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垂直流模拟湿地

实验名称：

垂直流湿地模拟实验

摘要：

人工湿地是处理水污染的一种有效措施，普遍应用于城市污水的整治中。

而不同的湿地结构对污水的处理效果有着很大的不同，本文中通过垂直流模拟湿地的对照实验对不同的湿地处理结构做出实验研究，得出了一系列在实际应用中有影响的结论，希望可以在今后的湿地处理系统选择中给出建议。

关键词：

垂直流湿地总氮总磷流速

1实验目的

人工湿地是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面，它是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。

人工湿地根据水流方式的差异可分为三种：

①自由表面流人工湿地（SFW），②水平潜流人工湿地（SSFW），③垂直流人工湿地（VFW）。

为了使出水水质达到指定的排放标准，必须对湿地进行合理的设计，针对不同类型的湿地其设计方法和构建过程在某些方面会有所不同。

垂直流人工湿地在净化污水方面有较好的效果，尤其是脱氮除磷方面。

本次实验通过在装置内填入各种填料，以不同的顺序填充后在实验室内模拟垂直流湿地（VFW），人为的配置污水（模拟生活污水，污染物质以N、P为主）作为污染源，通过设计对照物料填充方式，了解不同物料的不一样的填充方式对其净化处理能力大小的影响，了解垂直流湿地净化水体的能力大小，观测垂直流湿地对N、P两种污染物质的去除效率，从而对垂直流湿地在污水净化方面的重要作用得到一个更深刻的认识，也希望得到不同垂直流湿地系统中效果最好的一种填充方式，为以后将垂直流湿地系统应用于实际的污水处理中奠定基础。

2实验原理

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。

其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。

人工湿地处理系统可以分为：

自由水面人工湿地处理系统、人工潜流湿地处理系统、垂直水流型人工湿地处理系统。

本次污水净化过程主要去除其中的氮、磷。

其原理如下：

2.1氮的去除

颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用可以出去污水中的一部分氮。

而人工湿地主要利用生物脱氮及植物吸收的方法来除去污水中的氮，可通过生物硝化-反硝化作用去除氮，但是由于有限的氧气大多都被有机物消耗掉了，所以导致硝化作用的速率较慢，所以硝化作用受到了影响。

