（农业水土工程专业论文）人工湿地填料优选及净化效果试验研究.pdf

摘要 人工湿地是一种新型污水处理工艺，填料是人工湿地的重要组成部分。填料的理化性质对 污水处理效果影响很大，特别是对磷的去除。因此选用合适的填料能够提高人工湿地对污水的 净化效果。本文采用了批量平衡实验和模拟土柱试验，研究不同填料对磷的吸附容量、吸附特 性，不同填料对磷的净化效果以及多指标下混合填料对污水的净化效果，并用c d e 模型拟合 磷在填料中的吸附过程。有关研究内容如下： ( 1 ) 批量平衡实验，研究了租砂、石灰石，钢渣、砂土、页岩、褐铁矿( 2 f e 2 0 3 3 h 2 0 ) 、 磁铁矿( f c 3 0 4 ) 等湿地填料对磷的等温吸附特性结果表明，f r e u n d l i c h 和l a n g m u i r 都能描述上 述填料对磷的吸附过程。对磷的理论饱和吸附量分别为1 8 6 6 m g f k g ，8 0 6 5 m g k g ，1 4 2 8 6 m g k g ， 3 4 8 4m g ，i , g ，3 4 9 7m g k g ，7 1 9 4 哦，和3 8 4 6 m g & g ( 2 ) 模拟土柱试验，研究了粗砂、石灰石、钢渣、褐铁矿单一填料的除磷效果。结果表明 对t p 的平均去除率分别是大于2 1 5 8 、3 3 6 7 、9 9 、大于9 9 在三种混合填科中由黄土， 铁屑、硅藻士、麻，黑炭组成的混合填料除磷效果最佳，且成本费用低，是最实用的除磷填 料 ( 3 ) 试验研究表明，由于温度低，混合填料对污水中t i ，o p 、t n 、n 0 3 - n 、n i 山- n 、a ) d 慵 的净化效果不是很明显。间歇时进水方式可以提高填料对污水的净化效果，同时填料中增加炭 源可以促进污水中氮的去除 ( 4 ) 平衡c d e 模型可以很好豹拟合磷在粗砂和石灰石中的吸附过程。 关键词：人工湿地，填料，磷。净化效果，c d e c o n s t r u c t e dw e t l a n di san e ww a n e w a 盼t e e l m o l o g y , s u b s t r a t ei si m p o r t a n ta it h ep a r to f c o n s l r c u t e dw e t t a a d n ec h a r a c t e r i s t i c so fs u b s t r a t ei n l u e a e e d 也c 矿谢6 c a d e f f i e i e i a c yq f p o l l u t a n t s e s p e c i a l l yp h o s p h o r u s s ot h eo e r f o r m a n e co fs u c hw e t l a n d st or n l 袱p o u u t a r t t sf r o m w a s t e w a t e rc a l lb ei m p r o v e db yu s i n gs u i t a b l es u b s t r a t e s e q l l i l i b r i ms o l - p t i o ne x p e r i m e n 协a u db a t e l a e x p e r i m e n t sw e u s e d 协s t u d yt h ep h o s p h o r u sa d s o r p t i o l lc a p a c i t y , t oe a l a e u i n t es o t l t i o np o t t i a l , a n ds t u d yt h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo fp h o s p h o r i nk i n d so fp u r es u b s t r a t c i ) c - m o n s t r a t e dt l a c c f f e e t i v e n e * 8o fu s i n gm i x e ds u l t r a t et ot r e a tw a s t c w a t c d em o d e lw a l lt w s e d 协s i m u l a t e p h o s p h o r u s 劬n s p o r ti nb a t c h 眈p 酬缸瞳m a i nc o u e l m i o ma 越f o l l o 硼l ： ( 1 ) t h eo b j e c t i v eo ft h ee q u i l i b r i u m 唧t i o n “p c f i m c 幽椭t ot os t u