（环境工程专业论文）前卫村高浊度水体的生态修复机理研究.pdf

国 ： 前卫村高浊度水体的生态修复机理研究 摘要 基于上海市科委重大科技攻关项目崇明岛域水环境演变规律与水质改善技 术研究( 课题编号：0 6 d z l 2 3 0 7 ) ，在上海市崇明前卫村进行人工湿地复合生态 系统( i c w ) 对富营养化地表水体治理。通过试验装置研究分析、复合湿地系统的 运行监测，研究人工湿地复合生态系统对污染物，特别是氮磷的去除机理。 本研究建立了人工湿地系统试验模型，并监测中试工程的运行情况。通过试 验装置研究了不同运行条件对污水净化效果的影响，并分别研究了人工湿地和氧 化塘对净化水质作用的影响，对复合系统的脱氮除磷的机理进行了分析。 采用农村生活污水直接培养的方式对氧化塘进行培养和驯化，一般情况约 5 d 可培养成功。氧化塘内藻菌共生体系在培养过程中存在藻类、亚硝酸菌、硝 酸菌依次生长过程，当亚硝酸菌和硝酸菌达到平衡时，藻菌共生系统培养成熟。 藻菌共生系统的培养需要约2 5 3 0 d 的时间；人工湿地无需培养，接氧化塘出水 直接进行启动。复合系统具有培养简单、启动快等优点，有利于在农村地区的推 广应用。 对中心湖水氮磷含量与悬浮物含量的关系进行研究。结果表明：水体中的磷 主要以不溶态为主，总磷( t p ) 的浓度与浊度呈线性关系；总氮与浊度并无这种关 系，说明地表水中存在大量不溶态的磷，而不溶态的氮含量不多。 分析了复合系统( i c w ) 各部分脱氮除磷的机理。湿地基质选用的石灰石和陶 粒不仅可以调节水体的p h 值，还在磷的去除上起到了关键的作用。另外，陶粒 多孔、比表面积大，有利于微生物附着。 通过控制小试系统的进水量，研究了复合系统在不同水力负荷条件下对污染 课题来源：上海市科学技术委员会重大科技攻关项目崇明岛域水环境演变规律与水质改善技术研究 ( 0 6 d z l 2 3 0 7 ) ! 入 翰聋季走学 物的处理效率。结果表明：随着水力负荷的降低，浊度的去除率会提高，但是水 力降低到0 0 1 5 m 3 m 2 h 以下时，浊度的去除率基本上不再提高。 通过大量的实验数据，结合国内外有关研究，建立了针对崇明水体的数学模 型，可用于该系统处理效果的预测。 人工湿地复合生态系统工程对前卫村中心湖水进行净化处理，使水质由过去 的劣v 提高到了目前的i i 、i i i 类，并能够维持在此水平，取得了一定的实际效 果。 关键词：高浊度，氧化塘，人工湿地，脱氮，除磷，机理 i i r e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nf o rt h e h i g ht u r b i dm a t t e ro fq i a n w e iv i l l a g e a bs t r a c t b a s e do nt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o no fs h a n g h a im u n i c i p a l i t y p r o g r a m r e s e a r c ho nh i g he f f i c i e n tr e m o v a lo fc o n t a m i n a n t sf r o mh i g ht u r b i dm a t t e r a n dk e yt e c h n o l o g i e so fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nf o rt h er u r a l r i v e r s y s t e mo f c h o n g m i n g ”( g r a n tn o 0 6 d z l2 3 0 7 ) ，t h ep h e n o m e n o no fe u t r o p h i cw a t e rw a ss t u d i e d b yt h ei n t e g r a t e dc o n s t r u c t e dw e t l a n de c o l o g i c a ls y s t e ma tq i a n w e iv i l l a g eo f s h a n g h a i t h ee f f e c to fw a t e rp u r i f i c a t i o na n dt h em e c h a n i s mo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lb yt h ei c ww e r ea l s os t u d i e d ac o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mw a sb u i l t ，a n di t s p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yw a s s i m u l a t e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h