（环境工程专业论文）人工湿地的氮转移规律及影响因素研究.pdf

摘要 人工湿地的氮转移规律及影响因素研究 东南大学 博士研究生：黄娟导师：王世和教授 摘要 随着水体富营养化日趋严峻，如何提高人工湿地对含氮污染物的净化效果已成为人工湿地污 水处理技术研究的热点。人工湿地技术发展至今，其脱氨机制多基于。黑箱”理论，有待进一步研 究和完善。 本文考察了水力停留时间、水位、温度、湿地构型等对潜流型人工湿地脱氮效果的影响，尝试 建立遗传神经网络结合正交试验分析，藉以判断各影响因素对脱氨效果的影响程度；研究了潜流型 人工湿地中含氮污染物的迁移、转化过程及降解特性，通过量化分析，明确了植物吸收、微生物降 解、氨氮挥发及基质吸附等对脱氩的贡献率；通过建立氦转移的生态动力学模型，对潜流型人工湿 地的脱氮过程进行了理论分析和试验验证；最后，针对潜流型人工湿地低温条件下脱氮效果欠佳的 问题，进行了几种强化脱氮措施的研究 研究结果表明，潜流型人工湿地脱氨效果受水力条件影响显著，最佳运行水位不应低于6 0 c m 水深，最佳h r t 为5 6 5 d 。相同运行工况下，垂直流湿地脱氮效果高于水平流湿地：三段式水平 流湿地高于单段式水平流湿地 通过对潜流型人工湿地氨化、硝化、反硝化速率的比较表明，硝化反应是微生物脱氮的限速步 骤。湿地中、上层的硝化速率明显高于湿地底层，是微生物脱氮的有效空问。在湿地前段，硝化速 率明显低于反硝化速率；湿地中段，硝化速率有所回升。高于湿地两端，而反硝化速率差异不明显； 湿地后段，硝化速率再次降低而反硝化速率略有回升。在所构建的几组湿地中，垂直流湿地的平均 硝化速率高于水平流湿地：有植物湿地高于空白湿地；美人蕉、芦苇湿地高于其它植物湿地。 在对潜流型人工湿地硝化、反硝化作用强度的研究中发现湿地硝化强度与脱氮效果显著相关， 一定程度上反映了湿地溶解氧及微生物状态。芦苇水平流湿地中，湿地表层硝化强度明显高于深层； 表层呈中间高、两端低的趋势；深层沿程递减；在植物根际则由根面至非根区递减。各试验湿地 中，垂直流湿地的硝化强度高于水平流湿地；有植物湿地高于空白湿地；芦苇湿地高于美人蕉湿地。 湿地反硝化强度远大于硝化强度，说明潜流湿地具有较强的反硝化潜力。 本试验中，潜流型人工湿地的溶解氧空间分布与硝化强度呈相似变化规律。测定与分析表明， 潜流型湿地的面积复氧率远远低于硝化需氧量，使湿地普遍处于厌氧状态，硝化反应受到抑制。而 湿地植物对系统存在一定供氧作用。植物净光合速率与湿地氧浓度、n h 4 + - n 及t n 去除率显著相关。 试验所测定的几种植物的根系面积释氧量约为3 3 6 5 8 8 9 m - 2 d ，是潜流型人工湿地的主要氧源。 通过对人工湿地脲酶活性的测定与分析表明，湿地脲酶活性与t n 去除率显著相关；湿地中、 上层脲酶活性明显高于底层各层均沿程下降；湿地植物对脲酶活性具有重要影响，有植物湿地高 东南大学博上学位论文 于空白湿地，芦苇湿地高于美人蕉湿地，植物根际由根面至非根区递减。 对潜流型人工湿地氮转移与降解过程的研究表明，氨挥发脱氮率低于1 ，且受季节影响显著， 与温度、水分蒸散量显著相关；基质仅作为中介将污染物滞留在床体内；基质附着微生物的同化降 解率为2 8 3 5 ；植物根系附着微生物的同化降解率为1 9 2 5 ，植物直接吸收率为9 1 3 。 采用优化遗传神经网络仿真人工湿地脱氮系统正交试验，将湿地脱氮影响因素划分为四级：影 响显著( 水位) 、影响较大( h r t 、进水n h 4 + - n 、温度) 、影响相对较小( 进水p h 、进水c o d ) 和 基本无影响( 进水t p ) 。 以潜流型人工湿地脱氮系统为模拟目标，建立了生态动力学模型，用以模拟湿地氮转移与降解 过程，模型效率约为9 0 。该模型完整地描述了氮在湿地复杂环境下的多介质迁移转化过程，对潜 流型人工湿地氮的各种存在形态和降解过程进行了更细致的量化分析。 人工湿地低温域脱氮效果不理想导致该技术的应用推广受到限制。本研究通过采取保温及局部 曝气等强化脱氮措施，有效解决了湿地冬季运行效率低和易结冰的问题，对于湿地技术的推广应用 具有借鉴作用。 关键词：人工湿地；氨：溶解氧；污水处理 a b s t r a c t a sw a t e re u t r o p h i c a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s ，m e t h o d st oi m p r o v enr e m o v a le f f i c i e n c yi n c o n s t r u e t e dw e t l a n d sh a sb ( _ 7 , o m eo n eo f t h er e s e a r c hf o c u s e s u pt ot h ep r e s e n t , s t i b a s e do f f “b l a c kb o x ” t h e o r y , nr e m o v a lm e c h a n i s mi n “m s t n l c t e dw e t l a n da w a i t sa d v a n c e dr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t