（植物营养学专业论文）两种复合垂直流人工湿地处理生活污水的研究.pdf

两种复合垂直流人工湿地处理生活污水的研究 摘要 目前可利用的淡水资源在逐渐减少，传统生化处理工艺虽然效果较好， 但处理成本高，使得生活污水的处理率低，而人工湿地处理生活污水系统 具有成本低、净化效果好、景观价值高的特点，成为今后研究的趋势。本 文利用筛选的植物，建立了复合垂直流人工湿地( i v c w ) 系统及改进型复 合垂直流人工湿地( i i v c w ) 系统。通过对两种不同构型人工湿地植物生 长情况、生活污水净化效果、基质酶活性空间分布的研究，探寻运行模式 较好、净化效果较佳的复合垂直流人工湿地构型和植物组合方式；分析了 基质酶活性与污水净化效果的相关性，初探复合垂直流人工湿地的；争化机 理，为应用人工湿地处理生活污水提供理论依据和实践经验。主要研究结 果如下： ( 1 ) 水生植物筛选试验结果表明大水剑、太阳草、水罗兰的生长状况都 很好，株高、鲜重增长都非常明显，对t p 、c o d 、t n 自e j 净化效果都很好。 最后选择了太阳草、大水剑作为人工湿地备用植物。 ( 2 ) 人工湿地植物生长状况都很好，均无养分缺乏病症。两种构型间植 物生长略有差异，除i v c w 中美人蕉株高、分株数大于i i v c w 中的美人蕉 外，其余三种植物均是i i v c w 构型中的生长状况比i v c w 中的好。 ( 3 ) 相同构型条件下，不同植物组合的人工湿地处理系统对污水的净化 效果不同。与不种植物的人工湿地系统相比，种植植物的人工湿地系统；争 化效果普遍优于不种植物的湿地系统，其中以彩叶草一太阳草组合的湿地 系统净化效果优于美人蕉一大水剑组合的。 ( 4 ) 两种构型人工湿地对污水都具有较好的净化效果。在相同植物组合 条件下，在去除有机污染物( c o d ) 、脱氮( n h 4 n 、n 0 3 一n 、t n ) 方面 均是i i v c w 的去除效果要好于i v c w 的。而对t p 的去除则是i v c w 的去 除效果要好于i i v c w 。 ( 5 ) 人工湿地基质上层的磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性最高。同一构 型人工湿地中，彩叶草一太阳草植物组合的酶活性普遍较美人蕉一大水剑 植物组合的高。其中磷酸酶与脲酶活性变化规律为：上层( o 5 c m ) 高于中层 ( 5 1 5 c m ) ，中层高于下层( 1 5 2 5 c m ) ；而过氧化氢酶活性变化规律为：上层 高于下层，下层高于中层。 ( 6 ) 通过对上层基质酶活性与污水净化效果进行相关性分析，可以看 出，基质磷酸酶活性与t p 去除率之间存在极显著正相关( r = 0 9 9 7 5 ) ；基 质脲酶活性与t n 、c o d 的去除率呈显著正相关( 分别r = 0 9 7 1 2 ，0 9 5 9 2 ) 。 综合上述研究结果，可以看出，i i v c w 构型净化效果优于i v c w ；彩 叶草一太阳草组合的净化效果优于美人蕉一大水剑组合，为探寻净化效果 较佳的复合垂直流人工湿地构型和植物组合方式提供实验支持。 关键词：复合垂直流人工湿地净化效果酶活性 s t u d yo ns e w a g et r e a t e db yt w ok i n d so f i n t e g r a t e dv e r t i c a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d s a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w a t e rr e s o u r c e su s e db yu si s g r a d u a l l yd e c r e a s i n g a l t h o u g ht h e p u r i f i c a t i o ne f f e c to fs e w a g ew i t ht r a d i t i o na l b i o c h e m i s t r yi sh i g h e r ，t h ep r o c e s s i n gc o s t o fi ti sh i g h e r , t h a tc a u s e st h et r e a t m e n tr a t eo fs a n i t a r ys e w a g ev e r yl o w l y h o w e v e r ，t h e c o n d u c t e dw e t l a n d s s e w a g et r e a t m e n ts y s t e mh a sl o w e rp r o c e s s i n gc o s t b e t t e r p u r i f i c a t i o ne f f e c t ，h i g h e rl a n d s c a p ev a l u e ，i ti sh e n c e f o r t hb e c o m i n gs t u d yt e n d e n c y w e c o n s t r u c t e di n t e g r a