（植物学专业论文）人工湿地系统主要组分净化畜禽养殖废水及安全回灌的研究.pdf

什肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论文 摘要 目前，畜禽养殖产生的废水已成为我国水体富营养化主要污染源之一，严重影 响我国的生态环境、经济和社会的健康发展。人工湿地就是根据生态学原理实施的 废水处理技术，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由基质、挺水与沉水植被、 微生物和水体组成的复合体。人工湿地系统中的基质、植物和微生物三大主要组成 要素对废水中的污染物起到去除作用，适合我国经济发展水平不高、能源短缺的中 小城市和广大农村地区应用。 本实验对人工湿地的基质组分和植物种类对畜禽养殖废水的除污净化效果，以 及经基质治理的水体安全回灌进行了研究，以期为人工湿地中植物和基质的选择、 人工湿地运行的预期效果提供理论依据和技术支持，为合理利用养殖废水提供参考 依据。取得的主要研究结果有： 1 选用活性炭与炉渣( 1 ：3 ) 、陶粒和火山岩三种基质，分别构建垂直流柱体， 对其净化畜禽养殖废水的效果进行了研究，结果表明：三种基质对废水水体中的总 磷都有很好的去除效果，最大去除率分别达9 9 8 、8 2 2 和9 3 3 ；对浊度的最大 的去除率分别达9 9 3 、9 0 6 和8 2 8 。活性炭与炉渣混合基质对生物需氧量( c o d ) 和总氮去除效果比火山岩和陶粒强，其对c o d 的去除率比火山岩和陶粒分别多 3 4 6 和3 9 7 ，对总氮的去除率分别比火山岩和陶粒多2 9 8 和5 3 6 。在基质处 理水体0 - - 5 天时间段间，模型内污水各项污染指标迅速降低，随后趋于稳定。 2 在以浮水植物和沉水植物净化畜禽养殖废水时发现，浮水植物浮萍对养殖废 水有很好的净化效果，其对c o d 去除率可达到4 3 8 3 ，总磷的去除率达到9 5 9 5 。 对于挺水植物芦苇和蒲草来说，两者对总磷的去除率分别达7 9 8 5 和6 5 3 ，其中 芦苇对c o d 的去除率可达4 6 1 7 。在五种植物的净化箱污染水体中的铵态氮的降 解率都在9 5 以上，其中沉水植物狐尾藻对总氮的去除效果最好，可以达到7 6 4 ， 比龙须眼子菜和浮萍高2 9 2 9 和4 6 7 7 。因此，可将不同植物合理搭配种植，发挥 协同作用，达到去污最大化。 3 水体回灌研究表明，将畜禽养殖废水直接回灌作物，对作物生长具有一定的 危害，使萝b 和茴香的发芽率明显降低，萝卜的结实率也降低。作物生长到一定阶 段后，利用畜禽养殖废水回灌，对粮食作物玉米的影响不大，但使萝b 的单株鲜重 明显降低。经垂直流处理的人工湿地水体，利用其回灌农作物，其综合效果最佳。 关键词：畜禽养殖废水：人工湿地；基质：植物；安全回灌 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论文 s u m m a r y l i v e s t o c kw a s t e w a t e rh a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h em a i ne u t r o p h i c a t i o nw a t e r p o l l u t i o n s o u r c e si no u rc o u n t r yn o w d a y s ，w h i c h s e r i o u s l y i n f l u e n c e d e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t ，e c o n o m i c a la n ds o c i a lh e a l t h yd e v e l o p m e n t a r t i f i c i a lw e t l a n ds y s t e mi s c o m p l e x f o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t c o m p o s e do fm a t r i x ，e m e r g e n ta n ds u b m e r g e d m a c r o p h y t e s ，m i c r o b ea n dw a t e rb o d y ，w h i c hd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e db ya n a l o g e d n a t u r a lw e t l a n da c c o r d i n gt oe c o l o g yp r i n c i p l e t h em a t r i x ，m a c r o p h y t e sa n dm i c r o b eo f a r t i f i c i a lw e t l a n ds y s t e mc o u l dr e m o v ep o l l u t a n t so fw a s t e w a t e r ，a n dt h es y s t e mi ss u i t e d f o rt h es m a l la n dm e d i u m s i z e dt o w n sa n dt h ec