（环境工程专业论文）往复流人工湿地处理城市生活污水研究.pdf

摘要 摘要 本课题针对人工湿地中污染物主要集中在人工湿地前端，分布不均匀的特 点，提出了往复流人工湿地的概念。研究了往复流湿地工艺对污水各项指标的 处理能力及规律，试验并探讨了往复流湿地工艺同氧化塘工艺联用处理城市生 活污水的可行性。特别是在往复流湿地基础上改造而成的复合往复流湿地，其 污水处理效果明显由于单向流湿地，为城市生活污水处理提供了一个新的选择。 试验构建了两块相同尺寸、相同植物系统的人工湿地，一块为单向流湿地； 另一块为往复流湿地，在试验过程中被改造成复合往复流湿地。试验先采用镇 江城市生活污水作为湿地的进水，经过不同阶段的运行试验，往复流人工湿地 的污染物处理能力得到了证实，出水c o d c r 、s s 、t n 和t p 等水质指标都基本 达到了国家一级排放标准，但对n h 3 n 处理效果不佳，不能达到国家一级排放 标准。往复流湿地特别是复合往复流湿地的出水主要水质指标明显优于单向流 湿地。试验后期还进行了处理氧化塘出水研究，表明往复流湿地工艺同氧化塘 工艺具有较好的协调互补性，氧化塘工艺出水经复合往复流人工湿地处理后主 要水质指标可以达到国家一级排放标准。 针对复合往复流湿地的处理效果比单向流湿地强的现象，本课题对此进行 了较深入的探讨。对湿地不同位置的异养细菌数量的检测结果表明，异养细菌 的分布与湿地中污染物的累积有较大关联。单向流湿地的污染物累积沿水流方 向呈递减趋势，异养细菌的分布也有相似的趋势；而复合往复流湿地中污染物 分布相对均匀，只在湿地的靠水区域累积较多，所以复合往复流湿地的异养细 菌数量明显多于单向流湿地，而且在复合往复流湿地的三个布水区形成了异养 细菌数量庞大的有机污染物高效去除区域。 研究结果表明复合往复流湿地可以将湿地内部的污染物累积量控制在较低 的水平，有效防止湿地的堵塞，延长湿地的运行使用寿命，对于城市污水处理 具有一定的推广应用价值。 关键词：往复流湿地，复合往复流湿地、单向流湿地 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i ss t u d ya i m e dt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ep o l l u t a n t sc e n t r a l i z e di nt h e f o r e p a r to ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d i no r d e rt op r e v e n tt h ec l o g g i n go ft h ew e t l a n d ， t h ec o n c e p to ft o - a n d f r of l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n dw a sc o n c e i v e d i nt h es t u d y , t h e p o l l u t a n tt r e a t i n ga b i l i t yo ft o a n d f r of l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n dw a ss t u d i e da n dt h e p o l l u t a n t sr e m o v i n gl a w so ft h et o - a n d f r of l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n dw e r ed i s c o v e r e d t h ei n t e g r a t e dt o - - a n d f r of l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d w h i c hw a sa l t e r a t e df r o mt h e t o - a n d f r of l o ww e t l a n dh a dab e t t e rw a s t e w a t e rt r e a t i n ge f f e c tt h a nt h a to fs i n g l e d i r e c t i o nw e t l a n d ，a n do f f e r e dan e wc h o i c ef o r t h ec i t yw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i nt h i ss t u d y , t w oc o n s t r u c t e dw e t l a n d sw i t hs a m es i z ea n dp l a n t sw e r eb u i l t o n ei st h es i n g l ed i r e c t i o nf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t h eo t h e