（环境工程专业论文）二级出水回用于景观水体的研究.pdf

西南科技大学研究生学位论文第l 页 摘要 对人工湿地在城市污水回用中的可行性进行研究，试验分析了石菖蒲、 美人蕉、水芋、杜鹃、一叶兰和袖珍椰子六种植物湿地系统在不同水力停留 时间( 1 7 d ) 下对二级出水中n h ，一n 、t p 的去除效果，结果显示6 种植物湿 地系统对二级出水中的n h 。一n 、t p 的去除效果存在差异，但随着水力停留时 问的加长，各系统的总体变化趋势较为接近。各植物本身对氮、磷去除的作 用并不明显，在中水回用的设计过程中，湿地植物的选择完全可以从美学的 角度出发选择相应的适合在湿地或水体生活的植物，以增加湿地系统的景观 效应。 同时，试验研究了垂直流和表面流两种人工湿地系统在水力停留时间为 2 d 条件下，在不网季节对二级出水中t n 、t p 和粪大肠菌群的去除效果，结 果显示人工湿地应用于二级出水的深度处理，对于满足观赏性景观环境用水 ( 尤其是观赏性河道和湖泊类) 的水质指标是可行的。 在此基础上，对人工湿地的景观效应进行了研究，并结合西科大校园景 观水体的现状，运用人工湿地污水回用工艺对西科大污水处理厂二级出水回 用于校园景观水体进行了设计与分析，分析认为通过在现有水道的基础上建 设人工湿地污水回用系统，既对学校污水处理厂的出水进行了深度处理，满 足了学校景观环境用水的水质指标，又结合了校园的景观建设，同时还节省 了建设专门的污水深度处理设旌的占地和投资，具有一举多得的好处。 关键词：二级出水景观水体人工湿地 脱氮除磷粪大肠菌群 西南科技大学研究生学位论文第l | 页 a b s t r a c t a n a l y z e dt h ep r e l i m i n a r ya b o u tw a s t e w a t e rr e u s eb yc o n s t r u c t e dw e t l a n d e c o l o g ys y s t e m ，s t u d i e dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs i xc o n s t r u c t e dw e t l a n du n i t s w i t ha c o r u s g r a m i n e u s $ o l a n d , c a n n ac h i n e r e s i s w ,c a l l ap a l u s t r i s , r h o d o d e n d r o ns i m s i la s p i d i s t r ae l a t i o ra n dc h a i n a e d o r e ae l e g a n st o n h 3 - na n dt p ，t h eu n i t si n f l o ww a sf r o ms e c o n d a r ye m u e n ta n dt h eh y d r a u l i c r e s i d e n c et i m e sw e r ef r o m1t o7d a y s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r e m o v a lr a t ei sd i f f e r e n tf o rt h es i xk i n d so fp l a n t sw e t l a n ds y s t e m ，b u tt h e c o l l e c t i v i t yv a r i e t yt r e n di ne v e r ys y s t e mi ss i m i l a rw i t ht h el e n g t h e n i n go f w a t e r p o w e rd e t e n t i o nt i m e a st h e r ew a sn oa p p a r e n td i f f e r e n c eb e t w e e na n yo f t h es p e c i e so nn h 3 na n dt pr e m o v a l ，s op l a n t sc o u l d b ec h o s e no nt h e i r a e s t h e t i cm e r i t si nt h ep r o c e s so fw a s t e w a t e rr e u s ed e s i g n t h e n ，s t u d i e dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fv e r t i c a l f l o wa n ds u r f a c e f l o w c o n s t r u c t e dw e t l a n dt ot n ，t pa n df e c a lc o l i f o r mi nd i f f e r e n ts e a s o n s ，t h e c o n s t r u c t e dw e t l a n d si n