t e dv e r t i c a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ( i v c w ) s y s t e ma n di m p r o v i n g i n t e g r a t e dv e r t i c a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ( i t v c w ) s y s t e mw i t hp l a n t ss e l e c t e db yu s w es t u d i e do nt h eg r o w t hs i t u a t i o no fw e t l a n dp l a n t s ，t h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to fs e w a g e t r e a t m e n t ，s o m ee n z y m ea c t i v i t i e sb e t w e e ni v c w a n di i v c wi no r d e rt om o u s eo u t t h e p a t t e r nw i t hb e t t e rc o n f i g u r a t i o no rp l a n tc o m b i n a t i o n ，h i g h e rp u r i f i c a t i o ne f f e c t a n d w ea n a l y z e dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to fs e w a g ea n de n z y m e a c t i v i t i e sf o rs e a r c h i n g i n i t i a l l yt h ep u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fi n t e g r a t e dv e r t i c a l c o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h er e s u l t sw i l lp r o v i d et h et h e o r yb a s i sa n de x p e r i e n c ef o r s e w a g et r e a t m e n tw i t hi n t e g r a t e dv e r t i c a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d si nt h ef u t u r e t h em a i n r e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s u l to fs e l e c t i o nh y d r o p h y t e si n d i c a t e dt h a tg r o w t hc o n d i t i o no fa c o r u s c a l a m u s , t o n i n af l u v i a t i l i sa n dh y g r o p h i l ad i f f o r m i sw e r ea l lw e l l t h ep l a n th e i g h t ，r o o t h e i g h ta n df r e s hw e i g h th a v eo b v i o u s l yi n c r e a s e d p u r i f i c a t i o nc a p a c i t yo ft p , c o d ， a n dt nw e r ea l lh i g h s ow ec h o s ea c o r n sc a l a m u s ，t o n i n af l u v i a t i l i sa ss p a r ep l a n t si n t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d s ( 2 ) t h ep l a n t sg r e ww e l li nc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，w e r en o ti nt h ei l l n e s so fl a c k n u t r i t i o n t h ep l a n tg r o w t hw e r es l i g h t l yd i f f e r e n ti nt w ok i n d so fc o n f i g u r a t i o n w e t l a n d s t h ep l a n th e i g h to fc a n n al w a s h i g h e ra n di t sd i v i s i o nq u a n t i t yw a sm