ri st h et o - a n d - f r of l o w c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，a n di tw a st h e na l t e r a t e dt oi n t e g r a t e dt o a n d f r oc o n s t r u c t e d w e t l a n d t h es t u d yf i r s tt o o kt h ec i t yw a s t e w a t e ra st h ei n f l o wo ft h ew e t l a n d s t h r o u g hs e v e r a le x p e r i m e n t s ，t h ep o l l u t a n t st r e a t i n ga b i l i t yw a sc o n f i r m e d ，t h em a i n w a t e rq u a l i t yi n d e xs u c ha sc o d c r , s s ，t n ，t po ft h et o a n d - f r of l o ww e t l a n d s o u t f l o wr e a c h e dt h ef i r s tg r a d es t a n d a r do ft h en a t i o n ，h o w e v e r , t h en h 3 - nr e m o v a l e f f i c i e n c yw a sl o w , a n dt h i si n d e xc a n tr e a c ht h ef i r s tg r a d es t a n d a r d t h eo u t f l o w q u a l i t yo ft h ei n t e g r a t e dt o a n d - f r of l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n dw a sb e t t e rt h a nt h a to f s i n g l ed i r e c t i o nw e t l a n d t h es t u d yt h e nt o o ko x i d a t i o np o n do u t f l o wa st h ei n f l o w o ft h ew e t l a n d s ，t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h et o - a n d - f r of l o ww e t l a n da n dt h e o x i d a t i o np o n dw e r eh a r m o n i o u sa n dc a nf e t c hu pt h el i m i t a t i o n so f e a c ho t h e r a f t e r t h et r e a t m e n tb yt o - a n d f r of l o ww e t l a n d ，t h eo u t f l o wq u a l i t yo ft h eo x i d a t i o np o n d c a nr e a c ht h ef i r s tg r a d es t a n d a r de a s i l y t h er e a s o nw h yi n t e g r a t i o nt o - a n d - f r of l o ww e t l a n dh a db e t t e rt r e a t i n ga b i l i t y t h a n s i n g l e d i r e c t i o nf l o ww e t l a n dw a sd e e p l yd i s c u s s e d t h en u m b e ro f h e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a w a se x a m i n e d ，a n df o u n dt h a tt h ed i s t r i b u t i n gr u l eo f h e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a w a ss i m i l a rt ot h a to ft h ea c c u m u l a t e dp o l l u t a n t si nt h e w e t l a n d i ns i n g l ed i r e c t i o nf l o ww e t l a n d ，t h ep o l l u t a n t sm a i n l ya c c u m u l a t e di nt h e f o r e p a r t ，a n dr e d u c e da l o n gt h ef l o wd i r e c t i o n ，s