o u n t r y s i d ea r e a e sw i t hl o w e rl e v e l e c o n o m ed e v e l o p m e n ta n de n e r g ys h o r t a g e i nt h ee x p e r i m e n t ，t h em a t r i xc o m p o n e n t so fa r t if i c i a lw e t l a n ds y s t e ma n dt h e p u r i f i c a t i o ne f f e c to fp l a n tk i n k so nl i v e s t o c kw a s t e w a t e r ，a n ds a f e t yr e c i r c u l a t i o no fw a t e r t r e a t e dw i t hm a t r i xw e r es t u d i e df o rp r o v i d i n gt h e o r yb a s i sa n dt e c h n i q u es u p p o r tf o r s l e c t i o no fp l a n ta n dm a t r i x ，a n dm o v e m e n to fa r t i f i c i a lw e t l a n ds y s t e m ，a n dp r o v i d i n g r e f e r e n c eb a s i sf o rr e a s o n a b l eu s eo fl i v e s t o c kw a s t e w a t e r t h em a i nr e s u l t sa sf o l l o w i n g ： 1 t h ev e r t i c a lc u r r e n tm a t r i xo fa r t i f i c i a lw e t l a n ds y s t e mw a sc o n s t r u c t e du s i n g a c t i v a t e dc h a r c o a la n dt h es l a g ( 1 ：3 ) ，c e r a m s i t ea n dv o l c a n i cr o c kr e s p e c t i v e l y ，a n di t s e f f e c to f p u r i f y i n gl i v e s t o c kw a s t e w a t e rw a ss t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h r e ek i n d s o fm a t r i xh a dg o o dp u r i f i c a t i o ne f f e c to nt h et o t a lp h o s p h o r u so fw a s t e w a t e r ，a n dt h em o s t e l i m i n a t i o nr a t ec o u l dr e a c h9 9 8 ，8 2 2 a n d9 3 3 r e s p e c t i v e l y ，a n dt h em o s t e l i m i n a t i o nr a t ec o u l dr e a c h9 9 3 9 0 6 a n d8 2 8 f o rt u r b i d i t yo fw a s t e w a t e r r e s p e c t i v e l y t h em i x e dm a t r i xo fa c t i v a t e dc h a r c o a la n ds l a gh a db e t t e re l i m i n a t i o ne f f e c t o nb i o l o g i c a lo x y g e nd e m a n d ( b o d ) a n dt o t a ln i t r o g e nt h a nv o l c a n i cr o c ka n dc e r a m s i t e w i t hm o r et h a n3 4 6 a n d3 9 7 e l i m i n a t i o nr a t ef o rc o da n d2 9 8 a n d5 3 6 f o rt o t a l n i t r o g e nr e s p e c t i v e l y t h ep o l l u t i o ni n d e x e so fw a s t e w a t e ro ft h ea r t i f i c i a lm o d e lr e d u c e d r a p i d l ya n d r e m a i n e ds t e a d l yf r o m0t o5d a y st r e a t m e n tw i t hm a t r i x 2 t h er e s u l t sf r o ml i v e s t o c kw a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o nw i t hf l o a t i n ga n