（环境科学专业论文）人工湿地去除旅游景区污水中氮、磷的试验研究.pdf

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) ： 签字日期： 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) 本论文是否保密：是 - 、否 如需保密，保密期限为： 学位论菇躲弱 签字日期p o 年月l6 言 乖凡 饬州 字瓤师字 引签 本研究受 广西科学基金项目( 桂科自o679o1o ) 资助 桂林理工大学硕士学位论文 摘要 随着旅游业的飞速发展，旅游景区的水污染问题日益受到重视。人工湿地以 其较低的投资运行费用、良好的处理效果和显著的生态效益等优点，成为旅游景 区污水资源化利用的重要技术。本试验通过设计几组人工湿地小试装置，对比不 同植物在不同反应停留时间下对污染物的去除效果，并选出最优的湿地类型，建 立垂直流人工湿地装置模型，基于这个模型研究有机物、氮和磷等污染物的迁移 转化规律，探讨人工湿地中填料、植株与微生物的作用和关系。实验结果表明： ( 1 ) 各类型湿地在7 2 h 反应停留时间下具有更好的脱氮除磷效果，而c o d 的去除效率则在4 8 h 反应停留时间下较为稳定。美人蕉湿地的脱氮除磷效率在三 个反应停留时间下均优于其他湿地。 ( 2 ) 从垂直流美人蕉人工湿地总体运行的效果来看，n h 4 + n 、 t n 、t p 的去除效率均随气温的降低而下降，而n 0 3 n 和c o d 呈缓慢上升的趋势，n 0 2 。- n 的出水浓度均高于进水浓度。l 撑出水口中各种污染物的去除效率均优于其他出水 口，处理效果总体上沿程下降。 ( 3 ) 基质对污水中氮、磷的吸附能力在湿地运行初期最强，并呈逐渐上升 的趋势。1 2 月中旬基质的吸附能力达到饱和状态后，全氮、全磷含量缓慢下降。 ( 4 ) 美人蕉对氮、磷累积量地上部分为1 4 0 7 6 8 m m z 和2 6 0 5 2 m m z ，地下 部分为4 6 0 7 6 m m 2 和6 2 o l m 咖2 。表明植物对氮、磷污染物的吸收主要集中在地 上部分。植物吸收对氮、磷的去除平均贡献率分别为2 1 2 和2 4 7 ，说明植物 的同化吸收作用是n 、p 去除的主要途径。 ( 5 ) 人工湿地基质中的细菌数量最多，放线菌数次之，真菌数最少。在夏 季微生物数量增长最快，秋季达到最多，进入冬季后逐渐减少。分析表明细菌、 放线菌和真菌数量与c o d 、t p 去除率之间均不存在显著相关关系。但真菌总数 与t n 的去除率之间存在着显著的负相关。 ( 6 ) 采用一级动力学模型分析了不同沿程出水口污染物去除的变化规律， 得出c o d 、t n 和t p 去除的线性相关性很好，相关系数分别为o 9 3 l 、j o 9 7 2 5 和0 9 4 2 8 ，n h 4 + n 的线性相关系数为0 6 8 7 5 。 关键词：人工湿地；污水；氮；磷；基质；植物；微生物 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em p i dd e v e l o p m e n to f t o u r i s m ，t h ew 乏岫rp o l i u t i o no f t o u r i s ts c e n i cz o n ei sg e t t i n g a n t i o n c o l l s t n j c t e d 、v e t l a n df o ri t sl o wi n v e s t m e n t 锄do p e m t i o nc o s t s ，9 0 0 dt r e a t m e n te 肫c t a n dr e m a d ( a b l ee c o l o g i c a lb e n e f i t s 觚ds oo n ，b e c o m e s 趾i m p o n 锄t t e c h n o l o g yf o rt h et o u r i s t s c e f l i cz o n ew 嬲t e w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o n t h i st e s tt i l r o u g hd e s i g n e ds e v e r a l g r o u p so fs m a u t e s td e v i c e sf o rc o n s t r t l c t e dw e t l a n d s ，t 0c o n t r a s tt h er e m o v a le f r e c to f p o i l u t a n tb yt h ew e t l a n d w i t hd i 腩r e n tp i a n ti nd