ow e r et h eh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a ， w h i l ei nt h ei n t e g r a t e dt o - - a n d - f r of l o ww e t l a n dt h ep o l l u t a n t sw e r ed i s t r i b u t e dm u c h t t a b s t r a c t e q u a l l y , o n l ya c c u m u l a t e di nt h ei n l e ta r e a ，s ot h ei n t e g r a t i o nt o - a n d - f r ow e t l a n dh a s am u c h l a r g e rn u m b e ro fh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a ，a n df o r m e dt h r e eh i g h r a t e p o l l u t a n t sr e m o v a la r e a sw h i c hh a dl a r g en u m b e ro fh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a t h es t u d ya l s of o u n dt h a tt h ei n t e g r a t e dt o - - a n d - f r of l o ww e t l a n dc a nr e d u c et h e p o l l u t a n t sa c c u m u l a t i o n ，p r e v e n tt h ew e t l a n dc l o g g i n g ，a n de x t e n dl o n g e v i t yo ft h e w e t l a n d ，t h u si tw a sv a l u a b l et ot h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t k e yw o r d s ：t o a n d f r of l o ww e t l a n d ，i n t e g r a t e dt o a n d - f r of l o ww e t l a n d ，s i n g l e d i r e c t i o nf l o ww e t l a n d i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：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，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：7 形昌9 孔 2 p 护6 年弓月夕日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：俐扫 砂名年、月1 7e l 学位论文作者签名：尹修昌曰只 z 泐6 年乡月夕日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：乡影吕阿i ；i 2 p 矿6 年弓月。夕 日 人丁湿地污水技术处理综述 第1 章人工湿地污水处理技术综述 1 1 湿地的概念 湿地是自然界最富生物多样的生态系统和人类最重要的生存环境之一，水 利文明和水文文明的建立和发展均以湿地为基础；在人类生存的漫长过程中， 湿地与人类的生存、繁衍、发展息息相关，湿地为人类提供了丰沛的水资源， 为人类提供了丰富的食物资源。湿地不仅为人类生产、生活提供多种资源，而 且在调节气候、涵养水源、蓄洪防旱、控制土壤侵蚀、促淤造陆、净化环境、 维持生物多样性和生态平衡等方面均具有十分重要的作用，有“自然之肾之 称。国际上将森林、海洋、湿地并称为全球三大生态系统f 1 1 。 对湿地最通俗的理解是有水的陆地。由于湿地分布广泛，种类繁多，相互 之间差异显著，给湿地下一个统一的定义是十分困难的。不同的人对湿地有不 同的理解，有人统计过大约有5 0 多种定义。目前最广为接受的湿地定义是拉 姆萨尔公约中的规定：“湿地系指不问其为天然或人工。长久或暂时性之沼泽 地、湿原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动，或为淡水、半咸水、咸水 水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的水域 【2 1 。这一定义包含的范围很广。从 生态学角度看：湿地是由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质以及水 生生物所组成，是一具有较高的生产力和较大活性，处于水陆交接相的复杂的 生态系统。 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 是本世纪七十年代发展起来的一种新型污 水处理工艺，是天然湿地系统的模拟与强化。