人工濕地降解污染河水的試驗(yàn)效果研究論文

華中師范大學(xué) 碩士學(xué)位論文 人工濕地降解污染河水的試驗(yàn)效果研究 姓名：劉濤 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：生物化學(xué)與分子生物學(xué) 指導(dǎo)教師：熊麗;楊揚(yáng) 20060501 A b s t r a c t C o n s t r u c t e dW e t l a n d s ( C W ) i sd e f i n e da saw e t l a n d ss p e c i a l l yc o n s t r u c t e df o rt h e p u r p o s eo fp o H u f i o nc o n t r o la n dw a s t em a n a g e m e n t I ti sac o m p l e t ee c o l o g i c a ls y s t e m a n dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 【g ht r e a t m e n te f f i c i e n c y , l o wc o s to fc o n s t r u c t i o n ， o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，w i d ef i e l do fa p p l i c a t i o na n ds t r o n ga b i l i t yo fs h o c kl o a d i n g r e s i s t a n c ee t c A san e wk i n do fa p p l i e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , r e s e a r c h e so n t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fC Wh a v eb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n H o w e v e r , t h e r ei s1 a c ko fu n i f o r md e s i g np a r a m e t e r sa n dm e t h o d st ob u i l dc o n s t r u c t e d w e t l a n da tp r e s e n t S ot h ec o n s t r u c t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n di s u s u a l l yb a s e do n s u c c e s s f u lp i l o te x p e r i m e n t n ep r o j e c t “S t u d ya n dp i l o t - p l a n to nt h ee c o l o g yr e s t o r a t i o na n dt h eN o n - p o i n t p o l l u t i o nc o n t r o li nz h e n j i a n gu r b a nr i v e r s ” i ss u b p r o j e c to ft h ep r o j o c t “S t u d ya n d D e m o s t r a t i o no ni m p r o v e m e n to ft h ew a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t ya n dt h e e c o l o g y r e s t o r a t i o ni n z h e n j i 銣n gc i t y ”，w h i c hi s ap m j e c ti nt h eK e yT e c h n o l o g i e sR & D P r o g r a m m ei nt h eT e n t hF i v e - Y e a rP l a n S t u d yo nt e c h n o l o g ya n de f f i c i e n c yo ft h e N o n - p o i n tp o H u f i o nc o n t r o li so n eo fm a j o rc o n t e n t A s s o c i a t e dw i t ht h ek e yt e c h n i q u e o fc o n s t r u c t e dw e t l a n d si nt h es t u d y ，t h ee f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t e dw e t h c t di nt r e a t i n g p o l l u t e dr i v e rw a t e ra n dr a i nw a t e rr a n - o f fw e r es t u d i e di nt h i sp a p e rb a s e do np i n t - s i z e d e x p e r i m e n tc o m b i n i n gw i t hs m a l ls c a l ep i l o t si nf i e l d ) M a i nc o n t e n t so ft h i sw e r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) T 1 l cc o n m b u t c so fe a c hp a r to fm u l t i - s t a g eC Wi nn i t r o g e nr e m o v a lw e r e s t u d i e d ( 2 ) T h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tn i t r o g e nr e m o v a la l o n gm u l t i s t a g eC Ww e r e a n a l y z e d ( 3 ) T h