（环境科学专业论文）蜈蚣草人工湿地处理含砷废水的研究.pdf

a b s t r act 6 5 . 1 6 %, 6 8 . 7 8 % a n d 5 7 .4 2 % r e s p e c t i v e l y w h e n t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e a rt i f i c i a l l y m i x e d w a s t e w a t e r w a s n h 4 - n i o m g / l , t h e i r r e m o v a l e f f i c i e n c i e s o f n h 4 - n i n f o u r s y s t e m s w e r e 6 0 . 8 3 % , 6 3 . 3 8 % , 6 7 .2 5 % a n d 5 0 .3 0 % r e s p e c t i v e l y , wh e n t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e a r t i f i c i a l l y mi x e d w a s t e w a t e r w as n h 4 - n 2 0 m g / l , t h e i r r e m o v a l e f f i c i e n c i e s o f n h 4 - n i n f o u r s y s t e ms w e r e 5 4 . 8 7 %, 5 7 . 5 2 %, 6 1 . 1 2 % a n d 4 8 .9 3 % r e s p e c t i v e l y . wh e n t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e a r t i f i c i a l l y m i x e d w ast e w a t e r w as t p 2 m g / l , c o b b l e - c a n n a i n d i a c a s y s t e m h a d t h e h i g h e s t t p r e m o v a l e f fi c i e n c y t h a t w as 6 5 . 1 9 % , f o l l o w e d b y i n t h e c o p p l e - p t e r i s v i t t a t a l . s y s t e m , 6 0 . 9 4 % , c o p p l e s y s t e m , 5 7 . 4 2 % , a n d c e r a ms i t e s y s t e m h a d t h e l o w e s t r e mo v a l e f f i c i e n c y o f 5 7 . 3 0 0/ x . wh e n t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e a r t i f i c i a l l y m i x e d w as t e w a t e r w as t p 4 m g / l , t h e a v e r a g e r e m o v a l e f f i c i e n c i e s o f t p i n f o u r s y s t e m s ( c e r a m s i t e - p t e r is v i t t a t a l . s y s t e m , c o b b l e - p t e r i s v i t t a t a l . s y s t e m , c o b b le - c a n n a i n d i a c a a n d c o b b l e s y s t e m ) w e r e 5 6 . 1 5 %, 5 9 .4 3 %, 6 3 .4 0 % a n d 5 6 . 2 8 % r e s p e c t i v e ly f r o m t h e r e s u l t o f t h e r e s e a r c h , s u b s u r f a c e fl o w c o n s t r u c t e d w e t l a n d s y s t e m , e s p e c i a l l y t h e c o b b l e - p t e r i s v i t t a t a l . s y s t e m , w as a n i d e a l t r e a t m e n t p r o c e s s t o s o l v e t h e a s - c o n t a i n i n g w as t e w a t e r p r o b l e m s . f o u r c o n s t r u c t e d w e t l a n d s y s t e m s tr e a t e d w as t e w a t e r o f a s , o f c o d a n d o f n 践+ 一， t h e r e m o v a l e f fi c i e n c i e s o f c o m b i n a t i o n o f p l a n t a n d s u b s t r a t e i n d f f e r e n t c o n s t r u c t e d w e t l a n d s y s t e m s w e r e h i g h e r t h a n o f s u b s t r a t e i n c o n s t r u c t e d w e t l a n d s y s t e m. k e y w o r d s : s u b s u r f a c e fl o w c o n s t r u c t e d w e t la n d s ; p t e r i s v i t t a t a l . ; s u b s t r a t e ; a r s e n i c ; r e m o v a l e f f i c i e n c y 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 其 他 人己 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 通达 笙 上 或 其 他 教 育 机构的学位或证书而使用过的 材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 ( 手 写 ) : 面祥事签 字 日 期.7 - 7 年6月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解主昼人堂 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复印件和磁盘，允许论文被查阅 和 借阅 。 本 人 授 权 直 且人 堂可以 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。 ( 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( 手 写 ) : g o , v -*哆 导师签名 ( 手写) 签字日 期: 夕 杯 夕年 6月 1 5日签字日期:沁 尹 ” 夕 学位论文作者毕 业后去向 : 工作单位: 通讯地址: 电话 邮编 第 1 章 引言 第 1 章引言 1 . 1 砷污染的现状与危害 由 于自 然释放 和人为的 大量开采、 生产和使 用， 砷污染的 现象愈来愈严重。 采矿、冶金、 嫌煤、 化工等工业 和农药 产生的大量的含砷废 水给环 境造成了严 重污染。据统计， 地中海沿岸有1 8 个国家，估计8 0 %-9 0 %的污水 ( 包括砷及其 它有害物质)未 经过处理就排入 地中海。据中 国环境状况公 报报道，1 9 %年工 业废水排放量2 0 5 . 9 亿吨，外排工业废水中含砷1 1 3 2 吨，工业废水中 砷严重 超标 的含砷废水达到上亿吨。 砷是一种对人体及其他生物体有毒害作用的致癌物质， 对人的中 毒剂 量为 0 .0 1 - 0 . 0 5 2 g ， 致死量为0 . 0 6 0 . 2 g 。各国对地表水的最高 允许含 砷质量 浓度 一 般 为 5 0 k g / l ， 而日 本等 发 达国 家 则 为l 0 u g /l i . 21 。 长 期 暴 露 在 砷 的 污 染 环 境 下 可导致慢性砷中毒，甚至造成肝癌、皮 肤癌等流行性地方病， 严重损害人体健 康 1 3 . 4 1 。 由各种 源进入人类环境中的砷在局部 环境中聚集， 背景值提高， 从而造 成砷的公害事件时有发生，砷污染已逐渐成为一个世界性的非常突出的环境问 题.目 前世界受高砷危害的国家和地区 主要有孟加拉国、印度、智利、 泰国 、 美国 和中国的 湖南、 台 湾、 内 蒙、 山西部分地区。 据2 0 0 0 年世界卫生组织( o ) 报道，孟加拉国受砷危害人口大概有3 3 7 7 万人，占该国总人口的 ( 1 2 5 万人) 的一大 半。 在印度西孟加 拉邦1 6 个区中有6 个区发现 砷中毒， 面积3 7 4 9 3 k m z ， 病 区人口 3 4 0 0 万， 其中8 0 万人口 处在高砷饮水的暴露之中5 l 。 我国台 湾地区 地方性 砷中毒 危害报道于6 0 年代，目 前已 知砷危害累 及该省7 县市5 6 个乡镇，重 病区人 口 约2 0 万。 我国自 1 9 5 6 -1 9 8 4 年共发生 3 0 余 起砷污 染事件 6 1湖南、 广东、 广西、 云南等省自 古以来就 有开采和冶炼砷的历史， 炼砷区 土壤、水体和植被遭受严 重的污染，对人类的生存环境带来极大的 危害。如 2 0 0 0 年湖南 郴州 炼砷区就因 废渣污染井水连续发生了 两次大规模的人群砷中毒事件，导致2 2 0 多人住院治 疗，引 起国务院的高 度重视;并且湖南郴州 炼砷区因 废渣污染井水，当 地农民 利用污染的 水源灌溉， 致使4 0 h m 2 农田 抛荒。 