（环境工程专业论文）人工湿地修复西南地区小城镇微污染水源补给水研究.pdf

中文摘要 摘要 目前 我国约有1 5 万个小城镇水污染突出 约7 8 的城镇河段不宜作为饮用 水源 村镇地区农药化肥和废水排放的不断增加 面源污染的不断加重 严重威 胁水源水的水质 迫切需要采取切实有效的治理措施 保护饮用水水源地 常用 的水环境物理 化学修复技术价格昂贵 后续问题较多 近年来 人工湿地由于 具有低投资 低成本运行 良好的处理效果和显著的生态效益等优点 成为水体 修复的重要技术 应用人工湿地修复受污染水体的研究有1 0 余年 但针对微污染河水的修复研 究还尚显缺乏 尤其是针对山地小城镇微污染水体的修复 本文针对工程设计要 素 依据生态多样性理论 构建潜流人工湿地修复微污染水源补给水 对系统的 运行效能及影响因素 湿地填料的吸附特性 湿地植物生物量及其氮磷吸收能力 氮磷在湿地系统中的去除途径等方面进行了研究分析 研究结果表明 潜流人工湿地对微污染水源补给水具有较强的净化能力 各 项出水指标均达到 地表水环境质量标准 m 级标准的相关要求 某些指标可达 到i i 级标准 原水中较高的d 0 浓度足以满足湿地系统处理污染物所需氧量 污染 物的去除率与耗氧率呈明显的正相关关系 温度变化对湿地净化微污染水体产生 一定的影响 相比湿地脱氮 湿地除磷受温度的影响较小 暖季和寒季湿地系统 各污染物去除率随着停留时间延长不断增大 垂直流的流态有利于提高湿地系统 的净化效能 随着湿地长宽比的减小 污染物沉积和附着性能逐渐提高 有利于 提高氮素污染物的去除效果 湿地植物在污染物去除过程中的作用明显 植物收 割对湿地净化效果有一定影响 建筑废渣及废砖填料有利于提高湿地系统中污染 物的去除效果 从湿地填料的吸附特性看 2 5 时 卵石 废砖及碎石三种填料对氮 磷的 吸附能力近似 废砖对氮 磷的吸附能力最强 碎石次之 卵石最后 但卵石和 碎石的差距不大 在低浓度时 三种填料会发生氮 磷的解吸过程 填料对氮磷 的解吸不具有选择性 对氮磷的吸附与氮磷初始液浓度呈明显正相关 填料对氮 磷的吸附都会受到温度的正影响 随着温度的升高三种填料对氮的吸附增量要远 远大于对磷的吸附增量 通过对已运行人工湿地中卵石 废砖和碎石三种填料各 种形态磷的连续分级浸提测定 结果表明 c a m g p 所占比例最高 其次是f e a 1 p p l a b i l e p 所占比例较小 h u m i c p 最小 填料对各形态磷的吸附填料成分有一定的 关系 但不呈正相关 湿地中填料对氨氮的作用均表现为吸附 湿地中层填料对 氨氮的吸附明显强于上层和下层 各磷形态的分布特征则表现为 p l a b i l e p 的吸附 重庆大学硕士学位论文 主要集中在卵石层的前部 废砖和碎石层的中后部 废砖和碎石层的前部伴有 p l a b i l e p 的解吸 f e a 1 p 的吸附主要发生在卵石层的前端和废砖层 解吸主要发 生在碎石层的后端 h u m i c p 的吸附特点为吸附伴有解吸 且吸磷和释磷相当 吸附和解吸遍布湿地的前 中 后和上 中 下 c a m g p 的吸附主要发生在卵石 层的中部和废砖的中部 后部 没有明显的解吸 表层土壤对磷的吸附截留作用 主要集中为c a m g p 湿地植物中 空心菜地上部分生物量明显优于菖蒲 但菖蒲地下生物量发达 根系深达湿地底部 移栽前后植物各器官氮磷含量发生明显变化 均为移栽前大 于移栽后 移栽后的空心菜茎 叶含氮 磷量与美人蕉 菖蒲相比具有很大优势 其根系含氮 磷量与菖蒲相比略小 各器官对磷的优势小于对氮的优势 通过对典型湿地脱氮除磷途径分析发现 影响处理微污染水体的水平潜流湿 地脱氮的主要途径是植物吸收 影响处理微污染水体的水平潜流湿地除磷的主要 途径是填料吸附 关键词 小城镇 微污染水源水 潜流人工湿地 氮磷去除途径 英文摘要 a b s t r a c t a tp r e s e n t a b o u t15 0 0 0o fc h i n a ss m a l lt o w n sh a v es e v e r ep r o b l e m so fw a t e r p o l l u t i o n a b o u t7 8 o ft h eu r b a nr i v e rs h o u l dn o tb eas o u r c eo fd r i n k i n gw a t e r t h e r e w i l lb eas e r i o u st h r e a tt ow a t e rq u a l i t yo fm o u n t a i nr e g i o n sw i t l l i n c r e a s i n g o f p e s t i c i d e s c h e m i c a lf e r t i l i z e r sa n dw a s t e w a t e rd i s c h a r g e i ti sa nu r g e n tn e e dt ot a k e e f f e c t i v ec o n t r o lm e a s u r e st op r o t e c td r i n k i n gw a t e rs o u r c e s f r e q u e n t l y u s e dw a t e