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人工湿地氧分布规律研究 硕士研究生：鄢璐 导师：王世和教授 学校：东南大学 摘要 人工湿地是一项水质净化效果好，建造、运行费用低的生态污水处理技术。日益受到重视。但 人工湿地中氧环境具有定的特殊性，对污染物的去除有较大影响，目前尚缺少对湿地氧分布的系 统研究，制约了湿地净化效率的提高。 本文研究了种有多种植物的水平推流式潜流湿地和垂直流芦苇湿地处理污水厂初沉池出水的运 行特性和氧分布状况，较全面的研究了人工湿地氧的空间分布和时间变化规律，以及多种因素对湿 地氧环境的影响，并在此基础上研究了人工湿地氧环境的改善措施，确定了最佳运行工况条件，最 后初步探讨了人工湿地氧平衡机理和污染物降解需氧量的计算模型。 研究结果表明，人工湿地中氧浓度普遍较低，其空间分布呈现两端低、中间商的规律，垂直方 向上沿层下降；其时间变化规律为夏季 春季 秋季 冬季，一天中1 4 时氧浓度最高，上午高于下 午。在对各种影响因素的试验研究中发现，最佳停留时问时湿地中溶氧出现最低值；有植物湿地氧 环境优于空白湿地，五种湿地植物的供氧能力比较结果为芦苇 美人蕉 茶花 富贵竹 空心菜； 孔隙率大、比表面积大的多孔状填料有利于湿地的复氧效果；垂直流湿地氧环境优于水平推流湿地。 在对氧环境改善措施的试验研究中发现，串联型人工湿地对湿地内氧环境的改善没有明显作用； 美人蕉湿地曝气的最佳气水比为4 5 时，湿地内溶解氧浓度有明显增加，床层内氧分布规律较之无 曝气湿地不明显；以强化脱氮为主要目标的前提下，湿地多点迸水的最佳分配比为1 ：2 ：i 时，湿 地氧环境有所改善。 试验表明，人工湿地氧环境的研究有利于揭示湿地内部的净化机理，提高湿地的净化效率，具 有一定的理论研究价值。 关奠诃- 人工湿地：氧分布；改善措施；氧平衡 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n di sa ne c o l o g i c a ls e w a g et r e a t m e n tw i t hg o o dr e m o v a le f f e c t sa n dl o w c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o nc o s t h o w e v e r , t h eo x y g e nc o n d i t i o ni nc o n s t r u c t e dw e t l a n d si so fp a r t i c u l a r i t y a n da f f e c tr e m o v a le f f e c t s o f w e t l a n d s f o r t h e l a c k o fs y s t e m a t i c a ls t u d y o n o x y g e n c o n d i t i o n o f w e t l a n d s 。 t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f w e t l a n d si sd i s t u r b e dt os o l n ge x t e n l i nt h i sp a p e r , h o r i z o n t a lf l o ww e t l a n d sw i t hv a r i o u sk i n d so fp l a n t sg r o w na n dv e r t i c a l f l o ww e t l a n d sw i t hr e e d sp l a n t e dw e r ef i r s ts t u d i e do nt h e i ro p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d o x y g e nc o n d i t i o ni nt r e a t i n gt h es e w a g eo u tf r o mt h ep r i m a r ys e d i m e n t a r yb a s i n n er u l e so f o x y g e nc o n d i t i o nc h a n g e dw i t hs p a c ea n dt i m ew e r es t u d i e d t h ea f f e c t i n gf h c t o r so fi tw e l e a l s oi n v e s t e db ye x p e r i m e n t s t h e nb a s e do ni t , t h ei m p r o v i n gm e a s u r e so fo x y g e nc o n d i t i o n w e r es t u d i e x l , t h eo p t i m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h