i nt h i st h e s i s , t h ei n f l u e n c oo nnr e n l o v a le r i e e ti ns u b s u r f a c e - f l o wc o n s t r u c t e dw e l l a n do f h r t , w a t e r l e v e l , t e m p e r a t u r ea n dw e t l a n ds l l l l e t u r ew a sr e s e a r c h e d d e p e n d e do nt h ee s t a b l i s h e dg e n e t i cn e u r a l n e t w o r kc o m b i n e dw i t ho r t h o g o n a la n a l y s i s t h ef a c t o r s i n f l u e n c ed e g r e eo nnr e m o v a lw j u d g e d 1 1 地 t r a n s f o r m a t i o np r o c e s s e sa n dd e g r a d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f ni nw e t l a n d sw e r ee x p l o r e d b yq u a n t i f i c a t i o n , t h ec o n t r i b u t i o nt onr e m o v a lo fp l a n tu p t a k e ，m i c r o b i a ld e g r a d a t i o n , a m m o n i av o l a t i l i z a t i o na n ds u b s t r a t e a d s o r p t i o n w a sd e t e r m i n e d a ne c o s y s t e mm o d e lw a se s t a b l i s h e dt oa n a l y z ent r a n s f o r m a t i o l li n f l u b s u r f a c e - f l o ww e t l a n da n dt ov a l i d a t ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s f i n a l l y , s e v e r a lm e a s u r e sw e r et a k e ni nl o w t e m p e r a t u r ec o n d i t i o nt or e i n f o r c enr e m o v a le f f e c ti ns o b s o r f a c o - f l o ww e t l a n d r e s u l t ss h o wt h a th y d r a u l i cc o n d i t i o nh a sr e m a r k a b l ei n f l u e n c oo nnr e n l o v a li ns u b s u r f a c e - f l o w w e t l a n d s 1 1 他o p t i m a lw a t e rl e v e ls h o u l db ea b o v et h eh e i g h to f6 0 c m , a n dt h eo p t i m a lh r ts h o n l db e c o n t r o l l e dr a n g i n gf r o m5t o6 5d a y s i nt h es a m eh y d r a u l i cc o n d i t i o n , nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sh i g h e ri n v e r t i c a l f l o ww e t l a n da n dt r i p l e - s e g m e n tw e t l a n dt h a ni nh o r i z o n t a l - f l o ww e t l a n da n ds i n g l e - 鬻 印e n t w e t l a n dr e s p e c t i v e l y b vc o m p a r i s o no f t h em i n e r a l i z a t i o n , n i t r i f i c a t i o na n dd e n i i r i f i c a t i o nr a t e si n 叫b s m f a c e - f l o ww e t l a n d , c o n c l u s i o nc 柚b ed r a w nt h a tn i t r i f i c a t i o ni st h er e s t r i c t i n gs t e pi nnb i