（环境科学专业论文）人工湿地除磷基质研究及同步脱氮除磷填料的开发.pdf

o 目录 摘要i a 1 3 s t r a c t i i i 第一部分文献综述l 1 1 人工湿地去除磷素的机理。1 1 1 1 微生物对人工湿地除磷的作用1 1 1 2 植物对人工湿地除磷的作用1 1 1 3 基质对微生物除磷的作用l 1 2 人工湿地除磷的影响因素2 1 2 1 湿地参数影响2 1 2 2 水流特性影响4 1 3 基质改性研究4 1 3 1 基质改性方法5 1 3 2 改性基质除磷5 1 3 3 同步脱氮除磷基质5 1 4 选题依据和研究内容6 1 4 1 选题依据及研究意义6 1 4 2 研究目的和研究内容6 参考文献一7 第二部分研究报告1 2 2 1 潜流人工湿地对污水中磷素去除的影响因素1 2 2 1 1 实验系统设计1 2 2 1 2 样品采集及分析方法1 3 2 1 3 数据处理方法。l3 2 1 4 结果与讨论。1 3 2 1 - 5 结论。1 9 参考文献2 0 2 2 改性方法对煤渣除磷效果研究2l 2 2 1 实验材料与方法一2l 2 2 2 结果与讨论一2 l 2 2 3 结论2 4 参考文献2 5 2 3 同步脱氮除磷填料的开发研究2 6 2 3 1 实验材料与方法。2 6 2 3 2 结果与讨论。2 7 2 - 3 3 结论。3 6 参考文献3 7 在校期间发表论文3 9 致谢4 0 西南大学硕十学位论文摘要 人工湿地除磷基质研究及同步脱氮除磷 填料的开发 环境科学专业硕士研究生：张文娟 指导老师：黄玉明教授 捅要 由于藻类的过度生长，氮磷营养元素造成的水体富营养化问题越来越严重，并已成为全 球环境问题，而磷往往是其限制因子，因此降低水体中氮磷的浓度是控制水体富营养化的有 效途径。在过去的几十年里，很多方法被用来去除污水中的磷素，其中最普遍的是利用铁盐、 铝盐等化学沉淀法，但由于该法成本高、操作复杂及产生的大量污泥难处理等缺点，在农村 及小城镇应用较少。近年来利用基质对磷的吸附作用除磷应用广泛，至今为止，天然矿物、 工业副产物及各种人造吸附剂等都被用来除磷。人工湿地污水处理系统冈成本低、无能耗及 可操作性强等优点被广泛用于各种污水的处理，其中对污水中磷的去除主要依靠基质的吸附 沉淀作用，因此对人工湿地高效除磷基质的选择非常关键。此外，潜流人工湿地内部多为厌 氧环境，微生物对氨氮去除效果不佳，而氨氮亦可以通过吸附或离子交换作用去除，这样可 以利用湿地填充基质来净化污水中的氨氮，因此，寻找一种可以同时脱氮除磷的填料作为湿 地基质显得非常必要。 本研究以人工湿地基质除磷为主线，主要研究了以下内容： ( 1 ) 以中试规模潜流人工湿地( 占地1 5 0m 2 ) 为研究对象，通过分析长期监测的数据，评估 了不同设计及运行参数下湿地系统对氮磷的去除效果，并探讨了污水中磷素去除的影响因素； ( 2 ) 以煤渣为原料，利用金属盐( 钙盐和镁盐) 及盐酸对其改性，比较不同改性方法对煤渣 除磷效果的影响，并进一步研究了盐酸改性煤渣对磷的吸附动力学和吸附等温线； ( 3 ) 在沸石表面负载一层铁氧化物，利用铁氧化物改性沸石同步脱氮除磷。首先利用x r d 及b e t 来表征改性材料，然后研究了影响脱氮除磷的各种因素p h 值、温度、吸附剂剂量、 初始浓度、离子强度及腐殖酸的存在等，最后还从吸附等温线、吸附动力学和吸附热力学的 角度研究了铁氧化物改性沸石对氮磷的吸附性能。 通过以上研究，得到以下主要结果： ( 1 ) 填料、植物、水位、温度及进水有机负荷对湿地系统净化磷的能力都有一定影响，但进 水有机负荷及填料是最主要的因素，填充煤渣及种有风车草的湿地更有利于磷素的去除； ( 2 ) 煤渣经不同改性方法改性后除磷能力得到一定提高：h c i c a c l 2 m g c l 2 ，吸附量分别为 4 7 2 4m 蚝，1 9 5 8m g t g ，1 4 5 0m g k g ；盐酸改性煤渣对磷的吸附在2 4h 内达到吸附平衡， 吸附符合l a n g m u i r 等温方程。 ( 3 ) 与未改性沸石相比，铁氧化物改性沸石除磷效率提高了4 6 倍，且没影响沸石的脱氮能 力，可以达到同步脱氮除磷的效果：氮磷的吸附平衡时间分别为1h 和2 4h ，吸附过程更符合 i 曲甬大宁坝十字何论又 a b s t r a c t s t u d yo np h o s p h o r u s - - r e m o v i n gs u b s t r a t e su s e d f o rt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sa n ds i m u l t a n e o u s r e m o v a lo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s - - r e m o v i n g s u b s t r a t e