er o l eo fs t u f f , o x i d a t i o np o n da n d a l g a ea n dt h em e c h a n i s mo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lb yt h ei c ww e r e s t u d i e d t h eo x y g e np o n dw a sc u l t i v a t e dd i r e c t l yi nd o m e s t i cs e w a g eu n d e ra p p r o p r i a t e w e a t h e rc o n d i t i o n s a f t e ra b o u t5 - d a yc u l t i v a t i o n , i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h e r ew a sa t i m es e q u e n c eo ft h eg r o w t ho fa e r o b ih e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a , n i t r o s o m o n a s ，n i t r o b a c e r i nt h ec u l t i v a t i o np r o c e s s t h ec u l t i v a t i o nt o o ka b o u t2 5 - 3 0 d t h ea l g a ec u l t i v a t i o ni n t h es y s t e mw a ss i m p l ea n dt h es t a r t u pw a sq u i c k b o t hw e r eg o o df o rt h ea p p l i c a t i o n o ft h ei c ws y s t e mi nr u r a la r e a s t h es t u d yb e t w e e nt h en i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n ds ss h o wt h a tm o s to ft h e p h o s p h o r u si nc h o n g m i n gs u r f a c ew a t e ri si n s o l u b l e ，d e n s i t yo ft pl i n e a rw i t ht h e i i i t u r b i d i t ya n dl i t t l ei n s o l u b l en i t r o g e ne x i s t s t h ec o n t r i b u t i o no fe a c hp a r to fi c wi nn i t r o g e n & p h o s p h o r u sr e m o v a lw a s a n a l y z e d t h es t u f fo fw e t l a n dc a l la d j u s tt h ep ha n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n p h o s p h o r u sr e m o v a l c e r a m i cp e l l e th a v em a n yh o l e sa n dr e l m i v es u r f a c ep r o d u c t ，s o i t sag o o dh a b i t a tf o rm i c r o o r g a n i s m s ；o x y g e np o n dc a nr e d u c et h es u s p e n s i o n d e n s i t y ( s s ) a n dt h el o a do f t h ew a s t e w a t e r t h ee f f e c to fm u l t i p l e x e ds y s t e mu n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rl o a dc o n d i t i o n so nt h e p o l l u t a n t sr e m o v a lr a t ew a ss t u d i e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt u r b i d i t yr e m o v a lr a t e d e c r e a s e sw i t ht h er i s eo fw a t e rl o a d a n di tr e m a i n e dc o n s t a n tw h e nt