（环境工程专业论文）潜流型人工湿地脱氮功能的研究.pdf

摘要 摘要 人工湿地是种强化的自然生态处理技术，已经广泛应用于北美洲、欧洲等 西方发达国家，但在我国仍处于起步发展阶段。在各种人工湿地处理技术中，潜 流型人工湿地由于其水力负荷大、污染负荷大、净化效果好等优点，已成为人工 湿地应用中最主要的类型。潜流型人工湿地在植物根系周围形成的好氧区、缺氧 区和厌氧区，为人工湿地中氮的去除提供了良好的条件。而影响人工湿地脱氮能 力的各种因素、机理及去除模型，已成为国内外学者研究的前沿。 本实验以潜流型人工湿地为研究对象，探讨了不同植物潜流型人工湿地去除 污染物的最佳水力负荷，以及湿地系统对污染物的净化效果。进一步研究了，水 力负荷、c n 比值、有机物种类和浓度，以及氮的种类和浓度对白鹤芋人工湿地、 石菖蒲人工湿地脱氮效果的影响。并且在分析人工湿地不同填料层高度脱氮能力 的基础上，探讨了湿地系统氮的去除机理。 实验结果如下：不同植物潜流型人工湿地，当在较低污染负荷和水力负荷下， 系统对c o d 和氨氮都有较好的去除效果，去除率基本维持在9 0 0 左右。根茎 发达的石菖蒲人工湿地，其净化能力稍高于白鹤芋人工湿地。但是，随着水力负 荷和污染负荷的增加，不同植物人工湿地的净化效果随之下降：本实验中，自鹤 芋和石菖蒲两人工湿地氨氮的最低去除率只有7 5 o 左右。而随着人工湿地植 物的进一步成熟，系统运行后期的净化效果优于运行初期。从实验结果来看，潜 流型人工湿地的最佳水力负荷在0 1 5 o 2 0 m 3 m 2 d 范围内。 c n ( 以t n 算) 比值是影响潜流型人工湿地系统净化效果的重要因素，当保 持进水t n 浓度不变而增加有机物进水浓度的情况下，随着c n 比值增大，人工 湿地系统对氨氮和有机物的去除效果明显下降；其中有机物的去除率最低时只有 8 1 2 8 左右。对于t n 去除来说，在碳源不足情况下，两人工湿地系统的t n 去 除效果不好，最高时只达到6 0 o 左右，而最低时只有3 2 0 。随着碳源的增 加，两人工湿绝对t n 去除率不断上升。当c n = l o ：1 时，石菖蒲人工湿地的t n 去除率可高达8 3 5 2 ，白鹤芋人工湿地也可以达到7 3 7 1 。考虑至有机物的 净化效果，本实验以c n = 7 ：l 8 ：l 为最佳值。 从不同植物潜流型人工湿地不同填料深度对污染物净化情况来看，系统在植 广东t 业大学t = 学硕士学位论文 物根系附近基本已经完成了有机物和氨氮的好氧降解过程；而远离植物根系的空 间，主要发生氮的缺氧、厌氧反硝化反应。但是，如果在碳源充足的情况下，浅 层的根系好氧区，潜流型人工湿地对t n 的去除也可以达到较好效果。 影响人工湿地脱氮能力的因素很多，不同植物和不同填料组合的人工湿地其 氮的去除能力可以差别很大，外界因素如：d o 浓度、温度、p h 值等也会对湿地 系统硝化反硝化能力产生一定影响，不合理的结构设计也会进一步妨碍了人工湿 地脱氮能力的提高，所以人工湿地脱氮能力要全面综合考虑。通过研究探讨，潜 流型人工湿地中氮的去除主要是亚硝酸型硝化反硝化、同时硝化反硝化和厌氧氮 氧化共同作用的结果。 关键词：潜流型人工湿地；影响因素；脱氮；硝化反硝化；净化效率 n a b s t r a c t c o n s t r u c t e dw e t l a n di sak i n do fs t r e n g t h e nn a t u r a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e , h a s b e e ne x t e n s i v ea p p l i e di nn o a ha m e r i c a ，e u r o p ea n do t h e rw e s t e r nc o u n t r yrb u ts t i l l a tt h ed e v e l o p i n gs t a g ei nc h i n a i nt h ed i f f e r e n tc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，s u b s u r f a c e f l o ww e t l a n di st h em a i nt y p ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nb e c a u s eo f i t sh i g hh y d r a u l i c a n de o n t a m i n a t i v eb u r t h e n t h er o o mo f a e r o b i c ，a n o x i ca n da n a e r o b i cw h e r eh a p p e n a tf l o r i s t i cr h i z o m e ，p r o v i d e sag o o dc o n d i t i o nf o rn i t r o g e nr e m o v a li ns u b s u r f a c e c o n s t r u c t e dw e t l a n d a n df a c t o r ，m e c h a n i s m ，m a t h e m a