（环境工程专业论文）垂直流人工湿地净化机理及动力学模型应用研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：鼎缮7友j j 年多肪日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论支作者签名鼎群，导师签名： 7 o f o 年6 月乃日 垂直流人工湿地净化机理及动力学模型应用研究 摘要 本研究采用垂直流人工湿地处理生活污水，考察废水中c o d c ，、 n h 4 + - n 、t p 在湿地系统中的去除规律，探索不同的进水条件对湿地系统处 理生活污水的的影响，研究垂直流人工湿地污染物去除动力学行为，旨在 探讨在广西地区人工湿地处理生活污水的可行性，为工程提供理论依据。 本研究对湿地系统的净化机理进行研究，结果表明：水力负荷对c o d c ，、 n h 4 + n 、t p 影响较大。c o d c ，去除率随着水力负荷的增加而降低，表明有 机物的去除是通过植物根系吸收、吸附以及厌氧好氧生物代谢降解过程。 n h 4 + - n 去除率在0 1 5m 3 m 2 d 时达至1 j 8 9 。表明水力负荷过小或过低都会抑 制硝化菌的硝化作用。水力负荷过大会导致基质对t p 的吸附沉淀作用降低。 在弱碱环境下最适合微生物的生长和基质对磷的吸附沉淀。垂直流湿地在 p h = 8 的运行条件下c o d c ，去除率为7 6 ，n h 4 + - n 去除率为8 0 ，t p 去除率 为8 4 。有机负荷2 2 5 4 5g m 2 d 范围内变化时，c o d c ，去除率都能保持在 8 0 以上，当有机负荷增加至5 2 5g m 2 - d 时，湿地对c o d c ，的去除效果迅速 降低。表明当进水浓度超过湿地承污力时，会导致系统对c o d c ，去除率下降。 在有机负荷2 2 5g m 2 d 一3 0g m 2 d 范围n h 4 + - n 去除率提高显著，在3 0 g m 2 d 5 2 5g m 2 d 范围内n h 4 + - n 去除率提高幅度不明显。表明碳源在低有 机负荷下是反硝化菌的限制性因素。高浓度的有机物能使基质表面生长的 生物膜较厚，影响基质对t p 的吸附沉淀作用。 本研究同时对人工湿地污染物去除动力学模型进行分析，结果表明： 以c o d c ，、n h 4 + - n 、t p 质量浓度作为基质浓度，其去除规律符合一级动力 学模型。c o d c ，、n h 4 + - n 、t p 的体积去除率速率常数分别为0 0 3 9 5m g l 、 0 0 1 6 2m g l 、0 0 1 4 1m g l ，通过隆安人工湿地现场采集的数据与理论预 测值进行比较，结果显示：c o d c ，、n h 4 + - n 、t p 的模拟结果误差范围在3 0 以内的占5 0 以上，说明垂直流人工湿地污染物去除一级动力学模型推导 合理。 根据本研究所得的研究成果，对其进行湿地系统处理生活污水工艺设 计，采用垂直流人工湿地污染物去除一级动力学模型对其出水进行预测， 预测结果为：出水c o d c ，为1 4m g l ，n h 4 + - n 为o 5m g l ，t p 为o 1m g l 。 达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 规定的i 类水质标准。 关键词：垂直流人工湿地生活污水工艺条件动力学 l i t h e o r yo fw a s t e 、7 i 旷a t e rt r e a t m e n tb y v e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d sa n d d y n a m i cm o d e la p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hc o n d u c t e st h ev f c v ( v e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ) t o t r e a t e s e w a g e i tm a i n l ye x p l o r e s t h e c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) ， n h 4 + - n ( a m m o n i an i t r o g e n ) a n dt o t a lp h o s p h o r u s r e m o v a lr u