（环境工程专业论文）人工湿地植物筛选及其对营养型污水的净化效果研究.pdf

浙江人学硕上学位论文 摘要 近年来水体富营养化越来越严重，已经严重制约了我国经济和社会的发展。 人工湿地作为一种处理费用和基建费用低的环境友好型污水处理技术，它利用植 物土壤微生物的综合物理、化学和生物作用处理污水，其应用受到越来越多的 重视。植物在湿地系统中起关键作用，本文利用水培静态试验考查了几种湿地植 物对污水的处理效果及植物的生理生态学特性，并自行设计了复合流人工湿地小 试系统，对其处理生活污水的应用进行了初步研究，主要取得了如下结果： 1 湿地植物筛选研究，主要针对营养型污水的净化进行了试验研究。模拟 生活污水和养殖废水等以氨氮( n i - h + - n ) 为主要氮组分的富营养化污水，选择千屈 菜、水芹、水葱、黄菖蒲、石菖蒲、花叶芦竹、香菇草、荇菜为待试湿地植物， 通过水培试验研究了各植物的净化能力和生物生态学特性。结果表明：荇菜、花 叶芦竹长势不佳，出现萎焉，在后期试验中将其停用；其余植物在污水中均能正 常生长，对营养物有一定的吸收能力，对水体有明显的净化效果。水芹生长稳定， 净化效果好，在处理时间较短时尤佳。千屈菜生长快，生物量高，具有最高的氮 吸收速率和氮积累量。黄菖蒲的磷吸收速率和磷积累量最高。石菖蒲相对生长率 最低，植株内氮、磷浓度最高，净化效果较好。 在植物成熟期，当处理时间大于2 d 时，各植物对t p 的去除率均在6 0 以 上，当处理时间为8 d 时，香菇草对t p 的去除率最高( 9 3 3 5 ) ，其余植物也均 达到8 0 甚至9 0 以上。随着停留时间的增加，各植物对n h 4 + n 的去除率表现 出不同变化趋势，当处理停留时间为8 d 时，香菇草( 9 4 9 0 ) 和石莒蒲( 9 0 5 2 ) 对n h 4 + - n 的去除效果较好。而对于c o d e r 来说，当处理时间为2 d 时，有植物 系统的去除率均高于无植物系统，但当处理时间大于2 d 时，同空白对照比较， 绝大部分种类植物的存在并没有显著提高对有机物的去除能力。 2 复合流人工湿地处理生活污水的试验研究：通过模拟试验，对不同水力停 留时间( h r t ，3 、2 、l d ) 下，复合流人工湿地去除生活污水中污染物的效能进 行了研究。结果表明，c o d e r , t p ，t n ，n h 4 + - n i 均去除率均随停留时间的增加而提 高，当h i 玎= 3 d 时，各污染物的去除率分别3 8 6 7 ，7 9 8 3 ，9 3 1 3 ，9 6 2 7 。 湿地系统对t n ，n h 4 + - n 的降解主要集中在湿地结构单元的进水段水芹单元a 和 v i 浙江人学硕j 二学位论文 出水段香菇草单元d ，而对c o d e r ，t p 的去除主要集中在结构单元的前半段的水 芹单元a 和石菖蒲单元b 。该人工湿地系统对c o d 、t p 、t n 等污染物的去除率在 进水浓度较高时高于较低浓度的进水。 关键词：富营养化；湿地植物；污水处理；水力停留时间；复合流人工湿地 v i i 浙江火学硕 j 学位论义 a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o nb e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u sp r o b l e mo fw a t e re n v i r o n m e n t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y c o n s t r u c t e dw e t l a n dw a san e wd e v e l o p i n g t e c h n o l o g yu s i n gs o i l - p l a n t - m i c r o o r g a n i s ms y s t e mt ot r e a tw a s t e w a t e ra sal i t t l ec o s t t e c h n o l o g yi nb o t hc a p i t a li n v e s t m e n ta n do p e r a t i o ne n v i r o n m e n t - f r i e n d l y p l a n t s p l a y e da v i t a lr o l ei nw e t l a n ds y s t e m t h ep u r i f i c a t i o na b i l i t ya n dt h eb i o e c o l o g i c a l c h a r a c t e ro ft h et e s t e dp l a n t sw e r es t u d i e dt h r o u g hs t a t i cw a t e rc u l t u r ee x p e r i m e n t ， s m a l l - s c a l ep l o t so fh y b r i df l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n