s p o s t g r a d u a t em a j o r i n gi ne n v i r o n m e n ts c i e n c e ：z h a n gw e n j u a n m e n t o r ：p r o f h u a n gy u m i n g a bs t r a c t t h eo v e r g r o w t ho fa l g a ed u et oe u t r o p h i c a t i o nh a sc a u s e ds e v e r ee n v i r o l n m e n t a lp r o b l e m s d e c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fp h o s p h a t ea n dn i t r o g e ni nt h ew a t e rb o d i e si sa ne f f e c t i v ew a yt o c o n t r o le u t r o p h i c a t i o n , t h u sp r e v e n t i n gt h eo v e r g r o w t ho fa l g a e v a r i o u sm e t h o d sa n dav a r i e t yo f m a t e r i a l sh a v eb e e ns t u d i e dt or e m o v ep h o s p h a t ed u d n gt h ep a s td e c a d e s ，i nw h i c hc o a g u l a t i o nw i t h a i a n df e s a l t ( s u l f a t e ) p h a s e si st h eu s u a l l ya p p l i e dm e t h o d f o rt e c h n i c a la n de c o n o m i c a lr e a s o n s ， h o w e v e r t h e s et e c h n o l o g i c a ls c h e m e sa r en o ta p p l i c a b l ea tr u r a la r e a sa n ds m a l lt o w n f o r s m a l l s c a l ed o m e s t i cw a t e rt r e a 饷e n t 。t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e m sc a nb eu s e d a l t h o u g h c o n s t r u c t e dw e t l a n d sh a v ep r o v e nt ob ee f f e c t i v ef o rr e m o v i n go r g a n i c sa n dt o t a ls u s p e n d e ds o l i d , t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lc a p a c i t yi su s u a l l yp r o b l e m a t i c i nr e c e n ty e a r s ，w o r l d w i d e s t u d i e sh a v es h o w nt h ee f f e c t i v e n e s so fa d s o r p t i o nt h r o u g hn a t u r a lm i n e r a l s ，b y p r o d u c t s ，s y n t h e t i c a d s o r b e n t sa n d5 0o nf o rt h er e m o v a lo fp h o s p h o r u s i na d d i t i o n t h e i ra b i l i t i e sf o rr e m o v a lo f a m m o n i u mi sl i m i t e dd u et ol a c k i n gd i s s o l v e do x y g e n ，e s p e c i a l l yi nh o r i z o n t a lf l o ws u b s u r f a c e c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，a n dw h i c hc a nt h r o u g hi o ne x c h a n g e t h e r e f o r e ，l o o k i n gf o rt h