（环境工程专业论文）人工湿地中磷的行为与去除机理的研究.pdf

摘要 摘要 人工湿地是一种高效的污水除磷技术，但目前对该技术缺乏深入和系统的研 究，尤其是国内对人工湿地的研究还处于起步阶段，这一实际情况大大影响了人 工湿地污水处理技术在我国的应用和推广。 通过建立两个垂直潜流型人工湿地模拟装置，考察了其对模拟生活污水中总 磷的处理效果。试验前期一个种植芦苇，另一个不种任何植物作空白对照，研究 了有植物的系统高效除磷的原理。试验中后期两个装置分别种植石菖蒲和美人 蕉，考察了水力负荷、进水水质、水力停留时间、干湿交替、季节变化、p h 值 条件等对人工湿地除磷效果的影响，最后对人工湿地中磷的行为和去除机理进行 了探讨。试验结果如下： 在水力负荷为o 1 5 m 3 m 2 d 时，芦苇床对总磷去除效果最好，出水总磷浓 度平均为0 3 9 m g l ，去除率达到9 2 ，而空白床出水总磷浓度平均为0 9 6 m g l ， 总磷去除率为7 8 8 1 ；同时从中部出水口出水水质来看，污水流经芦苇床上部 填料时大约总磷的6 7 3 3 已经被去除了，而空白装置上部填料只去除了总磷的 3 1 1 3 左右。 对总磷浓度为3 7 m g l 的生活污水，随着水力负荷的增大，石菖蒲和美人 蕉两种植物床出水总磷浓度依次增加，去除率逐渐减小。水力负荷为0 1 0 m 3 m 2 - d 时，总磷去除率均能达到9 0 0 , 6 以上，出水总磷浓度除均 o 6 m g l ，当水力负荷达 到o 3 0 n 1 3 矗d 时，对进水总磷为4 m g l 的污水，两种植物床去除率分别达到 7 3 3 和7 7 ，而进水总磷浓度为7 m g l 时，去除率只有5 7 和6 3 3 7 。水力 负荷从o 2 0 m 3 m 2 d 增加到o 3 0 0 l n 2 d 时比水力负荷从o i o m 3 m 2 d 增加到 0 2 0 m 3 m 2 d 时出水总磷浓度升高得要快，总磷去除率下降得快。 出水总磷浓度受进水总磷浓度的影响，在同一水力负荷下，出水总磷浓度随 进水总磷浓度的增加而增加。在试验研究的水力负荷范围内，两装置在进水总磷 浓度不超过4 m g l 时，出水总磷浓度均可低于l m g l 。在除磷效率方面，对进水 总磷浓度小于6 m g l 同时水力负荷小于0 2 m 3 m 2 d 时，除磷效率随进水总磷浓 度的增加而增加，但超过这一值后，除磷效率随不同水力负荷均有不同的下降趋 势，即除磷效率在进水总磷浓度为6 m g l 左右时最高，即使在0 2 0 m 3 m 2 d 时 广东r 业大学工学硕士学位论文 两植物床均能达到8 5 以上的总磷去除率；但水力负荷超过0 2 m 3 m 2 d 后，除 磷效率在进水总磷浓度为4 m g l 左右时最高。 随着系统的连续运行，总磷的去除效率会缓慢下降。连续运行一周的结果显 示，石菖蒲床和美人蕉床总磷去除率分别由8 9 4 下降到8 5 2 和由9 1 3 下降 到8 3 o 。但经过两天的间断停工后，湿地的除磷效率得到恢复，两种植物床分 别达到8 9 2 和8 8 6 。同时随着连续运行时间的推移，系统上部在总磷去除率 中的比重逐渐下降，而下部却在逐渐上升。 两个装置8 月中旬到1 2 月中旬的运行数据显示，8 月中旬的除磷效率分别达到 8 8 3 和9 2 o ，而1 2 月中旬最低，分别为8 1 5 和8 2 3 。上下波动幅度均在1 0 之内。 p h 值在5 9 之间变化时。对进水总磷浓度在5 8 7 6 1 3 m g l 的原水，出水总 磷浓度石菖蒲床和美人蕉床分别在0 7 3 1 5 8 m g l 和0 6 2 1 4 7 m g l 之间。p h 值为7 8 时，t p 的去除效果与试验中的其他范围相比是最好的，而且在p h 值为8 时，t p 的去除率两种植物床都达到了一个最高值即8 7 9 和8 9 7 。 关键词：人工湿地；富营养化；生物除磷；吸附 i i a b s l r a c t t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sah i 【g hr e m o v a le f f i c i e n c yo f p h o s p h o r u s b u tt h e r e s e a r c h e so ft h i st e c h n o l o g yw e r en o te m b e d d e da n ds y s t e i i l i c p a r t i c u l a r l y ，t h e r e s e a r c h e sh a sj u s tb e g u ni no u rc o u n t r y , t h ep r e s e n tc o n d i t i o na f f e c tt h ea p p l i c a t i o n a n de x p a n s i o no f t h i st e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y t w ov e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n