e mw e r ed e t e r m i n e d f i n a l l y , t h eb a l a n c e m e c h a n i s mo fo x y g e na n dt h em o d e lo fr e q u i r e m e n to fo x y g e nf o rc o n t a m i n a t i o nr e m o v e w e r ef u n d a m e n t a l l yd i s c u s s e d r e s e a r c b e ss h o w e dt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a gl o wi nw e t l a n d s ，a n di ta p p e a r e da sam l et h a tl o wi n b o t he n d s b u ti l i g hi nm i d d l eo fb e 出i td e s c e n d e di nu p r i g h td i r e c t i o n t h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o n c h a n g e dw i t hs e a s o 璐a ss u n m t r s p r i n g a u t u m n w i n t e r t h eh i g h e s to x y g e nc o n c e n t r a t i o na p p e a r e do n 1 4 ：0 0 , a n dt n cc o n c e n t r a t i o nw a sh i g h e ri nf o r e n o o nt h a na f 伦r n o m lb ye x p e r i m e n t so fs o i i 砖a f f e c t i n g f a c t o r s 。i tw a sf o u n dt h a tt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a sl o w e s ti nh r t5 哪s a n dt h eo x y g e nc o n d i t i o n w a sb e t t e ri np l a n tg r o w nw e t l a n d s ，r e e d c a n n a c a m e l l i a d r a c a e n as a n d e r i a n a i p o m o e aa q u a t i e a f o r s kb yc o m p a r i s o no f a b i l i t yo f o x y g e ns u p p l y t h ep o m u sp a d d i n gw e mb e t t e rf o ro x y g e nt r a n s f o r 曰砖 o x y g e nc o n d i t i o nw e r eb e t t e ri n v e r t i c a lf l o ww e t l a n d st h a nh o r i z o n t a lf l o ww e t l a n d s o p e r a t i o ni ns e r i e s a e r i f y i n ga n dm u l t i - i n f l o ww e r es t u d i e db ye x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w 出a t o p e r a t i o ni ns e r i e si m p r o v e do x y g e n c o n d i t i o nu n e o n s p i e u o u s l y o x y g e nc o n c e n t r a t i o ni na e r i f i e dw e t l a n d s a n dm u l t i i n f l o ww e t l a n d sw e mi m p r o v e d t h eo p t i m a lg a s f l o wr a t i ow a s4 5 a n dt h ea s s i g n i n gr a t i oo f i n f l o w w a sl ：2 ：1 e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h es t u d yo fo x y g e nc o n d i t i o ni nc o n s t r u c t e dw e t l a n d si sp r o p i t i o u st o r e v e a lt h ep u r i f y i n gm e c h a n i s mo f w e t l a n d sa