ee f f i c i e n c ya n da b i l i t yo fC Wi nt r e a t i n gp o l l u t e dr i v e rw a r ea n dr a i nw a t e r r u n - o f fw e r es t u d i e d ( 4 ) 1 1 I em a i np a r a m e t e r sf o rm u l t i - s t a g eC Wo p e r a t i o nw e r ed e t e r m i n e d T h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) N i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nw e r et h em a i nr e m o v a lw a y so ft o t a ln i t r o g e n ， M e d i aa b s o r p t i o nc a nb ei g n o r e d n ec o n t r i b u t e so fp l a n tu p t a k ea n dn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o ni n t o t a ln i t r o g e nr e m o v a li s1 4 1 7 6 6 4 1 r e s p e c t i v e l y T h et o t a l n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y r e a c h8 0 5 ( 2 ) T h er e m o v a lr a t e s o fd i f f e r e n tn i t r o g e nw e r eh i g h e s ti nt h ef i r s ts t a g ei n c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，r e m o v a le f f i c i e n c yo ft o t a ln i t r o g e nw a s8 3 4 9 m 。2 d ，T h er a t e so f I I Nm i n e m l i 髓t i o n ，n i 塒丘c a 6 0 na n dd e n i m f i c a t i o nw c r e6 3 0 4 、9 2 3 6 、9 0 3 7 舢2 d 1 r c s p e c t i V e l y N i 矧砸t i O n 柚d d c n j t f i t i c a t i o nO c c u e d n c I I n 它n t l Vw i t hC O Dr e m o v a l ( 3 ) s s F w 姐dI 7 wb 0 恤h a dh i g l l 聆m o v a le f f i c i e n c yi nt r e a t i n gp 0 1 l u t e dr i v c r w a t e r - I I l 鯽m m e r 卸da u t u 砌，t l l ea v e r a g ef c m O v a le 髓c i e n c yO fC O D M ，N H 4 N 如d T Pw c r e7 3 5 8 ，9 2 5 3 ，8 5 2 l f e s p c c t i v e l yi nS S F W 徹da r c8 0 3 ，9 0 9 柚d 8 0 2 r 髂p e c t i v e l yi I V F w ： ( 4 ) 阮r f V e ，缸z 出瓣n 如d 矗，O 矽盯瑚口k 州洳矗淞，c 孤搬c 加刪船西h a v cl o n gr o o t s 。 T h c yc 柚s u i v e 誦t h O u ts o i la n dt o l c 豫t cs t m n gw 如t c w 齜c LS Ot h c ya l lc 姐b ca p p l i e d i nt l I ep i l o t - p l 鋤to ft h cN - p o i n tp o l l u l i c o 曲mb y 璐t r u d e dw c l l a n d s ( 5 ) n e f c r n o v a lo f c 0 D M 丑，N l l 4 + - Na n d 皿i n C w w e 坤a c c o r d e d w i t h t l l e l a wo f 6 r s t - o f d e rc h 鋤i c a l 村n e 6 c s T h ed e 舯d a t i o np m c c s s 髂w n hl e n g t h 卸dh y d r 卸l i c r e t c n t i o nt mo ft h e 辯p o l l u t 鋤t sb O t hc a nb es i m u l a t e dw i t he x p o n e n t i a le q u a t 如吧s 酗啪r d s ：m u n i s 切零峭t r u c t e dw c I l 如d s ；N i t I i 丘c a t i 衄；D e n j 鎰齟t i o n ； F i 培t - 0 f d c r 蚰l e 婦c q u a t j I 碩士學(xué)住論吏 M A S T E R S T H E S I S 華中師范大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下。獨(dú)立進(jìn)行研究工作 所取得的研究成果。除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在 文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 讎名：剮務(wù) 日期：勱期咖 學(xué)位論文版權(quán)使用 碩士學(xué)位論文 M A $ T E R 。S 1 1 I E S I S 污染物的含量取決于城市河流的地形、地貌、植被的覆蓋程度、污染物的分布情況， 因此對(duì)面源污染的控制也可以理解成對(duì)城市河流周邊降雨徑流污染的控制I3 l 。城市 面源污染的突出特征是：污染物時(shí)空分布的分散性和不均勻性、污染途徑的隨機(jī)性 和多樣性、污染成分的復(fù)雜和多變性。