e n u t r i e n t - l o a d e df i l t e rm a t e r i a la sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa d s o r b e n ti su r g e n t l yn e c e s s a r y t h i ss t u d yw a sm a i n l yi n v e s t i g a t e dr e m o v a lo fp h o s p h o r u si nc o n s t r u c t e dw e t l a n d sa n dt h e r e s e a r c hc o n t e n t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b ya n a l y z i n gt h el o n g - t e r mm o n i t o r i n gd a t a , t h er e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u so f d i f f e r e n td e s i g na n do p e r a t i n gp a r a m e t e r si nt h ep i l o t - s c a l es u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ( a n a r e ao f15 0m 2 ) w a se v a l u a t e ，a n dt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h er e m o v a lo fp h o s p h o r u si ns e w a g e w e r ea l s od i s c u s s e d ( 2 ) t h er e m o v a lp e r f o r m a n c eo fc i n d e rf o rp h o s p h o r u sb yd i f f e r e n tm o d i f i c a t i o nm e t h o d ss u c ha s m e t a ls a l t s ( c a l c i u ma n dm a g n e s i u m ) a n dh y d r o c h l o r i ca c i d ( h c l ) t om o d i f i e dt h ec o a lc i n d e r w a sc o m p a r e d i i i 西南人学硕十学位论文 a b s t r a c t ( 3 ) t h ei r o no x i d e sl o a d e dz e o l i t ew a su s e dt or e m o v en i t r o g e na n dp h o s p h o r u ss i m u l t a n e o u s l y f i r s t l y , m o d i f i e dm a t e r i a l sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r da n db e t , t h e nt h ee f f e c t so fa d s o r b e n t d o s e ，p h ，c o n t a c tt i m e ，t e m p e r a t u r e ，t h e i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no ft a r g e t ，i o n i cs t r e n g t ha n d h u m i ca c i do ne q u i l i b r i u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d f i n a l l y , t h ea d s o r p t i o n p e r f o r m a n c eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb yi r o no x i d em o d i f i e dz e o l i t e sw a sa s s e s s e df r o m a d s o r p t i o ni s o t h e r m s ，a d s o r p t i o nk i n e t i c sa n da d s o r p t i o nt h e r m o d y n a m i c sp o i n to f v