并且在有机物分解的同时，使反硝化作用的碳源也受到了影响。

因此，人工湿地对氮的去除率较低。

2.2磷的去除

垂直流人工湿地系统磷的去除作用主要包括填料的物理作用、化学作用和微生物的同化作用以及植物摄取作用。

其中，化学作用主要是吸附和化学沉淀作用,生物作用包括微生物的同化作用和植物的摄取作用。

为了提高除磷效果,应该选择吸附和沉淀效果好的基质，如砾石等含有钙离子的基质。

3实验材料

本次实验中运用到的填料为土壤、细沙、粗沙、沙石、蛭石、腐殖质。

直径15cm、高30cm的PVC管。

多条带阀门的小水管，集水器一个，蓄水池一个。

自来水、尿素、淀粉、复合肥，溶液配制的各种玻璃仪器、分光光度计。

4实验设计

4.1污水的配置

本次试验所用的污水，是按照一级A标（COD=50mg/L，P%=0.5mg/L，N%=15mg/L）的标准配的，从开始到最后用的是同一种污水的配方。

具体如下：

水缸的长宽高分别为：

98厘米、38厘米、48厘米。

污水配比各药品用量

开始加入总量（g）

浓度（mg/L）

十二水磷酸氢二钠

0.086613

5.78

尿素

0.48214

32.14

蔗糖

1.55223

103.48

4.2实验模型的配置

4.2.1湿地装置

●第一种装置方案（1至4号柱子）：

材料配比（由上而下）：

公分石（5cm）、土壤（10cm）、腐殖质（5cm）、公分石（5cm）

各层重量：

5cm公分石2.446市斤

10cm土壤3.170市斤

5cm腐殖质0.550市斤

5cm公分石2.446市斤

●第二种装置方案（5至8号柱子）：

材料配比（由上到下）：

粗砂（4cm）、细沙（12cm）、腐殖质（5cm）、公分石（4cm）

各层重量：

4cm粗砂2.000市斤

12cm细沙4.000市斤

5cm腐殖质0.550市斤

4cm公分石1.623市斤

●原有柱的填方式情况如下：

一至四：

土壤（3.8市斤）+有机质（0.6706市斤）（占15%）

五至八：

蛭石（4.0市斤）+有机质（0.7059市斤）（占15%）

九至十二：

砂（5.0市斤）+有机质（0.8824市斤）（占18%）

十三至十六：

砂（2.5市斤）+蛭石（2.5市斤）+有机质（0.8824）（占18%）。

注：

每层填料加入时应与层面水平，可以适当轻压，但不能破坏各层的填料的物理性质以及位置。

装好后，想管子中小心加入适量的水，使填料充分浸泡在水中。

4.2.2流量控制装置

将经过改造后的一次性输液器作为流量控制装置。

将静脉针去掉，通过调节流量调节器来控制流速。

4.3污水的配比情况

本次试验从开始至结尾所用的污水是同一配方，是按照一级A标的标准来配置的。

污水配比中所用的复合肥、尿素、淀粉的量分别为：

3.35mg/L、31.52mg/L、46.875mg/L。

污水中总氮的含量为15mg/L,总磷的含量为0.5mg/L。

4.4测定方法

收集排出水，总氮用碱性过硫酸钾—消解紫外分光光度法测定；总磷用钼酸铵分光光度法；本次试验共进行两次污水中（在不同时间取的两次水样）的污染物含量测定。

两次都测定总氮含量及总磷含量。

4.4.1总氮的测定

（1）水样的测定

用吸管取10.00mL水样置于比色管中，加入5mL碱性过硫酸钾溶液，将比色管置于手提蒸气灭菌器中，加热，使温度达120～124℃后开始计时。

或将比色管置于家用压力锅中。

保持此温度加热半小时，冷却、开阀放气，移去外盖，取出比色管并冷却至室温。

加1＋9盐酸1mL，用无氨水稀释至25mL标线，混匀。

移取部分溶液至10mm，石英比色皿中，在紫外分光光度计上，以无氨水作参比，分别在波长为220与275nm处测定吸光度，并计算出校正吸光度下个吸光度的总氮含量。

（2）标准曲线的绘制

分别取标准使用液0ml，0.5ml，1.0ml，2.0ml，3.0ml，5.0ml，7.0ml，8.0ml，加入5ml过硫酸钾，定容至10ml包裹好于120－124℃，0.5h，冷却，分别加入1ml（1+9）盐酸，定容至25ml，取液于10mm石英比色皿，220和275nm以无氨水为参比测定吸光度，做出总氮的标准曲线。

4.4.2总磷的测定

（1）水样的测定

吸取25ml的水样（2个平行样）于50ml具塞刻度管中，加过硫酸钾溶液4ml，加塞后管口包一小块纱布并用线扎紧，以免加热时玻璃塞冲出。

将具塞刻度管放在大烧杯中，置于高压蒸汽压力锅中加热，待锅内压力达1.1kg/cm2时，保持此压力30min，停止加热，待压力表指针降为0时，取出冷却，如溶液混浊，则用滤纸过滤。