生態(tài)技術(shù)是解決非點(diǎn)源污染的主要途徑之一， 控制降雨徑流污染的生態(tài)技術(shù)主要包括：多水塘系統(tǒng)、緩沖帶、濕地系統(tǒng)、土壤滲 濾等 1 ) 多水塘系統(tǒng)在自然環(huán)境中，流域的天然水塘也是一種可以加以利用的條件。 水塘與河流不斷進(jìn)行物質(zhì)交換，滯留污染徑流、沉降懸浮物，是非點(diǎn)源污染控制的 一種十分有效的方法。多路串連水塘系統(tǒng)( 即多水塘系統(tǒng)) 的概念首先由尹澄清 ( 1 9 8 9 年) 提出，主要包括滯留池和水塘。多水塘系統(tǒng)是一類特殊的人工水塘濕地 生態(tài)系統(tǒng)，是以水塘為點(diǎn)、溝渠為線的流域系。研究表明，多水塘系統(tǒng)能截留來自 農(nóng)業(yè)的氮、磷污染負(fù)荷9 4 以上【4 】。通過修建暴雨滯留池，使污染物得到有效的沉 降，是歐美國家中非點(diǎn)源污染控制的一種有效生態(tài)方法暴雨 x 脆弱型生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)平衡極易受到破壞，且遭受破壞后難以恢復(fù)。濕地系統(tǒng)生產(chǎn) 力極高，每1 m 2 濕地平均每年生產(chǎn)9 9 蛋白質(zhì)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的3 5 倍。 作為一種具有多功能的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，濕地在維持河川徑流平衡、補(bǔ)充地下水、 調(diào)節(jié)氣候、蓄洪防災(zāi)、凈化水質(zhì)等方面起著重要作用。此外濕地中還蘊(yùn)藏著豐富的 生物資源，是生物多樣性的搖籃及物種基因庫，還有各種各樣的礦產(chǎn)資源。因此濕 地不僅能為人類提供食品原料、醫(yī)藥、能源、水資源以及工業(yè)原料等，而且在維護(hù) 生態(tài)平衡、降解環(huán)境污染等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。被譽(yù)為“地球之 腎”1 1 M 4 】。 由于人類不合理的開發(fā)，濕地資源受到了很大破壞。為了對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行 適度的補(bǔ)充，對(duì)其退化功能進(jìn)行恢復(fù)性建設(shè)，同時(shí)也為了污水處理的需要人們建 造了人工濕地人工濕地是在自然濕地降解污水的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的污水處理生態(tài) 工程技術(shù)。是一種由人工建造和監(jiān)督控制的，與沼澤地類似的地面，利用自然生態(tài) 系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化1 1 孓堋。 人工濕地也稱作人工浸地，其名稱也有多種說法，常見的有n s t r u c I e dw c t k 岫d ， a r t i f 【d a lw c t l a n d 或m 觚m a d c 刪a n d ，恤a h I l e tw c n 鋤d ，即g i n e 明沁w c a d 等。因 為蘆葦( 瑚M 刪婦s 硎曲4 拯) 是構(gòu)建濕地中廣泛栽培的植物，因此有稱為蘆葦床系統(tǒng) e c db e ds y s t e m ) 的。其它類似稱呼還有根區(qū)法( R 舶t n cm e t h o d ，R z M ) ，植被濾 床嘶t a t c d 蠡l t e rb c d ) 【1 惻。 自然濕地的生態(tài)系統(tǒng)可以用于處理廢水，但是在地點(diǎn)、負(fù)荷量、處理能力等方 面難以與實(shí)際需要相符合，自然濕地基本上是一個(gè)不可控制的環(huán)境。而人工建造的 濕地，其生態(tài)系統(tǒng)中的生物種類多種多樣，并處于人為的控制之下，綜合處理廢水 的能力受到人工設(shè)計(jì)控制，處理能力大大超過了自然濕地 1 2 2 人工濕地的研究進(jìn)展 早在中國古代和古埃及就開始利用自然濕地處理污水。人類最開始利用濕地處 理污水是無意識(shí)的，污水常常直接或間接流入濕地得到凈化。但是直到1 9 0 4 年才 出現(xiàn)有意識(shí)地利用人工濕地處理污水，最早的公開報(bào)道是在澳大利亞的新南威爾士 M vs o u t h 啪l e s ) 建成的一個(gè)郊區(qū)居民生活污水人工濕地處理系統(tǒng)I 列。 世界上第一個(gè)科學(xué)研究的中試規(guī)模的污水處理構(gòu)造濕地出現(xiàn)在德國M a 】【P l a I l k I n S t j t u t e ，在此勛t l l es e i d e l 詳細(xì)的考察了多種水生植物對(duì)化學(xué)污染物吸收和降解的 能力。她的研究，1 9 5 3 年首次發(fā)表，證明水生植物如卻淞如刪s f r 括有能力去除 4 碩士學(xué)位論文 M A S T E R ST H E S I S 能及濕地總體價(jià)值的顯著變化，并意識(shí)到人工濕地具有應(yīng)用的巨大潛力。因人工濕 地不影響自然濕地價(jià)值，且可對(duì)處理工藝優(yōu)化控制。8 0 年代后，人工濕地則發(fā)展到 人工建造的、以不同粒徑的砂石為基質(zhì)的處理系統(tǒng)，并由試驗(yàn)進(jìn)入應(yīng)用階段。 人工構(gòu)造濕地經(jīng)過幾十年的發(fā)展，有關(guān)濕地污水處理能力和過程的基礎(chǔ)研究已 經(jīng)比較成熟。許多國家建造了人工濕地污水處理設(shè)施，包括英國、加拿大、美國、 墨西哥、印度、南非、巴西、澳大利亞以及許多歐洲國家，大小從一家一戶的污水 處理到每天處理1 2 萬加侖的污水，這些系統(tǒng)由于其較低的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用得到越 來越多的當(dāng)?shù)睾偷貐^(qū)管理者的認(rèn)可。目前歐洲已有數(shù)以百計(jì)的人工濕地投入廢水處 理，如英國就有2 0 0 到3 0 0 座濕地系統(tǒng)在運(yùn)行l(wèi) 四】。