l e s i ti n v e s t i g a t e s t h ei m p a c to fw e t l a n ds y s t e m st r e a t i n gs e w a g ea f f e c t db yd i f f e r e n ti n f l u e n t c o n d i t i o n s m o r e o v e r , i ts t u d i e st h ev f c v sd y n a m i c so fp o l l u t a n t sr e m o v a l t h ea i mo ft h et h e s i si st oe x p l a i nt h ef e a s i b i l i t yt h a tu s e sv f c v t ot r e a ts e w a g e a n d ，a tt h es a m et i m e ，t op r o v i d es o m ea c a d e m i cb a s i sf o ri t se n g i n e e r i n gw o r k t h i sr e s e a r c hi sa i m e dt os t u d yo nt h em e c h a n i s mo fw e t l a n ds y s t e m s p u r i f y , a n dt h er e s u l ts h o w st h a th y d r a u l i cl o a d i n gh a sg r e a t e ri n f l u e n c e o n c o d c r ，n h 4 + - n ，a n dt p t h er e m o v a lr a t e o ft h ec o d e ri s i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a lt oi t sh y d r a u l i cl o a d i n g ，w h i c hm e a n s t h a te l i m i n a t i o no fo r g a n i c si s d u et oi m b i b i t i o na n da b s o r b a b i l i t yo fp l a n t s ，a n dm e t a b o l i cd e g r a d a t i o no f a n a e r o b i ca n da e r o b i co r g a n i s m s t h er e m o v a lr a t eo fn h 4 + - nr e a c h e s8 9 w h e nh y d r a u l i cl o a d i n gi so 15m 3 m 2 d ，w h i c hm e a n st h a tt h en i t r i f i c a t i o nc a n b ec o n t r o l l e dw h e nt h eh y d r a u l i cl o a d i n gi sl o we n o u g h t o oh i g hl e v e lo f h y d r a u l i cl o a d i n gw i l l r e d u c et h ea b s o r p t i o na n dp r e c i p i t a t i o nt h a tf i l l i n g m a t e r i a l st ot p a l k a l e s c e n c ei sb e s tf o rm i c r o b e s g r o w i n ga n dt h ea b s o r p t i o n a n dp r e c i p i t a t i o nt h a tf i l l i n gm a t e r i a l st ot p t h er e m o v a lr a t eo fc o d e rr e a c h e s 7 6 ，t h er e m o v a lr a t eo fn i - h + - nr e a c h e s8 0 ，a n dt h a to ft pr e a c h e s8 4 w h e np h = 8i nv e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d s w h e no r g a n i cl o a d i n gi s b e t w e e n2 2 5a n d4 5g m 2 d ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d e rc a nb em a i n t a i n e da b o v e 8 0 ；w h e no r g a n i cl o a d i n gi n c r e a s et o5 2 5 9 m 2 d ，w e t l a n d se f f e c to nr e m o v i n g i i i 竹己屯b 。