dw a se s t a b l i s h e da n dd o m e s t i c s e w a g ep u r i f i c a t i o nr e s u l t sw a ss t u d i e d t h ew o r kw a s d o n ea sf o l l o w ： 1 t h es t u d yo fp l a n ts c r e e n i n go fc o n s t r u c t e dw e t l a n d ：t h ee u t r o p h i cw a t e r sw i t h a m m o n i an i t r o g e n ( n h 4 + - n ) b e i n gt h em a i nc o m p o n e n to fn i t r o g e nw a ss t u d i e d ，e i g h t p l a n t sw e r es e l e c t e d ，s u c ha sl y t h r u ms a l i c a r i a 、o e n a n t h e j a v a n i c a 、s c i r p u sv a l i d u s 、 i n sp s e u d a c o r u s 、a c o r u st a t a r i n o w i i 、a r u n d od o n a xv a e v e r s i c o l o r 、h y d r o c o t y l e v u l g a r i s 、n y m p h o i d e sp e l t a t u m f , a n dt h ep u r i f i c a t i o na b i l i t ya n dt h eb i o e c o l o g i c a l c h a r a c t e ro ft h e mw e r es t u d i e dt h r o u g hw a t e rc u l t u r ee x p e r i m e n t i tw a sf o u n dt h a t m o s to fp l a n t sc o u l dl i v en o r m a l l yi nw a s t e w a t e ra n dt h e r ew a sa p p a r e n tp u r i f i c a t i o n f o rw a s t e w a t e r , b u ta r a n dn yw i t h e r e dd u r i n gt h e i rg r o w t h ，s ot h a tt h e yw e r en o t u s e di nt h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t o e c o u l dg r o ws t a b l y , a n dh a dab e t t e re f f e c t e s p e c i a l l yi ns h o r t e rt r e a t m e n tt i m e z y g r e wq u i c k l ya n dh a dh i g h e rb i o m a s s ，h a dt h e h i g h e s tn i t r o g e nu p t a k ea n dn i t r o g e ns t o r a g e r h a dt h eh i g h e s tp h o s p h o r u su p t a k e a n dp h o s p h o r u ss t o r a g e a c h a dt h el o w e s tr g r ，w h i l eh a dt h eh i g h e s tn u t r i e n t c o n c e n t r a t i o na n db e s te f f e c t i nt h ep l a n tm a t u r a t i o np e r i o d 。w h e nt r e a t m e n tt i m ew a sm o r et h a n2 d ，a l o n g w i t ht h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft pe x c e e d i n g6 0 ，w h i l ea b o v e8 0 e v e n9 0 a t8 d ， n yh a dt h eh i g h e s tr e m o v a le f f i c i e n c yf o rt p ( 9 3 3 5 ) w i t ht h ei n c r e a s i n go f t r e a t m e n tt i m e ，p l a n t ss y s t e m sh a dd i f f e r e n te f f i c i e n c i c ef o rn i - i a + - nr