du n i tw e l - eb u i l di no r d e rt or e s e a r c ht h e r e m o v i n ge f f e c to fp h o s p h o r u sf r o ml a b o r a t o r yd o m e s t i cw a s t e w a t e ri nt h i sa r t i c l e o n ep l a n tr e e d , a n o t h e rp l a n tn o t h i n g 缸t h ee a r l i e rs t a g eo ft h ee x p e r i m e n t t h eh i g h r e m o v a le f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u sf r o mt h er e e du n i tw a ss t u d i e d t h e nt h et w ou n i t p l a n tg r a s s l e a fs w e e t f a l gr h i z o t n ca n dc a n n ag e n c r a l i sf o re a c ho t i 髓t h ee f f e c to f h y d r a u l i cl o a d , i n f l o ww a t e rt pa n dc o dc o n c e n t r a t i o n , h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e , d r y a n dw e tc h a n g e s , s e a s o nc h a n g e s , p hv a l u eo nt pr e m o v a le f f i c i e n c yw e l e i n v e s t i g a t e d t h eb e h a v i o ra n dr e m o v a lm e c h a n i s mo f p h o s p h o r u si nw e t l a n dh a da l s o s t u d i e d w l 圯nt h eh y d r a u l i cl o a di so 1 5 m 3 m 2 正t l 砖r e e du n i ta c h i e v e dt h eb e s tt p r e m o v a le f f i c i e n c y9 2 ，t pc o n c e m r a t i o no fo u t f l o ww a so 3 9m g ，l ，t h eb l a n ku n i t t pr e m o v a le f f i c i e n c ya n dt pc o n c e n t r a t i o no f o u t f l o ww a g0 9 6n g la n d7 8 8 1 ， 6 7 3 5 a n d3 1 1 3 o f t o t a lp h o s p h o r u sw e r er e m o v e dd e p e n do nt h eu p p e rf i l l e rf o r r e e da n db l a n ku n i t ，r e s p e c t i v e l y t h et pr e m o v a le f f i c i e n c yb e c a m ew o i s ew i t ht h eh y d r a u l i cl o a di n c r e a s ef o r b o t hg r a s s l e a fs w e e t f a l gr h i z o n l ea n dc a n n ag e n e r a l i su n i tw h e nt h ei n f l o wt p c o n c e n t r a t i o nw a s3 - 7 n g l w h e nt h eh y d r a u l i cl o a dw a s0 1 5 m 3 m 2 d b o t hu n i tt p r e m o v a le f f i c i e n c yc a l lg e t9 0 ，o u t f l o wt pc o n c e n t r a t i o n o 6 m g l ，b u tt h et p r e m o v a le f f i c i e n c yw o u l dd r o pt o7 3 3 a n d7 7 o r5 7 a n d6 3 3 f o rt p c o n c e n t r a t i o no fi n f l o ww a s4 m g lo r7 m g la tt h eh y d r a u l i cl o a d0 3 m n ：d , t h e o u t f l o wt pc o n c e n t r a t i o nw o u l