o d e g r a d a f i o n t h eu p p e l ra n dm i d d l e l a y e rh is u b s u r f a c e - f l o ww e t l a n d i se f f e c t i v es p a c ef o rnb i e d e g r a d s 帆h a v i n ge v i d e n t l yh i g h e l l l i t r i f i c a t i o nr a t et h a nl o w e rl a y e r n i 们们c a t i o nr a t ei nw e t l a n df o r e p a r ti sl e s st h a nd e n i t r i f i c a t i o nr a t e b u t i ta c c e l e r a t e si nw e t l a n dm i d - p a r t , e x c e e d i n gt h a ti nb o t hw e t l a n de n d s ，a p p r o a c h i n gd e n i w i f i c a t i o nr a t e i n w e t l a n da f t - p a r t , n i t r i t i c a t i o n 矗n ed e s c e n d sw h i l ed e n i t r i f i c e f i o nr a t ei n c r e a s e s a m o n ge x p e r i m e n t a l w e t l a n d s n i t r i f i c a t i o nr a t ei sh i g h e l fi nv e r t i c a l f l o ww e t l a n dt h a ni nh o r i z o n t a l - f l o ww e t l a n d s 。h i g h e ri n p l a n t e dw e t l a n d st h a ni nu n p l a n t e dw e t l a n d , h i g h e l i nw e t l a n d sw i t hr e e da n dc mr e s p e c t i v e l yt h a ni n w e t l a n d sw i t ho t h e rp l a n t s t or e v e a lt h en p u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mi ns u b s o r f a c e - f l o ww e t l a n d , n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n i n t e n s i t i e sw e r es t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a tn i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t yi ns u b s u r f a c e - f l o ww e t l a n di sc l o s e l y c o r r e l a t i v ew i t hnr e m o v a le f f i c i e n c y t os o m ee x t e n t , i tc a r lr e f l e c to x y g e na n dm i c r o b ep r o p e r t i e s i t a p p e a r si nu p r i g h td i r e c t i o nt h a tn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t i e si nu p p e rl a y e ra r eh i g h e l t h a n t h a ti nt h el o w e r f o rt h er e e dw e t l a n d ，n i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t yi sl o wi nb o t he n d sb u th i 曲i nt h em i d d l eo f u p p e rl a y e r , w h i l ei td e c r e a s e sg r a d u a l l ya l o n gd i s t a n c ei nl o w e rl a y e r m e a nn i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t yi sh i g i l e r i nv e r t i c a l - f l o ww e t l a n dt h a nt h a ti ni l o r i z o n t a l f l o ww