n di m p r o v et h ep u r i f y i n ge f f i c i e n c y 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 ；o x y g e nc o n d i t i o n ；i m p r o v i n gm e a s u r e s ；o x y g e nb a l e n c e 符号注释表 定支 对于自养生物衰减系数，传统近似值 对于异养生物衰减系数，传统近似值 反应物a 的浓度 进水中反应物a 的浓度 通过生物分离器的液体中反应物a 的浓度 活性微生物对残留物的贡献率，传统模式 瞬时负荷期间被氧化的外加可缓慢降解物质的比例 体积流量 微生物废液体积流量 以t s s 所测的单位质量微生物的c o d 量 氨氮半饱和系数 基质半饱和系数 去除单位c o d 所需氮的量 反应物a 的反应速率 溶解氧的反应速率 氧气利用速率 自养微生物稳态需氧量 自养微生物瞬态需氧量 异养微生物稳态需氧量 异养微生物的瞬态需氧量 进水中硝化细菌可利用的氮浓度 氨氮浓度 流入的氨氮浓度 流入的溶解性有机氮浓度 溶解氧浓度 v k d h h 鞭一 一 舻 时 舻 一 一 即 时 一彬 心 = 塞价 t 冬 洲 删 洲 一 时 彬 彬 时 扮 h h “ “ 岛 f 氐 ”萝 酶 胍 “ 袖 舳 易降解( 可溶解的) 基质浓度 流入的易生物降解基质浓度 体积 活性异养微生物浓度 以c o d 为计量单位的微生物残留的浓度 流入的颗粒态有机氮浓度 以c o d 为计量单位的可缓慢降解( 颗粒态) 的基质浓度 基于c o d n 的自养微生物真实产率 基于t s s n 的自养微生物真实产率 基于c o d c o d 的异养微生物真实产率 基于t s s c o d 的异养微生物真实产率 固体停留时间 异养生物的比生长速率系数 异养微生物的最大比生长速率系数 水力停留时间 v i 时 舻p 舻舻 洲 一 = 薹 一 t r t 时舻p舻舻一一 一 一 t r t & v m 磁 h k h 吼 砧 f 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两使用过的材料。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。 研究生签名：丝牢坠日 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。 研究生签名：垒2 坠 导师签名：一：苎竖兰兰墨2 日 第一章绪论 第一章绪论 进入2 1 世纪以来，我国的水污染状况日趋严峻，江河湖泊的污染和富营养化相当严重，2 0 0 3 年中国环境公报显示，淡水环境七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 _ l 的断面满足i 类水质要 求，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质。其中七大水系干流的1 1 8 个国控断 面中，i 类水质断面占5 3 4 ，i v 、v 类水质断面占3 7 3 ，劣v 类水质断面占9 3 。2 8 个重 点湖库中，i i 类、类、类、v 类和劣v 类水质的湖库分别占3 6 、2 1 4 、2 5 o 、1 4 3 和3 5 7 。 三峡库区6 个断面中，1 个断面为类，其余5 个断面均为i i 类水质。南水北调东线沿线1 2 个断面 中，类水质断面占8 3 ，i v 类水质断面占2 5 0 ，v 类水质断面占1 6 7 ，劣v 类水质断面占 5 0 0 i 1 。 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，制约我国社会经济的可持续发展。而目前单纯依靠传统的处理方法难以从根本上解决水污染问 题，只能延缓其发展趋势。因此，根据我国国情与各地区的自然、社会经济状况，大力开发高效、 简易、低耗的污水处理技术具有十分重大的意义。人工湿地是正在不断得到研究应用和发展的污水 处理实用新技术，具有投资低，出水水质好、抗冲击能力力强，改善和美化生态环境、操作简单、 维护和运行费用低廉等优点。非常适合我国国情，尤其是广大农村、中小城镇的污水处理，有着十 分广阔的应用前景。 1 1 人工湿地的构造特点和分类 1 1 1 人工湿地的构造 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( s f s 系统) ，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过程中均发挥着重要的作用。防渗层的主要作用是阻止污水向地下水 体的渗漏。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生长载体。水体在湿地中流动的过程就是污染物进行生物降解的过程。湿 地植物在直接分解、合成代谢污染物的同时，还具有三个间接的重要作用：显著增加微生物的附着 面积；将氧输送到根部，形成好氧、缺氧、厌氧环境，降解去除污染物；增加和稳定土壤的透水性， 维持良好的水力输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作用的主要承担者。 