f l o ww a sf r o ms e c o n d a r ye m u e n ta n dt h eh y d r a u l i c r e s i d e n c et i m e sw e r e2d a y s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ti ti sf e a s i b l et o c o n s t r u c t e dw e t l a n du s i n gi na d v a n c e dt r e a t m e n tf o rs e c o n d a r ye f f l u e n t ，i tc a n s a t i s f yw a t e rq u a l i t ys t a n d a r df o ra e s t h e t i ce n v i r o n m e n tu s e ，e s p e c i a l l y f o r a e s t h e t i cw a t e r c o u r s ea n di m p o u n d m e n t a tt h eb a s e ，r e s e a r c h e dt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sa e s t h e t i ce f f e c t ，b a s e do n t h el a n d s c a p ea c t u a l i t yo fs w u s t d e s i g n e dt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dw a s t e w a t e r r e u s et e c h n o l o g yf o rt h es e c o n d a r ye f f l u e n tr e u s i n gi nl a n d s c a p ew a t e r t h e c o n c l u s i o nc a nb eg o t t e nt h r o u g ha n a l y s i st h a tt h e r ea r em o r ea d v a n t a g e st o b u i l d i n gt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mi nc u r r e n tl a n d s c a p e ，s u c ha sa d v a n c e d t r e a t m e n tf o rs e c o n d a r ye f f l u e n t ，s a t i s f a c t i o nw a t e rq u a l i t ys t a n d a r df o ra e s t h e t i c e n v i r o n m e n tu s e ，c o n s t r u c t i n gc o l l e g el a n d s c a p e ，s a v i n gt h ef i e l da n di n v e s t m e n t t ob u i l d i n gg e n e r a la d v a n c e dt r e a t m e n te q u i p m e n t ，a n ds oo n k e yw o r d s ：s e c o n d a r ye f f l u e n t ；l a n d s c a p ew a t e r ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ： n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ：f e c a lc o l i f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得西南科技大学或其 它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了谢意。 签名：日期： 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期 西南科技大学研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1我国水资源及利用现状 我国是世界上1 3 个贫水国家之一，人均水资源占有量约为2 3 4 0 m 3 ，在世 界1 5 3 个国家中我国居第1 1 0 位。在我国6 0 0 多座城市中，约有一半缺水，其中 1 0 8 座严重缺水。北京、天津、大连等城市供水长期处于紧张状态。全国每年 因缺水影响工业产值2 3 0 0 亿元，粮食减收2 0 0 亿至3 0 0 亿公斤。随着国民经济 的发展和人口的增长，预计我国2 0 3 0 年左右将出现缺水高峰期，届时用水总 量将达到7 0 0 0 8 0 0 0 亿矿a 。 