rr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yl i k ep h y s i c a la n dc h e m i c a lm e t h o d s r e q u i r e sh i 曲c a p i t a lc o s ta n dc a u s e sm a n ys u b s e q u e n tp r o b l e m s i nr e c e n ty e a r s c o n s t r u c t e dw e t l a n d s 缎ar e s u l to fl o wi n v e s t m e n t l o w c o s t o p e r a t i o n g o o d p e r f o r m a n c ea n dd e a lw i t hs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e ss u c h 嬲e c o e f f i c i e n c yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tw a t e r r e s t o r a t i o nt e c h n o l o g y t h e r es h o u l db em o r et h a n10y e a r st or e s e a r c ht h er e s t o r a t i o no fp o l l u t e dw a t e r w i t ht h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d i t ss t i l ll a c ko fs t u d i e so nr e s t o r a t i o no fm i c r o p o l l u t e d w a t e r e s p e c i a l l yi ns m a l lm o u n t a i nt o w n s i nt h i sp a p e r m u l t i o b j e c t i v ea n dm u l t i f l o w s u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d s f c w w e r eb u i l tt or e s t o r em i c r o p o l l u t e d w a t e rs u p p l i e so fp u r i f i e dw a t e r b a s e do ne l e m e n t so fe n g i n e e r i n gd e s i g na n dt h e o r i e s o fb i o l o g i c a l d i v e r s i t y m a n yr e s e a r c h e sw e r ep e r f o r m e dt oi n d e p t ha n dd e t a i l e d a n a l y z et h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u b s t r a t e t h ep l a n tp e r f o r m a n c ea n di m p a c to f o p e r a t i o n a lf a c t o r s n i t r o g e na n dp h o s p h o r u su p t a k eb yp l a n ta n di t sc o n t r i b u t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n do nt h e m i c r o p o l l u t e dw a t e rs u p p l i e so fp u r i f i e dw a t e rh a sas t r o n ga b i l i t yt om e e tt h ew a t e r t a r g e t s i n d i c a t o r so ft h ew a t e rr e a c h e dt h e s u r f a c ew r a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y s t a n d a r d s t a n d a r dr e q u i r e m e n t s s o m ei n d i c a t o r sc a nb ea c h i e v e di is t a n d a r d r e q u i r e m e n t s d u et ot h er e l a t i v e l yh i g hd oi nm i c r o p o l l u t e dw a t e r d of r o mt h e s o u r c ew a t e rs h o u l dm e e tt h en e e d so fd oi nt h ew e t l a n dt r