h ew a t e rl o a d r e d u c e st oo o15 m 3 m 2 hb e l o w , t h r o u g ht h em a s s i v ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dr e l a t e dr e s e a r c h e sa th o m ea n d a b r o a d ，t h ec h o n g m i n gw a t e rm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sf o r m e da n d i tc a nb eu s e dt o f o r e c a s tt h es y s t e mp r o c e s s i n gw a t e rq u a l i t y t h ec e n t r a ll a k ew a t e rq u a l i t yw a sg r e a t l yi m p r o v e db yu s eo ft h ei c ws y s t e m p r o je c t i tc h a n g e dt ob ei i ，i i if r o mp o o rv ，a n dt h ei c w h a dp a s s e de x p e ag r o u p s a p p r o v a lo f t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o no fs h a n g h a im u n i c i p a l i t y k e yw o r d s ：h i g ht u r b i dw a t e r , o x i d a t i o np o n d ，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 r e m o v a l ，p h o s p h o r u sr e m o v a l ，m e c h a n i s m i v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：王高应 日期：2 伊咯年多月日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入奄关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密 学位论文作者签名：五老感 指导教师躲了懈 日期：2 湔年多月日 日期：磁年弓月ff 日 国 、= 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 水体污染现状 第1 章绪论 我国湖泊水库污染日趋严重，主要表现为富营养化。湖泊水库的污染不仅影 响水体功能，如供应生活用水、周围的旅游环境等，还会危害水生生物，并且导 致湖泊水库本身的消亡。2 0 世纪7 0 年代我国调查的3 4 个湖泊中，呈现富营养化 的湖泊占所评价面积的5 0 0 。1 9 8 6 - - - 1 9 8 9 年的调查结果显示，富营养化湖泊面积 增加至3 5 7 6 ，9 0 年代以来我国东部湖泊几乎都处于富营养化状态，可见湖泊水 污染现象在近3 0 年来呈现迅速增长趋势。全国的大型淡水湖泊和城市湖泊均达到 中度污染和重度污染【1 ，2 1 。特别是在2 0 0 7 年，我国太湖爆发了大规模的蓝藻聚集 现象，严重污染了太湖周边城市的饮用水源地，造成了沿湖周边城市居民的饮水 困难，引起了社会各界的广泛重视。 水环境污染现象的普遍性和严重性，已经对我国人民健康和经济发展造成极 大的危害。河流、湖泊水体的严重污染更加剧了我国水资源短缺，制约了经济的 持续发展，同时也对我国人民的生命健康造成了极大的威胁。 1 1 2 前卫村水体污染状况 崇明岛位于西太平洋沿岸中国海岸线的中点地区，地处中国最大河流长江入 海口，是全世界最大的河口冲积岛。前卫生态村位于崇明岛中北部，东平国家森 林公园北侧。作为前卫生态村的主要景点之一，中心湖是一条内循环的人工湖， 自净化能力较低，加之近年来渔业的养殖和旅游业的发展，加速了湖水的污染。 中心湖处于前卫村的最北部，人工开挖而成，被湖中心半岛分割为两部分。 湖泊水域面积为5 0 0 0 0 m 2 ，平均常水位为1 5 m 左右，库容约为7 5 0 0 0 m 3 。中心湖 北面中心横河，南面是生态农业展示区及居住区，西侧是上海市崇明生态科技创 重季乏学 ” 尔华火学硕t 学位论文 新墓地，东侧是前v 旅游服务区目前，中心湖的主要功能被确定为两大类：旅 游观光和渔业生产。中心湖自身地理位置决定其在交通与旅游观光上的重要性。 湖中的中心岛是良好的休闲场所，在岛上建设的休闲运动以及观光设施为当地的 旅游业起到了良好的促进作用。另外，中心湖还是渔业生产的场所，目前在湖内 人上养殖了相当数量的经济鱼类。甘前中心湖的主要功能是蓄水排涝、养鱼和垂 钓，大量饲料和猪粪倾入湖泊作为养分，导致中心湖流动不畅，污染严重。 