其对潜流人工湿地( s f c w ) 和组合潜流人工湿地脱氮效果的影响。文章还研 究了通过改变出水口位置来提高对n 的去除的方法会对c o d 、s s 和t p 去除 的影响。 小试实验表明： ( 1 ) 随着进水方式改变，v f 对t n 的去除率最低为9 8 ，最高达9 3 ； 对n h 3 n 的去除率最低为9 o ，最高达9 8 7 。影响v f 硝化能力的主次因 素分别为：进水次数 水力负荷 进水持续时间。最佳组合为水力负荷为 o 1 2 7 m 3 m z d 、进水次数为5 次d 、进水持续时间为2 0 m i n 次。 ( 2 ) v f 对不同n 素组成的含氮废水的t n 去除率不同。 ( 3 ) 间歇操作运行中，v f 初始出水t n 脱氮效果较差( 去除率约3 1 ) ，随 后去除效果提高( 去除率约6 2 ) ，并趋于稳定。 现场实验表明： ( 1 ) 出水口位置可以控制s f c w 基质层内饱和水层高度。饱和水层内的 d o 浓度比非饱和水层内的d o 浓度低。在饱和水层内，微生物所需的氧主要 由植物根系释放的氧提供。在非饱和水层内，微生物所需的氧主要由大气复 氧提供。污染物在v f 不饱和水层降解时会释放一定的热量，使污水在反应过 程中温度升高。 ( 2 ) 当出水口位于v f 基质层底部时，其顶部0 4 m 基质层t n 的去除率占 总去除率的9 1 7 ；底部0 4 m 基质层的主要作用是继续对氨氮进行硝化，它 对t n 的去除率仅占总去除率的8 3 。 ( 3 ) 当出水1 2 1 位于基质层底部时，s f c w 具有最强的硝化能力，n h 3 - n 的 去除率最高。当出水口位于水平潜流人工湿地( h f ) 基质层顶部和v f 基质层中 部时，其t n 去除率提高，但n h 3 n 的去除率降低。 ( 4 ) 对比v f h f 的四种连接方式，当v f 出水口位于基质床层部，h f 出 水口位于基质层顶部时，组合潜流人工湿地出水效果最好。 ( 5 ) 在非饱和水层中，s f c w 系统对n h 3 n 和t p 的去除比较好；基质层 形成饱和水层后，s f c w 系统对t n 、n 0 3 。n 、c o d 和s s 的去除比较好。 关键词：潜流人工湿地，进水策略，出水口位置，脱氮 i i 桂林理工大学硕士论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r ko nn i t r o g e nr e m o v a la n dc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h e i m p a c to fd i f f e r e n tf e e d i n gs t r a t e g i e so nt h en i t r o g e nr e m o v a lp e r f o r m a n c eo fv e r t i c a l s u b s u r f a c e f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n dw e r es t u d i e db yb u i l d i n gv e r t i c a ls u b s u r f a c e f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ) m o d e l sa tf i r s t s e c o n d ；e f f e c t so ft h eo u t l e tp o s i t i o n o nt h ec o n c e n t r a t i o no fd oa n dt h en i t r o g e nr e m o v a lp e r f o r m a n c ei nh o r i z o n t a l 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 ( h f ) ，v fa n dh y b r i ds y s t e mw e r es t u d i e db y p i l o t s c a l ee x p e r i m e n t s 。