它一般由土壤( 或人工填料，如 沙粒、碎石等) 和生长在其上的水生植物( 如芦苇) 组成，是一个独特的土壤 植物微生物生态系统。 美国环保局对人工湿地的定义为：人工湿地处理系统是将污水有控制地投 配到土壤经常处于饱和状态、生长有芦苇、香蒲等沼泽植物的土地上，污水在 沿一定方向流动过程中在耐水植物和土壤联合作用下得到净化的一种土地处理 系统【引。 美国的h a m m e r 等将人工湿地定义为“一个为了人类的利用与利益，通过 人t 湿地污水技术处理综述 模拟自然湿地，人为设计与建造的有饱和基质、挺水与沉水植物、动物和水体 组成的复合体f 4 1 。 由于人工湿地，是为处理污水而设计的工程化的湿地系统，它除具有天然 湿地的主要特征外，还需辅以必要的工程设施，因而其结构更为合理，功能更 为全面、强大。 1 2 人工湿地发展历程及研究进展 1 2 1 人工湿地发展历程 人工湿地这个词最早出现在澳大利亚b r i a nm a c k n e y 于1 9 0 4 年发表的一篇 文章中。1 9 5 3 年，德国m a xp l a n c k 研究所的d r k a t h es e i d e l 博士在研究中发现 芦苇能够去除污水中大量的有机和无机物质，随后开发出m a x p l a n c k i n s t i t u t e p r o c e s s 系统i 引。1 9 7 2 年由k i c k u t h 提出了“根区法”( 采用栽种芦苇的水 平潜流湿地使有机物降解，硝化反硝化去除n ，沉淀去除p ) ，标志着人工湿地 污水处理理论的初步萌芽1 6 j 。与此同时，美国的国家空间技术实验室研究开发了 “厌氧微生物和芦苇处理污水”复合系统。从上世纪7 0 年代开始，美国、澳大 利亚、荷兰、英国和日本等国家就把污水排入天然湿地，利用湿地的净化能力 来处理污水。至8 0 年代，人工湿地发展到人工建造，并以不同粒径的砂石作为 基质的处理系统，由试验阶段进入应用阶段。1 9 8 5 年，美国阳纳西河流管理局 在美国东南部建造了一系列的人工湿地，处理该流域内的污水。8 0 年代后期， 德国、法国、丹麦等西欧国家建造了大量的芦苇床系统，用于小城镇的污水处 理。国际上召开了多次人工湿地处理系统的国际研讨会，总结各国人工湿地污 水处理的经验，提出了有关的机理、设计规范，标志人工湿地系统作为一种新 型的污水处理技术正式进入了水污染控制领域f 7 1 。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 处人工湿地系统用于处理奶产品加工废水) 【8 1 ，在丹麦、德国、英国各国 至少有2 0 0 处人工湿地( 主要为地一f 潜流湿地) 系统在运行【6 1 ，新西兰也有8 0 多处 人工湿地系统被投入使用| 9 l o 我国在此方面的研究较晚，直到“七五”期间才有了一定的规模，但主要 2 人工湿地污水技术处理综述 还是机理性的研究，大致落后发达国家十余年，应用上也相对迟缓，应用实例 较少。1 9 9 0 年7 月，国家环保总局华南环境保护研究生在深圳建造的白泥坑人 工湿地工程( 同处理污水3 1 0 0 m 3 d ) n - 以看作是首次实践，处理效果良好( b o d 去 除率9 0 ，c o d 去除率8 0 4 7 ，s s 去除率9 3 ) 1 1 0 1 。北京市在北京昌平县建 成了处理规模为5 0 0m 3 d 的芦苇湿地处理系统示范工程。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，修建芦苇湿地系统，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1 1 1 】。2 0 世 纪末建成的成都活水公园更展示了人工湿地污水处理新工艺“用绿叶鲜花装饰 大地，把清水活鱼送还自然”的魅力，使生态与环境效益的完美结合，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 1 2 j 。 我国首家人工湿地污水处理厂在2 0 0 3 年5 月底在江苏泗洪竣工，占地8 9 2 5 亩， 设计处理量5x1 0 4 m a d ，预算造价为4 2 1 4 万元。该厂使用建设部“八五 科技 攻关成果的人工湿地污水处理技术。它利用碎石床、水生高等植物、微生物三 者之间的密切关系和相互作用，形成一个良好的生态系统，即使在严冬季节也 能达到良好的污水净化效果。同济大学承担的国家科技部“十五 攻关项目“滇 池流域面源污染控制技术研究”，采用沸石作为基质，控制暴雨径流对滇池的污 染。“十一五”重大科技专项利用人工湿地对污水厂尾水进行了深度净化处理。 1 2 2 人工湿地研究进展 随着人工湿地同益广泛的应用，人工湿地的研究也在不断深入。人工湿地 的研究主要集中以下三个方面1 1 3 】【1 4 】f 1 5 1 【1 6 l ：( 1 ) 对不同构造的湿地系统中污水的 流体力学特性进行研究，探讨水力负荷、污水停留时间、出水速率、湿地容水 体积( 空隙度) 和出水量等与污水净化效果的偶合关系，以揭示水力学特点对污水 净化效果的影响规律；( 2 ) 深入研究湿地系统中0 2 的供应与不同类型植物的输 氧能力对基质中微生物生境的影响；( 3 ) 重点研究在提高人工湿地氧化、硝化 能力的同时如何提高其反硝化能力，以解决有机物与总氮的高效去除问题。 