为了进一步获得前卫村地区地表水系、水源及饮用水的水质本底数据，2 0 0 5 年6 月，相关家亲赴崇明岛前卫村开展实地调查，测量地形地貌和相关水文数 据，重点采集中心 町段和北横引河水样及表层沉积物，并依据我固地表水和饮片j 水标准对所采集的样品进行了分析检测和评价。图1 1 为采样点的分布示意图，表 1 一i 为采样测试数据。 图1 - l 采样点分布示意目 f i 9 1 一it h es k e t c hm a po fs a m p l i n gp o i n t sd i s t r i b u t i n g 由表1 1 可知中心湖湖水流动性差，透明度低f 约为2 0 3 0c m ) ，水体中溶解 氧含量低( 均在4 m g l 以下) ，氯、磷和总有机碳含量较高，藻类叶绿素a 含量也偏 高( 7 2 7 8m g g l ) ，表现出较强的富营养化特征。中心湖的2 # 乐部水体氮磷含量明显 高于其它样点，可能受到面源污染及东侧的滨海渔村鱼类养殖活动的影响。按照 地表水环境n ( g b 3 8 3 82 0 0 2 ) d ，前卫村中心湖水体总体上归属于劣v 类 霁辜乏学 第1 章绪论 水质。 表1 1 水质常规物理参数 t a b l e l 1t h ew a t e rq u a l i t yp h y s i c a li n d e xi nr o u t i n e 采样点编号1 f 西部2 东部 3 i 6 北部4 撑中部5 捍南部备注 温度( ) 2 4 92 4 72 4 62 4 7 2 4 8 透明度( c m ) 2 02 02 02 03 0 p h 8 1 07 8 88 1 08 1 3 7 0 6 电导率( m s c m ) 2 3 92 4 32 4 12 4 0 0 3 2 氨氮( m g l ) 0 3 4 7 0 6 1 50 7 7 50 6 1 5 0 9 8 9i i - i i i 磷酸盐( r a g l ) 0 0 2 0 0 4 3 60 0 7 90 0 6 9 0 1 0 0 t p ( m e l ) 0 2 3 8 0 7 5 30 2 5 8 0 3 3 70 1 6 8i i i v t n ( m e l ) 1 7 511 0 81 5 31 7 0 2 1 6i v v t o c ( m g l ) 3 0 9 431 9 3 4 0 9 8 3 5 5 6 2 3 6 4 叶绿素a ( m e g m 3 ) 7 8 2 27 7 6 5 7 2 8 27 4 9 03 8 4 0 c o d ( m g l ) 1 6 9 91 3 8 7 1 3 8 75 0 09 0v d o ( r a g l ) 3 。4 01 6 5 3 7 53 4 54 0 0 i v - v 1 2 课题来源和研究内容 1 2 1 课题来源 本课题来源于上海市科委重大科技攻关项目崇明岛域水环境演变规律与水 质改善技术研究( 课题编号：0 6 d z l 2 3 0 7 ) 。 1 2 2 研究内容 ( 1 ) 人工湿地复合系统试验装置对污染物的去除作用研究 通过建立人工湿地复合系统的小试装置，模拟中试工程的运行情况，为中试 工程的设计、改造和模型化提供运行数据。 ( 2 ) 人工湿地复合系统中试工程概况和效果 监测中试工程的运行情况，并实时监测中试工程的进出水情况，评估人工湿 地复合系统在实际应用中的作用情况。 ( 3 ) 建立人工湿地复合系统对氮磷等污染物降解的数学模型 建立基于前卫村中心湖实际状况的湖泊富营养化数学模型，评估中心湖水的 3 东华大学硕士学位论文 污染状况。通过试验装置的运行数据，建立人工湿地的氮磷去除数学模型，并建 立潜流人工湿地堵塞的数学模型。 4 第2 章人工湿地复合系统概述 第2 章人工湿地复合系统概述 2 1 人工湿地复合系统在生态修复中的应用 新型组合式的人工湿地系统不断出现：由中国科学院水生生物研究所与德国 科隆大学、奥地利维也纳农业大学等共同提出的复合垂直流人工湿地( i v c w ) 是具 有独特结构的新型人工湿地。由下行流池和上行流池构成，2 池中间设有隔墙，底 部均设颗粒较大的砾石层连通，2 池中均填有不同粒径的砂和砾石作为基质，下行 池比上行池高1 0 c m 。这项技术已经先后被成功用于深圳市洪湖公园的污水回用工 程以及武汉城市水环境改善工程，取得了较为理想的效果【4 】。一种新型的潜流人工 湿地，波式潜流人工湿地被国内相关研究人员提出【3 】，通过在湿地内部有规则地设 置导流板对传统水平潜流湿地的水流条件加以改进，以波形流态取代水平流态， 使污水在垂直方向上多次经过湿地内部具有不同处理特性的构造层以期达到增强 污水处理效果的目的。通过与水平潜流人工湿地对比发现，前者对c o d 、氨氮和 总磷的去除率比后者分别高出8 2 、1 3 1 和6 6 ，在污染物去除方面明显优于 后者。 仅仅是人工湿地系统组合单元的强化还不能直接处理某些特殊行业的废水， 限制了人工湿地的应用范围。作为二级或深度处理方式，人工湿地需要配合有效 的前处理方法，才会有更广阔的应用前景。雷志洪【3 】等应用稳定塘一复合垂直流人 工湿地系统处理深圳布吉河水，其出水可作为洪湖公园的补充水，还可用于浇灌 公园花草，实现了污水回用。