（环境工程专业论文）水平潜流人工湿地去除受污染水体中磷的研究.pdf

摘要 本课题通过静态摇床试验、动态柱状试验以及水平潜流人工湿地的小试试 验，揭示了水平潜流人工湿地的除磷规律，分析水平潜流人工湿地对受污染水 体修复中的除磷途径，提出除磷工艺的优化条件。 静态摇床试验结果表明，四种供选基质中，钢渣对磷的吸附能力最强，页 岩次之，砾石和沸石对磷的吸附能力较弱。在2 5 c 条件下，用l a n g m u i r e 公式 预测钢渣、页岩、砾石和沸石吸附磷的最大饱和值分别为：1 6 6 6 6 7m g k g 、1 2 8 2 1 m g k g 、4 2 3 7m g k g 和5 6 1 8m g k g 。基质对磷的吸附受温度和粒径的影响，温 度高时各基质的磷吸附量相对较高，温度低时各基质的磷吸附量相对较低；粒 径较小时基质的磷吸附量相对较高，粒径较大时基质的磷吸附量相对较低。 动态柱状试验结果表明，钢渣、页岩、砾石和沸石的最大磷饱和量分别为 1 2 3 9m g k g 、1 7 8 m g k g 、4 0 m g k g 和5 7 m g k g ，验证了用l a n g m u i r 方程参数预测 基质磷最大吸附量的可行性。进水中的有机物对潜流湿地中基质对磷的吸附有 一定的抑制作用，c o d 浓度越高，基质对磷的吸附速率就越小。 水平潜流人工湿地修复受污染水体的小试验结果表明，当水力停留时间为 2 8 d 时，进水总磷在0 5 1 2m g l 的条件下，芦苇砾石系统全年的总磷去除率 为0 0 一9 0 ，多植物砾石系统的去除率为5 。9 0 ，芦苇多基质系统的去除率为 6 5 曲1 。对除磷而言，水平潜流湿地的理想水力停留时间为6 天。基质中采 用钢渣可以提高潜流式湿地除磷效率、增加湿地寿命，还可以克服潜流式湿地 除磷受季节影响因素较大这一缺点。基质磷增量的形态分析显示，砾石中大部 分磷增量都是以钙镁结合磷形态存在( 4 4 8 0 0 , - 6 8 6 0 ) ，而沸石中则是多以残 余磷形态存在( 6 4 9 9 ) ，钢渣则集中于铁铝态结合磷( 4 4 3 8 ) 。秋季湿地植 物的收割更利于潜流湿地的除磷。各系统除磷的主要途径有基质的吸附沉淀作 用，占除磷总量的6 7 - 7 6 ，植物收割，占除磷总量的1 5 - 2 1 ，而其它途径除 磷量占除磷总量的1 0 左右。多植物和多基质的湿地系统比单一植物单一基质 的湿地系统更具优势。 关键词：水平潜流人工湿地、受污染水体、除磷、吸附、基质 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t u d yo f t h ep h o s p h o r o u sr e m o v a li nh o r i z o n m ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d t r e a t i n gt h ep o l l u t e ds u r f a c ew a t e rw a sc a r r i e do u tb yt h r e es t e p s ：( 1 ) s o r p t i o n i s o t h e r me x p e r i m e n t s ；( 2 ) c o l u m ne x p e r i m e n t s ；( 3 ) p i l o tc e l le x p e r i m e n t s t h es o r p t i o ni s o t h e r me x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eps o r p t i o nc a p a c i t y o fs t e e ls l a g ，s h a l e ，g r a v e la n dz e o l i t e ，鹪d e t e r m i n e dw i t hl a n g m u i ri s o t h e r m s ，w e r e 1 6 6 6 6 7 m g k g ，1 2 8 2 1 m g k g ，4 2 3 7 m g k ga n d5 6 1 8 m g k gr e s p e c t i v e l ya t 2 5 c t h e a m o u n to f p h o s p h a t es o r b e dw a si n c r e a s e dw h i l et e m p e r a t u r ew a si n c r e a s e d , a n dt h e a m o u n to f p h o s p h a t es o r b e dw a si n c r e a s e dw h i l et h ep a n i c l es i z ew a sd e c r e a