：j ： c o d e rd e c r e a s e sr a p i d l y i ft h ec o n c e n t r a t i o no ff o u lw a t e rs u r p a s s e st h ea b i l i t y o ft r e a t m e n t ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d e rw i l ld e c r e a s e w h e no r g a n i cl o a d i n gi s b e t w e e n2 2 5 g m 2 d a n d3 0g m 2 d ，t h er e m o v a lr a t eo fn h 4 十- ni n c r e a s e s n o t a b l y ；b u ti t i sn o to b v i o u sw h e no r g a n i cl o a d i n gi sb e t w e e n3 0g m 2 da n d 5 2 5g m 2 d i ti sf o u n dt h a to r g a n i cm a t t e ri st h ef a c t o rt h a tl i m i t sd e n i t r i f y i n g b a c t e r i u mi ft h eo r g a n i cl o a d i n gi sl o we n o u g h h i g hc o n c e n t r a t i o n o fo r g a n i c s m a k e st h eb i o f i l mo nt h ef i l l i n gm a t e r i a l s ss u r f a c eb e c o m et h i c k e r , w h i c h a f f e c t st h ea b s o r p t i o na n dp r e c i p i t a t i o nt h a tf i l l i n gm a t e r i a l st ot p t h i st h e s i sa l s oa n a l y z e sd y n a m i cm o d e lo f p o l l u t a n t sr e m o v e db yw e t l a n d ， a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h er e m o v a ll a wc o n s i s t e n tw i t ht h ep r i m a r yk i n e t i c m o d e lw h e nc o n s i d e rt h ec o n c e n t r a t i o n so fc o d c r ，n h 4 十- na st h es u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n v e l o c i t y c o n s t a n t so fc o d c r ，n h 4 十- na n dt o t a l p h o s p h o r u s v o l u m er e m o v a lr a t e sa r e - 0 0 3 9 5m g l ，- 0 0 1 6 2m g la n d 一0 0 1 4 1m g l ， r e s p e c t i v e l y c o n s u l t e dt h ef i e l d d a t ac o l l e c t e di n l o n ga nw e t l a n da n d c o m p a r e dw i t ht h e o r e t i c a lp r e d i c t i o nd