ds u b m e r g e d m a c r o p h y t e ss h o w e d t h a tt h ef l o a t i n gd u c k w e e dh a db e t t e rp u r i f i c a t i o ne f f e c to n w a s t e w a t e ra n de l i m i n a t i o nr a t e sw e r e4 3 8 3 f o rc o da n d9 5 9 5 f o rt o t a lp h o s p h o r u s t h ee m e r g e n tp l a n t so fr e e da n dt h es t e m o fc a t t a i lh a d7 9 8 5 a n d6 5 3 t o t a l p h o s p h o r u se l i m i n a t i o nr a t e s a n d4 6 17 c o de l i m i n a t i o nr a t ef o rr e e d t h e d e g e n e r a t i o nr a t eo fa m m o n i u mn i t r o g e nr e a c h e da b o v e9 5 i nt h ew a t e rp u r i f i c a t i o n i n c u b a t o r sp l a n t e df i v ek i n d so fp l a n t s s u b m e r g e dm a c r o p h y t em y r i o p h y l l u ms p i c a t u m 4 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论义 h a dt h eb e s te l i m i n a t i o nr a t eo ft o t a ln i t r o g e nw i t h7 6 4 w h i c hw a s2 9 2 9 a n d4 6 7 7 h i g h e rt h a np o t a m o g e t o np e c t i n a t u sa n dd u c k w e e d t h e r e f o r e ，t h ed if f e r e n tc r o p sc o u l d b e p l a n t e dr e a s o n a b l y t om a k et h e mp l a yc o o r d i n a t i o nr o l ea n do b t a i ne x c e l l e n t p u r i f i c a t i o no f w a s t e w a t e r 3 t h er e s u l to fw a t e rs a f e t yr e c i r c u l a t i o nr e s e a r c hs h o w e dt h a ti th a dac e r t a i ni m p a c t t ot h ec r o pg r o w t hi fl i v e s t o c kw a s t e w a t e rw a sd i r e c t l yi r r i g a t e dt os o i l ，w h i c hr e d u c e d g e r m i n a t i o np e r c e n t a g eo fv e g e t a b l e so fr a d i s ha n da n i s e ，a n dr o o te n l a r g e m e n tr a t eo f r a d i s h t h ei m p a c tw a sn o tg r e a tf o rt h ec o r nc r o pg r e wt oac e r t a i ns t a g eb yl i v e s t o c k w a s t e w a t e ri r r i g a t i o nd i r e c t l y ，h o w e r e r ，i td e c r e a s e do b v i o u s l yf l e s hw e i g h tp e rp l a n to f r a d i s h w a t e rr e c i r c u l a t i o nh a dt h eb e s tc o m p r e h e n s i v ee f f e c to nc r o p si r r i g a t e dw i t ht h e a r t i f i c i a lw e t l a n ds y s t e mw i t hv e r t i c a lc u r r e n tm a t r i xt r e a t m e n t k e y w o r d s ：l i v e s t o c kw a s t e w a t e r ；a r t i f i c i a lw e t l a n d ；m a t r i x ；p l a n t ；s a f e t y r e c i r c l a l a t i o n 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论义 独创性申明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所得 的成果。