s e d t h ec o l u n me x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep s o r p t i o nc a p a c i t yo fs t e e l s l a g ，s h a l e ，g r a v e la n d z e o l i t ew e r er e s p e c t i v e l y1 2 3 9 m g k g ，1 7 8 m g k g ，4 0 m g k ga n d 5 7 m g k g t h i sr e s u i tv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h eps o r p t i o nc a p a c i t yd e t e r m i n a t i o n m e t h o db yu s i n gl a n g m u i ri s o t h e r m s t h ec o dc o n c e n t r a t i o nr e s l r a i n e dt h ep s o r p t i o no f t h es u b s t r a t e t h ep i l o tc e l le x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e t a i n e dp r o p o r t i o no f i n c o m i n g1 甲w e r eb e t w e e no a n d9 1 i i l3w e t l a n d s i nw a l l l ls e a s o n t h e i n c r e a s i n go f l i r te n h a n c e dt h ep h o s p h o m sr e m o v a le f f i c i e n c y t h ei d e a lh r t w a s 6 df o rp h o s p h o r u sr e m o v a l t h es t e e ls l a gc o u l dn o to n l ye n h a n c et h ep h o s p h o r u s e f f i c i e n c ya n di n c r e a s ew e t l a n dl i f e ，b u ta l s om i g h to v e r c o m et h ed i s a d v a n m g eo ft h e h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n dt h a tt h ep h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yw a sn o t s t a b l ei ne v e r ys e a s o n t h ep h o s p h o r u sf r a c t i o n a t i o no f s u b s t r a t es h o w e dt h a tt h e i n c r e a s i n gp h o s p h o r u so f t h ed i f f e r e n ts u b s t r a t e sw e r ei nt h ed i f f e r e n tf o r m s t h e r e w a s m o r ec a m g pi ng r a v e l ( 4 4 8 0 - 6 8 6 0 ) ，m o r er e s i d u a l - pi nz e o l i t e ( 6 4 9 9 ) a n d m o r ef “a l - pi ns t e e ls l a g ( 4 4 3 8 啪t h ew e t l a n dp l a n th a r v e s tw a sb e r e rt a k e ni n a u t u m nt h a ni no t h e rs e a s o n sf o rp h o s p h o r u sr e m o v a l t h em u l t i - p l a n t sa n dt h e m u l t i s u b s t r a t e sw e t l a n ds y s t e mh a dt h es u p e r i o r i t yc o m p a r e dw i t ht h es i n g l ep l a n t a n ds i n g l es u b s t r a t ew e t l a n ds y s t e m