扬州大学的何成达等人研究的波式潜流人工湿地取得了比较好的污水处理 效果【1 7 】【1 8 】。周巧红等人对人工湿地基质中酶活性和细菌生理群的时空动态特征 进行了研究【l 引。廖新悌等人对人工湿地处理废水的有机物动态模型进行了研究 1 2 u j 。中科院生态所的梁威等人对人工湿地植物根区的微生物进行研究，并比较 3 人t 湿地污水技术处理综述 净化效果的季节变化【2 1 1 。贺锋等人对复合垂直流人工湿地污水处理系统的硝化 和反硝化作用进行了研究【2 2 1 。悉尼大学的s r r a g u s a 等人对人工湿地中的生物 膜的形成和活性与湿地内相关污染物浓度变化的相关性进行了探讨【2 3 1 。西班牙 的j o a ng a r c i a 等人研究了水平潜流湿地的面积和长宽比对湿地水力条件的影响 2 4 1 0 1 3 人工湿地的基本类型 国内外学者对人工湿地的分类多种多样，人工湿地根据湿地中的主要植物 形式可分为：( 1 ) 浮水植物系统，( 2 ) 挺水植物系统，( 3 ) 沉水植物系统。根据级 数不同，有单级、多级人工土壤植物床之分【2 5 1 。人工湿地按其布水方式和流态 大致分为三类：自由水面系统、水平潜流式人工湿地、垂直潜流式人工湿地【矧。 ( 1 ) 自由水面系统( f r e ew a t e rs u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称f w s ) 自由水面人工湿地，又称为表面流人工湿地，它类似于天然沼泽，具有泥 底，水面暴露于大气，污水在人工湿地的表层流动，水位较浅，一般在0 1 - - 0 6 m 。 绝大部分有机物的去除是由长在植物水下茎、杆上的生物膜来完成。所以这种 系统难以充分利用生长在基质表面的生物膜和生长丰富的植物根系对污染物的 降解作用，其处理能力较低。与潜流湿地工艺相比其优点是投资少操作费用较 低，其缺点是负荷小占地面积较大，冬季北方地区表面会结冰，夏季可能会繁 殖蚊子，还会有臭味。而且在该系统中，底层一般未经密封，致使部分污水渗 透至地下。自由水面系统通过硝化反硝化去除氮。氨在好氧区被硝化细菌氧化， 而硝酸根在缺氧区被反硝化细菌转化为氮气或氮氧化物。自由水面系统可以提 供磷的持续去除，但以相对较低的速率进行。磷在自由水面的去除主要通过吸 附、吸收、络合和沉淀。该类型人工湿地多用于气候温和、有广阔土地条件的 大型城市污水处理系统【2 刀。 ( 2 ) 水平潜流式人工湿地( h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称h s f ) 在该系统中，污水由人工湿地的一端引入，经过配水系统( 一般由卵石构 成) 均匀进入根区基质层。基质层一般由土壤和砾石构成，表层土壤上栽种耐 水植物，通常是芦苇。这些植物有发达的根系，可以深入到表土以下0 6 0 7 m 的砾石层中，这些根系交织成网，与砾石一起构成一个透水的系统。同时这些 根系具有输氧功能，在根的周围水中溶解氧浓度较高，适宜于好氧微生物的活 4 人t 湿地污水技术处理综述 动。通过附着在砾石和植物地下部分( 即根和根茎) 上的好氧微生物的作用分 解废水中的有机物，矿化后的一部分有机物( 如氮和磷) 可被植物利用，在缺 氧区还可以发生反硝化作用而脱氮，使污水得到净化。在预处理系统中没有去 除的可沉降和悬浮固体通过过滤和沉降被有效去除，沉降在任何水平潜流式人 工湿地的静止区域均会发型冽【2 9 1 。一般情况下，出水水质优于传统二级处理的 出水水质。在欧洲，水平潜流湿地最常用的名词是“芦苇床处理系统”( r e e db e d t r e a t m e n ts y s t e m ，r b t s ) ，这是由于经常采用的植物是芦苇。在美国，则称作 “植被淹没床( v e g e t a t e ds u b m e r g e db e d ，简称v s b ) 。利用水平潜流式人工湿 地处理废水的概念在2 0 世纪7 0 年代的德国形成。第一个运行性人工湿地于1 9 7 4 年在德国o t h f r e s e n 投入运行，由于这种工艺利用植物的根状茎输氧，故又被称 作“根区方法 ( r o o t z o n em e t h o d ，简称r z m ) 。 ( 3 ) 垂直潜流式人工湿地( v e r t i c a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称v f 或 v s f ) 垂直流湿地的水流状况综合了表面流湿地和水平潜流湿地的特点，在垂直 潜流系统中，污水由表面纵向流至床底。此外，垂直潜流系统常常采用间歇进 水，具有覆盖整个表面的布水系统，其造价要求高。垂直流湿地实际上是潜流 湿地的一种变型闭j 。近些年来，人们越来越注意垂直潜流人工湿地，同水平潜 流人工湿地相比，垂直潜流人工湿地氧化能力要高出数倍。间歇运行时，在负 荷阶段空气被排出，而干燥阶段大气又进入了多孔空隙，并且，扩散的氧气传 输在干燥阶段得到了加强，因为氧气在空气中的扩散速度是水中的1 0 0 0 0 倍， 因此，垂直潜流系统对污水有较高的好氧处理能力1 3 。 