e a t m e n ts y s t e m t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o n t a m i n a n t si nt h ew e t l a n ds y s t e ms h o w e dp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h e o x y g e nu p t a k er a t e t h eg r a d i e n to ft e m p e r a t u r es h o w e dap o t e n t i a li m p a c to nt h e r e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ew e t l a n ds y s t e m h o w e v e r t h eg r a d i e n to fr e m o v a le f f i c i e n to r l p h o s p h o r u sb yt e m p e r a t u r ew a sn o to b v i o u sc o m p a r e dt ot h a to fn i t r o g e n t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e a n dt h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t si nv e r t i c a lf l o ww e t l a n ds y s t e mw a sp e r f o r m e dm u c h m o r es t a b l eo p e r a t i o nm o d e w i t ht h ed e c r e a s eo fl wr a t i o 1 0 n g i t u d e w i d e i l l s e d i m e n t a t i o na n da d s o r p t i o nf e a t u r e so ft h ec o n t a m i n a n t si n c r e a s e d a n da ni n c r e a s eo f n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sa l s od e t e c t e d t h er e m o v a lo nc o n t a m i n a n t sb yt h e w e t l a n dp l a n tw a ss i g n i f i c a n t 1 1 1 eh a r v e s to fp l a n ts h o w e dan e g a t i v ee f f e c to nt h e r e m o v a lo nc o n t a m i n a n t si nt h es y s t e m s o l i dw a s t e sf r o mt h ec o n s t r u c t i o nh a da p o s i t i v ee f f e c to nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo nc o n t a m i n a n t s i n2 5 t h ef i t t e da d s o r p t i o nc u r v e so fp e b b l e s b r i c k sa n dg r a v e l so nt h en i t r o g e n a n dp h o s p h o r u ss h o w e dn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e h o w e v e r a st ot h ec a p a c i t yo ft h e s e3 a d s o r b e n t s b r i c k sp e r f o r m e dt h eb e s ta d s o r p t i o na m o n gt h et h r e ew h i l en os i g n i f i c a n t d i f f e r e n c ec o u l db ef o u n di np e b b l e sa n dg r a v e l s a l t h o u g ht h eg r a v e lp e r f o r m e das l i g h t b e t t e ra d s o r p t i o nc a p a c i t yc o m p a r e dt op e b b l e s i nt h el o wc o n c e n t r a t i o nr a n g e a l lt h e t h r e em a t e r i a l ss h o w e dad e s o r p t i o nf e a t u r e so nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s h o w e v e r n o s e l e c t i o no ft h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u si ns o l u t i o nw a sd e t e c t e d a n dap o s i t i v e r e m a r k a b l ec o r r e l a t i o nw a ss h o w nb e t w e e nt h ea d s o r p t i o na n dt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o n o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u so na l lt h et h r e em a t e r i a l s t e m p e r a t u r es h o w e d as i g n i f i c a n t e f f e c to nt h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h et h r e em a t e r i a l s i n c r e a s e di nt e m p e r a t u r e s h o u l da l s oi n c r e a s et h ea d s o r p t i o nc a p a c i t y b u tt h ei n c r e a s eo fg r a d i e n to ft h e a d s o r p t i o na m o n gt h e3m a t e r i a lo nn i t r o g e ns h o w e dac o n s i d e r a b l eh i g h e rt h a nt h a to f p h o s p h o r u s a nk i n d so fp h o s p h o r o u sw h i c h i se x t r a c t e df r o mg r a v e l s w a s t eb r i c k sa n d r u b b l e sc a nb es h o wt h a th u m i c pt a k e ss m a l l e s tp a r t e v e nd e s o r p t i o n s oi sp l a b i l e p b u tc a m g pi sb i g g e s tp a r ti nt o t a lp h o s p h o r o b s t h e nt h ef e a l p t h e r ei sr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec o n t e n to fs u b s t r a t ea n di t sa d s o r p t i o no fp h o s p h r o u s t h ee f f e c to ft h ew e t l a n dp a c k i n gt oa m m o n i a n i t r o g e ni sa b s o r p t i o n a n dt h e a b s o r p t i o nr a t eo fm i d d l el a y e ri ss t r o n g e rt h a nu p p e ra n du n d e rl a y e r 功ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o r m so fp h o s p h o r u si nt h ew e t l a n dp a c k i n gs h o w st h a t t h e a b s o r p t i o no fp l a b i l e pm a i n l ye x i s ti nt h ec e n t r a lo ft h eg r a v e la n dt h ea n t e r i o ra n d p o s t e r i o ro fw a s t eb r i c ka n dr u b b e r a n da c c o m p a n i e d w i t ht h ed e s o r p t i o no fp l a b i l e pi n t h e l a t t e r n l ea b s o r p t i o no ff e a 1 一pm a i n l ya p p e a r si na n t e r i o ro fg r a v e la n dw a s t eb r i c k a n dt h ed e s o r p t i o ne x h i b i t si np o s t e r i o ro fr u b b l e t h ea b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f