k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，p o l l u t e ds u r f a c ew a t e r , p h o s p h o r u s r e m o v a l ，s o r p t i o n , s u b s 仃a t e i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：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，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 沁习年弓月7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：梁冶 咿7 年；月，日 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 水体中大量磷酸盐的存在是引起富营养化的主要原因之- - 1 u 】。富营养化给 自然水体造成了严重的负面影响，已成为当前重大的社会问题之一，引起了国 内外的广泛关注。水中的碳和氮均可从空气中获得补充，所以造成湖泊富营养 化的限制性物质主要是磷。只有当水中磷的浓度很高时，起限制作用的才是氮1 3 l 。 人类无节制地向环境中排放各种含磷化合物已经引起一系列严重的环境生 态问题。与此同时，随着城市化和工业化进程的不断加快，水体的功能和作用 不断被弱化。尤其是城市缓流水体，由于受城市发展的影响较大，水体流动性 小，自净能力弱，破坏更为严重。据近年来全国水域的水环境质量调查统计， 在流经全国4 2 个大中城市的4 4 条河流中，有9 3 的河段被污染，其中严重污 染和中度污染的河段占7 9 ，6 4 的城市河段为类或v 类水质，5 0 的重点 水源地不符合饮用水标准【4 l 。湖泊的水质也普遍较差，7 5 以上的湖泊富营养化 加剧，许多湖泊已达不到m 类水水质标准，部分湖泊甚至成为纳污水体。 脱氮除磷及去除藻类是河流湖泊水体恢复与保护的难题，目前国际上采用 的技术主要有3 类：( a ) 化学方法：如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉 淀、加入石灰脱氮等，但是易造成二次污染；( b ) 物理方法：疏挖底泥、机械 除藻、引水冲淤等，但往往治标不治本；( c ) 生物生态方法：水体的生物生态修 复技术，通过强化自然界自身的自净能力和物质循环规律去治理被污染水体， 是实现人与自然和谐相处的治污途径【5 】。人工湿地就是一种己应用于实践的生物 生态技术。 2 0 世纪7 0 年代以来，人工湿地生态处理工艺的提出和发展为综合解决水体 富营养化问题提供了一种新的选择。人工湿地作为一级、二级或三级污水处理 系统在水体修复中已经得到越来越广泛的应用。从经济角度来看，人工湿地具 有投资和运行费用低( 仅为传统二级污水厂的1 1 0 至1 2 ) 、抗冲击负荷、处 理效果稳定、出水水质好、芦苇等湿地作物可以再生利用( 作为造纸原料) 等 诸多优点1 6 , 7 , 8 】；从生态环境角度来看，人工湿地技术不仅不会造成对周围环境的 第1 章绪论 冲击，还能通过基质一植物一微生物生态系统，促进污水中物质循环再生，对该 系统和周围生态环境起到了调节、改善和修复功能。因此，人工湿地必将成为 我国受污染水体修复的重要工艺而得到广泛应用。 1 2 磷 1 2 1 磷的来源及分布 地壳中的磷主要以磷酸钙形式存在，在地壳中的含量约为0 1 2 ( 重量) 。 含磷矿物不少于1 9 0 种，主要是氟磷灰石c a s ( p 0 4 ) 3 f 、羟磷灰石c a 5 ( p 0 4 ) 3 0 h 、 合杂质的磷钙石c a 3 ( p 0 4 ) 2 。在岩浆岩中常有磷灰石，这种矿物实在地壳形成时 形成的。磷钙石蕴藏在沉积岩中，沉积岩是由于生物死亡而形成的。海水中含 磷大约为6 x 1 0 6 。近些年来，在海洋里发现“磷结核”，总储量高达约3 0 0 0 亿吨。磷不仅存在于地壳和海洋中，同样还广泛地分布于土壤、岩石、所有活 体细胞、大部分食物以及许多人造材料里( 表1 1 ) 。 表1 1 自然界各环境介质中磷的含量1 9 】 环境介质 磷的含量( p p m ) 大气层，雨水0 0 0 1 湖泊河流o 0 1 2 0 海水 o 1 土壤 5 0 0 岩石 1 0 5 0 沙 5 0 饮用水0 0 0 1 0 1 市政污水 1 2 农业灌溉水 1 3 维管植物3 0 0 浮游植物 6 4 0 落叶1 1 0 0 青苔 1 4 0 0 大米( 熟) 2 8 0 鸡蛋 2 0 5 0 奶酪4 7 8 0 苹果 1 0 0 2 第1 章绪论 1 2 2 磷的主要形态 磷的化合物主要被划分为三类结构：正磷酸盐、多磷酸盐和有机磷化合物。 磷是周期系第v 族( 氮族) 元素，原子量3 0 9 7 4 。