e m o v a l b y a n d a c h a dt h eb e t t e rr e m o v a le f f i c i e n c yf o rn h 4 + - na t8 d ，9 4 9 0 a n d9 0 5 2 r e s p e c t i v e l y b u tf o rc o d e r , t h er e m o v a le f f i c i e n c yi np l a n t ss y s t e mw a sh i g h e rt h a n v l i l 浙江人学硕f j 学位论文 t h en o n p l a n t ss y s t e ma t2 d w h e nt r e a t m e n tt i m ew a sn o r et h a n2 d ，t h e r ew a sn o s i g n i f i c a n c ei n c r e a s eo fc o d c rr e m o v a le f f i c i e n c yb yp l a n t 2 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fh y b r i df l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d st r e a t i n gd o m e s t i c s e w a g e ：n l er e s e a r c hi n v e s t i g a t e dt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o d e r , t p ，t na n d n h 4 + - nf r o md o m e s t i cs e w a g eu n d e rd i f f e r e n th y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ，3 ，2 a n dld ) i nt h es t i m u l a t e dh y b r i df l o ww e t l a n d s n l em a i nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c r , t p t na n dn i q 4 + - ni n c r e a s e dw i t ht h ee x t e n d i n go f h r t w h e nh i 盯w a s3d a y s c o d e r , t p , t na n dn h 4 + - nd e c r e a s e d3 8 6 7 ， 7 9 8 3 ，9 3 1 3 a n d9 6 2 7 ，r e s p e c t i v e l y i nt h ew e t l a n ds y s t e m ，t h er e d u c t i o no f t n a n dn h 4 + - nm a i n l yc e n t r a l i z e di nt h es e c t o raa n ddo fh y b r i df l o ww e t l a n ds y s t e m ， w h i l et h er e m o v a lo fc o d e ra n dt pw e r ei nt h es e c t o raa n db t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft h i ss t i m u l a t e dw e t l a n dw a sb e t t e ri n t h ew a s t e w a t e rw i t l lh i g h e r p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n st h a nl o w e r c o n c e n t r a t i o n s k e y w o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ；w e t l a n dp l a n t s ；w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ( h r t ) ；h y b r i df l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d s 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 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谢意。 学位论文作者签名：初守髫 签字同期：加g 年易月g 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝垄盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 褫导辇 导师签名： 签字日期：岫睥b 月8同 签字r 期：年月 r i v 致谢 谨在此感谢在我两年硕士生涯中给予帮助的老师、同学、朋友及家人。 