a tl a s t ，e f f e c t so ft h eo u t l e tp o s i t i o no nc o d ，s s a n dt pw e r e s t u d i e di nt h i sp a p e r i nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h em a i nr e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf l o w i n g ： ( 1 ) d u et ot h ec h a n g eo ft h ef e e d i n gs t r a t e g y , t h em a x i m u ma n dm i n i m u m r e m o v a lr a t eo ft nw e r e9 3 a n d9 8 r e s p e c t i v e l y , w h i l en h 3 一nw e r e9 8 7 a n d 9 o t h eo r t h o g o n a lt e s ti n d i c a t e dt h a tt i m e so fw a s t e w a t e ri n f l o w , h y d r a u l i cl o a d i n g s a n dt h ed u r a t i o no fw a s t e w a t e ri n f l o wh a dag r e a t e re f f e c to nn i t r o g e nr e m o v a lr a t e t h e s e q u e n c eo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yf a c t o r sw h i c ha f f e c t e do nn i t r i f i c a t i o no fn h 3 - n w e r et h et i m e so fw a s t e w a t e ri n f l o w , h y d r a u l i cl o a d i n g sa n dt h ed u r a t i o no fw a s t e w a t e r i n f l o w t h eb e s tc o m b i n a t i o no f h y d r a u l i cl o a d i n go 1 2 7 m 3 m 2 d ，t i m e so f w a s t e w a t e r i n f l o w5t i m e sp e rd a ya n dt h ed u r a t i o no fw a s t e w a t e ri n f l o w2 0m i n u t e sp e rt i m ew e r e o b t a i n e d ( 2 ) t h er e m o v a lr a t eo ft n i nv fw a sd i f f e r e n tw h e nt h en i t r o g e n o u sw a s t e w a t e r w i t hd i f f e r e n tn i t r o g e nc o m p o s i t i o n ( 3 ) t h ec o n c e n t r a t i o no ft nw a sh i g ha tf i r s t ，a n d l o wi na ni n t e r m i t t e n t o p e r a t i o n se f f l u e n tl a t e i nt h ep i l o t - s c a l ee x p e r i m e n t s ，t h em a i nr e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf l o w i n g ： ( 1 ) i nt h es f c w , t h ed e p t ho fs a t u r a t e dw a t e rz o n e sw a sc o n t r o l l e db yo u t l e t p o s i t i o n t h ec o n c e n t r a t i o no fd o i ns a t u r a t e dw a t e rz o n e sw a sl o w e rt h a nu n s a t u r a t e d w a t e rz o n e s t h eo x y g e nw h i c ha e r o b i cm i c r o o r g a n i s mn e e d e dw a ss u p p l i e db y v e g e t a t i o ni ns a t u r a t e dw a t e rz o n e s t h eo x y g e nw h i c ha e r o b i cm i c r o o r g a n i s mn e e d e d w a ss u p p l i e db ya t m o s p h e r i cr e a e r a t i o ni nu n s a t u r a t e dw a t e rz o n e s t h et e m p e r a t u r e i n c r e a s e dw h e n b i o d e g r a d a t i o no c c u r r e di nu n s a t u r a t e dw a t e r z