（环境工程专业论文）两种人工湿地处理低浓度污水的比较.pdf

山末大学硕士学位论文 摘要 目前我国湖泊的富营养化现象不断加剧，面源污染控制作为解决这一问题 的有效途径之一日盏受到重视人工湿地作为一辞新型生态污承处理技希，具有 低投入、低能耗、能脱氮除磷、技术管理要求低的特点，可作为一种控制城市面 源污染的优选方案。而植物作为湿地系统的组成部分，在污水净化过程中发挥着 重要的作用。 本文介绍了人工湿地的概念与净化机理，国内外发展现状及在我国的应 用，同时阐述了人工湿地植物的选择与其在系统中的作用试验参照排入济南市 大明湖的混合窍水的水质，采用垂直流和潜流式两种人工湿地对低浓度污水进行 处理，比较了两种湿地对低浓度污水的处理效果及湿地植物对污染物去除的影 响，测定了不同水力停留时间和污水浓度下两种湿地对于水中化学耗氧量、全氮、 全磷的去除效果，并探讨了湿地植物在污染物去除中的作用结果表明： 不同的湿地流态对污染物的去除效率不同当水力停留时间为2 4 h ，潜流 湿地对于低浓度污水中c o d 、t n 、t p 去处率分别为7 5 2 、6 6 3 、8 2 8 t 垂直流湿地去除率为7 0 2 、7 6 2 、9 3 3 ，潜流湿地对于c o d 的去除较好， 垂直流湿地对于t n 、t p 的去除较好 不同湿地流态中，水利负荷的变化对污染物的去除效率不同当进水中 c o d 、t p 、t n 浓度为1 2 0 i n n ，2 m g l 2 0 m g l ，湿地的净化效果较好潜流 湿地中。进水浓度的变化对t n 的去除影响较大，在垂直流混地中，进水浓度的 变化对c o d 、t p 去除率的影响较大。 植物光合作用对于湿地系统的t p 、t n 的去除影响较大，湿地植物在人工 湿地中发挥着重要作用，具有一定的去除氮、磷的能力 关键词：人工湿地；垂直流：潜流：挣化效率；水生植物 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i a k ce u 舡o p l l i c a l i o nh a sb 咖b e c o m eas e r i o 璐p r o b l e mi n 伽rc o u n t r y a sa n e f f e c t i v ew a vt o l v et h i sp r o b l e m n o n p o i n tp o u u t i o nc o n t r o lw 罄a t t a c hi m p o r t a n e e t op e o p l em e r e a s m 出c o n s t r u e t e dw e t l d si san 胂s e w a g et e e l m o l y g y 丽l hl o w s t 姐dl e s s 饥e r g yf o rn ，pr e m o v a l ，l e s sr e q u i r e m to f t e e l m i q u ea n dm a n a g e m 吼 m p a r e dt o m 嘲撕伽l a lw a s t e l w a t e rt r e a t m 踟tp r o c 船s 嚣，c 孤b er e e dt oc o n l z o lt h e c i 妒sn o n p o i n tp o l 晰。屯a s 缸i m p o r 鼬tp a r to fs y s t e m m a e r o p h y t ep l a y s 蛆 i m p o r t a n tr o l ei nt 1 1 ec o 璐帆l c t e dw e t l 孤正 t h i sp a p e rm l r o d u e c dl h ec o n c e p t - d e e o n t a m i a i a a tm c c h a n i s m , t h es t a t u so f r e s e a r c hb o 也i na n do u t s i d cl h e 枷o n t h ea p p l i c a d o fw e t l 姐dl r e a t m 衄t t e e l m o l o g yi nc h i l n 【e 锄删l c ，e m p h a s i z et h ea d v a n t a g r eo f c o n 曲m c 锄w e t l a n d ，m e l e e t i o no f p l a n t sa n d 啦sr 0 1 ei nt h ec 0 璐m 删w c t l a n d c o n s u l t i n g1 h es e w a g eo f d a m i n gl a k ci nj i n a n v