东南大学硕士学位论文 1 1 2 人工湿地的分类 根据污水在湿地中水面位置的不同，可以分为表面流人工湿地和潜流型人工湿地两大类”。 i i 2 1 表面藏人工湿地( f w s ) 表面流人工湿地的水面位于湿地基质以上，水深一般为o 3 0 5 m ，这种人工湿地处理技术起 源于天然湿地对废水的处理，其水文体系、构造与天然湿地最为相似，是早期的人工湿地形式。采 用的水流方式多为地表径流。 矬黔 圈i i 表面藏人工显地示意图 根据f w s 型湿地中占优势的大型水生植物种类的不同，可以将其分为挺水植物系统、浮水植物 系统和沉水植物系统。对于处理污水的人工湿地系统而言，主要应用挺水植物系统，如芦苇、水葱、 蒲草、香蒲、灯心草等。 f w s 型湿地处理系统的优点是投资及运行费用低，建造，运行和维护简单。缺点是在达到同等 处理效果的条件下，占地面积大于潜流型湿地，在寒冷季节表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇，还会有 臭味，污水直接暴露于空气中有传播病菌的可能。 i i 2 2 潜藏型人工湿地( s f s ) 潜流型人工湿地的水面位于基质层以下。这种湿地系统是目前广泛研究及应用的湿地处理系统， 主要形式为采用各种填料的芦苇床系统，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 圈1 2 潜滚人工爱擅示意图 功嘲。 芦苇床由上下两层组成，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。床底铺设防渗层或防渗膜，并具 有一定的坡度。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。 水平流潜流湿她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 2 第一章绪论 流湿地是其中的水流既有水平流，也有竖向流。 潜流式湿地的优点在于其充分利用了湿地的空间，发挥了系统问的协同作用，因此在相同面积 情况下处理能力比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， 这也是其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 2 人工湿地污水处理技术的发展 1 9 5 3 年，德国的d r k a t h es e i d e l l 4 5 1 在其研究工作中发现芦苇能去除大量有机和无机物。s e i d e l 通过进一步实验发现一些污水中细菌在通过种植的芦苇时消失( 大肠菌、肠球菌、沙门氏菌) 。实验表 明芦苇及其他高大植物能从水中去除重金属和碳水化合物。进入6 0 年代，这些实验室观察开始推广 至许多大规模实验，用以处理工业废水、江河水、地面径流和生活污水，并由s e i d e l 开发出一种 “m a x - p t a n c k i n s t i t u t e p r o c e s s ”。该系统由四或五级组成，每级由几个并联并栽有挺水植物的池子组 成。该系统存在堵塞和积水问题”1 。 根据d r s e i d e l 的思路，荷兰于1 9 6 7 年开发了一种称为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i l i a 的星形自由水面流湿地，水深0 4 m ，由于运行问题，该系统后有一个长4 0 0 m 的浅沟，随后这种湿地在荷兰大量建成。 s e i d e l 的工作也刺激了德国在这方面的研究。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”( r z m ) 。此根区法由一种有芦苇的矩形池子组成，土壤经选择含有钙、铁、铝添 加剂，以改善土壤结构和对p 的沉淀性能。水以地下潜流水平流过芦苇根，污水流过芦苇床时，有 机物降解，n 被硝化反硝化，p 与c a 、f e 、a l 共沉积累于土壤中。 欧洲的早期工作对美国人工湿地技术产生了影响。6 0 年代末，美国n a s a 的国家空间技术实 验室研究开发了一种“采用厌氧微生物和芦苇处理污水的复合系统”。1 9 7 6 年美国n a s a 出版了一 本题为“充分利用水生植物”的专著，其中描述了欧洲系统及早期n a s a 系统。n a s a 的砾石床系 统在去除b o d 、s s 、大肠菌及氮方面非常有效。北美的其它国家也进行了一些开拓性工作。 我国对人工湿地的研究开始较晚，直到“七五”期间才开始了对人工湿地较大规模的研究。1 9 9 0 年7 月，国家环保局华南环保所在深圳白泥坑建造了处理规模为3 1 0 0 m 3 d 1 的人工湿地示范工程a 此外，在北京昌平和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。华中农业大学李科德等采用人工模拟芦苇床处理生活污水，对其净化机理进行了研究。 