（环境科学专业论文）多级串联人工湿地系统对污水净化能力的研究.pdf

多级串联人工湿地系统对污水净化能力的研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h et e c l m i c a ld e s i g no fas m a l l s c a l es u r f a c e f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ( s f c w ) w a sd e s c r i b e d a st h ec o n v e n t i o n a ls f c wh a sa l w a y sp r o b l e mw h e ni tr u n si nc o l dc l i m a t e a r e a s o m ec h a n g e sw e r em a d ew i t ht h es t r u c t u r eo ft h es f c w d e p t h so ft h ew e t l a n dw a s i n c r e a s e di no r d e rt of o r ma l la n o x i ca r e ai nt h er e a c t o r ，c o n s e q u e n t l yt h er e q u i r e m e n to fa r e a f o ro n ec o n s t r u c t e dw e t l a n dc a nb er e d u c e d n en e ws u b s t r a t e c e r a m i cp e l l e t , i n s t e a do fs o i l w a su s e da sf i l l i n gm a t e r i a lt os u p p o r tt h eg r o w t ho fp l a n t sa n dm i c r o b e s 1 cw h o l es f c w s y s t e mw a sc o n s i s t so f t h r e er e a c t o r s w a s t e w a t e rw a sp u m p e dt ot h ef i r s tr e a c t o ra n d f l o w e dt o t h eo t h e rt w or e a c t o r sb yg r a v i t y a r t i f i c i a ld o m e s t i cw a s t e w a t e rw a sm a d ea n dt r e m e dw i t ht h i s s f c w ，t h ep e r f o r m a n c eo fn i t r o g e n , c o d ，b o d ，a n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw a se x a m i n e d i n f l u e n t sw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e d i n f i u e n tw i t hl o wc o n c e n t r m i o nw a st r e a t e di ne x p e r i m e n ti a n dw i t hh i g h e rc o n c e n t r a t i o ni n e x p e r i m e n ti i r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c i e s ( f r o mb o t he x p e r i m e n t s ) o f c o dw e r e9 0 5 a n d9 3 7 ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 er e d u c t i o n so ft nw e r e8 4 3 ，7 2 8 ， r e s p e c t i v e l y t h em e a nr e m o v a lr a t e so fp 0 4 j 。w e r e9 2 2 ，9 5 7 ，m a dr e m o v a lr a t e so ft p w e r e9 00 a n d9 5 8 n l er o l eo fp l a n te x i s t e di nt h er e a c t o rw a si n v e s t i g a t e db yu s i n gan o n - p l a n t e dr e a c t o r a s c o m p a r i s o n n l er e m o v a le f f i c i e n c i e so f c o d w e r e5 3 5 a n d7 2 9 ，r e s p e c t i v e l y ，i nt h