a t a ，a n dac o n c l u s i o nc a nb ed r a w e dt h a t t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fc o d e r ，n h 4 + - na n dt o t a lp h o s p h o r u st h a te r r o rr a n g ei s w i t h i n3 0 t a k eu pm o r et h a n5 0 g e n e r a l l y , t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o nd a t a a d o p t e dt h et h ep r i m a r yk i n e t i cm o d e lt op r e d i c tc o i n c i d e sw i t ht h em e a s u r e d d a t aa n dt h i si n d i c a t e st h a tt h ep r i m a r yk i n e t i cm o d e lt op r e d i c tt h ep o l l u t a n t s r e m o v a lb yv e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n di sp r o p e r l yd e r i v e d d e s i g nt h ep r o c e s so fw e t l a n ds y s t e mf o rt r e a t i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e ro n t h eb a s eo fs t u d i e sr e s u l tf r o mt h i sr e s e a r c h ，a n du s et h em o d e lo fv f c ww a t e r p o l l u t a n t sr e m o v a l t op r e d i c ti t sk i n e t i cr e s u l t sa s t h eo u t l e tc o d e rt o14m g l ， n h 4 + - nt o0 5m g la n dt o t a lp h o s p h o r u st o0 1m g l a n di tr e a c h e st h e s p e c i f i e dio ft h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r di n s u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y s t a n d a r d ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) k e yw o r d s ：v e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ；m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ； r u n n i n gp a r a m e t e r s ；d y n a m i c i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 符号说明v i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景l 1 2 城市生活污水处理技术。1 1 2 1 污水的生物处理l 1 2 2 污水的化学处理3 1 2 3 污水的土地处理：2 1 3 人工湿地在污水中的处理应用。3 1 3 1 人工湿地的概念3 1 3 2 人工湿地的类型及特点3 1 3 3 人工湿地的构造4 1 4 人工湿地的去污原理5 1 4 1 基质的净化机理5 1 4 2 水生植物的净化原理5 1 4 3 微生物的净化原理7 1 4 4 人工湿地对有机物去除机理7 1 4 5 人工湿地对氮去除机理8 1 4 6 人工湿地对磷去除机理8 1 4 7 人工湿地对重金属去除机理9 1 4 8 人工湿地对细菌、病原菌去除机理9 1 5 湿地污染物去除动力学模型研究进展9 1 5 1 衰减方程1 0 1 5 2 一级动力学模型：1 0 1 5 3m o n o d 动力学模型。