s t e i n m a n n 等研究了泻湖一人工湿地组合工艺处理农 村生活污水，结果表明：该组合工艺能有效减少因泻湖中爆发水华所造成的出水 的二次污染。g r i f f m 用生物转盘与芦苇床人工湿地联合处理综合废水，人工湿地 作为三级处理来净化生物转盘的出水。韩勤有等应用工程化生物塘一人工湿地组 合工艺处理制浆造纸废水，人工湿地可弥补由于旱季截流灌溉和冬季寒冷而使生 物塘出水水质不稳定的缺陷，保证废水达标排放。该工程投资省，运行费用低， 并具有良好的社会效益、经济效益和环境效益。m u 玎a y 【4 】等研究了中试规模的反渗 东华大学硕士学位论文 透一人工湿地组合工艺处理油田废水，其中反渗透工艺作为人工湿地的前处理系 统用于处理高含盐污水，减轻甚至消除了盐分对湿地系统要素的毒害，得到的湿 地出水能够用作灌溉水或者直接排放到地面水域。施春雨【4 】等采用传统的气浮生 化技术与人工湿地相结合的联合处理工艺，对采油厂采油废水进行了处理研究， 系统出水达到污水综合排放标准( 8 9 7 8 2 1 9 9 6 ) q b 的二级标准。该组合系统具有 较强的耐冲击负荷能力，当进水中的c o d c r 在5 0 0 m g l 以下且有大幅度波动时， 该系统仍可稳定运行【9 】。 2 2 氧化塘在生态修复中的应用及机理概述 图2 1 氮在氧化塘内的转化过程 f i 9 2 1p r o c e s so f n i t r o g e ni no x i d i z e dp o n d 图2 。1 是氧化塘内氮的转化及循环过程，氮是以有机氮化合物和氨氮的形态随 污水进入氧化塘的。由图2 1 可知氮在氧化塘内的转化与循环有以下主要途径【6 】： 氨化作用，有机氮化合物在微生物作用下分解为氨态氮，氨氮不稳定仍需 要进行硝化反应。硝化作用，氨态氮在硝化菌的作用下，转化为硝酸氮。硝化 菌属自养型菌，世代时间较长。反硝化作用，硝酸氮在反硝化菌的作用下，还 原成分子态氮。反硝化菌为异养厌氧菌。挥发作用，在p h 值较高，水力停留时 间较长，温度较高的环境下，水中的氨氮能够向大气挥发，其量可达被去除量的 2 1 。吸收作用，微生物及各种水生植物，吸收氨态氮或硝酸氮作为营养，合成 6 第2 章人工湿地复合系统概述 本身的有机体。分解作用，衰死的细菌和藻类经解体后会形成溶解性的有机氮 和沉淀物。沉淀在沉积层中的有机氮在厌氧菌的作用下，也可能得到分解。 生物同化吸收也是氧化塘对氮去除的重要途径，主要是通过藻类和细菌新陈 代谢过程利用氨氮、硝酸盐氮等无机氮作为自身生长的氮源而使氨氮、硝酸盐氮 等无机氮转化为自身的有机氮。高效藻类塘内大量繁殖的藻类本身含有很高的有 机氮，藻类生长的最主要的氮源是氨氮。氧化塘中藻类的典型分子式为 c 1 0 6 h 1 8 1 0 4 5 n 1 6 p ，据此分子式可知氮占藻类无灰干重的9 2 2 ，如果将藻类的灰分 考虑在内的话，氮的含量也大于8 。大量研究表明，藻类生物量与氮的去除量之 间有很好的正相关性。李建华在兼性塘静态试验中得出【刀，光照塘氨氮去除率为 8 7 5 ，蔽光塘中氨氮去除率为3 2 ，从而说明藻类对氨氮有着非常好的去除效果。 在塘系统中，受短流、分层和其他季节气候影响，如果假设塘内为推流式， 则塘内出流总氮和入流总氮的关系可用下面的经验公式来推算： 丝=e-矿(t,phn 力 ( 2 1 ) l二。1jo 式中，n e 为塘内出流总氮m g l ； n o 为塘内入流总氮m g l ； k 为一级反应常数； t 为温度； t 为停留时间。 白天由于藻类强烈的光合作用要消耗c 0 2 而使塘内p h 值上升，这有助于塘内 n h 3 的挥发。废水中氨氮大多以铵离子和游离氨保持平衡而存在。其平衡关系式 为( 2 2 ) ： n h 4 + + o h 一一n h 3 + 马0 ( 2 2 ) 这个关系受p h 值和温度的影响。当p h 值升高时，平衡向右移动，游离氨的 比例增大。p h 值在7 左右时，氨氮大多以铵离子状态存在。k o n i g 研究认为，在 藻类氧化塘中，p h 为9 时，水中的4 0 的氨氮以n h 3 形态去除；p h 为1 0 时，8 0 的氨氮以n h 3 形态去除【8 】o 虽然在高效藻类塘中p h 值通常小于9 ，但是高效藻类 7 东华大学硕士学位论文 塘的搅拌作用提供了更大的水气交换的界面，促进了n h 3 的挥发。在塘系统中， 甚至在p h 接近中性时，只要有较长的停留时间，n h 3 - n 的挥发作用就不可忽视。 n h 3 在水中的浓度随温度的升高而升高，温度每升高1 0 ，水中n h 3 的数量会增 加1 倍，所以在夏季n h 3 更容易从水中挥发出去。对塘系统而言，k i n g 报道在 m i c h i g a n 的氧化塘试验中，水生植物的收割只能占氮去除的1 0 左右。r e e d y 用 同位素n h 4 + 追踪氮的实验中得出如下结论：2 1 的氮进入塘底沉淀，5 被藻类吸 收，2 1 仍然存留在水体中，5 3 不见了。k i n g 得出的结论是氨的挥发是塘内氮永 久去除的主要途径【8 】。但是，氨氮浓度太高对藻类具有抑制作用。