h u m i c pa r et h a ti tn o to n l ya c c o m p a n i e sw i t hd e s o r p t i o n t h er a t e so fa b s o r p t i o na n d d e s o r p t i o na r ee q u a l a n de x i s ti nt h ef r o n t m i d d l e r e a rp a r t a sw e l la si nt h eu p p e r m e d i a n u n d e rl a y e r t h ea b s o r p t i o no fc a m g pm a i n l ya p p e a r s i nc e n t r a lo fg r a v e la n d a n t e r i o ra n dp o s t e r i o ro fw a s t eb r i c k a n dt h e r ei sn os i g n i f i c a n td e s o r p t i o n h la l lp l a n t so fw e t l a n d sb i o m a s so ft h eu p p e rp a r to fi p o m o e aa q u a t i c ai sm o r e t h a na c o r n sc a l a m u s b u to nt h ec o n t r a r y t h eb i o m a s so fa c o r u sc a l a m u sr o o tw h i c h i v 英文摘要 r e a c h e st h eb o t t o mo fc wi sm o r et h a ni p o m o e aa q u a t i c a n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n a l lk i n d so r g a n so fp l a n t sh a v er e d u c e da f t e r p l a n t e d c o m p a r e dn i t r o g e na n d p h o s p h o r u si ns t e mo fa c o r u sc a l a m u sa n dc a n n ag e n e r a l i s i p o m o e aa q u a t i c ah a sm o r e b u tl e s si nt h er o o t a d v a n t a g e so fp h o s p h o r u si nv a r i o u so r g a n si sl e s st h a nn i t r o g e n t h e t o p s o i li nw e t l a n d sh a ss t r o n g e rc a p a b i l i t ro ft r a p p i n gc a m g p t h o u g ha n a l y z i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lp a t h w a y si nc l a s s i cc w s i ti s p l a n tt h a t i st h em a i np a t h w a yt or e m o v en i t r o g e nf r o ms f c wi n r e s t o r i n g m i c r o p o l l u t e dw a t e r b u tf o rp h o s p h o r u s s u b s t r a t ei s k e y w o r d s s m a l lt o w n m i c r o p o l l u t e d s o u r c ew a t e r s f c w n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lp a t h w a y s v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的 亟一士学位论文 厶王湿丝堡复酉直丝匡丛 撼鱼邀违鎏 丞逦主i 给丞硒塞 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己经发表 或撰写过的研究成果 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文 导师签名 签字日期 7 r 泌 签字日期 7 如 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留 使用学位论文的规定 本人完全同意 中 国博士学位论文全文数据库 中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程 以 下简称 章程 愿意将本人的硕士学位论文 人工湿地修复西南地区小 城镇微污染丞源补给水研究 