同时，在水资源的利用方面，我国还存在很多问题：( 1 ) 开发利用不平 衡；我国水资源的利用率总体上是北高南低。如地表水的利用率，海河流域、 辽河流域和淮河分别达到6 7 、6 8 和7 3 ；一些内陆地区河流利用率达1 0 0 ； 而地处南方的长江和珠江利用率只有1 6 和1 5 ；闽浙地区和西南地区河流利 用率则分别不到4 和1 。地下水的开发利用程度也与地表水类似”1 。( 2 ) 废 水排放量大，污染严重；长期以来，我国工业废水年排放量超过2 0 0 亿吨。据 2 0 0 5 年中国环境状况公报显示，全国废水排放总量5 2 4 5 亿吨( 其中，工业废 水排放量为2 4 3 1 亿吨，生活污水排放量为2 8 1 4 亿吨) ；化学需氧量排放量为 1 4 1 4 2 万吨( 其中，工业排放量为5 5 4 8 万吨，生活排放量为8 5 9 4 万吨) ；氨 氮排放量为1 4 9 8 万吨( 其中，工业排放量为5 2 5 万吨，生活排放量为9 7 3 万吨) 。当年全国工业废水排放达标率为9 1 2 ，其中，重点企业工业废水 排放达标率为9 2 8 ；非重点企业工业废水排放达标率为8 0 6 ”1 。而生活 污水2 0 0 4 年的全年处理量1 6 2 8 亿m 3 ，城市污水处理率仅为4 5 7 。截至2 0 0 5 年6 月底，全国3 1 个省( 区、市) 中还有2 9 7 个城市没有建成污水处理厂。其 中，地级以上城市6 3 个，位于重点流域、区域“十五”规划范围内的城市5 4 个“1 。( 3 ) 工农业用水利用率低，浪费严重；发达国家工业用水重复利用率 一般在7 0 以上，我国大部分地区的重复利用率则不足3 0 。在我国，农业用 水占总用水量的8 0 ，但灌溉水渗漏损失量一般为4 0 5 0 ，灌溉用水利用率 仅3 0 4 0 。( 4 ) 地下水过度开发引起地面沉降；由于地表水不足，许多城 西南科技大学研究生学位论文第2 页 市大量丌采地下水。过量开采使得地下水位下降，严重的会引起地面沉降。 目前，全国已出现5 6 个区域性的地下水位降落，总面积达8 7 万平方千米。地 下水位的下降导致我国不少沿海城市出现不同程度的海水入侵。仅环渤海湾 地区出现海水入侵的面积就达1 4 8 0 平方千米。由于地下水位的长期持续下降， 我国在东部地区已有2 0 多座城市出现了地面沉降。地面沉降造成井管倾斜、 地面开裂、管道破坏、桥梁净空减少，海水入侵则会导致地下水质恶化，土 地盐渍化等不良后果。( 5 ) 认识不足，管理落后；节水措施少、浪费严重、 水费不合理、保护不够等问题及管理滞后，客观上加剧了水资源的紧缺。据 统计，全国城市自来水管网水量损失率高达2 0 3 0 ，再加上使用中的跑、 冒、滴、漏，每年约损失1 0 亿n 1 3 的水。每年水污染对我国人民身体健康的损 害价值超过4 1 7 亿元哺1 。很显然，水资源已成为扼制我国社会进步和经济发展 的最重要问题之一。随着人口的增长和社会经济的发展，水资源紧缺这一现 象将持续发展。要缓解和解决我国水资源紧缺问题，必须深刻全面地认识我 国水资源的特点及问题实质，开源与节流并重、合理利用和有效保护相结合。 近年来，我国对水的重复利用己逐步开展。在一些水源持别紧张的城市， 水的重复利用率己达到较高水平，但总体水平还很低。如果全国工业用水的 平均重复利用率能在现有基础上提高2 0 个百分点，略低于发达国家水平，则 每天就可节水1 3 0 0 万吨，相应地节省供水工程投资2 6 亿元，节水量和经济 效益都相当可观。 1 1 2 城市污水回用的必要性 国内外实践经验证明，城市污水再生利用是解决供水需求、减轻水体污 染、改善生态环境的有效途径，是解决城市供水严重紧缺问题和走水资源可 持续利用之路的客观要求”1 。污水再生利用既可解决水污染问题，又可使污 水得到有效利用，还可缓解水资源短缺的紧张状况，减少城市排水工程的投 资与运行费用，改善生态环境，促进养殖业、农牧业的发展，提高环境质量， 减少致癌、致畸及致基因突变危害等，具有明显的经济效益、社会效益和环 境效益。 据估算，占城市供水量8 0 的水成为城市污水排入管网中，收集起来再生 处理后有7 0 可以安全回用，二者合计起来，占城市供水量一半以上的污水， 可以成为再生水( 或叫回收水，回用水、中水) 返回到城市水质要求较低的 西南科技大学研究生学位论文第3 页 用户上，替换出等量自来水，相应增加了城市一半供水量”1 。既减轻了城市 供水系统的压力，又体现了“优质优用、低质低用”的原则。 目前世界上已建成不少污水回用工程，取得了显著的成效，并积累了丰 富的经验。纳米比亚于1 9 6 8 年建起了世界上第一个合格的再生饮用水工厂， 日产水量6 2 0 0 m 3 ；美国已有3 0 0 余座城市实现了污水处理后再利用；以色列 1 9 8 7 年全国已有2 1 0 个市政污水回用工程，城市污水回用率达7 2 阻1 ；我国到 2 0 0 4 年底，全国6 6 1 个设市城市建有污水处理厂7 0 8 座，处理能力为4 9 1 2 万 m 3 d ，目前已有数十座城市建成或正在建设再生水深度处理厂，再生水利用 日趋广泛n 0 1 。 1 2 课题的意义与国内外研究现状 1 2 1二级出水回用于景观水体的意义 随着人们生活水平和人居环境质量的提高，人们对整个居住小区的外部 人文景观、绿化和自然环境的要求也越来越高。