用于测量。

（2）标准曲线的绘制

取数支50ml具塞比色管，分别加磷酸盐标准使用液0、0.5、1.0、3.0、5.0、10.0、15.0（ml），加水至25ml。

加过硫酸钾溶液4ml，消解。

显色：

向比色管中加入1ml10％抗坏血酸溶液，混合。

30s后加2ml钼酸盐溶液充分混合，放置15min。

测量：

用10mm比色皿装入水体，于700nm波长处，以零浓度溶液为参比，测量吸光度。

5实验数据

数据的处理运用Excel软件进行标准曲线的制作及计算。

5.1测定水体中总氮和总磷的浓度

1d、7d测定的总氮、总磷测定时，总氮的所有样品稀释倍数为10，总磷的所有水样稀释2倍，最终所得结果是经过倍数换算的同等标准。

表16种填充方案的氮磷处理效果（包括停留1天和停留7天）

处理方式

停留1天

停留7天

1dTP（mg/L）

1dTN（mg/L）

7dTP（mg/L）

7dTN（mg/L）

0.066a

0.035a

7.034a

6.900a

0.119b

0.141b

4.741bc

2.715b

0.111b

0.161c

9.865b

8.435a

0.217c

0.169d

2.300b

1.952b

0.210c

0.178a

7.302b

6.022a

0.213c

0.178c

9.470b

6.358a

不同小写字母标注表示同列数据有显著差异（lsd0.05）

从表1中我们可以看出：

根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标，TP=0.5mg/L,TN=15mg/L的标准来衡量本次模拟实验的结果可知，6种模拟湿地处理方案的总氮总磷含量已经达标，达到了预期的处理效果。

从停留时间上来比较可以知道，停留时间越长，模拟湿地系统对氮磷的处理效果越差。

前4组都是老处理法的氮磷浓度值，可以看出总体效果比5、6两个处理发要好，这是由于老处理法的实验时间较长，已经在柱子内部形成了稳定的生物膜，近似于自然中的湿地系统，而新处理法的时间较短，处理能力还不稳定，所以出现了处理效果不如老处理法的情况。

从相关性角度来看，每种处理法的差异较小，而不同的处理法之间存在着较为明显的差异，也有特殊情况，就是处理1的停留一天效果和处理5停留一天效果差异较小，停留七天的处理效果基本上差异也不大。

表2氮磷浓度处理结果比较

从表2中我们可以更直观的看出处理1天和处理7天之间的效果对比，同时从不同处理方案的处理效果上也可以看出第4种处理法的总体效果是最好的，而第3种处理法的总体效果是最差的。

表3不同处理及停留时间对氮、磷污染物去除率的影响

处理

停留1d去除率%

停留7d去除率%

87.43a

57.99bc

93.22a

58.79bc

64.55b

68.56b

65.70bc

82.00a

44.30c

34.74d

60.98c

44.07c

58.73b

86.26a

67.67b

88.34a

63.65b

51.61c

67.89b

60.09b

63.65b

37.24d

69.39b

57.86bc

不同小写字母标注表示同列数据有显著差异（lsd0.05）

表4不同方案在不同停留时间中去除率的比较

在上述的分析中我们已经知道了停留时间对处理效果有很大的影响，而除了停留时间外，最能够决定处理效果的因素是不同的处理方案的填充物、填充顺序和填充质量。

因此，从表3中可以看出，在停留时间相同的处理结果中，对除氮磷的效果都不同。

通过表4中德柱状图比较可知，对于除磷来说第1种填充方案（土壤、腐殖质）对磷的去除效果最好，第2种填充方案（砂、腐殖质），第5种填充方案（公分石、土壤、腐殖质、公分石）和第6种填充方案（粗砂、细沙、腐殖质、公分石）的对磷去除率差异较小，第3种填充方案（蛭石、腐殖质）对总磷的去除效果最差，4号处理的对磷处理效果处于中等效果，处理效果的顺序为：

1号处理>2号处理>5号处理=6号处理>4号处理>3号处理。

对于除氮来说第4种填充方案的处理效果最好，第3种填充方案的处理效果最差，其余4组的处理效果很接近，没有较大的差别，处理效果的顺序为：

4号处理>2号处理>1号处理>5号处理>6号处理>3号处理。

5.2流速测定及分析结果

本次试验中用一定配比的污水进行定期的流速测定，由于不同的装置其流速的快慢不一所以在未加入填料之前测一次流速，记录每个柱子的流速情况（用水测流速即可），然后分别测10s、20s、40s、60s、90s、120s、180s、300s的排水量，并保证污水连续加入在填料之上，计算出流速如下表：