人工濕地的規(guī)模從小到大分布較 寬。最小的僅有4 0 m 2 ，用于一家一戶廢水處理，大的達(dá)5 0 0 0 m 2 ，可以處理1 0 0 0 人以上村鎮(zhèn)的生活污水。起初，大多數(shù)人工濕地應(yīng)用于生活污水及礦山酸性廢水的 處理，目前人工濕地技術(shù)被廣泛應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： 面源污染治理 城市暴雨徑流( S c h u e l e r , 1 9 9 2 ；S h u t e se ta l1 9 明 農(nóng)業(yè)區(qū)暴雨徑流中化肥和殺蟲劑的去除( a m i ne ta l ，1 9 9 7 ) 垃圾滲濾液處理( K a d l e c , 1 9 9 7 ) 尾礦廢水處理( 陸re ta l ，1 9 9 3 ) 停車場(chǎng)與機(jī)場(chǎng)暴雨徑流皿e v i t te ta l ，1 9 9 7 ) 點(diǎn)源污染處理 城市污水的二級(jí)和三級(jí)處理( K a d l e ca n dI 砌g h t , 1 9 9 6 ) 農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物養(yǎng)殖徑流廢水處理( C H 2 MH I L La n dP a y n eE n g i n e e r i n g , 1 9 9 7 ) 食品工業(yè)廢水0 C a d l e cc ta l1 9 9 7 a ) 石化工業(yè)廢水( g n i g h te ta l1 9 9 部分地區(qū)甚至有的用于處理一些難降解有毒有機(jī)物，如菲和除草劑例。 目前在世界各地運(yùn)行著的許多濕地在污水處理中發(fā)揮著重要作用。然而，它 們對(duì)有機(jī)物、氮、磷的去除效率是不盡一樣。這除了與環(huán)境、水質(zhì)和濕地形式有關(guān) 外，還與濕地的設(shè)計(jì)方法，水力學(xué)特性有著直接的關(guān)系。許多濕地盡管在試驗(yàn)中表 現(xiàn)的非常好，但一旦運(yùn)用到實(shí)際工程中卻往往達(dá)不到預(yù)期的效果( M i t c h e l l , 1 9 9 5 ) 。 B r e e n ( 1 9 9 5 ) 對(duì)在溫室、露天和經(jīng)過植物收割后等條件下的人工濕地處理效果進(jìn) 行了試驗(yàn)，認(rèn)為這些環(huán)境因素對(duì)T N 和T P 的去除影響不是很大。K a t t l e e ，M ( 2 0 0 0 ) 對(duì)潛流人工濕地兩種最流行的設(shè)計(jì)模式E P A ( U S E n i v i r o m e t n a lP r o t e c t i o nA g e n g c y ) 和T V A C r e n n e s s e eV a l l e y A u t h o r i t y ) 進(jìn)行了比較。在反應(yīng)速率為O 7 d 1 ( 按E P A 法設(shè)計(jì)) 的條件下，n ，A 模型所推薦的有機(jī)物負(fù)荷為1 1 4 k g B O D 5 I n 2 d 1 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于E E A 模 型下的有機(jī)物負(fù)荷4 1k g B O D 5m 五d - l 。這樣導(dǎo)致了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面積過大，效率不能 充分發(fā)揮。B r c 皿( 1 9 8 9 ) 認(rèn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和水力學(xué)特性是決定濕地處理效果的關(guān)鍵因 素。設(shè)計(jì)中必須最大可能的增加廢水和根區(qū)的接觸機(jī)會(huì)，避免產(chǎn)生短流。他采用了 物料平衡法( m 船sb a l 姐c cm e t l I o d ) 對(duì)濕地試驗(yàn)進(jìn)行了量化描述。通過這種方法可以對(duì) 濕地系統(tǒng)進(jìn)行了更加合理化的設(shè)計(jì)0 R o b c n ，1 9 9 5 ) 。在濕地設(shè)計(jì)中，對(duì)氦、磷的去除 往往被忽視。用于優(yōu)化濕地系統(tǒng)中氮、磷去豫的設(shè)計(jì)參數(shù)和與之相關(guān)的研究很少 ( w b H 0 d 氣1 9 9 5 ) l ”1 這可能是因?yàn)闈竦刂械?、磷去除機(jī)制還沒有完全解釋清楚 ( R i c h a r d s o n ，1 9 8 5 ) ，不同的濕地中氮、磷動(dòng)力學(xué)規(guī)律是不一樣的但鈕H n 曲d ，1 9 8 8 ) 。 另外，氮、磷在濕地中的遷移轉(zhuǎn)化也很難測(cè)定( B 卟嘲e L k 鞏l 粥7 ) ，B 礬，m 盯指出 為了優(yōu)化濕地的運(yùn)行參數(shù)，必須要知道系統(tǒng)中氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律J I I u a n 醉女0 0 0 ) 在其研究中，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了N H 3 - N 和n 礬的溫度速率常數(shù)( K D 。國內(nèi)有關(guān) 這方面的研究報(bào)道則楣對(duì)很少。 填料是人工濕地的重要組成部分。由于土壤通透性差，容易發(fā)生堵塞，從而形 成短流或地表漫流，所以單純以土壤為填料的人工濕地己逐漸被以砂石或混合填料 所代替( c p c r x 況下，這種人工濕地的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)的二級(jí)生物處理。另外，由于水流在填料 表面以下流動(dòng)，具有保溫性較好、處理效果受氣溫影響小的特點(diǎn)。該工藝衛(wèi)生條件 較表面流濕地好，是目前研究和應(yīng)用較多的一種濕地處理系統(tǒng)。但該濕地系統(tǒng)的投 資要比表面流濕地系統(tǒng)的投資要高。