di n c r e a s ef a s ta n dt pr e m o v a le f f i c i e n c yw o u l dd r o p f a s tw h e nt h eh y d r a u l i cl o a do 2 0 - - 0 3 0 m 3 m ：dc o m p a r e dt oo 1 m 加2 0 m 3 m 2 d 1 1 砖o u t f l o wt pc o n c e n t r a t i o no f t h et w ou n i t sw e r e l m g lo nt h ec o n d i t i o nt h a t i n f l o wt pc o n c e n t r a t i o n 4 m g l t h eh i g h e s tt pr e m o v a le f f i c i e n c ya t t a i n e da tt h e i n f l o wt pc o n c e n t r a t i o nw a s6 m g lo r4 m g lo nt h ec o n d i t i o nt h a th y d r a u l i c1 0 a d o 2 m 3 m 2 d w h e nh y d r a u l i cl o a do 2 m 3 m 2 d i n f l o wt p i l l 广东t 业大学【= 学硕士学位论文 c o n c e n t r a t i o n6 m g l ，t h et pr e m o v a le f f i c i e n c yc a l lg e t8 5 f o rb o t hu n i t 1 r i 砖t pr e m o v a le f f i c i e n c yb e c a m ew o r s cw i t ht h ec o n s e c u t i o nc i r c u l a t e a t t e r c o n s e c u t i o nc k c u l a t eaw e e k , t h et w ou n i t st pr e m o v a le f f i c i e n c yd e s c e n df r o m 8 9 4 t o8 5 2 a n d9 1 3 t o8 3 o b u ta f t e rt w od a y sc e a s ew o r k , t pr e m o v a l e f f i c i e n c yr e c o v e r t o8 9 2 a n d8 8 6 r e s p e c t i v e i s m o r ea n dm o r et pw o u l d r e m o v e db yt h eu p p e rf i l l c r , b u tl e s sf o rt h el o w e rf i l l e rw h e nt h eu n i tc o n s e c u f i o n c i r c u l a t e t h et w ou n i t st pr e m o v a le f f i c i e n c yw e r e8 8 3 a n d9 2 o i nt h em i d d l eo f a u g u s t b u t8 1 5 a n d8 2 3 t h el o w e s ti nt h em i d d l eo fd e c e m b e r , r e s p e c t i v e l y , m o t i o nr a n g e l o 1 1 比t w ou n i t so u t f l o wt pc o n c e n t r a t i o nw e r eo 7 3 1 5 8 n 】g la n do 6 2 1 4 7 m g lw h e nt h ei n f l o wt pc o n c e n t r a t i o na n dp hv a l u ew e r e5 8 7 6 1 3 删皿a n d 5 9 t h eb e s tp hv a l u ef o rt pr e m o v a le f f i c i e n c yw a s7 8 w h e np hv a l u e8 ，t h eb e s t t pr e m o v a le f f i c i e n c yw f f l e8 7 9 0 , 4a n d8 9 7 f o rt h et w ou n i t ，r e s p e c t i v e l y k e ，rw o r d s ：岱虮l c 蠡。d w 幽妇；a m q 出如如；k 0 l o g i 翻d 晖t l o n s 肥r l l 帆脚；硅吼l p 6 0 n 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名罗移尹 一氇、a 首 - - 0 0 年五月 第章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 目前我国水域磷污染现状 随着工业生产的增长，人口的增加，含磷洗涤剂和农药、农肥的大量使用， 近年来水体磷污染日益严剧。