衷心感谢田光明导师在试验和论文写作中给予作者的关怀和指导。导师虚怀 若谷的胸襟，严谨的治学态度，求真务实的研究作风，不断激励和鞭策着我的学 习和生活。两年来，导师在我的学习和生活中给予了无微不至的关怀，并教我做 人的道理，谨此之际，对导师的无私教诲和精心培养表示最衷心的感谢和最诚挚 的敬意。 借此机会感谢王侃老师对我学习、生活上的指导和帮助；感谢本系张志剑老 师在试验过程中给予了宝贵建议和帮助。感谢在浙江大学学习期间院系各位老师 给予的关心和支持。 感谢赵国智师兄、潘丹丹师姐、刘俊稚师姐、何苗苗师姐对我学习、生活的 关心，在我失意的时候鼓励我帮助我；感谢臧玲、彭桂群师姐、李灵香玉师弟、 周玉飞师妹等在试验中的帮助和在学习中的陪伴，使求学之路充满温馨。 感谢张杏青、赵红梅、顾银飞、朱妙军、刘平、陈杰，杨建军等同学一起渡 过这两年的硕士生涯，它将成为我人生中的美好回忆。感谢我的好友张瑶玲、夏 文良，你们是我一生的财富。 最后感谢我的男友给我的支持和关爱，是我完成学业的强大后盾；感谢家人 对我无微不至的关怀和爱护，他们是我前进的动力。感谢所有关心我和帮助过我 的人们，感谢给我快乐和幸福的人们。 二00 八年五月于浙大华家池 v 浙江大学硕f 二学位论文 第一部分绪论 1 水体富营养化及治理 水是生命之源，是一切生物生存与繁衍的物质基础，与人类生活和工农业生 产息息相关。近年来，水体富营养化越来越严重，已成为当今世界面临的最严重 的水污染问题之一。富营养化是由于人类活动的影响下，为生物所需的氮、磷营 养物质的富集，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧量下降，鱼类及 其它生物大量死亡、水质恶化的现象 湖泊富营养化危害突出表现在如下两个方面1 2 1 ： ( 1 ) 加剧水资源短缺，制约社会经济发展 我国人均拥有水资源量远低于国际平均水平，淡水湖泊是我国工农业生产和 人民生活的重要资源，湖泊富营养化带来的水质性缺水将进一步加剧我国水资源 供需矛盾，与湖泊相关的工业、农业、渔业、航运业、旅游业和景观娱乐活动等 将受到严重影响，城市或区域的总体形象也大打折扣。严重富营养化的湖泊如不 及时治理，将逐渐演化成为沼泽和陆地，对区域生态环境和社会经济持续发展造 成更加广泛和深刻的危害。 ( 2 ) 饮水安全风险增大，制水成本提高，人民健康受到威胁 淡水湖泊是我国城市( 镇) 、区域的重要饮水水源，湖泊富营养化给饮水水质 的安全净化提出了严峻的挑战。在我国现有的技术和经济条件下，含有大量污染 物( 包括c o d 、b o d 等常规污染指标和氮、磷t ；z 及蓝藻和藻毒素等富营养化水体 特有污染指标) 的湖泊原水其安全处理难度极大，原水的预处理和深度净化工艺 复杂，制水成本大幅度增加，藻毒素和加氯消毒的副产物存在严重的健康风险。 1 1 水体富营养化的污染源 导致水体富营养化的污染源分为外源性污染和内源性污染。外源性的氮磷有 面源污染和点源污染：面源污染主要来源于农业，点源污染主要来源于工业废水 和生活污水。内源性负荷有底泥氮、磷释放等。 浙江人学硕。i ：学位论文 ( 1 ) 农业面源污染 农田超量施肥，施用的氮、磷极易在降雨或灌溉时产生流失，氮、磷及其无 机盐类可随地表径流进入地面水或下渗，通过地表侧向运动排入湖泊中，这是导 致地表水富营养化的直接原因。 而饲养业中排出的畜禽粪便也是水体氮磷的重要来源，目前许多分散性的畜 禽养殖场污水基本上是未经任何处理直接排放的，有些畜牧业发达和集约化禽畜 养殖地区，虽然有污水处理设施，但由于成本等问题经常处于非运行状态。畜、 禽排泄物中含有大量的营养物质，这些排泄物极易随地表径流、表面流流入江、 河、湖而污染水体f 3 1 ；此外，还有渔业投喂的各种肥料和饲料，也是水体氮、磷 主要的污染来源1 4 1 。我国是一个农业大国，农业面源污染对水体富营养化的影 响较大，已成为水体富营养化的主要污染源之一【5 i 。 ( 2 ) 工业废水和城乡生活污水 工业废水尤其是化工、印染、制药、造纸、食品加工和钢铁等工业废水中含 有一定的氮、磷，当这些工业废水不经处理或处理不充分而直接排入江河等水体 中，都导致大量氮、磷营养物进入水体进而在水体中累积，造成严重污染。 人们日常生活中产生大量生活污水，人类排泄物、合成洗涤剂都含大量的磷， 城市污水处理厂的二级出水中氮磷含量仍较高，往往远超出地面水水质标准，而 村镇生活污水大多未经处理直接排入河道。因此生活污水已逐渐成为水体富营养 化的最大污染源6 1 。 ( 3 ) 大气沉降 工业化大都市的迅速崛起，使得工业燃烧的烟灰颗粒随着气层的凝固于大气 层中，这些有害尘粒随着大气干湿沉降进入水体；农业系统中因施肥造成的氨氮 等的挥发逸出也是大气沉降氮素的一个重要来源。 ( 4 ) 底泥氮磷释放 底泥是江河湖库的沉积物，是湖泊主要污染内源，也是污染物的蓄积库。来 自各种途径的氮、磷通过颗粒吸附、沉淀、水生生物死亡沉积等方式存于底泥中。 当湖泊环境发生变化时( 入湖营养盐负荷量减少或完全截污时) ，氮、磷从底泥 中释放出来，为水生生物的生长提供必要营养元素，进而引起水体富营养化p j 。 