1 0 1 6 国内外人工湿地技术研究动态1 l 1 7 课题意义1 3 1 8 研究目标和研究内容1 3 1 8 1 研究目标13 1 8 2 研究内容1 4 v 第二章垂直流人工湿地净化机理研究l5 2 1 前言15 2 2 实验部分1 5 2 2 1 实验用水15 2 2 2 实验装置15 2 2 3 分析项目与方法1 6 2 3 结果与讨论1 6 2 3 1 水力负荷对净化效果的影响1 6 2 3 2 进水p h 对净化效果的影响1 8 2 3 3 有机负荷对处理效果的影响2 0 2 3 4 正交试验2 2 2 5 本章小结2 5 第三章人工湿地动力学模型应用研究2 6 3 1 前言一2 6 3 2 实验部分2 6 3 2 1 实验用水2 6 3 2 2 实验装置2 6 3 2 3 实验方法与条件2 7 3 3 结果与讨论：2 7 3 3 1 一级反应动力学方程的建立及其动力学参数求解2 7 3 3 2 模型检验与误差分析3 2 3 4 本章小结3 3 第四章垂直流人工湿地净化机理及动力学模型的应用3 5 4 1 前言：3 5 4 2 工程概况3 5 4 2 1 建设工程的目的3 5 4 2 2 项目区自然条件3 5 4 2 2 生活污水水量3 6 4 2 3 生活污水水质3 6 4 2 4 工艺流程3 6 4 2 5 工艺特点3 7 4 2 6 人工湿地填料选择3 8 v i 4 2 7 人工湿地植物选择3 9 4 2 8 系统技术参数4 0 4 2 9 出水预测4 0 4 3 本章小结4 0 第五章结论与建议4 l 5 1 结论4 l 5 2 建议4 2 参考文献4 3 致谢4 7 攻读硕士学位期间发表的论文4 8 v l i 符号说明 意义 进水浓度 出水浓度 体积去除率速率常数 面积去除率速率常数 水力停留时间 水力负荷 生物降解速率 饱和常数 零阶体积去除率常数 湿地体积 生物化学需氧量 化学需氧量 氨氮耍l 氮 氢离子浓度指数 单位或量纲 m g l 1 m g l 1 m g l 。1 m g l 1 d l d 1 m g d - 1 m g m 1 m g m - 3 d 1 m 3 m g l 。l m g l 1 m g l 1 得 。 g 缸 畅 ， g r k 虮 y 姚 蚴 帅 垂直流人工湿地净化机理及动力掌模型应用研究 第一章绪论 1 1 课题背景 近年来，随着科学技术的不断发展，工农业生产规模不断壮大，城市人口不断膨胀， 废水排放对生态环境造成的水体污染也不断加剧。目前，我国绝大部分的城镇污水均采 用传统的生化处理工艺，对控制大城市的水环境污染起到了关键的作用，但是由于我国 许多农村地区经济发展水平普遍不高，能源短缺，污染源较分散、且缺乏具有一定操作 水平的技术人员，传统的城市污水处理工艺因投资大、运行成本高，管理技术要求严格， 因而并不适合在农村地区应用推广。因此，针对我国广大农村地区大力开发具有高效、 低耗、简易的污水处理工艺显得尤为迫切。人工湿地污水处理工艺正是顺应这一要求而 发展起来的一种有效的生态工程污水处理工艺，该处理工艺具有建造成本低、能耗低、 运行费用低、操作简单和适用范围广等优点，非常适合我国中小城镇、农村的污水处理， 具有广阔的应用前景。在七十年代，德国是首先建造人工湿地的国家，随之，美国和加 拿大也相继建造了人工湿地。目前，在欧洲采用人工湿地进行废水处理技术已经被推广 应用。据统计，欧洲约有6 0 0 0 座湿地系统，且湿地大小规模不一，大的服务范围达到 整个村镇，小的仅为一家一户生活污水处理。 人工湿地在中国起步较晚，在“七五”期间，环保局在北京、昆明等地分别建造人 工湿地示范工程系统地进行湿地应用性研究，并取得了大量的研究成果，1 9 8 7 年，日处 理规模达到1 4 0 0 m 3 的人工湿地在天津市建成，湿地运行稳定，处理效果良好。其后，华 南环科所在深圳建立了白泥坑湿地示范工程，湿地日处理量达至1 3 1 0 0 m 3 。随之，国家环 保局、中国科学院等单位相继建造了不同规模的人工湿地污水处理系统并开展一系列的 试验研究【2 1 。 1 2 城镇污水处理技术 1 2 1 污水的生物处理 生物处理技术是较为传统的污水处理技术，微生物通过将废水中的有机物吸收分 解，来完成自身的新陈代谢过程，废水中的有机污染物在此过程中得以去除净化【3 1 。按 微生物的生长方式，生物法可分为附着生长和悬浮培养。附着生长以生物滤池为代表f 4 】， 悬浮培养以活性污泥为代表。 ( 1 ) 活性污泥法 活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。