i 腩r e n tr e t e n t i o nt i m e ，a n de i e c t e dt h eb e s tt y p e so fw e t l a n dt oe s t a b l i s h v e r t i c a lf l o ww | e t i a n dd e v i c em o d e l ，r e s e a r c h e dt h em i g r a t i o n 锄dt r a n s f o m a t i o nm l ea b o u t t h e p o l l u t a n t ss u c ha so 唱a n i cm a t t e r ，n i t r o g e na n dp h o s p h o m s ，d i s c u s s e dt h em n c t i o na n d 陀l a t i o n s h i pa b o u tf i i i e r p l 锄ta n dm i c r o o 唱a n i s mi nc o n s t r u c t e dw e t l a n db a s e do nt h i sm o d e l t 1 1 ei e s u l to fe x p e m e n ti n d j c a t e d ： ( 1 ) e v e 巧t y p eo fw e t l a n dg i v e dt h eb e s te m c i e n c yi nn i t m g e na n dp h o s p h o r u s 佗m o v a la t 7 2 hr e t e n t i o nt i m e ，w h i l et h er e m o v a le 币c i e n c yo fc o d w a st h es t a b l e s ta t4 8 hr e t e n t i o nt i m e t h ee 腧c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r i l sr e m o v a lo f ( 口珂门口砌击c 口w e t l a n d 傩b e t t e rt h 锄o t h e r w e t l a n d sa tt h r e eg r o u p so fr e t e n t i o nt i m e ( 2 ) f r o mt h eg e n e r a lo p e 陋t i o ne f 诧c to fv 色r t i c a lf i o w ( 勋，? 胛口切讲c 口c o n s t f u c t e dw e t l a n d ， r e m o v a le m c i e n c yo fn h 4 + n ，t n 锄dt pd e c i i n e dw i t ht h et e m p e m t u r e 刚u c i n g ，w h i l e n 0 3 n 卸dc o dr i s e ds l o w l y ，a n dt h ei n l e tc o n c e n t r a t i o no fn 0 2 。- nw a sh i 曲e rt h a nt h eo u t i e t c o n c e n t r a t i o n n er e m o v a le 街c i e n c yo fa l lp o l i u t a n t si nl 撑o u t l e tw e 佗s u p c r i o rt 0o t h e ro u t l e t s ， t h et r e a t m e n te f 您c tw 髂d o w n a l o n gt h ew a y 嬲a 、h o l e ( 3 ) t h ea d s o 巾t i o nc 印a c i t yo fn i t r o g e n 锄dp h o s p h o m si n 、v a g e 、 粥s t r o n g e s ti nt h e w e t i 觚dm o v e m e n ti n i t i a lp e r i o d ，a n di n c r e a s e dg r a d u a l l y a r e rt h ea d s o 巾t i v ec 印a c i t yo f m a t r i xr e a c h e ds a t u r a t i o ni f lm i d 一【) e _ c e m b e r ，t h ec o n t e n to ft o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o m s s l o w e dd e c l i n e ( 4 ) t h ea c c u m u l a t i v eq u a n t i t i e so fn i t r o g e na n dp h o s p h o m si na b o v e g r o u n dp a nw e r e 4 0 7 6 8 m 咖z 舳d2 6 0 5 2 m 咖2 ，a n dt h eu n d e 唱r o u n dp a r tw e r e4 6 0 7 6 m g m 2a n d6 2 0lm g m 2 i ti i l d i c a t e dt h a tt h ep i a n t sa b s o 叩t i o nf o rt h ep o l l u t a n to f n i t r o g e n 觚dp t l o s p h o m sm a i n i y c o n c e n t r a 刷i nt h ea b 0 v e g r o u n dp a n p l a n ta b s o 印t i o nf o ra v e r a g ec o n t 曲u t i o n 豫t eo f n i t r o g e n a l l dp h o s p h o m sr e m o v a l 、v e r e21 2 a n d2 4 7 ，i te x p i a i n e dt h a tt h er o l eo f p l 强ta s s i m i i a t i o n w a st h em a i nw a yf o rn ，p 佗m o v a l ( 5 ) i nt h em a t r i xo f c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t h en u m b e ro fb a c t e r i aw a si a r g e s t ，a c t i n o m y c e t e s 桂林理工大学硕士学位论文 w 蓝辩c o n d ，m n g u sw 弱l e a s t 1 nt h es u m m e r t h em i m b e ro fm i c m o 唱觚i s mg r o w e dq u i c k e s t ， 觚dt h e nr e a c h e dam a x i m u mi nf a l l ，a n e re n t e r e dt h ew i n t e r ，w o u i dr e d u c eg r a d u a l i y t h e 觚a l y s i si n d i c a t e dm a tt h e r cw 弱n tr e m a r k a b i ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h en u m b e r o fb a c t e r i 如 a c l i n o m y c e t e s 锄dm n g u s 鹬w e l l 鹊t h er e m o v a le 币c i e n c yo fc o d 锄dt p b u tm e r ew 鹤t h e r e m a r k a b l ec o r r e l a t i o nb e t 、v i e e nt h en u m b e ro fm n 】善u s 踟1 dt h er e m o v a le f h c i e n c yo ft n ( 6 ) u s e dt h ef i r s t l e v e id y n a m i c sm o d e lt 0a n a l y s et i l ev 撕a t o nm l e o fp o l i u t a n tr e m o v a li n d i 腩r e n to u t l e ti nd i s t a n c e ，i ts h o 删t h a tt h el i n e a rc o 盯e i a t i o n 、v a sv e 呵9 0 0 dw i t hc o d ，t n a n dt pr e m o v a l ，t h ec o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n t 、v a sr e s p e c t i v e i yo 9 3l ，o 9 7 2 5a n do 9 4 2 8 ，a n dt h e c o 盯e l a t i o nc o e 币c i e n to fn h 4 + - n 、v a so 6 8 7 5 k e ，w o r d s ：c o n s t r u c t e d 、v e t l a n d ；s e w a g e ；n i t r o g e n ；p