氨对水生植物和 动物的毒性一般都是由氨来决定而不是n h 4 + 。氨的毒性主要是由于氨不带有电荷， 并且是类脂的溶解物，因此比n h 4 + 更容易地穿过生物膜，给生物的生命活动带来影 响。a b e l i o v i c h 研究认为，对于藻类生产有毒的氨的浓度为1 0 0 m g l 。a b e l i o v i c h 和a z o v 研究认为，9 4 5 m g l 的氨可使高效藻类塘中栅列藻属的光合作用降低5 0 ， 对于小球藻、倒囊藻、织线藻也得出同样的结论。a z o v 和g o l d m a n 在1 9 8 2 年报 道，在n h 3 浓度为1 6 8 m g l 时对于栅列藻属有明显的抑制作用，而t h o m a s 研究 认为，1 4 0 m g l 氨对于双鞭甲藻、裸藻是致命的。氨对于藻类的毒性会大大降低高 效藻类塘的处理效率，所以为保证高效藻类塘内良好的处理效率，塘内氨氮浓度 不能太高，以保证藻类正常的生长。综上可知，氧化塘对氮的去除效果要受到氨 氮浓度的影响，复合系统的设计要充分考虑进水中氨氮的浓度。 磷是生物生长所必须的元素。磷在自然水体和污水中一般都以磷酸盐的形态 存在，这些磷酸盐包括有机磷，聚磷酸盐和正磷酸盐。正磷酸盐容易被水生生物 利用，一些生物可以以聚磷酸盐的形式贮存过量的磷用于将来的运用。藻类和细 菌同化吸收磷用于自身的生长需要，同时，一些磷可以以沉淀的形式从水中去除， 主要是由于正磷酸盐以磷酸钙的形式形成沉淀。高效藻类塘中磷的去除主要由p h 值和c a 2 + 、m 9 2 + 等的浓度决定，磷酸钙在p h 值为8 左右时开始形成，因此，白天 由于光合作用p h 值上升而使磷酸根离子更易和钙结合生成沉淀而去除。在含钙丰 富的水体中，这一沉淀过程由p h 值来控制，而在硬度不高的水体中则由钙离子的 浓度来决定。m o u l i n 等人认为高效藻类塘中出水的正磷酸盐浓度由磷酸三钙的溶 8 固缝懋 第2 章人工湿地复合系统概述 ：f 峨眦啊州眦仃壁巨一，首 。1 媒l 抖臼售台幺鍪萍前i i 旬长 解度来决定，而不是和河水一样由羟基一磷灰石来决定。在磷的浓度较高时可以 通过投加化学药剂使磷形成沉淀而去除，通常向水体中投加硫酸铝、三氯化铁、 石灰和各种各样的聚合物使磷形成沉淀而去除。通过有关报道对美国密执安州和 明尼苏达州3 2 个氧化塘的研究，投加化学药剂以后，除个别原因引起意外，绝大 多数氧化塘的出水磷的浓度都在1 0 m g l 以下。明矾和三氯化铁在除磷效果上比石 灰具有更好的效果，而且投加化学药剂( 明矾、三氯化铁) 的氧化塘的出水具有 较低的b o d 和s s 值。 2 3 人工湿地在生态修复中的应用及机理概述 人工湿地是由人工基质和生长在其上的水生植物组成，污水在湿地基质的表 层或表面下流动，靠基质的吸附、植物吸收和微生物转化等一系列过程降解水中 的营养物质，是一种有别于自然湿地的独特的土壤一植物一微生物系统 9 1 。国内外对 人工湿地的分类多种多样，按照系统布水方式的不同或水在系统中流动方式的差 异一般可分为自由表面流人工湿地( f w s ) 、水平潜流人工湿地( s s f ) 和垂直潜流人 工湿地( v f ) 1 1 0 】。不同类型人工湿地对特征污染物的去除效果不同，具有各自的优 缺点。一般认为自由表面流人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点， 但其处理负荷较小，容易滋生蚊虫，卫生较差，且冬季效果较差；而水平潜流湿 地具有水力负荷和污染负荷大，卫生条件好、受环境影响小的优点；垂直潜流人 工湿地则具有硝化能力高的优点【l l 】。 利用湿地植物处理废水首先由k a t h es e i d e l 于上世纪5 0 年代早期在德国开展 实验【1 2 】，s e i d e l 开展了大量利用湿地植物处理废水的实验，处理对象包括酚类废水、 乳业废水、畜牧养殖废水等。2 0 世纪6 0 年代末，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 提出了根区理论( r o o tz o n em e t h o d ) ，随着以该理论为基础的潜流湿地在德国 o t h f r e s e n 地区的成功运行，2 0 世纪8 0 年代欧洲掀起了人工湿地研究与应用的“热 潮”【1 3 ，这标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染 控制领域。北美自7 0 年代开始对不同设计的人工湿地进行了广泛的试验，通过对 1 0 4 座潜流系统和7 0 座自由表面流系统的运行数据统计显示：两种人工湿地均可 9 东华大学硕士学位论文 有效地去除t s s 、b o d 与病原微生物，也能部分去除氮和磷【1 4 】。但受到系统设计、 运行资料缺乏的困扰，人工湿地技术在美国发展速率略缓，直到1 9 9 3 年田纳西州 流域委员会颁布了湿地处理系统设计手册后，湿地处理技术才在美国迅速发 展起来 1 5 1 。 在过去的二十多年中湿地技术在国外迅速应用推广。