d y1 h ep l l o 砷o r u s a d s o l p t i o l le a p a e i t i 鹳o fs a n d , l i 】a ；t 0 ，s t e e ls l a g , s o i l ，s h a l e , l i m o n i t e , m a g l l e t i t e t l a cc x p a i m t r e s u l t ss h o w e dt h a t ：b o t t lf r e u n d l i e l aa n dl g m u i ra d s o 删o i li s o t l u m mw 删t od a k 姗m e a 1 1 唧3 4 i o nd 培糟c l a 洲co f t h e s t t b s t r a t 髓t h em 函m m lp h o s p h o r 呻a d s o r p t i o ne a l ，a c i t yf o r 鞠n d l l m c 鲥c o n c os t e e lj l l g , s o i l , s h a l c 1 i m o n i t e dm a g n e t i t ew h ef o u n dt ob c ：1 8 6 6m g k g , 8 0 6 5 m g k g , 1 4 2 8 6 m g l 嘻3 4 8 4 m g k g , 3 4 9 7 m g k g , 7 1 9 4 m g k g , 3 8 4 6 m g k g , r e s p e e t i v e l y ( 2 ) t h eo b j e c t i v eo ft h eb a t c ha 岫扭w c 目r ct os t u d ym ep m i f i e a t i o ne t t i e i c l l c yo f p h o s p h o r u si np u r e 跚b s w a t ci n c l u d i n g ：s a , l , t , s t e e ls l a g , l i m e s t o n e , l i m o n i t o t h ea 【p h i m 伽r e s u l t s s h o w e dt h a ts t e e ls l a ga n dl i m o n i t eh a dt h eh i g h ta v e r a g et a o w ir a t e so f p l l o s p l a o u rf o l l o w e db y l i m e s t o n ea n ds a n d , w 玳f o u n dt ob c9 辨03 3 6 。2 1 5 8 ，r l p e e t i w l y m i x l h 岫议dw h i e l a 嘣o 。m p c 蒯o f e l a y k a p 面蚴、d i a l o | 面“m 卿l p 、c h 删枷i x , o v c d t ob et h eb e 8 to n ea m o n g 伍e3 m i x e ds u b b t r a t e 。w h i c ha l h a dt h 寺l o w e s t 喊s oi tw a l l p r a c t i c a ls u b s t r a t ci n “哪响阳c t e d _ d 融 ( 3 ) 1 3 c c l l u s eo fl o wt e m p e r a t e , t h ee f f e c t i v e n e s so fu s i n gm 砌s u b b t r a t et o 删w 硇把w a l 玎 m n o t g o o d “e x i s t e d , i n c l u d i n gt p 、o p 、t n 、n 0 3 - n ，n h n c o d e r t h cr e s u l t si n d i c a t e d l h 址t h eb a t c h - f l o w , w a yo f c o n s t r u t e cw e t l a n d sq m l u m e c dt h ef 目觥mr a l eo f 旧郦由锄，i d da d d e d c , a g b o n i n t h e s u b s 扛毫据锄i m p r o v e 出e r e m o v a l 霉t l i c i c 目a c y o f n i n o g e j a “) e q u i l i b r i u mc d em o d e lw 勰u s e dt os i m u l a t el h e 岫出o fp h o s p h o n l