h o s p h o r u s ；m a t r i x ；p l a n t s ；m i c r 0 0 曙蚰i s m s 桂林理工大学硕士学位论文 目录 摘要：i a b s t r a c t i i 第l 章前言1 1 1 旅游景区水体污染现状1 1 1 1 旅游景区水体的污染特点1 1 1 2 旅游景区水体污染控制技术2 1 2 人工湿地污水处理技术及其研究进展4 1 2 1 人工湿地的定义、类型及其组成4 1 2 2 人工湿地的净化机理6 1 2 3 人工湿地在污水处理中的应用8 1 2 4 国内外人工湿地污水处理技术的发展现状9 1 3 本课题研究的目的、内容和意义9 1 3 1 课题来源9 1 3 2 本课题研究的目的与意义9 1 3 3 本课题研究的内容1 0 1 3 4 技术路线_ lo 第2 章几组人工湿地污染物去除效果对比试验l2 2 1 引言，12 2 2 材料与方法12 2 2 1 试验材料l2 2 2 2 试验方法“l4 2 2 3 分析方法l5 2 2 4 数据处理l5 2 3 结果与分析15 2 3 1 不同反应停留时间下n h 4 + n 的去除效果l5 2 3 2 不同反应停留时间下t n 的去除效果l8 2 3 3 不同反应停留时间下t p 的去除效果2 0 2 3 4 不同反应停留时间下c o d 的去除效果2 2 桂林理工大学硕士学位论文 2 3 5 最佳类型人工湿地处理效果讨论2 4 2 4 本章小结2 7 第3 章人工湿地中氮、磷迁移转化规律试验研究28 3 1 引言2 8 3 2 材料与方法2 8 3 2 1 试验材料2 8 3 2 2 试验方法2 8 3 2 3 分析方法3 0 3 2 4 数据处理3 0 3 3 结果与分析3l 3 3 1 人工湿地中污染物去除效率的沿程变化3 l 3 3 2 人工湿地基质中氮、磷含量的变化36 3 3 3 人工湿地植物中氮、磷含量的变化38 3 3 4 人工湿地基质中微生物数量及相关性分析4 0 3 4 本章小结“4 3 第4 章人工湿地中污染物去除的动力学模型研究4 4 4 1 引言4 4 4 2 人工湿地动力学模型类型概述4 4 4 2 1 衰减方程4 4 4 2 2 一级动力学模型4 6 4 2 3m o n o d 动力学模型4 6 4 2 4 生态动力学模型4 7 2 5 其他动力学模型4 8 4 3 垂直流人工湿地中污染物去除的动力学分析48 4 4 本章小结：5l 第5 章结论与建议5 2 5 1 结论5 2 5 2 建议5 3 致谢5 4 参考文献5 5 个人简历6 2 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章前言 近年来国民经济的高速发展为我国旅游业的发展创造了良好条件， 旅游产业规模逐步壮大。未来5 年间，我国旅游业将保持年均l0 4 的增 长速度，其中个人旅游消费将以年均9 8 的速度增长，企业政府旅游的 增长速度将达到l0 9 。到2 0 2 0 年，中国将成为世界第一大旅游目的地 国和第四大客源输出国。近年来，特别是在五一、十一等旅游黄金周的 推动下，各旅游区( 点) 接待游客量大幅度增加，但同时也带来了一系 列环境污染问题。由于旅游人流量的增长，旅游景区水体污染和富营养 化成逐年加剧趋势，长此以往，会对我国旅游景区带来不可估计的环境 破坏。因此，必须加快水污染治理步伐，推广使用水污染治理的先进工 艺，制定切实可行的环保措施，制止乱排现象，有效削减景区水污染排 放量。 1 1 旅游景区水体污染现状 1 1 1 旅游景区水体的污染特点 旅游业是凭借旅游资源和设施，专门或者主要从事招徕、接待游客、 为其提供交通、游览、住宿、餐饮、购物、文娱等六个环节的综合性行 业。旅游业的特点决定了景区水污染来源主要是旅游景区内的宾馆、餐 饮、娱乐等旅游设施产生的生活污水。而旅游景区大多远离市区，市政 排水系统无法铺设到，大部分生活污水经过化粪池沉淀后就直接排入附 近水体或渗入地下，少数污水甚至未经处理便直接排放。 旅游和度假等餐饮和生活污水排放具有明显季节性或时段性，水量 波动大、因客流量的不同出现排水高峰期和低峰期，排水量可以相差l0 倍以上。其污水只要是生活污水和餐饮废水，污染物含量较高，主要污 染物为c od ，b o d ，n h 4 + n 等，排入水体后很容易导致水体严重污染， 引起富营养化。景区水体的污染将导致水体功能的下降，破坏旅游景区 生态环境及景观效果，减少旅游收入，甚至影响当地人民的身体健康。 从长远的角度来看，不利于旅游业的可持续发展和生态环境的保护。随 着旅游业的日益繁荣，旅游人数的不断增长，对旅游风景区生活污水的 有效净化和处理显得十分重要和迫切。 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 2 旅游景区水体污染控制技术 小型生活污水处理设施以其占地少，投资低，运行管理方便等优点 更适用于水源保护区、生态敏感区、名胜风景区、旅游景点和其他休闲 度假村等分散地区生活污水的处理。 