文献显示，1 9 9 6 年美国 和加拿大共有人工湿地1 7 6 座，其中1 1 6 座为潜流型人工湿地；在欧洲丹麦和东 欧国家湿地技术发展相对较快，其中仅丹麦就有至少1 3 0 座人工湿地。截止到2 0 0 4 年，美国的人工湿地己超过1 6 0 0 座；而欧洲也己超过6 0 0 0 座，其中绝大部分集 中在丹麦、英国、德国、比利时、法国和奥地利【l6 1 。我国在“七五”期间开始进行 人工湿地的研究。天津市环境保护研究所于1 9 8 7 年建立了国内第一个处理城市生 活污水的芦苇湿地，其设计处理能力为1 4 0 0 m s d ，占地面积6 h a ，该工程处理结果 优于二级处理标准，且有较高的脱氮除磷效果【1 7 1 。1 9 8 9 年北京昌平建成了自由水 面人工湿地，该工程用以处理生活污水和工业废水，设计能力为5 0m 3 d 1 8 】；9 0 年 代末在深圳建立了国内最大的人工湿地，该湿地处理能力达5 0 0 0m 3 d ，处理出水 达到城市污水排放二级标准【1 9 】。目前，人工湿地技术在国内迅速推广，己被广泛 用来处理城镇生活污水、工业废水、农业养殖废水、垃圾填埋厂渗滤液和暴雨径 流等【1 9 。2 4 1 。 人工湿地系统中，植物对营养元素的去除起到了重要的作用。 湿地植物对氮的去除作用主要表现在三个方面： ( 1 ) 吸收作用，无机氮是植物生长过程中不可缺少的物质，污水中本身存在的 无机氮和硝化作用产生的无机氮均可以被湿地植物摄取，用于植物生长，最终通 过植物的收割从系统中去除。 ( 2 ) 植物可以供给反硝化作用所必须的有机碳，植物死亡腐烂后所释放出的有 机碳为反硝化作用提供了碳源。 ( 3 ) 植物庞大的根系不但为硝化、反硝化细菌的生长提供了附着的表面，同时 也创造了适宜微生物生长的氧化还原环境。 湿地植物的存在，对人工湿地中的s n d 现象也起到了一定的作用。首先，人 1 0 国 ：- 第2 章人工湿地复合系统概述 工湿地中污染物所需要的氧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速率大，植物的输氧功能对人工湿地 降解污染物所耗氧的补充量远大于由空气扩散所得氧量。植物输氧是植物将光合 作用产生的氧气通过气道输送至根区，在植物根区的还原态介质中形成氧化态的 微环境【2 5 】。输送过程以及氧在湿地中的分布状态见下图： 、 露 、 j 一= 区 图2 - 2 湿地植物根系周围氧的分布 f i 9 2 2o x y g e nd i s t r i b u t i o no fp l a n tr o o ts y s t e mi nw e t l a n d 首先，输氧作用使根毛周围形成好氧区域，其中好氧生物膜对氧的利用使离 根毛较远的区域呈现缺氧状态，更远的区域则完全厌氧。这种连续呈现好氧、厌 氧、缺氧的状态，相当于许多串联或并联的a a o 处理单元。这样植物在为湿地 系统输氧的同时，还可以通过硝化、反硝化作用使氮从废水中去除。其次，氮的 去除主要是通过微生物的硝化、反硝化作用来完成的。湿地中植物和土壤对氮的 吸收很少，植物大概只有8 1 6 【2 6 1 ，而大部分都是通过微生物的作用去除的。 不同的反应由不同的微生物来起作用。其中硝化过程主要有氨氧化为亚硝酸和亚 硝酸氧化为硝酸两个阶段 2 7 1 。人工湿地恰能为上述各反应提供丰富的微生物，因 为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，这也为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。很多湿地的大型挺水 植物在水中部分能附生大量的藻类，为微生物提供了更大的接触表面积和栖息地 【2 引。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 缝艚 东华大学硕士学位做 的细菌比介质处高l 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、磷的释放、转化，从而间接提高净化率【2 9 】。实际上，硝化作 用只改变氮的形式( 将n i - u + - n 转化为n 0 2 - n 和n 0 3 - - n ) ，反硝化作用才可使氮得 以根本去除，这是因为反硝化使n 0 2 。- n 和n 0 3 - n 变成n 2 和n z o 后，从水中挥 发到系统外环境中。这也证明了人工湿地中s n d 现象的存在。 湿地的磷沉积作用是指进水中的可溶性磷酸盐通过物理作用导致磷存储于湿 地内部的过程。诸多研究表明基质层是湿地中磷的主要的长期汇集区。沉积物、 枯枝落叶是天然湿地的主要储磷场所【3 0 1 。湿地系统通常具有较好的静止沉积条件， 在湿地表层具有较松散的枯枝落叶层和沉积物层。但是在来水量剧增、采样与进 行植物收割时的人为行走、湿地中动物的活动以及收割后的湿地受强度较高的气 流等的影响下湿地中的沉积物可能会再悬浮，导致沉积物中磷的释放。 湿地土壤的磷吸附会受到氧化还原电位( o r p ) 、p h 值、f e 、a l 、c a 矿物、有 机质和土壤中磷本底值等因素的影响。o r p 低于2 5 0 m v 时f e 3 + 还原为f e 2 + ，释放 吸附的磷。