st h r o u 班s a n da n d l i m e s t o n cr e s p e t i v e l y k e y w o r d s ：c o m t r o e m tw e t l a n d , s u b s t r a t e ，p l l o s p h o r u s ，r e m o v a le f f i c i e n e y , c d e 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，也不包含为获得中国农业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。 研究生签名：王铺 时间：刎年6 肋日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名王冬鹂 导师签名玉3 荔二埘 时间：2 嘲年6 月汤日 时间：2 哆年月加日 中国农业大学硕十学位论文第一章概述 1 1 研究背景与意义 第一章概述 我国水资源总量约2 8 万亿立方米。居世界第六位，但人均占有量仅为世界的1 4 ，在世界 掉列第八十八位，属缺水国家我国长江流域及其以南河流的径流量占全国的8 0 0 , 以上，属富 水区；而黄河、淮河、海河三大流域和西北内陆水资源总量只有全国的1 2 ，属缺水区全国 水资源分布的不均衡，加剧了水资源缺乏的危机。2 0 0 4 年中国环境状况公报报道( 中国水网) ， 淡水资源七大水系的4 2 1 个水质监测断面中，i 类，v 类和劣v 类水质的断面比例分别 是：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 ，主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类 据估计，我国每年摔放污水量达数百亿吨，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，而已建成的传统污水处理厂远远不能满足污水处理的需要i l j 水资 源缺乏和水环境质量恶化，将严重制约经济的发展 目前我国现行的污水处理工艺投资高，能耗大，运行管理要求高。由于我国经济发展水平 不高，能源短缺，同时我国的乡镇企业迅猛发展对当地造成了严重的环境污染，因此在我国 大力开发具有高效、简易、低耗的污水处理技术具有很大的意义人工湿地污水处理系统是一 种具有良好的经济效益和生态效益的处理工艺，它的出现为解决污水处理问题提供了机会脚 具有投资少、处理效果好、能耗少等优点【3 】人工湿地具有巨大的资源潜力和环境功能，它维 持区域生态平衡，保持生物多样性和珍惜物种资源，调节气候、均化洪水、净化水质等采用 湿地处理污水符合绿色、生态、环保，人与自然和谐的要求，尤其适合新农村建设 1 2 人工湿地的净化机理 人工湿地净化污水的机理复杂。一般认为，人工湿地是利用植物微生物填料的生态系统。 通过物理、化学及生化反应三重协同作用净化污水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，并沉积 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、断键分解简单分子，小分子等作用， 地的4 个基本要素都具有单独的净化污水能力， 污水净化过程中起到极其重要的作用“1 。 1 2 1 基质的作用 实现对污染物的降解和去除其中构成人工湿 尤其是人工湿地基质中微生物群类在人工湿地 人工湿地中的基质又称填科，如土壤、细砂、粗砂、砾石、沸石、钢渣、铁矿石等，可以 使用单一的种类，也可是几种填料的混合。 中国农业大学硕士学位论文 第一章概述 填料的净化机理主要是吸附作用，包括物理吸附，化学吸附和离子吸附。物理吸附中的吸 附介质一般是中性分子，吸附热一般小于4 0 k j m o l 。物理吸附是可逆的，在温度上升或是介质 中吸附浓度下降时会发生解吸。在化学吸附过程中会形成化学键，吸附热一般在1 2 0 2 0 0 k j t o o l ，高温可使吸附速度加快，这种吸附一般是不可逆的。离子吸附由呈离子状态的吸附 质与带异种电荷的吸附剂表面发生静电引力而引起的 填料应根据其化学成分和污水中主要污染物，填料的粒径大小，以及便于取材、经济适用 等因素选择。填辩更多的用于水平潜流和垂真流人工湿地，同时要考虑到水力负荷，占地面积 等因素当污水经过人工湿地时，基质通过一些物理和化学途径( 如吸收、吸附、过滤、离子交 换、络合反应等) 来净化去除污水中的n 、p 等营养物质，人工湿地中7 - - 8 7 的磷可通过沉淀 或吸附反应而降解 4 1 。