en o n = p l a n t e da n dp l a n t e dr e a c t o r s w k l e ，t h er e d u c t i o n so f t nw e r e3 2 7 a n d5 3 4 t h er e m o v a l r a t e so f t pw e r e4 3 9 a n d7 4 8 ，a n dt h ed e c r e a s e so f p 0 4 j w e r e4 9 5 ，8 6 7 r e s p e c t i v e l y r e s u l t si n d i c a t et h a tp l a n t se x i s t i n gi nt h et r e a t m e n ts y s t e mc a ne n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fa s f c w i no r d e rt og a i nm o r ee x p e r i e n c e s t h ew a t e rf l o wd i r e c t i o nw a sc h a n g e d s u r f a c et ov e r t i c a l f l o w ，a n df o r m i n gav e r t i c a ls u b s u r f a c ef l o ws y s t e m ( v s c w ) t h es a m ei r d t u e n tw a s i n v e s t i g a t e da g a i na n d n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ew a sf o u n db e t w e e nv s c wa n ds f c w e x c e p t as l i g h f l yi n c r e a s eo fc o dr e m o v a le f f i c i e n c yw a sf o u n d t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fc o d ， t n ，t pa n dp 0 4 3 w e r e9 5 2 ，6 8 4 ，9 6 3 a n d9 5 0 d u r i n gt h e s ee x p e r i m e n t s ，i ti se v i d e n tt h a tt h et r e a t m e n te f f i c i e n c yw a sa f f e c t e db yt h ea m b i e n t t e m p e r a t u r e n e v e r t h e l e s s ，d u r i n gt h ew i n t e r t i m e ，t h es f c ws y s t e mk e p tar e a s o n a b l et r e a t m e n t p e r f o m m n c e k e y w o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，s u r f a c ef l o w ，s u b s u r f a c ef l o w , w a s t e w a t e rt r e a t m e n t , n i t r o g e nr e m o v a l ，p h o s p h o r u sr e m o v a l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士学位论文 1 人工湿地污水处理技术的研究进展与应用 1 1 人工湿地概述 人工湿地技术作为一种新的污水处理技术不仅具有建造及运行费用低、维护简单、 氮磷去除效果好、对负荷变化的适应能力强等特点，而且对水体水质改善、生态系统的 恢复具有重要意义。 1 1 1 人工湿地 1 1 1 1 湿地的定义 湿地分布广泛，类型繁多，仅从成因划分则有海成、海湾成因、河成、湖泊成因和 沼生湿地系统5 大类，不同湿地相互间差别很大，因此，很难给出一个确切的定义。不 同学科领域研究的侧重点不同，对湿地的定义也有所不同。湿地的植物学定义着眼于适 应淹没或浸透土壤条件的植物；水文学的定义则强调相对于地表的水位。一个完整的湿 地定义应该涉及多学科的方法。从生态学的角度看，湿地是陆地与水系之间的过渡区 域，其地表水和表面积水的频度和持续时间很充分，在正常的环境条件下能够供养适应 于潮湿土壤植被的区埘”。湿地通常有5 0 以上的生物物种为水生或适宜于水生生境， 平均积水深度少于或等于2 m ，必须有挺水或木本植物生长f 2 】。 按照拉姆萨尔公约中的定义，湿地系统指天然或人工、长久或暂时沼泽地、湿 原、泥炭地或水域地带( 浅水湖泊、河流、泛洪区等) ，包括静止或流动的淡水、半咸水 或咸水水体，以及海洋或地潮水深不超过6 m 时的浅海水域。