o r ei n t h ei v c wt h a ni nt h ei i v c w b u tt h ep l a n th e i g h ta n dd i v i s i o nq u a n t i t yo fo t h e rt h r e e k i n d so f p l a n t sw e r eh i g h e ra n dm o r ei nt h ei i v c w t h a ni nt h ei v c w ( 3 ) t h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to fc o n s t r u c t e dw e t l a n d ss y s t e mw i t hd i f f e r e n tp l a n t c o m b i n a t i o ni nt h es a m et e c t o n i co fc o n s t r u c t e dw e t l a n d sa r ed i f f e r e n t c o m p a r e dw i t h w i t h o u tp l a n t si nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ss y s t e m ，t h ep u r i f i c a t i o ne f f e c tu n i v e r s a l l y w e r eb e t t e ri nc o n s t r u c t e dw e t l a n d ss y s t e mw i t hp l a n t s a n dt h ep u r i f i c a t i o nc a p a c i t y w a sh i g h e ri nt h ec o m b i n a t i o ns y s t e mw i t hc o l e u sb l u m e ib e n t h - - t o n i n af l u v i a t i l i st h a n w i t hc a n n al 爿c o r u sc a l a m u s ( 4 ) t h es e w a g ep u r i f i c a t i o ne f f e c tw e r ew e l lb o t hk i n d so ft e c t o n i cc o n s t r u c t e d w e t l a n d s t h er e m o v a lr a t e o fc h e m i c a l o x y g e nd e m a n d ( c o d ) ，a m m o n i a n i t r o g e n ( n h 4 + - n ) ，n i t r a t en i t r o g e n ( n 0 3 - n ) ，t o t a ln i t r o g e n ( t n ) i ni i v c ww a sh i g h e r t h a ni ni v c w h o w e v e rt h er e m o v a lr a t eo ft o t a lp h o s p h o r ( t p ) i ni v c ww a sh i g h e r t h a ni ni i v c w ( 5 ) t h ee n z y m ea c t i v i t yo ft h eu p p e rl a yw a sh i g h e s ti nt h et h r e el a y s i nt h e i d e n t i c a la r t i f i c i a lw e t l a n d ss y s t e m ，t h ee n z y m ea c t i v i t yw a sh i g h e ri nt h ec o m b i n a t i o n s y s t e mw i t hc o e u sb l u m e ib e n 胁- - t o n i n af l u v l a t i l i s t h a n w i t hc a n n a 崩c o r u s c a l a m u s t h ev a r i e t yo r d e r l i n e s so fp h o s p h a t a s ea c t i v i t ya n du r e a s ea c t i v i t yw e r et h e h i g h e s ti nt h eu p p e rl a y ( 峭c m ) ，t h eh i g h e ri nt h ei n t e r m e d i a t el a y ( 5 - 1 5 c m ) ，a n dt h e l o w e s ti nt h el o w e r l a y ( 1 5 2 5 c m ) b u tt h ee n z y m ea c t i v i t yw a st h eh i g h e s ti nt h eu p p e r l a y , t h eh