o n e so fv e t i 桂林理工大学硕士论文 ( 2 ) w h e nt h eo u t l e tp o s i t i o na tt h eb o t t o mo fv f , t h ep r o p o r t i o no ft nr e m o v a l r a t ea c c o u n tf o r91 7 o ft h et o t a lr e m o v a lr a t eo nt h et o p0 4 ms u b s t r a t e a tt h e b o t t o m0 4 ms u b s t r a t e ，t h en h 3 一nw i l lb en i t r i f i e df u r t h e r , a n dt h i si st h em a i n f u n c t i o no f i t ，a n dt h ep r o p o r t i o no f t nr e m o v a lr a t e j u s ta c c o u n tf o r8 3 o f t h et o t a l r e m o v a lr a t e ( 3 ) t h eo u t l e tp o s i t i o nh a dag r e a t e re f f e c to nn i t r o g e nr e m o v a lr a t e w h e no u t l e t p o s i t i o nw a sa tt h eb o t t o mo fs f c w , t h es y s t e mp o s s e s s e dt h eh i g h e s tn i t r i f i c a t i o n a b i l i t y w h e nt h eo u t l e tp o s i t i o nw a sa tt h et o po fi - i fa n da tt h em i d d l eo fv f , t h e r e m o v a lr a t eo f t nw o u l di n c r e a s e ，b u tt h er e m o v a lr a t eo f n h 3 - nw o u l dr e d u c e ( 4 ) a m o n g t h ef o u rd i f f e r e n tv f h fc o n n e c t i o nm e t h o d s ，t h er e m o v a lr a t e so ft n a n dn h 3 - nw e r et h eh i g h e s ti nt h eh y b r i ds y s t e mw h e nt h eo u t l e to fv fw a sa tb o t t o m a n dt h eo u t l e to fh fw a so nt o p ( 5 ) t h er e m o v a lr a t eo fn h 3 - na n dt pw e r eh i g hi nt h es a t u r a t e dw a t e rz o n e so f s f c w , a n dt h er e m o v a lr a t eo ft n ，n 0 3 一n ，c o da n ds sw e r eh i g hi nt h eu n s a t u r a t e d w a t e rz o n e so fs f c w k e y w o r d ：s s f , f e e d i n gs t r a t e g y , o u t l e tp o s i t i o n ，n i t r o g e nr e m o v a l i i i 桂林理工大学硕士论文 符号说明 i v 桂林理工大学硕士论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：矗亟! 虱 签字日期：2 堂二墅二丝 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查 阅和借阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文 数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：挺f 习 签字日期： o 罗年6 月堰日 导师签字：荔乏罄 签字嗍甲年移月尸日 桂林理工大学硕士论文 1 1 研究背景 第1 章引言 1 1 1 我国农村及小城镇水污染形势 改革开放以来，尽管我国小城镇及农村经济取得了长足的发展，生 活生平显著提高，但是伴随而至的水环境污染问题却日益严重。 目前全国约9 5 以上的小城镇未建污水处理厂( 设施) ，城镇生活污 水处理率不足1 0 ，乡镇或村办工业企业污水处理达标率不足3 0 i l j 。 