i e w t h e f o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d ： ( 1 ) s u b s t r a t e s ，p l a n t s ，w a t e rl e v e l ，t e m p e r a t u r e ，弱w e l la si n f l u e n to r g a n i cl o a d i n gr a t es h o w i n f l u e n c eo nt h er e m o v a lo fp h o s p h o r u si nw e t l a n d ss y s t e m h o w e v e r s u b s t r a t e sa n di n f l u e n t o r g a n i cl o a d i n gr a t ew e r et h em o s ti m p o r t a n tt w of a c t o r s c o n s t r u c t e dw e t l a n dw h i c hf i l l e d c i n d e ra n dp l a n t e dc y p e r u sa l t e m i f o l i u si sm o r ec o n d u c t i v et or e m o v a lp h o s p h o r u s ( 2 ) t h er e m o v i n gc a p a c i t yo fp h o s p h o r u sh a sb e e ni m p r o v e db yd i f f e r e n tm o d i f i c a t i o nm e t h o d s a n df o l l o w e dt h eo r d e ro fh c i c a c l 2 m g c l 2 ，a n dt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t i e sf o rp h o s p h o r u s w e r e4 7 2 4m g k g ，19 5 8m g k ga n d14 5 0m g k g , r e s p e c t i v e l y h c im o d i f i e dc o a lc i n d e rf o r p h o s p h o r u sa d s o r p t i o nh a sr e a c h e de q u i l i b r i u mi n2 4h a n dt h ea d s o r p t i o nf o rp h o s p h o r u sw a s w e l lf i t t e dw i t hl a n g m u i ri s o t h e r m ( 3 ) c o m p a r e dw i t ht h eu n m o d i f i e dz e o l i t e s ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fp h o s p h o r u sw a si m p r o v e d 4 6t i m e sb yi r o n - o x i d e sm o d i f i e dz e o l i t e s ，a n dt h ea na d s o r p t i o nk e e p su n e f f e c t e d ，t h e r e f o r e t h ei r o n - o x i d e sm o d i f i e dz e o l i t e sc a ne f f e c t i v e l yr e m o v ea na n des i m u l t a n e o u s l y i tw a s f o u n dt h a tt h ea d s o r p t i o ne q u i l i b r i u mc a nb er e a c h e dw i t h i nlha n d2 4hf o ra na n dp ， r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fa na n dpw e r ew e l ld e s c r i b e db yb o t ht h el a n g m u i r a n df r e u n d l i c hi s o t h e r mm o d e l sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h em a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a