学位论文中凡应用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明 确注明应用的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本人的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： ，a 1 日期： 6 3 甘肃农业大学 学位论文版权认定和使用授权书 研究生姓名： 奎尘朋所在学院：尘金型堂撞盔堂医 学位级别：亟 学科专业：撞物堂 学位论文题目：王湿丝丕统圭要组佥逢丝查盒菱殖废丞星塞全回灌的婴宜 本人于2 q q z 年生月量f 1 至2 q q 墨年j 卫月上业日在导师毖主：王童圈 的研究。 现认定以下条款： 1 、本人毕业后发表与研究内容有关的文章，作者第一署名单位为甘肃农业大学。 2 、学位论文中包含的研究成果的知识产权归苴虚盔些太堂 。 未经指导教师和 苴壶壅些盔堂塑王童圈 同意， 本人不得私自从事与课题有关的任何开发和盈利性活动。 3 、本人完全了解甘肃农业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借用。本人授权甘肃农业大学可 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，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) 工作单位：无 通讯地址：安徽省六安市金安区 佩门 导师签名： 签字日期：口7 年石月f 日 电 话：1 3 6 9 1 5 6 8 2 5 6 邮编：2 3 7 0 0 0 灯1 日触方执 ： 后 名 年 业 签q如 者 口 者 作 ： 作 文 期 文 论 日 论 位 字 位 学 签 学 廿肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 畜禽养殖业是我国农业的一大主导产业，而畜禽养殖污染则成为我国农村面源 污染的主要原因之一，随着畜禽业生产的快速发展，特别是规模化养殖的发展，大 量的畜禽排泄物和各种废弃物的产生，造成畜禽业发展与环境污染的矛盾日益凸现。 2 0 0 4 年，我国的畜禽养殖粪便排放量得到2 5 亿吨，而当年工业固体废物产生量仅为 1 2 o 亿吨，全国工业废水的化学需氧量( c o d ) 排放总量为5 0 9 7 万吨，生活污水 c o d 排放量为8 2 9 4 8 万吨，而养殖废水中c o d 含量高达5 4 6 5 5 3 万吨，成为最大 污染源( 表1 1 ) 【i 】。近年来，畜禽养殖污染公害事件常有发生，农村畜禽养殖污染 已经成为农业面源污染的主要来源【2 - 3 1 ，养殖场废水含有大量污染物质，其污染负荷 很高，若直接排入或随雨水冲刷进入江河湖库，大量消耗水体中的溶解氧，使水体变 黑发臭。水中含有大量的n 、p 等营养物会造成水体富营养化，排入鱼塘及河流使对 有机物污染敏感的水生生物逐渐死亡，严重者导致鱼塘及河流丧失使用功能。养殖 污水长时间渗入地下，使地下水中的硝态氮或亚硝态氮浓度增高，地下水溶解氧含 量减少，有毒成分增多，导致水质恶化，甚至丧失其使用功能，同时危及周边生活用 水水质。高浓度废水还可导致土壤孔隙堵塞，造成土壤透气、透水性下降及板结、 盐化，严重降低土壤质量，甚至伤害农作物，造成减产和死亡。可见，规模化养殖 废水己成为我国许多地区的主要污染源，在未来的几十年中，我国规模化养殖业将 不断发展，随之而来的污染压力将大增，故治理规模化畜禽养殖废水迫在眉睫。 就目前我国养殖业废水处理来说，采用强制的物理化学措施强化处理，往往成 本过高，主要为设施投入过大，运转费用过高。我国畜禽养殖业主要集中在农村地 区和城郊，养殖废水分布不集中，给养殖废水的工厂化处理带来困难，加之农村经 济能力有限，使用此方法变得不切实际。而人工湿地的特点恰好能弥补养殖业经济 能力有限、缺乏有一定操作与管理水平的技术人员的局限，尤其适合地处农村地区 的养殖场。人工湿地就是根据生态学原理实施的一项治理污水处理技术，具有高效 率、低投资、低运行费用、低维持技术等优点，它尤其适合我国经济发展水平不高、 能源短缺、中小城市和广大农村地区应用。 1 2 畜禽养殖废水的治理方法 目前治理水污染的方法很多，按照其作用原理可以分为物理法、化学法和生物 6 计肃农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文 法。物理处理方法主要是利用过滤、沉淀、浮选等方法除去悬浮物；化学处理方法 包括中和、氧化、化学凝聚、电解凝聚、离子交换等方法；生物处理方法利用微生 物生命运动过程中的生化作用，将有害有机物分解转化为无害的简单物质，达到废 水净化的目的。但利用物理和化学方法，花费比较大，结合我国的国情，其不利于 推广。我国地域广阔，特别是农村地区，目前农村水污染问题却十分严重，是新农 村建设的制约因素之一。如何因地制宜，建设村镇污水处理设施，治理村镇水污染， 改善农村生活环境条件，是当前要解决的重要问题。而利用生物方法逐渐被人们所 认可和推崇，其中人工湿地的方法，因为其不但有高效率、低投资、低运行费用、 低维持技术等原因，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，因此越来越受到世界各国的重视和关注。