受磷污染的水体，藻类大量繁殖，藻体死亡后分解 会使水体产生霉味和臭味。许多种类还会产生霉素，并通过食物链影响人类的健 康。氮、磷是引起水体富营养化的主要元素，如今水体富营养化已成为举世关注 的问题。 据2 0 0 5 年中国环境状况公报报道：2 0 0 5 年，2 8 个国控重点湖( 库) 中，满 足类水质的湖( 库) 2 个，占7 ；类水质的湖( 库) 6 个，占2 1 ；水 质的湖( 库) 3 个，占1 1 ；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 为总氮和总磷。特别是滇池，2 0 0 5 年滇池草海处于重度富营养状态，总磷均值 为l0 7 m g l ，富营养状态指数达到7 6 。2 0 0 5 年l o 个重点大型淡水湖泊中，鄱阳 湖为劣v 类水质，洞庭湖为v 类水质，主要污染物均为总磷。 表卜12 0 0 5 年重点湖库水质类别 t a b 1 1w a t e rq u a l i t yo fs o m el a k e si nc h i n a 2 0 0 5 近年来由于氮、磷等营养物的大量排入，引起我国海域从北到南( 从渤海到 南海) 多处大面积的赤潮，对海洋生态和水产造成严重的损害。2 0 0 5 年，全海 域共发现赤潮8 2 次，较上年减少约1 5 ，累计发生面积约2 7 0 7 0 平方公里，与 上年基本持平，但有毒藻类引发的赤潮次数和面积大幅增加。大面积赤潮集中在 广东t 业大学1 = 学硕士学位论文 浙江中部海域、长江口外海域、渤海湾和海州湾等。赤潮监控区继续发挥作用， 区内发现赤潮4 2 次，累计面积近1 5 4 2 0 平方公里，分别约占全海域赤潮累计发 生次数和面积的5 1 和5 7 。东海仍为赤潮的重灾区。赤潮主要对沿岸鱼类和藻 类养殖造成影响，因赤潮造成的直接经济损失逾6 9 0 0 万元。 磷是引起水体富营养化的关键营养物质，要解决水体富营养化问题，首先要 从污水中除去磷。 1 2 含磷污水处理现状 发达国家对于除磷的研究和生产应用已有2 0 多年的历史，我国这方面的研 究开始于2 0 世纪8 0 年代。欧洲除磷总比例为1 3 ，其中丹麦、挪威、瑞典和瑞 士是欧洲废水除磷比例最高的国家，瑞士和瑞典的除磷比例达到9 0 5 。1 。目前， 国内外污水除磷技术主要有生物法和化学法两大类。生物法主要适合处理低浓度 及有机态含磷废水，而化学法主要适合处理无机态含磷废水，化学法中的混凝沉 淀法除磷效率高，是一种可靠的高含磷废水处理方法。 1 2 1 生物法除磷 生物法除磷技术于2 0 世纪8 0 年代在欧洲得到了较广泛的应用。其原理是利 用聚磷菌在好氧环境中摄取的磷量比在厌氧环境中释放的磷量多，通过剩余污泥 的排放，来减少处理系统中的磷。生物除磷技术的推广应用，归因于其诸多优点： 节省化学药剂；在厌氧阶段进行水解、酸化和气化( 在厌氧段产生c h 、c 如和心 等气体) ，可使污泥产量低并具有良好的脱水性能，无需再进行消化处理，为此 可以取消污泥消化池；生物除磷污泥的肥料价值高等。 现今处理厂出水含磷浓度的排放标准日趋严格。因此，如何提高生物除磷的 效率已成为水处理技术的重大课题。 到目前，应用比较成功的生物除磷工艺有a o 、a 2 0 、s b r 、u c t 、b a r d e n p h o 、 u n i t a n k 、v i p 、氧化沟等。 一般污水处理要同时考虑脱氮和除磷，脱氮反硝化和聚磷菌厌氧释磷都需要 碳源，这个潜在的矛盾往往使废水中有限的碳源不能同时满足这两方面的需要 。在a 2 0 、u c t 和v i p 等工艺之问作出选择的最重要因素就是进水b o d 5 t p 的 比值。如果比值大于2 0 ，污泥回流液所携带的硝态氮可能不会影响除磷效果。 由于不需增设一套回流系统，a 2 o 工艺或a a o 改良工艺更具吸引力。如果进入 2 第一章绪论 生物除磷系统的迸水b o d s t p 比值低于2 0 ，就有必要考虑采用u c t 和v i p 类工艺。 为了提高生物除磷的效率，还要综合考虑工艺的运行参数。如好氧池和厌氧 池的d o 、泥龄、水力停留时间、温度、p h 值等等。值得注意的是，出水s s 中的 含磷量不容忽视，即二级处理出水的s s 浓度及其含磷量对生物除磷工艺的运行 效果有很大的影响，除磷工艺的m l s s 的含磷量的报道值为2 3 7 o 嘲。为了 获得较低的出水磷浓度，必要时要设置出水过滤装置，以期通过减少出水s s 浓 度来降低出水磷浓度。 生物除磷技术大部分采用活性污泥法，用生物膜进行生物除磷的研究和应用 至今还很少。由德国开发的l i n p o r - c n 工艺是一种悬浮载体的生物膜反应器。其 除磷机理主要是其生物膜载体填科，l c m 见方的泡沫塑料小方块，在其表面形成 生物膜后，从表面到内部存在溶解氧梯度，相应处于好氧、缺氧和厌氧状态，致 使每个附着生物膜的泡沫塑料都成为一个微型反应器，污染物进入其中能进行好 氧、缺氧和厌氧反应，从而能进行硝化、反硝化和生物除磷过程。并达到相当高 的氮、磷去除效率。 