1 4 人工湿地的污水；争化机理 人工湿地生态系统净化废水的机理十分复杂，很多问题仍在研究之中，一 般认为是湿地生态系统中发生的物理、化学和生物三重协同作用的综合效应， 它们包括沉淀、吸附、过滤、溶解、气化、固定化、离子交换、综合反应，硝 基化、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， 其中起主要作用的是细菌的转化作用，伴随着物理、化学作用【3 2 】【3 3 】i 川。 ( 1 ) 物理作用，主要是过滤、沉积作用。污水进入湿地，经过基质层及密 集的植物茎叶和根系，可以过滤、截留污水中的悬浮物，并沉积在基质中。 5 人t 湿地污水技术处理综述 ( 2 ) 化学反应，由于植物、土壤一无机胶体复合体、土壤微生物的多样性， 人工湿地中可以发生各种化学反应过程如化学沉淀、吸附、离子交换、拮抗、 氧化还原等，这些化学反应的发生主要取决于所选择的基质类型。一般而言， 含有有机质丰富的基质有助于吸附各种污染物，而含c a c 0 3 较多的石灰石，有 助于磷的去除。 ( 3 ) 生化反应，人工湿地系统填料表面吸附许多微生物形成了大量生物膜， 类似于附着生物膜的反应器，污水中有机物质被吸附后，通过生物的同化吸收 和异化分解而去除。根据德国学者k i c k u t h k1 9 7 2 年提出的根区法理论：湿地中生 长的大型水生植物通过叶、茎吸收空气中0 2 ，传输到根部，再经过植物根系的 扩散和释放，在根系周围形成氧化微环境依次出现好氧区，兼氧区和厌氧区， 有利于氧化分解，硝化及反硝化和微生物对磷的过量积累作用，达到脱氮除磷 效果；另一方面在厌氧条件下难降解有机物被开环或断键分解成简单分子有机 物，大大提高了去除效果。因而生化反应对污水净化起重要作用。 1 5 人工湿地的污染物去除规律 人工湿地系统可净化许多污染物，包括有机物( b o d ，c o d c r ) 、悬浮物、 氮、磷、微量金属和病原体等。其净化机理不是依靠湿地某一子系统，如土壤 或植被的单一作用，而是在人为调控的前提下，由基质一植物一微生物符合生 态系统的物理、化学和生物的综合作用使污水净化【3 5 】1 3 6 l 。 ( 1 ) 有机物的去除：在自由水面湿地系统中，约有3 0 5 0 的有机物在 处理单元前几米内通过沉降作用而去除。在渗滤湿地和构造湿地中，有机物的 去除机理主要是微生物的降解。有机物可通过好氧或厌氧降解。好氧降解所需 要的氧气由大气扩散直接供给或从大型植物的根部扩散到根际附近的土壤及液 体介质中，供好氧细菌消耗，进行有机物质的分解。上述两种机理使人工湿地 对b o d 5 具有很强的去除效果。 ( 2 ) 悬浮固体( s s ) 的去除：湿地系统有很长的水力停留时间，一般是几 天或更长。s s 的可沉降部分，主要依靠物理沉降和过滤作用去除。在自由水面 湿地中，由于植物茎杆的阻挡作用，在处理单元前几米，约有3 0 4 5 的s s 被去除。s s 的非沉降性胶状固体部分，主要由微生物的作用和基质的渗滤作用 去除。在渗滤湿地和构造湿地中，这种作用尤为明显，出水中的s s 可达2 0 m g l 6 人工湿地污水技术处理综述 以f 。 、 ( 3 ) 氮的去除：自然湿地和构造湿地去除氮的机理基本相同，主要包括水 生植物的吸收、微生物的硝化、反硝化以及氨的挥发。水生植物的吸收一般占 投配氮量的8 一1 6 1 3 7 1 。在渗滤湿地和构造湿地中，水生植物的输氧和根茎下 穿，使原来的厌氧环境形成有利于硝化作用的好氧环境。同时，远离根系周围 的厌氧区由枯枝碎屑及底泥中可利用的碳源又提供了反硝化条件，构成了特定 的氮去除微生态环境，有利于氮的去除。国内外湿地处理工程运行结果表明， 低温和低氧制约硝化作用，硝化作用所需的温度至少为5 0 c 一7o c ，这对湿地系统 终年保持硝化作用是一个重要的限制因素。 ( 4 ) 磷的去除：磷在废水中以正磷酸盐、脱水正磷酸盐( 聚磷酸盐) 和有 机磷形式存在。生物氧化将绝大多数磷转化为正磷酸盐形式。湿地系统中磷的 去除机理主要包括吸附和形成难溶的钙、铁、铝等化合物沉淀。植物吸收对磷 的去除也有一定的贡献，但效果不是十分明显。当介质中有粘土、铁和铝存在 时，可提高磷的去除效果。在渗滤湿地和构造湿地中，污水与土壤接触面积大， 除磷效果较好。在自由水面湿地系统中污水与土壤接触面积小，除磷效果较差。 ( 5 ) 微量元素的去除：人工湿地中去除金属的过程包括沉积、过滤、吸附、 络合、沉淀、阳离子交换、植物摄取，以及微生物参与的反应，尤其是氧化。 金属能以溶解性形式或颗粒形式出现，前者代表最能利用的形式，尤其是离子 性或弱络合物种。颗粒和溶解相之间的分布是由物理化学过程决定的，例如吸 附、沉淀、络合、沉积、腐蚀和扩散。某些金属，如c d 或z n 显示出主要以溶 解性形式存在，而p b 倾向于以颗粒形式出现。控制金属在沉积物一水中分配的 具体参数包括流动悬浮固体比率、有氧无氧条件、离子强度、p h 值、溶解性 和颗粒有机碳含量、有机和无机配位体浓度，以及由生物化学反应动用的金属。 ( 6 ) 病原微生物的去除：从公共卫生角度看，细菌和病毒是重要的生物体， 而原生动物病原体和蠕虫在热带和亚热带国家也尤其重要。人工湿地为病原生 物体的去除提供了一个很好的物理、化学和生物条件。