在城市绿地、公园建设和大 型标志性建筑区中，人工湖泊、人工河道及景观水池不断涌现。房地产开发 中水景住宅也成为一大热点：在目前遍布上海的千余个正在开发的住宅楼盘 中，有水景设施的就占了四分之一；即使在水资源短缺的北京，现有的8 0 0 多个住宅楼盘里，“水景住宅”仍占到了5 6 “，这足以说明水景对人们 生活的重要性：水景设置可以提高环境的品质，丰富空间环境，增强居住的 舒适感；增加居住坏境的湿度，减少浮尘，改善区内小气候；同时可以为人 们营造回归自然的氛围，带来精神上的享受“”。 从人居的角度看“水景”有许多的优点，但是随着世界城市化水平和工 业化程度的提高，水资源短缺和水污染加剧已日益严重，目前城市污水回用 已经成为解决城市缺水、提高水资源有效利用率、有效控制水体污染的一条 重要途径。因此，利用再生水补给人工景观水体也就应运而生。尤其在一些 水资源严重短缺的地方，如我国的北方地区，常年气候干燥，风沙肆虐，水 景的设置很有必要，但是考虑到当地水资源的短缺。使用再生水补给景观水 体成为一种必然。例如我国北京、天津、石家庄、郑州等地均已开始或计划 实施再生水作为城市内河景观补给水的工程，而且已经取得了一定的效果 【l3 】 西南科技大学研究生学位论文第4 页 但是，目前，大多数的污水处理厂的二级出水均直接排放到水体，不仅 对水体产生一定的影响，同时也浪费了大量的资源，因此研究如何将二级出 水回用于景观水体具有积极的现实意义和社会意义。 1 2 2 国内外研究现状 再生水回用于景观环境是满足缺水城市对于娱乐性水环境需要而发展起 来的一种再生水回用方式，到目前为止，只有少数发达国家对此做过一定的 研究，并提出相应的水质标准。可以预见，随着环境意识的提高，再生水回 用于景观水体必将拥有广阔的发展前景。 国外在再生水回用于景观水体方面的研究开始于2 0 世纪3 0 年代。1 9 3 2 年 美国在加利福尼亚州的旧金山建立了世界上最早的将出水再利用为公园湖泊 观赏用水的污水处理厂，到1 9 4 7 年为公园湖泊和景观灌溉供水己达3 8 万 m 3 d ，占公园需水量的四分之一“”。日本早在2 0 世纪6 0 年代开始尝试污水回 用，7 0 年代初具规模。回用水主要用于补充河道、浇灌绿地、冲厕、工业循 环及消防等。其中用于景观水体的约占总再生量的1 0 。日本曾在1 9 8 5 年到 1 9 9 6 年用再生水复活了1 5 0 多条河道的景观功能“”“”。 国外实旌再生水回用于景观水体的城市以美国、日本居多，还有其他的 一些国家，如澳大利亚、以色列、南非等国在城市污水回用于景观水体方面 也进行过大量的研究，有着许多成功的实例。 我国将城市污水回用景观水体的研究最早始于“七五”国家科技攻关计 划“”。此后，北京、天津、石家庄、泰安等城市相继将污水处理厂出水进一 步处理后补给干涸的景观河道、湖泊等，取得了良好的经济效益和环境效益， 对我国再生水回用于景观水体的工程实践起到了积极的示范作用。 北京是目前全国再生水产量最大的城市之一。回用于景观水体的再生水 约达3 0 万m 3 d ，将城市污水处理厂的再生水回用于景观水体后，京城的高碑 店湖、南护城河、昆玉河已经成为市民观赏和休闲之地，大大提高了北京的 整体水环境质量，改善了市民的生活环境，提升了该区的旅游价值“”。天津 的纪庄子污水处理厂，处理能力达5 4 万m 3 d ，再生水主要用于补充小区的景 观水体、浇洒道路、园林绿化、工业生产等以及补充市内的卫津河。再生水 补充小区的景观水体后为周围居民创造了良好的生活环境，受到居民和专家 一致的认可“”。 西南科技大学研究生学位论文第5 页 目前，对回用于景观水体的再生水的处理工艺一般包括二级处理和深度 处理，单独的常规二级处理和包括脱氮除磷工艺的二级强化处理远远不能达 到回用于景观水体的水质标准。尤其氮、磷指标更是与再生水回用于景观水 体要求相差很远。因此，需要在进行二级处理后增加深度处理。深度处理主 要去除常规二级处理所不能完全去除的污水中杂质，如营养型无机盐氮磷、 胶体、细菌、病毒、微量有机物、重金属以及影响回用的溶解性矿物质。目 前，我国城市污水深度处理或三级处理，已在应用的工艺有：混凝、沉淀、 过滤等常规工艺，微絮凝过滤法以及生物接触氧化后纤维球过滤，生物炭过 滤等方法。例如石家庄市桥西污水处理厂二级出水经混凝、。沉淀、过滤、消 毒深度处理后，注入市区“民心河”作为景观用水，取得了良好的社会效益 啪1 。国外深度处理方法主要有混凝澄清过滤法、活性炭吸附过滤法、超滤膜 法、半透膜法、微絮凝过滤法、接触氧化过滤法、生物快滤池法、流动床生 物氧化硝化法、离子交换、反渗透、臭氧氧化、氯吹脱、折点加氯等工艺”“。 这些工艺普遍存在着运行费用高、管理操作复杂、处理量受限制等缺点，而 膜污染又是膜过滤工艺难以逾越的障碍。 1 3 课题的研究目的与主要内容 由于大多数污水处理厂的二级出水均直接排放到水体，即对水体产生一 定的影响，也浪费了大量的资源；而现有的污水深度处理工艺又存在着运行 费用、管理操作、处理量等方面的限制，且容易产生环境的二次污染；同时， 水景建设飞速发展，景观需水量与日俱增。