活性污泥法是 向废水中连续通入空气，经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝 物。其上栖息着以菌胶团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力， 微生物通过氧化分解和吸附作用来去除废水中的有机物【5 1 。 ( 2 ) 生物膜法 使微生物群体附着于其他物体表面上呈膜状，通过废水与它接触而达到净化目的的 生物处理方法称为生物膜法【6 1 【7 1 。生物膜的主要成分为蛋白质【8 l ，由细胞生物和胞外的 聚合物构成。 1 2 2 污水的土地处理 污水中的污染物在土壤一植物一微生物所组成的生态系统的共同作用下到净化的 处理方法称为污水土地处理方法。污水的土地处理既能实现污染物去除的目的，又能让 水分以及营养物质进行循环利用。它是在世界性水污染不断加剧、能源日益紧张的形势 下发展而来的一种的自然净化技术。污水土地处理技术与传统的二级生物处理技术相 比，具有工程投资成本低、能耗低，运行费用低，操作管理简单等优点。 ( 1 ) 土地处理基本工艺 快速渗滤系统 快速渗滤系统是让污水快速渗滤到地下并最终进入地下水层。灌水与停灌不断循 环，使渗虑系统表层交替在厌氧好氧状态下运行，土壤截留的悬浮性和溶解性有机物进 行分解在微生物的作用下被去除，快速渗滤是一种经济、高效、低耗的污水处理方法。 慢速渗滤系统 污水经喷灌后由上而下缓慢渗滤，污水中有机污染物在此过程中被慢速渗滤系统表 层上种的作物吸收，通过土壤一植物一微生物三者的共同作用得以去除，但是慢速渗滤 系统仅适用于气候湿润、蒸发小及砂质的渗透性良好的地区。 地下渗滤处理系统 地下渗滤处理系统是将污水输送到地层下o 5m 深，渗透性良好的地层中，污水在土 壤的渗透作用及毛细管浸润作用下向周围扩散，通过一系列的物理化学过程和微生物的 降解过程得以去除。 地表漫流系统 2 广西大掌硕士学位论文垂直流人工湿地净化机理及动力学模型应用研究 污水通过喷灌或漫灌人工调控地分布在地面上，污水通过均匀的漫流至坡脚的集水 渠，部分污水在此过程中被植物吸收、蒸发和下渗至地下。为防止水土流失，在漫流系 统表面上需种植作物。系统出水可进行回用或排至受纳水体。 ( 2 ) 湿地处理系统 污水通过低洼湿地和沼泽湿地来进行处理。污水经人工调控输送到种植有香蒲、芦 苇等沼泽性、耐水性植物的湿地上，在污水在系统内部流动过程中，污水的净化过程在 微生物、土壤和植物共同作用下完成。污水的二级处理和三级处理均可采用湿地处理系 统。污水进入湿地处理系统前需预处理，预处理系统包括格栅、筛网、初沉池、化粪池 和稳定塘等。、 1 2 3 污水的化学处理 污水化学处理中经常采用混凝法。污水中的细小悬浮物和胶体污染物在混凝剂和水 解产物作用下脱稳并凝聚成具有可分离的絮凝体的过程称为混凝。混凝的目的是改变水 中粘土和细菌等悬浮固体的状态和存在性质，以便于后续工序中的净化去除过程【旧】。 1 3 人工湿地在污水中的处理应用 1 3 1 人工湿地的概念 有目的地建立人工湿地生态系统是一种相对较新的技术。尽管在历史上人类也偶然 利用和改造湿地，但有目的地建设湿地用以生物的栖息地或进行水质净化始于2 0 世纪 7 0 年代的环境保护运动。 湿地工程化或人工建造主要目的有四个：弥补或减小因农业和城市发展造成的天 然湿地的影响；构建水生系统，生产食物和纤维；防洪； 进行污水处理，改善水 质。 1 3 2 人工湿地的类型及特点 按照水流形式划分，人工湿地可分为表面流型人工湿地、潜流型人工湿地和垂直流 型人工湿地【1 1 】。按照植物类型划分，人工湿地系统可分为沉水植物人工湿地、挺水植物 人工湿地和浮生植物人工湿地。 ( 1 ) 表面流型人工湿地 人类最早开发的湿地是表面流人工湿地，其工作原理与天然湿地类似，该类型人工 湿地属于好氧型人工湿地，污染物的去除主要靠浅水层的植物以及微生物来完成。去污 效果优于天然湿地，表面流人工湿地投资省，操作简单，运行费用低是其优点。其缺点 垂直流人工湿地净化机理及动力掌模型应用研究 是湿地基质没有发挥作用，对氮磷去除效率不佳。另外，气候条件对表面流湿地的运行 影响较大，夏季容易孳生蚊蝇，产生臭味；冬季容易结冰，影响湿地正常运行。因此， 该类型湿地不适合在冬季温度较低的地区推广应用。 ( 2 ) 潜流型人工湿地 潜流型人工湿地水流位于系统表层下，系统的表层土壤、发达的植物根系、基质以 及基质表面附着的生物膜都充分发挥其作用，提高了湿地的反应界面，因此，对污染物 的净化能力优于表面流湿地，且气候的变化波动对潜流型人工湿地的运行影响不大，潜 流湿地具有保温作用。