d r i z o 等研究表明在人工湿地中除磷最好的是飞灰或页岩填料，其次是铝 矾土、石灰石和膨润土，泡沸石和油页岩的效果较差 s 1 z h u ，j e s s e n 等( 1 9 9 7 ) 在筛选除磷填料 时，主要对含c a 2 + ，f e 3 + ，a 1 “，m 9 2 + 的天然矿物质进行筛选，指出钙对磷的吸附最强e 6 1 g e l l e r 也认为钙比铁、铝对磷的吸附强而s i c h 含量高的填料，对磷去除的效果比较差嘲。国内很多 研究也表明钢渣是最佳除磷填料，因此根据理化特性筛选那些具有高吸附能力的填料对于湿地 的构建十分重要。 1 2 2 植物的作用 湿地植物是湿地系统中的重要组分，在污水净化过程中发挥了很重要的作用湿地植物可 分为：浮生植物、挺水植物、沉水植物f h 湿地植物的重要功能就是将氧气从上部输送至根部，促进有机物的分解和硝化细菌的生长， 达到去除污水中氮及其他污染物的目的；同时还能促进悬浮物的沉降例但植物收割试验也证 明磷在植物千中占很小的比例 9 1 水生植物的蒸散量、生物量、根密度和根长。对人工湿地的 水力负荷、氮磷有机物的降解有重要的影响【l 川湿地植物除了具有美学价值外，还能转移和转 化污染物，g l m b e r g 甜a l ( 1 9 8 6 ) l ”j 和g e d d y 甜4 ，( 1 9 8 9 ) i j 捌研究表明不同的水生植物对污染物的 去除效率也不同e l r e d d y e t a ( 1 9 8 5 ) ”】和h b i x ( 1 9 9 7 ) 1 1 4 】结合当地气候特征和植被分布来选 择最适宜的湿生植物。 衰l - l 大型植物在人工涅地中的作用( 籍国东，倪晋仁，2 0 0 4 ) 1 5 1 t a b l e t h er o l e s o f m i c i v p b y t e i ne o n s t r a e t e d w e t l a a d 2 中国农业大学硕十学位论文 第一章概述 按以下原则选择湿地植物“q ：耐污能力和抗寒能力强，以保持冬季人工湿地系统的处理 效果；对不同的污染物采用相应的植物种类；选择在本地适应性好的植物；根系发达， 生长期长；抗病虫害能力强；有广泛的用途或经济价值 1 2 3 微生物的作用 1 9 7 7 年德国学者k i c k u t h 的根区法理论( r o o tz 1 0 1 1 c m c # h o d , r z m ) 的提出，。为湿地的研究 开启了新境界人工湿地中的微生物是发生生化反应的重要媒介，现在研究已经发现在b o d ，、 c o d 以及氮等降解的过程中微生物都发挥了重要作用。承生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而在 湿地中还原状态区域，则是经过厌氧细菌的发酵作用，将有机物分解1 1 ”j 研究同时发现，微生物的数目和种类与污水净化效果也有一定的关系李科得等研究发现 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b o d 和c o d 的去除率 与微生物的数目都有较明显的相关性；污水中n h 3 - n 去除率与根区的硝化细菌和反硝化细菌数 量的相关性显著：而磷元素的去除率则与根际中的礴细菌数目呈正相关l 1 2 4 湿地酶的作用 湿地酶是一种生物催化剂，它能加速湿地基质中有机物的化学反应，从而促进湿地净化功 能的发挥湿地酶同微生物一起推动着物质转化，各种酶在基质中的积累，它们参与了许多重 要的生物化学过程，如腐殖质的合成和分解，有机物化合物、高等植物和微生物生物残体的水 解及其转化成为可利用的形态“9 1 吴振斌等( 2 0 0 1 ) m j 通过对人工湿地植物根区磷酸酶和脲酶活 性的测定发现，其脲酶的活性与t n 的去除率有明显相关性，而磷酸酶的活性与t p 的去除率相 关性不明显 1 2 5 水力学的作甩 人工湿地不同于一般定容式反应器，除填料特性的影响外，湿地及植物蒸发、蒸腾地水量 损耗、湿地液面地升降、水深等均会引起人工湿地水力负荷，水力停留时间及处理效果的变化 拉 垂直流人工湿地的水力学特点，包括水力负荷、湿地孔隙度、出水速率和出水量、停留时 间。水力学各特点与污水净化效果之间存在着密切关系有研究表明：出水快、出水量大的系 统具有较好的净化效果；除无植物系统外，停留时间较长的系统有较好的净化效果；容水体积 大的系统净化效果也较好；水力负荷则主要通过影响其他各水力学特点而影响净化效果田1 g e a t h e m ( 1 9 9 8 ) 进行的一项表面湿地研究，表明水力停留时闻与除磷效果为显著性正相 关郭明新( 1 9 9 0 ) m 3 研究表明，人工湿地系统对氮的去除率随着停留时间的延长而提商王世 和等( 2 0 0 3 ) 1 2 5 j 通过实验研究了水力负荷、水力停留时间、水深等对人工湿地中s s ，c o d ， 中国农业大学硕士学位论文第一章概述 q i - 1 4 + i q ，t p 去除效果的影响及其规律，提出了不同运行条件下的最佳运行参数。