e r t i e a lf l o wc o n s u c t c dw e t l a n d 缸d 瓤l b 翻正h c ec o n s 嘶同 删a n dw e r eu s e dt ot r e a tl o ws 衄n g t l aw a s t e w a t e r t h er e m o v a le 伍c i e n c vo f c 咖s 由l c t c dw e t l 锄dw 蠲i n v 岛d g a t c d 断c o d 、1 n 、t pa ：td i f f e r e n th y d r a u l i c r e t d o nt i m ea n dd i f f e r e n tc o n c a 炯l i o nw a s t e w 蛔m e 锄嘣l e s t u d yt i l ef u n c t i o n o f a q u a t i e m a e r o p h y t e t o n 坞r e m o v a le 伍c i 黜y o f p o i h m o m 弧er e s e ts l l o w e d ： d i f f e r e n tw a t 盯f l o w sh a v ed i 伍：姗tr e m o y ec 伍e i e n e y a th y d r o l i er e t e n t i o n t i m e i s 2 4 k t h er c m o v c r a t e o f c o d 、t n 、t p w 笛7 5 2 、6 6 3 、8 2 8 i n 廿” s u b s u 血c ew e t l a n d狃d7 0 2 、7 6 2 、9 3 3 i nt h ev c r t i e a lf l o ww e t l y & 也e r c m o v a le 伍c i 吼c yo ft n 、t pw 弱h i 幽盯a n dc o dw 勰l d w 珂i nt h ev e a i c a lf l a w w e t l a n dc o m p a r e dw i t hs u b s u r f ew e t l 础 t h ec h a n g eo f h y d r a u l i cl o a d i n gi nc o n s 虮l c t o dw c t l a n dh a sl h ec f f e c to nr c n l o v c e 伍e i 饥e yb e t w e e n 咖t y p e so fw a t e rf l o w w h e n 也ec o n c 岛l 删帆o fi n f l o w w a t 盯w 勰1 2 0 m g l ，2 m 以，2 0 m e l ，t h er e m o v a lm t eo ft w os y s t e m sw 勰h i 西 i l l 也e 孤b s u r f a e ef l o w 黜t r u e t e dw c t l 蛆正t h ec h a n g eo fh y d r a u f i e1 0 a d m gh a s h i 曲盯t nr c m o v a le 伍c i c y w h i l ei nt h ev e r t i e a lf l o wc o 璐劬l c t o dw e t l 砒n l e e h a n g eo f h y d r a u f i el o a d i n gh a sh i 曲盯t pa n dc o dr c m o v a lc 伍c i e y a q 峪d em a e r o p h y t ei n f l u e n c et h cr e m o v cr a t eo fw e t l 龃ds y s t e m m a e r o p h ”e h a v et h ea b i l i t vo fn 、pr e m o v a l ，i tp l a y e d 缸i m p o r t a n t l ej n 也ec o 硼加1 c t e d w e t l a n d k e y w o r d s ：c o 璐m l c t e dw e t l 龃d s ：v e r t i e a lf l o w ；s u b s u 吨址ef l o w ：r e m o v a l r a t e ；a q l l a t i cm 越r o p 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：拇：羞日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j ；i ! 