第一個(gè)人工濕地于1 9 7 4 年在德國運(yùn)行，由于 該工藝?yán)昧酥参锔档妮斞踝饔茫矊⑵浞Q為污水處理的根區(qū)方法( I 【o o tz o n e M e t h o d ，R z M ) ，亦稱之為根區(qū)處理床。在歐洲，水平潛流型濕地常常被成為“蘆葦 床處理系統(tǒng)”c dB e 以 r 髓t m e n ts y s t 鋤，R B l s ) 。美國則稱為“植被淹沒床” ( v c g c t a t e dS u b m e 增e dB e d ，V S B ) ( 3 ) 垂直流人工濕地( V c n i c a lF 1 0 ww b t l a n d ，簡稱7 w 型人工濕地) 垂直流人工濕地系統(tǒng)中的水流綜合了表面流人工濕地系統(tǒng)和潛流型人工濕地 系統(tǒng)的特性，水流在填料床中由上而下或由下而上做豎向流，污染物去除機(jī)理基本 與潛流型人工濕地相同。與表面流人工濕地相比，立式流底層氧化能力更高因此 對(duì)污水有較高的處理能力。這種系統(tǒng)的布水、集水系統(tǒng)復(fù)雜，因此對(duì)基建要求高， 造價(jià)也高，較易生蚊蠅。目前，這種類型的人工濕地受到了更多的重視。 1 2 4 人工濕地的污染物去除機(jī)理 1 。2 。4 1 污染物的去除方式 人工濕地處理系統(tǒng)對(duì)污水凈化的作用機(jī)理是多方面的，主要包括：物理的沉 降作用；植物根系的阻截作用；某些物質(zhì)的化學(xué)沉淀作用，土壤及植物表面的吸跗 與吸收作用；微生物的代謝作用等。此外，植物根系的某些分泌物對(duì)細(xì)菌和病毒有 滅活作用 細(xì)菌和病毒也可能在對(duì)其不適應(yīng)環(huán)境中自然死亡。 污染物的去除過程嗍 污染物 去除過程 有機(jī)物( 以B O D 計(jì)) 生物降解，沉淀，微生物吸收 有機(jī)污染物深蟲劑等) 吸附，揮發(fā)，光、生命無生命降解 懸浮物沉淀過濾 N 沉淀硝化，反硝化，微生物、植物吸收，揮發(fā) P 沉積，過濾，吸附，植物、微生物吸收 病原體 自然死亡，沉積，過濾，捕食，紫外降解，吸附 重金屬 沉積，吸附，植物吸收 】O 物理沉積：污水進(jìn)入濕地，經(jīng)過基質(zhì)層及密集的植物莖葉和根系，使污水中 的是浮物顆粒得到過濾，并沉積在基質(zhì)層中。 化學(xué)反應(yīng)：污水中許多污染物可以通過化學(xué)沉淀、吸附、離子交換等化學(xué)反 應(yīng)過程得以去除。化學(xué)反應(yīng)是否顯著取決于基質(zhì)的化學(xué)成分。例如，含C a c 0 3 較多 的石灰石有助于磷的去除：含有機(jī)物豐富的土壤有助予吸附各種污染物。 生化反應(yīng)：生化反應(yīng)是去除有機(jī)污染物的主要作用過程。在人工濕地生態(tài)系 不可忽視。大型水生植物的作用不可忽視。各種污染物的去除方式及機(jī)理如表1 3 所示。 研究結(jié)果表明，除了鎳、溴、硒、砷以外的大部分重金屬可以與懸浮物一起被 去除【8 1 8 3 1 。 1 2 4 2 基質(zhì)及凈化機(jī)理 基質(zhì)在人工濕地的構(gòu)造中占有較大面積，是人工濕地區(qū)別與自然濕地的重要方 面。陳博謙等人【刪研究發(fā)現(xiàn)在排除了植物因子的前提下，人工濕地土壤一微生物系 統(tǒng)對(duì)污水成分仍具有良好的去除作用?；|(zhì)為濕地植物、微生物提供了生境，自身 也參與了濕她凈化污水的物理化學(xué)過 x 影響到它對(duì)污水的處理效果，其中最重要的影響因子之要數(shù)氧化還原電位。濕地 的一個(gè)重要特征是存在好氧與厭氧界面，從而使基質(zhì)內(nèi)的氧化還原電位( o R P ) 變幅 高達(dá)1 0 0 0 m V ( - 3 0 0 - 7 0 0 m V ) ，而旱地土壤的O R P 通常只在4 0 0 7 0 0 m V 范圍內(nèi)變化。 這意味著濕地基質(zhì)能發(fā)生比早地土壤多得多的氧化還原反應(yīng)，如有機(jī)化合物的降解 反應(yīng)，金屬氧化物的還原反應(yīng)，硝化一反硝化反應(yīng)，產(chǎn)沼反應(yīng)( C 0 3 ?；駽 0 2 被還原 成C m l 。基質(zhì)中無機(jī)磷等元素有效性與溶解狀態(tài)也明顯受O R P 高低的影響。此外， 基質(zhì)O R P 還會(huì)通過影響植物或微生物生長和代謝來間接影響濕地的去污效果。 1 2 ，4 3 水生植物及凈化機(jī)理 目前對(duì)植物的廢水處理的重要性方面，還存在有些爭(zhēng)議。雖然一些研究人員認(rèn) 為植物是濕地的必要部分，人工濕地中的濕生植物，不僅在外觀上引入注目，在濕 地凈化污水的過程中也起著重要作用；但其他研究人員則認(rèn)為它們的價(jià)值主要的美 學(xué)方面。 現(xiàn)有的大部分研究都證實(shí)濕地植物是濕地系統(tǒng)中的重要組成部分，在污水凈 化方面發(fā)揮了重要作用。植物及其枯技敗葉層形成了一個(gè)自然生物過濾器，有助于 控制臭味；它們還能阻止雜蓽的生長，并使昆蟲不至于在水面繁殖過多：植物自身可 以吸收同化污水中的營養(yǎng)物質(zhì)和有毒有害物質(zhì)t s v - 5 9 1 ，將它們轉(zhuǎn)化為生物量 植物根 系促進(jìn)了懸浮物在基質(zhì)中的物理過濾過程，可防止基質(zhì)的堵塞：植物在冬季形成一 個(gè)絕熱層，有助于使地下的基質(zhì)免受霜凍。除此以外，植物的根系為細(xì)菌提供了多 樣的生境，并輸送氧氣至根區(qū)，有利于微生物的好氧作用眇6 ”。 1 9 7 7 年德國學(xué)者K i c l m t h 提出了濕地凈化污水的根區(qū)法O R o o t - z o n cm c l h o d , r Z M ) 理論，認(rèn)為在污水滲過濕地的過程中，經(jīng)過植物根區(qū)，在根區(qū)這一特殊的生 態(tài)環(huán)境下，植物根系可對(duì)污水中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收、富集，麗根區(qū)附近豐富的微 生物群落更可以通過其旺盛的代謝活動(dòng)將各種營養(yǎng)物質(zhì)降解、轉(zhuǎn)化。因此，植物根 區(qū)成為人工漫地實(shí)行凈化功能的主要場(chǎng)所。