1 9 9 4 年的中国湿地生态 环境保护规划会议上对湿地的解释是：处于陆地与水域的交汇处，水位接近或处于地 表面，或有浅层积水，一般以低水位时水深2 m 处为界，并具有以下特征：( 1 ) 至少周期性 的以水生、湿生植物为植物优势种；( 2 ) 低层土主要是湿生土壤；( 3 ) 在每年的生长季节 底层土被水淹没4 个月以上【3 , 4 1 。 1 1 1 2 湿地的生态功能 湿地是一种特殊的土地资源和生态环境，在蓄水防洪、调节气温、降解污染、保护 生物多样性和维持区域生态平衡等方面起着不可替代的作用。湿地是多种珍贵水禽的 多级串联人工湿她系统对污水净化能力的研究 栖息地。湿地可通过蒸发和地下渗水，消减洪峰流量，减轻洪灾危险唑湿地还能有效 地处理生活污水、农业排灌用水和工业用水，大量截流陆源营养物质总氮和总磷，大幅 度减少b o d 、c o d 含量 6 1 。然而，由于人为的围湖、围海造田；加之生活污水和工业 废水的大量排放，造成了湿地面积的大幅度减少以及湿地生态环境的日益恶化，进而引 起珍贵鸟类减少、污染加剧、气候劣变盯，鄙等一系列环境问题，这才迫使人们逐渐认识 到湿地保护的重要性，开始努力采取模拟湿地即人工湿地的方法进行生态的保护和污水 的处理，并取得了一定的效果。 1 1 ，1 3 人工湿地 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 是为处理污水而人为设计建造的，是本世纪七八十 年代发展起来的新型废水处理工艺。美国著名的湿地研究、设计与管理专家h a m m e r 博 士等例将人工湿地定义为“一个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与 建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体”。实际上人工湿地就 是根据自然湿地生态系统中物理、化学、生化反应的协回作用来处理废水，是一种人工 建造和监督控制的与沼泽类似的地面，一般由人工基质( 般为碎石) 和生长在其上的 水生植物( 如芦苇、茳芏等) 组成，是一个独特的土壤一植物一微生物生态系统。人工湿 地是将沉淀池、稳定塘、人工湿地有机结合处理污水的新模式。 1 1 2 人工湿地的分类 人工混地根据其建造目的不同至少可分成4 大类：( 1 ) 人工生境湿地，协助天然 湿地用于生物多样性的保护；( 2 ) 人工抗洪湿地，用于控制洪水或泄洪；( 3 ) 人工水 产湿地，用于农业生产与水产养殖；( 4 ) 人工处理湿地，用于污水污物处理。实际 上，大多数人工湿地是用于污水处理目的，即为处理湿地( t r e a t m e n tw 叫a n d ) 。这个概 念直到1 9 9 6 年才被提出来。本论文中以下所讨论的主要是处理湿地，简称为人工湿 地。 人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为：( t ) 浮水植物系统；( 2 ) 挺水植物系 统：( 3 ) 沉水植物系统。沉水植物系统还处于实验室阶段，其主要应用领域在于初级 一2 大连理工大学硕士学位论文 处理和二级处理后的深度处理。浮水植物主要用于n 、p 去除和提高传统稳定塘效率。 目前一般所指人工湿地系统都是指挺水植物系统。挺水植物系统根据水流形式可建成自 由表面流和潜流系统1 ”。 1 浮水植物人工湿地 浮水植物种类众多，河性各异。大到浮水的叶和潜水的根的大型植物，小到几乎没 有根的浮游植物。 2 沉水植物人工湿地 沉水植物光合作用的组织全部潜在水中。沉水植物的嫩枝可以直接吸收水中的无机 物，这些植物的根部吸收养分的能力也是毋庸置疑的。尽管嫩枝可以进行吸收，但营养 物的主要来源是沉积物。植物从水中和沉积物吸收养分的多少困植物种类而异。沉水植 物对于废水处理作用目前还处于实验阶段。 3 。挺水植物人工湿地 挺水植物人工湿地有许多形式，一般来说，根据流动方式来划分，主要有两大类： ( 1 ) 表面流人工湿地( 自由表面流湿地) 典型的表面流人工湿地是个有大约2 0 3 0 c m 厚土壤的图章形的篙地。密植的挺 水植物覆盖了大部分的表面，通常超过5 0 。水流从进水口流入，流经整个湿地，最后 流出。浅水深、低流速、植物的存在、稳定的水流，尤其是狭长的水道，确保了其活塞 流的状态。整个设计的初衷就是用活性的表面来处理废水。 ( 2 ) 潜流式人工湿地 潜流式人工湿地可根据流向分为水平流与垂直流。 a 水平流潜流人工湿地 废水从进水口流入，缓慢的流经或多或少的碎石床表面下的多孔介质，一直到达 出水区，然后通过排水管流出。在这个过程中，废水将与一个由好氧、厌氧和兼氧区域 组成的网络向接触。好氧区出现在可以向填料供氧的地下根茎周围。在欧洲，大多数的 水平潜流人工湿地称为“芦苇床处理系统”，这主要是由于所选用的植物通常是芦苇。 在北美，也称之为“植物潜流床”( v e g e t a t e ds u b m e r g e db e d ) ，但用得不多，主要是由 于它与潜流植物系统的叫法相似。 3 多级串联人工湿地系统对污水净化能力的研究 水平潜流系统多用于城市污水的处理。近来，这种湿地也开始用于处理各种工 业、农业废水，以及用于处理暴雨径流。 b 垂直流系统( v fw e t l a n d ) ，垂直流系统又可根据流向分为下行流和上行流。 