表5平均流速记录表

柱子

平均流速（市斤/秒）

9-25

10-9

10-16

10-23

10-30

11-13

11-20

11-27

12-4

一

0.004

0.003

0.004

0.003

0.002

0.003

二

0.007

0.005

0.008

0.006

0.003

0.004

0.003

0.004

三

0.008

0.009

0.014

0.009

0.007

0.004

四

0.015

0.014

0.015

0.019

0.013

0.015

0.012

0.014

0.015

五

0.025

0.024

0.023

0.02

0.017

0.015

六

0.015

0.014

0.013

0.01

0.009

0.01

0.009

七

0.015

0.02

0.019

0.018

0.014

0.017

0.016

0.017

八

0.01

0.009

0.01

0.012

0.009

0.007

0.009

0.006

九

0.006

0.004

0.006

0.068

0.069

0.061

0.054

0.05

0.055

十

0.04

0.041

0.039

0.037

0.029

0.024

0.017

0.013

0.007

十一

0.028

0.025

0.026

0.024

0.022

0.021

0.022

0.021

十二

0.037

0.014

0.021

0.03

0.028

0.05

0.049

0.06

0.043

十三

0.048

0.047

0.043

0.042

0.044

0.041

0.034

0.024

十四

0.04

0.039

0.04

0.037

0.035

0.036

0.03

0.032

0.031

十五

0.023

0.02

0.019

0.017

0.016

0.014

0.013

0.012

十六

0.017

0.016

0.014

0.012

0.013

0.01

0.007

0.006

0.005

0.007

0.004

0.003

0.005

0.027

0.031

0.032

0.024

0.022

0.023

0.017

0.015

0.012

0.009

0.01

0.011

0.009

0.008

0.005

0.003

0.002

0.013

0.014

0.016

0.014

0.01

0.012

0.014

0.016

0.02

0.025

0.016

0.013

0.012

0.009

0.005

0.017

0.018

0.017

0.009

0.007

0.01

0.018

0.019

0.023

0.016

0.014

0.013

0.012

0.004

0.009

0.014

0.019

0.008

0.007

从表5中可以看出，在整个实验过程中，随着时间的推移，各组的平均流速相对于饰演一开始基本上都有减慢，在整个变化过程中流速也有逆势变化的情况发生，这种现象的主要原因可能是在实验过程中我们会对处理柱子进行搬动和冲洗，影响了柱子内部稳定扎实的填充结构，造成填充物之间出现摩擦和空隙，导致测流速时速度变快。

除了个别处理组的数据以外，其他处理组的流速都趋于不变或者变化很小，基本上保证了稳定的流速。

表6老处理法一流速变化

老处理法第1组的填充方案为：

土壤（3.8市斤）+有机质（0.6706市斤）（占15%），从流速的变化趋势来看，速度在10月23日有一个高峰，原因是上文中提到的外部因素影响了内部结构；由于起始时的砂的孔隙度较土壤大，后来产生了生物膜，其生长及重力的作用使得空隙减小，所以从整体上看，其流速有逐渐降低的趋势。

表7老处理法二流速变化

老处理法第二种的填充方案为蛭石（4.0市斤）+有机质（0.7059市斤）（占15%），从表7中看出这一组的流速没有出现中间的高峰，证明外在因素影响较少，同样是因为生物膜的建立使得平均流速呈现出逐渐降低的趋势。

表8老处理法三流速变化

老处理法第三种的填充方案为砂（5.0市斤）+有机质（0.8824市斤）（占18%），从表8中可以看出这一组的流速变化很剧烈，由于两种填料的孔隙度都较大，使得处理系统对污水的阻挡作用不是太强，所以整体流速很快。

表9老处理四流速变化

老处理法第四种的填充方案为砂（2.5市斤）+蛭石（2.5市斤）+有机质（0.8824）（占18%）。

这是一种较为稳定的处理方法，填充材料的紧实程度也使得流速在短时间内就趋于稳定，由于生物膜的产生流速也有微弱的下降。

表10新处理一流速变化

新处理法第一种的填充方案为公分石（5cm）、土壤（10cm）、腐殖质（5cm）、公分石（5cm），由于实验时间较短和填充物孔隙度较大，整体流速不太稳定。

表11新处理法二流速变化

新处理法第二种填充方案为粗砂（4cm）、细沙（12cm）、腐殖质（5cm）、公分石（4cm），同样的原因，流速稳定需要的时间较长，但最终由于生物膜，流速都有下降的趋势。