2 0 0 1 年，中国环境 报报道， 广西河 池五 好矿发生严重的 砷污染问 题， 导致1 1 5 人急性砷中 毒。 2 0 0 4 年1 2 月， 新华网 报道，辽宁阜新县嘉忆铜厂因污水泄漏，大量含有砷、锰等的污水 经地表渗入 第 1章 引言 附近一个水井里，导致1 6 0 人集体砷中毒。另外，部分国家和地区由于砷的背景 值较高也可以 引起砷的 毒害。 如中国 湖南 常宁一带 蕴藏着丰富的 砷矿资 源，各 种含砷矿物的风化、淋溶及迁移形成了大面积的砷毒区，对人们的健康构成极 大的威胁 1 7 1 。 我国有大量工 矿企业、 污灌、 农 药造成的土壤 砷异 常影响植 物和作 物生长发育 的 报道， 仅湖北某处就有1 3 万亩 农田 受砷严重污染 1 8 1 。 甘肃白 银 地区 由于 使用 含砷废水灌溉农田 ，该区 土坡砷严重异常， 全市有1 6 .3 % 的土壤砷超过 当 地 临 界 值( 2 5 m g lk g ) ， 最 高 达1 4 9 m g lk g ， 严 重 影 响 农 业 生 产 气 处理含砷废水的 方法有物理 法、化学法和生化法。目 前，国内外几种常用 的 方 法 主 要 有 沉 淀 、 絮 凝 、 过 滤、 吸附 、 氧 化、 膜分 离 和 生 物 法 110 1 。 化 学 法 处 理含砷废水存在成本高，处 理生 成浮渣易产生二次污染等缺点:物理法只能处 理浓度较低、 处理量不大、 组成单纯且有较高回收价值的废水，而工业废水的 成分较复杂， 所以 物理法实 用化 程度较低:生物法处理含砷废水虽具有经济、 高 效且无 二次污染 等优点，目 前 理论上很成熟，但是实际应用到工业中不多。 因 此研究开 发、 低成本高 效率的 含砷废水处理技术，具有很好的社会、经济和 环境意义。 人工湿地被普遍认为是一种前景广阔的新兴污水处理技术， 人工湿地污水 处 理技术与 传统的 污水处理法相比，具有高效率、低投资、低运转、低维持技 术、 低能 耗等优点。它属于一种生态治理污水的 方法，可 作为污水处理的一种 有效 替代方案，对于节省资金、保护水环境以 及进行有效的 生态恢复 具有十分 重要的 现实 意义，越来越受到世界各国的 普遍重视。 人工湿地用于污水治理的 研究在国内外方兴未艾。 1 . 2 人工湿地的研究进展 1 .2 .1 人 工湿 地在国 际上的 研 究进展 1 9 5 3 年， 德国的d r . k a t h e . s e i d e 1 1 1 2 1 在研究工作中发 现芦苇能去除 大量 有 机和无机 物。 s e i d e l 通过进一步实验发现一 些污水中细菌在 通过种植的芦苇时消 失 ( 大肠菌、 肠球菌、 沙门氏菌)。实验表明芦苇及其他高大植 物能从 水中去 除重金属和碳水化合物。 进入6 0 年代，这些实验室 观察开始发展为许多大规模 实验， 用以处理工 业废水、 江河水、地面径流 和生活污水，并由 s e i d e l 开发出一 种 “ m a x .p ia n c k i n s tit u te .p r o c e s s o 该 系 统由 四 级 或 五 级 组 成 ， 每 级 由 几 个 并 联 并 第 章 引言 栽有挺水植物的池子组成。该 系统存在堵塞和积水问 题。 根 据 s e id e l的 思 路 ， 荷 兰 于 1 9 6 7 年 还 开 发 了 一 种 现 称 为 l e ly s tt a d p ro c e s s 的 大 规模处理系统，该系统是一个占 地一公顷的星形自由 水面 流湿地，水深。 a m , 由于运行问题，该系统后有一4 0 0 m 长浅沟，随后大量这种湿地在荷兰建成。 s e i d e l 的 工作也刺激了 德国在这方面的研究。 6 0 年代中 期， s e i d e l 与k i c k u t h 合作并由 k i c k u t h 开发了 “ 根区 法”( r z m ) 。此根区法由 一种有芦苇的矩形池子 组成， 土壤经选择含有钙、 铁、 铝添加剂，以 改善土壤结构 和对 p 的沉淀性能， 水以 地下潜流水平流过芦苇 根， 污水流 过芦苇 床时， 有机物降 解， n 被硝化、 反 硝化，p 与c a , f e . a l 共沉淀，积累于土壤中。 欧洲的 早期工作对美国人工 湿地技术产生了 影响。 6 0 年代 末， 美国 n a s a 的 国家 空间 技术实 验室研究开发了一种 “ 采用 厌氧微生 物和芦苇处理污水的复合” 。 1 9 7 6 年美国n a s a 出版了一本题为“ 充分利用水生植物” 的书。在其中描述了欧洲 及早期n a s a. n a s a 的砾石床在去除b o d , s s 、大肠菌及n 方面非常有效.北 美的 其他国家也 进行了 一些开拓 性工作。 目 前该技术己 经在欧洲、 美国 及世界各国迅速发展.在欧洲， 人工湿地技 术得到 较快推广 应用， 丹麦 1 9 9 7 年有 1 3 4 个芦苇床湿 地，至2 0 0 2 年，英国 有 人工湿地 6 2 8个，其中用做三级处理的水平流人工湿地为 4 6 3个，法国现有芦 苇床湿地 2 0 0多个，自由 表面流湿 地在欧 洲发展缓慢， 最近在瑞典建了 一座处 理6 5 0 0 p e ， 占 地2 2 公 顷的自 由表面流 湿地。 地下 潜流 在欧 洲应用较多， 在丹麦、 德国等各国至少 有2 0 。 