i g h e ri nt h el o w e rl a y , a n dt h el o w e s ti nt h ei n t e r m e d i a t el a y ( 6 ) t h r o u g ht h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sb e t w e e nr e m o v a lr a t e sa n de n z y m ea c t i v i t yo f t h eu p p e rl a y ，w ec o u l ds e e , t h ep h o s p h a t a s ee n z y m ea c t i v i t yw a sf e a r f u l l yp o s i t i v e l y c o r r e l a t e dt ot h er e m o v a lr a t eo ft p ( r = 0 9 9 7 5 ) ；u r e a s ee n z y m ea c t i v i t yw a s p o s i t i v e l y c o r r e l a t e dt ot h er e m o v a lr a t eo ft n 、c o d ( r = o 9 7 1 2 ，0 9 5 9 2 ) c o m p r e h e n s i v er e s u l t so ft h es t u d y ，w ek n e wt h a tt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to f s e w a g eb yi i v c ww a sh i g h e rt h a ni v c w ，a n dt h ep u r i f i c a t i o nc a p a c i t yo ft h e c o m b i n a t i o ns y s t e mw i t hc o e u sb l u m e ib e n t h - - t o n i n af l u v i a t i l i sw a sh i g h e rt h a no n e w i t hc a n n al - - a c o r u sc a l a m u s , t o n i n af l u v i a t i l i sc o m b i n a t i o ns y s t e m ，w h i c hp r o v i d e d a ni m p o r t a n te x p e r i m e n t a ls u p p o r tf o rm o u s i n go u tc o n s t r u c t e dw e t l a n d ss y s t e m sw i t h b e t t e rc o n f i g u r a t i o no rp l a n tc o m b i n a t i o n ，h i g h e rp u r i f i c a t i o ne f f e c t k e y w o r d s ：i n t e g r a t e dv e r t i c a l ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ；p u r i f i c a t i o n e f f e c t ；e n z y m ea c t i v i t y 符号说明 c w ( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) ：人工湿地 c w s ( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ss y s t e m ) ：人工湿地系统 i v c w ( i n t e g r a t e dv e r t i c a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) ：复合垂直流构建湿地 i i v c w ( i m p r o v i n gi n t e g r a t e dv e r t i c a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) ：改进型复 合垂直流构建湿地 c i ：种植彩叶草太阳草的复合垂直流构建湿地 c i i ：种植彩叶草太阳草的改进型复合垂直流构建湿地 m i ：种植美人蕉大水剑的复合垂直流构建湿地 m i i ：种植美人蕉大水剑的改进型复合垂直流构建湿地 c k i ：无植物系统的复合垂直流构建湿地 c k i i ：无植物系统的改进型复合垂直流构建湿地 t n ( t o t a ln i t r o g e n ) ：总氮 t p ( t o t a lp h o s p h o r u s ) ：总磷 c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d s ) ：化学需氧量 n o - n ：亚硝态氮 n o - n ：硝态氮 n h * - n ：铵态氮 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：穆确们年毛旯l 3e l 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布d 舞密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 燃一：褥钠：溅多冲钼啪 广西大掌硕士研究生掌位论文两种复合垂，l 流人工湿地净化生活污水的研究 一、我国水资源分析 前言 1 、我国水资源现状 水是一种宝贵的自然资源，是自然界的基本要素之一，是人类和一切生物赖以生存 的物质基础。