t i cm o d e l o f n i t r o g e nr e m o v a l i nc o n s t r u c t e dw e t h n d sh a v eb e c o m et h em a i ns t u d yp o i n t st od i f f e r e n ts c h o l a r s i nt h i sp a p e r ，s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ( s s f w ) w a st h em a i ns t u d yo b j e c t ，a tt h e s a m et i m e ，d i s c u s s e dt h eo p t i m a lh y d r a u l i cb u r t h e na n dc o n t a m i n a t i v er e m o v a l e f f i c i e n c yi nd i f f e r e n tf l o r i s t i cc o n s t r u c t e dw e t l a n d s f a r t h e rs t u d y e do nh y d r a u l i c b u r t h e n ，c ，n ，t h es o u r c ea n dc o n c e n t r a t i o no f c a r b o n ，t h es o u r c ea n dc o n c e n t r a t i o n o fn i t r o g e nw h i c he f f e c t e do nn i t r o g e nr e m o v a li ns p a t h i p h ) 7 h u mk o c h i ia n da c o r a s g r a m i n e n sc o n s t r u c t e dw e t l a n d s a tl a s t ，d i s c u s s i n gm e c h a n i s mo f n i t r o g e nr e m o v a l b a s e do na n a l y z i n gt h ed i f f e r e n td e p t ho f p a d d i n gi nt h es u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d s e x p e r i m e n tr e s u r ：d i f f e r e n tf l o r i s t i 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 d sc o u l d a c h i e v eh i 曲c o da n dn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yi nt h el o wh y d r a u l i cb u r t h e na n d c o n t a m i n a t i v eb u r t h e n t h ee f f i c i e n c yb a s i cm a i n t a i n e da b o u t9 0 o t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ff l o u r i s h i n ga c o r a sg r a m i n e u sc o n s t r u c t e dw e t l a n dw a sh i g h e rt h a n s p a t h i p h y i l u mk o c h i iw e t l a n d b u t ，t h eh i g h e rh y d r a u l i ca n dc o n t a m i n a t i v eb u r t h e n , t h el o w e rr e m o v a le f f i c i e n c yi nd i f f e r e n tw e t l a n d s ：t h el o w e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo f n i - 1 4 + - - nj u s ta c h i e v e d7 5 o i nt h ee x p e r i m e n t a t i o no f t w ok i n d so f w e t l a n d s v c h o n p l a n tg r o w i n gf u r t h e rm a t u r e ，t h er e s u l to f d e c o n t a m i n a t i o ns u r p a s s e dt oi n i t i a ls t a g e f r o mt h ee x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a lh y d r a u l i cb u r t h e na m o