e t l a n d s , h i g h e ri np l a n t e dw e t l a n d st h a nt h a ti n u n p l a n t e dw e t l a n da n dh i g h e ri nr e e dw e t l a n dt h a nt h a ti n 删w e t l a n d 1 1 s e c r e t i o nf r o mp l a n tr o o t s d i r e c t l yr e s u l t si nt h e 删u a ld e c r e a s eo f n i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t yi np l a n tr h i z o s p h e r e r e s u l t sa l s os h o wt h a t i n t e n s i t yo fd e n i t r i f i c a t i o ni so b v i o u s l yh i g h e l t h a nt h a to fn i t r i f i c a t i o n t h e r e b y , s u b s u r f a c e f l o ww e t l a n d h a ss t r o n gd e n i t r i t i c a t i o np o t e l u t i a l o ns p a t i a l p a t t e r n , o x y g e nd i s t r i b u t i o n s h o w st h es i m i l a rr u l e sa sn i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t yi n s u b s u r f a c e f l o ww e t l a n d 1 1 1 en i t r o g e n o u so x y g e nd e m a n dr e q u i r e dt os u p p o r tt h eo b s e r v e dn i t r i f i c a t i o n r a t e si sf o u n dh i g hc o m p a r e dt of l u x e sf r o ms u r f i c i a la n dp l a n t - m e d i a t e do x y g e nt r a n s f e r i n t e g r a l l yi na n a n a e r o b i cs t a t e ，n i t r i f i c a t i o ni sr e s t r i c t e di ns u b s u r f a c o - f l o ww e t l a n d r o o t - z o n eo x y g e nr e l e a s ef o r e m e 唱e n ts p e c i e si sd e m o n s t r a t e d n e tp h o t o s y n t h e s i sr a t eo fe m e r g e u tp l a n t si sr e m a r k a b l yr e l a t e dw i t h i i i 东南大学博士学位论文 d oc o n c e n t r a t i o na n dr e m o v a le f f i c i e n c yo f i na n dn h 4 + n r o o t - z o n eo x y g e nr e l e a s ef o re x p e r i m e n t a l p l a n ti se s t i m a t e dt ob et h em a i no x y g e ns o u r c ea n ds u p p l y3 3 6 5 8 8 9 0 2 m - 2 d 一 1 1 u r e a s ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ci ns u b s u r f a c e f l o ww e t l a n d sw a st e s t e d r e s u l t ss h o wt l l a t u m a s r ea c t i v i t yi sr e m a r k a b l yc o r r e l a t i v ew i t ht nr e m o v a le f f i c i e n c y w i t ha d e c r e a s i n gf i e n dg r a d u a l l y w i t hd i s t a n c ei nw e t l a n dl a y e r s ，u r e a s ea e t i v i t yi sh i g l l e ri nu p p e ra n dm i d d l el a y e rt h a nt h a ti nl o w e rl a y