结果表明，芦苇根际具有较高的氧化还原电势，为好氧微生物的活动创造了有利条件。芦苇床内根 际微生物数量与污染物去除率之间有明显相关性”。中国环境科学研究院刘文祥采用由漂浮植物、 沉水植物、挺水植物及草滤带组成的人工湿地对农田径流污染进行了研究。中科院武汉水生植物研 究所采用人工湿地系统处理酸性铁矿废水，结果表明，系统对各种金属离子的去除率较高，运行费 用低廉”1 。 国内对这项技术的研究应用尚处于起步阶段。有关工艺设计资料和应用实例还不多见，有待结 合我国不同地区的具体情况，深入开展研究工作，取得适合于不同地区，不同环境气候条件及不同 污水特性的实用数据，以促进其在我国适当地区的推广应用。 3 东南大学硕士学位论文 1 3 人工湿地氧分布研究现状 1 3 1 人工湿地氧分布规律 1 3 1 1 氧的区域性分布规律 1 9 7 7 年，德国学者k i c k u t h 提出的根区理论为湿地中氧的区域性分布规律奠定了理论基础唧。 根区理论指出：湿地通过光合作用产生的氧，能够通过植物的运输组织和根系的输送作用向根圈的 释放。植物根系的这种输氧作用使得根系周围形成一个好氧区域，其中根圈周围形成的好氧生物膜 对氧的利用使离根系较远的区域呈现出缺氧状态，而在离根系更远的区域则呈现出完全的厌氧状态 ( 如图1 3 所示) 。 圈1 3 根区理论示意圈 1 3 1 2 氯的时问性分布蝮律 湿地床中溶解氧含量不仅具有区域性变化规律，还具有时间性变化规律。沈耀良、王宝贞等人 在对芦苇湿地系统处理废水前后氧化还原势变化规律的研究中发现“，在湿地床处理废水之前，随 光照强度的增加及光照时间的延长，芦苇根系区的氧化还原势逐渐升高；在夜间由于缺乏光照，芦 苇根系区的氧化还原势则将逐渐降低。这说明芦苇叶片通过光合作用产生的氧是通过芦苇的茎和根 系输送到地下部分根区的。芦苇由于光合作用产生的氧通过根状茎和不定根向水中传递而使水中的 溶解氧浓度升高，并在水中呈现出积累效应，到天黑时累计量达最大值。夜间，由于芦苇根系的呼 吸和微生物的代谢作用，使水中的溶解氧下降。在湿地床处理废水的过程中，床体内的溶解氧在一 天内的变化很小。这是由于床体内微生物在氧化降解污染物的过程中对氧的消耗，使芦苇通过茎和 根系向水中传送的氧不能积累所致。 4 第一章绪论 1 3 2 人工湿地中的耗氧与供氧 一般认为，人工湿地中氧的消耗主要用于完成各类生物化学反应，使污染物得到去除，因此， 系统供氧是否充足关系到湿地的正常运转及其净化效果。所需的氧来自植物输氧、大气自然复氧和 进永复氧，其中植物输氧与大气自然复氧是供氧的主要途径。 1 3 2 1 污染物的降解与耗氯 人工湿地中，和氧有关的生物化学过程主要是有机物、氮、磷的降解。 ( 1 ) 有机污染物的降解与耗氧 研究表明，人工湿地对有机污染物具有较强的去除能力。不溶性有机物通过在湿地基质中的沉 积、过滤作用可以很快地被截留进而被分解或利用，可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、 吸收及厌氧好氧生物代谢降解过程而被分解去除1 1 i 【“。 在有机物的去除中，异养菌由于主要采用有机碳作为碳源且具有较高的新陈代谢速率而起主要 作用。 有机物的好氧降解主要由好氧异养菌完成，反应式为： ( c h z o ) + o f 争c o ：+ h 2 0 人工湿地中有机物的厌氧降解是一个比较复杂的过程，主要由兼性及专性厌氧异养菌完成，过 程包含了若干步骤。第一步的发酵产物主要是脂肪酸，如乙酸、丁酸和乳酸、酒精以及c 0 2 和h 2 0 l ”j 。 接下来，在硫化菌和产甲烷菌的作用下，发酵产物进一步降解为低分子产物【1 5 l 。 ( 2 ) 氮的降解与耗氧 微生物的硝化、反硝化作用对氮的去除起重要作用。根据根区法理论，人工湿地植物中根毛的 输氧，根区附近湿地土壤中连续出现好氧、缺氧、厌氧状态，为自养型好氧微生物亚硝酸菌、硝酸 菌和异养型微生物反硝化细菌大量的存在提供了条件，使要求好氧条件的硝化反应和要求厌氧的反 硝化反应可以同时完成。另外，对硝化反应有抑制作用的是n h 3 n 、重金属、氰化物及有机物，人 工湿地对这些物质也有一定的去除作用，因此，人工湿地比一般污水处理系统具有较强的氮处理效 率【。根据试验实测结果n 7 l ，人工湿地中氮化细菌、亚硝化菌、硝化菌、反硝化菌数量都处于较高 水平，因此人工湿地具硝化，反硝化、脱氮的良好基础和潜力。资料表明，人工湿地对t n 的去除 率可达6 0 以上1 1 2 2 1 m 。 图1 4 所示为各种状态的有机和无机氮在人工湿地中的变化规律。原废水中的氮一般以有机氮 和氨氮的形式存在。废水中的有机氮在处理过程中被异养微生物首先转化为氨氮，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，最后通过反硝化以及植物根系的吸收作用而从系统 中去除“。 东南大学硕士学位论文 好氯 状态 厌氧 款态 圈1 a 人工湿地床中氨的变化规律 硝化反应式如下【1 8 l ： n h 4 + + i 5 0 2 _ - n o z + 2 铲+ h 2 0 n 0 2 + o ? 