处人工湿地在运 行 13 1 ， 新西兰 也有8 0 多处人工湿地被 投 入使用1 1 4 1 . 特别是在一些东欧国家、应用较广泛。 湿地系统中 采用较多的植物 有， 芦苇、葺蒲、香蒲 等湿地植物，为了保证潜流，绝大多 数还采用砾石作为 填料。此类趋向于对近 1 0 0 0人口当量的乡村级社区进行二级处理。北美 2 / 3的 湿地是自由 表面 流湿地， 其中 一半是自 然湿地 ( 1 - 1 0 0 0 h m 2 ) ， 其余为 人工自 由 表面流湿地 ( 通常比较小， 6 ( p / o 门 于 1 口 e ii ) 。自 然 湿地水力负荷小于人工湿地， 水深范围 一般为 3 0 - 4 0 c m .目 前， 在美国 有 6 0 0多处 人工湿地工程用于处理市 政、 工业和农业废水 ( 4 0 0多 处人工湿地被用于处理 煤矿废 水， 5 0多 处人工湿 地用于处 理生 物污泥， 近 4 0处 人工湿地 应用处理暴雨 径流， 超过 3 0 处人工湿 地用于处 理奶产品加工废 水) 1 s 美国、英国、德国、丹麦、挪威、瑞典、 波兰、比 利时、新西兰、乌克 兰 等国家都有成功运行湿地的经验，居世界领先地位。国外最新研究发现，利用 第 1章 引言 天然湿地和人 工湿地处理污水是 最有效、 经济和 节能的 污水处 理方式 之一。欧 洲与 北美 洲的 研究 最多，且 最深入。 早期人工湿地主要用于处理城市生活污 水 或二级污水处理厂出 水， 后来被国内 外许 多学者 或_ l 程技术人员 经过工艺改 进 或 者 与 其 他 组 合 用 于 农 业 面 源 污 染 16 . 19 、 城市 或 公 路 径 流 等 18 非 点 源 污 染 的 治 理。美国、德国 等的 一些技术人员 还将其推广应用于 处 理小城镇、行 政事业 单 位和垃圾场渗出 液 1 9 . 2 0 . 2 1 。 近十年来， 一些研究开始 涉及用人工湿地处理工 业 废水， 并认为 人工湿地独特而 复杂的 净化机理使其 能够在含重金属工业废水 和 难降解有机废水的 处理中发 挥重要 作用， 但是 迄今为 止应用人工湿地处理 特殊 工业废水的研究和实例尚 不多见。目前主 要集中 在应用人工湿地处理 矿山酸 性 废水、 淀粉工业废水、 制糖工业废水、 褐煤热解废水、 炼油废水、 油砂废 水、 油田 采出 水、 造 纸 废 水、 食 品 加 工 和 奶 制品 加 工 废 水 2 2 -3 3 ， 这 些 废 水的 特征 污 染物主要是金属离子 、 b o d , c o d和油。最近发 达国 家己 将重点转移到利用 人 工湿地处理特 殊工 业废水，这也是人 工湿地发展的一 个新特点和趋向。 v r h o v s e k 的 研究表明，水平 潜流 人工湿地 对以 b o d , c o d 和植物油为 特征 的高浓度食品 工业废 水具有良好的 净化效果，对 b o d 的平均去除率为8 9 6/ 0 ， 对 c o d 的 去 除 率 达 9 2 6/ 6 2 1 . 2 2 1. g u tie rr e z - sa r a b ia a 等 人 34 1对 墨 西 哥 一 个 屠 宰 场 废 物 处理的潜流人工湿地净化效果进行研究，设置了初沉池、厌氧沟等预处理之后， 污水流 过潜流 人工湿地之后， b o d , c o d , t s s 去除率分别为 9 1 6/ 6 , 8 9 6/ 6 , 8 5 6 / 6 , 其中有机 氮的 去除率8 0 % 左右。 总磷的 去除率没有什么 变化。 有时磷的流出高于 流入。人工湿地对病原体的去除率也是有效的。总之， 污水流过潜流人工湿地 之后 ， 去 除 率 取 得了 满 意的 效 果。 a is lin g d . o s u u i v a n 3 5 1等 人 对 位 于 爱 尔 兰 是 欧 洲最大的锌矿和碱性矿山 废水的表面流人工湿地进行研究，通过两年的 监测 硫 酸盐、 锌、 铅等 去除 率: 结果发现， 平均每天 每平方米1 0 .4 克 硫酸盐去除率达 到 了 3 1 6/ 6 ， 流 量每天每平方米平均1 . 9 毫克铅去除 率达 到了 3 2 6 / 6 ， 流量每天每平方 米 平均1 8 .2 毫克锌 去除率达到了7 4 6/ 6 ， 这些污染物的去除与 植物根部吸收有关， 但 是最主要的是其中 基质的去除起 重要作用。 s e z e r i n o . p h等人3 6 对巴西南部某个 州有拉丁美洲最大的 养猪场， 猪场废水先通 过植物 塘处 理后， 其中n 和p 营 养物 质去除率不理想， 在植物塘后加一 个垂直流人工湿地。垂直流人工湿地，有四 个湿地 床， 其中 2 和4 湿地 床运 转2 8 0 天， 另 外1 和3 湿地床运 转1 1 1 天， 观察去除 率 显示:其中2 和4 湿地床运转2 8 0 天去除率达到了3 3 6/ 6 ，另外1 和3 湿地床运转1 1 1 天后，n大约有4 9 %发生硝化作用。说明垂直流人工湿地硝化能力强，适 于 处理 第 1 章 引言 n h 4 - - n 含量高的 污水。 人工湿 地在全 世界 得到了 广泛的应用。 显示了 其强大的 生命力。 1 . 