e r u r e a s ea c t i v i t yi sg r e a t l yi n f l u e n c e db yw e t l a n dp l a n t s ，s oi tg r a d u a ld e c r e a s e si np l a n tr h i z o s p h e r e a m o n g e x p e r i m e n t a lw e t l a n d s ，u r e a s ea e t i v i t yi sh i g h e ri np l a n t e dw e t l a n d st h a ni nu n p l a n t e dw e t l a n d ；h i g h e ri n r e e dw e t l a n dt h a ni nc a h h ow e t l a n d m a s sb a l a n c eo fnt r a n s f o r m a t i o ni n d i c a t e sv o l a t i l i z a t i o no fu n i o n i z e da m m o n i ai sm i n i m a l b e l o wl p e w e n to fm e a s u r e di n f l u e mn v o l a t i l i z a t i o ni si n f l u e n c e db ys e a s o nc h a n g i n g , a n dr e m a r k a b l yr e l a t i v e w i t ht e m p e r a t u r ea n de v a p o t r a n s p i r a t i o n o n l ya sai n t e r m e d i a r y , s u b s w a t ea b s o r b sp o l l u t a n t sf a l t h e f r e m o v e db ym i c r o b ed e g r a d a t i o na n dp l a n tu p t a k e t h ea s s i m i l a t i o na n dd e g r a d a t i o nr a t i oo fm i c r o b e a t t a c h e do np o m u ss u b s w a t er a n g e sf r o m2 8 - - 3 5p e r c e n t , a s s i m i l a t i o na n dd e g r a d a t i o nr a t i oo fm i c r o b e a t t a c h e do np l a n tr o o t1 9 2 5p e r c e n t , p l a n tu p t a k er a t i o9 1 3p e r c e n t o p t i m i z e dg e n e t i cn e u r a ln e t w o r kw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t eo r t h o g o n a lt e s to fnr e m o v a li n n s n l j c t e dw e t l a n db a s e do np l e n t yo fp i l o t - s c a l ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f o r t h o g o n a lt e s t , i n f l u e n c i n gf a c t o r so nnr e m o v a le f f e c ta r ec l a s s i f i e di n t of o u rg r a d e s ：s i g n i f i c a n t l y ( w a t e r l e v e l ) ，r e l a t i v e l ys i g n i f i c a n t ( h r t , i n f l u e n tn h 4 + - na n dt e m p e r a t u r e ) ，r e l a t i v e l ys m a l l ( i n f l u e n tp ha n d c o d ) a n dn oe f f e c t ( i n f l u e n tt p ) a ne c o s y s t e mm o d e lw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t enr e m o v a ls y s t e mi ns u b s u r f a c e - f l o ww e t l a n d c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t a - t h em o d e le f f i c i e n c yr e a c h e s9 0 