一般来说，小型污水处理站有以下特点： ( 1 ) 处理规模小，流量和负荷变化较大； ( 2 ) 要求具有良好的平衡调节能力和易于启动处理系统； ( 3 ) 操作简单，维护费用低，无需专业性较强的管理人员； ( 4 ) 处理效果稳定，产泥量少，剩余污泥以回归自然的处理方法为宜： ( 5 ) 与环境协调性好，大多数情况下尾水能就近排放，可作为地面水 体的补充水源。 目前运用较广泛的小型污水处理技术有以下几种，各处理技术的优 缺点比较如表1 1 所示1 2 - 1 4j ： 每一种污水处理技术均有其优缺点，在选择的时候应因地制宣，根 据当地的气候、地质条件来考虑最佳的处理技术。根据以上的分析可以 看出，s br 、m b r 、曝气生物滤池等处理技术效果较好，但运行成本偏高， 而延时曝气、接触氧化、c a ss 等也需要一定的运行管理技术，在郊区和 农村等地推广应用无论是从经济实力，还是从当地的技术水平来说都难 以实现。稳定塘、人工湿地、土地渗滤系统和净化槽等需要的技术水平 较低，管理也较为简便，比较适合农村或者一些远离市区的小型污水净 化需求。 人工湿地属于无动力系统，具有低投资、低耗能、低成本、低噪音， 无臭味，维护和操作管理方便等特点，还可以通过构筑物与周围环境协 调，与当地旅游区的景观特点相融合，在旅游区起到示范的作用。而且 人工湿地处理生活污水不仅能够降低污水c o d ，还可以有效的去除氮、 磷【”l 。国内外研究表明，该工艺尤其适用于旅游景区污水的资源化利用， 并广泛应用于景区污水处理【1 6 d9 1 。因此，采用人工湿地来处理旅游景区 的生活污水为我国旅游景区，尤其是远离城市的生态旅游景区提供了一 种处理有效、经济可行且构筑物能够景观化的污水处理技术。 2 桂林理工大学硕士学位论文 表1 1污水处理技术比较 t a b 1 1c o m p a r i s o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o i o g i e s 污染物去除效果能否抗冲运行其他 处理 节中水 污泥 占地 有机病原 脱氮击性管理限制 技术s s 能网用减量要求 物体除磷能方便 因素 延时 好好好一般好较少较小温度 曝气 c a s s好好好可以好较少一般 s b r 好好好可以 一般较少较小 接触 好好好一般一般是一般 氧化 般 曝气 较 生物好好好可以一般一般 好 滤池 取决技术设备 很 m b r 很好很好工艺 一般 要求 可以较少 很小 成本 好般 配置高较高 有一 稳定定去较 一般好是较大温度 塘般除效好 果 有一 人工较 较季节 一般好定效是一般 湿地 好好变化 果 滤料 土地除磷 较性质、 渗滤好好不好效果一般是较大 好土地 系统 较好 面积 净化 好好好可以一般可以较小 槽 3 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 人工湿地污水处理技术及其研究进展 1 2 1 人工湿地的定义、组成及其类型 ( 1 ) 人工湿地的定义 湿地是地球上水陆作用形成的独特生态系统，是重要的生存环境和 最富生物多样性的自然生态景观之一【20 1 。从生态学上说，湿地是由水、 永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质及水生植物和微生物等所组成 的、具有较高生产力和较大活性、处于水陆交界的复杂的生态系统【i ”。 湿地可以分为天然湿地和人工湿地两大类。而人工湿地( c o n s t r u c t e d w e t i a n d ) 由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有 控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过 程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三 重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术【2 。 ( 2 ) 人工湿地的组成 大多数人工湿地由一下几部分组成：基质，如土壤、砂、砾石等； 植物，如芦苇等；各种好氧或厌氧微生物种群。 基质 湿地内的基质也称为填料，是构成人工湿地的主要部分，主要由土 壤、砾石、砂和卵石等组成，它既是污水处理的主要场所，也是微生物 的主要载体，同时还为植物提供了生长和繁殖的场所。基质去污主要通 过吸收、吸附、过滤、沉降、离子交换、络合反应等途径来实现。污水 在基质的缝隙中流动时，污水中不溶性的有机物通过沉淀、过滤等作用 可以被基质截留下来，被基质中的微生物利用。 植物 植物作为人工湿地的特点，是其不可缺少的重要组成部分。