地球拥有的总水量约为1 3 6 亿亿吨，淡水总量约为3 8 亿亿吨，是地球总水 量的2 8 2 。然而，如此有限的淡水量却以固态、液态和气态的几种形式存在于陆地的 冰川、地下水、地表水和水蒸汽中，其比例分布是：极地冰川占有地球淡水总量的7 5 ， 而这些淡水资源几乎无法利用；地下水占地球淡水总量的2 2 6 3 ，为8 6 0 0 万亿吨，但一 半的地下水资源处于8 0 0 米以下的深度，难以开采，而且过量开采地下水会带来诸多问 题；河流和湖泊占地球淡水总量的0 6 1 ，为2 3 0 万亿吨，是陆地上的植物、动物和人类 获得淡水资源的主要来源；大气中水蒸气量为地球淡水总量的0 0 3 ，为1 3 万亿吨，它 以降雨的形式为陆地补充淡水。由于陆地上的淡水会因同晒而蒸发，或通过滔滔江流回 归大海，地球可供陆地生命使用的淡水量不到地球总水量的千分之三，因此陆地上的淡 水资源量是很紧缺。 我国又是一个水资源非常缺乏的国家，人均淡水量只有世界平均水平的1 4 ，只相当 于美国的1 5 ，前苏联的1 7 和加拿大的1 5 0 t 1 1 ，是世界上1 3 个贫水国家之一。与此同时， 我国城市供水不足现象也愈来愈严重。在全国6 6 8 个城市中，有4 0 0 多个城市供水不足， 1 1 0 多个城市严重缺水。因为缺水，全国工业产值平均每年减少2 3 0 0 多亿元人民币。考 虑到今后人口增加、经济发展，供水需求将大量增加，形势会更加严峻。 据估计，全国年排污水量达数百亿吨，但只有2 4 的工业污水和4 的生活污水经过 处理，8 0 的饮用水源遭到污染，这就更加剧了水资源的缺乏【2 1 ，可以说我国未来水资 源形势严峻。 2 、水资源缺乏的潜在影响 2 1 世纪是我国全面实现现代化的关键时期，水资源的闩趋紧张将对我国的可持续发 展构成严重威胁。随着人口急剧增加和经济高速发展，水的供求矛盾已成为制约我国工 广西大掌硕士研究生掌位论文剪r r t q ：j t - d - - 垂j t - t 人工湿地净化生活污水的研究 农业发展的瓶颈。根据水利部2 l 世纪中国水供求分析，2 0 1 0 年我国工业、农业、生 活及生态环境总需水量在中等干旱年为6 9 8 8 亿立方米，供水总量6 6 7 0 亿立方米，缺水3 1 8 亿立方米。2 0 3 0 年我国总需水量预计为7 8 0 0 亿立方米至8 2 0 0 亿立方米，供水总量为7 4 0 0 亿至7 7 0 0 亿立方米，我国将缺水4 0 0 亿立方米至5 0 0 亿立方米，缺水高峰将会在这一时期 出现。从人口增长上看，2 0 3 0 年左右，我国人口将达到1 6 亿，人均占有水资源量将比目 前减少1 5 ，降至1 7 0 0 立方米左右；从经济增长上看，到2 1 世纪中叶，国内生产总值要增 长1 0 倍以上，城市和工业用水将较大幅度增长，废污水排放量也将相应增加，开源节流 保护任务十分艰巨；从城市发展看，2 1 世纪中叶，我国的城市化率将达到7 0 ，城市水 供求矛盾更加尖锐；从农业生产，特别是粮食生产上看，2 0 5 0 年前，我国粮食产量要比 现在增力1 1 4 0 0 亿公斤以上，这意味着农业灌溉总用水量必须增加，北方地区的水资源形 势将更加严峻。 水资源危机严重地威胁了我国社会可持续发展。第一，水资源危机将会导致生态环 境的进一步恶化；第二，水资源短缺将威胁粮食安全；第三，国民经济损失不断加大。 为保证维持足够的水量和优良水质、满足2 1 世纪不断增长的水资源需求，对污染水体进 行净化脱毒处理，已成为控制污染，保护和改善环境质量，促进经济、社会与环境协调 可持续发展的迫切需求。 目前我国城镇工业废水和生活污水集中进行处理率较低，特别是经济不发达的地区 和小城镇其工业废水和生活污水的处理率很低。大量未经处理、超标排放的污水，对河 流、水库、湖泊造成了严重污染【3 】。传统的污水二级生化处理工艺虽然效果较好，但建 设、运行、维持三费过高，而对于资金有限、技术力量薄弱的中小城市和乡镇，无力拿 出足够的资金用于污水处理厂的建设和运行；也无法满足日益分散的污水处理需求。相 比之下，发展建设、运行和维持费用低、效果好的污水生物修复技术更适合我国国情。 为保障我国国民经济、社会和环境的可持续发展，发展适合我国国情的污水处理工程成 为必然的要求。人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 因此应运而生。它作为一种天然的“污 水处理厂 ，对于发展中国家具有更大的经济效益和环境效益。 