n go s 矗 o d o 2 0 m 3 m 2 d i nt h e s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d s t h em a i nf a c t o re f f e e t e do nt h er e s u l to fd e c o n t a m i n a t i o nw a sc n ( t n ) i nt h e s s f w w h e nk e e p i n gt h ec o n c e n t r a t i o no ft ni n v a r i a b l e a n di n c r e a s i n gt h e c o n c e n t r a t i o no f c a r b o n ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gc n ，a m m o n i an i t r o g e na n dc o d t n 广东t 业大学工学硕十学位论文 r e m o v a le f f i c i e n c yd e s c e n d e do b v i o u s l y ，a n dt h el o w e s tc o dr e m o v a le f f i c i e n c yj u s t r e a c h e d8 1 2 8 o rs o b u tt ot nr e m o v a l ，u n d e rl a c k i n go fc a r b o n ，t h er e s u l to f d e c o n t a m i n a t i o ni nt h et w ok i n d so f w e t l a n d sw e r eb a d ，t h eh i g h e s tw a sa b o u t6 0 0 a n dt h el o w e s to n l yh a d3 2 0 0 , 6 a l o n gw i t hi n c r e a s i n gc m b o n ，t h et nr e t r d v a l e f f i c i e n c yo ft w ok i n d so fw e t h e d sw e r eg o i n gu p w h e nt h ec n = 1 0 ：1 ，t h et n r e m o v a le f f i c i e n c yi na c o r u sg r a m i n e u sc o n s t r u c t e dw c t h n dc o u l dr e a c h8 3 5 2 ，a n d t h es p a t h i p h y n u m k o c h i i w e t l a n da l s oa c h i e v e d7 3 7 1 c n = 7 ：1 8 ：1a s t h e b e s t i n t h i se x p e r i m e n t a t i o n f r o mt h er e s u l to fd e c o n t a m i n a t i o ni nd i f f e r e n td e p t ho fp a d d i n gi nd i f f e r e n t s u b s u r f a c ef l o ww c t h m s ，c o da n dn h 4 十一nh a db e e nd e c o m p o s e dt h r o u g h o x i d a t i o na r o u n df l o r i s t i cr h i z o m e ，a n dd e n i t r i f i c a t i o nh a p p e n e da tt h er o o mo f a n o x i c a n da n a e r o b i cw h e r ef a rf r o mt h ef l o r i s t i cr h i z o m e b u ti nt h ep l e n t e o u so f c a r b o n ，t n r e m o v a le f f i c i e n c yc o u l da c h i e v eag o o dd e c o n t a m i n a t i n gr e s u l ti nt h er o o mo f a e r o b i ca r o u n df l o r i s t i cr h i z o m e m u c hf a c t o rc a l le f f e c to nt h ea b i l i t yo f n i t r o g e nr e m o v a li ns s f w ，i f w e t l a n d s a r em a d eu po f d i f f e r e n tp a d d i n ga n dd i f f e r e n tp l a n t ，t h e i rn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y m a y b