n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o na n d d e g r a d a t i o np r o c e s s e sa l ed e s c r i b e di nm o r ed e t a i l si n t e g r a l l yi ns u b s u r f a c e - f l o ww e t l a n d t h ea p p l i c a t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n di sr e s t r i e t e df o ri t sd i s s a t i s f y i n gnr e m o v a le f f i c i e n c yi nl o w t c m p e r a t o r e s o l u t i o ni sf o u n dt oi m p r o v ep o l l u t a n tr e m o v 叫e f f i c i e n c yi nw i n t e ra n dp r e v e n tf r e e z i n gb y h e a tp r e s e r v a t i o na n dl o c a la e r a t i o n , w i t hr e f e r e n c et ot h e g e n e r a l i z a t i o n o ft h e t e c h n i q u e o f s u b s u r f a c e - f l o ww e t l a n d k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；n i t r o g e n ；d i s s o l v e do x y g e n ；s e w a g et r e a t m e n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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，也不包含为获得东南大学或其它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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 节b 研究生签名：三：! 1日期：2 1 z 竺i 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 矿 p 研究生签名：- 二至型l 导师签名：，= 圣皇! 王一日 期：一7 乞夕 第一章绪论 第一章绪论 水是地球生物存在的基本要素。然而，进入2 】世纪以来。以湖泊富营养化及生态系统退化为主 要特征的水质恶化已成为许多国家和地区经济持续发展的制约因素。 我国水污染状况也日趋严峻，江河湖泊污染和富营养化相当严重。( 2 0 0 5 年中国环境质量状况 公报指出：七大水系的4 1 1 个监测断面中，i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别 为4 1 、3 2 和2 7 主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。在七大水 系的1 0 0 个国控省界断面中，l i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为3 6 、4 0 0 0 和2 4 。 近几年的环境状况公报表明，当前我国主要湖泊的氮浓度居高不下，富营养化问题仍然突出如此 严重的水环境污染，进一步加剧了我国水资源短缺和水资源需求的矛盾，使水危机更加突出，制约 了我国社会、经济的可持续发展。 解决水危机，节水是关键，治污是根本。探索一种高效、低耗、低成本f 易管理、可持续的污 水处理技术是世界各国环境治理的一个重要方向，对于我国这样的发展中国家则有更加重大的意义 而人工湿地污水处理技术以其特有的优势日益受到重视，为解决上述问题提供了一种新的选择 1 1 人工湿地概述 1 1 1 定义及其构造 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 是一种新型废水处理工艺。在一定长宽比和底面坡度的洼地中 充填土壤和填料( 如砾石等) 混合组成填料床，并在床体表面种植具有性能好、成话率高、抗水性强、 生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物，形成一个独特的土壤一植物微生物生态系统1 2 1 。废水 在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，通过填料、植物、微生物的协同作用，对废水进行处 理。它具有建造和运行费用低、维护简单、处理效果好、适用范围广，对负荷变化的适应能力强等 优点，可广泛应用于城镇污水，畜牧业、食品业污水等的处理1 3 】。 图i i 潜流型人工湿地构造 人工湿地一般由以下的结构单元构成：底部的防渗层，填料、土壤和植物根系组成的基质层 东南大学博士学位论文 水体植物好氧和厌氧微生物种群。