孟j 导师签名论文作者签名：d ：i ! 盈j 导师签名 日期：础刁 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的目的与意义 中国是一个湖泊众多的国家，大于i k m 的天然湖泊共存2 3 0 0 余个，足我 国最主要的淡水资源近年来，随着我国工农业的迅速发展和城市化进程，湖泊 流域开发活动加剧，同时人们将湖泊作为工业废水、生活污水和农业灌溉捧水的 场所，不合理的人为开发活动如围湖造田、森林砍伐、湖滨破坏等给诸多湖泊环 境造成了不良影响。根据环保总局2 0 0 5 年水质报告显示：我国2 l 处重点湖库水 体己处于不同程度的富营养化状态。湖泊富营养化不仅导致水体水质下降，蓝藻 水华频繁暴发，而且对水体的生态结构和功能产生不利影响全国性的湖泊富营 养化及湖泊生态破坏等环境问题不断出现和发生，给流域的社会经济发展造成了 不可估量的损失 在湖泊富营养化水体的治理中，主要采用三种技术：外源控制、内源控制 技术和生态修复技术。针对我国目前正面临的水资源匮乏和水环境恶化的严峻挑 战，采用生态重建与恢复技术是达到水质改善和恢复水体功能的一个非常主要的 手段外源污染控制落后，是导致我国湖泊富营养化的一个重要原因，研究表明： 通过挖除表层的污染底泥，可以有效的削减底泥污染物向上覆水体的释放，减少 外源性污染物质尤其是外源性营养物质进入湖泊只有外源污染得到了有效控 制，水体富营养化控制和生态修复才能花最小的代价实现预期目标“1 人工湿地构建的生态系统，具有独特的污染物净化机制，在湖泊点源和面源 污染控制方面具有良好的应用前景目前我国城市污水厂仍有大量氮、磷随出水 排入环境水体，人工湿地技术同城市污水处理工艺相结合，在削减氮、磷含量的 同时，可以进一步提高出水水质，同时人工湿地的投资低，运行费用低和适应性 强的特点使之在点源控制中具有良好的应用前景 农业面源污染分散，污水量大面广，水质水量变化大”1 的特点十分适合于人 工湿地的应用我国富营养化湖泊的治理中农业面源污染严重，而在美国、德国 等国家，人工湿地技术己成功应用农业面源的污染控制中 山东大学硕士学位论文 1 2 人工湿地 1 2 1 人工湿地的定义 湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡带，具有多功能和使用价值的生态系 统。1 9 7 1 年拉姆萨尔国际湿地保护公约将湿她定义为：“湿地系指不论其为天然 或人工、常久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动，或淡水、 半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的水域”嘲 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 是人为创造的一个适宜于水生植物或湿生 植物生长的、根据自然湿地模拟的人工生态系统；它由基质，微生物和植物按一 定方式配置而成，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分 解来实现对污水的高效净化，具有水力负荷大、污染负荷高、节省占地面积等诸 多优点 绝大多数自然和人工湿地由五部分组成：具有各种透水性的基质，如土壤、 砂、砾石；适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；水体( 在基质表面下 或上流动的水) ；无脊椎或脊椎动物；好氧或厌氧微生物种群。 人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成，预处理主要去除 粗颗粒和降低有机负荷构筑物包括双层沉淀池、化粪池、初沉池人工湿地单 元中的流态采用推流式、阶梯进水式、回流式或综合式( 图1 1 ) 瑚 目漉 母 一 箍巍式 k 目赢式 西固 瞬群遗永式 图i 1 人工湿地中的基本流态 2 t 综合式 山东大学硕士学位论文 1 2 2 人工湿地的类型及应用m 按照工程设计和水体流态的差异，人工湿地污水处理系统可以分为表面流湿 地( f r e ew a t e rs u r f a c ef l o w ，简称f w s ) ，水平潜流湿地( h o r i z o n t a ls u b s u r f a c e f l o ww e t l a n d ，简称h s f ) 和垂直流湿地( 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 ) 三种主要类型三种类型湿地的优缺点如表1 所示 其中表面流湿地不需要砂砾等物质作填料、造价较低、但水力负荷较低，该 类型在美国、加拿大、新西兰、瑞典等国有较多分布 水平潜流湿地的保湿性较好，对b o d 、c o