人工湿地在 实际运行中，各种参数均存在一个最佳值大于或小于此值均使去除率有所下降 1 3 人工湿地国内外研究进展 1 3 1 人工湿地国内外研究现状 人工湿地( c o n s u - u c t e d w e t l a n d ) 是一种新型污水处理工艺，它是根据自然湿地生态系统中物 理、化学、生化反应的协同作用来处理废水，是一个独特的基质一微生物一植物生态系统，可以 促进污水的循环、再生在抵御洪水，调节径流。改善气候、控制污染，美化环境和维护区域 生态平衡等方面有其它系统所不能替代的作用被誉为。地球之肾”、。生命的摇篮”、“文明的 发源地”和“物种的基因库”刚 国外人工湿地的研究始于2 0 世纪7 0 年代，第一个完整的人工湿地实验始于1 9 7 4 年西德的 o t h f r e m e a 进行的【2 7 】。年代从欧洲到美国、澳大利亚等国家都广泛开展了这方面的研究工作 目前，在美国有6 0 0 多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水，4 0 0 多处人工湿地被 用于处理煤矿废水，5 0 多处人工湿地用于处理生物污泥，近4 0 处人工湿地用来处理暴雨径流， 超过3 0 处人工湿地系统用于处理奶产品废水加工( u se p a ，2 0 0 0 ) 1 2 4 q 在丹麦、德国、英国各 国至少有2 0 0 处人工湿地( 主要为地下潜流湿地) 系统运行 2 9 1 新西兰也有多处人工湿地系统 被投入使用嗍 2 0 世纪年代末，s e i d e l 与k i c h u t h 合作并由k i c h u t h 于1 9 7 2 年提出了根区分法 3 1 1 ，该 理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的。热潮”，标志着人工湿地( c 衄娥e dw e t l a n d ) 作为 一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域自2 0 世纪舳年代以来，每年都 有关于人工湿地污水处理技术的国际会议召开，为这一技术的推广和发展创造了崭新的契机 吲2 0 世纪9 0 年代以来，在拓宽人工湿地应用范围的同时，世界各国对制约人工湿地新设计 和推广应用的关键独特而复杂作用机制的研究也随之深入田1 我国对人工湿地的研究起步较晚，。七五”期间才开始首例采用人工湿地处理污水研究工 作的是1 9 8 7 年，天津市环保研究所建成的占地6 h a 的处理规模1 4 0 0 t d 的芦苇湿地工程例1 9 8 9 年建成北京昌平自由表面人工湿地，占地2 h a ，日处理量5 0 0 t ，b o d s ，c o d 、t n 、t p 的去除 率分别为8 5 8 、8 1 2 、6 4 6 、5 5 1 p ”1 9 9 0 年7 月在深圳建起我国第一个人工湿地污水 处理工程一白泥坑人工湿地污水处理系统。占地1 2 6 h a ，日处理污水量3 2 0 0 t , 该系统对b o d ， 的去除率平均为8 8 - - 9 4 ，c o d 。，7 0 左右，s s 去除率平均可达8 8 嗍2 0 0 2 年在北京市官厅 水库黑土洼开展了垂流湿地、自然表流湿地、水平流湿地研究。利用黑土洼建设8 4 h a 水面的黑 土洼稳定塘，处理污水量4 0 m 3 s ：核心区面积约7 3 h a 的潜流人工湿地。以及9 3 h a 的表面流 人工湿地，深度处理黑士洼稳定塘出水流量为0 6 - - 0 8 m 3 s 目前人工湿地己广泛用于处理城镇生活污水，农业废水。家禽和家畜养殖业废水，矿山性 废水，染料废水，城市暴雨水，高速公路雨水，机场雨水以及一些工业废水等1 3 7 1 4 中国农业大学硕十学位论文 第一章概述 1 3 2 人工湿地的主要类型 人工湿地污水处理系统根据布水方式和水流方式的差异，可以分成两类：表面流湿地 ( s u r f a c e f l o w w e t l a n d s ，s f w ) 和潜流湿地( s u b s u r f a c e f l o w w 甜a n d s ，s s f w ) 。 表面流湿地( s u r f a c e f l o w w e t l a n d s ，s f w ) 污水在填料表面漫流，它与自然湿地最为接近， 氧的来源主要通过水体表面扩散、植物根系的传输和植物光合作用。污水中绝大部分有机物的 去除是由长在水下植物的茎、杆上的生物膜来完成这种湿地不能充分利用填料层丰富的植物 根系，水力负荷低，北方地区冬季表面结冰，夏季会滋生蚊蝇。