复合垂直流流人工湿地除磷效果与机理的研究.docx
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复合垂直流流人工湿地除磷效果与机理的研究
安徽建筑工业学院环境与能源工程学院
毕业设计（论文）开题报告
课题名称：
复合垂直流人工湿地系统除磷效果与机理研究
专业：
给水排水工程
班级：
（1）班
姓名：
魏静
学号：
09203040128
指导教师：
张勇
2013年03月10日
1、毕业设计（论文）选题依据
1.1选题意义
磷是引起水体富营养化的重要因素之一，而人工湿地污水处理技术由于具有处理效果好、氮磷去除能力强、管理方便、费用低及对负荷变化适应性强等优点，正逐渐被应用于污水处理中。
人工湿地是人工模拟自然湿地，创造的一个适宜水生植物或湿生植物生长的人工生态系统。
该系统中的生物种类多种多样，并处于人为控制状态，综合处理废水的能力受到人工设计控制，故控制效果大大超过了自然湿地。
一般认为人工湿地处理污水是物理、化学和生物的共同作用。
大部分研究结果显示人工湿地在处理污水时有着较好的净化效果，BOD、COD、SS、TN和TP的去除率分别可达到85-95%、大于80%、大于90%、大于60%和大于90%。
本实验通过对复合垂直流人工湿地系统除磷效果与机理的研究,掌握复合垂直流人工湿地的各部分结构及其功能,系统中填料的组成及其作用,通过测定总磷、总溶磷、溶磷三个磷的常规监测指标，研究复合垂直流人工湿地系统除磷效果，并深入探究该系统的除磷机理。
据此不仅可以培养自己独立动手实验的能力，还可以为人工湿地系统应用于污水处理中的可行性研究提供依据。
磷酸酶是有机磷转化为无机磷的重要诱导因子，磷酸酶的活性直接反映着磷素循环中微生物的数量与活性，而微生物在污水除磷过程中具有重要作用,因而磷酸酶的活性和磷素转化效率之间具有相关性，因而研究磷酸酶活性变化具有重要意义。
通过分析磷酸酶的生化反应,几乎参与了所有土壤的重要代谢过程,由于其具反应灵敏、测定方便等优点,已成为评价土壤质量的一个有力工具,因此对土壤酶活性的研究具有重要意义。
湿地系统有着独特的生态环境,其磷酸酶活性也具有特定的时空分布规律,磷酸酶的活力也因湿地植被的不同而呈明显的差异。
磷酸酶活性的变化直接影响着人工湿地系统中磷素的循环，因而研究磷酸酶活性的变化具有重要的意义。
土壤磷素分级的目的是评价土壤有效磷库大小和土壤磷素供应状况。
我国土壤中存在着大量的积累态磷,土壤中积累态磷的含量、形态及转化等直接影响磷的生物有效性，因此研究磷素分级对人工湿地对磷的去除具有重要意义。
1.2国内外发展现状分析
1.2.1人工湿地应用现状
1.2.1.1人工湿地的起源与发展
人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种新兴污水处理技术,它是模拟自然湿地的人工生态系统,是一种由人工建造和监督控制的、类似沼泽地的地面,其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行的,一般利用这三者的协同作用来处理污水。
1989年D.A.Hammer在《人工湿地处理生活、工业和农业废水》一书中提出了人工湿地的概念,即:
人工湿地是人工设计的、模拟自然湿地结构与功能的复合体,由水、处于水饱和状态的基质、挺水植物、沉水植物和动物等组成,并通过其中一系列生物、物理、化学过程实现污水净化。
换句话说,人工湿地就是为处理污水而人为设计建造的、工程化的湿地状系统。
一般而言,人工湿地系统主要由以下5个部分构成:
（1）具
有透水性的基质,如土壤、砂、砾石;
（2）好氧和厌氧微生物;（3）适应在经常处于水饱和状态的基质中生长的水生植物,如芦苇;（4）无脊椎或脊椎动物;（5）水体（在基质表面上或下流动的水）。
人工湿地系统与常规污水处理系统的主要差别之一就是具有生物种群多样性的特点,特别是其中的大型水生植物群落,起到了绿化、美化、净化环境的作用,使人工湿地系统具有显著的生态效益。
人工湿地系统水质净化技术是一种生态工程方法，其基本原理是在一定的基质上种植特定的湿地植物，从而建立起一个人工湿地生态系统。
当水通过系统时，其中的污染物质和营养物质被系统吸收或分解，使水质得到净化。
人工湿地主要由人工基质（填料）和水生植物组成。
人工湿地污水的处理机理主要是：
利用系统中基质—水生植物—微生物的物理、化学、生物的三者协同作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。