這一理論推動(dòng)了人工濕地凈化功能原理 的研究。A r m s t r o n g 等【鋁l 發(fā)現(xiàn)，濕地中生長的蘆葦、香蒲等濕生植物根系有強(qiáng)大的 物氧功能，將空氣中的氧氣通過植物體的疏導(dǎo)組織直接輸送到根部。在整個(gè)濕地低 溶氧的環(huán)境下，濕地植物的根區(qū)附近能形成局部富氧區(qū)域，利于好氧菌的生長代謝。 因此，種植于濕她的植物，除了必須適應(yīng)于當(dāng)?shù)厣?，有較長生長期外，還需要生 長快速，根莖發(fā)達(dá)，有較大的地下生物量 5 8 , 6 9 。 具體到各地的實(shí)踐，研究者多結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和植被分布，選擇最合適 的濕生植物f 3 5 , 7 1 7 3 J 。在歐洲，蘆葦是最常甩的植物，而蕉草用在美國應(yīng)用更為普遍。 一般地說，選擇濕地植物尤為要注意以下幾個(gè)原則【7 4 I ： 碩士學(xué)位論文 M A S T E R S T H E S I S 根系比較發(fā)達(dá)的水生植物。 具有抗逆性( 1 ) 抗凍、抗熱能力；( 2 ) 抗病蟲害能力；( 3 ) 對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)能 力。 凈化能力強(qiáng)、抗逆性相仿，而生長量較小的植物，以減少管理上尤其是對(duì)植物 體后處理上的許多麻煩。 綜合利用價(jià)值高。若所處理的污水不含有毒、有害成分，其綜合利用可從以下 幾個(gè)方面考慮，( 1 ) 作飼料；( 2 ) 作肥料；( 3 ) 生產(chǎn)沼氣。 美化景觀。 1 2 4 4 微生物、藻類及其凈化機(jī)理 微生物對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)具有重要的影響，微生物不僅是自然界的分解者，而且 有些微生物也是食物鏈中的初級(jí)生產(chǎn)者，同時(shí)在自然界的元素轉(zhuǎn)化中微生物也是一 個(gè)不可缺少的成員。 人工濕地中的微生物是濕地凈化污水的主要機(jī)制之一，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)在B O D 5 ， C O D ，N ，P 等降解過程中，微生物發(fā)揮了重要作用1 7 5 7 s I 。其中，細(xì)菌是濕地微生物 中數(shù)量最多的一個(gè)類群，在污水凈化過程中起到巨大作用，它使復(fù)雜的含氮有機(jī)物 轉(zhuǎn)化成可供植物和微生物利用的無機(jī)氮化合物。真菌具有強(qiáng)大的酶系統(tǒng)，能促進(jìn)纖 維素、木質(zhì)素、果膠籌的分解，并能將蛋白質(zhì)最終分解釋放出氨。放線菌是有機(jī)化 合物分解的積極參與者，還能形成抗生物質(zhì)維持濕地生物群落的動(dòng)態(tài)平衡：原生物 質(zhì)攝取一些微生物和碎屑，起到調(diào)節(jié)微生物群落的動(dòng)態(tài)平衡和清潔水體的作用。它 們共同協(xié)成了互利共生的有機(jī)系統(tǒng)，共同來污水凈化的任務(wù)p 】。 真菌主要在植物根際形成菌根吸收養(yǎng)分。藻類有時(shí)成為濕地生態(tài)系統(tǒng)中生物量 的主要組成成分，雖然藻類體內(nèi)的元素組成的含量不是很高，但它們?cè)谫A藏和轉(zhuǎn)移 養(yǎng)分方面有時(shí)也能起著舉足輕重的作用。另外，藻類有較快的周轉(zhuǎn)速率，因此當(dāng)污 水有較高養(yǎng)分時(shí)可起到短期吸收固定再隨后緩慢釋放與循環(huán)的作用。絲狀藻控制著 濕地水體的D O 與C O x 濃度及其日變化，它能使水體p H 值在白天比在晚上要高出 2 - - 3 個(gè)p H 單位。很顯然，水體中這種D O ，C 0 2 和p H 的劇烈日變化不僅影響水體 的化學(xué)變化，還會(huì)影響植物的生長和植物對(duì)污染物的作用。 1 2 4 5 濕地處理綜合過程I 腫J 實(shí)際上，人工濕地之所以能夠凈化污水，除了濕地中的植物、基質(zhì)和微生物等 成分的分別作用外，更主要的還是這些成分的相互作用，使得濕地具有強(qiáng)大的凈化 功能。 濕地基質(zhì)支撐著濕地動(dòng)植物與微生物的生命過程，基質(zhì)的任何性狀發(fā)生改變都 碩士學(xué)位論文 M A S T E R ST H E S l S 可能影響到生物的生長發(fā)育及其對(duì)環(huán)境的作用，從而影響到它們的凈化效果。微生 物種群對(duì)濕地基質(zhì)的很多化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生重要影響，基質(zhì)中各種元素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化都 與微生物作用密切相關(guān)，而這些微生物過程又受基質(zhì)O R P 與p H 的強(qiáng)烈影響。微生 物的生物量隨著基質(zhì)O R P 的降低而降低，結(jié)果基質(zhì)酶活性與有機(jī)碳，N 和P 的礦 化反應(yīng)也隨之下降，它們之間有顯著的相關(guān)佳( p O 0 5 ) 。 ( 2 ) N H 4 + _ N 的去除效果 小試試驗(yàn)研究中，氮紊主要以N H 4 + N 構(gòu)成。推流式人工濕地和復(fù)合流人工濕 地I 妊1 4 + o N 進(jìn)出水水質(zhì)變化過程見圖4 4 。 圖4 4 推流式人工濕地和復(fù)合流人工濕她N l 王I + - N 進(jìn)出水水質(zhì)變化圖 F i g 4 - 4 C h a n g e s o f N H 4 - N c o n c B n t t a t i o n o f i n f l u e n t a n d e f f l u e n t i n S S F W a e d V F W 由圖4 4 可以看出，兩種類型的人工濕地對(duì)N H 4 - N 都具有很好的去除效果，在 進(jìn)水濃度0 3 9 5 1 0 5 2 3 m g 1 之間大范圍波動(dòng)的情況下，去除率保持在7 5 以上。其 中推流人工濕地去除率為7 6 4 9 8 5 ，平均8 7 6 。