二、人工湿地简介 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 生态修复技术是在模拟自然湿地结构与功能的基 础上发展起来的一种污水处理系统，它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重 2 广西大掌硕士研究生学位沦文 两种复合垂直流人工湿地净化生活污水的研究 协同作用来实现对污水的净化。它是人为的将石、砂、土壤、泥炭、沸石等材料的一种 或几种按一定的比例构成的人工基质，并在人工基质上种植植物( 如芦苇等) ，然后根 据水力负荷、污染负荷和停留时间等因素而确定其设计参数，这就成为一个完整的人工 湿地处理系统。它依靠物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离 子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化。 人工湿地处理系统具有以下优点：1 建造和运行费用低；2 易于维护，技术含量低； 3 可进行有效可靠的废水处理；4 可缓冲对水力和污染负荷的冲击：5 可提供和间接提 供效益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教刮4 1 。简而 言之，具有“一高三低一不 的特点，即高效率、低投资、低运行费用、低维持技术和 基本不用电，这对于节省资金、保护水环境以及进行有效的生态恢复具有十分重要的现 实意义，越来越受到世界各国的重视和关注【5 】。应用人工湿地处理污水，其投资和日常 运行费用仅为常规二级污水处理厂的1 1 0 1 2 和l 5 1 3 ，但其出水水质可达到二级 污水处理水平，且适用面广，目前它被广泛应用于处理市政用水【6 1 、生活污水【7 ，8 】、工业 废水1 9 1 、矿山及石油开采废水【1 0 , 1 1 1 、农业点源污染和非点源污染以及水体富营养化问 题的治理【1 3 l 。对于湖泊周边的农田径流和村镇污水等面源污染，因其面广、量大，一般 治理技术都很难见效，人工湿地则由于其特有的生态功能和存在形式，在面源污染控制 方面更具有明显的优势。 按照人工湿地处理系统的布水方式或水在系统中的流动方式，可将人工湿地分为三 类：表面流人工湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d s 缩写为s f w ) ，该类湿地与自然湿地最为接 近，污水在填料表面漫流，通过水面以下植物茎秆上的生物膜来完成对绝大部分有机物 的净化。这种湿地不能充分利用填料层及丰富的植物根系，卫生条件较差，但其具有操 作简单、投资少和运行费用低等优点；潜流人工湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d s 缩写为 s s f w ) ，该类湿地中污水在填料表面下渗流，因而可充分利用填料及植物根系的生物 膜来处理污水，尤其对有机物的去除能力较突出，与表面流人工湿地相比，卫生条件有 所改善，但控制相对复杂；垂直流人工湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d s 缩写为v f w ) ，污 水从垂直流人工湿地表面纵向流向填料的底部，床体处于不饱和状态，氧气可通过大气 扩散和植物传输进入人工湿地系统，其硝化能力比较强，脱n 、除p 的效果好，可用于处 理氨氮含量较高的污水，但垂直流人工湿地对有机物的去除能力不如潜流人工湿地。因 此，不同类型的人工湿地各有优缺点，在实践中应根据污水中污染物的类型和实际环境 而选用不同类型的人工湿地 1 4 】。 广西大学硕士研究生掌位论文 两种复合垂直流人工湿地净1 乞生活污水的研究 三、人工湿地的构成 1 、基质 人工湿地中的基质又称填料、滤料，一般由土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片、粉 煤灰、泥炭、页岩、铝矾土、膨润土、沸石等介质的一种或几种所构成。人工湿地基质 在为植物和微生物提供营养的同时，还通过吸附、沉淀、过滤等作用直接去除污染物。 由于人工湿地类型和污染物种类的不同，所选用的基质也应存在差异。对于表面流人工 湿地，一般采用原位土壤作为人工湿地的基质；而对潜流和垂直流人工湿地，对基质的 水力传导力要求比较高，一般选用渗透性比较高的基质，如碎石、砾石等或它们与土壤 的混合物作为基质材料。 2 、植物 植物是人工湿地的重要组成部分，它在人工湿地净化污水中的主要功能包括：( 1 ) 萃取污染物。植物可以吸收和积累污水中的污染物，转运并富集到植物体内，然后可以 通过收割植物来去除污水中的污染物；( 2 ) 稳定污染物。植物和基质的共同作用下， 可以将污染物如氮和磷等固定在人工湿地中，降低其在环境中迁移的风险；( 3 ) 根际 降解污染物。植物根系及根际微生物能将有机污染物降解，转化为无机物( 如c 0 2 和h 2 0 等) ，使其无害化。 植物生长过程中，通过光合作用将大气中的c 0 2 和根吸收的水分合成碳水化合物， 把太阳能转化为化学能，并储存在碳水化合物中，然后通过韧皮部将碳水化合物输送到 植物体各个生长部位，用于形态建成、维持生长和繁殖以及其它生命活动。输送到根部 的碳水化合物可将其中很大一部分释放到根际，形成根际沉积。