此外，淹水引起的o r p 的降低能引起晶体a 1 和f e 矿物转化为无定形 形式。而无定形a l 和f e 水合氧化物比晶体氧化物更能吸附磷，因为它们有更大 数目的单络合表面羟基离子。多数重要的保持机理是配位交换反应，磷酸根替换 f e 和a l 水合氧化物表面的水或羟基，而在水合氧化物的配位球内形成单齿和双核 络合物。在酸性土壤( p h 6 5 ) ，无论好氧还 是厌氧，均以不溶性c a - p 沉淀为主。无机土壤p 吸附与舢、f e 和c a 水平有关， 湿地土壤的磷吸附容量可由土壤的草酸盐可萃取铝量来预测。土壤的磷储存能力 随有机质含量的增加而增加。矿物的磷吸附量大于有机土壤的磷吸附量的研究中 发现直接的植物吸收和共沉淀能快速和几乎完全去除农业径流中的溶解有机磷。 有人误认为湿地仅通过现有土壤的吸附过程去除磷，众所周知土壤具有磷吸附的 能力，但是此种储存能力很快在磷负荷增加的情况下被饱和【3 5 1 。化学作用( 吸附和 沉淀) 是人工湿地的主要除磷机理之一。 1 2 第2 章人工湿地复合系统概述 2 4 人工湿地堵塞机理分析 2 4 1 堵塞原因分析 人工湿地在运行中容易出现基质堵塞问题，解决好这个问题就能更好的发挥 人工湿地的应用潜力。随着基质的逐渐阻塞，湿地的水力传导性也降低，从而影 响水流路径，最终也影响到湿地的处理效果和运行寿命。同时，基质的通气状况 又会影响到基质的供氧状况，从而影响到好氧微生物的活动，最终也影响湿地的 处理效果。因此水力传导性和通气状况的优劣直接决定着人工湿地系统的持续运 作能力，而这两方面又直接与有机质的积累相关，因此研究有机质的积累有重要 意义。 有研究 4 0 l 认为在湿地堵塞过程中，进水的c o d 和悬浮物特别是直径 5 0 肛1 的 颗粒量起着关键作用。污水中有机和无机的悬浮物在湿地的表面沉积，形成堵塞， 造成湿地的外部堵塞；同时，湿地填料颗粒之间以及填料颗粒内部都存在孔隙， 水中的固体物质沉积于其中，水分难以通过，造成湿地的内部堵塞。湿地基质孔 隙的堵塞的另一个主要原因是难降解有机物的积累，研究表明湿地中积累的有机 物9 0 以上是以不易降解的有机物形式存在的，在湿地基质的表层和内部，难降 解有机物中有6 3 9 6 是腐殖酸和胡敏素，且在上层的含量明显高于下层。有 研究【4 3 】也表明在复合垂直流人湿地中，有机质积累与基质深度呈负相关，基质表 层有机质含量明显高于其他各层，且基质中有机质含量与基质渗透系数成明显的 负相关性，有机质含量越高，渗透系数越小。堵塞层的机械压缩会造成填料孔隙 率的减少，也是湿地堵塞的原因之一，如果填料中土壤耐水性团粒稳定度较低， 团粒在长期浸水的情况下膨胀崩解变成细微的粘土粒子且在渗水作用下不断向下 移动形成致密的不透水层，最终导致堵塞。 影响基质孔隙几何形状及稳定性的因素有很多，如基质中水相的电解质浓度、 有机物组成、p h 值、氧化还原电位以及固相的矿物成分、表面特性等，这些因素 进而决定了基质的饱和水力传导系数。有文献 4 7 1 指出当基质中有较多c e + 存在时， 如果进水中含有大量置换能力强的旷、n a + 等阳离子，这些离子会与c a 2 + 发生置 东华大学硕士学位论文 换反应，若同时有s 0 4 2 。存在，便会形成难溶性物质并造成堵塞。工程实践表明： 当原污水水质p h 值较低时则会发生碳酸钙的沉淀和沉积，造成堵塞。 微生物对人工湿地的堵塞同样起着不可忽视的作用【4 引。湿地中积累的腐殖质 与细菌分泌的一些胞外多聚物( e x t r a c e l l u l e rp o l y m e r s ，e c p s ) 很容易形成高含水量、 低密度的胶状淤泥，造成湿地的堵塞。人工湿地的堵塞进程在某种程度上来说是 一个正反馈的过程，有机物的积累造成了基质孔隙的堵塞；水力传导系数的下降， 导致基质中氧气供应的下降：理化环境的恶化，微生物的活性也随之下降，有机 物降解速率变慢，这反过来又加剧了有机物的积累，加快了堵塞进程。 植物残体及其分泌物也是人工湿地有机质的重要来源之一【4 9 j ，以湿地植物香 蒲为例，其木质素、纤维素和半纤维素的含量可以占到植物体干重的7 5 8 3 。 有报道称人工湿地约2 7 的孔隙堵塞源于湿地植物的根与地下茎，7 3 是由于进 水及植物地上部分残体所造成的有机物积累。除此以外，湿地中硫还原细菌，产 甲烷菌以及生物脱氮作用产生的气体所形成的包气带也可能是堵塞的原因之一。 2 4 2 对策 为了克服基质堵塞对人工湿地运行造成的损害，在人工湿地的建设、运行和 维护中可以运用如下对策来缓解湿地堵塞情况的发生。但是，还需要进一步研究 更加彻底、有效的方法解决湿地堵塞问题。 ( 1 ) 选择合适的填料粒径及级配 粒径较大的基质可以有效地防止堵塞的发生，但过大的粒径会缩短水力停留 时间，进而影响净化效果。因此需要在保证净化效果和防止堵塞两者之间选择一 个最佳平衡点；对于有多层填料的垂直流人工湿地，除填料粒径，不同粒径填料 之间配比的选择也十分重要，因此有人还提出反级配人工湿地的概念。 ( 2 ) 对湿地进水进行预处理 人工湿地在处理悬浮物含量较高的污水、尤其是含大量工业废水的城市污水 时，必须在湿地之前设置预处理