本课题主要针对上述存在的具体 问题，运用人工湿地工艺对二级出水进行深度处理，以满足景观水体的水质 标准，同时将人工湿地与景观建设有机的结合在一起，既对二级出水进行了 处理，又美化了环境，同时省去了一般的污水回用工艺所需要的专门设备及 其厂房占地等，达到了一举多得的目的。 针对以上研究目的，提出本课题的主要研究内容为： ( 1 ) 对现有的污水回用工艺进行分析，研究人工湿地生态系统应用于城 市污水回用的可行性； ( 2 ) 通过试验对不同植物湿地系统的净化效果进行研究； ( 3 ) 通过试验分析人工湿地对二级出水中影响景观用水的主要污染物质 西南科技大学研究生学位论文第6 页 如氮、磷、病原体等的去除效果； ( 4 ) 结合已有的试验结果，对人工湿地生态系统的景观效应进行研究； ( 5 ) 结合西科大污水厂的二级出水以及学校景观水体的现状，对人工湿 地生态系统的设计进行分析。 西南科技大学研究生学位论文第7 页 2 人工湿地在城市污水回用中的可行性 2 1人工湿地的概念、类型及其净化机理 2 1 1人工湿地的概念 湿地是由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质以及水生生物所 组成。是一个具有较高的生产力和较大活性，处于水陆交接相的复杂的生态 系统。而人工湿地则是为处理污水人为设计建造的、工程化的湿地系统，是 通过人工挖掘，增加水力负荷，并移栽植物形成的。 运用人工湿地处理污水可追朔到1 9 0 3 年，建在英国约克郡e a r b y 的被认 作世界上第一处用于处理污水的人工湿地连续运行直到1 9 9 2 年。而人工湿地 生态系统在世界各地逐渐受到重视并被运用，还是在7 0 年代德国学者k i c h u t h 提出根区法( t h er o o t z o n e m e t h o d ) 理论之后开始的。根区法理论强调高等 植物在湿地污水处理系统中的作用，首先是它们能够为其根围的异养微生物 供应氧气，从而在还原性基质中创造了一种富氧的微环境，微生物在水生植 物的根系上生长，它们就与较高级的植物建立了共生合作关系，增加废水中 污染物的降解速度。在远离根区的地方为兼氧和厌氧环境，有利于兼氧和厌 氧净化作用。另一方面，水生植物的根的生长有利于提高床基质层的水力传 导性能。 人工湿地生态统是由一些适合污染环境条件下生存的以大型水生植物为 主的高、低等生物和处于水饱和状态的基质组成的人工复合体污染生态 系统。“。相对于天然湿地来说，其生态系统的群落结构和种群结构要简单的 多，但其按照管理者意愿进行污水处理的功能却更强，可以说，这类人工湿 地生态系统的生理功能，就在各种湿地生物的共同参与下，将进入湿地系统 的污染物质一一同时也是湿地生物的营养物质，经过系统内各环节的“新陈 代谢”，进行分解、吸收、转化、利用，达到去除目的。 2 1 2 人工湿地的类型及流程 绝大多数自然和人工湿地由五部分组成：( 1 ) 具有各种透水性的基质， 西南科技大学研究生学位论文第8 页 如土壤、砂、砾石；( 2 ) 适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇； ( 3 ) 水体( 在基质表匠下或上流动的水) ；( 4 ) 无脊椎或脊椎动物：( 5 ) 好氧 或厌氧微生物种群”“。 湿地系统正是在这种有一定长宽比和底面坡度的洼地中由土壤和填料 ( 如砾石等) 混合组成填料床，废水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流 动，并在床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美 观及具有经济价值的水生植物( 如芦苇、蒲草等) 形成一个独特的动植物生态 系统，对废水进行处理。 其中湿地植物具有三个间接的重要作用：( 1 ) 显著增加微生物的附着( 植 物的根茎叶) ；( 2 ) 湿地中植物可将大气氧传输至根部，使根在好氧环境中生 长；( 3 ) 增加或稳定土壤的透水性”。 植物通气系统可通过根和根状茎向基质中输氧，因此可为根际中好氧和 兼氧微生物提供良好环境。植物的数量对土壤导水性有很大影响，芦苇的根 可松动土壤死后可留下相互连通的孔道和有机物。 而土壤、砂、砾石基质具有为植物提供物理支持，为各种复杂离子、化 合物提供反应界面，为微生物提供附着等作用。水体则为动植物、微生物提 供营养物质。 人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为：( 1 ) 浮生植物系统；( 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 应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理；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。 人工湿地按污水在其中的流动方式可分为两种类型：( 1 ) 水面式人工湿 地( 简称f w s ) ，( 2 ) 潜流型人工湿地( 简称s f s ) 乜”。f w s 系统中，废水在湿地 的土壤表层流动，水深较浅( 一般在0 1 o 6 m ) 。与s f s 系统相比，其优点是 投资省，缺点是负荷低。