1 2 2 化学法除磷 生物除磷是一种相对经济的方法，但磷的去除率通常只有3 0 4 0 “，在除 磷要求比较严格的场合，常常采取化学除磷。 化学沉淀法是一种应用较早和较广的除磷技术，其原理是投加的阳离子絮凝 剂与污水中的p o , 形成不溶性化合物，同时由于污水中的o k 的存在，最终产生 氢氧化物絮体，通过固液分离的方法从污水中脱除，达到除磷的目的。化学沉淀 法采用的化学试剂一般是铝盐、铁盐( 包括亚铁盐) 石灰和铝铁聚合物( a v r ) 等。王立立“1 等以生活污水二级生化处理后的出水为研究对象，考察了铁盐对浓 度在2 4 m g l 范围内的总磷的混凝去除效果及影响因素。结果表明，铁盐在投 加量较低时，适当提高g t ( 搅拌强度) 值可使总磷去除率增加1 5 2 0 ，在适 当的混凝搅拌强度条件下，三价铁盐和聚合硫酸铁对总磷去除率增加均在7 0 以 上，混凝后过滤可使出水中总磷降至0 5 m g l 以下。刘召平“等也用铁盐进行了 化学同步除磷的研究，试验得到：对于总磷含量在2 4 m g l 左右的般城市污 水，采用铁盐化学同步除磷工艺能够稳定地达到t p i o m g l 的出水标准 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 二级标准) ，如果加大铁盐的用量可以达到t p o 5 m g l 的一级标 广东工业大学下学硬+ 学位论文 准。而对二沉池出水进行化学除磷时，若要求出水t p o 5 m g l ，则往往需要采 用过滤工艺。不同试剂除磷效率还取决于废水的p h 值：对于铁离子，最适宜的 p h 值为7 5 8 0 ；对于亚铁离子，则为7 o 8 o ；而铝离子为5 8 6 9 。 但是，具有生物脱氮除磷功能的生物法处理工艺必须建设二级和三级处理设 施，增大了基建投资和污水的处理成本，污水处理造价在1 0 0 0 元每吨以上，运 行费用在0 3 1 2 元吨之问，而我国2 0 5 0 年以前尚需投入建设的污水处理厂 还需投资1 0 0 0 亿元左右，再加上管网费用需投资2 0 0 0 亿元，那么年运行费用近 1 0 0 亿元“1 。而化学除磷需要消耗大量的化学药剂，处理费用高，产生带结晶水 的化学污泥，难以处理；并且金属盐的负价离子( 氯和硫) 存在于水相中，导致 水体盐度增加，碱度降低；p h 大幅降低( 例如小于6 5 ) ，会抑制硝化反应等。 再加上长期以来人们大多集中于点源污染的治理，像城市生活污水和工业废 水，在其源头很容易采用节约用水、清洁生产、循环使用等方法来减少污废水的 排放量，并在末端收集、集中处理，而使之得到治理，以减少对环境的危害；而 非点源污染主要是来自农村生活生产废水，城市、农田和矿山的暴雨径流等，极 其分散，水质、水量变化很大，很难收集集中处理，对水环境产生了很大的影响。 据美国环保局对国会的报告”1 ，引起湖泊污染的污染物7 6 来源于非点源污染。 其中农业污染占5 0 以上。 因此，如何提高污水的收集处理率，特别是如何采用低投入、低能耗、高 效率、易管理操作的处理工艺，来提高广大农村地区生活、生产污水和城乡暴雨 径流中较难处理的磷酸盐的去除效率，是改善我国河流、湖泊水环境质量，控制 水华和赤潮的关键。而上个世纪出现，并逐渐兴起的人工湿地处理工艺为解决这 一难题提供了可能。 1 3 人工湿地污水处理技术的发展与应用 人工湿地污水处理技术是2 0 世纪七八十年代发展起来的一种污水生态处理 技术。由于它处理的废水种类非常广泛，如生活污水、工业废水、垃圾渗滤液、 地面径流雨水、合流制下水道暴雨溢流水等、还能高效去除有机污染物，氮、磷 等营养物。其投资和日常运行费用仅为常规二级污水处理厂的1 1 0 1 2 和1 5 1 3 ”3 ，并且与传统污水处理方法相比，具有出水水质稳定，氮、磷去除效率高， 技术含量低、其操作和维护简单、耐冲击负荷、适于处理间隙排放的污水和具有 第章绪论 美学价值等优点”“”，因此近年来得到了迅速的发展和推广运用。据最近报道显 示，欧洲共有6 0 0 0 多座处理城市污水的人工湿地，北美有1 0 0 0 多座处理城市污水 和工业废水的湿地系统“1 。我国在“七五”期间开始人工湿地的研究。首例采用 人工湿地处理污水的研究工作始于1 9 8 8 1 9 9 0 年在北京昌平进行的自由水面流 人工湿地，处理量为5 0 0 t d 的生活污水和工业废水，占地2 h a 。1 9 9 0 年，国家环 保局华南环境科研所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建立实验基地，占地8 4 0 0 d ， 处理3 1 0 0 t d 的城镇综合污水。除此之外，不少单位还对人工湿地系统污水净 化机理、设计及运行参数等问题开展了研究工作“。 各国对人工湿地多年的研究表明，人工湿地能够利用基质、微生物、植物 这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，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废水的高效净化，同时通过营养物质 和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现污水的资源化 与无害化“”1 。