浙江人学硕： ：学位论文 1 2 水体富营养化的治理措施 1 2 1 控源 “控源”就是针对湖泊污染外源( 包括点源和面源) 和内源( 污染底泥、湖内养 殖、湖面旅游等) ，采用管理措施及治理工程来削减或清除污染负荷以满足湖泊 环境容量的要求。 ( 1 ) 控制外源营养物质输入 就地进行污水处理是控制点源污染的重要措施，包括下水道系统建设，在没 有下水道设施的地方建立小规模的污水处理厂，或修建如化粪池、地下土壤渗滤 处理系统等，也可采用稳定塘或湿地处理系统等。随着外源污染中的点源污染氮、 磷排放的逐步达标，面源污染成为水体富营养化研究与治理的重点与难点，这涉 及农村分散性排放的养殖废水和生活污水的处理处置对策和农田径流所造成的 营养盐流失、迁移和转化机理等方面的研究。 ( 2 ) 减少内源性营养物质负荷 减少内源性营养物负荷，有效地控制湖泊内部磷富集，应视不同情况，采用 不同的方法。其中最主要的方法有：物理方法和化学方法。物理修复是借助工程 技术措施，清除底泥污染的一种方法，主要有疏浚、填沙、营养盐钝化、底层曝 气、稀释冲刷、调节湖水氮磷比、覆盖底部沉积物及絮凝沉降等一系列措施；其 中疏浚是最常见的方法。物理修复最大的优点是见效比较快。但这些技术往往也 只能治标而不治本。 化学方法主要从两个方面进行的，一方面用化学的手段最大限度的控制水体 中的主要营养盐类的浓度，例如针对水体营养盐的过剩，向水体加人石灰进行脱 氮；投加高价的金属盐类以沉淀水体中的磷，使其暂时退出生物地球化学循环等。 另一方面主要针对过量浮游藻类的控制，例如加入化学药剂进行杀藻。化学方法 的暂时效果最为明显，但又十分容易造成水体的二次污染，且使用成本比较高， 容易再次爆发水华现象，也是一种治标不治本的方法，常常作为一种辅助技术或 应急控制技术。 浙江人学硕f ：学位论文 1 2 2 修复 最近几年进行的水体生态恢复技术研究是富营养化过程控制技术的一个崭 新领域，它是将生态工程学原理应用于受损或退化水生生态系统结构的重建或组 建于系统功能的恢复上，目前处于一种探索性实践阶段，如放养控藻型生物；构 建人工湿地和水生植被等。 ( 1 ) 以藻控藻和藻类生物资源化利用技术 林秋奇报道了利用水网藻治理水体富营养化可行性研究7 1 。陈汉辉在水源水 质净化方面也进行了类似的研究工作18 i ，阐明了以水网藻为代表较大型藻生长状 况与富营养化水体中氮、磷形态及其含量之间的关系。指示了利用水网藻对富营 养化水体净化潜力。由于浮游植物是初级生产力的主体，它与其它水生高等植物 相比，藻类最适宜在富营养化水环境中生长。所以此方法有较好的前景。但也要 注意及时把过剩的藻类生物量进行人工回收，注意其它藻类存在及其数量对它的 影响等因素。 ( 2 ) 利用大型水生植物控制水体富营养化 大型水生植物对湖泊外源营养物质的吸收净化作用和内源营养物质的净化 及克藻效应等。大型水生植物包括凤眼莲、芦苇、加拿大海罗地、多穗尾藻、 丽藻、破铜钱等许多种类，可根据不同的气候条件和污染物的性质进行适宜的选 栽。水生植物净化水体的特点是以大型水生植物为主体，植物和根际微生物共生， 产生协同效应，净化污水。经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作 用除去氮、磷和悬浮颗粒，同时对重金属分子也有降解效果。水生植物一般生长 快，收割后经处理可作为燃料、饲料，或经发酵产生沼气。这是目前国内外治理 湖泊水体富营养化的重要措施。 2 人工湿地污水处理技术 2 1 概述 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是指依据土地处理系统及水生植物处理污 4 浙江入学硕i ：学位论文 水的原理，由人工建立的具有湿地性质的污水处理生态系统。有关人工湿地 的定义有很多，美国著名的湿地研究、设计与管理学家h a m m e r i q l 等人对人工湿 地的定义是：一个为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造 的饱和基质、植物、微生物和水体组成的复合体。简单地说就是模拟天然湿地的 结构和功能，在一定地理位置，根据人们需要进行人为设计与建造的湿地。人工 湿地有很多叫法，除了“c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ”，还包括“m a l l m a d e ”，“e n g i n e e r e d ” 或者“a r t i f i c i a l ”w e t l a n d s 等等，不过，c o n s t r u c t e dw e t l a n d s 得到研究者的普遍认 可。 人工湿地污水处理技术是以人工湿地( 床和塘系统) 处理为主的包括前处理 和后处理的污水处理工艺。人工湿地污水处理技术应用范围很广，如生活污水的 处理f m i ，农业污水处理j ，工业污水处理1 1 2 l ，畜禽废水处理f 1 3 1 4 1 ，矿区重金属 污水处理，垃圾渗滤液处理，城市暴雨径流处理旧，出水一般都优于常规 二级处理效果。