es t r o n gd i f f e r e n c e ；o u t s i d ef a c t o rs u c ha s ：c o n c e n t r a t i o no f d o ，t e m p e r a t u r e ， p ha n ds oo n ，a l s oa d dac e r t a i ni n f l u e n c eo nt h ea b i l i t yo fn i t r i f i c a t i o n - - d e n i t r i f i c a t i o ni nc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ：t h eu n r e a s o n a b l ed e s i g nc a l li m p a c to f n i t r o g e nr e m o v a li nw e t l a n d st o o s o ，t h ea b i l i t yo fn i t r o g e nr e m o v a li nc o n s t r u c t e d w e t l a n d sn e e dt ob ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t e d e x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e dt h a t l l i t r o g e nr e m o v a li ns 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 sm i g h tt h r o u g hn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n b yn i t r i t e ，a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o na n ds i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o n - - d e n i t r i f i c a t i o na tt h e8 l r a et i m e k t yw o r d s ：s u b s u r f a c ef l o ww e t h n d s ；e f f e c tf a c t o nn l t g e nr e m o v a l ； n i t r i f i c a t i o n - - d e n i t r i f i c a t i n n ：d e c o n t a m i n a t i n ge f f i c i e n c y 广东工业大学1 = 学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指剥币签名甲3v f 论文作者签名： 角曼砷 二o o 七年五月十八日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 本课题研究的主要目的是：针对现有的物化法和传统生物法脱氮效率低、能 耗高、时间长等缺点，并根据国内外在生物脱氮的研究动态，探讨潜流型人工湿 地系统中短程硝化反硝化脱氮的原理和实现短程硝化反硝化的控制因素、工艺操 作条件，从而高效、节能、生态的去除生活污水的氮，防止水体中因氮含量过高 而导致富营养化的发生；并找出经济实用和可行的操作参数指导工程实践。 传统的硝化反硝化生物脱氮中，根据硝化菌在反应器存在状态的不同，硝化 工艺可分为悬浮生长系统( 活性污泥法) 和附着膜系统( 生物膜法) 两类。在单 级的处理系统中，除碳和硝化放置于同一个反应器中进行；而在多级系统中，除 碳和硝化放置于不同的反应器中进行。但由于传统的废水生物处理工艺以含碳有 机物和悬浮固体为主要处理目标，可通过微生物同化去除污水中的氮素量很少， 通常只有1 0 1 3 ，因此对生活污水和含氮的工业废水采用传统的工艺法处 理，出水中仍含有大量的氮素。这就促使人们对常规的处理工艺进行改造，以提 高氮的去除率，如a o 法、a a 0 法、s b r 、u c t 、b a r d e n p h o 法等工艺。 但是，随着近代生物学的发展以及人们对生物技术的掌握。脱氮技术由单纯 的工艺改革向着以生物学特性促进工艺改革的方向发展，以达到高效低耗。近年 来，国内外学者对污水生物脱氮工程实践中暴露的问题和现象进行了大量理论和 试验研究。力求缩短氮素的转化过程，并有了以下几方面的共识： ( 1 ) 亚硝化反应和硝化反应是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应， 而参与作用的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌因其世代周期、生长速率等的不 同，可以互相分开；生物脱氮可只经历n 砚一为电子受体的反硝化过程。 ( 2 ) 硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；一些 硝化细菌除了能够进行正常的硝化作用外，还能进行反硝化作用，如 n i t t o s o m o n s $ e u r o p a e a 和n j t r o s o m o n a se u r o p h a 等。 ( 3 ) 反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧的条件下进行反 硝化，勿劢i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 等 ( 4 ) 在厌氧条件下，发现某些细菌在硝化反硝化反应中能利用n 啦或n 如一 广东工业大学t 学硕士学位论文 作电子受体将n l + 氧化成n 。或气态氮化物。 在生物脱氮理论取得新突破的基础上，废水生物脱氮新技术也取得了快速的 发展。如：亚硝酸型硝化反硝化技术、同时硝化反硝化技术、厌氧氨氧化技术、 好氧反氨化技术、电极生物膜反硝化技术和e m 脱氮技术、固定化微生物脱氮技 术等短程硝化反硝化技术。这不但弥补了传统脱氮技术的缺陷，还提高了脱氮效 率、降低了脱氮成本。 基于短程硝化反硝化的机理，潜流型人工湿地系统，由于植物根系分布在湿 地填料层下，通过植物的光合作用把氧气传输到植物根区附近，使此部位形成一 个氧化态的微生物环境；随后，在离根区较深处逐渐出现缺氧、厌氧的环境，这 样为氮硝化反硝化去除提供了良好的反应场所。并且在操作过程中，可以通过控 制污水的c n 比值、d 0 浓度、水力负荷和增加优势菌种等方法促进系统短程硝 化反硝化的发生。本课题以潜流型人工湿地去除生活污水中的氮为研究对象，把 握目前国内外在生物脱氮的前沿方向，探讨人工湿地系统短程硝化反硝化脱氮的 原理和影响因素，从而进一步提高潜流型人工湿地系统的脱氮能力。这在利用人 工湿地生态法处理富营养污水的研究中，具有一定的创新性。 1 2 人工湿地污水处理系统概述 1 2 1 人工湿地的概念 湿地是陆地与水体之间的过渡地带，是一种高功能的生态系统，具有独特的 生态结构和功能。1 9 8 2 年3 月1 2r 修正的“国际湿地公约”中，把湿地定义为： “不问其为自然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带；带有 或静止或流动，或为淡水，半咸水或为咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的水域“。一般认为，湿地主要是沼泽地、泻湖、泥炭地，也包括湖泊、河 流、水库、滩涂、三角洲、河d - - 角湾等。由于人类的不合理开发，湿地资源在 我国受到很大破坏。在特殊时期和环境条件下，研究和建立人工湿地生态系统是 对自然湿地生态系统的适度补充，也是对其功能退化的恢复性建设“1 。 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是一种由人工建造和监督控制的，与沼 泽地类似的地面“1 。人工湿地是为处理污水而人为设计建造的，是2 0 世纪7 0 年 代发展起来的新型污水处理工艺“一它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污水，一般由人工基质( 一般为碎石) 和生长在其上的 第一章绪论 水生植物( 如芦苇、香蒲等) 组成，是一个独特的土壤( 基质) 一植物一微生物生态 系统嘲。 1 2 2 人工湿地的类型及优缺点 国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样。从工程设计的角度出发，按照 系统布水方式的不同或水体在系统中流动方式不同一般可分为：自由表面流人工 湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地”1 。从水力学角度划分，人工湿 地分为：水面湿地和渗滤湿地两种类型脚。按污水在其中的流动方式可分为：水 面式人工湿地( f r e ew a t e rs u r f a c e ，f w s ) ；潜流型人工湿地( s u b s u r f a c ef l o w ， s s f ) “o 。人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为：浮水植物系统；挺水 植物系统；沉水植物系统“”。但是，普遍认为人工湿地按水流方式的不同主要 分为三种类型：表面流人工湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ，s f w ) ；潜流人工湿 地( 又称为水平潜流人工湿地) ( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ，s s f w ) ；垂直潜流 人工湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d s ，v f w ) ”。 不同类型人工湿地对特征污染物的去除效果不同，具有各自的优缺点。表面 流湿地是污水在填料表面漫流，它与自然湿地最为接近m ”。这种类型的人工湿 地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地面积较大、水力负荷率较 小、去污能力有限。自由表面流人工湿地中氧的来源主要靠水体表面扩散、植物 根系的传输和植物的光合作用，但传输能力十分有限；这种类型的湿地系统的运 行受气候影响较大，夏季孽生蚊蝇的现象，冬季北方表面会结冰，还会有臭味“。 “。这种湿地不能充分利用填料及丰富的植物根系，其绝大部分有机物的去除是 由长在植物水下茎、杆上的生物膜来完成嘲。 水平潜流人工湿地，这种类型的人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得 名，它由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层，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和污染负荷 大，对b o d 、c o d 、s s 、重金属等污染指标的去除效果好“”，且很少有恶臭和 孽生蚊蝇现象。目前，水平潜流人工湿地已被美国、日本、澳大利亚、德国、瑞 典、英国、荷兰和挪威等国家广泛使用。这种类型人工湿地的缺点是控制相对复 杂，脱p 、除n 的效果不如垂直潜流人工湿地。 垂直潜流人工湿地，污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱 广东1 二业大学1 = 学硕士学位论文 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；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，落干和淹水时间都较长，控制相对复 杂，夏季有孽生蚊蝇的现象。 1 2 3 人工湿地的组成及功能 绝大多数自然和人工湿地由五部分组成：具有各种透水性的基质，如土壤、 砂、砾石；适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；水体( 在基质 表面下或上流动的水) ；好氧或厌氧微生物种群；防渗层“1 。 1 2 3 1 水生植物 植物是湿地中必不可少的一部分。它通过自身的生长及协助湿地内的物理、 化学、生物等作用去除湿地中的营养物质蛳。植物还可以延长水在湿地内的停留 时间、沉淀悬浮颗粒、为微生物的生长提供可依附的表面，同时还有输送氧气到 根区、提高水在土壤中的传导等作用“”。植物的选择应尽量考虑增加系统的生物 多样性。生态系统的物种越多，结构越复杂，则其稳定性越高，也能延长湿地使 用寿命，污水净化率也会提高”“”。 1 2 3 2 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。人工湿地处理污水 时，有机物的降解和转化也主要是由植物根区微生物活动来完成的。人工湿地中 微生物的活动是污水中有机物降解的主要机制。 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“划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n h 。- - n 的去除率与根区的硝化细菌和反化细菌数量的相关性极显著；而磷元素的去除率 则与根际中的磷细菌数目呈正相关。 1 2 3 3 基质 目前，广泛应用的人工湿地基质主要有沙粒、沙子、土壤、石块。“。新型填 料也在不断地得到研究和应用，特别是沸石由于其独特的性能，近年来成为了国 内外学者的研究热点。徐丽花等恤1 采用沸石一石灰石复合基质的人工湿地来净化 污水，处理效果较佳。聂发辉3 利用蛭石作为湿地填料进行研究，对氨氮的去除 第一漳绪论 效果较佳。这些基质一方面为微生物的生长提供稳定依附表面，同时也为水生植 物提供了载体和营养物质。当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学 的途径( 如吸附、吸收、滤过、离子交换、络合反应等) 来净化除去污水中的n ，p 等营养物质。k r r e d d y 胁1 在研究中也发现，在人工湿地中7 8 7 的磷可 能通过沉淀或吸附反应而降解，其中p h 值将起到十分重要的作用。 1 2 3 4 水体 在自由表面流人工湿地中，水体在表面流动的过程也就是污染物进行生物降 解的过程，同时在生态效果方面，水体层提供了鱼、虾、蟹等水生动物和水禽等 的栖息场所；而在潜流人工湿地中，水体的流动不但为系统带入d o ，还通过冲 刷作用为依附在填料上的生物膜提供营养物质，同时也使老化的生物膜脱落，保 证了污染物的降解作用。由此构成了生机盎然的湿地生态系统。 1 2 3 5 防渗层 人工湿地的防渗层主要作用是阻止污水向地下水体的渗漏，这对于某些可能 造成地下水污染的工业污水来说十分重要。通常采用黏土层一防渗，国外也有采 用低密度聚乙烯( l d p e ) 做衬里。对于处理雨水的湿地也可不采用防渗层，使经 过处理的雨水直接补充地下水。值得一提的是，湿地底部的沉积污泥层，在厌氧 状态下由微生物代谢作用产生的黏稠分泌物和形成的多糖可以形成天然的防渗 层捌。 1 3 人工湿地净化机理及应用 1 3 1 人工湿地净化机理 人工湿地去除污染物的范围非常广泛，包括n 、p 、s s 、有机物、金属离子、 微量元素、病原体等。系统通过各种构成元素，在物理、化学以及生物降解等协 同作用下对污染物进行净化。 1 3 1 1 悬浮物( s s ) 的去除 在f w s 型人工湿地和s s f 型人工湿地中，进水的悬浮物的去除主要集中在进 口处完成，这主要是基质层( 也就是填料层) 、植物的根系和茎、腐殖层的过滤 和阻截作用，所以悬浮物去除率的高低，决定于污水与植物及填料的接触程度。 