c i t y f o ra na n dpw e r e7 1 9 4m g g ，1 6 9m g g ，r e s p e c t i v e l y i np hr a n g eo f 6t o9 ，r e m o v a lo f a n a n dpb yi r o n - o x i d e sm o d i f i e dz e o l i t e sc a nb er e a l i z e d , a n dt h ep r e s e n c eo fh u m i ca c i d sc a l l i n h i b i tt h ea d s o r p t i o no f a na n dpb yi r o n - o x i d e sm o d i f i e dz e o l i t e s k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，s u b s t r a t e s ，s i m u l t a n e o u sr e m o v a lo fa m m o n i u m a n dp h o s p h o r u s i v 两南大学硕 学位论文文献综述 第一部分文献综述 1 1 人工湿地去除磷素的机理 磷在污水中常以磷酸盐( p 0 4 3 、h p 0 4 厶、h 2 p 0 4 。) 、聚磷酸盐和有机磷形式存在。国内外 研究表明，人工湿地净化磷素的机理独特而复杂，它利用基质植物微生物这个复合生态系统 的物理、化学和生物的共同协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生 物分解作用来实现对污水中磷素的净化。 1 1 1 微生物对人工湿地除磷的作用 生物除磷机理主要是利用聚磷菌在好氧厌氧交替运行条件下不断摄取释放磷，最终通过 排放出高磷污泥达到除磷目的l 】。人工湿地中植物的光合作用和呼吸作用的交替进行使湿地 系统内部交替出现好氧、厌氧状态，有利于微生物摄取过量和释放磷。 此外，梁葳等【4 1 研究表明，磷细菌的数量与污水中p 的去除率呈显著的正相关关系；李科 得等【5 ，6 1 研究认为微生物对含磷化合物的转化是磷净化过程的一个限制因子。由此可见，微生 物通过生化作用将污水中的有机磷或难降解磷降解或转化为无机磷和容易被吸收利用的磷形 态，这一过程的完成才得以实现基质对磷的吸附沉淀和植物对磷的吸收。 1 1 2 植物对人工湿地除磷的作用 磷是植物生长所必需的元素，污水中的无机磷可以被植物吸收和同化合成a t p ，并通过 收割被带出系统。植物发达的根系可以为湿地根区微生物提供生长环境，还可以将植物光合 作用产生的氧气输送到根际和基质，使根区周围形成厌氧、缺氧和好氧环境，易于污染物的 降解，1 9 6 0 s ，根区法在西德被k i c k u t h 及其团队首次提出1 7 】，之后得到广泛应用。 有研究例认为，湿地对营养物质氮磷的去除主要由于植物机理。植物根系吸收污水中的氮 磷并转化为植物自身的生长细胞组织，然后直接通过收割成熟植物达到去除的目的：但也有 研究认为，植物对污水中氮磷的吸收作用是很微弱的。多数研究表明，植物对氮磷的吸收作 用虽然弱，但植物可以影响其他去除过程，如植物的通气系统可向地下部分输氧，根则向基 质中输氧，为根区的好氧或兼氧微生物提供良好环境。 1 1 3 基质对人工湿地除磷的作用 人工湿地对磷的净化机理最主要的是基质的吸附沉淀作用，基质吸附和沉淀在人工湿地 磷素的去除和固定机制中发挥着重要的作用，同时也是最容易控制的冈素【9 j 。 根据污水中磷与基质表面分子结合力的性质，可以分为物理吸附和化学吸附。物理吸附 由吸附质和吸附剂之间的分子间作用力导致，结合力弱，吸附热较小，容易脱附；而化学吸 附由吸附质与吸附剂之间的化学键引起，吸附反应不可逆。 ( 1 ) 湿地基质对污水中磷的物理吸附 人工湿地基质的吸附反应包括阴离子交换吸附和配位吸附。阴离子交换吸附，又称非专 性吸附，指水溶液中的磷与土壤胶体之间通过静电引力而发生的吸附反应，没有专一性。很 西南大学硕+ 学何论文 文献综述 多基质中的铁铝含量高，在酸性条件下，表面的活性铁铝因为质子化而带正电荷，就会通过 静电引力吸引带负电荷的磷酸根。但仅靠静电引力的吸附作用是很弱的，而且带负电的s 0 4 2 - 、 n 0 3 等也都会发生非专性吸附，与p 0 4 孓发生竞争。但此类吸附只能发生在酸性条件下，而且 酸性越强，非专性吸附也越大。 ( 2 ) 湿地基质对污水中磷的化学吸附 配位吸附是以h 2 p 0 4 为配体，与土壤表面的o h 和h 发生配体交换而保持在表面，这种 吸附具有一定的专一性，也称为专性吸附。专性吸附是化学力( 共价键) 的作用，因此又称 化学吸附。吸附机理为：首先h 2 p 0 4 。与活性铁铝的o h 。