全国小城镇从1 9 7 8 年的2 1 7 8 个增加到迄今为止的近4 8 0 0 0 多个， 绝大多数没有排水和污水处理设施【2 1 。建设部村庄人居环境现状与问 题中显示，我国具有代表性的9 个省4 3 个县7 4 个村庄9 6 的村庄没 有排水渠道和污水处理系统，这些村庄往往将污水随意地排入周围的水 系之中，造成地表和地下水源的严重污染【3 1 。我国小城镇污水排放量比 较小，一般为2 0 0 0 - 一- , 2 0 0 0 0 m 3 d f 4 1 。小城镇排放的污水一般由居民日常 生活、小型餐饮服务、小型轻工业和手工业生产以及公共卫生服务设施 排放的污水组成，其中5 0 以上是生活污水；工业废水以农产品加工的 废水为主，水中基本上不含重金属和有毒有害物质，但污水中悬浮物浓 度及氮和磷的含量较高、特别是一些小城镇排水系统不完善，大多采取 明渠排水，雨水和地下水入渗现象严重1 5 】。 近年来，随着乡镇企业的飞速发展和城镇的无规划建设，大量的工 业、生活、畜禽养殖排放废物和农村面源排放污染物等严重地污染了农 村水环境【3 1 。据2 0 0 6 年国家环保部( 原国家环境保护总局) 发布国家农 村小康环保行动计划显示，全国农村每年产生生活污水约8 0 多亿吨。 农村地区环境状况日益恶化，农村环境质量明显下降，直接威胁着广大 农民群众的生存环境与身体健康，制约了农村经济的健康发展。 1 1 2 农村及小城镇污水常用工艺 我国农村粪便一般用简易化粪池收集处理后用于作物生长的养料， 而其它生活污水一般都不经任何处理随意排放。我国大部分小城镇由于 经济原因，未建污水处理设施对生活污水进行处理。 桂林理工大学硕士论文 目前，农村及小城镇污水处理常用工艺有：人工湿地污水处理系统、 稳定塘处理系统、s b r 工艺、氧化沟活性污泥法等，下面对它们作简要 介绍。 1 2 2 1 人工湿地污水处理技术 德国学者k 2 i t h es e i d e l 在2 0 世纪5 0 年代早期开创利用湿地处理废 水。随后，在2 0 世纪6 0 年代后期7 0 年代初期，r e i n h o l dk i c k u t h 根据 根区理论对它进行了改进【6 】。l9 9 6 年9 月在奥地利维也纳召开的第四次 国际研讨会，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型废水处理技术已 经正式进入水污染控制领域。 人工湿地运行简单、处理效果良好，不仅能去除c o d c ，、b o d ，而 且能脱氮除磷和去除重金属等。人工湿地基建投资省、操作简单、维持 技术低、能耗低、出水水质良好、抗冲击力强、增加绿地面积和改善和 美化生态环境。人工湿地的处理负荷约为5 m 2 ( d p e ) 。目前，各种不同 种类的湿地系统在世界各地已被用来处理污水，运用最多的人工湿地是 水平潜流人工湿地( h fc w s ) 。根据j a nv y m a z a l ( 2 0 0 5 ) t6 】统计表明，德国 运行着最多的h fc w s ，数量可能超过5 0 0 0 0 座，其它拥有大量h fc w s 系统的欧洲国家是奥地利( 约1 0 0 0 座) 、英国( 约8 0 0 座) 、意大利( 约3 0 0 座) 、丹麦( 约1 2 0 座) 、捷克斯洛伐克( 约1 6 0 座) 、波兰、葡萄牙( 约1 2 0 座) 、斯洛文尼亚、法国、爱沙尼亚、挪威和瑞士，在北美，h fc w s 数 量估计约8 0 0 0 座。 1 2 2 2 稳定塘污水处理技术 稳定塘具有基建投资和运转费用低、维护和维修简单、便于操作、能 有效去除污水中的有机物和病原体等优点。稳定塘中有机物主要通过微生 物降解、有机物吸附、有机颗粒的沉降和截滤作用去除；氮主要通过微生 物的硝化反硝化、水生植物吸收、n h 3 n 挥发去除：磷则由底泥对p 0 4 弘 的吸附解吸、磷的扩散、水生植物吸收等多种机制的共同作用去除【7 】。稳 定塘的存在的主要缺点是：占地面积大、底泥淤积严重、有臭味散发等。 据学者2 0 0 3 年统计，美国有7 0 0 0 多座稳定塘，德国有2 0 0 0 多座稳定塘， 法国有l5 0 0 多座稳定塘，在俄罗斯，稳定塘已成为小城镇污水处理的主要 方法【8 1 。 2 桂林理工大学硕士论文 1 2 2 3s b r 污水处理技术 s b r 是序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ra c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ) 的简称。计算机和自动控制技术及相关专用设备的开发和应用， 推动了s b r 污水处理技术的发展。s b r 具有工艺简单、节省费用( 基建费用 比普通活性污泥法节省3 0 ) 、布局紧凑、节省土地占用面积的优点【9 】。s b r 工艺的运行过程主要通过时序来控制，每一运行周期分为进水、反应、沉 淀、排放、闲置5 个阶段。s b r 工艺不仅可以实现好氧缺氧与厌氧状态交 替的环境条件，而且还能方便的控制曝气量、反应时间和污泥泥龄。