人工湿地可做高级处理，如进一步净化常规污水处理厂的出水， 以补充淡水资源，以及用于大面积富营养化的湖泊水处理1 1 8 i ，控制面源污染1 1 9 1 和用于自然资源的保护f 2 0 1 。 2 2 人工湿地的组成 人工湿地主要由五部分组成：水，基质，水生植物，水生动物及其微生物群 落。 ( 1 ) 水体。水是湿地得以存在的前提和保障，也是水生植物和动物生存的必 须条件。水文周期和水中营养物质含量变化均会对湿地生态产生重大影响。 ( 2 ) 基质。基质又称填料、滤料，由土壤、细沙、粗砂、砾石、沸石、碎瓦 片或灰渣等构成。基质在为植物和微生物提供生长介质的同时，也能够通过沉淀、 过滤和吸附等作用直接去除污染物。自由表面流湿地多以自然土壤为基质，潜流 湿地的基质的选择因特征污染物的不同而不同，同时也会考虑便于取材经济、适 用等因素。一般来说，水平潜流和垂直流人工湿地以s s 、c o d 和b o d 为去除目 标时，根据水力停留时间、占地面积和出水水质等限制性因素，可以选用土壤、 细砂，粗砂、砾石或灰渣中的一种或几种为基质。以除p 为目的的人工湿地最好 选择飞灰或页岩为基质，其次是铝矾土、石灰石和膨润土。填料的选择对p 的去 浙江人学硕i ：学位论文 除有很大影响。 ( 3 ) 水生植物。水生植物，特别是挺水植物是人工湿地系统的重要组成部分， 它一方面可以直接吸收取出水中的污染物质，另一方面可以通过改善微生物的生 存条件，促进其对水体污染物质的分解。植物选择恰当与否，将直接关系到人工 湿地的处理效果。 ( 4 ) 微生物。植物根区微生物是湿地降解污染物的主要力量，特别是对有机污 染物的降解，它们能把有机质作为丰富的能源转化为营养物质和能量，也是湿地 净化污水的主要机制。硝化反硝化菌在氮的去除中起着重要作用。聚磷菌对磷的 去除也起了一定的作用。不同的湿地系统其好氧和厌氧微生物的分布和种群特征 不同，其对污水污染物的净化功能也不同。 ( 5 ) 无脊椎或脊椎动物。如大量的土壤动物、鱼类等。 2 3 人工湿地的类型 人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为：( 1 ) 浮水植物( f r e ef l o a t i n gp l a n t s ) 系统；( 2 ) 挺水植物( e m e r g e n tp l a n t s ) 系统；( 3 ) 沉水植物( s u b m e r g e dp l a n t s ) 系统。 沉水植物系统还处于实验室阶段，其主要应用领域为初级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。目前一般所指的 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 流系统和潜流系统。 ( 1 ) 浮水植物人工湿地 使用较多的植物种类是凤眼莲、浮萍、大漂、水花生、满江红等。在通过吸 收移走养分的能力方面，凤眼莲这类漂浮植物被普遍认为好于挺水植物。一般用 于城镇污水的二级或三级处理、某些工业废水、暴雨径流、受污染天然水。设计 简单，但工艺优化的研究较少，应用受到制约。 ( 2 ) 挺水植物人工湿地 代表植物种类是芦苇、香蒲、灯心草等。挺水植物人工湿地有许多形式，根 据水体流动方式，主要分为表面流人工湿地和潜流人工湿地。 ( 3 ) 沉水植物人工湿地 植物体完全沉于水气界面以下，根扎于底泥或漂浮于水中。沉水植物的嫩枝 浙江人学硕f ：学位论文 可以直接吸收水中的无机物。因操作和实施难度较大，对废水处理的研究和应用 还处于实验室阶段。 在设计和实际应用中，人工湿地按污水在湿地床中的不同流动方式可以分为 两大类：表面流人工湿地和潜流人工湿地。潜流人工湿地又可分为水平流人工湿 地和垂直流人工湿地。 ( 1 ) 表面流人工湿地 表面流湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s f w ) ，又叫自由水面流湿地( f r e ew a t e r s u r f a c e ) 。在表面流湿地系统中，污水在湿地的土壤表层流动，水深较浅，多在 0 1 0 6 m 之间，这种系统与自然系统最为接近。污水中的有机物去除主要依靠 生长在植物水下部分的茎、杆上的微生物完成，难以利用填料表面和植物根系微 生物对污染物的降解作用。其优点是投资小、操作简单，缺点是负荷小，占地面 积大，且受气候影响大，冬季在北方地区表面会结冰，夏季有蚊虫孳生及散发臭 味等问题。 ( 2 ) 潜流人工湿地 潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s s f w ) ，在床体中填充一些填料( 如 砾石、煤渣等) ，污水在湿地床的表面下流动，一方面可以充分利用填料截留、 过滤等作用，充分利用植物根系周围的生物膜，对b o d ，c o d 和重金属等的去 除效果好；另一方面，由于水流在地表以下流动，处理效果受气候影响较小，占 地相对较小，而且卫生条件好，是目前研究和应用较多的一种湿地处理系统，但 存在湿地溶解氧不足，脱氮效率不高等问题。 按水流方式又可细分为水平流( h o r i z o n t a lf l o w ) 和垂直流( v e r t i c a lf l o w ) 。 