2 .2 人工湿地在国内的 研究进展 我国人 工湿地研究起步较晚， 大量工作集中 在小规模技术研究 阶段与发 展 阶段。目 前 建立了一 些中 试研究基地， 建成一批处 理生活污水和工业 废水的 人 工湿地处理系统。首例采用人工湿地处理污水的研究工作是1 9 8 8 -1 9 9 0 年在北 京昌 平进行的自 由表面流人 工湿地【 2 3 1 处理生活 污水和工业废水 2 3 1 ， 去除效率优 于传统的二 级处理 工艺， 1 9 8 9 -1 9 9 0 年由 天津环保 研究所建立1 1 个 实验单元研究 芦苇 湿地对 城市污水的处理能力，并 对水力负荷、 有机负荷、 停留时间 及季节 等与污水中主要污 染物间规 律进行探索，结果优于二 级处理【3 刀 ，有较高 且稳定 的脱n 除 p 效果，季节性差异较少。 9 0 年代又在深圳建了白 泥坑人工湿地示范工 程。 2 0 世纪末建成的成都活水公园更展示了人工湿地处理污水新工艺的以水为 主体的环境科学公园和“ 用绿叶鲜花装饰大地， 把清水活鱼送还自然” 的魅力， 实 现了 污水资源化利 用、整治堤岸、 净化水体及恢复水 域良 性生态环境的多重目 的 . 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，修建芦苇 湿地， 不仅很好地处理了工业废水和生 活污水，而 且吸引鸥 鹭、 燕鹊栖息， 取得了良 好的生态效益3 9 1 对 特殊污水的 处理， 人工湿地也有一席 之地。 李亚治建造小型水葫 芦一水 草人工 湿地处 理再生浆造纸废水后， b o d , c o d 和s s 的 去除 率分别为 9 8 %, 9 3 % 和8 9 %， 性能稳定，出 水水质达到排 放标准且可 用于农灌4 0 1 。何连生等人利用 循 环强 化垂直 流人工湿地处 理猪场污水，引入出水 循环后提高了 去除营 养物质 的能力。 出水循 环显著提高了 对b o d , c o d , s s , n h 4 - n 的去除率， 其 提高幅 度分别达到1 3 % , 1 4 . 2 % , 1 9 %, 3 1 %。出 水循环加大了 水力负荷，提高了水流 的传质速率，延 长了 污染物与 植物根系微生物的接 触时间 ，提高 了对污染物的 去除率4 11 。 人工湿地处理多氯联苯 方面也有突破， 建立了预测生物 吸附、 解吸、 土壤屏蔽、 扩散和生物降解过程的数 学模型4 2 1 ; 籍国东等 人 4 3 采用自由 表面流 芦苇湿地处理超稠油废水后， b o d , c o d , t n 的去除 率分别为8 8 . 3 7 % , 8 3 . 1 8 % , 8 8 .3 6 % ， 石 油 类去 除 率 为 9 4 .8 6 % , p h 值 由 7 .8 7 降 至 7 .7 7 ， 处 理 后 的 超 稠 油 废 水 对土 壤的污染并不明显，对芦苇的 生长 和材质指标几乎 没有影响。 阳承胜等人 4 4 1 利用宽叶香蒲人工 湿地对 铅/ 锌 矿废水净化效能的 研究， 处理后， c o d , t s s , 第章 引言 p b , z n , c u 和c d 的去除率分别为9 2 . 1 9 %, 9 9 . 6 2 %, 9 3 .9 8 %, 9 7 . 0 2 %, 9 6 . 8 7 % 和9 6 . 3 9 % ，水质得到明 显改善，主 要污染物 t s s、 p b , z n , c u 和c d 等均达到 工 业出 水排放标准，并 接近农灌标准。 此外， 人工湿地 在处理 铁矿酸性废水的 试 验 结果 表 明 4 5 1， 酸 水 p h 值由 2 .6 升 高 到 6 .1 ; 铜 离 子 、 铁 离 子 和 锰 离 子去 除 率 分别为 9 9 . 7 % , 9 9 .8 %, 7 0 .9 %.汪秀华 等人4 6 】 进行 潜流 式人工 湿地处理天然橡 胶 加工废水的小型 试验后， 湿地 对c o d , b o d, n h 4 - n 去除率分别为 9 0 . 4 2 % , 9 3 .2 5 %, 7 5 . 3 7 % ，该系 统耐冲击负荷强， 出水 水质 稳定。 我国许多学 者或工程 技 术人员 经过工艺 改 进或 者与 其 他进行 组合 后用于农业面源污染 4 7 、 城市或公 路 径流等非点源污染的治 理 4 a 。 除此以 外， 况琪军 4 9 ) 等人 利用湿地生 态系统去 除水体中 的藻类去除效率显 著， 即使在冬季 温度低、 水草长势欠佳、 冲击负 荷 加大或进水中藻 细胞密度增加等情况下 ，人工 湿地除 藻效率仍能维持在8 0 % 左 右的水平，在污水深度处理或者在减轻下游接纳水体富营养化方面、抑制藻类 疯长等方面均能发挥独特的优势。但是应用人工湿地处理特殊废水的实例并不 多 见， 主要 集中 在应用人 工湿地处理矿山酸 性废水、 褐煤热 解废 水、 炼油废水、 猪场污水、 造纸废水等。 这些废水的 特征污染物主要是 金属离 子、 b o d , c o d 和油口 3 人工湿地污 水处理系统概述 1 . 3 . 1 人工湿地的分类及特点 湿地是 陆地与水体之1n的 过度地带，是一 种高 功能的生态系 统，具 有独特 的生态结 构和功能， 对于保 护生物多样性，改善自 然环境具有重 要的 作用。 