垂直流湿地包括一个平铺的碎石床，上面的砂石种植水生植物。底层的砾石比较 大，上面的小一些。垂直流湿地采用间歇式进水。废水流过床体，在底部由一个排水 网络收集起来。床体将水排净并且由空气重新充满。这种进水方式有助于氧气的传递， 并且提高了硝化反应的能力。 许多垂直流湿地都采用平行且连续的分级式系统。一般情况下，第一级床并联运行 1 2 天，然后停止运行3 “天。垂直流系统的主要处理过程与水平潜流相同，垂直流系 统有个多得好氧区间，有利于硝化反应的进行以及b o d 的去除。但垂直流不能提供反 硝化作用，它对固体悬浮物的去除也不如水平潜流湿地。 这类系统在巴西自1 9 8 0 开始应用。床的底部填满碎岩石，上面一层用碎沙砾，最 上层的土壤种植水稻。这种系统在巴西被称为“滤土”( f i l t e r i n gs o i l ) 。在巴西以外， 通常不用j 二层的土壤，而采用砂石填充并且种植一般的水平潜流湿地所采用的植物。 1 1 3 人工湿地污水处理的机理 1 1 3 1 基质微生物植物系统 人工湿地处理系统的核心是基质微生物一植物系统，该系统具有生命的基本特征， 好比一个“活的过滤器”，其本身就是可再生的资源，它是一个充分利用土壤微生物 植物系统中的自然条件净化污水的生态系统，具有高效、安全、可调控的特征。 1 土壤物理作用过程 系统中的土壤质地一般为砾质砂土、砂壤土。土壤粒径在小于o 0 0 1 - 1l n l t l 范围 内，表层土的颗粒较细。土壤的孔隙率为4 5 - - 5 0 ，且孔隙一半被填充，这样就构成 了土壤一水一空气三相体系。土壤饱和渗透系统( k ) 在o 0 6 - 5 0c m h 范围内，土壤一般 为有机质和无机矿物质所组成，并具有活泼的阳离子代换能力和化学吸附、物理吸附能 力。污水中微小的悬浮颗粒( s s ) 及粘附其上的有机污染物、n 、p 等在土壤表层或颗 粒间隔中而被截滤去除，土壤层是一个高效的过滤床，其平均粒径为0 0 1 0 0 3r n l r l ，相 4 一 大连理1 大学硕十学位论文 应的孔隙直径为1 5 叫5 “，与水处理的滤池( 粒径为o 5 1 5r a i n ，孔隙最小直径为7 7 l l ) 相比，截滤去除污水杂质的能力要提高2 0 5 0 倍，实践表明，经土壤层滤过的水其 浊度小于o 5 度，有的几乎近于零 1 2 , 1 3 , | 4 】。 土壤颗粒上的沉淀作用：污水中的杂质在土壤颗粒表面上沉淀去除。土壤层是一个 有巨大比表面积的沉淀池，污水中的杂质在重力作用下沉淀到颗粒表面上得以去除。 土壤的表面吸附作用：污水中的污染物被土壤中的粘土等颗粒吸附去除。土壤中的 粘土、腐殖质和矿物质具有强烈的吸附活性，能吸附污水中的各种溶解性污染物，尤其 是阳离子。 2 土壤化学作用过程 土壤层是一个容纳各种物质和催化剂的化学反应器，并始终保持动态平衡。当污水 进入土壤层，污染物致使平衡破坏，相应发生了一系列的化学氧化还原、化学吸附、离 子交换、拮抗、络合等反应。污水在土壤中的化学反应作用下得以净化。 3 土壤物理化学作用过程 土壤中的粘土、腐殖质等构成了一个复杂的胶体颗粒体系，各种污染物( 如氮类污 染物) 大多也以胶体状态稳定存在于污水中，当污水进入土壤层，原来两种各自独立的 体系便构成了新的胶体体系，由于电解质平衡体系的破坏和土壤层中腐殖质等高分子物 质的不饱和特性，导致在新的体系中发生一系列的胶体颗粒的脱稳、凝聚、絮凝和相互 吸附等物理化学过程，从而使污水得以净化 1 2 1 3 a 4 】。 4 生物作用过程 在土壤环境中生长着大量的细菌、真菌、酵母菌、霉菌、原生动物、后生动物和蚯 蚓等生物，并相伴存在一个丰富的土壤微生物酶系，是一个相互依存、协同作用、又相 互制约的生态系统，污水中的有机质及氮磷等营养素在这个生态系统中，通过微生物的 降解和吸收等作用而被去除，在各种机理中，生物作用是最重要的。 人工湿地处理污水时，有机物的降解和转化主要由植物根区微生物活动来完成。湿 生植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根区，在植物根须周围微环境中依次出现好 氧区、兼氧区和厌氧区，为好氧微生物和厌氧微生物大量存在提供了条件，废水中大部 分有机物在好氧区内被好氧微生物氧化分解，而在还原区域内则经厌氧细菌的发酵作用 一5 一 多级串联人 ：湿地系统对污水净化能力的研究 将有机物分解。细菌能使含氮化合物转化为可供植物和微生物利用的含氮无机化合物， 真菌具有强大的酶系统，引起纤维素、木质素、果胶等的分解，能分解蛋白质化合物释 放氨；放线菌是降解含氮和不含氮化合物的积极参与者，还能形成抗生物质维持湿地生 物群落的动态平衡；磷细菌能将有机状态的、不可直接利用的磷素降解为简单的、可供 植物及微生物吸收的磷化物，并在厌氧条件下提供短链脂肪酸；硫细菌能将有机硫化物 降解为无机硫化物再从污水中除去；含氮化合物的去除则先由亚硝化细菌和硝化细菌在 好氧条件下将其降解为硝酸和亚硝酸，又在缺氧条件下经反硝化细菌将其还原为n 2 0 或n 2 。 人工湿地中微生物的种类和数量是极其丰富的，这为人工湿地污水处理系统提供了 足够的分解者。