5 0 jn o ： 总式：n h 4 + + 2 d 广争n o i + 2 王r + + j 如0 硝化反应受温度、p h 、碱度、无机碳、微生物量、n h 3 - n 及溶解氧浓度影响。湿地中硝化反应 的最佳温度在3 0 1 2 4 0 c ，温度低于1 5 时会对系统的硝化速率产生较大的限制”1 明。 反硝化反应式为： 所c h 2 0 ) + 4n o i 峥6 c 0 2 + 2 n 2 + 6 1 - 1 2 0 在反硝化反应中，氮氧化物作为最终电子受体，在电子转移过程中，电子由给体通过各种传递 系统到达氮氧化物，自由能被转化为a t p 储存在微生物体内用于呼吸作用。上式表示在纯厌氧或或 缺氧下的反硝化反应，氮代替氧成为电子受体。越来越多的研究表明在氧存在的条件下，反硝化 反应依然可以发生l 。 ( 3 ) 磷的降解与耗氧 人工湿地对磷的去除是植物吸收、微生物去除及物理化学作用三方面共同作用的结果矧。 废水中无机磷在在植物吸收及同化作用下可变成植物的a t p ，d n a 及r n a 等有机成分，通过 植物的收割而去除。 物理化学作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应，这种作用对无机磷的去除 会因填料的不同而有差别。由于石灰石及含铁质填料中c a 和f e 可与p 0 4 反应而沉淀去除p 0 4 ， 因而它们是除磷效果较好的填料。含钙质或铁质的地下水渗入人工湿地也有利于磷的去除“。 微生物对磷的去除包括它们对磷的正常同化和对磷的过量积累。由于湿地中植物光合作用光反 应、暗反应交替进行，根毛输氧多少的交替出现，以及系统内部不同区域对氧消耗量的差异，导致 了系统中厌氧、好氧的交替出现，使磷的过量释放和过量积累得以完成。 r b h a m i d i m a t r i 等的实验表明：当进水总磷浓度为2 6 3 5 9 m g l 时。人工湿地对总磷平均去除 率为9 0 l 拍1 。 1 3 2 2 植物输氧 人工湿地中植物能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 6 第一章绪论 成氧化态的微环境【2 7 1 ，这种根区有氧区域和缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼性和厌氧微生物 提供了各自适宜的小生境，使不同的微生物各得其所，发挥相辅相成的作用娜j 。d u n b a b i n 等测试了 小型湿地根区的氧浓度、p h 值及氧化能力，发现三者在有植物系统中皆高于无植物系统，即使在人 工湿地中补充碳源加大耗氧量，无植物系统中氧浓度大量下降的情况下，有植物系统根区继续保持 氧化状态1 。由于挺水植物的输氧作用，形成了氧化态的根区，有植物湿地底质中氧化一还原电位 明显地高于无植物区域底质1 3 0 ) 。同时，植物的存在有利于微生物在人工湿地纵深的扩展【3 i l ，水生 植物植株和根系的输氧作用促进了深层基质中微生物的生长和繁殖。 1 9 6 4 年， r m s t r o n g 等人1 3 2 1 开始关注植物叶茎对氧的传输作用。2 0 世纪8 0 年代，l a w s o n 2 7 1 首 次对单位长度芦苇根释放氧气的情况进行了定量描述，指出芦苇根的放氧率为4 3 9 m d 。此后，许 多研究者在不同季节和不同条件下也先后研究了大型植物根部释放氧气的情况，得出了大型植物对 氧的释放率通常在根尖最高，并随着与根尖距离的增加而减少，老根和根基几乎不释放氧气的相同 结论，但是，这些学者测定的根部放氧率存在较大差异，分别为0 0 2 9 一d 、l 2 9 m 2 d 和5 1 2 1 9 m 2 d 不等9 ”。除氧气之外，根部也可释放其他物质。在较早的研究中，德国m a x p l a n c k 研 究所的s e i d a l 博士就证实了大型植物能够从其根部释放抗生素 4 0 ”4 1 1 。 国内研究者通过实验发现，不同水生植物的人工湿地废水净化效果存在着差异，主要因为水生 植物对介质的输氧能力和穿透介质的作用与根系的发达程度相关。选择净水植物时，要选择大型种 类，它们不仅有粗壮的根系，还有许多发达的不定根，小型种类根系的发达程度无法与其比拟，输 氧能力也会有很大差异1 4 2 。有研究者计算出不同水生植物的输氧速率为：芦苇1 1 5 9 9 0 y m 2 d ，水 葵1 1 5 7 如，m 2 d ，水葱1 0 4 5 如，m 2 d 。黄昌蒲9 6 3 9 c b 砰d ，美人蕉5 0 7 9 c i 加n 2 d 1 4 ”。 1 3 2 3 大气自然复氯 对于表面流人工湿地，空气中的氧可直接向水体扩散，有关学者研究表明，依据昆明地区的大 气压与假设气温为1 5 时，可计算得每天每平方米水面的溶解氧量为0 3 6 29 0 2 m z d ，按水深3 0 c m 计算的平均溶解氧浓度为4 8 2 3 m g l 。对于潜流型的人工湿地，氧的供给将更多依靠水生植物泌氧功 能 ”1 。 