6.实验结论

本次垂直流模拟实地实验数据显示，6种处理法都已经达到将污水水质处理到符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标，而实验的主要目的还包括比较6种处理法的优缺点，从上文逐步分析中可以看出停留时间的长短对处理效果有很大影响，所以在处理中需要尽量减少污水的蓄积时间；而从各组方案的填充材料来看，结构较为松弛的材料例如砂石和公分石会使柱子的缝隙较大，污水与材料的接触面积小、接触时间短，导致了处理效果不好、流速较快且容易发生变化的结果，相反像腐殖土这样的填充材料遇水就会让原本疏松的结构变紧实，这样对污水的阻碍程度就会变大，接触面积变大、接触时间变长，处理效果就好很多。

根据氮磷的处理原理，我们可以看出人工湿地主要利用生物脱氮及植物吸收的方法来除去污水中的氮，可通过生物硝化-反硝化作用去除氮，但是由于有限的氧气大多都被有机物消耗掉了，所以导致硝化作用的速率较慢，所以硝化作用受到了影响。

并且在有机物分解的同时，使反硝化作用的碳源也受到了影响。

因此，第3种处理法对氮的去除率较低。

垂直流人工湿地系统磷的去除作用主要包括填料的物理作用、化学作用和微生物的同化作用以及植物摄取作用。

其中，化学作用主要是吸附和化学沉淀作用,生物作用包括微生物的同化作用和植物的摄取作用。

为了提高除磷效果,应该选择吸附和沉淀效果好的基质，如砾石等含有钙离子的基质，像是第1种处理法的材料就比较适合用于除磷。

当然很多处理系统不仅仅是需要好的处理效果，更需要高效率，这一点可以从流速来判断，实验中由于产生了生物膜所以柱子的流速到最后都会减缓，但有的流速总体比其他要快，例如老处理法第三种的填充方案砂（5.0市斤）+有机质（0.8824市斤）（占18%），所以如果要考虑处理时间的话可以采用这样的填充方案。

7.实验补充

1）本次试验是模拟人工湿地中的垂直水流型人工湿地处理系统，所选的填充材料都是容易找到，并且对污水处理有一定效果的材料。

2）在实验过程中，为了达到更好的去除效果，应该采用间歇式供水，是污水在装置的停留时间增长，达到更好地去除效果[1]。

3）在污水的配比中，加入的淀粉，是为微生物和水生植物提供碳源，使它们可以生长，来增加装置对氮的去除效果[2]。

4）在实验过程中，出现了管道堵塞的现象，原因可能是水的流速过大，在流淌的过程中，携带的泥沙堵塞了管道，也可能是因为生长的水生植物太少，缺少植物根系。

在设计中必须制定与本工程相匹配的植物选配原则,具体选种原则如下:

.植物的净化能力强,耐污能力强且根系发达;

.具有抗逆性,包括抗冻能力、抗病虫害能力及对周围环境的适应能力;

.经济合理;

.重视物种间的合理搭配[3]

（5）在配污水的过程中，是隔天配置，按照要加入的水量，按比例称取淀粉、复合肥和尿素。

这种配置污水的方法，可能会造成水缸内水的浓度不同，会影响氮磷的浓度，所以，在每次配污水后，应该充分的搅匀，是水充分混合，减少误差[4]。

7参考文献

[1]芦秀青,詹德昊,陶涛.垂直流人工湿地水流规律研究.华中科技大学学报（自然科学版）,2010,38（3）:

104-107

[2]周巧红复合垂直流构建湿地微生物类群多样性及其活性研究《中国科学院研究院（水生生物研究所）》2005

[3]吴振斌1,谢小龙1,2,徐栋1,董金凯1,2,贺锋1,成水平1,

梁威1,付贵萍1复合垂直流人工湿地在奥林匹克森林公园龙型水系的应用

（1.中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北武汉430072;2.中国科学院研究生院,北京100049）

[4]贺锋,吴振斌,咸水平,付贵萍.复合垂直流人工湿地对氮的净化效果.中国给水排水,2004,2

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