而s f s 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f w s 系统略高。 人工湿地的基本流态有多种，目前采用的主要有：推流式、回流式、阶梯 进水式和综合式4 种，如图2 一晰示。 西南科技大学研究生学位论文第9 页 蜮流 臣 一 a 推流式b 回流式 西雹 c 阶梯进水式d 综合式 图2 - 1人工湿地中的基本流态 f i g 2 1 b a s i cf i o wf o r e so fc o n s t r u c t e dw e t i a n d 2 1 3 人工湿地的净化机理 人工湿地对污水的处理有十分复杂的净化机理。一般认为，人工湿地生 态系统是通过物理、化学及生化反应三重协同作用净化污水眙“。其中物理作 用主要是过滤、沉积作用，污水进入湿地，经过基质层及密集的植物茎叶和 根系，可以过滤、截留污水中的悬浮物，进一步沉积在基质中；化学反应主 要指化学沉淀、吸附、离子交换、拮抗和氧化还原反应等。这些化学反应的 发生主要取决于所选择的基质类型；生化反应主要指微生物在好氧、兼氧及 厌氧状态下通过开环、断键分解成简单分子、小分子等作用，实现对污染物 的降解和去除，其中构成人工湿地的4 个基本要素都具有单独的净化污水能 力，尤其是人工湿地基质中微生物类群在人工湿地污水净化过程中起到极其 重要的作用n ”。 近年来，人工湿地净化机理的研究越来越受到人们的重视，在湿地植物 的气体代谢、微生物学、植物生理生悉、水力动力学以及酶学等领域均有研 究驯。 西南科技大学研究生学位论文第1 0 页 2 2 城市污水的主要回用方式及存在的问题 2 2 1 城市污水的主要回用方式 目前，我国城市污水深度处理或三级处理，已在应用的工艺有：混凝、 沉淀、过滤等常规工艺，微絮凝过滤法以及生物接触氧化后纤维球过滤，生 物炭过滤等方法。国外深度处理方法很多，主要有混凝澄清过滤法、活性炭 吸附过滤法、超滤膜法、半透膜法、微絮凝过滤法、接触氧化过滤法、生物 快滤池法、流动床生物氧化硝化法、离子交换、反渗透、臭氧氧化、氯吹脱、 折点加氯等工艺。 我国传统的污水回用方法归纳有如下几种：、 ( 1 ) 经二级处理后，出水直接回用。 ( 2 ) 污水经二级处理后，再经过滤供用水单位回用。 ( 3 ) 污水经二级处理后，再经混凝、沉淀、过滤后回用。 ( 4 ) 污水经二级处理后，经混合、沉淀、过滤、活性炭吸附后回用。 ( 5 ) 污水经二级处理后，改造a o 法，经混凝、沉淀、过滤后回用。 2 2 2 传统污水回用方式存在的问题和不足 我国自2 0 世纪8 0 年代以来所研究和应用的污水处理回用工艺，在一定程 度上缓解了局部地区严重缺水的问题，但也有一些不足。 2 2 2 1处理设施复杂，运行成本较高 我国传统的污水回用方式，除回用于水质要求不高的途径之外，基本上 是借鉴了我国给水处理的工艺，也就是在“污水厂+ 传统的给水厂”模式， 图2 2 是我国环保部门推荐的以污水回用为主的典型流程示意图”。 由此可以看出，要想达到污水深度处理，传统的处理设施是相当复杂的， 势必要增加基建费用和处理成本。据资料报道，深圳滨河水质净化厂建成的 污水回用示范工程，采用二级处理后，仅经过滤的工艺，其处理成本就达到 0 2 2 元m 3 ( 不包括二级生化处理) 。 西南科技大学研究生学位论文第1 1 页 图2 - 2我国以污水回用为主的典型流程图 f i g 2 - 2 c o n v e n t i o n e if i o wc h a r tf o rw a s t e w a t e rr e u 8 i n ginc h i n a 2 2 2 2 处理效果受限制 我国污水经过二级处理后，其水质与我国地面水源水质还有许多差别， 对部分污染物质的去除效果较差。 如二级出水进行传统混凝、沉淀处理后，可去除浊度7 3 8 8 ，s s 6 0 7 0 ，色度4 0 5 0 ，b o d 。3 1 7 7 ，c 2 5 4 0 ，总磷2 9 9 0 。研究表 明，混凝一过滤法去除可生物降解的有机物比不易生物降解的有机物更多， 可使二级出水的浊度由6 1 4 n t u 降至0 1 2 n t u ，总磷由1 3 2 6 m g l 降至小于 0 i m g l ，b o d 5 由7 1 3 降至l 2 5 m g l ，t o c 由1 0 1 1 降至4 2 4 ，5 m g l ，却 不能去除氨氮。 活性炭可有效地去除色度、臭味，能除去水中大多数的有机污染物和某 些无机物，包括某些有毒的重金属，但活性炭对t h m s 的去除能力较低，仅达 到2 3 6 0 。 膜分离中的最新技术一一纳米过滤，可直接除去一切病毒，细菌和寄生 虫，同时大幅度减低溶解有机物( 消毒副产物之前，它可去除9 0 9 5 的t h m ， 8 5 9 5 的硬度和大于7 0 的一价离子( 在操作压力为4 8 2 6 8 9k p a 时) ) ，但 对一价阳离子和分子量低于1 5 0 的有机物的去除率较低，对二价和高价阳离子 及分子量大于2 0 0 的有机物质只进行选择性吸收，且运行费用在0 0 8 0 1 4 美元m 3 。 