近年来,随着工业化和城市化的提高,工业污水和城市生活污水的排放量不断增加,全球的水体污染和富营养化现象日益严重。
据估计,我国每年排放污水量达数百亿吨,但只有24%的工业污水和4%的生活污水经过处理,80%的饮用水源遭到污染,而已建成的传统的污水处理厂远远不能满足污水处理的需要,这就更加剧了水资源的缺乏。
积极创新技术、寻求防治水污染的新模式就显得日益紧迫。
人工湿地正是顺应这一要求而发展起来的一种简便有效的生态工程污水处理技术。
1996年在奥地利召开的第四次国际研讨会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水污染控制领域。
1.2.1.2人工湿地目前的国内外应用现状与前景
国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样,根据湿地中植物的存在状态,人工湿地可分为:
浮水植物系统、沉水植物系统和挺水植物系统,目前一般所指的人工湿地都是挺水植物系统。
挺水植物系统根据污水在湿地床中流动的方式又可分为3种类型:
表面流人工湿地（SurfaceFlowConstructedWetland,SFW）、潜流式人工湿地（SubsurfaceFlowConstructedWetland,SSFW）、垂直流人工湿地（VerticalFlowConstructedWetland,VFW）。
国内有关学者对人工湿地净化城市污水的研究表明,在进水浓度较低的条件下,人工湿地对BOD5的去除率可达85%～95%,COD去除率可达80%以上,处理出水中BOD5的浓度在10mg/L左右,SS小于20mg/L;人工湿地对各种类型污水中的TP的去除率为47.0%～97.2%自由表面流湿地用于除磷出水TP<1mg/L;利用人工湿地治理各种类型的污水,其TN的去除率达64%～98%。
Tjasa研究认为,在停留时间为22～34h的表面流湿地里,锌的去除率可以达到90%～96%,对铁、铬和镁的去除率也很高。
广东韶关市铅锌矿废水治理在人工湿地中种植香蒲的研究表明,利用香蒲净化含铅、锌工业废水的效果非常好,COD、固体悬浮物、Pb、Zn、Cu和Cd的去除率分别为92.19%、99.62%、93.98%、97.02%、96.87%和96.39%,水质得到明显改善,主要污染物TSS、Pb、Zn、Cu和Cd等均达到工业标准。
通过对香蒲、灯心草人工湿地净化城镇污水的试验结果表明其出水水质总体上达到国家2、3级地面水标准:
灯心草湿地对人工污水中凯氏氮、总灰分、化学耗氧量的去除率维持在94%以上,氨氮的去除率为82%～99.7%。
早期人工湿地主要用于处理城市生活污水或二级污水厂出水,目前则主要用于治理农业面源污染、城市或公路径流等非点源污染,美国、德国等国的一些技术人员还将其推广应用于处理小城镇、行政事业单位的污水和垃圾渗滤液。
人工湿地处理工业废水的范围仍主要集中在处理以金属离子、BOD5、COD和油污染为主的废水,人工湿地的应用不再局限于气候较暖和的地区,在严寒地区也能取得很好的运行效果。
现在人工湿地还被广泛用于新兴领域,如况琪军等利用人工湿地生态系统去除水体中的藻类效果显著,这说明人工湿地系统在污水深度处理或者在减少水体富营养化、抑制藻类疯长等方面都有其独特的作用。
另外,湿地种植、湿地养殖、湿地生态旅游等成为近年来人工湿地研究开发的新方向,并且具有广阔的市场前景。
目前,国内对人工湿地的认识和利用人工湿地处理污水技术尚处于起步阶段,因而人工湿地的应有潜力未能得到深人挖掘,尤其是人工湿地在景观设计中的应用更是有待深入开展。
美国EPA目前正在开发北美人工湿地数据库，地方数据库在其它国家已存在，为减少重复劳动和改良经验湿地设计方法，所有这些湿地都应通过公共数据库使世界各地的工程师和科技人员能够获得。
这样的数据库可减少建设低效湿地的风险。
两种湿地的设计指南现已出版，但改良工作仍然需要，有必要更细致的研究不同地区特征和运行数据以便在将来的建设中提供更合理的参数。
竖流湿地在欧洲许多地方投入运行已有几十年。
竖流系统至今未广泛使用是因为其需要更细致的建设和介质选择。
最近国际会议上有几篇文章对竖流系统评价很高。
目前，世界上科技工作者正投入大量精力以改良人工湿地技术。
潜流系统的处理效率可通过选择竖流系统，采用间歇负荷和合理选择介质而获得提高，还可引入一些传统处理技术的理论，如回流。