人 工湿地污 水处 理系统是受人为 监控的，在一定长 宽比 及地面坡度的 洼地上由 土 壤、沙、石 等混合成的填料 床和在床体上 种植具 有处理性能好、 成活率高、 抗 水性强、生长 期长、美 观且具有 经济价值的植 物， 如芦苇 ( p h r a g m i t e s a u s t r a l i s ) 和凤眼莲( e i c h h o r n ia c r a s s ip e s ) 等， 及在水中、填 料中生 存的 动物、微生物所组 成的独特生态 环境， 污水流 经床体表 面和床体 填料缝隙时， 通过过滤、 吸附、 沉淀、离 子交换、植 物吸收和微生 物分 解等实现对污水的高 效净化 5 0 1 。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 废水的 资源化与 无害 化。 人工湿地 按其布水方式或水流形 态，可 分为三类:表 面流人工湿地 ( s u r f a c e f l o w we t l a n d s ，简称s f w型人工湿地) ， 潜流式人工湿地 第 章 引言 ( s u b s u r f a c e f l o w we t l a n d s ， 简称s s f w型人工湿地) 和垂直流人工湿地 ( v e rt i c a l f l o w w e t l a n d ，简称 v f w 型人2湿地 5 i ( 1 )表面 流人工湿地。这种类型的人 工湿地和自 然湿地相类似，废水在填 料表面漫 流， 水位较浅，多在0 . 1 -0 . 6 m 之间。废水 进入人工湿地时，绝大部分 有机物的去除是由 长在植物上的水下 茎、杆上的 生物膜来完成，因而这种湿地 难以充分利用湿地介质植物根系对污染物的降解作用，其处理能力较低。同时， 这种湿地的卫生 条件较差， 在夏季易滋生蚊蝇、 产生 臭味等， 在寒冷地区冬季 易发生结冰以及 系统的 处理效率受温度影响较大 等问 题。 但这种类型的湿地具 有投资少、操作 简单、 运行费 用低等优点。该 类型 人工湿地多用于气候温和、 有广阔土地条 件的 大型城市污水处理” 2 1 ( 2 ) 水平 潜流人工湿地， 是污水在湿地床的内 部流动，因 而一方面可以 充 分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表上层和填料截留等的作用， 以 提高 其处理效率和处 理能力;另一方面则由于 水流在地表以 下流动，故具有 保温性较好、处理效率受气候影响小、卫生条件较好的特点。它在污水处理中 得到了 广泛的应用 5 3 - 5 5 1 。 目 前国际上 采用的比 较多是这种工艺 5 6 - 7 1 . p l a l z e r d i - 等指出，潜流型人工湿地较高的净化能力主要是依靠土壤有效的通气性，对 b o d , c o d , s s 及n h 4 十 一 的 去除能力很高，但由 于植 物床通常处于厌氧或缺 氧状态，所以因硝化反应的不足而限制了t n的去除。 ( 3 ) 垂直流人 工湿地， 它综合了 s f w 和s s f w 的特性，水流 在填料 床中 基 本 上 呈由 上向 下 的 垂 直 流， 水 流 流 经 床 体 后 被 铺 设 在 出 水 端 底部 的 集 水 管 收 集 而 排出 处理。 污水从 湿地表面 纵向 流向 填料床底，床体处于 不饱和状态， 0 2 通 过大气扩散和植物传输进入湿地。硝化能力强，适于处理氨氮含量高的污水， 但处理有机物能力欠佳， 控制复杂， 落干/ 淹水时 间长，夏季易孽生 蚊蝇 5 0 1 . 3 . 2 人工湿地的构造 绝大多 数自 然 和人 工湿地由 五部分组成: 1 . 具有各种 透水性的 基质， 如土壤、 砂、 砾石; 2 . 适于 在饱和水和厌氧基 质中生长的 植物，如芦苇; 3 . 好 氧或厌氧微 生物种群; 4 . 水体 ( 在基质表面下或上 流动的 水) ;5 . 无脊椎或 脊推动物， 其中 前三种是 人工湿地最重要的组成部分。 湿地正是 在这种有一定长宽比 和底面 坡 度的洼地中由土 壤和填料 ( 如砾石) 混合 组成填料床， 废水在床体的填料 缝隙 中流动，并在床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、 第1 章 引言 美 观及具有经济 价值的 水生生 物 ( 如 芦苇、蒲草等)形成一 个独特的 动植物生 态系统，对废水进行处理。 1 . 3 . 3 人工湿地系统污水处理的功能特点 湿地的 功能是多 方面 的，可 作为 直接利用的水源或补充 地下水， 有效控制 洪水， 防止土壤 滞留 沉积物、有 毒物、 营养物质从而降解环境 污染以 有机 质的 形式存 储碳元素减少 温室效应， 保护海岸不受风浪侵蚀， 提供清洁方便的 运输 方式，因 此被 誉为 “ 自 然之肾 5 9 人 工湿地处理污 水具有高效 率、 低投资、低运行费用、 低维持 技术、 低能 耗等优点。具体如下:1 . 建造和运行费用便宜;2易于维护，技术含量低;3 . 可 进行有效可 靠的废水处 理: 4 可 缓冲对 水力 和污染负 荷的冲击: 5 . 可促 进废水中 植物营 养素的 循环， 使 废水中所含的有 用物质以 作物生产形式再利 用; 6 . 