常用于 湿地的植物主要有芦苇、香蒲、美人蕉、灯芯草、风眼莲和水葱等。在 污水处理过程中，植物可以防止基质冲蚀、为微生物提供附着场所：同 时，植物还通过自身的新陈代谢作用吸收污水中的营养物质，植物的根 系还能将氧气输送到根区，提供根区微生物生长、繁殖和降解等过程需 要的溶解氧。 微生物 微生物是人工湿地中的起关键性作用的一个组成部分。湿地系统中的 微生物种类极其丰富，主要包括细菌、酵母菌、真菌、原生动物和藻类， 4 桂林理工大学硕士学位论文 它们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【2 2 ，23 1 。微生物 在废水中可以溶解、吸收和转化污染物，湿地中形成的好氧区、厌氧区 和缺氧区也为不同的微生物提供了生长环境。它们在分解有机物以及脱 氮除磷的过程中发挥着重要的作用。 ( 3 ) 人工湿地的类型 目前对人工湿地系统的分类方式多样，从水力学角度，可分为水面 湿地和渗滤湿地【24 1 根据植物的存在状态，人工湿地主要可划分为浮水 植物人工湿地、浮叶植物人工湿地、挺水植物人工湿地和沉水植物人工 湿地。在水处理技术上，从工程角度出发采用较多的分类方法是按水流 方式差异分为4 种基本类型：表面流人工湿地( s f w ) ；潜流人工湿地 ( ssf w ) ；垂直流湿地( v f w ) ，潮汐流人工湿地( t f w ) 【”吒7 j 。 表面流人工湿地( sfw ，s u r f a c ef l o ww e t i a n d ) 也称为水面湿地 ( w a t e rs u r f a c tw e t l a n d ) 、自由水面湿地( f r e ew a t e rs u r f a c ew e t l a n d ) ， 是最接近自然湿地的人工湿地。在表面流湿地系统中，污水在湿地的表 面流动，水位较浅( o 1 m o 6 m 之间) 。污水中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。其优点在于投资省、操作简 便、运行费用低；缺点是负荷低，去污效果不高。总体来说处理效果并 不理想，不能充分利用基质及植物根系的作用，对n 、p 处理率偏低【2 8 弓引。 该湿地系统运行受自然气候条件影响较大，夏季容易滋生蚊蝇、产生臭 味，冬季在寒冷地区床体表层容易结冰。 潜流人工湿地( ss f w ，s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) 也称为水平流人 工湿地( h o f i z o n t a lf l o ww e t l a n d ) 。潜流人工湿地基质中形成连续的好氧、 缺氧和厌氧状态，污水水平流过湿地床中的填料，可以充分利用填料表 面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用，从而提 高处理效果与s f w 相比，该系统的保温性好，污染负荷较大，对有机 物、ss 等的处理效果较好，但投资比sf w 略高。由于该系统受到气温影 响较小，较适于冬季寒冷气候条件下污水的处理，卫生条件较好，目前 在欧美等国家广泛应用3 列。其主要缺点是脱氮除磷效果不及下面提到 的垂直流人工湿地( v f w ) 。 垂直流人工湿地( v fw ，v e r t i c a lf i o ww e t l a n d ) 综合了表面流人工 湿地和潜滚人工湿地的特点，水流在填料床中基本上呈由上向下的垂直 流，水流漉经床体后被铺设在出水端底部的集水管收集并排出系统。该 类湿地与sfw 相比具有较高的氧传递能力和硝化能力，可用于处理氨氮 桂林理工大学硕士学位论文 含量较高的污水【3 3 ，3 引。其缺点是对有机物的去除力不如水平潜流人工湿 地系统，落干、淹水时间较长，控制相对复杂。建造要求高。夏季在床 体运行一段时间后，会孳生蚊蝇，容易堵塞，从而降低处理效率，需采 取相应的措施，增加了基建维护费用p 。 潮汐流人工湿地( t f w ，t i d a lf l o ww e t l a n d ) 潮汐流人工湿是近年来由英国的伯明翰大学研究并提出的。在这种湿 地系统中。芦苇床按时间序列交替地被充满水和排干，充分利用充水和 排水的过程大大提高氧的传输速率和消耗量，从而提高了芦苇床的处理 效果。但不足之处在于，该湿地床经运行一段时间后，床体可能会被滋 生的大量生物所堵塞，限制了水和空气在床体内的流动，从而导致处理 效果降低因此，设计中可考虑采用备用床交替运行，以便利用闲置期 进行生物降解 人工湿地的运行方式主要有一下几种： - ) 簟一式 r f 广 l l 一r i l ，l ， c ) 串联式 r 竺 i l i i!l o ( b ) 并联式 - i 1 卜 ( d ) 综合武 图1 1人工湿地运行方式 f ；g 1 1t h eo p e r a t i o nm o d eo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d 1 2 2 人工漫地的净化机理 多项研究表明，人工湿地在净化污水过程中是依靠基质、植物和微 生物三者相互联系，通过物理、化学、生物的协同作用来实现的。