可广泛应用于城镇污 水，畜牧业、食品业污水等的处理【4 】。 表1 12 0 0 0 2 0 0 4 年我国畜禽粪便排放总量和主要污染物排放量( 单位：万t ) t a b l el - le m i s s i o na m o u n to fli v e s t o c km a n u r ea n dm a j o rp o ll u t a n t sf r o m2 0 0 0t o2 0 0 4i nc h i n a 注：数据来源于国家环境保护总局自然生态保护司。 1 3 人工湿地的主要组成 美国著名的湿地研究、设计与管理专家h a m m e r 【5 j 将人工湿地定义为“一个为了 人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水 植被、动物和水体组成的复合体”。人工湿地主要是由基质、植物和微生物三大部分 组成，在一个湿地系统中，三者都能对污水中的污染物起到去除作用。湿地植物能 直接吸收利用污水中可利用的营养物质、吸附和富集金属及其他有害物质；植物根 系区巨大的表面积会附着大量微生物形成的生物膜，而根系对氧的传输与释放，会 创造有利于各种微生物生长的微环境，污水中的有机质及氮、磷等污染物能通过生 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文 物膜的吸附和同化、异化作用得以去除。根系的生长还能增强和维持介质的水力传 输，有利于湿地系统的均匀布水，延长系统实际水力停留时间【6 】。填料介质还能通过 吸附、截留过滤和沉淀作用去除水中污物。因此人工湿地系统是利用湿地床中植物、 微生物及填料的物理、化学和生物协同作用净化污水的。 1 3 1 基质 基质是构成人工湿地不可或缺的成分，也是影响人工湿地的重要因素。基质一 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。国外还以碎玻璃作为填料7 1 。徐德福【8 1 等从工程角度 来探讨了人工湿地，认为大部分物理、化学和生物反应等都在基质中进行。不同基 质对污染物的净化能力存在明显差异，筛选对污染物净化能力强的当地材料作为人 工湿地基质，不但能提高人工湿地的净化能力和使用寿命，还能减少人工湿地的投 资成本。不同人工基质在对水体中污染物的吸收效果也各不相同。g e l l e r 9 】也认为钙 与铁、铝相比对磷具有更强的结合能力，以除磷为目的的人工湿地最好选用含钙质 的填料可显著提高除磷效果：崔理华等【lo 】利用9 种基质对磷的吸附去除率的研究中 以草炭为最高，达到9 2 o ：黄忠良等i 发现沸石和蛭石吸附净化氮磷的能力较强， 砂子吸附净化氮素能力最差。不同人工基质的配合使用能够增强湿地的去污能力， 是今后解决人工湿地问题的亮点。 1 3 2 植物 随着植物修复技术的兴起，利用水生植物对污水治理越来越受关注，目前治理 污水所选的植物主要分三大类，即：沉水植物、浮水植物和挺水植物。随着研究的 深入，植物在人工湿地中的作用机理越来越明朗化，植物在治理污水中有作用机理 可归结为三个方面【佗】：一是直接吸收污水中可利用的营养物质，吸附和富集重金属 和一些有毒有害物质；二是为根区好氧微生物输送氧气：三是增强和维持介质的水 力传输。植物的作用形式多种多样，主要有加固植物床、改变水力传导能力、创造 生物共生条件、杀菌、向基质中释放氧气及景观美学作用等方面。植物的选择和配 置是当前影响人工湿地的重要因素，对于不同的废水，植物的选择性相当重要，从 某程度上来说，对于一个湿地系统，植物的选择和配置是关系到其是否成功的关键。 目前供人工湿地系统选择的植物很多( 表1 2 ) ，不同污水所选的植物也各不相同。 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论文 表1 2 不同植物对引起水体污染物质的吸收状况 t a b l el - 2w a t e rp o l l u t a n t sa b s o r b t i o no f d i f f e r e n tp l a n t s 植物名称p l a n tn a m e废水去污效果e f f e c to f w a s t e w a t e re l i m i n a t i o n p h i l o x e r o i dg r i s e d 水芹菜a r a b i sg e m n i f e r am a k i n o 对n 、p 都有很好的吸收能力i m l 微齿眼子菜p d t a m o g p t o 甩 对n 、p 都有很好的吸收能力【1 4 1 m a a c k i a n u sa b e n n o t t 伊乐藻 对n 、p 吸收显著，种植此对污水水质改善明显【”】 e l o d e ac a n a d e n s 括m i c h x 黄花水龙l u d w i g i ap e p l o i d e s 黄花水龙( 鲜重) 可去除no 11 9m g ( g d ) f 1 6 】： 苦草v a l l i s n e r i as p i r a ll 将其种植在养猪废水的氧化塘中，苦草在湿地中对净化效率达 到9 7 。