磷原子外层轨道有5 个 电子，其中3 个不配对，化合价为士1 、士3 和士5 。磷原子的电子结构是l s 22 s 22 p 6 3 s 23 p 3 ，三个不成对的电子留在外面3 p 轨道可用于为化学结合。但是，外层的 五个电子也可以与其它原子形成共有电子对，变成五价磷化合物譬如正磷酸盐， 或磷酸盐离子( 图1 1 a ) 。 o00 0 ，艾。；。；。 - o 。个。州埘 o 。l k r o l o r 0 。 ( a )( c ) 图1 1 磷的共价化合物形式：( a ) 磷酸根离子；t o ) 线形多磷酸根；( c ) 磷酸根离子衍 生物：正磷酸酯，可合成有机体1 9 1 在水中，正磷酸水解为如下形式【lo j ： t 3 p o d ：h + + h 2 p o , 一成j = 2 1 皿p 0 一：h + + h p 0 4 2 。p k , 。2 = 7 2 h p 0 4 2 一：h + + p o , 。p k a 3 = 1 2 3 其中，h 2 p 0 4 离子是人体体液中的重要缓冲体系。 多磷酸盐，是磷酸分子脱水后形成的磷酸盐。p 0 4 基团里的五价p 由氧原 子桥接在一起】( 图1 1 b ) 。细菌、真菌、原生动物、海藻和一些更高级的植 物动物中都有多磷酸盐的存在旺1 。线性多磷酸盐的链长范围从2 个单位( 焦磷 酸) 到1 0 ，0 0 0 个单位( 长链高分子偏磷酸钠) h i 。 正磷酸酯( 图1 1 c ) 在生物种群中非常的丰富并且起着重要的作用【9 】。 其它重要的有机磷化合物还包括磷酸单酯( 如：糖和丙三醇磷酸盐) 、磷 硫酸盐( 如：核酸、维生素b 1 2 、磷脂和核苷酸) 、有机磷杀虫药( 如：m a l a t h i o n 杀虫剂和一六o 五) t 3 i 。 3 第1 章绪论 1 2 3 水环境中的磷 自然界以及排放污水中的磷，常常会由水流作用汇集到江河湖海，从而造 成水体的富营养化。水环境中，磷在溶解性磷酸盐、沉积物和活体生物间循环 非常迅速【l 。磷可以被有机或无机材质吸附，也会与钙、镁、铁、铝等阳离子 形成沉淀。在自然界中，这种溶解沉淀平衡调控了水中磷的浓度，同理这一现 象也应用到工业生产及污水处理中。一些重要的磷酸盐和他们的水解产物如下 所示( 见表1 2 ) 。 表1 2 部分磷酸盐2 5 下的水解产物 磷酸盐 反应p k 磷酸铁 f e p o 虬n ：f e “+ p o ：一 2 1 9 磷酸铝 a t p o , ：4 ，3 + + p o l 3 2 1 o 磷酸氢钙 c a h p 0 4 ：c a 2 。+ h p o ? 一 6 6 6 磷酸二氢钙 c a ( h 2 p o d ：c a 2 + + 2 h 2 p 0 4 1 1 4 羟磷灰石 c ( 尸d 4 ) 3 0 h ( n ：s c a 2 + + 3 p d 4 3 - + o h 一 5 5 9 氢离子的浓度对于磷化合物的溶解度有相当大的影响| 1 0 】，p h 值对磷酸盐溶 解度的影响可见图1 2 。 图1 2p h 对磷酸盐溶解度的影响【1 0 】 4 山卜qz乱价。歪了13_o仉qjo：nia一。 第1 章绪论 1 2 4 磷元素的生物作用及生态效应 磷不仅在生物的生长和繁殖过程中有着不可替代的作用，更是在新陈代谢 和能量传递中担当重要角色。磷以磷酸盐形式进入细胞，并被合成为各种各样 的有机磷化合物和多磷酸盐。植物叶绿体内发生的光合磷酸化和动物线粒体内 发生的氧化磷酸化。都是由无机磷酸盐酯化，从而产生a t p 的过程： 无机磷+ a d p + 光f i l l 氧化能a t p 在所有生物细胞中，a r p 的高能磷酸键支持着生物的成长和新陈代谢过程。 所以说，光合作用依赖着磷元素，水体中磷的浓度与水中藻类细胞的数量有着 密不可分的关系。 在生物体内，碳、氮、磷的平均比例大概是是4 1 ：7 ：1 1 4 1 。但是在大量的水体 中磷的含量大大超过了这一比例1 i 6 , i 7 1 。v o l l e n w e i d e r 以湖泊的生产力水平为基础， 提出了湖泊的正常营养范围，磷的浓度为3 0 1 0 0 l w , i , 。如果超出这个范围，即为 过度营养化了。 富营养化的防治和管理主要应该集中在磷来源控制上。但是对于已污染出 现富营养化的水体，原位修复是最理想的处理方式。 1 3 人工湿地 1 3 1 概述 湿地是地球上一种重要的生态系统，享有“地球之肾”的美誉，处于陆地生 态系统( 森林和草地) 与水生生态( 如深水湖和海洋) 之间。湿地不仅可以调 蓄水量，调节气候，为珍奇动物提供良好栖息地，而且还可以净化污水。 湿地系统一般可以分为两大类：天然湿地和人工湿地。人工湿地是指通过 选择一定的地理位置与地形，并模拟天然湿地的结构与功能，根据人们的需要 人为设计与建造的湿地【l 刖。