其对 6 桂林理工大学硕士学位论文 主要污染物的净化机理如下： ( 1 ) 悬浮物去除机理 人工湿地中的悬浮物可通过基质填料和附殖层的过滤、植物根系和 茎的拦截、湿地微生物的降解作用等得以去除。污水进入湿地后，悬浮 物颗粒会被基质中的颗粒粘附，发生扩散、惯性、沉淀、拦截和水动力 等一系列的作用，较大的颗粒物还会在重力作用下产生沉淀作用。湿地 床体在长时间的浸水环境下还会形成很多基质胶体，也具有一定的吸附 能力。湿地植物的根系与基质相互交错，对悬浮物颗粒起到吸附拦截的 作用，根系越发达，作用越显著。微生物能对污水中可溶性的有机悬浮 颗粒进行降解，合成自身细胞的组分p 引。 ( 2 ) 有机物去除机理 人工湿地中有机物的去除主要是通过物理的截留、沉淀和生物的吸 收、降解等共同作用的完成的。湿地污水中的不溶性有机物通过湿地中 填料和植物根系的拦截和沉淀而被去除，同时为部分兼性或厌氧微生物 所利用；而可溶性有机物通过植物根系和基质表面生物膜的吸附、吸收 以及微生物的降解被去除，小分子的有机物还可以被植物作为营养物质 直接吸收f 3 6 ，37 1 。 ( 3 ) 氮的去除机理 污水中的氮主要以有机氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮这几种形态存在。 湿地系统中氮的去除主要通过基质的吸附和化学反应，植物组织的吸收 摄取，氨的直接挥发，微生物的分解转化等途径。大部分有机氮在氨化 菌的作用下转化为氨态氮，随后，在有氧的环境下，氨态氮在亚硝化菌 和硝化菌作用下发生硝化反应，转化为硝态氮，最后在反硝化菌的作用 下将亚硝态氮和硝态氮还原为气态氮，并从水中逸出，达到脱氮目的。 通过定期对植物的收割可以将氮从污水和湿地中去除，因此地上生物量 大的植物有利于氮的去除。一般氨氮的挥发作用很小，大约只占总氮去 除的o 5 ，可以忽略不计。不同的基质对氮的去除效果差异也较大，基 质的氧化还原电位、含水率、渗透系数等对脱氮效果也会产生影响，但 总体来说基质对氮去除的作用不具持久性。影响湿地脱氮的因素还有温 度、溶解氧、碳源、p h 值、停留时间等【3 8 4 2 1 。 ( 4 ) 磷的去除机理 普遍研究认为，人工湿地对磷的去除是通过基质的吸附等物理化学 作用，植物吸收、微生物转化等共同作用完成的。而在湿地运行的过程 中，基质通过吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等物理和化学的 7 桂林理工大学硕士学位论文 作用来净化污水中的磷，被认为是最有效的去除途径，但会随着基质达 到饱和状态而减弱。磷是植物生长必需的元素之一，但不同的植物对磷 的吸收蓄积能力不同。同时植物发达的根系也为微生物提供了更大的附 着场所，促进了微生物对磷的降解和利用。微生物对磷的去除主要表现 为对磷的正常同化和过量积累【4 3 - 49 1 。 1 2 3 人工湿地在污水处理中的应用 人工湿地是上世纪七十年代发展起来的一种生态型污水处理技术， 近年来在国内外都取得了迅速的发展和运用。据资料统计显示，欧洲共 有6 0 0 0 多座处理城市污水的人工湿地，而北美有l0 0 0 多座处理城市污 水和工业废水的人工湿地处理系统【23 1 。人工湿地的应用也从早期的基本 只应用于城市生活污水发展到其他类别和行业的废水处理领域中。 ( 1 ) 城市生活污水 人工湿地目前最普遍的处理对象就是生活污水，主要以潜流式人工 湿地应用较为广泛。但通常用于人工湿地处理生活污水的规模都不超过 5 0 0 m 3 d ，不适合处理污水量较大的废水。而目前人工湿地多用于城市污 水二级处理后的深度处理。 ( 2 ) 雨水径流 雨水径流中含有大量的悬浮物等污染物，直接排放会对地表水造成 严重的污染。很多研究数据表明，人工湿地对雨水径流中各种污染物的 的去除效果均较为理想。该技术在英国、德国、美国等发达国家都有相 应的应用。 ( 3 ) 工业废水 人工湿地对工业废水的处理主要在食品废水、石油化工废水、水产 养殖废水、矿业废水等领域。大量成功的实例说明人工湿地在去除某些 金属离子、有机物和固体纤维等方面有着很好的效果。石油化工等行业 中人工湿地一般应用于废水的后续深度处理。 ( 4 ) 农业面源污染 农业面源污染主要包括农村生活污水、农药和化肥污染的地表径流、 集约化养殖废水等方面。这类废水主要表现的特点是氮、磷污染较严重， 而人工湿地投资少，技术含量低，运行管理简单，对氮、磷等污染物均 有着较好的去除效果，非常适合在农村等地推广应用。 ( 5 ) 垃圾渗滤液 国内应用人工湿地处理垃圾渗滤液的实例较少，而在美国、英国、 8 桂林理工大学硕士学位论文 波兰等地日益被重视并有着很多成功的应用。