进行配位交换，释放出o h ，形成单键 吸附；然后被吸附的磷酸根中另一个o h ，脱质子化释放出一个h + ；最后发生第二次配位体 交换，进一步释放出o h 。，形成六边形结构的双键吸附。被土壤专性吸附的磷在几个月内会保 持着相当大的有效性，但随着时间延长，特别是当双键形成以后，磷的有效性就大大降低。 人工湿地基质对无机磷的这种吸附属于化学吸附，化学吸附后形成难溶性的磷酸盐沉积在湿 地基质表面，最后从污水中分离。这个过程即为人土湿地基质的磷沉积。 不同的基质中，磷的化学沉积受不同的体系控制。在弱碱性和中性基质中，受钙镁体系 控制，此种条件下，磷酸根以h p 0 4 2 。形式为主，与胶体中交换性的c a 2 + 和溶液中的c a 2 + 发生 一系列化学反应，生成c a - p 化合物：在酸性基质中，磷的固定受铁、铝体系控制，此种条件 下磷酸根以h 2 p 0 4 为主，与活性铁、铝或是交换性铁铝及赤铁矿、针铁矿、无定形态等化合 物形成一系列的溶解度较低的f e ( a 1 ) p 化合物，如磷酸铁铝、磷铁矿、磷铝矿等。石灰石基 质中也存在磷的沉积作用，因为石灰石基质中也存在少量的活性铁铝，而且石灰石中的c a c 0 3 也能进行磷的化学吸附，首先形成无定形态的钙磷酸盐，然后逐渐变成晶体态，最终形成磷 灰石【1 们。 袁东海掣1 1 】研究表明，基质中全钙、氧化钙、水溶性钙；游离氧化铁、铝和胶体氧化铁、 铝含量越高，其固定生成的磷酸钙盐、磷酸铁盐和磷酸铝盐越多，基质除磷效果也越好。湿 地基质在除磷过程中扮演着重要角色，因此根据其理化性质筛选出对磷有高吸附能力的基质 对人工湿地的构建有重要作用。 1 2 人工湿地除磷的影晌因素 利用人工湿地系统处理污水已有上百年的历史【1 2 】，湿地的运行及设计都比较成熟，目前 人工湿地的研究主要针对湿地的性能优化及提升。而优化湿地性能就必须研究影响湿地性能 的影响因素，虽然很多研究在设计人工湿地去除污水中的污染物时，也有考虑到其中一个或 几个影响因烈b j5 1 ，但并不系统。总体说来，影响湿地除磷的因素很多，但可归纳为两类： 湿地参数及水流特性。 1 2 1 湿地参数影响 1 2 1 1 湿地设计参数 人工湿地系统的主要设计参数包括湿地填料、植物、水位和长宽比，另外还包括人工湿 地与其他工艺的组合。 1 ) 填料 2 两南大学硕十学侍论文文献综述 人工湿地除磷主要机制为填料吸附沉淀【1 6 , 1 7 j ，因此填料会是影响人工湿地除磷性能的主要 因素，且主要是填料种类和粒径大小所致。 1 8 5 0 年，w a y 首先发现十壤对磷酸盐具有固定作用，他发现磷酸盐不同于硝酸盐、氯化物 和硫酸盐可以通过钙质土壤，有磷酸钙的沉淀生成。除了土壤，很多材料都对磷有一定的吸 附作用，但不同填料对磷的吸附效果不同，一般是富含铁、铝及钙【1 1 1 的填料除磷效果较好， 很多研究表明，利用铁、铝( 氢) 氧化物负载基质或向基质中添加钙【1 蚰1 1 都能提高对磷的吸 附效果。 填料粒径对p 的去除也有影响，一般认为，粒径越小，对磷的去除效果越好。j g a r c i a 掣2 2 j 研究发现，细颗粒的填料更有利于磷的去除；s e o 等1 2 3 】研究了三种不同粒径的基质对磷的吸附 容量，发现随着粒径的减小基质对磷的吸附容量逐渐增大。 2 ) 植物 植物通过自身吸收作用除去污水中的磷，但植物对磷的吸收能力因植物种类的不同而有 差异。湿地植物一般分为：挺水植物、浮水植物和沉水植物，其中以挺水植物应用最广。植 物根系对污染物的去除影响较大，因此用作湿地植物必须要有发达的根系，如芦苇、香蒲、 菖蒲是最常用的湿地植物。 湿地有无植物及植物的类型与种类都会影响湿地除磷的效果。廖新悌等【2 4 j 发现，种植植 物的湿地除磷效果明显优于没有植物的湿地；b r i xh 研究发现【2 5 】不同类型的植物除磷效率也 有一定差异，挺水植物对磷的吸收能力为5 0 1 5 0k gph a 1y e a r l ，远高于沉水植物。王超等【2 6 】 研究了几种浮水植物对富营养化水体中磷的净化能力，发现土著植物黄花水龙夏季对t p 的去 除率达2 5 ，可去除磷0 0 1 4m g ( g d ) ，分别为水花生和水葫芦的1 9 和o 7 倍。 3 ) 水位 湿地的水深可以影响潜流人工湿地的氧化还原条件，从而影响湿地的生化反应效率进而 影响湿地的处理效率。多数研究认为，较浅的水位更有利于湿地对污染物的去除。g a r c i a 等【2 7 j 认为水位是决定湿地处理效果的一个重要因素，研究了水位分别为0 5 和0 2 7m 下潜流水平 湿地对污染物的去除效果，发现水位为o 2 7r n 时更有利于c o d 、b o d 5 、a n 及d r p 的净化。 4 ) 长宽比 湿地床位的长宽比会影响水中磷的去除，长宽比会影响水流的混合程度及可被有效利用 的湿地面积，因此选择不同的长宽比，水流的线速度也就会不同，就会出现不同的水头损失， 长宽比增大，水头损失会相应增加，而水头损失过大可能造成溢流现象，因此长宽比不应过 大。