在s s f 湿地中平整的基质层底面及适宜的水力坡度，使进入湿地的污水不发生 漫流，而使污水全部流经基质层，这对提高悬浮物的去除效率至关重要。在阿s 广东工业大学丁学硕+ 学位论文 型湿地中，水流沿地面均匀和缓慢的流动使悬浮物沉降，也是其去除机理之一。 湿地中的物理、化学和生物吸附作用都能够去除细小的悬浮物。 1 3 1 2 有机物的去除 人工湿地溶解氧往往不足，有机物的去除以兼性细菌和厌氧细菌的分解为 主。在f w s 型人工湿地中，表层水体由于大气的复氧作用，好氧细菌成为该人工 湿地有机物得以去除的主要原因；而在s s f 型人工湿地中，进水所携带的溶解氧 及植物根系对氧的传递都会使湿地中存在局部的好氧状态，污水在基质层中的流 动，与其中微生物进行接触，有机污染物被微生物同化吸收以及分解等也是有机 污染物得以去除的原因。但是，由于植物的根系及土壤基质的作用，人工湿地对 有机物污染物的去除机理比传统的生物滤池复杂得多。 1 3 1 3 氮的去除 污水中的氮主要以氨氮、有机氮、硝念氮和亚硝态氮所组成，人工湿地生态 系统中存在着氮的循环，这对人工湿地系统氮的去除起到比较重要的作用。污水 中的氨氮被湿地植物和微生物同化吸收，这部分可通过定期植物收割得以去除； 也有部分氮通过植物根系的固氮作用，得以去除；还有极少部分在较高的p h 下， 也可以通过挥发去除。但是研究表明，硝化反硝化作用汹”1 才是人工湿地最终脱 氮的主要途径。 由于植物根系周围的好氧区、缺氧区和厌氧区，以及不同微生物群的生物氧 化还原作用，为人工湿地系统氮的去除提供了良好的条件。一般情况下，人工湿 地植物种植密度很大，几乎布满整个基质层，因此好氧、厌氧区几乎遍布于人工 湿地的任何位置，这也是人工湿地系统除氮工艺最突出的优点。 1 3 1 4 磷的去除 人工湿地对磷的去除效果差别比较大，这与磷的去除机理有关。磷的存在方 式主要以：有机磷、不溶性磷酸盐和可溶性磷酸盐为主，人工湿地对磷的去除主 要由植物吸收、微生物降解及物理化学作用完成。污水中的无机磷在植物吸收及 同化作用下，可变成植物的有机成分，这部分可通过植物收割得以去除：但是植 物的同化吸收是有限的，这部分对于人工湿地除磷的作用并不大。实际上，无机 磷的去除主要还是湿地填料的物理吸附、沉淀作用；而有机磷则可以通过聚磷菌 过量吸收去除。但在人工湿地系统中，这两部分磷并没有最终捧出系统外，对系 统最终除磷作用也不大。 第一章绪论 人工湿地主要通过基质的物理化学作用去除污水中的磷，对于不溶性磷酸盐 主要通过基质的阻截、吸附去除；而对于可溶性磷酸盐则通过与土壤、基质中的 a l ”、f 矿、c a 2 + 等发生化学沉淀反应去除。所以，采用含钙质的填料或膨胀黏土 有助于磷的去除：含铁质地下水渗入人工湿地，也将有利于磷的去除。但是这也 只能改变磷在人工湿地系统中的存在方式，并没有起到真正意义的除磷效果；人 工湿地只能依靠定期更换填料层，才能达到最终除磷的目的。 1 3 1 5 金属离子的去除 金属离子的去除机理主要有：植物的吸收和生物富集作用，土壤胶体颗粒的 吸附( 离子交换) 、s 2 。形成硫化物沉淀。研究表明，人工湿地土壤的化学特性使 它有很强的吸附和螯合金属离子的能力；而人工湿地系统中，来自蛋白质和硫酸 盐厌氧分解形成的s ，也是金属离子得以沉淀去除的主要原因。但是，金属离 子主要依靠基质的吸附和金属硫化物沉淀的形式去除，实际也只是改变了金属离 子的存在状态，并没有真正从系统中除去。所以，人工湿地系统也只能依靠定期 更换填料层，才能达到最终去除金属离子的结果。 1 3 2 人工湿地的应用 由于人工湿地系统的复杂性，各种机理的协同作用还没有较好的研究解决， 目前还处于发展阶段。我国人工湿地的研究始于“七五”期间，先后由北京市环 科所设计的北京昌平芦苇人工湿地、华南环科所设计的深圳白泥坑人工湿地、天 津环科所设计的芦苇人工湿地得到应用，以及华中农业大学、中国环境科研院、 中科院南京植物所和深圳市环科所进行了大量的研究模拟试验。目前，我国人工 湿地的研究与应用在工业上主要是对炼油污水、油田采出水、造纸污水、酸性采 矿污水等污水的处理，以及城镇生活污水和农业面源污染、地表径流等非点源污 染的治理。这几年，特别以深圳环科所设计的石岩、甘坑、洪湖、沙田等人工湿 地在处理生活污水方面得到较好的效果，石岩、洪湖等人工湿地还被评为全国示 范工程。而国外，如美国、德国等的一些技术人员还将其推广应用于行政事业单 位和垃圾场渗出液等污水处理中。国外对人工湿地处理工业污水的研究与应用主 要是淀粉工业污水、制糖工业污水、食品加工和奶制品加工污水、屠宰场污水等 高浓度有机污水的处理；自由表面流人工湿地主要应用于北美，而潜流型人工湿 地主要应用于欧洲，如丹麦、德国、英国等。y r h o v s e k 嘲踟的研究表明，水平潜 广东工业大学t 学硕十学位论文 流人工湿地对以b o d ，c o d 和植物油为特征污染物的高浓度食品工业污水具有良 好的净化效果，系统对b o d 的平均去除率为8 9 9 ( , ，对c o d 的去除率高达9 2 。随 着各国对人工湿地系统的深入研究和技术投入，人工湿地作为一种生态处理技术 在不久将来将会得到广泛的应用。 