提交中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 c n k i 在 中国博士学位论文全文数据库 中国优秀硕士学位论文全文数据库 以及 重庆大学博硕学位论文全文数据库 中全文发表 中国博士学位论文全文数 据库 中国优秀硕士学位论文全文数据库 可以以电子 网络及其他数字媒体 形式公开出版 并同意编入c n k i 中国知识资源总库 在 中国博硕士学位论 文评价数据库 中使用和在互联网上传播 同意按 章程 规定享受相关权益和 承担相应义务 本人授权重庆大学可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公开论文的全部或部分内容 作者签名 备注 审核通过的涉密论文不得签署 授 该论文属于涉密论文 其密级是垒珏一 涉密期限至 年一月一日 说明 本声明及授权书生逝装订在提交的学位论文最后一页 学位论文使用授权书 本入完全同意 中国博士学位论文全文数据库 中国优秀硕士学位论文全 文数据库出版章程 以下简称 章程 愿意将本人的且士学位论文 厶三 湿垫丝复酉直地匡型 撼焦丝洹鎏盔退主i 给丞婴塞 提交中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 c n k i 在 中国博士学位论文全文数据库 中国优秀硕士学位论 文全文数据库 以及 重庆大学博硕学位论文全文数据库 中全文发表 中国 博士学位论文全文数据库 中国优秀硕士学位论文全文数据库 可以以电子 网络及其他数字媒体形式公开出版 并同意编入c n k i 中国知识资源总库 在 中国博硕士学位论文评价数据库 中使用和在互联网上传播 同意按 章程 规定享受 作者签名 务 导师签名葛匦望 2 0 0 9 年5 月2 2 日 论文题目 厶王湿丝丝复亘直丝匡型 撼焦邀透鎏丛逐主 给盔婴塞 论文级别 博士口硕士囱所属学院 城市建设与环境工程学院 毕业院校 重庆大学毕业年月 2 0 0 9 年0 6 月 作者联系电话 1 3 6 3 7 9 7 1 8 1 0 作者通信地址 邮编 重庆市万州区五桥百安坝纵二路中段重庆三峡研究院 作者em a i l p a n d a li i 2 6 c o m 一 一 研究生学号 2 0 0 6 1 7 0 2 1 0 7 备注 本人承诺该学位论文不涉密 否则后果自负 说明 本授权书皇亟一式三份 由学校研究生管理部门 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社和作者本人各保存一份 1 绪论 1绪论 近年来 随着我国社会经济快速发展 水体污染物排放量逐年增加 城乡饮 用水水源地普遍受到不同程度的污染 且有加剧之势 严重威胁着人民的生命健 康 保障饮用水安全已成为我国亟待解决的重大社会问题 饮用水安全问题受到党中央 国务院的高度重视 胡锦涛总书记曾多次做出 重要批示 指出 一定要把切实保护好饮用水源 让群众喝上放心水作为首要任 务 国务院总理温家宝在政府工作报告中明确提出要 加强对城乡污染源的监控 保护饮用水源地 保障群众饮水安全 我国小城镇大多以中小型河流 湖库等地表水作为饮用水水源 因城镇工业 废水 农村生活污水 生活垃圾 畜禽养殖废物排放 农药化肥面源污染 至 2 0 0 5 年 已造成约1 5 万个小城镇水污染突出 1 万多个小城镇严重缺水 全国 约7 8 的城镇河段不宜作为饮用水源 城镇饮用水水源污染严重 此外 小城镇 大多缺乏应急备用水源 频繁发生的有毒有害污染物泄漏事故 小城镇饮用水安 全风险严峻 推进城镇化 建设社会主义新农村是我国 十一五 期间的一项重要 任务 可以预见小城镇建设将步入一个充满活力的全新时期 小城镇水源水质保 护面临更为严峻的挑战 本研究以保障饮用水水源水质为目标 针对西南地区小城镇地表饮用水源特 征 从污染物拦截净化出发 通过构建河道生态湿地系统 有效治理微污染的水 源补给水 确保出水水质达到 地表水环境质量标准 级标准的要求 为人工 湿地修复西南地区山地小城镇微污染水提供重要的工程设计和运行依据 1 1 小城镇饮用水源现状及生态修复 1 1 1 我国小城镇饮用水源现状 十五 期间 我国城镇化进程步入一个新的历史阶段 小城镇规模迅速扩大 聚集效应日益凸显 据水利部 卫生部和国家发展改革委2 0 0 5 年组织专家进行 的现状调查结果显示 到2 0 0 4 年底 全国还有3 2 3 亿农村人口饮水不安全 占 农村人口的3 4 3 2 3 亿饮水不安全人口中 各类饮水水质不安全的有2 2 7 亿 人 水量不足 取水不方便及供水保证率低的近9 6 0 0 万人 2 2 7 亿水质不安全 人口中 饮用水氟砷含量超标的有5 3 7 0 万人 饮用苦咸水的有3 8 5 0 万人 饮用 水中铁锰等超标的有4 4 1 0 万人 地表或地下饮用水源被严重污染的涉及9 0 8 0 万人 在2 0 0 5 年水利部重要饮用水源地安全态势调研报告中 对全国1 0 7 3 个地表 重庆大学硕士学位论文 水饮用水水源地进行的常规水质评价结果表明 合格水源地比例仅7 5 3 被污 染的水源地中 水质为 类的水源地占n 8 v 类的占4 5 劣v 类的占8 4 并明确全国水源地以氨氮 化学需氧量和高锰酸盐指数等耗氧有机污染为主 水 源地污染与污染物排放 面源污染等有密切关系 1 1 2 城镇水源补给水污染对水源水的影响 