1 4 人工湿地氧分布研究中存在的问题 根据中外学者对于人工湿地中氧的分布规律与传递机理的研究表明，人工湿地系统中的氧被消 耗于有机物和氦等营养物质的降解过程，对湿地的净化作用有非常重要的影响，这部分溶氧主要由 植物根系输氧和有限的大气自然复氧提供，根据根区理论，植物根部附近出现好氧、缺氧、厌氧区 域的分布，为各种微生物提供适宜的生长繁殖环境，选择根系发达的大型水生植物将大大加强植物 的输氧作用，从而改善湿地系统中的氧分布和微生物活性，有利于各项生物化学反应的进行，提高 人工湿地的除污效果。 但是现有的研究成果主要集中在根区附近的微环境溶氧分布及各项供氧、耗氧的功能研究， 而缺乏对整个床体区域性、季节性的溶氧分布情况和氧传递的机理性研究。完善的分析床层内的溶 氧分布状况将有助于揭示各种污染物的去除过程，从而为特定污染物的强化去除提供必要的理论基 7 东南大学硕士学位论文 础。对于氧传机理的研究将定性和定量的分析各供氧、耗氧过程，为人工湿地的各项研究奠定生物 学基础。 溶氧对于系统的污水处理效果具有决定性的影响，但是单纯依靠现有的溶氧水平是不能满足污 染物的好氧分解的，因此对于湿地的溶氧补充措施的研究是非常必要的。在溶氧水平较低的情况下， 湿地的单元串联运行方式、湿地出水回流措施以及床体区域性曝气等强化措旌的研究将可为我们提 供提高湿地处理效果的方法。 1 5 本文研究的主要内容和意义 本研究的主要目的是针对当前人工湿地氧分布研究中存在的问题，进一步探索系统中溶氧在床 层中的空间及时间分布规律，在此基础上分析氧分布对污染物去除效果的影响，进而提出除污的强 化措施并探索其可行性。 该项研究将城市污水处理厂初沉池出水作为研究对象，通过长时间的试验，系统研究了不同停 留时间、不同湿地结构、不同植物、不同基质的潜流型湿地中的氧分布及其季节性变化和e t 变化规 律，分析了氧分布和各类污染物去除的关系，其中重点探讨了湿地中氧的分布对氮去除的影响，在 试验研究和理论分析的基础上，探索了串联型湿地和充氧曝气、多点进水作为强化供氧措施的运行 特性和强化脱氮效果，为人工湿地强化除污措施的提出提供了理论基础和可行性分析。 本课题的创新点主要有；在已有的湿地中氧研究的基础上，更完整的提出了湿地中氧的空间性 和时间性分布规律；阐明了人工湿地氧环境的影响因素；试验研究了氧环境改善措施的的运行特性； 尝试建立了人工湿地污染物去除的需氧量模型。 8 第二章试验概况 2 1 试验装置 第二章试验概况 试验地点为南京市锁金村污水处理厂。试验装置采用七组潜流型人工湿地，其中六组为水平推 流式潜流湿地( 见图2 1 ) ，一组为垂直流潜流湿地( 见图2 2 ) 。 水平流湿地池体尺寸均为3 3 m x l o m 1 o m ，底面坡度为l ，底部和四周以水泥墙封闭，并 进行防渗处理。每个系统均分为进水段、处理段、出水段。进水口设在o 8 m 高度处，并设置有配水 区，长约0 1 5 米，宽1 米，以穿孔板与处理段分隔，以保证配水均匀。区内铺设粒径在4 0 r a m 左右 的砾石，抑制污水短流使其得到均匀分配，同时可对污水起到初步过滤作用，防止湿地内部堵塞。 处理区长约3 米，宽1 米，深度1 米，底坡1 。处理区填料由四层组成，底层为2 0 c m 厚粗糙砾石 ( 粒径4 0 6 0 m m ) ，中层为3 0 c m 厚中等砾石( 粒径2 0 4 0 m m ) ，上层为1 5 e r a 厚细小砾石( 粒径l o m m 3 0 m m ) ，表层覆土厚约2 0 c m 。出水段采用砾石集水区形式，长o 1 5 米，宽1 米，铺设粒径为4 0 m m 左右的砾石，并同样以穿孔板分隔集水区和处理区，以防止短流。出水管有三根，分别设在0 2 米、 0 4 米、0 6 米高度，以调节湿地系统中的水位。 圈2 1 推藏式潜藏人工湿地结构圈 垂直流湿地池体尺寸为3 3 m x1 o m 1 o m ，纵向分隔成等体积三部分，各池面问落差为8 厘米， 湿地进水经布水区进入第一区底部，在水压作用下，由砾石层向上流经土壤层后进入集水管，并通 过该管进入第二区底层，向上流经砾石层、土壤层后由集水管进入第三区底部，最后在第三区上层 进入集水区捧出。垂直流湿地底面坡度为2 ，其余布置同水平流湿地。 圈2 2 垂直流潜藏人工湿地结构圈 一期试验中，各潜流式人工湿地栽有不同种水生植物，主要选择根系发达，易栽培管理，生物量 9 出水管 东南大学硕士学位论文 较大，多年生水生或湿生植物。具体情况见下表2 1 。 衰2 1 一期试验人工湿地植物栽种情况 二期试验中采用串联型人工湿地，栽种植物为芦苇，同时有水平潜流型单元湿地作为对比试验 装置，同样栽种芦苇。 2 2 试验水质 湿地的试验进水来自南京锁金村污水处理厂的初沉池出水，其水质条件见表2 2 。 表2 2 人工漫埔进水水质 由表2 2 可见，经初沉池预处理过的生活污水c o d e r 值较低，平均变化幅度不大。迸水 i n 属 一般水平；t p 及n h 4 + - n 浓度值偏低，p h 值始终呈偏碱性。湿地进水有明显的色度，呈灰绿色，进 水有时非常浑浊，并带有强烈难闻气味。 试验启动阶段所用接种污泥取自该污水处理厂曝气池的活性污泥，污泥浓度m l s s 为1 4 9 1 ，污 泥沉降比s v = 3 0 ，污泥指数s v i 为2 2 0 。 2 3 试验指标及测定方法 主要测试项目包括d o 、c o d t n 、t p 、n i - 1 4 + - n 、p h 值等。