但在 实际应用中，s b r 工艺大多以基本运行方式进行设计和运行控制，当要求 同时进行有机物、氮和磷的去除时，虽在有机物的去除方面效果较好，但 因脱氮除磷所需的环境条件及所需基质的不同和产物间彼此的相互影响， 往往使s b r 工艺难以达到理想的脱氮除磷效果【l0 1 。 1 2 2 4 氧化沟污水处理技术 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ) ，又称连续循环式反应器，是传统活性污泥法 的一种改进工艺。氧化沟工艺于19 5 3 年由荷兰t n d 环境卫生研究所的 a p a s v e e r 博士研究开发【1 1 1 。目前，氧化沟工艺在世界范围内已经得到广泛 应用。氧化沟技术发展主要有两方面：一方面是以按时间顺序安排为主对 污水进行处理；另一方面是以按空间顺序安排为主对污水进行处理【l 引。邓 荣森等( 2 0 0 7 ) 对国内3 8 家采用典型工艺( 氧化沟、a 2 0 、s b r 等) 的城市污水 处理厂进行了调研，调研结果显示，氧化沟在去除普通污染物、脱氮除磷、 运行管理、污泥稳定等方面的性能均较好，且其占地、建设投资、运行费 用等经济指标与a 2 0 、s b r 相比较优【l 引。 人工湿地污水处理系统、氧化塘污水处理系统、s b r 污水处理工艺和 氧化沟活性污泥法c o d c r 、b o d 和s s 处理方面都能取得较好的效果，它们 之间互有优劣。前两种污水处理工艺结构及运行操作简单、维护方便、运 行费用低是它们的优点，但这两种工艺占地面积大，氧化塘在卫生方面也 有缺点。后两种工艺相对基建投资大、自动化程度高、运用机械设备多， 这两种工艺在管理上相对复杂、运行成本较高；相对人工湿地和氧化塘污 水处理系统而言，他们占地面积较小。 1 2 农村及小城镇污水处理技术的选择标准 我国大多数农村及小城镇都存在经济发展水平偏低、经济承受能力 3 桂林理工大学硕士论文 i i 弱、单个村落及小城镇人口数量少、污水水量水质变化大和缺乏污水处理 技术人员等特点。 所以我国农村及小城镇在污水处理工艺选择方面必须考虑以下几点： ( 1 ) 基建投资省，运行费用低，节能降耗明显，基本上不投加药剂或 投加药剂量很少，污泥产量少。 ( 2 ) 处理工艺具有较强的耐冲击负荷能力，去除效率高。 ( 3 ) 工艺简便易行，运行稳定，维护管理方便。 ( 4 ) 利用当地管理力量就能满足设施正常运行的需要。 s f c w 污水处理系统具有出水水质稳定、耐冲击负荷强、基建成本和 运行费用低、易维护、兼具美学价值等优点，非常适合于处理农村及小城 镇生活污水。 1 3 研究的目的和意义 1 3 1 课题来源 广西科学研究与技术开发计划“强化人工潜流湿地技术处理小城镇 污水研究( 桂科攻0 6 6 3 0 0 1 6 ) 1 3 2 研究目的 根据潜流人工湿地脱氮效果比较差的特点，本文的主要的目的是的 目的是为了研究能取得最佳脱氮效果的进水方式及出水口位置。 1 3 3 研究的意义 随着生活水平的提高和经济的发展，小城镇及农村生活污水排放量 越来越多，而这些未经处理的废水对周边水体环境造成的危害越来越 大。虽然s f c w 污水处理系统对c o d c ，、b o d 和s s 的处理效率好且出 水稳定，但它对n 的去除效果不佳。目前越来越严格的水质排放标准要 求s f c w 必须具有良好的脱氮效果。 提高s f c w 的脱氮效果不仅可以促进人工湿地的应用推广，对减轻 小城镇及农村地区的水体富营养化压力也具有重要意义。 4 桂林理工大学硕士论文 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 1 4 1 1 进水方式对v f 脱氮效果的影响 研究主要内容为：利用正交实验研究进水水力负荷、进水次数和进 水时间对v f 硝化效果的影响；进水方式对不同n 素组成的含氮废水的 t n 去除效果的影响；间歇进水操作中，同一波出水中浓度的变化情况 研究以及污水在基质层中的累积量与t n 去除的关系。 1 4 1 2 出水口位置对s f c w 脱氮效果的影响 研究主要内容为：出水口位置对s f c w 系统内d o 、n 素转化以及 脱氮效果的影响。 1 4 1 3 出水口位置对组合潜流人工湿地脱氮的影响 研究主要内容为：组合潜流人工湿地系统内p h 、d o 、温度的变化 趋势及组合潜流人工湿地的脱氮效果 1 4 1 3s f c w 出水口位置对c o d c ，、s s 及t p 去除的影响 研究主要内容为：出水口位置对s f c w 系统去除c o d c ，、s s 及t p 影响，并分析在有利于脱氮的条件下c o d c ，、s s 及t p 的去除能力。 1 4 2 技术路线 图1 4 2 研究技术路线 5 桂林理工大学硕士论文 第2 章潜流人工湿地概述 2 1 潜流人工湿地的分类 目前，人工湿地的分类并没有统一标准。大多数学者根据湿地系统 中水面位置的不同，将人工湿地分为两大类型：表面流人工湿地和潜流 人工湿地。