水平潜流人工湿地的缺点是系统内氧含量较低，湿地植物的输氧能力是非常有限 的，因此硝化作用受到限制，从而影响氮的去除。垂直流人工湿地的水流流态综 合了表面流和水平潜流人工湿地的特点，污水从湿地表面流入，水流在填料床中 基本上呈自上而下的垂直流，水流经床体后被铺设在底部的集水管收集而排出湿 地系统。污水从湿地表面流入床体，将大气中的氧带入到湿地填料层中，因此， 与水平潜流人工湿地相比，垂直潜流人工湿地对污水具有较高的好氧处理能力。 但人工湿地处理系统中的高氧含量虽然提高了系统的硝化能力，但也降低了系统 的反硝化能力，从而使得系统中的硝态氮的浓度增高，使整个系统对总氮的去除 浙江大学硕i ：学位论文 受到影响。目前，为了达到较好的处理效果，都采用两种或两种以上类型相结合 的污水处理方式。 2 4 人工湿地中污染物去除机理 2 4 1 氮的去除与转化机理 进入人工湿地的污水中氮一般以有机氮和无机氮( n h 4 + n 、n 0 3 - n ) 两种 形式存在。其中，有机氮可以在异氧微生物的作用下转化为氨( n i - 1 3 ) ，即氨化 作用。无机氮的去除机制包括氨的挥发、硝化反硝化作用、植物和其它生物的吸 收、基质的吸附等。氨氮挥发需要在系统p h 大于8 0 的情况下发生，潜流湿地 中p h 值一般在7 8 之间，故通过挥发损失的氨氮可以忽略不计弘。基质吸附主 要是对氨氮而言，但这个过程是可逆的，不能被认为是长期去除氨氮的稳定归宿。 而且通常使用的填料( 砾石、碎石等) 是惰性的，但采用某些特殊填料如沸石， 则有比较好的氨氮吸附效果。废水中的氨氮既可以作为植物生长不可缺少的物质 被植物直接吸收，合成植物蛋白与有机氮，再通过植物收割从湿地系统中去除。 图1 1 为湿地中氮的迁移转化1 2 2 1 。 o r g - n n h 4 + - n n 0 3 - n 图1 1 湿地中氮的迁移转化模型示意图 f i g 1 1n i t r o g e np r o c e s s i n gm o d e ls c h e m a t i cd i a g r a m 2 4 1 1 微生物的硝化反硝化对氮的去除 通过硝化和反硝化作用实现生物脱氮是湿地去除氮的主要途径。硝化是氨态 浙江火学硕卜学位论文 氮通过亚硝化细菌和硝化细菌将其氧化成硝酸盐的过程，这是一个好氧反应过 程。湿地通过大气复氧、进水中的溶解氧以及植物根系输氧等形式在湿地床体内 形成许多好氧微区域，在这些微区域的硝酸细菌将氨氮转化成硝态氮，降低了溶 液中的氨氮浓度，使得土壤溶液中高浓度的氨氮和好氧微区域中低浓度的氨氮之 间形成浓度梯度，氨氮可以持续地扩散到好氧微区域进行硝化作用1 2 3 1 。 在此过程中湿地中的溶解氧d o 是反应的一个关键条件。有研究表明f ：引，对 于1 0 m g 。l 。1 的氨氮，当系统中溶解氧大于4 3 m g - l 1 时，硝化过程才能顺利 进行。另外，影响硝化过程的因素有温度、p h 值、水的碱度、无机碳源、湿度、 微生物种群及氨氮的浓度。有研究表明【：知，硝化作用进行的最佳p h 值为6 6 8 o 。在硝化过程中需要消耗大量的碱度，l m g 氨氮被氧化大约需要消耗 8 6 4 m g h c 0 3 1 2 引。 湿地中硝化速率一般在o 0 l 一2 1 5 9nm 之d ，平均值为0 0 4 8gn m 之d - 1 1 2 翻。 反硝化过程是一个厌氧分解过程。在硝酸盐存在的厌氧环境下，细菌利用硝 酸盐而不是氧作为电子受体，而且需要有足够的碳源作为细菌能量的来源。最终 氮被还原为有机氮化合物，成为菌体的组分，此过程为同化反硝化；或最终被还 原为氮气，此过程为异化反硝化。反硝化反应在湿地环境中发生的条件有：n 0 3 。 的存在，厌氧的环境，适宜的温度和p h 值以及足够的碳源。其中，温度对反硝 化作用的影响要比其它的废水生物处理过程要大些。对反硝化作用而言，最适宜 的运行温度是2 0 4 0 c 。低于1 5 时，反硝化速率明显下降，而在5 c 以下时， 反硝化过程虽然能进行，但速率极低。温度对反硝化作用的影响主要是由于低温 时，反硝化菌的生长速率极低，同时菌体的代谢速率也较低，从而降低反硝化速 率。反硝化作用最适宜的p h 范围是7 0 8 0 。在p h 值为7 5 时，反硝化作用的 速率最高， - 3p h 9 0 时，反硝化速率迅速下降。当p h 4 时，反硝化作 用几乎停止。 湿地中反硝化速率变化较大，0 0 0 3 1 0 2 9 nm 2 d - i 【”1 。 王晓娟等人1 2 8 1 对表面流和潜流人工湿地中不同填料层微生物硝化和反硝化 强度进行对比研究，研究结果表明，表面流湿地氨氮的去除率高于芦苇潜流湿地 的3 0 4 0 ，潜流湿地土壤反硝化强度高于表面流湿地。何连生等人俐对人工 湿地氮转化和氧供应的关系进行分析，认为按照全程硝化化学计量学得到的硝化 9 浙江人学硕l - q 2 位论义 需氧量州o d ) 高于实际的表面复氧和植物根系放氧量，故在高浓度有机质存在条 件下，需对其它能减少对氧需求的新型脱氮机制进行研究和探讨 冯爱坤等人p o l 从短程硝化反硝化机理入手，分析了潜流人工湿地实现短程 硝化的可能性和可行性。短程硝化反硝化能在亚硝化菌的作用下，把氨氮氧化 成n 0 2 。