物理因素包括机械过滤 和沉积；化学因素包括氧化、u v 辐射、暴露于一些植物释放而吸附于有机物上 的生物杀灭剂；生物去除机理包括抗生作用、线虫、原生动物和浮游动物的掠 食、细胞溶解酶细菌和病毒的攻击以及自然死亡。其中土壤颗粒的吸附对去除 病原微生物具有明显效果。当城市污水通过1 5 m 土层后，病原微生物的去除可 达9 9 以e 。 7 人t 湿地污水技术处理综述 1 6 人工湿地的优点与不足 简而言之，人工湿地处理污水具有高效率、低投资、低运转费用、低维护 技术、低能耗等优点【3 8 】f 3 9 】f 矧。 ( 1 ) 高效率 高效率不仅体现在人工湿地对有机物有较强的降解能力，而且对n 、p 的去 除率也很高。从国内外有关城市污水的研究表明，在进水浓度较低的条件下， 人工湿地b o d 5 的去除率可达8 5 9 5 ，c o d c r 的去除率可达8 0 以上，处理 出水中的b o d 5 浓度在1 0 m g l 左右，s s 小于2 0 m g l 。 ( 2 ) 低投资和运行费用 一般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 1 2 。对我 国已建成或正在建的常规生化二级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。 ( 3 ) 低维护技术 系统的维护和管理主要考虑如何使用较少的人工来保持系统的正常运转， 使出水水质达到设计要求。管理和维护的内容主要包括水力系统、工程设施、 植物系统和虫害控制等。对于这些工作，一般的工人稍经培训就能胜任。 ( 4 ) 低能耗 人工湿地一般靠自流来进行污水处理，只有当地形不利或需引水时才耗少 量电力，另外人工湿地基本上不需要机电设备，所以人工湿地的能耗是非常低 的。 ( 5 ) 无剩余污泥 人工湿地相对于活性污泥法工艺的一个地非常重要的优点是不产生剩余污 泥，这将节省大量的污泥处理处置费用。 除以上所述主要优点外，人工湿地还具有一定的耐水力和污染负荷的冲击 能力；可间接提供效益，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。 人工湿地与传统污水处理工艺相比有以下几个方面的不足： ( 1 ) 占地面积大 处理相同量的水，人工湿地比传统污水处理工艺的占地面积大，这是限制 人工湿地进一步推广的主要因素。人工湿地占地面积过大的主要原因是人工湿 8 人工湿地污水技术处理综述 地的表面污染负荷不高，通过各种强化措施 ( 2 ) 设计运行参数不精确 和传统的污水处理工艺相比，人工湿地的设计运行参数是不够精确的，很 多情况下还是依靠经验值，这在很大程度上降低了人工湿地系统的可靠性。这 一不足将随着人工湿地研究的深入而得到缓解。 ( 3 ) 调试周期长 人工湿地由于自身特点，达到最佳处理效率的周期是很缓慢的。湿地植物 要经过较长时间后才能发挥作用，而缺少了植物系统作用的人工湿地和普通滤 床没有太大的区别。 ( 4 ) 易受病虫害影响 人工湿地与天然湿地相比，其植物相对单一，易受病虫害的影响。可以通 过增加湿地植物的种类来弥补这方面的不足。由于湿地系统不能够引入新的污 染源，所以在人工湿地中不能使用农药，对于湿地植物的病虫害的控制模式可 以参照农作物的绿色病虫害防治方法【4 1 】。 1 7 人工湿地的经济社会效益分析 人工湿地的建设和运行维护费用同其他污水处理工艺相比是很低 表2 1 深圳人t 湿地系统与其它污水处理厂的经济比较 工程名称处理方式总投资 单位污水单位污水单位污水 ( 万元)投资处理费处理用地 ( 元m 3 ) ( 元m 3 )( m 2 m 3 ) 深圳某厂鼓风曝气3 3 0 06 6 0 0 2 02 6 7 珠海某厂鼓风曝气 1 5 0 0 8 3 3 0 2 0 1 2 0 南海某厂氧化沟 5 7 45 7 40 2 01 2 0 自泥坑工程人t 湿地4 2 9 1 3 8 0 0 22 7 9 的，从下表的几组数据可以看出，除了湿地的单位污水处理用地面积较 大外，其他各方面的经济优势是非常明显的。下表是深圳白泥坑人工湿 地系统与其它污水处理厂的经济比较【4 2 1 。 9 人t 湿地污水技术处理综述 现在常用d a v i s 权变评价法对人工湿地的环境经济价值进行评价。人工湿地 应属湿地资源，但人工湿地并不具备天然湿地的生物多样性，它的生态系统并 不完善，食物链较短，很容易受到破坏：它的存在需要人为的干预，否则将不 能实现其处理污水的生态功能。所以人工湿地的价值体系不同于一般的环境资 源，根据人工湿地的特点，人工湿地价值体系可由环境经济价值和成本价值组 成。环境经济价值又分为环境容量价值、资源价值和社会价值。环境容量价值 是指人工湿地所能容纳污染物最大量的价值，资源价值是指人工湿地产出物( 主 要是植物) 和出水价值，社会价值是指人工湿地的景观美学和科普价值。成本价 值包括维护价值和人工改造价值。维护价值是指人们愿意支付人工湿地j 下常运 行所需的费用；人工改造价值是指将原有环境改造成为人工湿地的投入，包括 各种构筑物和原有环境使用费用等1 4 3 1 。 