散发臭味北美2 3 的湿地是 自由表面流湿地，其中一半是自然湿地( 1 1 0 0 0 h a ) ，其余为人工自由表面流湿地( 通常面积比较 小，6 0 , b 于1 0 h a ) 删 潜流湿地( s u b s u m c e f l o w w e t l a n d s ，s s f w ) 根据主导水流又分为水平流( h o r i z o n t a l f l o w ) 和垂直流( v e r t i c a lf l o w ) 水平流是污水在基质的表面下水平流动，植物传输给系统氧气，此工艺的水力负荷大，对 b o d 、c o d 、s s ，重金属等污染指标的去除效果好，保温性能好，卫生条件也好；缺点是投资 较s f w 多，控制相对复杂。 垂直流湿地系统的出现要晚于水平流湿地系统，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湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。f d d c ( 1 9 9 7 ) 刚1 等研究表明垂直 流湿地氨氮的去除率比水平流湿地高2 5 。其缺点是对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿 地系统，落干淹水时间较长，控制相对复杂，夏季有孽生蚊蝇的现象。由于建造费用较高，卫 生条件不好，所以应用不多唧垂流湿地的芦苇床结构较适合于人口密度不高的乡村、农场以 及中、小城镇的农业和生活污水的处理嗍与水平流系统相比，垂直流系统通风能力比较好， 可以显著提高氧的传递速率。k a 棚等人认为垂直流湿地系统是一种对硝化作用有利的人工 湿地的结构形式。垂直流系统有利于硝化作用，而且也可以去除b o d ，然而。如果固体物质负 荷过大，可能会出现阻塞现象( 蝴 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 s , i v c - t v ) 实际上是潜 流人工湿地的一种变形。九五”期间由中科院水生生物研究所与德国科隆大学、奥地利维也纳 农业大学等共同承担的欧盟国际合作项目中首先提出的该系统一般应用于生活污水的处理， 经过一系列的小试、中试，在深圳、上海等地大规模的应用都取得了很好的效果旧fc o o p e r 等( 1 9 9 9 ) 嗍设计出两阶段潜流湿地，首先用水平流除去t s s 和b o d ，再用垂直流迸一步强化 生物的硝化和反硝化作用，使得最后出水中t s s 、b o d s 和t n 达到最小充分利用了掰种湿地 的优点贺峰等 4 s l 研究的复合垂直流人工湿地中试系统由下行流和上行流池串联而成，两池中 间有隔水墙，底部连通该系统的独特结构为微生物提供了良好的生活环境更有利于湿地系 统的除氮作用 波形潜流人工湿地( w a v ys u b a n 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 , w - s f c t v ) 通过在湿地 内部有规则的设置导流板以波形流态取代水平流态，使污水在垂直方向上多次经过湿地内部 具有不同处理特性的构造层，以期达到增强污水处理效果的目的【柏j 。研究表明在相同的试验条 件下，w - s f c w 出水c o d ，n h 4 + - n 和t p 的去除率分别比s f c w 提高8 2 、1 3 1 和6 6 ； s 中国农业大学硕士学位论文 第一章概述 但系统水流阻力大于s f c w | 4 7 人工湿地对污水的净化效果好，已得到证实有研究结果显示，对b o d 5 、c o d 、s s ，t n 和t p 的去除率分别为8 5 曲5 、 8 0 、 9 0 ， 6 0 和 9 0 蚶删 1 3 3 人工湿地填料研究现状 早期人工湿地的填料主要以自然土壤、砾石为主，随着研究的深入，填料的取材越来越广 泛，并且可以根据特征污染物的不同选择不同的填科在国内许多已建造的潜流湿地系统都采 用这些材质作为基质层的填料。北京市官厅水库潜流人工湿地和黑土洼小面流湿地，基质填料 是不同粒径的砾石，碎石和原地回填土中科院水生生物研所提出的复合垂直流人工湿地处理 系统中的基质层由底层的大粒径砾石和上部的砂层组成【4 ，j 填料的理化性质对污水处理效果影响很大，特别是对磷的去除l ，j 在美国( m o s h i r i , 1 9 9 3 ； k a d l e ca n di “g h t , 1 9 9 6 ) ，澳大利亚( m a 越a n db a v o r , 1 9 9 3 ) 以及欧洲的丹麦( s c h i e r u p 甜 以，1 9 9 0 ) ，挪威( 动u e t a 。1 9 9 7 ) ，英国( g 蛐1 9 9 7 ) ，捷克( v m a z a l , t 9 9 5 ) ，瑞典( j o h a m s o n , t 9 9 7 ) ，荷兰( s 妇i j i c r e t a ，1 9 9 7 ) 已经开始研究湿地系统中磷的去除。