d 等有机物和重金属等去除效果 好，受季节影响小，目前在欧i i i ，日本应用较多 垂直流湿地综合了前两者的特点，但其造价要求较高，至今尚未广泛应用 表i i 三种人工湿地处理污水系统类型比较 1 3 国内外人工湿地的研究进展 1 3 1 国外人工湿地的研究进展 早期的潜流型湿地处理系统主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂 出水，德国最早开展了潜流型人工湿地的研究，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，随后开发出年由m a xp l a n c ki n s t i t u t ep r o c e s s 系统，该系统有四或五级组成， 每级由几个并联并有挺水植物的池子组成该系统存在堵塞和积水问题根据 d r s e i d e l 的思路，荷兰于1 9 6 7 年还开发了一种现称为l e l y s t a dp r o 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，由于运行问题，该 ， 山东大学硕士学位论文 系统后有4 0 0 m 长浅沟，随后大量这种湿地在荷兰建成。1 9 7 7 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机理的初步萌芽与此同时美国的国家空 问技术实验室研究开发了c 厌氧微生物和芦苇处理污水复合系统) s q o 经过近1 5 年研究与发展，该技术已经在英国、美国、新西兰、法国、澳大 利亚、巴西、荷兰等许多国家得到应用推广，一些发展中国家也开始使用该技术 解决国内的污水处理问题。与此同时应用范围也不断扩大，除了用于处理城市污 水外，还应用于工业废水、农业面源污染、垃圾渗出液暴雨径流等多种废水的处 理，表现出良好的效果i u l 目前，仅在美国就约有6 0 0 多座人工湿地工程用于处理市政、工业和农业 废水。4 0 0 多座人工湿地被用于处理煤矿废水，5 0 多个人工湿地用于处理生物污 泥，近4 0 个人工湿地应用处理暴雨径流，超过3 0 个人工湿地系统用于处理奶产 品加工废水1 1 0 - 1 4 1 在丹麦、德国、英国每个国家也都至少有2 0 0 个地下潜流湿地 系统在运行，新西兰也有8 0 多个人工湿地系统被投入使用f 1 习 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 hm2 ) 其余为自由表面流湿地。最常见的预处理是兼性或氧化塘，或者说许多湿地系统 被用于氧化塘系统的精处理。【1 6 1 在欧洲应用较多的是地下潜流系统，此技术还在快速发展，特别是在一 些东欧国家绝大多数系统种植有芦苇，也有种植菖蒲、香蒲等其它湿地植物。 为了保证潜流，绝大多数系统采用砾石作为填料。此类系统趋向对近1 0 0 万人口 当量的乡村级社区进行二级处理，北美则趋向对人口较多的地区进行高级处理， 在澳大利亚和南非则用于处理各类废水嘲 根据对1 0 4 座潜流系统和7 0 座自由表面流的处理效果数据统计，有如下结 果：【1 7 】 s s ( 悬浮物) ：两种人工湿地皆可有效去除s s 表面流用于三级处理时出水 s s 凋落物 地下茎 地上茎 叶，主要富集在植物的地下部分【2 i 】 付贵萍等【2 l 】人采用一种新型的复合垂直流湿地系统o v c v o ，对其反应动力 学和系统的流态进行了研究。经过中试试验，运用串联反应器模型和离散流模型 两种模型模拟1 v c w 的水流状态，经过比较发现离散流模型模拟的效果较好 1 3 3 人工湿地在我国的应用 除了对机理进行研究外，有关研究和工程技术人员还建设了许多人工湿地 工程直接应用于废水处理，表2 列出了部分人工湿地工程在我国的应用情况。 笠- 3 0 1 i 7 知 表1 2 潜流型人工湿地处理系统实例 废水类型时间湿地类型 污染物去除效果 b o d sc o d n h 3 - n i n t p 食鼬n - r 废1 9 9 2一潜流 黔9 2 8 6 9 6 水 酿酒废水 生活污水 污泥渗出液 灌溉径流 河水 油田采出水 暴雨径流 农业废水 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 7 潜流 9 8 6 3 3 1 9 9 7 - 1 9 9 9潜流7 0 - 9 3 3 8 一黼3 8 - 6 64 2 7 0 1 9 9 7 1 9 9 9 垂直流 9 6 9 2 1 9 9 9 - 2 0 0 l 潜流 8 46 5 1 9 9 9 - 2 0 0 0 潜流 7 4 - 8 1 5 8 - 8 2 1 9 9 1 1 9 9 3垂直流8 0 - 8 9 6 7 8 07 5 4 1 2 0 0 0 - 2 0 0 l 潜流 8 7 9 77 7 2 0 0 l 潜流6 0 - 7 17 1 - 8 35 0 6 15 5 - 6 6 在我国的南方和北方均有一定数量的人工湿地被投入研究和应用在这些系 统除了用于处理耗氧有机物和n 、p 等营养物为主的生活污水外，逐渐扩大到 各种各样的以有机物、重金属、油类为主要污染物的工业废水，如处理矿山废水 i ，2 l 、油田采出水t 3 33 4 、造纸废水1 3 川，乳制品废水1 3 6 】、炸药废水鲫、炼油废水 3 8 】、 畜牧废水【3 9 1 除了用于集中点源治理外，还被用于以n 和p 等营养物为主的农 业非点源的治理。