芦苇床系统的根表面根际土的细菌数量可达1 0 8 个克干重，且季节变化 大，慢流渗透土地系统的水稻土中氨化细菌数量在1 0 7 个克干重以上，香蒲、灯心草人 工湿地中细菌、放线菌、真菌数量大，且季节变化大，空间分布不均匀。研究证实污水 中b o d 和c o d 的去除率与微生物数目明显相关；污水中n h 3 n 的去除率与根区的硝 化细菌和反硝化细菌数量相关性极显著：而磷元素的去除率则与根际中的磷细菌数量呈 正相关 1 2 , 1 3 , 1 4 】。 1 1 3 2 污水中有机物、总氮和总磷的去除机理 1 有机物的去除 人工湿地对有机物有较强的去除能力。不溶性的有机物通过沉淀、过滤从废水 中截留下来，被微小生物加以利用。可溶性的有机物通过生物膜的吸收、吸附和生 物降解等作用而去除。结果表明，人工湿地对b o d 5 的去除率可达8 5 9 5 ，c o d 。， 的去除率达8 0 ，城市污水通适人工湿地处理后，出水b o d 5 在1 0 m g l 左右i ”l 。 北京环境科学研究所的实验结果表明，不溶性b o d 5 ( 约占总b o d 5 的5 0 左右) 和c o d 。，在进水5 m 的距离内可迅速除去，在这以后，可溶性的有机物的降解则 相对缓慢些 1 6 】。随着积累过程地不断进行，人工湿地中的微生物也相应地繁殖生 长，通过对填料床的定期更换及对湿地植物的收割而将积累的有机物从湿地中除 去。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 氮的去除 污水中的总氮大部分以有机氮和氨氮( n h 3 或n k h + ) 形式存在。据w r t t g r e n ( 1 9 9 7 ) 报道，进入潜流人工湿地的2 3 4 m g l 的t n 有1 8 6m g l ( 占t n 的7 9 o ) 是游离氨，其余的2 1 为有机氮和少量的硝酸盐和亚硝酸盐【1 “。图1 1 为各种形态的有 机氮和无机氮在人工湿地中的变化规律【1 8 】。人工湿地对氮的去除主要依靠微生物的同 化、硝化和反硝化作用，一般情况f 用，作二级处理的湿地的植物提取量仅占氮的总去 除率的8 1 6 。废水中的有机氮在处理过程中很容易被异养微生物转化为氨氮，而 后氨氮在硝化菌的作用下被转化为无枫的亚硝态氮和硝态氮，最后通过反硝化作用和植 好 氧 状 态 厌 氧 状 态 圈1 1 人工湿地床中氮的变化规律 f i g 11v a r i a t i o no f n i t r o g e ni nc o n s t r u c t e dw e t l a n d 物吸收被去除。如前所述，湿地系统中的植物根系的输氧和对氧曹匀释放，使得床体内部 存在许多的好氧、缺氧和严氧环境，这相当于许多串联的好氧兼氧厌氧( a a o ) 单 元使得硝化和反硝化在系统中同时发生。 氨氮对淡水生物的毒害作用特别大，为了控制氨氮对淡水资源的污染，应该加强湿 地系统对氨氮的硝化能力，使氨氮尽量转化为硝酸盐。目前，提高人工湿地系统的供 氧，以增强其硝化能力，有效去除氨氮，一直是该技术研究的热点。与b o d 5 和c o d 。， 的去除过程相比人工湿地中硝化过程较慢，有限的溶解氧常被用于去除有机物的反应 中，明显的硝化反应只有在b o d s 降低到一定程度才能进行。反硝化反应又需要从有 机物中获取必要的碳源，当污水有机物含量低时，反硝化过程又不容易进行。 7 一 多级串联人工湿地系统对污水净化能力的研究 3 磷的去除 磷是影响水体中藻类和水生生物最重要的营养元素，有资料报道说o 0 lm g l 的无 机磷在春季就可以使藻类爆发口”。湿地中p 的去除主要有三个方面的途径： ( 1 ) 植物 的吸收作用。废水中的无机磷可以在植物吸收及同化作用下，变成植物有机成分，如三 磷酸腺甘( t a p ) 、脱氧核糖核酸( d n a ) 和核糖核酸( r n a ) 等，通过收割植物而 除去；( 2 ) 聚磷菌的过量摄磷作用。微生物除磷主要通过对其进行强化后，对磷的过 量积累来进行的，使废水中的无机磷在生物体内变成多聚磷酸盐，成为微生物的内含物 而被固定下来。对磷的过量积累得益于湿地植物光合作用的光反应、暗反应，形成根毛 输氧、停止输氧，从而导致水中交替出现的好氧、厌氧状态陶； ( 3 ) 基质的物理化学 作用。磷在湿地中通过沉淀作用而去除的化学反应主要如下。 5 c 一+ + 3 p 0 4 j 。+ o h + c a s ( v 0 4 ) 3 0 h l a i ”+ p 0 4 3 _ 赳p 0 4 i f e 3 + + p 0 4 f e p 0 4 l 研究发现，m g 、c a 、f e 和越与p 的吸附关系，c a 与p 的吸附相关性最强也发现 c a 与f e 、a 1 相比对p 具有更强的结合能力。美国学者r i c h a r d s o n 等( 1 9 9 9 ) 根据美国 环保总局的数据库，提出了湿地系统对p 的最大吸收能力为每年不超过1g ，m 2 ，即所谓 的“1 克规则”。 由于湿地中基质材料的选择对磷的去除有很大的影响，尤其在运行初期。为7 n 强 湿地初期的除磷能力，在湿地建造中可选择含钙、铝、铁和镁丰富的材料作为基质材 料，因为初期湿地中植物和微生物还没有形成稳定的生物群，基质材料吸磷达到饱和 后，可充分利用湿地植物和微生物进行除磷。 