人工湿地是一个自适应的系统1 1 9 1 ，其中水体、基质、 水生植物和微生物是构成人工湿地污水处理系统的四个基本要素，其除污的原 理主要是利用湿地中的基质、水生植物和微生物之间的相互作用，通过一系列 物理的、化学的以及生物的途径净化污制2 0 1 。其中物理作用主要是过滤、沉积 作用，污水进入湿地，经过基质层及植物茎叶和根系，可以过滤、截留污水中 5 第1 章绪论 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、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、厌氧及兼氧状态下通过开环、断链分解成简单分子、小 分子等作用，实现对污染物的降解和去除2 1 1 。 1 3 2 人工湿地的分类 人工湿地按污水在湿地床中流动的方式和主要植物类型不同而分为6 种类 型或系统捌。 1 3 2 1 按水流方式分类 从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同，人工湿地可划分为三 种类型【2 3 】：表面流人工湿地( s u r f a c e f l o ww e t l a n d ，s f w ) 、水平潜流型人工湿地 ( h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d , h s s f w ) 和垂直流湿地( v e r t i c a lf l o w w e t l a n d ，v f w ) 。垂直流湿地又称之为过滤型人工湿地( i n f i l t r a t i o n w e t l a n d ，i w ) 。 不同类型人工湿地对特征污染物的去除效果不同，并具有各自的优缺点。 ( 1 ) 表面流人工湿地类似于沼泽，污水以较慢速度从湿地表面流过，具备 投资少，操作简单，运行费用低等优点，但占地大，水力负荷小，净化能力有 限，湿地中的氧来源于水面扩散与植物根系传输，系统运行受气候影响大，夏 季易孽生蚊子、苍蝇； ( 2 ) 水平潜流型人工湿地的污水从一端水平流过填料床，其由一个或多个 填料床组成，床体填充基质，床底设防水层。水力负荷与污染负荷较大，对b o d 、 c o d 、s s 及重金属等处理效果好，氧源于植物根传输，少有恶臭与蚊蝇现象， 但控制相对复杂； ( 3 ) 垂直流湿地的污水从湿地表面纵向流入填料床底，床体处于不饱和状 态，氧通过大气扩散与植物根传输进入湿地，硝化能力强，适于处理氨氮含量 高的污水，但处理有机物能力欠佳，控制复杂，落干淹水时间长，夏季易孽生 蚊蝇。 1 3 2 2 按主要植物分类 根据植物的存在形态，人工湿地还可以分为浮水大型植物系统、挺水大型 植物系统和沉水植物系统i 。 6 第1 章绪论 ( 1 ) 浮水大型植物系统以浮水植物为主，植物繁殖能力强，可通过光合作 用由根系向水体放氧，可通过植物吸收有效去除n 、p 及重金属等污染物，浮水 植物目前主要用于n 和p 的去除和提高人工湿地的效率： ( 2 ) 挺水大型植物系统以挺水植物为主，植物根系发达，可通过根系向基 质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖， 便于污染物的多途径降解，目前人工湿地主要指挺水植物系统； ( 3 ) 沉水植物系统以沉水植物为主，该系统还处于试验阶段，主要用于初 级处理与二级处理后的精处理。 1 3 3 人工湿地的组成 湿地系统由基质、植物、微生物组成，各组成成分起着不同的作用，并且 相互协同，使得整个湿地生态系统平衡运转，发挥良好的净化功能。其中，湿 地系统中的水生植物是人工湿地系统区别于稳定塘系统的一大特色，其在污水 净化过程中起着至关重要的作用。酋先，其发达的根系与基质交错成网为微生 物附着提供了巨大的表面积，易于形成生物膜，促进了污染物被微生物降解利 用；其次，植物自身的光合作用，借助于光能这一清洁能源为推动力，能将部 分可溶性污染物及被微生物分解的污染物同化吸收。同时，光合过程中生成的 0 2 可通过茎根输向水体与基质，使根区周围依次形成多个好氧、缺氧与厌氧小 区，为好氧、兼性厌氧及厌氧微生物生存提供良好生境，利于硝化与反硝化作 用，促进了污染物的多渠道降解 2 2 1 。 1 3 3 1 基质 基质，又称填料，是人为设计的、由不同大小颗粒的沙粒、沙土、土壤、 石块等按一定的厚度铺成的供植物生长、微生物附着的床体。这些基质一方面 为水生植物提供载体和营养物质，另一方面为微生物的生长提供稳定的依附表 面。当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理和化学的途径，如吸收、吸附、 过滤、离子交换、络合反应等将水体中的污染物有效去除。同时，为植物、微 生物生长及0 2 传输提供了必备条件。 表面流系统多以土壤为基质，潜流与垂直流系统则根据不同的特征污染物 选择不同的基质，并需考虑便宜、易于取材等因素。