这种污水处理技术，无论从其能够处理废水的种类来说，还是从 其能够去除污染物的种类来说，比其他任何废水处理技术具有更加广泛的适应 性。例如，重金属废水、含有多种污染物但浓度很低的降水径流水和垃圾渗滤液 等废水，都难以用活性污泥和生物膜工艺进行处理，但是人工湿地处理却能达到 很好的效果。因此，这种经济、简易和高效的水污染治理技术，不仅适用于发展 中国家，也适用于发达国家，而且这一技术首先是由发达国家研究开发和推广应 用的。可以说，人工湿地已成为全球的水污染治理技术。 1 4 人工湿地技术的分类及其特点 1 4 1 人工湿地技术概述 湿地的定义有多种，目前国际上公认的湿地定义是湿地公约作出的。湿 地是指，不论其为天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带、静 止或流动、淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6 米的水域。天然湿 地是处于水域和陆地过渡地段的生态系统。人工湿地是人工建造的，可控制的和 工程化的湿地系统，建造时在湿地洼池中填充选定级配的填料，在填料表层土壤 中种植成活率高、处理性能好、生长期长、美观、且具有经济价值的水生植物， 形成一个独立的生态系统。 广东工业大学1 = 学硕士学位论文 1 4 2 人工湿地技术的分类 根据人工湿地的构造形式和污水的流态不同，人工湿地可以分为自由表面流 人工湿地( f r e ew a t e rs u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，f w s ) 和潜流人工湿地 执1 5 1 7 。嘲( 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 s s f ) 。 1 4 2 1 自由表面流人工湿地 水面位于湿地基质以上，即污水在湿地表面流过，水深一般为0 3 0 5 m 。 这种人工湿地处理技术源于天然湿地对废水的处理，其水文体系、构造与天然湿 地相似，但经过合理的设计和科学的管理，去污效果优于自然湿地系统。在功能 上相当于强化的土地生物处理系统，对污染物的去除是依靠植株及基质层对悬浮 物的截流作用、在缓流状态下悬浮物的沉降作用、表面水层中有机物的好氧分解、 底层有机物的厌氧分解和基质层对污染物的吸附、吸收及化学反应等；淹没在水 中的植物茎、叶、其表面形成的生物膜，对污水的净化，尤其是有机物和营养物 的净化，起着主要作用。 这种人工湿地具有投资及运行费用低、操作简单等优点。但占地面积大，受 气候影响大，在寒冷的季节表面会结冰、夏季滋生蚊虫、并有传播病菌的可能。 图1 1 表面流人工湿地示意图 f i g 1 - if r e ew a t e rs u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d 1 4 2 2 潜流型人工湿地 潜流型湿地系统中，污水在湿地床的表面下流动，利用填料表面生长的生物 膜、植物根系及表层土和填料的截留作用净化污水。国外所建成的人工湿地中， 潜流型人工湿地占相当大的比例“”。如在新西兰使用的大约8 0 个人工湿地系统 中，表面流湿地占4 5 ，潜流型人工湿地占3 3 ，混合型人工湿地占1 4 。在美 6 第。章绪论 国、欧洲、澳大利亚和南非等地已建成的和正在建设的人工湿地处理系统中大部 分是潜流型湿地。 根据污水在湿地中流动的方向不同可将潜流型湿地系统分为水平潜流人工 湿地和垂直潜流人工湿地2 种类型。不同类型的湿地对污染物的去除效果不同， 具有各自的优缺点。 水平潜流湿地系统，水平潜流人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得 名。它由一个或几个填料床组成，床体充填基质。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和污染负荷大，对b o d s ，c o d ，s s ，重金属等污染 指标的去除效果好，受气候影响小，卫生条件较好、很少有恶臭和孳生蚊蝇现象， 但其设计、管理和维护的要求较高，投资也比i w s 系统高。是目前国际上较多研 究和应用的一种湿地处理系统。它的缺点是控制相对复杂，脱氮、除磷的效果不 如垂直潜流人工湿地m 翻。 图1 2 水平潜流人工湿地示意图 f i g 1 - 2h o r i z o nf l o ww e t l a n d 垂直潜流湿地系统。在垂直潜流人工湿地中污水从湿地表面纵向流向填料床 的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统， 因此与水平流人工湿地相比具有较高的氧传递能力汹r 堋。该系统的硝化能力高于 水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水溉捌。其缺点是对有机物的去除 能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。 