1 1 4 植物在人工湿地污水处理系统中的作用 植物是人工湿地污水处理系统的核心，它在人工湿地污水处理系统中发挥多种用， 通过自身的光合作用吸收氮、磷等污染物，并且有些种类可以吸收重金属或降解有机污 染物，根系分泌物和根际特殊的环境促进土壤中微生物的生长，还可以抑制藻类的生 长，通过植物的空心茎向系统中输送氧气。 8 大连理大学硕士学位论文 1 1 4 1 植物吸收 植物吸收的污染物主要有以下几大类： 1 氮磷等营养元素 污水土地处理系统中的植物由于自身生长的需要，必须大量吸收无机氮磷等营养物 质，进行光合作用。废水中氨氮作为植物生长过程中不可缺少的物质可以被植物直接摄 取，合成植物蛋白质与有机氮，再通过植物的收割而从废水和湿地系统中除去。同无机 氮一样，无机磷也是植物必需的营养元素。废水中无机磷在植物吸收及同化作用下可转 化成植物的a t p 、d n a 、r n a 等有机成分，然后通过植物的收割而移去。而污水中有 机态的氮、磷也可以通过微生物的降解作用，变成无机态的氮磷，通过植物吸收而除去 旧。 2 重金属元素和有机污染物 大多数植物都可以吸收重金属，积累在植物组织内，重金属在一般植物中的积累为 o 1 1 0 0m g k g ，但也有一些特殊植物能超量积累重金属，现己发现对c d 、c o 、c u 、 n i 、s i 、m n 、z n 的超积累植物4 0 0 余种 z 3 1 ，阳承胜口4 】等研究了重金属在宽叶香蒲人工 湿地系统中的分布与积累，人工湿地4 种优势植物宽叶香蒲、芦苇、茳芏和狗牙根对 p b 、z n 、c u 和c d 的积累均高于对照类，重金属在植物体内含量虽然相当高，但它们 主要富集于植物地下部分，且植物生物量相对来说是较小的，在重金属的植物修复方 面，通过杂交和基因工程等方法开发高生物量，高重金属积累的植物己进行了许多研 究，这些研究成果也可用于污水土地处理系统中。 植物对位于浅层土壤中的中度憎水有机物( 辛醇一水的分配系数的对数l g k o w = o ，5 - 3 ) 有很高的去除效率，中度憎水有机物有b t e x 、氯代溶剂、短链脂肪族化合物， 而憎水有机物( l g k o w 3 ) 和植物根表面结合得十分紧密，致使它们在植物体内不能 转移，一旦有机物被吸收，植物可以通过木质化作用在新的植物结构中储存它们及其残 片，也可以代谢或矿化它们，还可让它们挥发。 此外，植物还可以通过植物挥发去除一些挥发性污染物，植物挥发即植物将污染物 到体内后又将其转化为气态物质，释放到大气中，目前这方面研究最多的是金属元素汞 一9 多级串联人工湿地系统对污水净化能力的研究 和非金属元素晒，在美国加州c o m o r a n 的一个人工构建的二级湿地功能区( 1 公顷) 中种植的不同湿地植物品种显著地降低了该区农田灌溉水中硒的含量，在一些地点硒含 量从2 5m g k g 降低到低于5m g k 9 1 2 3 1 。 1 1 4 2 微生物的作用 1 1 4 2 i 根际微生物 根际微生物是聚居在植物根部周围，并以根分泌物和容易分解的死细胞为主要 营养的一群微生物。 根际微生物在数量和质量上都与根际以外的微生物不同。根际土与非根际土的比值 一般可达到1 0 ：1 2 0 ：i ，个别的细菌群可高达上千倍( 平板计数) 。这两者的数量比称 为根土比( r ：s ) ，表示植物根系对微生物的影响程度，所以又称根际效应口”。 根际微生物以细菌为主【2 6 】，并且是革兰氏阴性菌占优势。常见的有假单胞菌、黄杆 菌、产碱杆菌、土壤杆菌和色杆菌等。根际中的革兰氏阳性短杆菌、球菌、芽孢杆菌反 而比根际以外少。根际还聚有较多的能动和产色细菌和淀粉、蛋白质和纤维素分解的细 菌，以及氧化、反硝化和糖醇解菌，另外还有一些能还原甲基蓝或类似物的细菌【2 6 】。大 多数工作者认为，各种假单胞杆菌是根际最大量的菌群，尤其以其中的荧光假单胞杆菌 最为常见；其次是农杆菌和色杆菌；再次是放线菌。原生动物于根际有增长，它们以细 菌为食，数量高峰出现在细菌数量高峰之后。在表土以下的根际藻类很少。根际细菌中 需要氨基酸营养的菌数大，生长速度快。根际中氨化细菌较多，根土比可在1 0 0 以上， 能积极分解根际有机氮化合物，但在根际中积累的无机氮化合物并不多，它们一方面被 植物吸收，另一方面被微生物固定。根际内纤维分解菌也较少，分解根区脱落细胞的胞 壁纤维素。如果有硝酸盐存在，根际的反硝化作用相当强，反硝化细菌的根土比可在 1 0 0 0 以上。自生固氮菌在很多植物根际数量较大，如在小麦及燕麦根际的圆褐固氮 菌；在雀稗根际的雀稗固氮菌；在热带杂草俯仰马唐根际的产脂固氮螺菌。后两者还可 进入植物根内，它们的固氮能力均较强f 2 6 1 。 1 1 4 2 2 根系分泌物和根际微生物的相互作用 根系分泌物作用于根系周围环境形成了根际，产生根际效应。根系分泌物使根 一1 0 人连理工大学硕十学位论文 际微生物的数目和种类都有很大变化，使得根际微生物数量远远超过非根际。 e r d a r r a h ( 1 9 9 1 ) 模拟了可溶性碳同根际微生物量及死亡量的水平和垂直分布，结 果表明，根际微生物的分布与沿根的可溶性碳的分布距离有关，微生物生物量的积 累依赖于根系分泌物的释放。根系分泌物种类的影响既有特异性又有非特异性。