以s s ，b o d 和c o d 为特征 的污水，需根据水力停留时间、水容量及出水水质等因素选择土壤、细沙、砾 7 第1 章绪论 石、瓦片或灰渣中的一种或多种为基质。而以p 为特征的污水，最好选择钢渣、 飞灰和页岩为填料，其次是铝矾土、石灰石和膨润土等；泡沸石与油页岩对p 的 吸附能力较差，不宜选用【2 5 挪1 。 污水中磷和重金属的净化主要是通过基质的反应实现的，其反应产物最终 吸附或沉降在基质中，从而使基质内该元素的含量急剧增加，经数年积累，基 质中磷和重金属含量可达入水浓度的1 0 1 0 0 0 0 倍”1 。 1 3 3 2 植物 人工湿地净化污水最主要的任务是要去除污水中的污染物，其中植物发挥 了极其重要的作用。植物通过吸收利用、吸附和富集等作用消除水体中的污染 物。植物根系能从污水中吸收营养物质并加以利用，吸附和富集重金属和一些 有毒有害物质。同时，植物根系释放到土壤中的酶等物质可直接降解污染物， 且降解速度非常快2 8 刀j 。除此之外，在湿地系统中，植物还发挥着维持人工 湿地 环境的作用，如固定床体表面2 5 1 、提供良好过滤条件、防止湿地被淤泥淤塞3 0 1 、 为微生物提供良好根区环境 3 1 , 3 2 , 3 3 1 等，这些作用的发挥也为基质和微生物去除污 染物提供了有利条件。 在选择湿地植物时，应遵循如下原贝f j 3 4 1 ： ( 1 ) 适地适种； ( 2 ) 耐污能力强； ( 3 ) 净化能力强； ( 4 ) 根系发达； ( 5 ) 经济和观赏价值高； ( 6 ) 重视物种间的合理搭配。 目前，全球发现的湿地高等植物多达6 7 0 0 余种，而已被用于处理湿地且产 生效果的不过几十种，很多植物还从未试用过【1 7 】。现在国际上公认的湿地淡水 水生植物优势品种有宽叶香蒲( t y p h a l a t i f o l i a ) 、芦苇( p h r a g m i t e s ) 、苦草( v a l l i s n e r i a a m e r i c a n a ) 、软水草( h y d r i l l av e r t i c i l l a 哟和狐尾藻( m 妒o p h y l l 啪s p i c a t u m ) 3 5 , 3 6 , 3 7 】 等。 1 3 3 3 微生物 与活性污泥法、氧化塘法、生物膜法等相同，微生物也是人工湿地污水处 8 第l 章绪论 理系统中净化污水的核心。不同的是，人工湿地为好氧、兼性厌氧及厌氧微生 物的同时生存提供了有利生境。例如，芦苇的根茎上，好氧微生物占优势，芦 苇根系区好氧与兼性微生物均有活动，而远离根系区则为厌氧微生物的主要活 动场所。这些微生物，如氨化菌、硝化菌和反硝化菌等，主要存在于填料表面、 植物的根面及根区，从污水中获取生长和繁殖所需的含能化合物和营养物质， 并转化一些污染物的形态，从而改变污水的水质。 常见的微生物有放线菌、磷细菌、硫细菌、亚硝化细菌、硝化细菌等。它 们在分解有机物质、脱n 、除p 的过程中发挥着重要作用t 3 s 。 1 3 4 潜流人工湿地的除磷机理 磷的去除与人工湿地的类型无关，而受到其他多种因素的影响，因此去除 效果一直不是很理想3 纠。进入湿地系统中的含磷化合物主要包括有颗粒磷 ( p a r t i c u l a t ep h o s p h o r u s ) 、溶解有机磷( d i s s o l v e do r g a n i cp h o s p h o r u s ) 和无机磷酸盐 ( d i s s o l v e di n o r g a n i cp h o s p h o r u s ) 。磷在潜流人工湿地系统中的循环变化见图 1 3 1 17 1 。 p p 鬏粒磷d p 溶解性辨k 哇。正辚缴盏 图1 3 潜流人工湿地中磷的循环变化 在潜流人工湿地中，磷可以通过床体中的基质的吸附，过滤和各种磷酸盐 的沉淀作用以及植物体的吸收微生物的同化作用而去除。 9 第1 章绪论 1 3 4 1 基质吸附沉淀 一般认为人工湿地系统对磷的去除途径主要是基质的吸附沉淀作用。 r e d d y 4 0 】在研究中也发现人工湿地系统中7 - - 8 7 的磷是通过基质的吸附沉淀 作用而被去除的，其中p h 值、温度、溶解氧、有机质、磷的进水浓度以及基质 的理化性质对磷的去除起着十分重要的作用。 同时，基质的选择对磷的去除也有很大影响。基质的除磷机理主要是基质 中钙、镁等元素与磷形成沉淀或发生吸附，其吸附作用在人工湿地除磷方面具 有重要贡献1 4 1 4 2 1 。通过对石砾、高炉灰、炉渣、膨润土、白云石、铁矾土、页岩、 矾土、石灰石、沸石、钙硅石、方解石、大理石、蛭石、钢渣等基质的磷吸附 能力的研究，d r i z o 等人1 4 3 】建议以除磷为目的的人工湿地最好选择高炉灰、页岩 或钢矿渣为基质，其次是铝矾土、石灰石和膨润土，沸石和油页岩对磷的吸附 能力较差。d r i z o 4 4 1 的研究表明，钢渣能够达到1 3 5 9 k g 的吸附饱和值，经4 周 的解饱和，钢渣的吸附能力提高到2 3 5 9 k g 。