回用 西南科技大学研究生学位论文第12 页 2 + 2 2 3 处理量受到限制 受传统污水回用工艺运行费用及技术经济限制，我国现有污水回用工程 处理量均较小。例如我国最大的污水处理厂高碑店污水处理厂二期污水 处理量为1 0 0 万m 3 d ，而中水回用系统处理规模仅1 万m 3 d ；天津纪庄子污水 处理厂回用工程规模为2 0 0 0 m 3 d ；青岛市谌山污水处理厂深度处理后回用规 模仅为4 8 0 m 3 d 。 2 3 人工湿地应用于污水回用中的优点 人工湿地是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面，它利 用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。 这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料( 如砾 石等) 混合组成填料床，废水可以在床体的填料缝隙中流动，或在床体的表面 流动，并在床的表面种植具有处理性能好、成活率高、抗水性能强、成长周 期长、美观及具有经济价值的水生植物( 如芦苇、茳芏等) ，形成一个独特的 生态环境，对污水进行处理。人工湿地在污水回用上具有高效率、低投资、 低运转费、低维持技术、处理量灵活、低能耗、处理效果好等优点。 2 3 1高效率 人工湿地的显著特点之一是其对有机物有较强的降解能力。二级处理后 的污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留而被 微生物利用：污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。有关人工湿地对二级污水处理厂出水试验 的研究表明，以二级污水处理厂出水作为原水的条件下，人工湿地对b o d 。的 去除率可达8 5 - - 9 5 ，c o d 去除率可达8 0 以上，处理出水中b o d 。的浓度在 5 m g l 左右，s s d , 于8 m g l 1 。 我国大多数的二级污水处理厂出水中n 、p 的含量较高，湿地对n 、p 有很 高去除率，均可达到8 0 以上。而传统的污水回用工艺对n 、p 的去除率仅能达 西南科技大学研究生学位论文第1 3 页 到2 0 一4 0 。污水中的氮、磷可直接被湿地中的植物吸收，通过对植物的收 割而从污水和湿地中去除；另外。氮还可通过湿地中微生物的硝化和反硝化 作用去除，磷则通过微生物的积累和填料床的理化作用协同完成去除。随着 处理过程的不断进行，湿地床中的微生物相应地繁殖生长，通过对湿地床填 料的定期更换最终将有机物及氮、磷从系统中去除。此外，人工湿地对微量 元素和病原体也有相当高的去除率。 深圳市环境科学研究所于1 9 9 9 年设计并建成的“洪湖人工湿地系统水质 净化工程”，经实际运行效果很好( 见表2 1 ) 。 袭2 1洪湖人工湿地系统水质净化效果 t a b i e2 - 1p u r i f i e de f f e c to fh o n g h uc o n s t r u c t e dw e t i a n d 2 3 2 低投资、低运行费、低维持技术 据国外统计，一般湿地系统在污水处理方面的投资和运行费用仅为传统 的二级污水厂的1 1 0 1 2 。对我国已建成或正在建的常规生化二级水处理厂 投资进行分析，也表明人工湿地的投资远远低于常规二级水处理设施( 见表 2 2 ) 。 在污水回用方面，由于人工湿地工艺无需曝气、投加药剂和回流污泥， 也没有剩余污泥产生，因而可大大节省运行费用，通常只消耗少量电能，用于 提高进水水位( 如果水位无需提升则无此项费用) ，处理费用一般不会超过0 0 5 元m3 ，据国外有关资料研究表明人工湿地污水回用工程处理费用在美国 约为2 5 2 5 美元1 0 0 0 n 屯。 至于维护技术，由于人工湿地基本上不需要机电设备，故维护上只是清 理渠道及管理作物，一般农民完全可以承担，只需个别专业人员定期检查。 高昂的运行费用常常是我国开展污水回用的限制条件，而人工湿地则避免了 西南科技大学研究生学位论文第1 4 页 这些缺点。 表2 2 人工湿地与其他污水处理工艺经济比较” t a b l e2 - 2e c o n o m i c a ic o m p a r eb e t w e e nc o n s t r u c t e dw e t i a n da n d o t h e rs e w a g et r e a t e dt e c h nic s 实践证明，低投资、低运行费用和低维护技术将使我国广大地区( 特别 是西部缺水地区) 采用人工湿地进行污水回用成为可能。 2 3 3 低能耗 人工湿地基本上不耗能，这是其它处理方法无法与之相比的( 表2 2 ) 。而 且其它水处理工艺的能耗不仅是经济问题，同时也是环境问题，因为耗能过 程中产生的c 0 ：、s o ：等气体，还会污染大气环境。 西南科技大学研究生学位论文第1 5 页 2 3 4 处理量灵活 人工湿地可根据污水处理厂的规模，可大可小、就地利用；另外，建设 施工方便，处理构筑物、处理设备少。 