研究表明，壤料的理化 性质对肆的去除率有很大的影响。d 响叫1 9 9 9 尸得出页岩是人工湿地系统中首选填料田内也 开展了这方面的研究，包括：碎石、沸石、页岩、陶粒、钢渣、铁矿石、粉煤灰等作为填科对 磷的去除效果有单一成分的填料，也混合成分的填料，同时还包括不同粒径填料的组合研 究填料污水处理效果，影响因素的分析，净化机理等因此人工湿地基质填料是人工湿地处理 污水技术研究的重点，对湿地填料的研究将越来越深入 1 4 主要研究内容 ( 1 ) 不同填料对磷的吸附特性，吸附容量； ( 2 ) 不同填料对t p 去除效果，净化机理； ( 3 ) 进水浓度对t p 去除效果影响分析； “) 多指标下，复合湿地对污水的净化效果； ( 5 ) 在分析填料对磷的吸附特性吸附容量的基础上，用c d e 模拟磷在不同填科中的迁移规 律，用于指导实际人工湿地填料的选取 1 5 本文研究技术路线 6 困 i 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章试验设计与方法 第二章试验设计与方法 2 1 不同填料对磷的吸附试验 2 1 1 试验材料与试验过程 选取粗砂、石灰石，钢渣、砂土、页岩、褐铁矿( 2 f c 2 0 3 3 h 2 0 ) 、磁铁矿( f e 4 0 d 作为试 验填料，其理化性状见2 - l 和表2 - 2 。其中表2 - l 数据由北京市农林科学院分析监测，表2 - 2 数 据由筛分实验计算得出 表2 1 填科的主要化学组成( ) 填料 掰q 全铁m i o全钙u g oa i 舾 粗砂 6 1 6 i3 5 10 0 4 3 7 8 9 3 7 1 9 5 3 石灰石 3 0 50 5 5o 0 1 9鹌0 43 5 9 1 4 6 钢渣1 3 s sl9 1 61 晒4 0 3 8 9 0 34 4 0 砂土6 1 6 33 9 7o 肋 7 1 91 7 0l i 3 2 褐铁矿5 1 2s i mo 0 1 1 o 1 0o 2 51 盯 页岩5 4 7 07 1 4o 1 0 0 勰o 3 7觚7 5 磁铁矿0 5 58 0 9 70 0 1 0 1 50 4 40 ，2 4 表2 - 2 填辩粒径分布( ) 填料 5 - 22 ”0 劓2 5o 2 ，呻晒 d o“如 c c 5o 朋4 粗砂5 5 3 0 o 2 6 0 1 9 0 1 7 0 2 51 7 00 1 80 3 2 5 o 0 3 8 石灰石0 5 4 4 5 3 1 0 6 0 7 5 1 0 52 0 0 70 8 9 2 5 30 0 5 钢渣 一 5 02 2 ，0l 4 3 01 2 50 3 0o r 0 70 1 2 2 6 10 6 3 褐铁矿一 7 63 6 22 2 2 2 8 9 5 10 6 20 0 9 9 0 2 2 5 2 强0 8 3 页岩 一7 54 4 01 3 52 1 51 3 50 7 20 0 6 60 1 8 0 6 84 磁铁矿 一1 3 74 5 51 7 11 9 65 10 7o 1 00 3 3 1 5 62 1 2 注t 曲事系数印d z d m d 咐不均匀系数c ，耐d 螂粒径单位n m t 实验过程，准确称取l o g 上述填料。其中钢渣称取3 9 ，磁铁矿5 9 ，加入n a 扩o 配置的不 同磷浓度( 以t p 计) 的溶液1 0 0 m l ，放入2 5 0 m l 的锥形瓶。恒温2 5 下，在回旋式振荡帆中摇 2 4 h ，转速为1 8 0 一1 9 0 r r a i n ，静止1 2 1 1 后离心，取上清液，测其磷浓度，根据浓度的变化，计算 填料吸附磷的量，绘制填料磷吸附等温曲线 t p 的监测采用钼酸铵分光光度法( 国标g b1 1 8 9 3 - - 8 9 ) ，溶液p h 值用s e r - n 0 3 3 8 0 0 1 6 p h l 9 7 i 德国仪器监测。 s 中国农业大学硕士学位论文 第二幸试验设计与方法 2 1 2 实验数据分析方法 绘制填料对磷吸附等温线，水体中颗粒物对溶质的吸附是一个动态平衡过程，在恒温度条 件下，当吸附达到平衡时，颗粒物表面上的吸附量( s ) 与溶液平衡浓度( c ) 之间的关系，采用 吸附等温线来表达 水体中常见的吸附等温线f l e u n d l i c h 型和l a n g m u i r 型 f e u n d l i c h 型等温式为： ! s=蜀c一(21) 其中s 为达到吸附平衡时固体表面的吸附量，单位m g k g ；c 为达到吸附平衡时介质中溶 质的浓度，单位趔儿；k 和一为常数。 