t p 净化效率为9 8 i 1 ： 菖蒲a c o r u sc a l a m u s 厶t n 、t p 和c o d 的去除率分别达到7 2 4 6 、9 0 3 6 和 6 5 0 5 1 1 7 i 。 黑麦草l o l i “所p p 彤朋p 三 黑麦草覆盖率为3 0 时，t n 的去除率最高，达到7 4 9 1 【1 8 】： 水葫芦e i c h h o m i ac r a s s i p e s水葫芦对化粪池废水中的c o d 、t n 、t p 的去除率分别可达 s o l m s 9 2 ，3 4 15 、4 9 3 1 1 9 1 ：10 - 一ll g 水葫芦可使2 5 0m l 中lm g l 的乙硫磷、三氯杀螨醇、三氟氯氰菊酯消解速度分别提高 2 8 3 3 3 、10 6 6 4 、3 6 2 2 3 1 2 0 1 ： 黑藻h y d r i l l a v e r t i c i l l a t 将其分别放入到莠去津l 2h 、林丹2 4h 、氯丹1 4 4h ，其富 v e r t i c i l l a t ar o y l e 集系数分别为9 6 2 、3 8 1 5 、1 0 6 0 9 51 2 0 1 ； 芦竹a ，“n d od o 行锻l c r 6 + 去除率为6 3 8 1 2 1 l ； 石莼u l v al a c t u c al c u 去除率为6 5 5 4 m g g 。1 2 2 l ； 海洋巨藻d u r v i l l a e a p o t a t o r u m p b 去除率为3 2 1 1 6m g g 1 2 3 1 ： 马尾藻s a r g a s s a c e a e a g c d 去除率为1 8 1 4 8m g g 。1 【2 4 j ； 香蒲聊幻d ，i e n t a l p r e s ， 甲霜灵和西玛津分别可以达到3 4 和6 5 1 2 5 】； 灯心草j u n c “se f f u s u s c o d 的去除率达到4 2 - - - 4 6 1 2 6 】： 芦苇p h r a g m i t e si st r n 湿地氨氮、b o d 和s s 的去除率分别达到3 0 、5 0 0 和6 0 左 右【2 7 j ： 菹草p o t a m o g e t o nc r i s p “l 对河道悬浮泥沙有很强的沉降作用【2 8 】 1 3 3 其它组成部分 湿地还有其它组成部分，例如微生物和动物等。其中微生物是人工湿地必不可 少的因素，微生物同其它条件配合，具有吸附、生物降解功能，同化水中的有机物 9 什肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论文 和某些无机物，达到净化污水的目的。它具有运行费用低、环保、效率高、污泥相 对易处理等特点，是现代人工湿地中重要的环节。在个特定的人工湿地系统中， 影响微生物的因素很多，其中基质就是一个重要因素，不同湿地基质中微生物的数 量差异显著，湿地基质中不同空间位置的微生物数量各不相同【2 9 】；同时是否添加复 合微生物制剂及酶制剂也会影响微生物的去污能力，林静【3 0 j 等利用添加复合微生物 制剂及酶制剂能增强人工湿地的去污能力，添加复合微生物制剂及酶制剂对芦苇人 工湿地系统去除苏州河水污染物的影响。有研究表吲3 i 】，复合微生物制剂和酶制剂 的投加可以增加系统的微生物数量和酶活，提高污染物的去除率，其中氨氮去除率 与硝化细菌数量之间存在明显的相关性，说明复合微生物制剂及酶制剂的投加强化 了人工湿地氨氮的转化，这也是未来人工湿地发展趋势。对于人工湿地来说，动物 也是其其在食物链与营养级的生态平衡中起到重要作用，进而对人工湿地污水处理系 统的稳定性作出了重要贡献。目前，关于人工湿地中动物参与污染物净化方面的研 究甚少，其中鱼类【3 2 】是人工湿地中不可或缺的一部分，其存在在一定程度上有利于 控制植物的生长，能够实现污染物的转移。湿地中其它动物也起动很重要的作用， 有研究【3 3 1 提到了蚯蚓能起到清洁垃圾的作用，从而减少了排泥次数。蚯蚓和沙蚕对 重金属有富集作用，可以推测这些动物对污水中的重金属去除也能起一些作用。 1 4 人工湿地的分类 国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样1 3 4 1 。目前主要有以下三种分类方法， 即按照人工湿地水流方式分类、按照人工湿地中植物分类和按照人工湿地中用途分 类。根据湿地中主要植物形式人工湿地可分为浮游植物系统、挺水植物系统和沉水 植物系统。其中沉水植物系统还处于实验室研究阶段，其主要应用领域在于初级处 理和二级处理后的精处理；浮游植物主要用于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。人工湿地根据其具体用途至少可分 为4 大类：人工生境湿地，协助天然湿地用于生物多样性的保护：人工抗洪湿 地，用于控制洪水或泄洪；人工水产湿地，用于农业生产与水产养殖；人工处 理湿地，用于污水污物处理。 不同水流方式在人工湿地去污能力上起到重要的作用，按照人工湿地水流方式 分类是当今最常见也是最经典的方法，按照此分类的湿地对特征污染物的去除效果 不同，具有各自的优缺点。从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同或水 流方式差异一般分为自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地 i o 计肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论文 和复合垂直流人工湿地。 