其处理对象除了b o d 5 、c o d e r 、n 、p 、重金属和油类外， 还包括藻类、藻毒素、非离子表面活性剂等这些人工湿地都取得了良好的处理 效果，实践表明人工湿地污水处理技术适合我国国情随着社会、经济的发展， 我国对整治环境污染问题。尤其对水环境污染的治理越来越重视。但受经济条件 的制约，许多中小城镇和农村没有足够的资金去建设传统污水处理厂，因此大力 开发人工湿地污水处理技术对我国水环境污染的治理具有重大的意义。嗍 1 4 人工湿地的优势与不足池捌 1 4 1 优势 ( 1 ) 投资少、运营成本低 山东大学硕士学位论文 国内外研究实践表明，人工湿地处理污水的建设和运营成本低廉，并且易于 维护，以我国部分系统为例处理费约为传统污水处理厂的1 1 0 - - - 1 5 左右，从而 能够节省大量的资金，经济效益显著 ， ( 2 ) 处理污水的高效性 、 应用实践的研究数据表明，人工湿地处理污水的效果优于传统的污水处理工 艺，在进水浓度较低的情况下一般对污水中b o d 的去除率在8 5 - - 9 5 之间 c o d 去除率可达8 0 e 以上，处理污水中的b o d 浓度在1 0 m g l 以下，s s 浓度小 于2 0 t o g a 对n 的去除率可达6 0 ，对p 的去除率可达9 0 以上，对农药类、细 菌总数等去除率在9 0 以上，对重金属如f e 、c u 、z n 等的去除率在8 0 以上 由于湿地类型、基质和植物的选取、气候、污染物的浓度等方面的差异，污染物 的去除率具有一定的波动范围1 9 9 3 年b a s t i a n 等总结了北美人工湿地污染物去 除率的波动范围，如有机物去除率在5 0 - - 9 0 之间波动，悬浮物去除率在4 09 4 之间波动，氮的去除率在3 0 - - 9 0 波动1 1 1 ( 3 ) 独特的绿化环境功能 成规模的人工湿地不但迅速增加了绿地面积，消除城市热岛效应还能为人们 提供一个优美的新型的城市生态景观 1 4 2 不足 ( 1 ) 受气候条件限制较大 人工湿地栽种的植物类型恰当与否直接关系着系统处理污水的效率和经济效 益，而植物类型的选取受到了气候条件的限制 ( 2 ) 占地面积相对较大 人工湿地净污的效果与污水在湿地中流动的时间和空间充足与否有着很大 的相关性当系统中的填料和植物达到饱和程度时需要用备用池来交替运行，另 外为防止淤积往往建造预处理池对污水进行先期处理，一般认为大约是传统污 水处理厂的2 3 倍左右 ( 3 ) 容易产生淤积饱和现象 人工湿地能有效地去除污水中的有机物、悬浮物、重金属、病原体等污染物 质但是随着时间的推移部分营养物质会逐渐地积累湿地中的微生物相应地繁 殖，如果维护不当，便很容易产生淤积、阻塞现象使水力传导性、湿地处理效果和 山东大学硕士学位论文 ， 运行寿命降低。此外人工湿地中栽培的植物还易受到病虫害、火灾的威胁以及自 身生长周期的影响也是应该加以重视的问题。 ( 4 ) 气味控制不良气味实际上几乎所有的湿地，不论是自然的还是人工的， 一般都会有一定的气味，而且气味随溶解氧量或流入的水质不同而不同，其中在 厌氧条件下最易产生不良气味不良气味主要来自逸出的n i - 1 3 ，h 2 s 以及n 和 s 的各种挥发性有机合物等有研究表明，降低b o d 水平可减低难闻气体的产 生，但如何有效控制目前似乎还无良策 1 5 人工湿地污水处理系统采用的植物 植物的作用有美观、气味控制、提高处理效果、预防滋长蚊虫。