豆 科植物和根瘤菌之间的共生关系是根系分泌物对微生物特异性作用的典范。根系分 泌物能刺激小麦根际反硝化细菌的增殖。虽然根系分泌物的多样性为根际微生物区 系的建立提供了先决条件，但大多数情况下根系分泌物对根际微生物的作用是松散 的、非特异性的，主要是促进革兰氏阴性无芽孢杆菌在根标的聚集。根系分泌物也 对微生物代谢、生长和繁殖有一定的影响，玉米根系分泌物可以刺激微生物 i a a g ac t k 的产量【2 6 l 。 1 1 ，4 2 3 根分泌物对根际微生物的影响 分泌物作用于周围环境形成根际( 一般指 艮一土界面不足l m m 到几m l t l 范围 的微区土壤) ，产生根际效应，而根际微生物也会对根分泌物起修饰限制作用。因 而，根分泌物和根际微生物之间的影响是相互的。 1 对根际微生物代谢的影响 根分泌物为土壤微生物提供大量的营养和能源物质，因而根际微生物不仅种类和数 量远高于非根际土壤，而且其代谢活动也比非根际微生物高。所以根际是微生物代谢活 动特别旺盛的场所口4 】，微生物活动能加快土壤中有机磷、有机氮的分解及其它矿质元索 的活化，从而提高了养分的有效性。在小麦的生长发育过程中，随根分泌物的增加，根 际环境中反硝化细菌数明显增加，说明根分泌物的增加为根际土壤中反硝化细菌的发育 创造了良好的生态环境；同时根分泌物还能刺激反硝化细菌的代谢活动 2 7 1 。风眼莲根分 泌物对根际细菌的降酚酶活性有积极影响，从而促进了根际细菌的降酚效率 2 8 。风眼莲 根分泌物中的氨基酸组分对根际细菌趋化作用也产生明显影响。风眼莲根分泌物中含有 m e t 等多种氨基酸，其中m e t 、g a b a 、g l y 、a l a 、a s p 、s e r 、v a l 和l e u ( 1 0 - 710 。 2 m o l 1 ) 均对凤眼莲的根际肠杆菌属f 2 细菌具有强烈的正趋化作用；g i u 、t h r 和h i s ( 1 0 7 - 1 0 2 m 0 1 1 ) 也对该细菌有一定的正趋化作用，而l y s 、c y s 、a r g 、t h 、p r o 、 多级串联人工湿地系统对污水净化能力的研究 a s n 、g l n 、i l e 、p h e 和t r p 则对该细菌产生负趋化作用。具有正趋化作用的m e t 的不同 浓度对该细菌的生长动态、细菌降酚酶活性、细菌降酚效率基本不产生影响；而具有负 趋化作用的l y s 在高浓度( 1 0 2 、1 0 。m o l 1 ) 下延滞细菌生长，抑制细菌降酚酶活性，随 着l y s 浓度的降低各种抑制作用相应减少。 2 对根际微生物生态分布的影响 由于植物根部不同部位分泌作用强度不同，因而，根分泌物对根际微生物的生态分 布提供先决条件，在大多情况下根分泌物对根际微生物的作用是松散的、非特异性的， 主要促进革兰氏阴性无芽孢杆菌在根际的聚集。豆科植物根分泌物有利于根瘤菌在其根 部的分布，从而形成共生关系。p r d a r r a h ( 1 9 9 1 ) 模拟了可溶性碳同根际微生物生物 量及死亡量的水平与垂直分布，结果表明，根际微生物的分布与沿根可溶性碳分布距离 有关，微生物生物量的累积有赖于根分泌物的释放。水稻根分泌物对反硝化细菌更强的 选择性吸引作用使得水稻根际中反硝化细菌、假单孢菌属( p s e u d o m o n a s ) 、芽孢杆菌 属( b a c i l l u s ) 、微球菌属( m i c r o c o c c u s ) 、黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) 、不动细菌属 ( a c n e t o b a c t e r ) 和肠细菌属( e n t e r o b a c t e r ) 等的数量远高于非根际土壤；且这些反硝 化细菌在水稻不同生育阶段其数量也会发生明显变化，抽穗期数量最多，成熟期明显下 降。除此，水稻根分沁物还对土壤中固氮菌的分布产生明显影响，根际中好氧固氮菌、 厌氧固氮菌数量明显高于非根际；而且水稻根系埋入土中根基茎段2 5 c m 处，固氮菌最 多，根基以下3 c m 根段次之，3 c m 以下根段最少。作物连作也对根际微生物的分布产生 明显影响，大豆连作3 年以上，根际微生物数量与组成发生改变，细菌数量减少，真菌 数量增j j 口 2 9 1 ；且重茬较正茬增加1 8 0 - - 3 5 5 ，以青霉菌、镰刀菌、立枯丝核菌占多数。 这些微生物均能强烈抑制大豆的生长发育，从而发生大豆的连作障碍。同时，不同茬口 其真菌优势种群也不相同，重茬大豆以镰刀菌占优势，谷茬、玉米茬大豆则以青霉、木 霉占优势f 2 9 1 。 1 1 4 3 植物对藻类的抑制作用 藻类通常是指一群在水中以浮游方式生活，能进行光合作用的自养型微生物，个体 大小一般在2 2 0 0 9 r n ，其种类繁多，均含叶绿素，在显微镜下观察是带绿色的有规则的 一1 2 大连理1 大学硕士学位论文 小个体或群体 3 0 】。它们是水体中重要的有机物质制造者，它们制造的有机物很难通过收 割等方式转移出系统，藻类死亡后，其残体留在了系统中，不仅藻类自身吸收的氮、磷 等元素又重新回到系统中，而且增加了系统中有机质的含量。藻类的存在，减短了这些 元素的循环周期，活化了这些元素。