復(fù)合垂直流人工濕地去除率 8 2 2 - 9 8 5 ，平均9 0 9 。從出水水質(zhì)變化曲線上看，出水濃度也很低，推流人工 濕地出水濃度為0 0 2 1 4 6 m g L ，復(fù)合流人工濕地為0 0 2 1 0 5 m g L 方差分析表明，N I - 1 4 + - N 的去除率兩者差異極顯著( P 0 0 5 ) 。 ( 4 ) 小緒 不論推流濕地還是復(fù)合垂直流濕地對(duì)C O D 、N H 4 I q “ 和T P 都有很好盼去除 效果?？梢?，人工濕地系統(tǒng)可以營造一種很好的微生物一基質(zhì)一植物生長環(huán)境，從 而大大加快污染物的降解過程。系統(tǒng)的進(jìn)水濃度變幅很大，但出水水質(zhì)卻非常穩(wěn)定， 說明人工濕地系統(tǒng)具有非常好的耐沖擊性能力。 4 2 4 污染負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)處理效果的影響分析 在小試試驗(yàn)中，水力負(fù)荷將是可控因素，污染負(fù)荷只能被動(dòng)地隨著河水水質(zhì)和 進(jìn)水水量而變化，因此小試研究基本采用固定水力負(fù)荷、改變污染負(fù)荷的方式進(jìn)行 運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，水力負(fù)荷一般采用0 6 m d ，在該負(fù)荷條件下，推流濕地污 染負(fù)荷與凈化負(fù)荷的關(guān)系如圖4 6 4 8 。 圖4 6 潛流式人工濕地c 0 D h 缸負(fù)荷與凈化負(fù)荷的關(guān)系 F 咖蛾4 6R 。枷s h i pb e 咖煳0 0 D h hl o a d 蛆d m 刪蛔d i nS S F W 圖4 7 推流式人工濕地N H I - N 負(fù)荷與凈化負(fù)荷的關(guān)系 F i g u 犯4 7R e l 撕s h i pb e 佃啪N I I r Np o n u 1 0 a d 鋤d 腳V a l1 0 a d 缸S S F W 圖4 - 1 1 垂直流人工濕地T P 負(fù)荷與凈化負(fù)荷的關(guān)系 F i g u r e 4 1 1 R e l a o n s h i p b e t w e e n I T p o l l u t i o n l o a d a n dr e m o v a l l o a d 缸V F W 由圖4 6 8 可知，推流式人工濕地的c o D 負(fù)荷、N 】 1 4 + - N 負(fù)荷和T P 負(fù)荷與 其相應(yīng)的凈化負(fù)荷均呈極顯著的線性關(guān)系( R 2 值分別為：0 9 7 8 9 、0 9 7 2 5 和0 9 9 9 1 ，) 。 同樣的，由圖4 9 1 1 可知復(fù)合流人工濕地也有相同的凈化負(fù)荷與污染負(fù)荷極顯著 線性關(guān)系( R 2 值分別為：0 9 8 3 4 、0 9 3 9 1 和0 9 9 9 ，) ?？梢妰蓚€(gè)系統(tǒng)在污染負(fù)荷 不大時(shí)，均表現(xiàn)出了隨污染負(fù)荷提高，凈化負(fù)荷也相應(yīng)提高的較佳反應(yīng)狀況。 4 2 5 污染物沿程變化過程試驗(yàn)分析 污染物的去除和停留時(shí)間的關(guān)系是十分密切的，在連續(xù)進(jìn)水的條件下，在污水 流程的不同位置處，污水的停留時(shí)間是不同的。因此，在推流式人工濕地沿長度方 向和在復(fù)合流人工濕地的不同深度處分別布置若干取樣孔，在這些取樣孔中同時(shí)取 樣分析，可以得到污染物在植物床中沿程動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。 試驗(yàn)共進(jìn)行了4 次污水沿程變化水質(zhì)監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，以污水的C O D M n 、 N H 4 + - N 和T P 濃度值為縱坐標(biāo)，以污水的遷移距離為橫坐標(biāo)，可分別得出兩種人 工濕地不同污染物質(zhì)沿程變化的趨勢(shì)圖( 見圖4 1 3 2 3 ) 。以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物監(jiān)測(cè) 值C L 與污水初始濃度值C 0 的商c d c 0 為縱坐標(biāo)，以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿水流方向至進(jìn)水端 的距離與植物床長度的百分比U ) 為橫坐標(biāo)，可得出各污染物在植物床內(nèi)的變化趨 勢(shì)圖( 見圖4 9 1 4 ) ( 1 ) 推流式人工濕地各污染物沿程變化趨勢(shì) M A S T H R S T H E 娜 圖4 1 3 潛流濕地N I 盯- N 沿程變化圖 F i g 4 1 3 C h a n g e so f + - Nc o n c e n h a t l o na l o n gt h eS S F W 圖4 1 9 潛流濕地N H ，- N 動(dòng)態(tài)模型預(yù)瀏曲線圈 F 蟾4 1 9C u r v eo f d y n a m i cm o d e l o fN H 4 + - Ni nS S F W 4 1 圖4 1 4 潛流濕地T P 沿程變化趨勢(shì)圈 F i gA 1 4C h a n g e so f 皿c o n c e a t r a f i o nI l o n gt h eS S F W 圖4 - 2 0 潛流濕地T P 動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)曲線圖 F i g 4 2 0 C u r v e o f d y n a m i c m o d e l o f T P i nS S F W 由圖4 1 2 、圖4 1 3 和圖4 1 4 可看出，污水中三種主要污染物的去除速率在開 始階段很快，在第一級(jí)出水取樣口( 污水在該處的流程占全流程的1 6 7 ) ，N 地+ _ N 去除率最大，達(dá)6 8 左右。c 0 D 的去除率次之在6 2 左右，盱的去除率最慢， 在5 5 左右，在第二級(jí)出水取樣口( 污水在該處的流程占全流程的5 0 ) ，C O D M 。