但是，潜流型湿地由于植物根区释氧量有限，大气复氧效果差， 湿地内部处于厌氧状态，属于厌氧型人工湿地，该类型湿地对具有较强还原性的金属去 除效果较差。 ( 3 ) 垂直流人工湿地 垂直流人工湿地是在重力作用下污水由上而下流经填料层，湿地中的污染物均在截 留、沉积、吸附、植物吸收等过程中被去除。表层的大气复氧能力较强，垂直流人工湿 地综合了表面流人工湿地和潜流人工湿地的特点，占地面积小，受气候影响小，去除效 果好。目前，也有专家学者将垂直流人工湿地独立划分为一个大类。 最近，复合式垂直流人工湿地已经被中国科学院水生生物研究所研发出来，其构造 特点是是将下行垂直流湿地和上行垂直流湿地两个系统串连运行。其优点是：布水均匀、 水力停留时间，长大气复氧好，水中各污染物去除效果好。成水平和吴振斌【1 2 】等研究复 合式垂直流人工湿地系统对重金属的去除效果，结果发现，系统对z n 、c u 、c d 、p b 、 a i 这几种重金属去除率接近1 0 0 。 1 3 3 人工湿地的构造 根据湿地的定义及其特性可知，人工湿地一般由以下五部分组成： ( 1 ) 各种透水性的基质，人工湿地中的基质多由粘土、粗砂、砾石、细砾、沸石、 碎石、碎陶片、炉渣等其中的一种或多种组合而成，其选择往往与处理的废水的性质及 所采用湿地的构建方式有关。目前潜流型人工湿地大多使用当地的河砂和砾石作为基质 材料，表面流型人工湿地多采用当地土壤作为基质材料。 ( 2 ) 水体( 在基质表面下或表面上流动的水) 。 ( 3 ) 在厌氧基质和水中生长的植物，如芦苇。 ( 4 ) 好氧或厌氧微生物群落。 ( 5 ) 脊椎或无脊椎动物。 4 , r - 西大学硕士掌位论文 垂，l 流人工湿地净化机理及动力掌模型应用研究 1 4 人工湿地的去污原理 污染物在人工湿地内部的反应机理十分复杂，人工基质、水生植物和微生物分别起 着不同的作用【7 1 。污水中的污染物在物理、化学、生物的综合作用下得以去除【1 3 】。据文 献资料中报道，当前，湿地系统内部污染物的去除机理研究渠道主要有以下两条：第一： 研究污水中的c o d c ，、b o d 5 、n 、p 、s s 、重金属等污染物在湿地内部的去除规律；第 二：把构成湿地的基质、植物、微生物作为研究对象，探讨分析其在处理污染物中所起 的作用。 1 4 1 基质的净化机理 构成人工湿地的主要部分是基质，基质能为湿地植物提供营养，微生物以基质作为 载体，通过自身的生命活动来对污水进行净化。基质去污机理主要包括沉降反应、鳌合 作用、专性与非专性吸附、离子交换等f 1 8 】。填料中的微生物在污水流经其表面的时候能 将污水的不溶性有机物截留下来供其利用。根据研究表明，在湿地周围依次呈好氧、缺 氧及厌氧状态，湿地氧含量分布不均匀。存在好氧与厌氧界面是湿地的一个重要特性， 湿地基质内氧化还原电位的变化范围为3 0 0 7 0 0 m v 。因此，一系列的化学反应如金属氧 化物的还原反应，有机物的降解反应，产甲烷反应，硝化一反硝化反应等在基质内比较 容易发生。土壤、沙粒、沙土、煤渣，石块是目前人工湿地广泛采用的填料。污染物的 去除能力与基质的选取有较大关系。徐丽花、周琪【1 9 】等人对石灰石、沸石、沸石一石灰 石3 种填料的人工湿地的去污能力进行研究，研究发现：( 1 ) 对t p 、t n 的去除效果，沸石 和石灰石混合使用优于其单独使用；( 2 ) 沸石对氨氮的吸附能力不会因为石灰石的混入而 降低；( 3 ) 沸石可促使难溶性p 释放以供微生物和植物吸收利用。朱夕珍等研究了石英沙、 煤灰渣和高炉渣人工填料对生活污水净化效果，效果显著。 1 4 2 植物的净化原理 湿地植物在净化过程中起着十分重要的作用，大量研究发现，没有植物的人工湿地 去污效果均比种有植物的人工湿地差。水生植物按类型可分为浮生植物系统，如浮萍、 水葫芦；沉水植物系统，如蓖齿眼子菜、金鱼藻、黑藻和殖草等；0 挺水植物系统， 如香蒲，芦苇。天然或人工湿地多采用挺水植物，天然水体常用沉水植物；氧化塘多用 漂浮植物【2 l 】。湿地植物在污水净化过程的优点主要为以下几点：为土壤中提供氧气来 源，以利于微生物的好氧呼吸；净化过程所需能源在植物的光合作用下获得； 根区 的微生物群落可以降解多种污染物质，植物发达的根系提供给微生物一个多样的生态环 广西大学硕士掌位论文垂直流人工湿地净化机理及动力粤”箕型应用研究 境； 土壤中的水分能被植物固定，防止污染源向四周扩散。水生植物能将氧气输送至 根区，从而使根系附近形成一个有氧环境，而远离根系的土壤周围就形成了厌氧环境， 因此，湿地内部就相当于由多个好氧厌氧反应器组成，污水中n 、p 污染物在此环境下容 易被去除。这也是水生植物和陆生植物的区别。人工湿地植物选取的原则往往选择是生 物量大、吸收能力强、生长快的水生草本植物。