我国村镇地区的饮用水大多就近取自当地的自然水体 地表水或地下水 缺乏相应的保护措施 据统计 目前6 0 以上的县城关镇 8 0 以上的小城镇 9 0 以上村庄没有有效的污水处理设施 污水直接排入周围的水源水补给水系 污染了水源补给水 而水源水随着补给水的补给也受到一定程度的污染 目前 全国约7 8 的城镇河段不宜作为饮用水源 随着村镇地区农药化肥施用量和污废 水排放量的不断增大 河道补给水污染将进一步加剧 严重威胁了水源水的水质 安全 1 1 3 河流补给水的污染特征 河道的水体污染特征与河流这一载体自身的特征有密切的关系 其主要表现 在以下几个方面 l 污染物进入河流先呈带状分布 然后随着逐渐扩散 混合 直到一定距离后达到全断面均匀混合 2 河流的自净能力较强 3 污染相对容 易控制 4 污染程度随径流量变化 5 污染物的扩散速度快 6 污染影响大 上述6 种特征决定了河流中的污染物不仅在河流中污染范围大 而且影响也广 河流污染物不仅对下游有影响 而且还影响着与其关联的湖泊 水库和地下水 使鱼类和其他水生生物不能生存 河流污染可直接通过生态系统的生物链进行富 集 使微量的有毒有害污染物影响人体健康 l 西南地区由于地形起伏较大 土 壤表面冲刷过程剧烈 面源污染成为该地区河流补给水的重要污染源 尤其是农 村小城镇 1 1 4 微污染水源处理技术状况 目前 微污染水源的治理技术主要包括水环境修复技术和生物净水技术两大 类 水环境修复技术主要分为物理方法 化学方法和生物一生态方法 而生物净 水技术主要包括生物预处理技术 弹性填料生物接触氧化技术 颗粒填料生物接 触氧化技术等等 l 其中水环境修复技术常用的物理方法有 冲刷 稀释 曝 气复氧 机械除藻 疏浚底泥 化学方法有 化学沉淀法 钝化法 酸碱中和 化学除藻等 生物一生态法有 构建人工湿地 植被群落恢复 生物操控等 其中物理和化学方法成熟 常见 应用历史相对较长 但运行成 本高 管理复杂 生物一生态水体修复技术 包括人工湿地技术 是当前水环境 修复技术的研究热点 2 j 人工湿地不仅具有去除污染物 净化水质的功能 在维护区域生态平衡 保 2 l 绪论 护区域生态安全中也起到了重要作用 3 j 湿地净化受污染水体研究是国际湿地科 学与受污染水体整治研究前沿领域的热点之一 4 j 受到国内外学术界高度重视 国外受污染水体生态治理多采用恢复与重建水体的自然属性 恢复与重建水体自 身的自净功能 使水体生态环境得到修复p 湿地在面源污染控制 河流和湖泊 水环境保护中的作用仍是其它技术措施不可替代的 水环境保护成效显著的流域 都是以流域湿地生态系统发育良好 湿地功能作用发挥正常为特征 1 2 人工湿地概述 1 2 1 人工湿地的定义及分类 湿地 w e t l a n d 是分布于陆生生态系统和水生生态系统之间具有独特水文 土 壤 植被和生物特征的生态系统 6 1 目前 最广为接受的是湿地公约 r a m s a r 中 的定义 湿地系指天然的或人工的 长久或暂时性的沼泽地 泥炭地或水域地带 带有或静止或流动 或为淡水 半咸水 咸水水体者 包括低潮时水深不超过 6 m 的海域p j 湿地在调节气候 涵养水源 蓄洪防旱 控制土壤侵蚀 促淤造陆 净化环 境 维持生物多样性和生态平衡等方面具有十分重要的作用 有 自然之肾 的美 称 引 人工湿地是根据天然湿地净化污水的原理 通过人工建造和监督控制来强化 其净化能力的污水处理技术 9 1 0 1 在设计和建造人工湿地过程中 可以在进出水 方式 填料及植物等方面进行选择和搭配 来优化人工湿地生态系统中的物理 化学和生物作用 通过三个方面的协同作用来去除污水中的污染物 使水质得到 净化 1 1 1 2 13 1 根据植物的存在状态 人工湿地主要可划分为浮水植物人工湿地 浮叶植物 人工湿地 挺水植物人工湿地和沉水植物人工湿地 具体见图1 1 1 2 2 人工湿地污染去除机理 人工湿地可通过水体 填料 水生植物 微生物和腐殖化碎屑之间一系列复 杂的物理 化学和生化反应 通过沉淀 过滤 吸附 离子交换 植物吸收和微 生物分解 转化及吸收途径实现对水中诸如悬浮物 有机物 营养元素 金属离 子 病原体和难降解有机物等污染物的去除 悬浮固体 在f w s 系统和s s f 系统中 悬浮固体的去除都是在湿地的进e l5 1 0 m 内完 成 主要通过物理过程去除 如沉淀和过滤作用 过滤主要发生在悬浮固体与基 质 植物根系和茎部的碰撞过程中 因此悬浮固体去除率的高低主要决定于污水 与植物和填料的接触程度 重庆大学硕士学位论文 人工湿地 浮水植物人工湿地il 浮叶植物人工湿地 i 挺水植物人工湿地li 沉水植物人工湿地 表面流人工湿地il 潜流人工湿地 竺嚣竺凯1 j应 由 一h 乖直潜流人工湿地ll 水平潜流人工湿地 j 1 1 1 图1 1 人工湿地具体分类表 f i 9 1 1c a t e g o r i e so f t h ew a t l a n d 复合流人工湿地 有机物 水中可生物降解颗粒性有机物通常在系统中沉淀或过滤后分解为溶解性有 机物 溶解性有机物首先传质到附着在植物茎部和根区 填料表面的生物膜上 依据溶解氧浓度不同 再通过好氧 缺氧和厌氧途径降解 氮素 湿地进水中的氮主要以有机氮和氨氮的形式存在 氮的去除主要通过微生物 的氨化 硝化和反硝化途径去除 植物的吸收与收割只有在低负荷人工湿地系统 中才对脱氮起重要的作用 惰性氮则可永久性存贮在碎屑的惰性组分中 