研究表明m 9 2 + 、c a 2 + 、f e 2 + 、a 1 ” 与磷的吸附存在相关性，且c a 与p 的吸附相关性最强【4 5 l 。g e l l 0 删也认为c a 与f e 、a l 的含量相比对磷具有更强的结合能力，一般基质与c a 易于在碱性条 件下发生作用，而与f e 、a l 主要是在中性或酸性条件下发生作用。 有机质对磷的去除的影响存在一些分歧，s a k a v e d a n 4 ”等人认为有机质不利 于磷的吸附沉淀，原因是有机质与磷竞争吸附位，相反r e e d l 4 8 j 等人认为有机质 利于磷的吸附沉淀，磷能以有机质为载体吸附在基质表面。 1 3 4 2 植物吸收 植物在人工湿地除磷中起着十分重要的作用。 水生植物去除磷的机制之一是通过植物本身的吸收作用。研究发现植物体 不同的部位以及不同的植物种类，其吸收磷的能力都不相同：缪绅裕等研究发 现，人工湿地经过一段时间运行以后，植物各器官中磷的含量各不相同，依次 为叶 根 茎 胚轴，而且随着污水浓度的升高而升高【4 9 l ；r e d d y 等研究了风眼 莲等8 种水生植物净化污水的能力，结果发现，这8 种水生植物中，夏季去除 磷效果最好的是风眼莲，冬季去除磷效果最好的是水鳖和浮萍。此外，在植物 的不同生长期中，其体内的磷的含量也不相同【5 i l 。 湿地植物除本身可以直接吸收磷的化合物外，其根系的分泌物也可促进某 些嗜磷菌的生长，促进磷的释放、转化，从而间接提供净化率。张鸿等1 5 2 1 的研 1 0 第1 章绪论 究发现，有植物的湿地系统，这些细菌的数量显著高于无植物系统l 2 个数量 级。而在磷的净化过程中，细菌是一个限制因子。 另外，有研究发现植物根系分泌的有机酸等物质能够提高基质中溶解度很 低的营养物质的活性。l e n as t r o m 等1 5 3 进行了实验发现植物根系的分泌物：檬 酸和草酸盐物质能够提高具有高磷吸附能力的钙质土壤的磷的吸收率。有机酸 种类和量的不同，植物吸收的磷的量也有差别【5 4 1 。 通过植物吸收的磷只占湿地除磷的一小部分，所以要扩大湿地植物的磷吸 收量，就需要考虑定期收割植物55 1 。r e e d 掣5 q 发现湿地植物收获的频率和磷的 去除之间有直接的联系，观察季节性收获植物的生长量对污水流出物的影响。 结果发现：在收割大约1 5 d 以后污水流出物中磷的浓度暂时增加但随着生物生长 对磷的吸收的增长，磷的出水浓度就开始下降。 1 3 4 3 微生物作用 微生物对磷的去除是湿地去除污水中磷的机制之一，要包括对磷的正常同 化吸收和聚磷菌对磷的过量积累 5 2 1 。由于这部分被微生物吸收利用的磷处在被 不断吸收和释放的动态过程中，而且组成微生物细胞体的磷会在微生物死亡后 几乎全部被迅速分解释放，回到水体当中，所以一般认为微生物的活动与总磷 的去除效率之间并无显著相关陋”。 但是无机磷化合物的溶解性改变，有机磷化合物的分解矿化，无机磷的氧 化和还原都需要微生物的生物化学反应及酶的催化来实现【5 引。湿地中的有机磷 经过磷细菌的代谢活动而转变成磷酸盐，溶解性较差的无机磷酸盐则经过磷细 菌的代谢活动增加溶解度，从而除去污水中的磷。梁葳等人【5 9 j 的研究认为，磷 细菌的数量也与磷的去除率呈明显的正相关。 生物磷的去除过程比较复杂，需要厌氧和好氧2 种条件，并且需要在厌氧条 件下提供短链脂肪酸唧1 。此外，聚磷菌的过量摄磷与植物的同化吸收作用可将 磷合成为a t p ，d n a 和r n a 等有机成分，最终通过收割植物和更换基质填料从 湿地中去除。 1 3 5 人工湿地的研究进展和应用现状 人工湿地除磷技术，是一种廉价有效的废水处理技术，它是在一般人工湿 地系统的基础上，通过人为控制措施，优化系统达到以除磷为主要目标的废水 1 1 第1 章绪论 处理技术。 自2 0 世纪6 0 年代中期，d rs e i d c l 和d rk i c k u t h 开发了“根区法”以来，人 工湿地除磷技术就不断发展并得到推广应用。 世界上第一座用于处理污水的人工湿地于1 9 0 3 年在英国约克郡e a r b y 建 成，并一直连续运行到1 9 9 2 年【6 ”。早期的湿地污水处理系统大都利用原有的天 然湿地，即保持了天然湿地的结构，通常以沼泽的形式出现，而且常被结合到 氧化塘处理工艺中以提高氧化塘系统的处理效果。 人工湿地净化污水研究始于1 9 5 3 年德国的m a xp l a n c k 研究所【6 2 】，该研究 所的s e i d e l 博士在研究中发现人工湿地中的芦苇能去除污水中大量的有机和无 机污染物。并通过进一步实验发现污水中的一些细菌( 大肠菌、肠球菌、沙门 氏菌) 流过种植的芦苇后消失。实验表明芦苇及其他高大植物能从水中去除重 金属和碳水化合物。 2 0 世纪8 0 年代，人工湿地逐步发展成为人工建造为主、以不同粒径的砂石 为基质的处理系统，并由试验阶段进入大规模应用阶段。