其变形式为： l g s = l g k + 三l g c 0 - 2 ) 刀 l a n g m u i r 型等温式为： j：堡(2-3) l + 盖c 其中为单位表面上达到饱和时间的最大吸附量，单位m g k g ；a 为常数 其变形式为：i 1 = i 1 + 瓦a 石i 本试验采用f r e u n d l i c h ( 2 1 ) 式和l s a s m u i r 的变形式( 2 - 4 ) 绘制等温曲线 2 2 填料除磷模拟土柱试验 2 2 1 单一填料除磷效果试验 2 2 1 1 试验装置与材料 采用4 根相同的圆柱形有机玻璃柱，直径3 0 c m ，高2 m ，基质高1 1 5 m 从底部向上依次 填装：粒径为1 0 - 2 5 m m 的豆石2 ( k - m ；粒径为2 1 0 m m 的碎石1 0 c m ；填科8 0 c m ：粒径为2 1 0 m m 的碎石5 c m 试验装置见示意图2 1 材料来源：粗砂是采自河道中的粗砂：石灰石是门头沟区水峪嘴村，石灰石开采厂；钢渣和褐 铁矿是北京市首钢烧结钢渣，炼铁用的进口铁矿石填料的物理和化学性质如表2 1 和2 - 2 所 示 2 2 1 2 试验过程 4 根土柱采用连续均匀进水方式，污永自上而下流经模拟土柱填料，在土柱高1 s m 处有溢 流口，使土柱上的水平面保持恒定。土柱底部伸出水管，通过调节水管高度控制水力负荷。本 9 中国农业大学硕十学位论文 第二章试验设计与方法 试验水力负荷2 m 3 m 2 d 。进水由n a 3 p 0 4 配置的含磷污水试验起始阶段采集从土柱底部伸出 的水管流出的水样，每次采集时间定在上午9 - 1 0 点，4 根土柱同时采集。 i t 和o p 采用钼酸铵分光光度法( 国标g b1 1 8 9 3 - - 8 9 ) 2 2 1 3 计算填辩渗透系数 在饱和水分的土壤中，土壤的渗透系数遵循达西( d a r c y ) 定律，表达式为： k = 坚! ( 2 5 ) a h t 式中七一渗透系数( s ) ；q 一时间t 内渗透水量( c r a b ；工一填料高度；日平均水头差 ( 锄) ；a 一土柱界面积( 2 ) ；r 一时间( ，) 衰2 - 3 填科的渗透系羲 填科渗透系数k ( c m s ) 粗砂 钢渣 石灰石 揭铁矿 1 6 5 3 x1 0 - 2 5 7 7 1 0 - j 1 5 6 x1 0 - 2 1 0 5 2 1 0 - 2 2 2 2 混合填料除磷效果试验 2 2 2 1 试验装置 3 根相同的圆柱形有机玻璃管，直径3 ( k i n ，高2 m ，基质高1 1 5 m 。从底部向上依次填装； 粒径为1 0 - 2 5 a n n 的豆石2 0 c m ；粒径为2 1 0 m m 的碎石1 0 c m ：填料8 0 c m z 粒径为2 , - 1 0 m m 的 碎石5 c m z2 2 2 试验材料 材料来源中，砂土采于永乐店河边；黄土采于王平北村北；铁屑是首钢车床厂剩下的碎末； 陶粒石灰，麻。草炭，黑炭，木屑，硅藻土在市场上购买所有材料经过风干，其中陶粒， 草炭，木属过2 m m 筛。混合填料的组成如表埘所示 表“混合填料的组成 成分体积比 干容重( 咖n 3 ) 混合填辩黄土，铁屑、硅藻士、麻、黑炭 5 ：1 2 ：l ：l1 2 混合填科砂土、陶粒 3 ：2 1 0 2 混合填料细砂、木屑、褐铁矿、石灰、草炭 9 ：3 ：2 ：3 ：3 1 0 9 中国农业大学硕十学位论文 第二章试验设计与方法 溢流口 田2 - l 模拟土柱结构 出水口 2 z 2 3 试验过程 3 根土柱采用连续均匀进水方式，污水t p 浓度 石灰石 褐铁矿 页 岩 砂土 粗砂根据填料对磷吸附性能的大小，可将填料分成3 组：粗砂、砂土和页岩； 石灰石、褐铁矿和磁铁矿；钢渣 从曲线的变化形态可分为两类：一种是陡峭上升型，如钢渣，这类填料对磷的吸附量较大； 另一种是缓慢上升型，如粗砂。几种填料除钢渣外，对磷的吸附量均随初始浓度的加大而增加， 在浓度较低时，等温吸附线的斜率较大，即曲线较陡的部分，此时为填料对磷的快速吸附阶段， 其原因是填料中的无定形铁、铝、钙等水解与磷酸根发生表面吸附，形成c a - p ，f c - p ，a i - p 等 化合物；在浓度较高时曲线趋于平缓，吸附量增加较慢，逐渐达到平衡，这一阶段为填料的慢 速吸附，是由填辩对磷的物理化学吸附和物理吸附所引起的钢渣的吸附曲线呈直线上升趋势。 是由钢渣特殊的化学组成引起的，其中的铁、铝、镁和锰等金属氧化物能够吸附磷酸根；同时 钙的氧化物溶解使得水中p h 值增加到1 2 左右，在这种p h 值条件下，钙与吸附的磷酸根形成 羟基磷酸钙( c a ，( o h ) ( p 0 4 ) 3 ) ，稳定的沉淀；其次c 4 属于碱土金属，在p h 值达到1 2 对，c _ ” 能置换出铅、铜、锌等离子，提高了除磷效果因此钢渣对磷的去除主要是化学吸附作用，且 吸附量大，不容易达到饱和 5 。 柏 零3 0 墓2 0 昏l 。 o o ，1 01 52 5 平衡浓度( n 谢l ) 圈3 - i 粗砂，砂土，页岩f m d l