当p h 值高于9 时 水中的氨氮向大气中挥发 磷素 与脱氮相似 植物的吸收与收割只有在低负荷人工湿地系统中对除磷才起重 要的作用 虽然微生物对磷也有吸收 但死亡后又释放出来 对除磷意义不大 主要的除磷途径是填料对磷的吸附和磷与f e 3 a 1 3 c a 2 和m 9 2 等金属离子发 生的化学沉淀作用 金属离子 金属离子的去除途径主要有 植物的吸收和生物富集作用 填料的吸附沉淀 作用和金属离子与s 2 形成硫化物沉淀 难降解有机物 与传统污水处理工艺相比 湿地处理系统能更有效地去除难降解有机物 这 与湿地中存在种类繁多 数量巨大的微生物群落直接相关 研究表明水生植物的 代谢作用和直接吸收作用对去除难降解有机物也有相当的作用 因此 湿地系统 可有效地处理多种工业废水 1 4 1 4 l 绪论 细菌 出水中细菌和寄生虫卵的含量是一项重要的卫生学指标 湿地对细菌和寄生 虫卵的去除机理有 根系分泌物对病原体的灭活作用 在不利条件下的死亡 填 料层的沉淀和过滤作用 其中 水力负荷和水力停留时间对沉淀和过滤作用影响 较大 1 2 3 人工湿地污染物去除影响因素 系统设计因子 在人工湿地处理系统的设计因子中 污染物的去除效果除了与其构造形式关 系紧密之外 还受到如下设计因子的影响 1 水生植物的种类与搭配 人工湿地系统可选用的水生植物种类很多 目前 学者对人工湿地处理系统 中水生植物的研究都是基于特定的条件的 究竟何种植物最优尚无法定论 但所 选择的湿地植物通常应具有下列特性 根系发达 并具有较好的向根系传递氧 的能力 能忍受较大范围内的含盐量 温度和p h 值 适合在当地生长 最 好是本地的原产植物 被证实对污染物有较好的去除效果 有一定的美学或 经济价值 目前得到国内外广泛认同并使用的植物有芦苇 香蒲 水葱和蕉草等 在选择湿地植物时 植物的多样性和适应性的问题应引起重视 基于优胜劣 汰的生态学原理 并不提倡在人工湿地中种植单一植物 每种水生植物的成活率 与气候 运行和虫害等因素相关 因此为了防止由于上述原因造成单一植物的死 亡 推荐采用混合种植的方式 通过自然选择决定人工湿地生态系统中水生植物 的种类与结构 2 填料的选择与搭配 人工湿地的填料除了为水生植物和微生物的生长提供载体外 对污水处理也 起到重要的作用 当污水流经人工湿地时 基质通过一些物理和化学的途径 如 吸收 吸附 过滤 离子交换 络合反应等 来净化污水中的n p 等营养物 水力传导性是选择湿地基质时需要考虑的一个主要因素 水力传导性发生变 化会影响湿地系统的水力停留时间 填料的选择对除磷效果有很大的影响 有研 究表明 以除磷为目的的人工湿地最好选择粉煤灰 页岩或钢渣为填料 其次是 铝矾土 石灰石和膨润土 沸石和油性页岩对磷的吸附能力较差 然而沸石能够 高效的去除氨氮 并可生物再生 能长期保持吸附氨氮能力 l j l 系统设计参数 1 水力停留时间 对人工湿地处理系统而言 水力停留时间 h r t 可能是最重要的设计参数 在处理水量和湿地深度确定时 h r t 越长 湿地的面积越大 人工湿地去除污 重庆大学硕士学位论文 染物的能量驱动主要来自太阳能 湿地的面积越大 系统获得的能量流就越多 处理效果越好 这也是湿地占地面积较大的原因 1 6 2 污染物负荷率 通常情况下 人工湿地中污染物的去除速率与其负荷率呈正相关 即 系统 污染物负荷率越高 其去除速率也高 直至达到系统最大去除速掣1 7 3 系统环境因子 1 温度 温度对微生物的生化反应速率和水生植物的生长有显著的影响 如在4 0 c 氨氮的硝化基本停滞 k a d l e e 借用a r r h e n i u s 方程描述了温度对人工湿地的影响 其中b o d s s t p 和f c 的温度修正常数0 1 t n 的e 1 0 5 即当温度从2 0 降至1 0 系统t n 去除速率将下降3 9 t 1 0 1 2 p h 值 人工湿地中的许多生化反应都会受到p h 值的影响 与污水处理相关的微生 物的适宜p h 值范围是4 9 5 其中 硝化菌的适宜p h 值大于7 2 反硝化菌的 适宜p h 值范围是6 5 7 5 湿地中植物的生长 死亡和分解所产生的有机物质是 天然酸度的主要来源 因此人工湿地的出水一般偏酸性 但当选用石灰石或钢渣 作为潜流湿地的基质时 出水p h 值往往偏高 1 8 1 3 国内外人工湿地的研究现状 目前 世界各国都投入了大量精力以改良人工湿地技术 将一些传统污水处 理技术引入人工湿地 如北美湿地工程公司借鉴污泥回流技术和鼓风曝气开发了 循环流湿地工艺和通风强化床工艺 l9 1 这些工艺目前已被成功应用于数年前还 被认为不适宜采用人工湿地处理污水的地区 太冷或污水浓度太高 2 们 在德国科 隆莱茵河故道体闲湖泊已经建立了复合垂直流人工湿地污水处理系统 有效地净 化湖水 在德国 2 1 波恩 奥地利维也纳 2 2 等地也成功应用于农村和市政污水处 理 人工湿地已成为了全球性的水污染控制工艺 我国在 七五 期间就开始人工湿地的研究 2 3 现在全国已经有多处人工湿地 污水处理系统 随着湿地的运行 问题也不断出现 首例采用人工湿地处理污水 的研究工作始于1 9 8 8 1 9 9 0 年在北京昌平进行的自由水面流人工湿地 1 9 9 0 年 国家环保局华南环科所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建立实验基地 占地 8