此外，不仅对竖流系统，对所有人工湿地系统都需深入研究以改良优化工程设计参数，还需对系统的长期运行能
力和管理问题进行研究。
人工湿地不仅可用于城市和各种工业废水的二级处理，还可用于高级处理中的精处理和对农田径流的处理。
在有些情况下，人工湿地可能是唯一使用的技术。
我国自“七五”开始对人工湿地的研究，已建成一些示范工程，并于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程——白泥坑人工湿地处理系统。
宁城污水处理厂是赤峰市建委及宁城县建设局承担的国家建设部下达的“八五”科技研究重点课
题。
人工湿地污水处理技术在我国北方地区的研究和应用项目，曾于1997年6月通过国家建设部科技司主持的技术鉴定，并于1998年6月将该项成果予以推广应用。
人工湿地是一个系统工程，人工湿地的研究和发展还在不断深入。
人工湿地虽然在我国已经有所应用，但是在实施过程中也遇到了一些困难，主要是对植物的选择、环境的控制等等。
但是我们相信，只要大家共同努力，这些困难是可以克服的，并将能取得更新的成果。
1.2.2磷素分级的现状分析
关于土壤磷素的分级最早可以追溯到20世纪初Fraps对磷的分级，当时人们试图通过采用各种化学提取剂将土壤中不同化学形态的磷素提取出来，以供研究它们在土壤中的转化过程及其与植物有效性的关系。
由于直接测定土壤中各种磷化合物较为困难，人们多采用化学分组法（ChemicalFractionation）将土壤中化学组成相近或分解矿化能力较为接近的一类无机或有机磷化合物划归为相同的组分，称为土壤磷素的分级。
然而直至1957年Chang和Jackson根据正磷酸盐所结合的主要阳离子的不同，提出土壤无机磷的系统的分级测定方法，磷分级的研究才有了相对完整的体系。
从20世纪初至今，土壤磷分级方法的研究先后经历了单纯无机磷分级，到有机磷分级，再到无机磷有机磷分级相结合。
湿地作为响应全球变化和人类活动较为敏感的生态系统之一，近年来，湿地土壤磷分级研究越来越受到国内外学者的关注。
1.2.2.1湿地土壤无机磷的分级方法
土壤无机磷的分级研究始于20世纪30年代，1957年Chang和Jackson等提出土壤无机磷系统的分级测定方法,将土壤无机磷分成以下几种主要形态：
Al-P（磷酸铝盐）、Fe-P（磷酸铁盐）、Ca-P（磷酸钙盐）和O-P（闭蓄态磷）。
这个方法的提出对推进土壤化学领域的研究有很大的作用，尤其适用于中性和酸性土壤。
苏联的根兹布勒革1971年在Chang和Jackson方法的基础上,提出了其分级方法,按照无机磷溶解度大小、结晶度及对作物有效性的差异，将土壤无机磷分为五级，即Ca-PⅠ、Ca-PⅡ、Ca-PⅢ、Fe-P及Al-P，此分级方法中主要用1%（NH4）2SO4+0.25%（NH4）2MoO4浸提Ca-PⅠ；0.5NHOAC+0.25%（NH4）2MoO4浸提Ca-PⅡ；0.5MNH4F（pH8.5）浸提Al-P；0.1MNaOH浸提Fe-P；0.5M（NH4）2SO4浸提CaPⅢ；该法适用于石灰性土壤。
我国的安卫红、张淑民等人应用其分级方法在北京地区石灰性土壤上进行研究,认为该法是石灰性土壤无机磷分级较为适用的方法,较Chang和Jackson法及其系列修改法优越。
Syers等人对Chang和Jackson分级方法提出修订方法，将石灰性土壤中的磷酸铁和磷酸铝合为一级。
1990年蒋柏藩、顾益初针对石灰性土壤磷酸钙盐所占比重较大的特点,提出了新的土壤无机磷分级体系,其特点是:
（1）将土壤无机磷部分的磷酸钙盐分为三级,即Ca2-P、Ca8-P和Ca10-P型；
（2）用混合型浸提剂提取磷酸铁盐。
该法是目前我国石灰性土壤无机磷分组的最常用的测定方法。
1.2.2.2湿地土壤有机磷的分级方法
Bowman和Cole提出的土壤有机磷浸提分组法是目前研究土壤有机磷最常用的方法。
该方法依次用0.5mol·L-1NaHCO3、1.0mol·L-1H2SO4和0.5mol·L-1NaOH3种化学浸提剂对土壤有机磷进行提取，将土壤有机磷分为4组：
活性有机磷、中度活性有机磷、中稳性有机磷和高稳性有机磷。
但是，该法仍存在一些问题，例如，存在于土壤微生物体内的活性Po未被浸提出来，震荡时间长，酸碱浸提顺序不够恰当，划分中稳性Po与高稳性Po的pH值不够准确，碱浸提液的浓度偏高等。
国内学者范业宽、李世俊对该法进行了改进，能更好地区分具有不同矿化率的有机磷化合物。