测试方法均依据国家环保局编 制的水和废水监测分析方法( 第四版) 1 。 1 0 第二章试验概况 表2 3 主要蔫试项目及方法 测试项目测试方法 c o d o 重铬酸钾法 t n 过硫酸钾氧化一紫外分光光度法 n i - - h + - n 纳氏试剂光度法 n 0 3 一n分光光度法 1 1 p 过硫酸钾消解一钼锑抗分光光度法 d o 仪器法 湿度 仪器法 p h 仪器法 东南大学硕士学位论文 第三章人工湿地的氧分布规律 人工湿地作为新型水处理工艺，不同于传统生物处理方法，是一个具有复杂多相性的生态系统。 湿地中的氧分布对于有机物、氮磷的去除效果有直接的作用，同时氧的分布规律也受各类污染物降 解过程的影响。本章将对潜流型人工湿地中氧的空间和时间性变化规律进行研究，并分析这些规律 的成因，在此基础上进一步探讨湿地结构、植物及介质等因素对湿地氧分布的影响，并以此提出可 行的强化措施，提高湿地的净化效果。 本章试验采用经本组其他试验确定的最佳水力停留时问5 6 d ，湿地水位控制在6 0 c m 水深。 3 1 人工湿地中氧的空间分布 试验中，基于芦苇是最普遍的湿地选用植物，对各种污染物均具有稳定优越的去除效果，故以 芦苇湿地为研究对象。并在湿地床的上层( 1 0 e m 处) 、中层( 4 5 c m 处) 和底层( 6 5 c m 处) 设置沿 程取样点，以研究湿地的空间氧分布规律。测点布置如图3 1 所示。 1 0 e 4 5 0 r 6 5 c a o t 艮1 2 0 - 幺 圈3 1 试验取样点分布圈 图3 2 系平均气温为2 5 3 2 左右，进水溶氧平均浓度为0 8 4 m g l 左右时芦苇潜流式水平流人工湿 地的空间氧分布规律( 取样时间为上午9 时至l o 时左右) 。 由图可以看出，湿地中溶氧水平普遍较低，土壤层溶氧浓度保持在o 5 m g , q 左右，底层溶氧浓度 普遍低于0 2 5 m g l ，后部甚至在0 1 m g l 以下，这和大部分研究者认为湿地床体普遍处于厌氧状态的 观点一致。 圈3 2 人工湿地空问氧分布翘肇 1 2 第三章人工湿地氧分布规律的研究 3 a 1 人工湿地氧的垂直分布 将各层的溶氧浓度进行比较可得，上层溶氧水平高于中层，而中层高于下层。究其原因，可以 认为植物产氧是湿地床层中最重要的氧源。芦苇属于水生维管束植物，中空的根茎有利于氧的传递， 并且具有发达的根系，从而能将光合作用产生的氧气输送至根区。而植物的根系大部分集中于中上 层，故植物根系输送的氧主要补充了中上层床体。使其高于床体底层。同时在床体表层存在大气复 氧作用，补充了上部的溶氧，使湿地上层溶氧又高于中层。 8 0 7 0 美5 0 薹4 0 稍3 0 2 0 l 。 0 霾 口2 0 c r u z( 位 囫4 0 c r u z( 位 囫6 0 c r u z位 嚯曦惑虐闺 c o d t n t p 圈3 3 不同水位下湿地净化效果比较 人工湿地中各介质层氧浓度不同，这将直 接对不同运行水位下湿地的净化效果尤其是有 机物和氮的去除产生重要的影响，这一结论在 该湿地装置的前期调控试验中已得到证实，试 验证明湿地运行的最佳水位应控制在6 0 c m 水 深处，其处理效果均优于4 0 c m 和2 0 c m 水位。 图3 3 为2 0 c m 、4 0 c m 、6 0 c m 水位时人工湿地 对于c o d 、t n 、t p 的去除率。由于上层具有 较高的氧水平，其微生物附着量也大于下层， 有利于有机物的降解，同时上层孔隙率较低的 土壤能有效吸附污水中的不溶性有机物，故高 水位运行下的湿地对于有机物的去除率较高。丽上层密集的植物根系附近的微环境能保持较高的氧 浓度，保证了硝化菌的生长繁殖，使氨氮能够充分硝化，下层溶氧水平较低，大部分处于厌氧状态， 抑制了硝化反应的进行，从而在t n 的去除上高水位运行表现出很大的优势。在对磷的去除中，因 为上部土壤掺有石灰，化学反应充分，植物根系对于磷的吸收和土壤基质的截留等的协同作用使高 水位时湿地对于磷的去除率高于低水位。这一研究结果说明，在湿地中水位的控制十分重要，保持 较高的水位使污水能够充分的流经上部土壤层，将有利于湿地对各类污染物去除率的稳定和提高。 3 1 , 2 人工湿地氧的沿程分布 图3 2 中还可看出，在湿地前部，各层的溶氧均里直线下降趋势：在湿地中部，底层的溶氧仍 在下降，下降趋势较前部变缓，而上层的溶氧水平由0 4 m g l 上升至0 5 m g l 左右，中层氧浓度也略 有回升；湿地后部，底层溶氧水平非常低，下降趋势不明显，同时中上层的溶氧再次呈现明显的下 降趋势。这一规律可以通过和湿地中各类污染物降解过程相联系而加以说明。 通过试验分析了潜流型芦苇水平流湿地的沿程净化效果，如图3 4 所示。结果表明，c o d 、t p 、 t n 、n - 1 3 + n 的去除率在沿程分布上表现出的规律和沿程的氧分布有较大的关系。图中可见，在湿 地前部，有机物的去除率呈直线上升趋势，到达湿地中部时已经达到7 5 左右，在湿地中后部上升 趋势变缓，后部上升趋势十分缓慢，说明污水中有机物主要在湿地的前部和中部去除，这主要是因 为污水刚进入湿地时由水体带入氧，供氧水平较高，有机物的微生物降解速率较快，同时土壤和植 物根部吸附了大部分的不溶性有