人工湿地总价值( v 总) 等于环境经济价值和成本价值之和，环境经济价值 等于环境容量价值( v 1 ) 、资源价值( v 2 ) 和社会价值( v 3 ) 之和，成本价值等 于维护价值( v 4 ) 和人工改造价值( v 5 ) 之和，即： v a _ - - v x + v 2 + v 3 + v 4 + v 5( 2 1 ) 人工湿地经济效益( v 效益) 等于环境经济价值和成本价值之差，即： v 效益= v i + v 2 + v 3 - v 4 v 5( 2 2 ) 式中， 上 v 1 = 3 6 5 p l i s i( 2 3 ) v 2 = y ( 3 6 5 p 2 i s i + k ) o v 4 = y 3 6 5 x f i x s i 智 v 5 = yb i + a 智 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中， p li 为第i 年公众对人t 湿地容纳污水的支付意愿，元t ；p 2j 为第i 年公众 对人1 ：湿地出水售价的支付意愿，元m 3 ；k 为第i 年人工湿地产出物价值，万元；s i 为 第i 年人上湿地实际处理污水量，万t d ；f i 为第i 年人t 湿地运行费用，元t ；a 为人 1 0 人工湿地污水技术处理综述 工湿地建设投资，万元；b i 为第i 年原有环境使用费用，万元；n 为人1 ：湿地服务年限，a 。 由于社会价值( v 3 ) 的复杂性，式中不对其进行计算，取其为零， 因而人工湿地计算出的 总价值应该小于其实际价 课题的研究内容与意义 第2 章课题的研究内容与意义 2 1 课题的研究背景和意义 2 1 1 选题的依据和选题背景 自改革开放以来我国国民经济得到长足的发展，人民生活水平有了很大的 提高，但工农业的发展也带来了一系列的环境问题，其中水污染是环境污染的 一个重要方面。对于水资源极其紧缺的中国，怎样解决“水资源短缺，水质恶 化”问题就显得尤为重型矧。特别是近年来随着工业化和城市化的提高，工业 污水和城市生活污水的排放量不断增加。在不少城市出现了严重的水污染现象， 若不尽快控制与治理，将危及人们的身体健康，势必阻滞国民经济的发展。已 建成的传统的活性污泥法工艺不能满足污水深度处理的需要，而在我国现在的 经济水平条件下短期内大量建造传统的污水处理厂又无法实现，这一情况更加 剧了水环境的污染l 矧。因此，积极创新技术、寻求防治水污染的新模式成了当 务之急【蚓，人工湿地正是顺应这一要求而发展起来的一种简便有效的生态工程 污水处理技术。 人工湿地作为一种兴起于上世纪7 0 年代的污水处理工艺不仅具有处理效 率高、投资省、运营维护简单等诸多优点，而且可以促进农业、渔业，经过几 十年的发展，日益受到人们的关注【4 7 l 。国家和地方都投入了相当的人力和物力 对人工湿地进行研究。人工湿地在污水处理中得到了广泛的应用【删f 4 9 】l s o 】1 5 。 随着人工湿地的逐渐推广和研究的不断深入，提高人工湿地的处理能力，延长 人工湿地的使用寿命成为焦点问题。 现在广泛应用水平潜流湿地往往存在污染物在湿地系统中分布不均匀的问 题，具体表现在污染物由于基质的物理化学吸附作用集中在湿地进水区的附近 区域，使得绝大部分污染负荷仅由该区域承担，进水区域的植物和微生物的生 命活动可能由于污染负荷过大而被抑制，而远离进水口区域的植物和微生物则 可能因为缺乏足够的营养而不能很好地生长。尤其是进水中的颗粒悬浮物主要 1 2 课题的研究内容j 意义 在进水口附近被吸附截留，使进水端的基质过早吸附饱和，颗粒物会直接堵塞 人工湿地，极大地影响了人工湿地的水力通导性，甚至会形成表面流，减小水 平潜流湿地的水力停留时间，这都会影响湿地的寿命和其处理污染物的效能 【5 2 】【5 3 】| 5 4 j 【5 5 jp 6 1 。本课题的研究主要是针对上述问题丌展的。 2 1 2 课题的研究目的 本课题主要研究目的是通过现场试验来研究潜流人工湿地替代氧化塘工艺 处理镇江生活污水的可行性，在此基础上着重研究往复流人工湿地作为水平潜 流湿地的一种改进强化，对提高人工湿地处理城市生活污水效能的作用。 2 1 3 课题的理论意义和实际应用价值 镇江市征润洲污水处理厂位于长江中的小岛征润洲上，镇江市区的主要生 活污水通过过江管道输送到污水处理厂。污水处理厂现有两套污水处理工艺， 氧化塘工艺和c a s t 工艺。自从c a s t 工艺投入运行以来，该工艺承担了主要 的污水处理任务，氧化塘仅起到辅助作用。氧化塘工艺不能发挥其应有的功能， 一方面由于地方经济的发展，人民生活水平的提高，需要高效的污水处理设施 如c a s t 来确保污水的处理效果；另一方面由于氧化塘运行处理效果不佳，常 常不能达到污水处理要求。氧化塘厌氧而造成水面黑臭，严重影响了污水厂职 工的工作生活环境，其出水排入长江也将会对长江的水质和生态环境造成非常 不利的影响。 单独的氧化塘工艺的处理效果不佳，并不意味着污水生态处理系统没有竞 争力，征润洲本身就是一个大的湿地生态系统，完全可以因地制宜利用生态处 理技术束净化城市生活污水，城市生活污水中的氮和磷可以作为征润洲湿地系 统主体植物芦苇的营养元素，芦苇作为优良的造纸原材料，其产量的提高必将 创造更大的经济效益1 5 7 j 。但是，如果没有工程上合理的布黄和强化，自然生态 系统难以有效处理大量的城市污水，而国内外的许多实例都证明了通过一定的 人工强化，生态系统可以连续、高效、稳定、低耗地处理相当数量的污水1 5 8 儿删j 。 往复流人工湿地将是镇江征润洲湿地污水处理系统的关键与核心，承