可提供 直接或间 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 等。 简而言 之， 具有 “ 一高三 低一不” 的特点， 即高效率、 低投资、 低 运行费用、 低维持技术， 用地少和基 本不用电 1 6 0 1 国外 研究表明 ，在 进水浓度较低的 条件下， 人工湿地b o d 的 去除率 可达 8 5 % - 9 0 % . c o d 的去 除率可 达8 0 % 以上， 处理出水中 b o d 的 浓度在1 0 m g / l 以下、 s s 小 于 2 0 m g / l 6 11 ， 对 n 的 去 除 率 可 达 6 0 % ， 对 p 的 去 除 率 可 达 9 0 % 以 上 162 1。 据 国 外资料，一般 湿地的投资 和运行费 用 仅为 传统的 二级污水厂的1 / 1 0 -1 / 2 。 对我 国己建成的常规生化二级污水处理厂投资分析表明:人工湿地的投资远远低于 常规二级水处理设施 ( 见表1 . 1 )。 表1 . 1 人工 湿地与其他工艺比 较 t a b l e 1 . 1 c o n s t r u c t e d w e t l a n d c o m p a r i s o n w i t h o t h e r t e c h n ic s 总投资单 位污水单 位污 水单位 污水 项目 名 称处 理方式投资处理费用处理用 地 ( 万元)( 元 / m 3 )( 方 m ; ) ( m i / m l ) 深圳水质净化厂鼓风曝气3 3 0 0 0 . 2 2 .6 7 几jq 傀j，了 吸户行、 甘介斗 蚝，才 咤， 珠海某污水净化厂鼓风曝气 0 2 1 . 2 0 ， -. 011 海南某污水净化厂氧化沟 白泥坑人_ l 湿地处理人_ r 湿地 4 2 .9 第 1 章 引言 从 表中可以 看出， 人工湿地的工程总投资、处理单 位污水的投资额及单 位 污水的处理费 用均比 其它传统方法低得多。 有分析表明， 如不 考虑征地费， 人 工湿地的 投资与处 理规模之间有近似线性的关系;当考虑 征地费 时，则费 用与 处理规 模间的 关系将成凸函数的形式。 人 工湿地污水处理技术比较适用于中小城镇、 居民小 区及城市分散 型的 污 水处理， 将人工湿地污水处理用作高 速公 路服务区的 污水配套处理工艺 将会成 为今后的发展趋势。在 上述 情况下， 应用 人工湿 地污水处理技术，具有比 传统 工艺 优越的经济效益和社会效 益。 人工湿地也有不 足:1 . 占 地面 积大; 2 不 精确的 设计运行参数; 3 生物和水 力复杂及对重要工艺 动力学理 解的 缺乏; 4 易 受病虫害影响。人工 湿地在达到其 最优效率时，需2 -3 个生长周期。因为据己有的数据，当上下表面种植密度增 大时，处理效 率提高， 所以 需要建 成几年之后才达到完全稳定的 运行。目 前人 工湿地技 术的 最大问 题在于缺乏长期的运行的详细资料6 3 1 1 .4 人工湿地净化废水的机理 人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物三种作用，它涉及了沉淀、 吸附; 过滤、溶解、气化、固定化、离子交换、络 合反 应、 硝化、反硝 化、 营 养元素的 摄取;生物转化和细菌、真菌的异化作用 等过程。 湿地填料表 面和植 物根系中生长了大量的 微生物形成生 物膜， 废水流 经时， s s 被填料及根 系阻挡 截留， 有机质通过生物 膜的吸附及同 化、异 化作用 而得以 去除。 湿地中 因植物 根系对氧的传递释放，使其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态， 保证了 废水中的 n . p 不仅能被植物及 微生物作为 营养成分直接吸收， 还可以 通 过硝化、反 硝化作用及微生物对p 的 过量积累作 用从废水中去除， 最后通过 湿地 基质的定期更换或收割使污染物质最终从中去除。 1 . 4 . 1 基质的净化机理 人工湿地中的基质又称填料、 滤料， 是 人为设 计的由 不同大小 颗粒的砾、 沙、 土等按一定的 厚度铺成的供植物生长、微生物附着的 床体，是 构成人工 湿地的 主要部分。 它一 般由 土壤、细沙、粗 砂、砾 石、碎瓦片 或灰渣等构 成. 迄今， 在我国主 要用于人工湿地的基质有: 石块、砾石、 砂粒、 细砂、 砂上和土 壤。 基 质是污 水处理的主要场所，也是微生物的主要载 体，同 时又可以为 水生 植物 第 1 章 引言 提供支 持载体 和生长 所需的营养物质，当 这些营养物质通过污水流 经人工湿地 时， 基质通 过一些物理、 化学途 径 ( 如吸附、 吸收、 过滤、沉淀、 络合 反应和 离子 交换等)来去除污水中的n, p 等营养物质。湿地成熟以后，基质表面和植 物 根系吸附了大量 微生 物形成生物膜，污水流 经生物 膜时， 大量的 悬浮固 体被 基 质和植物根系 截留， 有机污染物则通过生物 膜的 吸收、同 化及异 化作用而 被 去 除。 