，然后直接进行反硝化，这不但可以节省2 5 的氧，还节省了4 0 在反硝 化阶段投加的碳源( 以c h 3 0 h 计) 1 3 1 1 潜流湿地非根系区常处缺氧状态，而这 部分溶解氧只能满足短程硝化的需要，通过控制潜流型湿地系统的d o ，有机负 荷以及投加一些抑制剂( 高盐和游离氨f l e ea m m o n i a 对硝酸菌生长有抑制作用， 而对亚硝酸菌的抑制作用却很少) 和接种利用专性短程硝化优势菌种等方法促 进湿地的短程硝化反硝化，从而达到高效、经济、节能的目的。 2 4 1 2 水生植物对氮去除的影响 植物是人工湿地的重要组成部分，在系统中起关键作用，主要表现在植物根 系向基质中释放氧气，植物根系固定植物床，改变水力传导能力，创造生物共生 条件，根系分泌物杀灭病原菌以及植物的景观美学作用等方面f l 。植物对氮去 除的影响表现在两个方面，植物对氮素的直接吸收和植物对氮去除的间接影响。 水生植物的重要功能之一，就是通过植物茎杆的传输作用，从上部将空气中 的氧向下输送到根部，从而在根区形成好氧环境，以利于好氧微生物对有机质的 分解。同时附近的微生物通过代谢，消耗了水体中的d o ，使之出现缺氧环境， 有利于系统的反硝化，从而最大限度地去除污水中的氮1 3 3 l 。植物根系可为微生 物提供栖息地。有研究将硝化菌、反硝化菌的数量与植物系统的相关性作了观察， 发现有植物系统的细菌数量略高于无植物系统，虽无很大差异，但说明植物的存 在有利于硝化菌的产生。其机理可能是植物根系为微生物的生长提供了附着位点 1 3 4 1 。不同植物的选择对氮去除也有一定影响，植物种类的不同主要在于不同的 生长速率及向根部输送氧气的能力进而影响到污染物去除的能力，此外不同植物 根系分布和生物量差异不同，对植物的净化效果也不同。 另外水生植物自身也能吸收一部分氮素，研究发现，不同的水生植物对营养 物质的吸收能力是不同的。徐德福i 邙l 等人考查了1 1 种湿地植物对氮、磷的吸收能 力，结果表明，氮和磷的吸收主要受湿地植物生物量的影响，美人蕉、菩提子， 风眼莲和芦苇对氮、磷都有较好的吸收能力，这1 1 种湿地植物对氮、磷的吸收量 浙江人学颁j j 学位论文 分别是2 5 2 9 9 1 2 7 9 9 8m g p l a n t 和2 3 5 5 2 5 1 8 3m g p l a n t ，对氨、磷去除率分 另0 是1 0 9 1 5 9 3 2 和5 0 1 3 8 7 2 6 。 研究表明，植物吸收在轻度污染水净化中作用较明显，而在重度污染水净化 中只占较小部分。在通过吸收移走养分的能力方面，挺水植物被普遍认为不如水 葫芦这类漂浮植物。以n 为例，挺水植物能吸收2 0 0 2 5 0 0 k gn h a - 1 年一；漂浮 植物则呈现较大的吸收量，约2 0 0 0k g n h a - 1 。年d ；而沉水植物较低，仅为7 0 0 k g n h a l 年。1 f 3 6 3 刀。 蒋跃平1 3 8 1 等人研究了处理观赏用轻度富营养化水的人工湿地中植物的生长 特性和氮磷去除作用，研究发现，在处理轻度富营养化水的人工湿地中，植物吸 收对氮、磷的去除起着主要作用一一贡献率分别为4 6 8 和5 1 0 ，所选用的2 1 种植物中，有1 7 种植物在人工湿地中生长良好，稳定生长1 0 5d 以后，其平均总 生物量在1 5 5 1 3 1 7g m 之间，除了鸭跖草的地上地下生物量比( a 加) 为2 0 5 外， 其余都在1 1 8 4 2 9 之间。植物的氮磷积累量与浓度及生物量之间均存在显著相 关。因此通过收割植物可以彻底地从湿地中去除一部分被植物所吸收的营养元 素，其余营养元素则留在水下或根部作为新生长出植物的营养，重复收割可以加 快营养物从湿地去除，但频繁收割可能会使根部营养缺乏，使正常生长受破坏 1 3 0 ，而且存在收割植物后续处理及收割成本问题。但也有研究表明1 4 0 j ，湿地基 质中有机质积累具有很高的引起阻塞的可能，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( 例如促进表面流动) ，最终也影响到湿地的处 理效果和运行寿命，而湿地中有机质的来源主要是污水和植物，定期收割植物和 去除植物枯落物对减少有机质积累和维护水力传导有正面作用，以保证湿地的长 期运作能力。 2 4 1 3 其它因素的影响 ( 1 ) 进水水质 进水水质是影响人工湿地t n 去除效率的重要因素之一，在低负荷条件下， 有机负荷越高，t n 去除率就越大，即进水中有机物的浓度高有利于t n 的去除。 龚琴红等人4 1 i 的研究也证明：垂直流湿地水力负荷为0 1 4 1m 3 ( i l l 2 d ) 一时，总氮 去除效率与有机污染负荷呈正相关。 ( 2 ) 水流流态 浙江火学硕i ：学位论义 湿地水流流态对n h 4 + - n 的去除有一定影响。季俊杰等人f 4 2 】采用波式潜流人 工湿地( w s f c w ) 处理化粪池出水，对n h 4 + - n 的去除率达5 2 1 ，优于传统的 二级生物处理工艺。首先，w s f c w 内部结构使湿地中水流呈波形流动，多次经 过土壤层、砾石层，相当于一系列串联的土壤床一一砾石床，使水中的n h 4 + - n 被土壤充分吸附，有利于土