潜流人工湿地根据基质层内水流方向不同又分为水平潜流人 工湿地f h f ：h o r i z o n t a ls 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 s ) 和垂直潜 流人工湿地( v f ：v e r t i c a ls 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 s ) 。也有 学者将人工湿地分为三种类型，即：表面流人工湿地、潜流人工湿地和 垂直流人工湿地。在本论文中采用前一种分类方法。虽然水平或垂直潜 流人工湿地的流向并不存在严格意义上的水平或垂直流向，但两者在结 构上仍然是易于区分的。除了两者都包含植物、基质和防渗构筑外，水 平潜流人工湿地通常在进水区位置由粗颗粒基质构建布水区，中大型水 平潜流人工湿地一般有水力坡度，长宽比大于1 ( 长宽比通常为4 ：1 ) ，基 质层较浅，水体大体上是沿横向流动。垂直潜流人工湿地通常有布水管 和集水管，而且基质层较深，水体大体沿纵向流动。 潜流人工湿地基质层由一种或几种渗透性能优良的固体物质组成， 如：碎石、卵石、沙砾或废渣等，基质层中会有大量微生物繁殖。通常 在湿地系统中种植耐污耐涝的挺水植物：目前可以选择的植物类型数目 比较多，工程应用方面的植物主要有芦苇、石菖蒲、香根草、美人蕉等。 污水通过自流或动力作用被送入潜流人工湿地中。为了避免湿地系 统过快堵塞，在污水进入湿地系统前，一般要先经过预处理，去掉大颗 粒固体漂浮物、砂石及部分s s 。同时，预处理也会附带去除部分有机物、 t n 和t p 。经过预处理后的废水经过配水系统进入潜流人工湿地。 2 1 1 水平潜流人工湿地 水平潜流人工湿地是目前运用最为广泛的人工湿地。水平潜流人工 湿地结构如图2 1 所示。 水平潜流人工湿地基质层主要由三个不同的功能区构成，分别为布 水区、反应区和集水区。水平潜流人工湿地通过植物、基质和微生物的 协同作用达到去除污染物的目的。水平潜流人工湿地长宽比影响b o d 、 t s s 和氨的去除，水平潜流人工湿地长宽比一般为4 ：1 ：床体深度的取 6 桂林理工大学硕士论文 值取决于所用植物的种类，通常是6 0 9 0 c m f l 4 】。有资料显示，水平潜流 人工湿地在水深为o 2 7 m 表现出比水深为0 5 m 更高的氧化还原电势值， 较浅的湿地具有更有效的c o d 和氨的去除1 1 5 1 ，水深加深并不能提高 b o b 5 的去除，而相反，t n 的去除率反而下降【1 6 】。 图2 1 水平潜流人工湿地示意图 随着研究的深入，目前，水平潜流人工湿地还有以下几种变体： ( 1 ) 分步进水的潜流人工湿地 水平潜流人工湿地污染物的去除主要发生在床体前1 3 段【2 4 1 ，后面床 体污染物去除负荷大为降低。为了降低前端床体负荷或是提高后段床体对 污染物的去除能力，有学者将水平潜流人工湿地进水系统加以改进，采用 分步进水的方式( 如图2 2 ) ，通过此种改进以提高系统对污染物的去除效果 和减缓系统堵塞的进程。 图2 2 分步进水水平潜流人工湿地 7 桂林理工大学硕士论文 ( 2 ) 波式潜流人工湿地 水平潜流人工湿地主要靠植物根系释放的氧气来满足需氧微生物 的反应需要。在基质层中，植物根系主要集中在基质层表层。所以，在 水平潜流人工湿地中，不同高度的基质层中含氧量不同。潜流湿地内部 污水几乎属于水平流动，因此，湿地垂直方向上污染物去除机制不同。 波式潜流人工湿地主要是通过在湿地中设置导流板，使污水在基质层中 呈波形流动。在整个沿程中不断经历好氧厌氧的交替，以达到提高污染 物去除效果的目的，波式潜流人工湿地如图2 3 所示。 2 1 2 垂直潜流人工湿地 图2 3 波式潜流人工湿地 目前，垂直潜流人工湿地主要有普通垂直潜流人工湿地、复合垂直 潜流人工湿地。 ( 1 ) 普通垂直潜流人工湿地 图2 4 普通垂直潜流人工示意图 8 桂林理工大学硕士论文 普通垂直潜流人工湿地一般间歇运行，湿地进水设布水管以使污水 均匀布置于整个湿地表面，其结构如图2 4 。普通垂直潜流人工湿地具 有水力负荷比水平潜流人工湿地高，硝化作用强的优点。 ( 2 ) 复合垂直潜流人工湿地 采用底部进水的复合垂直潜流人工湿地系统如图2 5 所示。复合垂 直潜流人工湿地包括两部分，分别为下行流段和上行流段。一般而言， 在复合垂直潜流人工湿地中，污水先经过上行流段后，再经过下行流段 运行，这样可以避免臭气对湿地附近环境的影响。 图2 5 复合垂直潜流人工湿地 2 2 潜流人工湿地的组成 潜流人工湿地主要由植物、基质、微生物组成，水体中的污染物通 过植物、基质、微生物共同作用去除。 2 2 1 微生物 在湿地系统中，存在大量不同种类的微生物。它们构成了湿地系统 特有的复杂生物相。湿地系统中，高分子量的有机污染物被降解成低分 子量的营养物，而这些过程是由微生物代谢以及土壤酶所完成的d g 。 有资料显示：复合垂直潜流人工湿地中，各种酶的活性在不同月份 存在显著差异；下行池中微生物的酶活性显著高于上行池中微生物的酶 活性，并且随着基质层深度的增加，酶活性亦相对递减【1 8 】。