湿地 床中因 植物根系对氧的传递释放， 使其周围 的环境依次 呈现好氧、 缺氧和厌氧状态，保证了污水中的n, p 不仅能被植物和微生物作为营养成分而 直接吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用使 其 起从 污水中去除， 最后通过湿地床基质的定 期更换 和栽培植物的 收割而使 污 染物最终从中去除。 在人工湿地的设 计过程中，要考虑到诸如水力停留时间、 流程布置、配 水、 排水、表面 植物种类及基 质的 选择等多种因素。 在选择合适的 湿地基质时， 应 考 虑湿地 床整体的 通透性和布水的均衡性。因此大多 数湿地在选择基质时， 都 是砾 石、 细砂和土壤 混用， 选用基质的粒径从 5 -l 0 0 mm不 等。 基质不同， 对 污染物的去除能力 也有差异。 一般来说， 潜流人工湿地处理以 b o d , c o d和 s s 为 特征污染物的水 时， 根 据水力停留时间、 占 地面 积和出 水水质等限制因素， 可以选用土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣中的一种或几种为基质。以 除 p为目 的 人工湿 地最好选择飞灰或叶 岩为基质，其次是石 灰石和膨润土， 泡 沸石和油页 岩对 p的吸附努力 较差 6 4 1 。 基质是潜流式人工湿 地污水处理的重 要 组成部分，直接影响到的 处理效率。郭本华6 5 1 等人研究了由 沸 石、页岩陶粒和 碎石 3种不同 基质构建的 潜流式人工湿地对磷的去除效率。结果 表明 碎石单元 对磷的去除效率最好，页岩陶粒单元次 之，沸石单元效率最差，平均去除效率 分 别 为9 5 % , 6 0 % 和3 5 % 。 袁 东 海 等人 【6 61研 究了 砂 子 、 沸 石 、 蛙 石、 黄 褐 土 、 下蜀黄上、粉 煤灰和矿渣 7种人 工湿 地基质材料净化污水磷素的 机理，结果表 明，矿渣、粉煤灰有很好的磷素去除效率，蛙石、黄褐土和下蜀黄土次之，沸 石 和 砂子 的 去 除 效 率 较 差 。 k a s s e n g a g r 6 7 1等 人 研究 了 沙、 泥 煤 和 沙 、 泥 煤 、 土 壤两种混合基质在上行流人工湿地中处理有机物的 效果。 梁威等人【 阔 通过垂直 上升流人工湿地模拟柱实验，研究了泥炭、蜓石、砾石以不同体积比 ( 柱 1比 例1 : 1 : 3 ， 柱2 比 例1 : 1 : 2 ，柱3 比 例 1 : 1 : 1 ，柱4 全为砾石) 组成的 复 合基 质对人工湿地出水 的深度除磷效果。结果表明， 填充 复合基质的柱1 - 3 对 总磷和正磷酸盐的处理效果较好，去除率分别达到了 7 7 %和 9 0 %以上，明显优 第 1 章 引言 于填充单一基质砾石的柱 4 ( 2 7 %和2 1 %) 0 1 .4 . 2 植物的净化机理 湿地中生长的植物 通常 称为 湿地植物，包括挺 水植物、 沉水植物、浮水植 物， 一般人工湿地多采用 挺水植物。人工湿地植物的选择应本 着净化能力强、 具有 抗逆性、易管理、综 合利用价值高和美化景观的原则，因 此，可 选择根系 较发 达的水生植物，特别是天然湿地中存在的植物， 这些植物不 仅具有 抗热、 抗冻 、 抗病 虫 等 特 性， 而 且其 耐 污 能 力 强、 便 于 管 理 169 1 。 常 用 的 挺 水 植 物 主 要 有芦苇、 灯心草、 香 蒲等， 也可以选 用陆生 植物如风车草、 香根草 和美人蕉等【7 0 1 植 物是人工湿地的重要 组成部 分。 人工湿地中植物代替曝气 机输氧，同 时 也为碎石等基质内微生物群落创造了有利的活动场所。在人工湿地净化污水过 程中，植物主要发挥三个重要作用: 直接吸收利用污水中可利用的营养物质， 吸附和富集重金属和一些有毒有害物质:为 根区好氧微生物输送氧气;增强和 维持介质的 水力 传输能力7 p 。 污水进入成熟的 人工湿地后， 植物能 够通过吸收、 吸附和富集等作用去除污水中 的污染 物，包 括对氮、磷的吸收利用和对重金属 的 金 属 吸 附 和富 集 。 c o p p e r 7z 1 研 究 发 现， 种 植 水 烛 ( 乃 vp h a a n g u s t if o lia ) 和 灯 芯 草 ( j u n c u s e 历s e s ) 的人工 湿地中 氮、 磷的 含量分别比 无植物的对 照基质中的 含 量低1 8 % 2 8 % 和2 0 % 3 1 % ， 可见 水烛和灯芯草吸收利用了 污水中 部分的 氮和 磷。 大量研究发现 7 3 - 7 7 1 ， 栽种植物的 湿地对污水中的重金属去除能力高 于无植 物， 这显示了植物对 重金属的 吸附 和富集作用。 阳 承胜等人 7 8 通过对宽叶 香蒲、 芦苇、茬芷和狗牙根 4种植物对重金属的 吸附与 富集作用进行研究，实验 结果 表明: 4种植物都具有较强的吸附和富集重金属的能力， 且主要富集在植物的地 下部分， 艺芷富 集重金 属能力 最强， 宽叶香蒲相对较弱; 各重 金属元素在被测 的4 种植物体内含量呈现一致规律性，即根 凋落物 地下茎 地上茎 叶。 此外， 人 工 湿 地 在 处 理 铁 矿 酸 性 废 水的 试 验 结 果 表 明 4 51 : 酸 水p h 值由2 .6 升 高 到6 . 1 ; 铜离子、 铁离子和锰离 子去 除率分别为9 9 .7 %. 9 9 . 8 % , 7 0 . 9 %. 王圣瑞等7