7 广东t 业大学下学硕士学位论文 图1 3 垂直潜流人工湿地示意图 f i g 1 - 3v e r t i c a lf l o ww e t l a n d 1 4 3 人工湿地技术的特点 人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统，具有如下优点4 一：造价 和运行费用便宜，湿地系统的投资和运行费用仅为传统的二级污水厂的1 1 0 到 1 2 ，节省能源；易于维护，技术含量低；处理的废水种类广泛，湿地处理不 仅可以用于耗氧有机物和氮、磷等营养物质为主的生活污水处理，也可以处理广 泛的工业性废水，对含重金属和酸性有机及无机矿物污染物的废水也有良好的处 理效果；处理效果稳定，在欧洲和美国，凡是投入运行并达到成熟阶段的人工 湿地，基本上都达到规定的尾水排放标准；对负荷适应性强，无需污泥处理； 可提供和间接提供效益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖 息、娱乐和教育地；吸引野生动物，并且具有美学价值等。 但也有其不足：占地面积大( 相对于二级污水处理厂) ；易受病虫害影响， 有潜在的疾病传播媒介栖息( 如蚊虫等) ；生物和水力复杂性加大了对其处理 机制、工艺动力学和影响因素的认识理解，缺少全面准确的设计运行参数，设计 和管理人员仍不是很熟悉。因此常由于设计不当使出水达不到设计要求或不能达 标排放，有的人工湿地反而成了污染源。因此，目前人工湿地技术最大问题在于 缺乏长期运行系统的详细资料。 总的来说，人工湿地污水处理系统是一种较好的废水处理方式，特别是它充 分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益， 因此具有较高的环境效益、经济效益及社会效益，比较适合于处理水量不大、水 质变化不很大、管理水平不很高的城镇污水，如我国农村中、小城镇的污水处理。 8 第j 章绪论 1 5 垂直潜流人工湿地的组成及其在磷去除中的作用 废水和自然水体中的含磷物质基本上都是不同形态的磷酸盐。根据是否发生 水解和消化，可以分为正磷酸盐，聚合磷酸盐和有机磷酸盐。正磷酸根在污、废 水中以p 仉、比p 0 4 ，h p 0 4 的形式存在。 根据前人的研究表明。“1 ，人工湿地对磷的去除是通过基质、微生物与植物 的共同作用，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 污水中磷元素的高效去除的，其中生物过程有： ( 1 ) 植物、附着微生物、其它微生物的吸收； ( 2 ) 植物枯枝和基质有机磷的稳定化( 矿化) 非生物过程有棚： ( 1 ) 沉积作用； ( 2 ) 吸附和沉淀作用。 1 5 1 微生物在人工湿地除磷过程中的作用 人工湿地中各种微生物在生长繁殖中可以吸收和利用污水中的无机磷酸盐。 但被微生物吸收利用的磷处在不断吸收和释放的动态过程中，而且组成微生物细 胞体的磷会在微生物死亡后几乎全部被迅速分解释放，回到水体中。但是微生物 的生化作用将湿地中的有机磷酶促水解无机化，溶解性较差的无机磷酸盐则经 过磷细菌的代谢活动增加溶解度，这一过程成为实现人工湿地系统中磷被基质吸 附沉淀和植物吸收利用的关键。 张鸿等在研究风眼莲、水芹人工湿地对东湖污水中的氮、磷净化率与嗜磷 菌、氮细菌的关系中发现；植物根系的分泌物可以促进某些嗜磷菌的生长，促进 磷的释放、转化，从而间接提供净化率。梁葳等的研究也认为，磷细菌的数量 也与磷的去除率呈明显的正相关。这说明微生物对含磷化合物的转化在磷的净化 过程中是一个限制因子“0 州。 1 5 2 湿地植物在人工湿地除磷过程中的作用 湿地植物在人工湿地净化污水中发挥着非常重要的作用： ( 1 ) 植物发达的根系与基质交错成网为微生物附着提供巨大的表面积，易 于形成生物膜，促进了污染物被微生物的降解利用； 9 广东工业大学- i = 学硕士学位论文 ( 2 ) 植物通过光合作用一方面自身能将部分可溶性污染物及微生物分解的 污染物同化吸收，同时，还能将光合作用产生的氧气输送至水体与基质，使根区 周围依次形成多个好氧、缺氧与厌氧的小环境，有利于硝化、反硝化及磷的过量 积累与释放。 水生植物除磷的机制之一就是通过植物本身的吸收作用，只不过植物对磷的 吸收蓄积能力因植物种类的不同而不同，b r i x “2 的研究表明，一些水生植物对磷 的吸收蓄积能力可达3 5 9 p m - 2 a - 1 有研究表明，植物吸收的磷占总磷去除量 的1 0 左右，而5 0 的植物体是生长在土壤之下的，所以通过收获植物去除的磷 一般不足总磷去除量的5 “”，并且收获短期内会使系统出水中磷浓度升高。因 此，应选择合理的植物收获季节和周期，使部分磷有效的排出湿地系统外。 湿地植物向每平方米湿地每天传输5 4 5 9 氧气，具体取决于植物的种植密 度和根区的氧分压“”，这不仅可满足植物在无氧环境中的呼吸需要，而且在植物 根区的还原态介质中形成氧化态的微环境中根区有氧区域和缺氧区域的共同存 在为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供了各自适宜的小环境，使不同的微生物 各得其所，发挥相辅相成的作用m 3 。同时，植物根系的分泌物可以促进某些嗜磷 菌的生长，有植物的湿地系统中的细菌数量显著高于无植物的系统，且植物根部 的细菌数比基质中高l 2 个数量级。 