主要是提高 污水处理效果，其原理为：污水中部分有机、无机和含氮、磷污染物作为植物生 长所需的养料而被吸收，某些有毒物质被富集、转化、分解成无毒物质；植物 根系生长改善填料的通透性，创造利于微生物降解有机污染物的良好环境，有利 于污水均匀地分布在人工湿地过水断面上 根据各地具体情况寻找有潜力的物种，然后进行系统观测研究，才是选择理 想物种的有效途径一般为灯心草( 能处理氯化烃、氰化物、酚，去除病原体) 、 鸢尾、芦苇( 分解酚) 、香蒲( 宽叶香蒲能去除污水中的有机与无机污染物，吸收铜、 钴、镍、锰及氯化烃，根部能分泌天然抗生物质，降低污水中的细菌浓度，去除病 原体) 、捕蝇草( 其叶边缘有消化腺，为食虫草本植物) 、水葱( 能在含酚量6 0 0 m 虮, 的污水中迅速生长) 、猪笼草c 食虫草本植物) 和大米草( 可吸收污水中氮、磷) 芦 苇和香蒲能絮凝胶体，消除病原体，其空心茎有利于将空气输送到根部，为微生 物提供额外的氧畔1 至于水生植物的类型也是多种多样，一般以挺水植物为主( 表1 2 ) ，目前研究 运用较多的水生植物有芦苇、灯心草、宽叶香蒲、茭白、浮萍、美人蕉、红枫、 风眼莲、茳芏等类型研究表明，不同的植物类型对不同的污染物质也具有一定 的针对性，如茭白、芦苇对n 、p 污染物有较好的去除作用，宽叶香蒲对p b 、 z n 等重金属有较好的去除作用目前最常用的芦苇的根系较为发达，是具有巨大 比表面积的活性物质，其生长可深入到地下0 6 - 0 7 m ，具有良好的输氧能力种植 芦苇时，一般应尽量选用当地芦苇进行移栽，其具体方法是将有芽苞的芦苇根分 剪成1 0cm 长左右，将其埋入4ci t i 深的土中并使其端部露出地面插植的最佳 9 当奎查兰璧主兰苎丝苎 季节在秋季或早春， 插植密度可为1 3 株，m 2 人工湿地系统对去除水体中的藻类效果显著，即使是在冬季温度低，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，其除藻率仍能维持在 8 0 左右的水平特别是在我国多数水体己富营养化和多数自来水厂水源受到藻 类疯长的危害，人工湿地除藻具有广泛的应用前景。p 5 。哪 表l 工典型大型水生植物的生长特点及其污染物去除潜力 5 0 5 3 j 1 6 植物在系统中的作用 湿地中生长的植物通常称为湿地植物，包括挺水植物、沉水植物和浮水植物 等水生植物。人工湿地与常规污水处理系统的主要差别之一就是系统中有大型水 生植物群落，这些水生植物在污水净化的过程中的作用包括以下几个方面： 1 6 1 提供氧气 污染物降解所需要的氧气主要来自大气自然复氧和植物输氧有研究表明， 水生植物的输氧速率远比依靠空气向液面扩散的输氧速率大，植物的输氧功能对 人工湿地降解污染物耗氧的补充量远大于由空气扩散所得氧量”1 根系向土壤 中传送的氧使得根系周围形成了良好的微生物生长环境和硝化与反硝化环境 i o 山东大学硕士学位论文 1 6 2 吸收污染物质 水生植物可以直接吸收利用污水中的n ，p 等营养物质供其生长发育，同 时还能吸附、富集一些有毒有害物质，如重金属p b ，c d ，h g ，f e ，妇，z n 等，其 吸收积累能力为沉水植物 漂浮植物 挺水植物。研究表明，不同器官对重金属浓 i 一 缩的倍数不同，一般根 茎 叶，各器官的累积系数随污水浓度的上升而下降哺“ 翮，5 7 1 植物对有害物质的吸收以被动吸收为主，增加植物和废水的接触时间， 可增强植物对其去除率哪。但是，植物对n ，p 和重金属的吸收只占这些污染物 质去除量很小的一部分，只有在水量处理能力较小的自由表面流人工湿地中，植 物对n ，p 等营养物质的吸收才起重要作用。 1 6 3 维持系统的稳定 4 在炎热的夏天，茂密的植物覆盖阻挡了阳光对水面的直射，阻止了水体温度 升高得过高，保护了水中各类功能性微生物的正常繁衍，也阻止了水面藻类的过 度繁殖在寒冷的冬季，芦苇的地上部分死亡，但其根系附近的各类微生物的数 量基本上保持在较高的水平上，只不过好氧微生物、兼性微生物和厌氧微生物数 量的相对比值有所变化，这保证了湿地系统在冬季仍有较高的处理效率 1 - 6 4 影响湿地水力条件 植物根系是除湿地基质外影响水力流动状况的主要因素。其对水力流动状 况造成的物理效应一是减小了湿地容水体积( 孔隙体积) ，提高了出水量、出水速 率：二是增加了表层砂土的水流通道并沟通基质上，下层，使污水流动迅速，出 水畅快，缩短了停留时间剐 1 6 5 为微生物提供附着场所 人工湿地水生植物的根系常形成一个网络状的结构，并在植物根系附近形 成好氧，缺氧和厌氧的不同环境，为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的 生存环境。删研究表明，有植物的湿地系统，细菌数量显著高于无植物系统， 且植物根部的细菌比介质高卜2 个数量级。植物的根系分泌物还可以促进某些嗜 磷，氮细菌的生长，促进氮，磷释放、转化，从而间接提高净化率唧1 一般植 物的长势越好、密度越大，净化水质的能力越强 山东大学硕士学位论文 1 7 人工湿地的去除机理 污水湿地处理的作用机理不是依靠湿地某一子系统如植被或土壤的单一作 用，而是由整个湿地生态系统的物理化学和生物作用使污水净化，对不同污染物 湿地各部分的作用不同。 1 7 1 悬浮固体 污水中可沉降的s s 在f w s 系统中主要依靠物理沉降作用去除，由于湿地 中水的流动极慢、水浅，加上植物茎杆的阻碍，使得s s 在f s w 系统中能够有 效的去除。在s f s 系统中，去除沉降性悬浮固体的主要过程是沉淀和过滤。