各结构单元在湿地的净化中均发挥着重要的作用。其中，基 质层用以提供水生植物生长所需的基质、为污水在其中的渗流作用提供良好的水力条件、为微生物 提供良好的附着载体。植物在直接分解、合成代谢污染物的同时，还具有三个重要的间接作用：( 1 ) 显著增加微生物的附着面积；( 2 ) 将氧输送到根部，形成好氧、缺氧、厌氧环境，降解去除污染物； ( 3 ) 增加和稳定土壤的透水性，维持良好的水力传导及增加湿地周边环境的美观。湿地中的好氧和 厌氧微生物种群包括细菌、真菌、放线菌以及低等原生动物、后生动物，在表面流人工湿地中还包 括藻类，微生物是人工湿地中有机物和含氮化合物去除的主要承担者 1 1 2 分类 根据污水在湿地中水面位置的不同，可分为表面流人工湿地和潜流人工湿地两大类i j ( 1 ) 表面流人工湿地( f w s ) 表面流人工湿地根据植物种类的不同又可分为挺水型、浮叶型、漂浮型、沉水型植物人工湿地 污水从湿地表面流过，具有投资省、操作简便、运行费用低等优点，但占地面积大，水力负荷低， 去污能力有限。氧主要来源于水体表面扩散、植物根系的传输，但传输能力十分有限。湿地系统运 行受气候影响较大，夏季有孽生蚊蝇的现象，产生不良气味，冬季容易结冰四。 ( 2 ) 潜流型人工湿地( s f s ) 潜流型人工湿地的水面位于基质层下。这种湿地系统是目前广泛研究及应用的湿地处理系统， 1 9 7 3 年首先由德国k e s s e l 大学的k i c k u t h 教授研究开发成功1 6 j 。潜流型人工湿地一般由上下两层组 成，上层为土壤，下层为易于使水流通过的介质组成的根系层，如粒径较大的砾石、炉渣或砂层等， 在上层土壤层中种植芦苇等耐水植物。 根据湿地中水流的状态可将其分为水平流潜流湿地、垂直流潜流湿地和复合流潜流湿地1 1 水平流潜流湿地其水流从进口起在根系层中沿水平方向缓慢流动：垂直流潜流湿地的水流方向和根 系层呈垂直状态，这种床体形式的主要作用在于提高氧向污水及基质中的转移效率；复合流潜流湿 地是其中的水流既有水平流，也有竖向流。 潜流型湿地的优点在于充分利用了湿地空间，发挥了系统间的协同作用，因此在相同面积下处 理能力比f w s 型系统得到大幅度提高。污水基本在地面下流动，保温效果好，卫生条件好，这也是 近几年被大量应用的原因。其缺点是建造费用比f w s 型湿地高。 1 1 3 技术沿革 运用人工湿地处理污水可追溯到1 9 0 3 年，建在英国约克郡e a r b y 的被认为世界上第一处用于处 理污水的人工湿地，连续运行至1 9 9 2 年。1 9 5 3 年，德国的d r k a t h es e i d e l l l 2 , d 在其研究中发现， 芦苇能去除大量有机物和无机物，而污水中的一些细菌( 大肠菌、肠球菌、沙门氏菌) 在通过芦苇根系 时消失进而开发出 m a x - p l a n c ki n s t i t u t e - p r o c e s s 系统1 1 4 l 。6 0 年代中期，s e i d e l 与k i c h u t h 合作并 由k i c h u t h 开发了“根区法”限z m ) 。此根区法由种有芦苇的矩形潜流池组成，土壤经选择含有c a 、 f c 、a l 添加剂，污水流过芦苇床时，有机物被降解，n 被硝化反硝化去除，p 与c a 、f e 、a l 共沉积 累于土壤中。 2 第一章绪论 早期的人工湿地主要用于处理生活污水，在去除b o d 、c o d 、s s 及n 、p 营养元素等方面取得 了良好的效果，达到甚至优于传统二级处理厂的出水水质1 1 5 1 6 l ，因此，很快被推广应用于城市污水、 工业废水、城市暴雨径流、河流、湖泊及地表水等多种污染水体的处理1 1 7 - 1 9 。 目前，人工湿地己在欧美得到广泛应用。而我国人工湿地的研究起步较晚，于1 9 9 0 年7 月在深 圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程一白泥坑人工湿地污水处理系统1 2 0 。此后，在北京、天 津等地也先后建立了人工湿地系统，对人工湿地处理污水规律进行了比较系统的研究口“。目前， 人工湿地技术的研究已相对成熟。人工湿地不仅可用于城市和各种工业废水的二级处理还可用于 高级处理中的精处理和对农田径流的处理p 2 ”。 1 2 人工湿地脱氮理论研究现状 1 2 1 湿地中氮的转化形式 污水中氮的存在形式有两种：有机氮和无机氮。其中，无机氩以n h + - n 和n 鸥。- n 为主。人工湿 地中，各种形态的氮通过氮化作用、硝化作用、反硝化作用、氨挥发作用、基质吸附作用及植物和 微生物的吸收作用等互相转化各种转化过程间的相互关系如图1 2 所示 n h 3n 2n ，n 2 0 左图中： l 氨挥发 2 - 稍化作用 3 反硝化作用 4 - _ 氮的固定 5 植物和微生物的吸 出 收作用 卜氨化作用 7 稍酸盐的铵化作用 8 噘附作用 卜离子交换作用 图1 2 人工湿地系统中氨的转化 其中，氨化作用是微生物将含氮有机物转化为n h 4 + - n 的过程，氨化作用在好氧、厌氧和兼性厌 氧的环境下均可发生i 硎。