垃圾渗滤液的水质污染物 复杂，c o d 、b o d 和氨氮等浓度较高，且水质流量波动大。运用人工湿 地进行处理不但对水量变化的适应能力较强，而且可以节约投资和管理 的成本。 1 2 4 国内外人工湿地污水处理技术的发展现状 公认的第一坐人工湿地是l9 0 3 年建在英国约克郡e a r b y 的湿地系统， 其持续运行到l9 9 2 年【5 0 l 。至今，随着技术的日趋完善，人工湿地在世界 各地已经得到了广泛的应用。据不完全统计，目前美国有6 0 0 多处人工 湿地用于处理市政、工业和农业废水1 5i j 。丹麦、德国和英国各国至少有 2 0 0 处人工湿地运行【52 1 。新西兰也有8 0 多处投入使用1 53 1 。不仅在欧洲和 北美，亚洲、澳洲，拉丁美洲也有越来越多的人工湿地污水处理系统建 成和投入运行。 我国对人工湿地研究较晚，直到“七五 期间才开始了较大规模的研 究，发展较快，“九五一期间逐渐受到广大学者的关注l ”j 。l9 9 0 年7 月 在深圳建起的白泥坑人工湿地处理系统是我国第一个人工湿地污水处理 工程，其处理规模为3lo o m 3 d 。随后，北京昌平、深圳、天津、成都和 武汉等陆续建立了人工湿地试验基地。经过2 0 多年的研究和推广，现在 人工湿地污水处理系统在我国已得到广泛应用，其领域涉及到生活污水 处理、工业废水处理【5 5 5 引、农业点源面源污水处理及【57 1 ，河道湖泊富营 养化控制等l5 s 】。 1 3 本课题研究的目的、内容和意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于广西科学基金项目“基于人工生态系统的旅游景区污 水资源化技术研究”( 桂科自0 6 7 9 0lo ) 。 1 3 2 本课题研究的目的与意义 目前，很多城市的旅游景区大多远离市区，市政排污管网不健全，随 着旅游业的发展，人口的增多，旅游景区的水污染问题日益受到重视。 旅游景区的生活污水主要为淘米、洗菜、洗澡和洗厕废水。该污水中含 有较高的粪尿成份，氮、磷含量较高，故处理时不仅要削减有机物、还 9 1 桂林理工大学硕士学位论文 要进行脱氮除磷。而人工湿地污水处理工艺具有建造和运行费用低、维 护方便、处理效果好、适用范围广、水生植物美观及具有经济价值、对 负荷变化适应能力强等优点。国内外研究表明，该工艺尤其适用于旅游 景区污水的资源化利用，并广泛应用于景区污水处理。人工湿地污水处 理技术以其独到的优势，对氮、磷有良好的处理效果，有着广泛的发展 空间。目前对于人工湿地的处理效率、基质及植物的筛选研究相对较多， 对人工湿地去除污染的机理及其深入系统和定量化的研究相对较少。从 而使目前人工湿地的设计方法都是基于统计数据和经验方法之上，并且 对人工湿地长期的处理效果缺少可靠的预测方法。本实验研究的结果可 以为旅游景区，尤其是远离城市的生态旅游景区提供一种处理效率好、 投资省、管理简便且构筑物能够景观化的污水处理技术。 1 3 3 本课题研究的内容 本次实验通过设计人工湿地小试装置，对模拟旅游景区生活污水进 行氮、磷等污染物的去除实验，以确定其影响因素，优化技术参数，从 而建立垂直流人工湿地模型，进而在这个模型的基础上研究人工湿地脱 氮除磷的迁移转化规律，探讨人工湿地中填料、植株、微生物的作用和 关系。 本研究主要完成以下几组实验： ( 1 ) 不同反应停留时间下4 种人工湿地污染物去除效率对比研究； ( 2 ) 垂直流人工湿地中不同出水口处理效果研究； ( 3 ) 垂直流人工湿地中基质全氮、全磷含量研究； ( 4 ) 垂直流人工湿地中植物全氮、全磷含量研究： ( 5 ) 垂直流人工湿地中微生物数量变化研究。 1 3 i 技术路线 技术路线见图1 2 。 l o 桂林理工大学硕士学位论文 图1 2 技术路线图 f i 9 1 2s k e t c hm a pf o rt h i ss t u d y 桂林理工大学硕士学位论文 第2 章几组人工湿地污染物去除效果对比试验 2 1 引言 人工湿地修复污染水体，具有良好的治理修复功能与景观效应，广泛 应用于处理生活污水、工农业废水、雨水径流等，成为重要的水环境修 复技术之一t 5 乳“l 。植物是人工湿地系统的重要组成部分，对污染物的转 化和降解具有重要的作用【6 弘6 6 l 。它通过直接吸收利用污水中的营养物质， 到达去除污染物，净化水质的效果。湿地植物种类很多，挺水植物拥有 发达的根系和生物个体，可以更好的吸收、拦截、同化、过滤污染物， 是人工湿地常用的主要植物类型。 本实验选择两种当地常见挺水植物一一美人蕉( c 口，l 门口，2 d f c 口) 和富 贵竹( d ，口c 口p 疗口s 口门如，口门口) ，以塑料水桶为试验装置、配置生活污水为 净化对象，分别以单一植物和两种植物混合种植的方式，研究了这两种 挺水植物在不同种植体系和反应停留时间下对生活污水中n h