微生物数量 与b o d 5 及t n 的去除有显著的相关性，而基质微生物数量与t p 的去除 率相关性不明显；湿地基质硝化能力与亚硝化细菌的数量呈显著相关 【1 9 】。复合垂直潜流人工湿地下行池中细菌丰度高于上行池，微生物的胁 9 口 桂林理工大学硕士论文 迫主要来自于缺氧胁迫，而不是营养限制，好氧细菌在湿地基质中占有 一定的优势【1 8 】。复合垂直潜流人工湿地系统的不同位置微生物种群存在 共同种属和各自的特异种属；下行池表层微生物多样性指数最高，上行 池各样品间的相似性较好：从下行池到上行池，微生物群落的多样性降 低，群落结构间的相似性逐渐增大；植物供氧、残体累积以及根际效应 有助于提高湿地表层微生物的多样性【2 1 1 。 有关研究表明：垂直潜流人工湿地基质上层微生物群落碳源代谢能 力要小于下层碳源代谢能力；微生物对糖类利用较好，对胺类、氨基酸、 羧酸和聚合物其次，对酚类利用能力较差；不同植物和不同深度类型的 基质微生物群落具有各自不同的群落结构和代谢特征；基质层中不同样 点间丰度差别较小，下层基质上微生物的多样性和均匀性指数高于上 层；微生物群落的结构和代谢特性受到不同环境和栽种植物影响 2 2 1 。 2 2 2 植物 植物是潜流人工湿地不可缺少的要素之一。植物的主要功能包括： 吸收污水中的营养物质、为微生物提供附着场所、植物根区释放氧气、 其根系具有导流污水及减缓堵塞的作用，同时它还具有为野生动物提供 栖息地以及创造美学景观等功能。 2 2 2 1 植物存在对于提高污水处理的贡献 ( 1 ) 植物存在对有机物的去除的作用 大量研究表明，植物存在对人工湿地c o d 浓度去除率影响并不大。 不种植植物的滤床和种植植物的湿地对c o d m n 的平均去除率分别为 7 6 4 、7 9 5 【2 3 1 。c h r i s t o se ta 1 ( 2 0 0 7 ) 通过三个水平潜流人工湿地的平 行实验得出，种植香蒲、芦苇和空白的人工湿地b o d 的平均去除率分 别为：8 8 3 、8 4 6 和8 5 7 ；在c o d 方面，种植香蒲和空白湿地分 别为8 9 3 和8 7 2 嘣2 4 1 。以上学者的研究成果表明潜流人工湿地中植物 对b o d 和c o d 的去除率影响不大。 但也有学者认为植物存在对于湿地c o d 去除具有重大影响，如g r a y e ta 1 ( 2 0 0 0 ) 报告种植植物与不种植植物的c o d 去除率平均值分别为8 0 和5 0 【25 1 。 然而，存在植物的湿地比没有种植植物的湿地具有更大的蒸腾作用。 a r a c e l l ye ta 1 ( 2 0 0 7 b ) 研究表明，在进水水质及浓度相同的情况下，拥有地 表生物量的系统，出水c o d 平均浓度为1 7 2 ( 士7 9 ) m g l ，与其相对应的没有 l o 桂林理工大学硕士论文 地表生物量的湿地系统出水的c o d 平均浓度为13 2 ( + 4 4 ) m g l t 2 6 1 。这看似植 物在系统中没有起任何有利作用，但在比较它们的质量去除率时发现，拥 有地表生物量的湿地的平均质量去除率为8 1 ，没有地表生物量的湿地的 平均质量去除率为7 3 。这个结果足以使我们认识到蒸腾作用对于这两种 结果的重要影响。对于上面以浓度去除率比较的结果，如果考虑了蒸腾作 用，植物存在对有机污染物的去除是有一定作用的。 ( 2 ) 植物存在对n 的去除的作用 大量文献表明，植物存在对n 的去除有着重要影响。张雨葵等( 2 0 0 6 ) 研究表明，种植植物的人工湿地对t n 的去除率稳定在8 7 5 以上，不种植 植物的滤床对t n 的平均去除率在7 4 8 左右【2 1 1 。c h r i s t o se ta 1 ( 2 0 0 7 ) 研究 显示，种植香蒲、芦苇的人工湿地和不种植植物的人工湿地对t k n 的平均 去除率分别为：6 6 8 、5 4 8 和3 4 2 t 2 5 1 。h eqe ta 1 ( 2 0 0 2 ) 研究显示，种 植植物与不种植植物的湿地系统对t n 去除率分别为4 8 和2 9 【2 ；g r a ye t a 1 ( 2 0 0 0 ) 研究表明种植植物与不种植植物的对t n 平均去除率分别为3 0 和 0 t 25 1 。付融冰等( 2 0 0 6 ) 研究显示，在水力停留时间为4 天的情况下，种植 芦苇、菖蒲的湿地和空白湿地，对t n 的去除率分别为6 2 、6 1 和5 3 i i 引。 ( 3 ) 植物存在对p 去除的作用 张雨葵等( 2 0 0 6 ) 研究显示，在系统稳定运行后，不种植植物和种植 植物的人工湿地对t p 的平均去除率分别为8 6 9 、8 8 9 弘。c h r i s t o se t a 1 ( 2 0 0 7 ) 实验得出，种植香蒲、芦苇的湿地和空白湿地对磷( p p 0 4 弘) 的 平均去除率分别是：6 6 9 、2 8 2 和4 3 9 【2 引。d r i z oe ta 1 ( 2 0 0 0 ) 研究表 明种植植物和不种植植物的潜流人工湿地去除率分别为9 8 和9 5 1 2 引。 