1 4 1 表面流人工湿地 它与自然湿地最为接近。污水在基质表面漫流，绝大部分有机物的去除是由植 物在水下部分的茎和杆上的生物膜来完成。污水从湿地表面流过，具有投资省、操 作简便、运行费用低等优点，但占地面积较大，水力负荷较小，去污能力有限。氧 主要来源于水体表面扩散、植物根系的传输，但传输能力十分有限。湿地系统运行 受气候影响较大，夏季有孳生蚊蝇的现象，故在设计中一般不采用。这种湿地不能 充分利用填料层极丰富的植物根系，北方地区冬季表面会结冰，目前较少采用【3 5 3 6 】。 主要构造如图1 1 。 图l 一1 表面流人工湿地 f i g i is u r f a c ef l o wa r t i f i c i a lw e t l a n d 1 4 2 水平潜流人工湿地 潜流人工湿地( 图1 2 ) 因污水从一端水平流过填料床而得名。床体设有防渗层， 防止污染地下水。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大， 对b o d ( 生物需氧量) 、c o d 、s s ( 悬浮固体) 、重金属等污染物的去除效果好，而 且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象。但其脱氮除磷效果不如垂直潜流人工湿地。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，是应用较广的一种湿地处 理系统，尤其适合北方地区的气候特点【3 7 1 。因而被欧洲、澳大利亚和南非等国所广 泛接受【3 8 】。 十t 肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论义 图i - 2 水平潜流人工湿地 f i g 1 2h o r i z o n t a lf l o wa r t i f i c i a lw e t l a n d 1 4 3 垂直潜流人工湿地 垂直流人工湿地中( 图1 3 ) ，污水流动方式基本综合了s f w 和s s f w ( 潜流湿 地) 的特点，是从表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧气可以通 过大气扩散和植物传输进入人工湿地系纠3 9 1 。但其控制相对复杂，建造要求较高。 该类型人工湿地投资低、运行费用省、维护简单、出水水质好，是一种实用有效的 水处理技术，对水体水质改善和水生生态系统的恢复具有重要意义。污水从湿地表 面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进 入人工湿地系统。垂直潜流人工湿地的硝化能力高于水平潜流人工湿地，可用于处 理氨氮较高的污水【4 0 1 。 图1 3 垂直潜流人工湿地 f i g 1 - 3v e r t i c a lf l o wa r t i f i c i a lw e t l a n d t t 肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论文 1 4 4 复合垂直流人工湿地 复合垂直流人工湿地( i n t e g r a t e dv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 是近年来兴起 的一种新型污水处理技术，是在“九五”期间，中科院水生所与德国科隆大学、奥地 利维也纳农业大学共同承担的欧盟国际合作项目的科研技术成果【4 l 】。复合垂直流人 工湿地由一下行流池和一上行流池组成。下行流池中表面为一排布水管，下钻小孔， 使进水均匀地分布到湿地表面，能充分利用垂直流湿地的界面作用；上行池填料表 面为一排集水管，下钻小孔用来收集出水，下行与上行池底由许多有小孔的塑料管 相连，下行池比上行池略高。复合垂直流人工湿地与单一垂直流相比，首先，由于 使用布水管进水，水流不易短路，并且较均匀：其次，污水在湿地中的停留时间延 长，使得处理更充分：最后，由于下行流池比上行流池略高，使得复氧迅速，同时 因为多了一个上行流池，通过植物作用增加了氧的供给有利于根区好氧微生物的活 动，不但使硝化作用加强，而且改变了潜流及垂直流湿地出水的厌氧状况，出水气 味清新，并因为随氧化还原电位的升高使得p 的释放缓慢，因而可获得较好营养盐 去除结果【4 2 , 4 3 。 1 5 人工湿地治理污水国内外应用进程 虽然人类很早就有运用湿地处理污水的现象，但首次公开报道是1 9 0 3 年p e t e r d t 4 4 1 。人工湿地的应用真正应用于1 9 5 3 年，德国的m a xp l a n c k 研究所首例采用人工 湿地净化污水，该研究所的s e i d e l 4 5 】博士在研究中发现芦苇能有效地去除无机和有机 污染物。2 0 世纪6 0 年代末，s e i d e l 和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，该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用热潮。人工湿地污水处理系统在8 0 年代得到了迅速的发展，仅丹麦就建立了3 0 多个人工湿地污水处理厂，英国s e s e m t r e n e 水公司的人工湿地污水处理厂从8 0 年代末的3 处迅速发展为现在的1 0 0 余处 【4 6 1 。