s s 在进水口几米内能有效地被去除试验表明：几乎所有的固体物在系统最初的 2 0 面积处得到去除。胶体状的s s 主要是依靠微生物的作用和土壤渗滤作用去 除不过在许多系统中，大多数可沉降物质在进入真正的湿地系统前先通过机械 预处理单元去除 。 1 7 2 有机污染物的去除机理1 喵1 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 或从植物的根部透进根围。在人工湿地系统中可沉降有机物的去除是很快的，这 是因为自由水面湿地系统( f w s ) 有近乎静止沉淀的条件，而潜流人工湿地系统 ( s f s ) 中则是由于沉积和过滤作用快速去除可沉降的有机物。约有5 0 的b o d 在沿 处理坡面流动几米内就被去除。废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的 吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除在f w s 系统中，可溶解b o d 的去除 主要是附着生长的微生物的作用，反应所需要的氧来源于水面的复氧作用，因为 这里没有藻类生长，植物传送到根区的氧气会在土壤中被消耗，而无助于水中氧 量的增加在s f s 中，可溶性b o d 的去除机理类似于生物滤池，依靠填料上的微生 物膜去除 有机物的好氧降解主要由好养异养菌完成，人工湿地中有机物的厌氧降解是 一个比较复杂的过程，主要由专性厌氧异养菌完成，过程包含了若干步骤。由于 异养菡主要采用有机碳作为碳源，而且相对于自养菌而言，异养菌具有较高的新 陈代谢速率，所以在有机物的去除中异养菌起主要作用。 废水中大部分有机物的最终归宿是被异养微生物转化为微生物体及c o ：和 ，这些新生的有机体可以通过填料定期更换及湿地植物的收割最终从系统中 一 山东大学硕士学位论文 的去除机理睁删 主要以有机氮和氨氮的形式存在。有机氮在处理过程中被异养微 生物首先转化为氧氮，而后氨氮在硝化菌的作用下被转化为无机的亚硝态氮和硝 态氮，其次是氨氮的挥发，在有氧区域氮化速度最快，当好氧到兼性、专性厌氧 时速度降低湿地中氮化速度取决于温度、p l 值、c n 比、系统中的营养物、土 壤质地和结构条件。氨化的最佳p h 值在6 5 - 8 5 在饱和土壤，p i 被缓冲在中性， 而在排水较好的条件下，由于在氨化过程中硝酸盐积累和叶的产生使得p h 值降 低：温度的影响也是显著的，温度升高l o ，好氧氮化速度提高1 倍湿地中藻 类光合作用以及浮水和沉水植物的光合作用常常导致高的p h 值，有利于氨氮的挥 发 许多研究表明大多数湿地中氮的主要去除机理是微生物硝化反硝化，氧气 耗尽后最先发生的缺氧反应是硝酸根还原为分子氮或氮气，这一过程称为反硝 化 这一反应是不可逆的，只有在有机物基质存在并且在厌氧或缺氧条件下才发 生，氮代替氧成为电子受体在天然湿地中反硝化可能受厌氧区的影响，硝化反 应受温度、p h 、碱度、无机碳、微生物量、氨氮及溶解氧浓度影响湿地中硝化 反应的最佳温度在3 0e c - 4 0o c ，温度低于1 5 时会对系统的硝化速率产生较大 的限制，最后通过反硝化菌的作用以及植物根系的吸收作用而从系统中去除 硝化和反硝化在淹没土壤中可以同时出现，因为在淹没土壤中既存在好氧区 又存在厌氧区湿地有两个环境特征有利于反硝化的进行，一是填料中厌氧区的 存在，二是植物生长为反硝化提供碳源，通常新建系统的氮去除率较低，而且主 要依靠微生物同化作用和植物吸收去除，随着系统的逐渐成熟，可利用碳源的增 加反硝化作用逐渐占主导地位，系统开始表现较强的脱氮能力对于处理废水的 人工湿地中植物摄入量的报到不太多。此外，与进入人工湿地中废水的负荷相比， 在二级处理系统中靠收割植物所能去除的营养物量并不显著，特别是对挺水植物 的湿地系统而言更是如此废水中的无机氮作为植物生长过程中不可缺少的营养 元素，可以直接被湿地中的植物吸收，用于植物蛋白质等有机氮的合成，同样通 过对植物的收割而将它们从废水和湿地中去除。植物摄取营养物的潜在速度受到 坐查查兰堡主兰垒丝奎 其净生长量和植物组织中营养物浓度的限制，植物除吸收氮外，还可以通过改善 微生物环境，提供微生物附着表面积以及改变水中p h 增加氨的挥发来增加总氮的 去除，贡献量约占去除量的1 0 - 3 4 但是，人工湿地中的氮主要是通过微生物的硝化和反硝化作用去除的如前 所述，湿地系统中的植物根系的输氧及其传递作用，使得床体中呈现出连续的好 氧、缺氧和厌氧状态，这相当于许多串联或并联的厌氧一缺氧一好氧( a 2 0 ) 工 艺，使硝化和反硝化作用在湿地系统中同时发生这使得人工湿地处理系统具有 比传统活性污泥法更强的氮去除能力，而比a 0 工艺的投资更为节省资料表 明，人工湿地对t n 的去除率可达6 0 以上 1 7 4 磷污染物的去除机理u ”圳 人工湿地对磷的去除是通过微生物的积累、植物的吸收和填料床的物理化学 等几方面的协调作用共同完成的废水中磷的存在形态取决于废水中磷的类型， 最常见的是磷酸盐( 包括h ：p 0 9 、h p q p o ，) 、聚磷酸盐和有机磷酸盐 无机磷是植物生长所必需的营养物质污水中的无机磷一方面在植物的吸 收和同化作用下，被合成为a t p 、d n a 和r n a 等有机成分，通过对植物的收割而将 磷从系统中去除；另一方面，通过微生物对磷的正常同化吸收( 将磷作为微生物 体内必需的成分吼，o 墨n 。