王薇掣2 8 1 认为湿地床位的长宽比不应超过3 ：l ，湿地长度控制在2 0 5 0m 。但也有人认为， 为了防止短路现象出现，湿地长度应控制在1 2 3 0m 1 2 9 1 。j o a ng a r c i a 等【2 7 1 则认为与其他重要因 素( 水深、水力负荷) 相比，长宽比( 1 ：1 ，1 5 ：1 ，2 ：1 ，2 5 ：1 ) 的影响不大。 对湿地床体形状的研究也有报道，k a m e l 等【3 0 j 把湿地床体的进水端分别设计为矩形和三 角形，并研究了两种不同形状床体对湿地出水的影响，结果发现三角形状的进水床体对污染 物的去除效果明显优于矩形的。 5 ) 工艺组合 目前把人工湿地进行串联组合或是将其他污水处理工艺和人工湿地进行组合的应用也很 常见，当然不同的组合工艺其处理性能亦有差异。m a r t i ns 3 q 把水平潜流人工湿地和垂直流人 3 西南人学硕十学何论文文献综述 工湿地进行组合以及把人工湿地和钢渣过滤床组合，发现两种组合工艺对有机物的去除效果 都很好，没有显著性差异，但对于溶解性反应磷d r p 和氨氮来说，后者效果更好。万丽娟等 3 2 1 把活性污泥工艺与四块串联湿地组合对生活污水中的污染物进行去除，发现活性污泥工艺 对磷的去除贡献为3 8 ，湿地系统为1 8 ，二者组合加强了对污染物的去除。 1 2 1 2 湿地运行参数( 水力负荷、温度) 湿地的运行参数主要包括：水力停留时间h r t ，水力负荷h l r 以及温度。 1 ) h r t 和h l r h r t 和h l r 对湿地的运行效果有很大影响。h r t 可以反应污水与湿地系统的接触程度， 水力停留时间越长，越有利丁二接触；h l r 则是指单位面积湿地所承受的水量，水力负荷越小， 对污染物的净化效果越好。j o a ng a r c i a t 2 7 等对比了三个h l r ：2 0 ，3 6 和4 5m m d a y ，对应的 三个h r t 为：1 0 ，5 6 和4 4d ，发现可溶性的反应磷d r p 出水浓度随着h l r 的增大而增加。 i r i n ip 等【3 习也比较了h r t 分别为6 、8 、1 4 和2 0d 下，中试湿地系统对各种污染物的去除效 果，并发现氮磷能达到很好的去除，h r t 为1 4d 足够，但要在冬季还能达到如此好的效果， h r t 需为2 0d 。吴振斌等1 3 4 l 研究发现湿地进水负荷增大会降低污水的停留时间，从而影响湿 地的净化效果。 2 ) 温度( 季节变化) 众所周知，温度( 季节变化) 会影响湿地中微生物的活性及湿地植物的生长发育，但是 否因此对湿地污染物的去除产生影响，各文献研究不一。有报道【3 5 】称湿地的去除效果跟季节 没有很大关系，却也有人认为对季节有很强的依赖性。如g i a e v e r 掣3 6 l 发现在冬季很冷的情况 下，水平潜流人工湿地对污染物也有很好的去除作用，而k a d l e cr h t 3 7 1 研究发现秋季和夏季湿 地对氮磷的去除率明显高于春季和冬季。当然一般认为在较高温度下湿地对污染物的去除效 果更好。 值得注意的是，h o o k 等【3 8 】研究发现低温下湿地的去除效果不佳，但大型植物香蒲的存在 却明显缓解了这种趋势，并因此得到湿地植物可以强烈影响湿地运行的季节模式，即植物可 以削减低温下不佳的湿地处理行为。 1 2 2 水流特性影响 除了湿地的设计参数及运行参数会影响湿地的运行行为外，湿地的水流特性因素也会影 响湿地对磷的去除。湿地的水流特性即不同水流状态的湿地，表面流和潜流，水平潜流和垂 直潜流湿地等，不同类型的湿地对污染物的去除效率不同。表面流人工湿地中，通过微生物 降解及基质的沉积过滤作用能去除大部分有机物【3 ，但对于氮磷的去除效率不佳【4 2 , 4 3 1 。目前 潜流人工湿地的应用最为广泛，根据水流方向，又分为水平潜流人工湿地( h f s s ) 和垂直潜 流人工湿地( v f s s ) ，与表面流人工湿地相比，潜流人工湿地的除磷能力更强1 4 4 , 4 s 】。而垂直流 系统因可以更好的富氧对氮的去除效果更好。 此外，湿地系统是否有回流i 2 ：t 4 6 r 是否分段进水f 4 7 】也会影响湿地系统对磷的去除。 1 3 基质改性研究 人工湿地除磷的最主要机制是湿地基质的吸附沉淀作用，然而随着湿地运行时间的延长， 4 两南大学硕十学位论文 文献综述 填料对磷的吸附逐渐饱和，吸附能力下降，对磷的去除效果也变差，因此，研究采用不同的 改性方法以提高或恢复填料除磷能力已引起人们的关注。 1 3 1 基质改性方法 近年来很多文献利用不同吸附剂( 如活性炭、碳纳米管、钢渣、粉煤灰、沸石等) 来吸 附污水中的重金属( a s 、c d 等) 、有机污染物和营养盐等【4 ”0 1 ，但传统的吸附剂往往具有吸 附能力有限、重新释放目标物及易饱和等缺点，效果不佳。很多研究开始致力于对传统材料 进行改性，加强对目标物的去除。 