北美自7 0 年代开始对不同设计的人工湿地进行了广泛的试验，根据对1 0 4 座潜 流系统和7 0 座自由水面系统的运行数据统计表明，2 种人工湿地均可有效地去除s s ( 悬浮固体) 、b o d 与病原微生物，也能有效去除n 和p ，出水可达三类水域( 适于 集中式生活饮用水水源地二级保护区、鱼类保护区及游泳区) 的水质标准。2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初在英美相继召开了人工湿地研讨会提出了许多有关污水净化机理 和处理系统参考设计规范及数据。1 9 9 6 年9 月在奥地利维也纳召开的第4 届国际研 讨会标志着人工湿地系统作为一种独特新型废水处理技术正式进入水污染控制领域 【4 7 4 引。 什肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论义 我国于“七五”期间开始人工湿地研究，首例采用人工湿地处理污水的研究工作 始于1 9 8 7 年，由天津市环境保护研究所建成的占地6h m 2 的处理规模为1 4 0 0m 3 d 的芦苇湿地工程此后建成了北京昌平自由水面人工湿地工程和深圳白泥坑人工湿地 示范工程，2 0 世纪末建成的成都活水公园更展示了人工湿地污水处理新工艺【4 9 1 。目 前，人工湿地的研究和应用正方兴未艾。 目前人工湿地的应用范围也在不断的扩大。人工湿地独特而复杂的净化机理使其 能够在重金属工业废水、难降解有机废水的处理中发挥良好的作用，因此人工湿地 污水处理系统的应用有向特殊工业废水与农业面源污染治理方面转移的趋势。近1 0 年来，一些研究开始涉及用人工湿地处理工业废水与农业废水等的研究【5 0 】。人工湿 地独特而复杂的净化机理使其能够在重金属工业废水、难降解有机废水的处理中发 挥良好的作用，因此人工湿地污水处理系统的应用有向特殊工业废水与农业面源污染 治理方面转移的趋势。近年来，国内外许多学者与工程技术人员已对人工湿地进行工 艺改进或与其他系统联合后用于农业面源污染、城市与公路非点源污染的治理。 美国、德国还将其推广应用于垃圾渗滤液的处理。这些废水的特征污染物主要有重 金属离子、b o d 、c o d 和病原菌及油类污染物等。 1 6 人工湿地净化污水的机理 1 6 1 植物的除污机理 当废水流经时，固体物被人工基质及植物根系阻拦截留，有机质通过生物膜的 吸附，同化及异化作用而得以去除。因湿地植物根系对氧的传递释放，湿地床层及 其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，有利于硝化、反硝化作用及 微生物对磷的过量积累作用，达到脱除氮磷的效果，最后通过湿地基质的定期更换 或植物收割使污染物质最终从系统中去除。植物治理水体污染主要有三种机制【5 2 】： 一是植物直接吸收并在植物组织中积累非植物毒性的物质。具有特殊功能的植物能 直接从污染水体或土壤中吸收污染物并分解，通过木质化作用使其成为植物的组成 部分，再通过代谢或矿化作用使其转化为c 0 2 和h 2 0 ，或通过植物的挥发作用达到 修复的目的。二是植物产生并释放出具有降解作用或促进环境中生物化学反应的酶 等根系分泌物。植物释放到根际土壤中的酶系统可直接降解有关化合物，这己被一 些研究证实。植物释放到土壤中的酶系统可以直接降解有机污染物，包括农药和重 金属等。例如，植物根中的硝基还原酶可降解含硝基的农药；植物中的脱卤素酶和 漆酶，可降解有机氯农药【53 1 。与植物酶有关的有机污染物降解速度非常快，从而大 1 4 寸t 肃农业大学2 0 0 9 届硕上学位论文 大降低了污染物在水体和土壤中的残留和危害。三是植物根际与微生物的联合代谢 作用。植物根系、根系微生物和土壤组成的根际微生态系统是土壤中最活跃的区域， 由于根系的存在，增加了微生物的活动和生物量，目前利用微生物和植物协同对水 体污染进行修复是最常用的方法，在很大程度上优于单因素组分的作用。 1 6 2 基质除污机理 基质在为植物和微生物提供生长介质的同时，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，水平潜流和垂直潜流湿地基 质的选择因污染物的不同而异，同时应考虑便于取材、经济适用等因素。一般来说， 采用潜流人工湿地处理以s s 、c o d 和b o d 为特征污染物的污水时，根据水力停留 时间、占地面积和出水水质等限制因素，可以选用土壤、细沙、粗沙、砾石、碎瓦 片或灰渣中的一种或几种为基质。 目前潜流型人工湿地常用的基质普遍为河沙和砾石，净化效果差，即使是以当 地土壤作为表面流人工湿地基质，其表层土壤也往往易被污染物吸附饱和。有人建 议添加化学絮凝剂和沉淀剂，但有可能造成这些化学添力d n - - 次环境污染。开发当 地吸附能力较强的人工湿地基质或者利用吸附能力较强的无污染的工业副产物作为 人工湿地基质或者添加剂，是解决人工湿地基质净化能力低下的首选措施【5 4 】。人工 湿地能有效地去除悬浮物和有机物，但是，考虑到营养物质的累积，人工湿地的运 行并不很好，因为只有3 0 的n 和p 被去除，而且通常在几年内基质吸p 能力就会 饱和，并开始释放过剩的p 。此外，人工湿地比传统二级生化处理技术需要更大的占 地面积。因此，可能受到土地面积需求的限制，特别是在城市化地区。垂直流人工 湿地( v f w ) 己被认为是废水硝化可靠的天然系统。当采用人工土壤作为基质时