改进法增加了超声波处理，使震荡时间也明显缩短。
因此，石灰性土壤有机磷分组的改进法比B-C法更理想。
1.2.2.3Hedley分级法评述
Hedley等1982年提出的分级方法，是目前被认为是较为合理、较具说服力的土壤磷素分级方法，已被越来越多的学者采用和发展。
但此法在我国湿地土壤研究中的应用较少，仅见三江平原湿地土壤有相关报道。
Hedley分级方法将土壤磷分为7大类，其中部分类别又分为有机态（Po）和无机态（Pi）两个部分，现简述如下：
⑴树脂交换态磷（Resin-P）：
用阴离子交换树脂代换出的磷，这部分磷构成了土壤活性磷的大部分。
⑵NaHCO3提取态磷（NaHCO3-P）：
包括无机态和有机态两部分，无机部分主要是吸附在土壤表面的磷，有机部分主要是易于矿化的可溶性有机磷。
⑶微生物细胞磷：
这部分的磷主要是溶解的微生物细胞磷，也包括有机和无机两部分。
⑷NaOH溶性磷（NaOH-P）：
它们是以化学吸附作用吸附于土壤Fe、Al表面的磷。
它也包括有机和无机两部分。
⑸土壤团聚体内磷（Sonic-P）：
也包括有机和无机两部分。
主要是存在于土壤团聚体内表面的磷。
⑹磷灰石型磷（HCl-P）：
用1molL-1盐酸提取,在石灰性土壤中主要提取的是磷灰石型磷，但在高度风化的土壤（如红壤）中也能提取部分闭蓄态磷。
⑺残留磷（Residual-P）：
以上各试剂中不能提取的比较稳定的磷，也包括有机和无机两部分。
Hedley土壤磷素分级方法提出之后得到了广泛的应用，但也存在着需要配备高速离心机和0.45μm滤膜过滤的问题，且耗费时间较长，成本较高。
1．2.3磷酸酶活性研究现状
磷酸酶作为水环境中磷的指示剂已被广泛接受。
不仅如此,磷酸酶还与水环境当中的浮游植物和水生细菌密切相关。
它快速及时的特点,适合养殖水体生态稳定性差、受天气变化影响和人工干扰大的特点。
有机磷水解转化与磷酸酶的作用有关，如何把土壤中固定的磷释放出来并将其转化为无机磷以供作物吸收利用，已成为关注的热点。
1.3主要参考文献
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2、毕业设计（论文）内容
针对分散式污水来源多、增长快、面广而分散、处理率低的特点，提出了利用蜂巢石生物反应器来处理污水的新思路，工艺简单、处理效果有保证、运行维护简便，是一种具有最佳综合效益的选择。
本实验通过对复合垂直流人工湿地系统处理生活污水实验研究，了解蜂巢石反应器对磷的去除效果，探索其机理，为蜂巢石生物反应器在水体治理中的合理利用奠定基础。
此次毕业设计为复合垂直流人工湿地系统除磷效果与机理研究，共包括三项内容：
污水除磷与工艺优化实验、磷素分级实验和磷酸酶活性及其影响因素的研究，最后进行数据处理与论文撰写。
通过实验进行磷的三个常规监测指标（总磷、总溶磷、溶磷）的测定，研究人工湿地对污水的处理效果；学习磷素分级的常用方法，如湿地填料中无机磷的分级方法、湿地土壤中有机磷的分级方法、SMT法、Hedly分级方法等；通过变化因素来探究磷酸酶在不同因素下的活性变化，进而探究其对土壤磷素循环的影响。
3、毕业论文进行方案
3.1磷的常规监测指标的测定
3.1.1实验装置
复合垂直流人工湿地系统（蜂巢石生物反应器），见下图：
进水
出水
厌氧池曝气池上行流人工湿地下行流人工湿地
3.1.2实验试剂
1）（1+1）硫酸
10%抗坏血酸溶液:
溶解10g抗坏血酸于水中,并稀释至100ml。
该溶液贮存在棕色玻璃瓶中在约4℃可稳定几周。
如颜色变黄则弃去重配。
2）钼酸盐溶液：
溶解13g钼酸铵于100ml水中。
溶解0.35g酒石酸锑氧钾于100ml水中。
在不断搅拌情况下将钼酸铵溶液徐徐加到300ml（1+1）硫酸中加酒石酸锑氧钾溶液并且混合均匀。
贮存在棕色玻璃瓶中在约4℃保存。
至少稳定两个月。
3）磷酸盐贮备溶液：
将优级纯磷酸二氢钾于110℃干燥2h在干燥器中放冷。
称取0.2197g溶于水移入1000ml容量瓶中。
加（1+1）硫酸5ml用水稀释至标线。
此溶液每毫升含50.0μg磷（以P计）。
4）磷酸盐标准溶液：
吸取10.00ml磷酸贮备液于250ml容量瓶中用水稀释至标线。
此溶液每毫升含2.00μg磷。
临用时现配。
3．1.3实验方法
（1）校准曲线的绘制
取数支50ml具塞比色管，分别加入磷酸盐标准使用液0、0.50、1.00、3.00、5.00、10.00、15.00ml,加水至50ml.