张雨葵、c h r i s t o s 的结果表明，植物存在对p 的去除有一定影响，但并 不显著。 2 2 2 2 植物吸收在污染物去除方面的贡献 g e l l e r ( 1 9 9 7 ) 对运行4 年的芦苇湿地的物质衡算结果表明，植物对t n 和 t p 的吸收分别只占4 和2 t 2 9 】；尹炜等( 2 0 0 6 ) 在芦苇收割以前( 1 1 月中旬) 对湿地中的芦苇采样监测，结果为t n 吸收量 4 0 k g h m ，t p 吸收量 3 0 k g h m ，植物的吸氮量占湿地年除氮量的8 左右，芦苇吸磷量超过了 湿地年除磷量的1 0 t 3 们。j a nv y m a z a l ( 2 0 0 5 ) 指出通过植物收割的方式去除 n 和p 被发现是微不足道的，仅占去除量很少一部分；但在热带和亚热带地 区以及在低营养负荷率的三级处理系统中，植物收割对氮的去除具有重要 作用1 6 】。金卫红等( 2 0 0 7 ) 研究表明，芦苇对t n 和t p 的吸收占湿地全年t n 桂林理工大学硕士论文 和t p 总去除量的4 1 9 和2 6 8 【3 1 1 。b r e e n ( 1 9 9 1 ) 显示湿地植物对氮的吸收 占到5 0 【3 2 1 。r o g e r se ta 1 ( 1 9 9 1 ) 显示湿地植物直接吸收氮达到湿地对氮去 除量的9 0 t 3 3 l ：k o o t t a t e pe ta 1 ( 1 9 9 7 ) 显示湿地植物对氮的吸收占进入湿地 总氮量的4 3 7 5 t m j 。 2 2 3 基质 基质是潜流人工湿地的主要构成要素之一。它的作用主要有：为微 生物和植物的生长提供附着和固定场所、通过物理和化学的途径净化污 水中的磷、拦截水中的s s 等。 2 2 3 1 基质粒径大小对污染物去除的影响 在水平潜流人工湿地中渗透介质粒径尺寸在系统去除b o d 方面没 有表现出任何明显的不同；细小渗透介质比鹅卵石对t k n 和p p 0 4 3 - 去 除效果更好【2 4 1 。 瑚i - l 奄黝 差5 0 0 堇蝴l 颦3 0 0 蓉瑚 “扛争 4 06 08 0i 0 01 2 0 较径药) 图2 6 不同粒径条件下干渣对磷素的吸附量曲线p 叫 图2 6 是不同粒径条件下干渣对磷素的吸附量曲线，结果表明在一 定粒径范围内( 3 0 6 0 目之间) ，粒径大小对干渣吸附磷素量的影响不大， 继续减小基质粒径，随着干渣比表面积的增大，对磷素的吸附量也明显 增加。但过小的基质粒径容易导致基质层堵塞。 2 2 3 2 基质种类对污染物去除的影响 ， c h r i s t o se ta 1 ( 2 0 0 7 ) 研究显示，不同基质种类对t k n 去除有较大影 响，取自河边的基质( 8 2 5 ) 比取自采石场( 6 6 8 0 ) 的基质对t k n 的去除 率更高，分别为8 2 5 和6 6 8 “1 。汤显强等( 2 0 0 7 ) 选取页岩、粗砾石、 铁矿石、麦饭石及其组合作为人工湿地填料在室内进行小试实验，研究 1 2 桂林理工大学硕士论文 表明：在相同进水水质和水力负荷运行条件下，单一填料页岩对c o d 、 t n 、t p 去除效果最好，去除率最高分别可达4 0 0 、8 8 9 、8 7 5 t 3 s l 。 2 3 潜流人工湿地脱氮研究现状 2 3 1 研究现状 经过几十年的发展，人工湿地在理论和工程应用上都得到了长足的 发展。潜流人工湿地中n 的去除机理主要包括挥发、氨化作用、硝化 反硝化、植物吸收和基质吸附及细菌转化过程。废水中有机氮可以在好 氧或厌氧条件下通过生物作用转化成氨，氨在有氧环境中通过硝化细菌 的作用下生成硝酸盐，硝酸盐可通过植物摄取和反硝化作用去除，反硝 化被认为是长期和主要的脱氮机制【36 1 。要通过反硝化作用将n 去除，必 须使n h 3 n 硝化成n 0 3 - n 。湿地系统中氮的迁移转换模型如图2 7 所示。 鲺挥发奉 + 反砩化 ：iiij ； 撤释坡l上搬啦唾5 (。饭嗷收 收铡湛些 图2 7 湿地中氮的迁移转换模型示意图 o r g - n n h 4 。- n n t ，j - n j a nv y m a z a l ( 2 0 0 5 ) 统计表明，目前世界各地正在运行的水平潜流人 工湿地t n 、n h 3 n 、n 0 3 - n 的去除率均值分别为4 2 、4 8 、3 5 1 6 j 。 从这些数据可以看出，目前世界各地运行的水平潜流人工湿地的n 去除 效果并不理想。 目前，处于实验层面上的一些研究成果显示出，潜流人工湿地是可 以达到良好的脱氮效果的。a g r o s se ta 1 等( 2 0 0 7 ) 介绍了一种新型的垂直 流人工湿地系统，它类似于生物滴滤池，这个系统对t n 平均去除率为 6 9 0 1 3 7 】。有资料显示，组合的潜流人工湿地脱氮效果比较高：奥克兰 公园h f v f 组合系统的h n 3 n 的去除效率为7 8 ；c o l e c o t t 的h f v f 组合系统h n 3 - n 的去除效率为8 4 ；尼泊尔