1 4 文献综述 目前国内外在生物脱氮方面，根据生物脱氮理论取得的新突破，主要是集中 在如何通过缩短硝化反硝化时间，提高脱氮效率和节约能耗的研究；如根据短程 硝化反硝化原理提出的亚硝酸型硝化反硝化脱氮技术、同时硝化反硝化脱氮技 术、好氧反氨化技术和厌氧氨氧化技术等。在亚硝酸型硝化反硝化研究方面，1 9 9 7 年荷兰戴尔夫特理工大学h e l l i n g 等开发了s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rh i g h a c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 工艺m 1 3 ”以及o l a n d ( o x y g e nl i m i t e d a u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ) 工艺。“；g r a a f 研究的厌氧氨 氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x ) t 艺嘟1 ；德国汉诺威大学h i p p e n 等提出的好氧反氨化除氨( a e r o b i c d e a 舢o n i f i c a t i o n ) 工艺啪堋。虽然以上各 种研究工艺在提高脱氮效率和节能方面得到了很大的改进，但是操作条件比较苛 亥，难以在工程上得到应用。 在同时( 步) 硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn 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 n ，s n d ) 研究方面，最早在2 0 世纪8 0 年代，由r o b e r t s o n m l 等人提出了好氧反硝化细菌和好氧反硝化酶的存在。后来，b r u c eer i t t m a n n t ”1 在工业规模的氧化沟中成功地实现了s n d ；d y b a n g 阱1 在部分浸没式r b c 反应器 中，也发现了活跃的好氧反硝化现象的产生：e l i s a b e t hv m u n c h 啪1 在s b r 反应 器的好氧反应区中也观察到了反硝化现象。随着进一步深入研究，国内外学者提 出了在不同反应器中，实现s n d 的运行参数，如h y u n g s e o k y o o 鼬1 认为：d o 的最 大浓度应该控制在2 0 2 5 m g l 、最小浓度控制在0 4 m g l 以下： c o l l i v i g n a v e l l ic 等“”提出了在延时曝气系统中，o r p 应该控制在1 3 0 1 6 0 m v ， d o 就控制在0 3 o 6 m g l ：刘军等“”发现，在s b r 工艺中当溶解氧浓度为1 6 0 1 8 0 m g l 、c o d n h , + 一n 为6 5 时，t n 的去除率达到最大等等。在菌种研究方面， 张光亚等m 1 从土壤中分离出一株好氧反硝化菌，命名为菌株哪；堵国成等“”筛 选和分离得到多株脱氮微生物，能在完全好氧条件下进行反硝化反应；周丹丹“” 第一章绪论 采用污泥驯化手段富集好氧反硝化细菌，并将得到的驯化污泥分离纯化，共得到 1 0 5 株好氧反硝化菌。总的来说，s n d 技术的研究在我国仍处于起步阶段，技术 还没有成熟，但是它也为生物脱氮技术提出了研究方向。 除了以上几种短程硝化反硝化技术的研究外，目前也有部分学者从事于电极 生物膜反硝化技术“”、叫脱氮技术1 和固定化微生物脱氮技术“”等的研究。同 时，随着各种脱氮技术的研究发展，近年来，利用自然生态的方法去除污水中的 氨氮也重新得到了人们的关注。特别把新的生物脱氮技术应用到人工湿地中，从 而进一步提高人工湿地的脱氮能力的研究，逐渐成为国内外学者的研究前沿。 目前，我国绝大部分城市污水厂均采用传统的二级活性污泥法处理工艺，这 种工程工艺投资高、能耗大、运行管理要求高，对控制大城市的水环境污染起到 了关键作用。但是，由于我国经济发展水平不高，能源短缺；许多地方，尤其中 小城市和乡村缺乏具有一定操作管理和技术水平的人员，这些传统的技术难以得 到应用。同时我国的乡镇企业迅猛发展，对当地造成严重的环境污染，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。与二级污 水处理厂相比，人工湿地的投资和日常运行费仅为其l 1 0 l 1 2 ，而出水水质 可达到或超过二级污水处理水平汹刎。人工湿地系统是一个完整的生态系统，它 形成了内部的良好循环并具有较好的经济效益和生态效益，是正在不断得到研究 应用和发展的污水处理实用新技术；它还具有投资低、出水水质好、抗冲击力强、 增加绿地面积、改善和美化生态环境、操作简单、维护和运行费用低廉等优点 训；这项技术适合我国国情，尤其适合广大农村、中小城镇的污水处理，具有广 阔的应用前景。国内对这项技术的研究应用尚处于起步阶段，有关工艺设计资料 和应用实例还不多见，有待结合我国不同地区的具体情况，深入开展研究工作， 取得适合于不同地区、不同环境气候条件及不同污水特性的实用数据，以促进其 在我国不同地区的推广应用。 1 5 本课题研究的思路及方案 1 5 1 研究思路 针对潜流型人工湿地运行状况，探讨影响湿地系统净化效果的因素，并且讨 论人工湿地传统硝化反硝化与短程硝化反硝化的关系。进一步研究如何通过控制 污水中的c o d 浓