1）显色:
向比色管中加入1ml10%抗坏血酸溶液,混匀。
30s后加2ml钼酸盐溶液充分混匀,放置15min。
2）测量：
用10mm或30mm比色皿，于700nm波长处，以零浓度溶液为参比，测量吸光度。
（2）样品测定
分取适量经滤膜过滤或消解的水样（使含磷量不超过30μg）加入50ml比色管中，用水稀释至标线。
以下按绘制校准曲线的步骤进行显色和测量。
减去空白试验的吸光度，并从校准曲线上查出含磷量。
3.2磷素分级实验
3.2.1实验设备
1）离心机
2）分光光度计
3）高弗炉
3.2.2实验试剂
1mol/LNaOH3.5mol/LHCl1mol/LNaCl1mol/LHCl
3.2.3实验方法
3.2.3.1磷素分级实验
沉积物中总磷及各形态磷的测定采用淡水沉积物中磷形态的标准测试程序，即SMT法。
该法将沉积物中的磷分为Fe/Al-P、Ca-P、IP、OP和TP。
并且实验结果可用如下关系来检验：
IP=Fe/Al-P+Ca-P；TP=IP+OP
SMT法测沉积物中磷形态流程如图2-3所示：
（1）Fe/Al-P和Ca-P
①称取200mg干样，至于离心管中。
保持沉积物试剂体积的比为常数；移入20ml1mol/LNaOH，盖上盖子，振荡过夜（16小时）；离心（6000r/min）15分钟。
②Fe/Al-P的测定：
收集上清液；移取10ml上清液至试管中，加入4ml3.5mol/LHCl，剧烈搅拌20秒，放置过夜（16小时）；出现褐色沉淀且逐渐沉降，离心15分钟，磷钼蓝比色法测定上清液中的Fe/Al-P。
③Ca-P的测定：
用12ml1mol/LNaCl洗涤上步离心残渣。
搅拌5分钟；离心15分钟，弃去上清液；重复洗涤一遍；移取20ml1mol/LHCl加入其中，盖好，振荡过夜16小时；离心15分钟，磷钼蓝比色法测定上清液中的Ca-P。
（2）总磷：
称取200mg干样于瓷柑锅中；450℃灰化3小时，冷却后，移至离心管中；移入20ml3.5mol/LHCl；盖好，振荡过夜16小时；离心15分钟，磷钼蓝比色法测定上清液中的总磷。
（3）无机磷和有机磷
①称取200mg干样于瓷柑锅中；450℃灰化3小时，冷却后，移至离心管中；移入20ml1mol/LHCl；盖好，振荡过夜16小时；离心15分钟。
②无机磷：
收集上清液，磷钼蓝比色法测定上清液中的无机磷。
③有机磷：
加入12ml去离子水洗涤残渣，振荡15分钟；离心15分钟，弃去上清液；重复洗涤一遍；盖好，振荡过夜16小时；离心15分钟，磷钼蓝比色法测定上清液中的有机磷。
图2-3SMT法测沉积物中磷形态流程图
3.3磷酸酶活性分析实验
3.3.1实验设备
恒温箱、分光光度计
3.3.2实验试剂
1）0.5%磷酸苯二钠（用缓冲液配制）
2）pH值为5.0乙酸盐缓冲液：
70mL0.2MCH3COONa·H2O加30mL0.2M
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