因此，大量的藻类不仅严重地破坏了水体生态环境 系统的平衡和稳定，而且还直接影响土地污水处理系统的效果。土地污水处理系统中的 植物对藻类有很好的抑制作用，1 9 4 9 年h a s l e r 等人就发现了水生植物对藻类的克制效 应，之后， v a n a l l e r 等又研究了几种水生植物，发现孛萁水草等的抑藻作用，并提取 出其分泌的抑制物质，最近几年宽叶香蒲、凤眼莲等大型水生植物的抑藻作用也有所研 究1 3 0 j 。植物抑藻的主要机理； 1 水生大型植物大部分都比较高大，而藻类一般都在水面及以下，水生大型植物的 存在减少了藻类的光照，减弱了藻类的光合作用，有效抑制了藻类的生长，并且，水生 大型植物具有生长快的特点，能大量吸收系统中的营养物质，与藻类竞争系统中的营养 物质，抑制了藻类的生长。 2 直物本身分泌克生物质，抑制藻类的生长，俞子文等研究了凤眼莲薄、水花生、 水浮莲、满江红、紫萍、和西洋菜等对雷氏衣藻的帽克相生关系，证实了上述植物对雷 氏衣藻的克制效应，从水花生、水浮莲和水水葫芦的种植水中得到的分泌物提取，也都 显示了对雷氏衣藻的克制效应口，证实了克生化合物的存在，同时也说明高等水生植物 一对藻类的克制作用具有一定的普遍性。 1 1 5 人工湿地污水处理系统植物的选择 人工湿地处理系统能否有效处理污水的一个重要因素是选择种植合适的植物种类， 目前，全球发现的湿地高等植物多达6 7 0 0 余种o ”，而已被用于处理湿地且产生效果的 不过几十种，很多植物还从未试用过。在污水土地处理系统中，由于系统的类型不同， 处理的目标污染物有所不同，处理所要达到的水平不同，污水土地处理系统所在气候各 异，所以应选择不同的植物。一般来说，土地污水处理选种的植物应适合沼泽湿地生长 并尽可能满足下列条件：( 1 ) 通气组织比较发达，叶、茎及根内细胞间隙和气腔相 通，以满足植物根部通气的需要； ( 2 ) 具有不定根系和特殊的无性生殖能力；( 3 ) 能 一1 3 。 多级串联人工湿地系统对污水净化能力的研究 生长在污水环境中，对各种污染物的耐受性较强；植物选种应立足当地，同时考虑引种 适合当地气候的植物种类，植物最好能利用其生长前、中期，然后及时收割【3 2 】，将污染 物输出系统。 各种植物对于不同污染物的效果是不同的，例如灯心草处理氯化烃、氰化物、酚， 去除病原体的效果比较好；鸢尾是比较著名的观赏花卉；芦苇可分解酚：香蒲能去除污 水中的有机、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：捕蝇草和猪笼革其叶边有消化腺，为食虫草木植 物；水葱能在含酚量6 0 0m 鲫的污水中迅速生长，每1 0 0 克水葱经1 0 0 小时可净化酚 2 0 0m g ，两周内可使食品工业废水的b o d 降低6 0 9 0 ：大米草可吸收污水中 8 0 - - 9 0 的氮、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3 3 】。在选择植物时，应根据目的污染物的不同选择相 应的高效植物。 单一物种的净化能力总是有限的，还应选择各种物种的合理搭配，刘超翔等d 4 研究 了芦苇、菖蒲、茭白的各种搭配在人工湿地系统中的处理效果，结果发现芦苇通气组织 较发达，具有较强的输氧能力，而茭白生长量最大，具有较强的吸收氮磷的能力，芦苇 与茭白混种对污水的处理效果好于种植单一植物。 在单一植物的污水土地处理系统中，植物的生长状况直接影响到污水处理效果。吴 振斌等研究发现【3 5 ，在春季和夏季，植物生长迅速，对磷的吸收加快，出水中磷含量减 少，而在秋季植物枯萎后，吸收速度放慢，冬季死亡的植株会释放磷到湿地中，致使出 水磷含量上升，无机磷含量甚至高于进水。所以，在污水土地处理系统中，应合理搭配 生长期不同的植物，以使系统运行稳定，并且还要有一定的越冬植物，以保证系统在冬 季的正常运行。 1 1 6 影响人工湿地净化效果的因素 1 人工湿地类型不同造成的处理效果的差异 表面流人工湿地系统中，废水在湿地的土壤表层流动，水深较浅( 一般在o 1 - 4 ) 6 m ) 。与潜流式人工湿地系统相比，其优点是投资省，对有机物、磷的去除效果好，缺 1 4 大连理工大学硕士学位论文 点是负荷较低，占地面积大。北方地区冬季表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇、散发臭味。 而潜流工人工湿地系统，污水在湿地床的表面下流动，一方面可以充分利用填料表面生 长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用，提高处理效果和处理能力： 另一方面由于水流在地表下流动，保温性好，处理效果受气候影响较小，且卫生条件较 好，是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统，但此系统的投资比表面流人工 湿地系统略高。 2 填料的性质和填料颗粒的大小 填料，又称基质，是人为设计的、由不同大小颗粒的砾、沙、土等按一定的厚度铺 成的供植物生长、微生物附着的床体。该体系具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作用，将