根际分泌物是根际沉积 的重要组成部分【”】，它不仅能影响土壤中矿质元素的溶解、吸附和向根表的运输，而且 主要为微生物提供能源和碳源，从而维持根际旺盛的微生物活性【1 6 】。另外湿地中死亡植 株的分解亦为微生物群落提供持久性和有效性的碳源。 植物除直接吸收利用废水中的营养物质、吸附、富集一些有毒有害物质外，还有两 个重要的功能：输送氧气至根区和维持介质的水力传输1 7 1 。由于植物将氧气输送至根区， 致使人工湿地植物根区的还原态介质中形成了氧化态的微环境，这种根区有氧区域和缺 氧区域的共同存在使根区的还原态介质具有穿透作用，使介质的水力传输得到加强和维 4 广西大掌硕士研究生掌位论文两种复合善l 流人工湿地净化生活污水的研究 持。植物的根区为微生物的生存和降解营养物质提供了必要的场所和好氧、厌氧条件。 人工湿地植物根系常形成一个网络样的结构，在这个网络中根系不仅能直接吸附和沉降 污水中的氮磷等一些营养物质，而且还为微生物的吸附和代谢提供了良好的生物环境条 件。同时附近的微生物通过代谢，消耗了水体中的溶解氧，使之呈现厌氧状态，而厌氧 状态有利于反硝化过程，从而能最大限度地除去污水中的n 0 3 n 。j u r g e n 等测试了小型湿 地根区的氧浓度、p h 值及氧化能力，发现三者在植物系统中皆高于无植物系统，即使在 人工湿地中补充碳、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 根区仍然能保持氧化状态【l 引。基于植物在人工湿地废水处理中的重要功能，有植物系统 对废水中的总氮、b o d 5 、氨氮和重金属等去除能力明显高于无植物系统【1 9 , 2 0 l 。 植物本身主要是通过根系从废水中吸收营养物质加以利用、吸附和富集一些有毒害 的物质，其净化效果与根系的组成、长势和生长深度密切相关，同时植物对介质的输氧 能力和穿透介质的作用也与根系的发达程度相关，不同植物的人工湿地废水净化效果存 在着差异，因此选择合适的植物种类在净化污水过程中至关重要。例如，香蒲属植物在 我国有1 2 种之多，有的种类高达几米，有的则高不至f j 3 0 c m 。因此，选择香蒲作为净水植 物时，要选择长苞香蒲( t y p h aa n g u s t a t a ) 和水烛( t y p h aa n g u s t i f o l i a ) 等大型种类，它们不 仅有粗壮的根系，还有许多发达的不定根，而小型种类根系的发达程度无法与前者相比 拟。 3 、微生物 自然界中碳、氮、磷等元素的循环离不开微生物的活动。人工湿地处理废水时，有 机物的降解和氮化合物的脱氮作用、磷化合物的转化等主要是由植物根区的微生物活动 来完成的，人工湿地中微生物的活动是废水中有机物降解的主要机制。植物通过通气组 织的运输，将氧气输送到根区，从而形成了根表面及附近区域的氧化状态，废水中大部 分有机物质在这一区域被好氧微生物利用氧而分解成为c 0 2 和水，有机氮化物等则被这 一区域的硝化细菌所硝化；离根表面较远的区域氧气浓度降低，属于兼性区，硝化作用 仍然存在，但主要是依靠反硝化细菌将有机物降解，并使氮素物质以氮气的形式释放到 大气中；而在根区的还原状态区域，则是经过厌氧细菌的发酵作用，将有机物质分解成 二氧化碳和甲烷释放到大气中。由于人工湿地存在着这样一些氧化区、兼性区、还原区， 不同区域微生物群的相互配合作用而将有机物、氮素化合物等去除。对于废水中的磷化 合物，有机磷及溶解性较低的无机磷酸盐都不能直接被植物吸收利用，只有其溶解后， 广西大学硕士研究生裳位论文两种复合垂，l 流人工湿地净1 艺生活污水的研究 才能被植物吸收利用，从而通过植物的收割而将磷从废水和人工湿地系统中带走。由此 可见，人工湿地微生物的代谢活动是废水中有机物降解的基础机制，废水中的有机污染 物质包括含氨、磷等元素的物质，主要是经过人工湿地中的微生物代谢活动，降解成终 极产物释放到大气中，或为植物及微生物可以吸收利用的营养物质，或转化成为对水环 境无害或毒害较少的物质。 四、应用人工湿地处理污水研究现状 采用湿地改善水质并不是新发明。以前人们通常将污水直接或间接流入洼地，很快 导致湿地的形成，湿地就开始净化污水了。人工湿地净化污水始于1 9 5 3 年德国m a p l a n c k 研究所，该研究所的s e i d e l 博士在研究中发现芦苇能去除大量有机物和无机物。2 0 世纪 6 0 年代末s e i d e l 与k i c k u t h 合作并由k i c k u t h 于1 9 7 2 年提出根区理论【2 1 1 ，掀起人工湿 地的研究热潮。近年来国内外关于人工湿地做出了许多研究，具体有以下几个方面。 1 、关于人工湿地处理污水效翠 人工湿地的建设发展到今天，其去污效率已经显而易见，单纯的去污效率研究已经 不再是研究的熟点【2 2 2 3 1 。然而水处理效率仍然是检验湿地结构合理性和人工湿地建设的 重要依据。湿地处理效率的研究仍然是必不可少的，特别是除污效率的影响因素方面。 大量的观测表明，湿地净化污水的效果是显然易见的。例如，k n i g h t 【2 4 】等对1 3 0 0 多条已报道的数据进行分析，人工湿地对饲养家畜排放水的净化效率平均为：b o d 5 ， 6 5 ；t s s ，5 3 ；n h 4 + - n ，4 8 ；t n ，4 2 和t p ，4 2 。