硝化作用是由于植物的根区效应，在植物根区的好氧环境下发生，将m + n 氧化为n 0 3 ：n 的过程，分两步进行：第一步是n l - h + - n 氧化为n 0 2 - n 的过程，通过氨氧化作用，好氧 细菌从中获得生长所必需的能量；第二步是n o i - n 由兼性化能自养细菌进一步氧化为n o ；- n 的过程 p 7 。反硝化作用是在厌氧条件下，微生物将n q 。- n 转化为氮气并释放到大气中的过程，由硝化作用 东南大学博上学位论文 产生的n 0 3 - n 扩散到还原区，通过微生物的反硝化作用，被还原为n 2 或n 2 0 从人工湿地中去除1 ”, 2 9 1 。 氨气的挥发是一个物理化学过程是氨直接挥发到大气中的过程。 1 2 2 湿地脱氮机制及其影响因素 在人工湿地污水处理过程中，人工基质，植物和微生物三者相互作用，互为因果，形成了一个 共生系统p o l ，利用基质一微生物一植物的三重协调作用来实现对污水的净化。人工湿地的脱氮途径 主要包括：植物和其它生物的吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用及氨气的挥发作用”j 。 其中，微生物的硝化和反硝化作用是人工湿地主要而且长期的脱氮方式，特别是当污水q n 0 3 - n 含 量较高时1 3 2 1 。 ( 1 ) 湿地氨挥发 人工湿地系统部分氮氮通过挥发从系统逸出。氨挥发量受气候、水力条件、植物生长状态等因 素影响。对于人工湿地氨挥发的研究，国内鲜见报道。r e d d y 和p a t r i c k 认为，当n h 值低于7 5 时，氨 挥发作用可忽略只有当p h 值大于9 3 时，氨挥发作用才比较显著m 一】。 ( 2 ) 基质吸附作用 湿地基质性质，诸如基质类型、渗透率、含水率、胶体类型、p h 值、粘性及各种络合、螯合剂 的存在，都会影响湿地的脱氮效率。j t a 认为l 蚓，人工湿地宜以相对粗糙的介质( 如砂和炉渣 等) 作为基质。研究发现，煤渣草炭基质垂直流人工湿地系统对n l _ h + - n 去除率可达8 5 蚶”。胡霭堂 研究认为【3 l l ，湿地基质的含水率在一定程度上影响湿地脱氦效率，湿地土壤通常处于饱水状态，这 样有利于反硝化作用进行。而j v y m a z a l 认为i “。在潜流型砾石床湿地脱氮系统中，碎石砾石对 n h 4 + - n 吸附性能较差，对还原态n h 4 + - n 的吸附量可不予考虑。 ( 3 ) 湿地微生物和酶 人工湿地含氦污染物的转化循环及其去除与湿地微生物息息相关。微生物菌群在人工湿地脱氮 中起着极其重要的作用【”真菌在凯氏氮的去除中发挥了主要作用【2 。m 】。人工芦苇湿地系统中的 优势菌属主要有三种，分别为假单胞杆菌属( p s e u d o m o n a s ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n s ) 及黄杆菌属 ( f l a v o b a c t e r i i u m ) 。与天然芦苇湿地相比，人工湿地中的优势微生物种群组成与其基本相同，这几种 优势菌属的微生物生长快速，体内大多含有降解质粒，故为废水处理中有机物降解的主体微生物种 群1 4 s l 。湿地中各种氮转化菌较为丰富，生物量大小可作为湿地生态系统中土壤物化特性、营养含量 变化的一个有效指标i j 。与人工湿地脱氨有关的微生物有氮化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝 化细菌。试验测得氮化细菌为1 0 6 1 0 7 个克土亚硝化菌为1 0 3 1 0 5 个，克土，硝化菌为1 0 3 1 0 4 个克土，反硝化细菌为i o 1 0 6 个，克土。菌群在湿地内分布不均衡，氨化菌群前部高于后部，硝化 菌为中后部高于前部，硝化菌数量为有植物湿地高于无植物湿地1 4 9 。对慢速渗透土地系统中水稻土 的研究发现，氨化细菌的数量在1 0 7 个，克干重以上i “i 。 不同的生境，人工湿地的微生物群落结构和活性也不一样。d u n c a n 等【47 】发现，人工湿地中反硝 化酶活力( d e a ) 显著高于天然湿地，而土壤呼吸量则正好相反。不同季节，细菌、真菌和放线菌在 各土层的分布也存在一定的差异4 。朋l 。此外，种有不同植物的湿地系统，根区微生物的数量分布呈 现显著差异i ”。 4 第一章绪论 人工湿地中各种酶的分布及其与污水处理的关系开始受到关注p ”q 。湿地酶是指湿地系统内植 物、微生物和基质等各组成要素酶的总称，包括胞内酶及游离于细胞外的胞问酶。湿地酶同微生物 一起推动着物质转化，各种酶在基质中的积累是基质微生物、基质动物和植物根系生命活动的结果。 其中，纤维素酶能酶促纤维素中的b 1 ，4 葡聚键的水解，可将纤维素分解成葡萄糖分子；磷酸酶能酶 促磷酸酯的水解，并释放出正磷酸盐；蛋白酶能酶解蛋白质和肽类等大分子氮化物，生成氨基酸； 过氧化氢酶几乎存在于所有生物体内，在某些细菌中的数量约为细胞干重的1 ，它能促进过氧化氢 对各种化合物的氧化湿地的过氧化氢酶活性与湿地呼吸强度和湿地微生物活动有关，一定程度上 反映了湿地微生物学过程的强度嗍。而脲酶是一种酰胺酶，能酶促有机质分子中肽键的水解，基质 的脲酶活性与基质的微生物数量、有机物含量、t n 和速效氮含量呈正相关。 在香蒲人工湿地中，磷酸酶、纤维