m a r i ak 【5 0 1 通过对斜发沸石进行铁改性，增加了沸石的比表面积，也由于无定型态铁的存 在，提高了对c u 、z n 、m n 的吸附能力；刘桂芳等f 5 i l 对商用的活性炭用h n o s 、n a o h 和高温 n 2 进行表面改性，研究改性后对双酚a 的吸附，结果表明，高温n 2 改性活性炭对b p a 表现 出最好的吸附能力，饱和吸附量为5 2 6 3 2m g g ，与未改性相比吸附能力有大幅提高；c p r a t t 纠5 2 1 通过干燥、搅拌和粉碎等物理方法对炉渣进行改性，结果表明，物理改性并不能增加炉 渣对磷的吸附位点，对磷吸附能力的提高也是暂时的；w a n g 等1 5 3 j 用表面活性剂对多种碳纳米 管进行改性，对诺氟沙星进行吸附研究，结果表明，改性碳纳米管对诺氟沙星的吸附主要因 为静电引力的作用。 与传统吸附剂相比，改性后的基质去除目标物的效果更好，也避免了很多问题。 l - 3 2 改性基质除磷 因为成本低，无一o - - 次污染及去除效果好，利用天然粘土矿物! 5 4 , 5 5 1 高岭土、蒙脱土、膨润j 上、 天然沸石或工业副产物【5 8 j 煤渣、粉煤灰、钢渣等除磷的方法越来越被重视。然而很多基质 除磷的结果却并不令人满意【5 9 , 6 0 ，为了改善传统基质出现的这些问题，很多研究对传统的吸附 剂进行改性或功能化1 6 1 粕】，像胺功能化的m c m 4 1 ，m c m 4 8 ，镧掺杂的介孔s i 0 2 ，介孔硅酸 盐及铝浸渍的s b a 1 5 等人工合成的具有相对较大的孔径用于除磷。 n b o u j e l b e n 等t 6 5 j 研究了合成及天然的铁氧化物改性砂和砖块对磷的吸附，结果表明，通 过改性使吸附剂表面沉淀有铁氧化物，增加了砂和砖块的比表面积，因此提高了对磷的吸附 能力；x i o n g 等脚】把水铁矿改性的硅藻士作为磷的吸附剂，结果表明，改性后的硅藻土的比表 面积比未改性的增加了8 5 倍( 由2 4 7 7m 2 僖增加到2 1 1 1m 2 儋) ，对磷的吸附能力也从1 7m gp 倌 增加到1 0 2m ga g 。w i l a i w a n 等【6 7 】研究了阴离子结合功能化纳米介孔硅( c u - e d a s a m m s 和 f e e d a s a m m s ) 吸附剂吸附磷，并研究了p h 值、离子强度和竞争阴离子对吸附行为的影响， 结果表明，高浓度离子强度会影响改性吸附剂对磷的吸附，f e e d a s a m m s 对磷的吸附符合 l a n g r n u i r 吸附等温线，对磷的最大理论吸附量为4 3 3m g g 。 与传统除磷材料相比，这些改性材料或功能化材料对磷的吸附容量更大，吸附速率也更 快。当然这些功能化的材料也存在一些尚需解决的问题，如材料成分可能会渗漏到水中进一 步诱导污泥的产生岬l 。 1 3 3 同步脱氮除磷基质 目前利用人工湿地进行氮磷去除的研究 6 9 - 7 1 1 很多，但研究显示，人工湿地对总悬浮物及 5 两南大学硕十学位论文文献综述 有机物的去除效果很好，可以达到9 0 以上，但在不加外界能源情况下，人工湿地对氮磷的 去除率低且不稳定，接近5 0 1 7 2 1 。如果把可以同步去除氮磷的填料用于人工湿地，则可以大 大提高人工湿地脱氮除磷的效率。 目前用于除氮的材料有很多，如沸石及改性沸石、活性炭、蛭石【7 3 】等，其中以沸石的效 果最好：目前利用吸附材料除磷前景非常广阔，用于除磷的各种吸附剂也很多，包括传统的 天然吸附剂和改性的各种材料。除了单独用于氮或磷的去除的材料，对同步脱氮除磷基质的 研究也有出现。 刘远金等1 7 4 1 利用天然沸石处理鱼塘水及生活污水中的氮磷，但效果不佳，且吸附速率较、 慢。王小波等【7 5 1 研究了酸、碱、盐改性高岭土对氮磷的去除效果比较，发现铝盐处理后的高 岭土对氮磷的吸附效果都最好，酸处理后的高岭土对磷的吸附效果增强，但脱氮效果却下降， 与杨林峰掣7 6 , 7 7 1 对酸改性粉煤灰、蛭石的结果一致。 1 4 选题依据和研究内容 1 4 1 选题依据及研究意义 由氮、磷等污染物引起的水体富营养化已经成为全球环境问题，严格限制水体氮、磷含 量成为控制水体富营养化的根本措施。人工湿地污水处理系统因其成本低、无能耗、运行管 理简单，被广泛应有于各种污水的处理。其中对污水中磷的去除主要是通过植物吸收、微生 物摄取以及填料吸附沉淀协同完成，其中填料的吸附和沉淀是磷去除的主要机制，然而，随 着运行时间的延长，湿地填料对磷的吸附逐渐饱和，吸附能力下降。而人工湿地除氮的主要 机制为微生物的硝化反硝化作用，但由于潜流人工湿地内部d o 不足，使得硝化作用不能充 分进行，导致氨氮不能转化为硝态氮，如果能通过湿地基质的离子交换、吸附等作用来去除 氨氮，这样就能达到同步脱氮除磷的效果。基于此，本研究对人工湿地的基质进行研究来改 善人工湿地去除氮磷的效果。 1 4 2 研究目的和