来自美国环保机构的数据库 资料显示出了更高的处理效率，b o d 5 ，t s s ，t n ，n 1 4 4 + - n ，n 0 3 - n 和t p 分别高 达9 5 ，8 8 ，6 7 ，6 1 ，7 2 和7 6 1 2 , 2 5 】。齐齐哈尔大型人工污水处理湿地，其 c o d 和b o d 5 的净化效率最高值分别为8 2 5 和8 6 4 1 2 6 1 。 2 、关于人工湿地植物的遴选 如何选择合适的植物种类是研究提高不同植物种类人工湿地处理效率的一个很重 要的内容。植物的吸收、吸附和富集作用与植株的生长状况和根系发达程度密切相关， 因而不同植物构成的人工湿地净化污水效果存在着差异。不同的物种或同物种在不同 6 广西大学硕士研究生掌位论文 两种复合垂直流人工湿地净化生活污水的研究 湿地环境中的净化效率都会有较大差异。成水平等的研究表明：香蒲、灯心草对于污染 物的去除效率不低于藤草、水葱和芦苇【2 7 】。辛晓芸【2 8 】等研究去除n h 4 + - n 能力：草芦 香蒲 菹草：去c o d 能力：风眼莲 香蒲 菹草 草芦；去总磷能力：菹草 草芦 香蒲 凤眼莲。凤眼莲的根对重金属的富集能力大于茎叶，其中富集倍数依次c r 6 + c u c d ，浮萍对p b 富集能力大于凤眼莲。能否有效处理污水的一个重要因素是选择 种植合适的植物种类。 3 、关于人工湿地堵圣i 司题 人工湿地能有效地去除污水中的有机物、悬浮物、重金属、病原体等污染物质，但 是随着时间的推移，部分营养物质会逐渐地积累，湿地中的微生物相应地繁殖。如果维 护不当，便很容易产生淤积、阻塞现象，使水力传导性、湿地处理效果和运行寿命降低。 湿地阻塞现象产生的原斟2 9 ，3 0 】主要是：床材料中小孔的存在( 细非聚集颗粒，高不均性) ； s s 在土壤孔里富集；生物膜生长在基质上；植物根和根茎的穿入；由于无机的凝胶体的 孔堵塞，主要是石灰岩的钙溶解及随后发生的污水里的硅反应；土壤胶体的解胶和在聚 集间的微孔瓦解死亡；在低p h 时的c a c 0 3 的沉淀和沉积等。 阻塞现象的发生产生有利有弊。一方面它降低了水力传导性使出水不畅，污水的有 效停留时间减少，影响湿地长期运行的稳定性，甚至使湿地系统失去其应有的功能：另 一方面它产生了高效率的生物膜而增加了处理效果。 通过污水的预处理，减少进水中s s 浓度是避免堵塞的有效措施之一。 4 、关于微生物与基质酶的研究 各种类型的人工湿地系统都存在着大量的微生物和基质酶，人工湿地处理废水时， 有机物的降解和氮化合物的脱氮作用、磷化合物的转化等主要是由植物根区的微生物活 动来完成【3 。因此，较系统地研究人工湿地中的细菌、放线菌、真菌对于进一步了解人 工湿地去除污水中氮、磷的机理是非常必要的，对通过改造人工湿地微生物群落结构， 调控人工湿地的废水净化功能将起到积极作用。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。人工芦苇床系统中各类微生物的数量明显地高于天然 芦苇床，微生物的数目和种类与污水净化效果也有一定的关系，芦苇系统内根际微生物 与污染物去除率之间有明显的相关性。污水中的有机污染物是通过芦苇床内各种微生物 7 - 西大学硕士研究生掌位论文两种复合垂，l 流人工湿地净化生活污水的研究 的协同作用而去除 3 2 , 3 3 1 。基质酶的研究是近几年才刚刚歼始，基质酶同生活着的微生物 一起推动着物质的分解和转化。 5 、关于人工湿地净化污水的动力学模型 人工湿地数学模型主要是基于统计学原理、一级反应动力学及生态动力学理论来进 行模拟。1 9 8 6 年，h a m m e r 等【3 4 】开发了一个分散的湿地表面径流的水力模型，对密歇根 卅i 的p o r t e rr a n c h 湿地进行模拟应用；1 9 8 8 年，k a d l e c 等 3 5 j 开发了一个动力学模型，流速 和水位通过表面流一维模型计算，模型应用于密歇根少i h o u g h t o n 湖的一块湿地，对比了 近两年内的系统运行情况，给出了模拟结果；1 9 9 6 年，w a l t o n 等【3 6 1 开发了湿地动力水预 算模型，研究人员采用了阿肯色州东部某沼泽湿地运行数据对模型进行率定和验证，模 型预测比较精确；2 0 0 5 年，l i uw e n x i n 等【，7 】结合氨化、硝化、反硝化、n 的释放和生 物吸收过程开发了一项连续的n 转化模型来描述s s f 的废水处理。该研究对s s f 中n 的转 化进行量化并确立其理论基础，将内布达斯加州湿地的运行数据用于验证n 转化模型， 模拟和预测湿地的功能，成功地重现了出水中有机氮、n h 4 + - n 矛i n 0 3 - n 的浓度变化。n 的转化模型对s s f 的模拟研究发现，n 的主要去除机制是硝化反硝化和植被吸收。 目前，国内对人工湿地模型的应用研究较少。2 0 0 4 年，廖新悌等1 3 8 】以风车草人工 湿地为研究对象，研究猪场废水中有机物的动态模型，在模型中c o d 作为有机物降解的 建模指标。结果表明，湿地进出水c o d ) 1 艮从指数方程规律，提出了基于运行温度和进水 浓度的湿地出水c o d 预测模型，预测结果误差在1 0 以内。 五、存在的主要问题 1 、本土植物筛选的问题 植物是人工湿地的重要组成