1 9 8 5 年，美国田纳西 河流域管理局在美国东南部建造了一系列的人工湿地以处理流域内的污水。8 0 年代后期，德国、法国、丹麦、奥地利、比利时、卢森堡、荷兰等西欧国家都 建立了大量的芦苇床系统，主要用于小城镇的污水处理1 6 3 , 6 4 , 6 5 6 6 , 6 7 1 ，并建立了相 关协作组织以推动进一步的研究和应用。国际上曾就人工湿地处理系统召开过 四次研讨会，总结了各国人工湿地污水处理的经验，提出了一些有关的机理、 设计规范和参考数据，标志着人工湿地系统作为一种独具特色的新型污水处理 技术正式进入了水污染控制领域。 人工湿地处理污水具有出水水质稳定、对氮磷等营养物质去除能力强、基 建投资和运行费用低、技术含量低、维护管理方便、耐冲击负荷强、适于处理 间歇排放的污水和具有美学价值等优点1 6 s 6 9 1 ，这使得2 0 世纪8 0 、9 0 年代，人工 湿地在发达国家和发展中国家的城市生活污水处理中得到了广泛的应用。 利用人工湿地还可以控制面源污染7 0 , 7 1 7 2 7 3 l ，恢复和重建河流、湖泊湿地 7 4 , 7 5 1 ，在线净化受污染的河流、湖泊【7 1 j 6 j 7 7 8 1 等。 目前该技术广泛应用于处理生活污水、农业点源污染和面源污染，以及水 体富营养化问题的治理。人工湿地除磷技术具有投资少，效果处理好，运行维 护方便等特点，可作为传统的污水除磷技术的一种有效替代方案，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 第1 章绪论 越受到各国的普遍重视和关注1 7 ”。 我国在“七五”期间开始人工湿地的研究工作。天津市环保所建成了实验 室规模的人工湿地研究系统，并在1 9 8 7 年建成了我国第一个占地9 0 亩、处理 规模为1 4 0 0m 3 d 的芦苇湿地工程。1 9 8 8 9 9 0 年北京市环保所在北京昌平县建成 了处理规模为5 0 0m 3 d 的芦苇湿地处理系统示范工程；1 9 9 0 年国家环保局华南 环保所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建造了占地面积为1 8 9 亩、处理规模为 3 1 0 0 m 3 d 的人工湿地示范工程。1 9 9 8 年，在山东荣城建成的荣城市污水处理厂， 利用闲置盐碱地，采用表面流人工湿地处理工艺，占地8 0 公顷，处理规模为 2 0 0 0 0 m 3 d 。此外，还有不少单位对人工湿地处理系统的机理、设计及有关问题 开展了研究工作 8 0 , 8 1 1 。 1 3 第2 章课题的研究背景、内容及意义 第2 章课题研究背景、内容及意义 2 1 课题研究背景 2 1 1 课题来源 本课题为上海市科技委员会2 0 0 4 年重大科技攻关项目“黄浦江、苏州河受 污染水体生态修复关键技术研究”( 项目编号为：0 4 d z l 2 0 2 9 ) 的研究内容之一。 2 1 2 课题研究背景 目前，我国水资源供需矛盾比较严重，并且有日益加剧的趋势。有专家预 测表明，进入2 1 世纪后我国水资源供需矛盾将进一步加剧，水资源危机将成为 所有资源问题中最为严重的问题。这一问题在上海更为突出。上海位于长江口， 长江下、中、上游越来越严重的开发活动，造成长江水环境污染越来越重。由 于水质危机所导致的水资源危机大于水量的危机，水质型缺水是上海所面l 临的 严峻问题之一。经济的飞速发展将进一步加剧这种局面的恶化，主要江河及水 源地的水质污染已对上海市新一轮经济发展构成威胁，前景十分令人担忧。虽 然苏州河环境综合整治一期工程使水质恶化的势头得到一定控制，但是从发展 趋势上看，水质恶化的趋势仍不可避免。 上海将于2 0 1 0 年举办世博会，市政府提出上海届时将建成生态型城市。改 善水环境质量是重要的目标之一。但目前上海市地表水环境质量现状与相应水 质要求仍有很大差距，特别是黄浦江和苏州河的水生生态环境破坏严重。 黄浦江是构成上海陆域水系的最大骨干河道，苏州河是其最大的支流，苏 州河起源于太湖，入上海长度5 1k m ，市区河段长度2 3 8k m ，黄浦江与苏州河 流域覆盖上海市绝大部分区域。上海市河网纵横交错，大都属于黄浦江水系， 因此，这两大水系是上海地表水环境质量改善的主要对象。这两条河流与上海 市社会经济发展息息相关。 黄浦江和苏州河都源出太湖，由于流经江苏省境内高度工业化地区，沿途 受纳大量污水后进入上海，加之进入上海城区后仍有大量污水通过支流排入干 流河道，河水水质及底泥污染十分严重。磷作为主要污染指标之一，在黄浦江 与苏州河的污染现状都不容乐观( 详见表2 1 、2 2 ) 。 1 4 叹n廿口8n。踩辎褒v嘬霸账鄹鹭怛嫩叫毯廿”8q_18nv华啦鞲咖蜂辉薛悟嫩叫目霉 一 o r 目己蛊乏皂皂苫皂 糕 目 廿 旧 趔 葛8g 霜 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