1 5 3 基质在人工湿地除磷过程中的作用 湿地基质往往被认为是磷的最终沉淀池。当污水流经人工湿地时，基质通过 一些物理和化学的途径( 如吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等) 来净化 污水中的磷。k r r e d d y 在研究中发现人工湿地中7 8 7 的磷可能通过沉淀或 吸附反应而降解富含a 1 ”，f e “，c a 2 + 的基质对污水中的磷净化能力强7 , 4 8 1 可溶性的无机磷化合物很容易与基质中的a l ”，f e ”，c a 2 + 等发生吸附和沉淀反应。 其中基质易于与c a 2 + 在碱性条件下发生作用，而与a 1 ”，f e “主要在中性或酸性环 境条件下发生反应。 因此，湿地蓄存磷的能力主要靠基质对磷的吸附及物理化学性质决定，磷的 去除率与湿地系统的基质类型密切相关m 1 。湿地基质中a 1 ，f e ，c a 的含量及基 质的通透能力等会极大地影响人工湿地对磷的去除效率。同时，湿地基质中的氧 化还原电位对基质对磷的吸附有着很大的影响。在好氧环境中，f e ”的存在有利 第一章绪论 于吸附磷酸根，而在还原环境中，f e ”被还原成f e ”，对磷酸根的吸附能力下降。 植物的输氧作用形成的好氧环境也会促进基质对磷的吸附、沉淀、蓄积稳定，这 也是植物系统能够有更好的除磷效果的一个重要原因“。 1 6 课题研究的目的和意义 氮、磷是引起水体富营养化的主要元素，水环境污染和水质富营养化问题的 尖锐化迫使越来越多的国家和地区制定严格的氮、磷排放标准，涉及的控制指标、 内容和数值不断改进，越来越严。我国新颁布实施的污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) 明确规定了适用于所有排污单位，非常严格的磷酸盐排放标准， 这就意味着绝大多数城市生活污水和工业废水处理厂都需要考虑磷的处理“辅1 磷是引起水体富营养化的关键营养物质，要解决水体富营养化问题，首先要从污 水中除去磷。 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。尽管人们对人工湿地去除污染的机理有了一定的了解，但缺 乏深入系统和定量化的研究。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。尤其国 内对人工湿地的研究还处于起步阶段，这一实际情况大大影响了人工湿地污水处 理技术在我国的应用和推广。 因此，本文通过设计两个垂直潜流型人工湿地小试装置，研究其对模拟生 活污水中总磷的处理效果及其影响因素，探讨人工湿地对磷去除的物理化学生物 过程，以期为人工湿地污水处理技术的应用和推广提供相关的科学依据。 1 7 主要研究内容 ( 1 ) 设计两个小型垂直潜流型人工湿地模拟装置，试验启动阶段一个种植 物另一个不种任何植物作空白对照，投配人工配制的模拟生活污水进行试验， 研究人工湿地对总磷的去除效果； ( 2 ) 试验中后期，两个装置分别种上两种不同的植物，以便对照不同植物 床的除磷效果。系统运行稳定后，对其运行情况进行考察，重点是污水处理过程 的影响因素的考查和研究。以及现有污染物去除能力的考察与分析，主要是研究 其对c o d 、总磷的去除效果； 广东丁业大学丁学硕士学位论文 ( 3 ) 研究各种条件对污染物去除率的影响，包括水力负荷、进水水质、水 力停留时间、季节变化、干湿交替、p h 值等； ( 4 ) 研究基质的性质与磷的去除效果之间的关系： ( 5 ) 土壤、植物生长和聚磷菌之间的相互关系；以及基质和微生物协同除 磷作用机理的研究。 1 2 第二章实验研究方法 第二章试验研究方法 2 1 试验仪器 试验过程中所用到的仪器型号、规格及生产厂家如下表所示。此外用到的仪 器还有温度计、试管、烧杯、量筒、移液管、吸耳球、容量瓶、玻棒、滤纸等。 表2 - 1 主要试验仪器 ( t a b 2 - 1t h em a i ni n s t r u m e n t s ) 2 2 试验药剂 表2 - 2 试验试剂 ( t a b 2 - 2r e a g e n t so fe x p e r i m e n t ) 广东工业大学下学硕士学位论文 2 3 试验监测项目 分别测定进出水水质，重点是对c o d 、总磷、p h 、进水水温、大气温度及进 水溶解氧的测定。 2 4 项目分析方法 本试验的水质指标均采用国家环保局编制的水和废水监测分析方法( 第 三版) 一书中所使用的标准方法”“。 2 4 1 总磷的测定 总磷采用铝锑抗分光光度法，称取经1 1 0 烘干2 小时的分析纯 k h 2 p o 。0 2 1 8 7 9 ，用少量水溶解后装移至1 0 0 0 m l 容量瓶中，加( 1 + 1 ) 硫酸5 m l ， 用水稀释至标线，冷藏于冰箱中。可长期使用。取上述贮备液l o m l 转移至2 5 0 m l 容量瓶中，定容配制成磷标准使用液。分别取磷标准使用液0 、0 2 5 、0 5 0 、i 5 0 ， 2 5 0 、5 o o 、7 5 0 m l 于2 5 m l 消解管中，用过硫酸钾消解后采用分光光度法测定 数据绘制磷标准曲线如下： o 7 o 6 拿0 鲎