、 T P 和N 地+ - N 的去除率分別為：7 4 、8 2 和8 9 左右?？梢?，推流式人工濕地污 染物的去除主要發(fā)生在植物床的前半段。 三種污染物以N H 4 + - N 的去除速率最快，這說明在運(yùn)行污染負(fù)荷下，濕地內(nèi)提 碩士學(xué)往論文 M A S T E R S T H E S I S 圖4 2 1 垂直流濕地0 0 D 動(dòng)態(tài)模型預(yù)鍘曲線圖 F l g 4 2 1C u r v e o f d y n a m i c m o d e l o f C O D m i n V F W 圖4 1 6 垂直流濕地N I - 1 4 + N 沿程變化趨勢(shì) F i g 4 1 6 C h a n g e s o f C O D M n c o n c e n t r a t i o n a l o n g t h e V F W 4 4 圈4 2 2 垂直流濕地N H ，- N 動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)曲嚨圖 F i g 4 2 2 C u r v e o f d y n m n c m o d e l o f N I - h - Ni n V F W 圖4 1 7 垂直流流濕地T P 沿程變化趨勢(shì)圖 F i g 4 1 7 C h a n g e s o f T P c o n c e n t r a t i o na l o n g t h e V F W 項(xiàng)士學(xué)位論文 M A S T E R ST H E S I S 固4 2 3 垂直流濕地T P 動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)曲線圖 F i g 4 2 3 C u r v eo fd y n a m i cm o d e lO f “ i n V F 由圖4 1 8 4 2 3 可看出，不論是推流式人工濕地還是垂直流人工濕地，三種污染 物在植物床的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律均可用指數(shù)方程來描述。故本論文采用方程 c L = 鼯x p ( 1 ( 0 L ) 對(duì)C O D m 、N H 4 + - N 和T P 在植物床中的變化過程進(jìn)行模擬。式中硒 是和水溫、植物床結(jié)構(gòu)、污水流量、植物種類等多種因素有關(guān)的綜臺(tái)降解系數(shù)。采 用最小二乘法求解得到島值代入方程，即可得驁I 三種污染物在兩種類型人工濕地 植物床內(nèi)沿程動(dòng)態(tài)變化模型。( 見表4 - I ) 該模型是在人工濕地污水處理裝置特定條件下建立的，值也是在特定條件下 求得的，有一定的局限性，還須在示范工程試驗(yàn)中進(jìn)一步檢驗(yàn)、修正和完善。 表4 - 1 污染物在植物床隨距離變化模型 5 1 結(jié)論 第五章結(jié)論與展望 在國家“十五”重大科技專項(xiàng)“鎮(zhèn)江水環(huán)境質(zhì)量改善與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究及綜 合示范”分項(xiàng)課題通內(nèi)江河道生態(tài)修復(fù)與面源控制技術(shù)研究及示范工程中，城市河 道面源控制技術(shù)及其效果研究是主要研究內(nèi)容之。本論文緊密圍繞該研究中的核 心技術(shù)之一一人工濕地技術(shù)，以現(xiàn)場(chǎng)微型階梯式人工濕地系統(tǒng)及小試系統(tǒng)為基礎(chǔ)， 開展人工濕地基礎(chǔ)研究以及對(duì)污染河水和雨水徑流污染的處理效果研究在實(shí)際運(yùn) 行和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，得出以下主要結(jié)論： ( 1 ) 構(gòu)建濕地除氮主要由基質(zhì)、濕地植物和微生物共同完成的，微生物的硝化 反硝化是人工濕地脫氮的主要途徑。植物吸收、硝化反硝化對(duì)總氮去除的貢獻(xiàn)分別 為“。1 7 ，6 6 4 l 。階梯式人工濕地沿程植物吸收氮量對(duì)總氮去除的貢獻(xiàn)是逐級(jí)增 大的，總氮吸收速率逐漸降低，硝化反硝化作用對(duì)氮去除貢獻(xiàn)逐級(jí)降低。系統(tǒng)對(duì)總 氮的去除率達(dá)到8 0 5 。 ( 2 ) 微型階梯式人工濕地系統(tǒng)第一級(jí)對(duì)不同形態(tài)氮污染物去除速率都是最高 的。在第一級(jí)濕地中，總氮去除速率為& 3 蛔I - 2 d - 1 ，氮化、硝化、反硝化去除速率 分別為6 3 0 4 、9 2 3 6 、9 0 3 7 9 m - 2 d 一，伴隨著高的C O D 去除速率產(chǎn)生了高的總氮去除 速率和硝化反硝化速率。濕地中反硝化作用大于硝化作用，硝化作用大于氨化作用， 是一種比較理想的除氮過程。 ( 3 ) 推流濕地和垂直流流濕地應(yīng)用于污染河水的處理具有較好的處理效果，小 試試驗(yàn)在夏秋季運(yùn)行條件下，在進(jìn)水c O D 、N H 4 + N 和1 1 P 濃度分別在3 2 旬2 9 6 m 朗、 0 1 5 2 1 0 5 2 3 m g l 、0 2 1 1 巧8 0 2 m 鯽波動(dòng)下。推流濕地對(duì)三種污染指標(biāo)的平均去除 率分別為7 3 5 8 ，9 2 5 3 ，8 5 2 1 。 ( 4 ) 香根草、風(fēng) x 碩士學(xué)位論文 M A S T E R S T H E S l S 5 2 展望 人工濕地處理污染河水和城市河道雨水徑流污染的實(shí)驗(yàn)表明其具有良好的經(jīng) 濟(jì)效益，污水處理效果明顯，操作簡單，是一種理想的污水處理工藝。作為一種應(yīng) 用前景廣闊的新型污水處理工藝，人工濕地在我國的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。但要將這 一技術(shù)廣泛的應(yīng)用于城市河道面源污染控制，還必須結(jié)合各地的實(shí)際情況，根據(jù)具 體的城市河道面源污染的特征來選擇設(shè)計(jì)人工濕地系統(tǒng)。這有待予在今后的實(shí)踐中 進(jìn)一步研究，以獲