人们普遍认为，漂浮植物如水葫芦在吸 收养分能力比挺水植物强，因为水葫芦繁殖速度极快j 其根系能直接吸收水体中元素与 养分1 2 2 1 。一般情况下，植物对不同的元素吸收移走的量差异较大。只有一小部分的营养 成分与金属量能被植物吸收，而且大部分是聚集在根区周围。湿地植物能适应土壤缺氧 条件，占到植物体积约6 0 的发达的通气组织，可以满足0 2 较为顺利地输送到根系，这 不仅促进了好氧微生物的新陈代谢活动与根区的氧化还原反应，也是植物在无氧环境中 进行呼吸作用的保证。湿地植物对水的流动产生一定的影响，植物的类型与密度上的差 异都会对水中悬浮物沉降与吸附带来不同程度的影响。此外，植物根系表面能形成一个 巨大的物理表面，为微生物提供了活动场所，些有机物和重金属的沉积主要发生在植 物根系表面。人工湿地对重金属p b 、c d 、a s 、h g 、c r 、c a 的吸附能力，沉水植物最大， 漂浮植物次之，挺水植物最小，浓缩倍数与部位有关，根 茎 叶，研究表明，被动吸收 是植物对有毒有害物质的主要吸收方式，植物对污水的去除效果随着接触时间的提高而 提高。污水中的病源菌和大肠杆菌还会被有些植物的根系分泌物质杀死。黄时达等人1 2 3 j 采用芦苇、灯心草盆栽对模拟污水的去除效果进行研究，研究表明：对c o d c ，的去除率 芦苇、灯心草的去除率为3 8 - - - 4 6 ，并且污水的p h 值从3 5 升至7 左右。李亚治【2 4 j 对水葫 芦一水草人工湿地系统处理造纸废水进行研究，结果发现，b o d 5 、c o d c ，、s s 的去除率 分别达到了9 8 ，9 3 和8 9 ，且湿地系统运行稳定；成水平【2 5 1 等人全面的研究了香蒲、 灯心草在湿地处理中的作用，结果表明人工湿地中理想的净水植物是灯心草；彭江燕1 2 8 j 对风车草、黄菖蒲、美人蕉、水葱、芦苇等五种植物进行研究，发现这些植物的蒸散量、 生物量、根长和根密度存在较大差异，但都能适应人工湿地的工艺条件，湿地的植物需 根据不同的湿地类型来选取；阳承胜【2 9 】等对宽叶香蒲对铅锌矿废水的处理效能，研究发 现：c d 、z n 、c u 、p b 的去除率均能达至u 9 0 以上，系统运行效果较好。陈桂珠等1 3 0 】对 究植物白骨壤进行研究，研究结果显示，不栽种白骨壤的湿地系统金属去除效果比载种 了白骨壤的湿地差。e m e s t cl a r k e 等【3 l j 研究了灯心草、水烛等植物对氨氮的净化能力， 研究显示，湿地系统的污水处理能力和植物的生长情况与水中氨氮的浓度有关。 k r r e d d y t 3 2 【3 2 】等对凤眼莲等几种水生植物的氨氮处理效果研究得出结论，氨氮去除率 6 j m - j i t - 流人工湿地净化机理及动力掣i 模型应用研究 顺序为风眼莲 浮莲 水鳖 浮萍 槐叶萍 紫萍。 1 4 3 微生物的净化原理 微生物是在污水中最先出现并能吸收降解水中污染物的生物群体。其在湿地生态系 统内处于核心位置，湿地生态系统中土壤物理化学特征之一是微生物的生物量，其有效 反映指标包括有机质积累与分解和养分含量变化。氧气通过水生植物的通气组织被运输 至根区，好氧区、兼氧区和厌氧区依次在植物根区周围出现，好氧微生物和厌氧微生物 分别在好氧区和厌氧区将污水中大量的有机物质利用分解。在根系周围区域，微生物群 体密度比非根区大，细菌能使含氮化合物能在细菌的作用下转化为可供植物和微生物吸 收的含氮无机化合物，假单胞菌属中的各种细菌都有很强的降解有机物的能力，木质素、 纤维素、果胶在具有强大的酶系统的真菌作用下被分解成蛋白质化合物；放线菌不仅能 形成抗生物质维持湿地生物群落的动态平衡，还在降解不含氮化合物和含氮化合物的过 程中起着很重要的作用；污水中有机态、不能直接利用的磷素能在磷细菌的参与下被分 解为简单的磷化物以供植物及微生物吸收；亚硝化细菌和硝化细菌在好氧条件下先将含 氮化合物分解为硝酸和亚硝酸，接着反硝化菌在厌氧条件下经将其还原成氮气；硫细菌 而有机硫化物则主要通过硫细菌的生命活动来去除。研究表明：微生物数目很大程度影 响污水中b o d 5 和c o d 的去除效果；而根区中磷细菌数目与磷元素的去除率呈正相关： 污水中n h 4 + - n 的去除效果取决于根区硝化菌和反硝化茵的数量。靖元孝掣3 3 】对风车草 t n 去除率与氮转化细菌的数量的关系进行研究，结果发现，有植物系统的硝化细菌和 反硝化细菌均比无植物系统高出一个数量级，氨化细菌则无明显差异。c h a r l e sa n d r e w c o l e 掣3 4 1 对湿地系统中生物数量与土壤有机物之间的关系进行研究，证明了人