2 ，3 5 处理效果好 出水水质可以因植物池内填料的不同达到地面水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 8 8 ) i i 类至v 类标准，处理后的水可用作饮用水水源和景观用水的湖 泊、水库或河流中，亦可用作冲厕、洗车、灌溉、绿化及工业回用等。 另外，由于植物池内种植的是湿地植物，如果选择合适的植物品种可以 美化环境，改善地面景观。 2 4 人工湿地的地域可行性 中国是世界上湿地生物多样性最丰富的国家之，湿地面积约6 5 9 4 万 公顷( 其中还不包括江河、池塘等) ，占世界湿地的1 0 ，位居亚洲第一位， 世界第四位。其中天然湿地约为2 5 9 4 万公顷，包括沼泽约1 1 9 7 万公顷，天 然湖泊约9 1 0 万公顷，潮间带滩涂约2 1 7 万公顷，浅海水域2 7 0 万公顷；人 工湿地约4 0 0 0 万公顷，包括水库水面约2 0 0 万公顷，稻田约3 8 0 0 万公顷。 在湿地分布方面，从寒温带到热带、从沿海到内陆、从平原到高原山区 都有湿地存在，而且还表现为一个地区内有多种湿地类型和一种湿地类型分 布于多个地区的特点，构成了丰富多样的组合类型。 在人工湿地的应用方面，内蒙古赤峰市城市建设处在1 9 9 7 年曾对人工湿 地的适用条件进行研究得出人工湿地污水处理工艺系统完全适用于地处北纬 4 l 度，年平均气温6 ，6 - 7 2 ，极端气温达一2 9 的我国北方地区，同时该研究 对适用于我国北方的多年生可适性水生植物进行了筛选及培育”；1 9 9 6 年 1 9 9 9 年由中国、德国和奥地利的六个研究单位合作丌展的“热带和亚热带区 域水质改善、回用与水生态系统重建的生物工艺学对策研究”项目对人工湿 地在热带、亚热带地区的区域适应性进行研究，并在深圳建立了“洪湖人工 西南科技大学研究生学位论文第1 6 页 湿地系统水质净化工程”，取得较好的效果”( 见表2 1 ) 。张虎成等人对吉 林西北洮南市人工湿地污水处理系统进行研究，指出在吉林西部修建人工湿 地具有综合优势，其冬季的运行情况，可以通过修筑贮存塘进行贮存，在夏 季逐步投配、逐步消化来解决。”。 2 5 本章小结 2 5 1 与传统的污水回用工艺相比，人工湿地系统水质净化技术是一种 生态工程方法，该技术简便易行，工艺先进，运行可靠，操作简单，运行管 理费用低廉，并且不会对环境产生影响，在城市污水回用方面具有技术和经 济的可行性。 2 5 2 我国大部分地区位于热带与亚寒带之间，通过筛选和培育适合 相应环境生长的湿地作物，组合和优化湿地类型结构，人工湿地生态系统在 我国污水回用方面有广阔的地域空间。 2 5 3 该处理系统的最大缺点是相对于传统的污水回用工艺来说占地 面积较大。 西南科技大学研究生学位论文第1 7 页 3 不同植物湿地系统净化效果的试验研究 3 1 试验设计与方法 3 。1 1 试验装置 本试验在6 个大小相等的水泥池中进行，其结构见图3 - 1 所示。每池的 尺寸为：1 o m x 0 5 r e x 0 6 m ，池中底部填充直径大小约为1 c m 的砾石1 5 c m ， 上部为河沙与塘泥的混合基质1 5 c m ，河沙与塘泥的体积比为2 ：1 。 3 1 2 植物种植 图3 _ 1试验装置示意图 fig 3 1t e s t e rs k e t c hi i m d 己一己蔼面 根据四川i 绵阳的具体自然气候条件，同时考虑景观美学的特点，6 个试 验池中分别种植有石菖蒲( a c o r u sg i a m i n e u ss o l a n d ) 、美人蕉( c a n n a c h i n e r e s i s w ) 、水芋( c a l l ap a l u s t r i s ) 、杜鹃( r h o d o d e n d r o ns i m s i i ) 、 一叶兰( a s p i d i s t r ae l a t i o r ) 和袖珍椰子( c h a m a e d o r e ap j e g a n s ) ( 其 西南科技大学研究生学位论文第18 页 编号分别为l 6 # ) 。其中石菖蒲、美人蕉和水芋采自涪江沿岸沼泽中，杜 鹃、一叶兰和袖珍椰子为当地花卉市场购买。种植前，将其根部洗净。植物 的栽种时间为2 0 0 5 年2 月2 8 日。 3 1 3 试验方法 试验原水采用西科大污水处理厂的二级出水，该厂的核心工艺为三沟式 氧化沟工艺，其出水的水质指标基本上达到城市污水排放的一级标准。进水 采用水泵直接从接触池中抽取，6 个水池均为间歇运行，从上部取水，分别 监测不同水力停留时间( 1 7 d ) 情况下，各植物湿地系统对n h 。一n 、t p 的去 除效果。 n h 。- n 、t p 的检测方法分别为钠氏试剂比色法和过硫酸钾消解法”。 试验共持续4 个月( 4 月1 日7 月2 0 日) ，采用干湿交替运行，间隔一 周进水。每池各测得不同水力停留时间下的数据8 组，对其进行算术平均。 3 。2 结果与分析 3 2 1试验结果 各植物湿地系统在水力停留时间为l d 7 d 情况下，系统出水中n h ，一n 、 t p 的平均含量见表3 - 1 和表3 - 2 ，其降解变化趋势分别见图3 - 2 和图3 3 ； 在不同水力停留时间下，各系统对n h 3 一n 、t p 的平均去除效果见表3 - 3 和表 3 - 4 ，其去除效果