于，而供微生物生长之需) 聚磷菌对磷的过量积累，通过 对湿地床的定期更换而将其从系统中去除在传统的二级污水处理工艺中，微生 物对磷的正常同化吸收一般只能去除进水中磷含量的4 5 - 1 9 。因而，微生物对 磷的去除主要是通过聚磷菌的过量摄磷作用实现的由于人工湿地中植物的光合 作用及呼吸作用( 即所谓的光反应和暗反应) 的交替进行，植物根系输氧量的多少 随光照强度的交替变化而相应地发生变化，加之湿地床不同区域内耗氧速率的不 同，致使系统中交替地出现好氧和厌氧状态，利于微生物对磷的释放和过量积累 作用的发生；再一方面，湿地床中填料对磷的吸收及填料与磷酸根离子的化学反 应( 如离子交换作用等) ，对磷的去除亦有一定的作用若土壤中含有较多的铁、 铝氧化物，则有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝，使土壤的固磷能力大大 增加；若以砾石为填料的湿地，砾石中的钙可以与磷反应生成不溶性磷酸钙而从 废水中沉淀，植物去除无机磷和去除无机氮一样，都是在吸收同化作用下，将无 机磷变成植物体的组成部分，最后通过植物收割而将磷从系统中去除 山东大学硕士学位论文 第二章材料与方法 2 1 人工湿地池设计 2 1 1 水平潜流湿地池 ( 1 ) 床体 潜流人工湿地床尺寸为6 3 c mx48c mx4 5 锄，床体为聚氯乙烯板。床体在 距进水端2 5 c m ，4 5 c m 处设置取样管，取样管在槽外侧端套接塑料软管并用夹 子进行控制，内侧端套接直径l o m m 四面穿孔长度为3 5c m 的p v c 短管沿 池壁纵向，每隔l o c m 设取样口，另在出水端底部设一出水管排水 潜流式人工湿地两套床体均在进出水端填充宽6 c m ，高4 0 c m 的2 0 3 0 m m 粗 砾石，其余床体下部填充高度为2 0 c m 的粒径为l o 2 0 m m 的砾石( 炉渣) ，中间铺 高l o c m 的粗砂，上部铺l o c m 土壤 ( 2 ) 植物 植物床种植芦苇和美人蕉2 捧，每捧2 棵，间距为1 0 锄2 0 c m 左右， 在移植入系统前均进行了根部土壤的清洗 ( 3 ) 布水系统 为了使配水尽量均匀，系统采用9 0 l 塑料大桶高位配水，配水桶底部高出床 底l m 在湿她床的进水端设置长为3 5c n l 的穿孔管，污水用塑料软管从水桶 中引入穿孔管中，再由穿孔管对系统进行前端均匀配水 2 1 2 垂直流湿地 ( 1 ) 床体 复合流人工湿地床的长宽高尺寸为6 3 锄48c m 4 5 锄，床体为聚氯 - 乙烯板用隔板将床体一分为二，分成下行池和上行池，床体在距进水端1 5 c m ， 4 5 c m 处设置取样管，取样管在槽外侧端套接塑料软管并用夹子进行控制，内侧 端套接直径l o m m 四面穿孔长度为3 5c 1 1 1 的p v c 短管。沿池壁纵向，每隔 l o c m 设取样口。另在出水端底部设出水管排水 复合流湿地床的底部为l o c m 高的2 0 - 3 0 r a m 粗砾石，中间为5 - 2 0 r a m 的砾石 ( 炉渣) ，顶部为5 c m 高的粗砂，上部为l o c m 当地土壤( 细砂) 。下行池高度为 4 0 c m 。上行池高度为3 5 c m 采用体积法直接灌水分别测中粗砂、砾石( 炉渣) 1 6 山东大学硕士学位论文 和粗砾石的孔隙率，得出系统平均孔隙率和孔隙体积 ( 2 ) 植物 植物床种植芦苇和美人蕉各2 排，每排2 棵，间距为1 0 c m x l 5 c m 左右在 移植入系统前均进行了根部土壤的清洗。 ( 3 ) 布水及集水系统 在下行池的顶部布置两个穿孔管，由两根塑料软管将污水从配水桶中引入， 形成表面布水的效果出水则采用一根四面穿孔的集水管表面集水后排出系统 2 2 试验条件 在基质填充完毕后，植物床移入植物，栽完后立即充水使根部泡在水中7 日后植物开始恢复生长，此时所有的系统开始进污水再经过7 日左右的微生物 驯化，至出水水质逐渐稳定。运行方式采用间歇式进水，流量为5 3 1 2 5 1 2 h 。 水力停留时间( 江) 为8 3 8 h 试验系统自2 0 0 5 年4 月中旬建成并开始投入运行，历时三个月试验用水 为