废水生态修复.docx

1、废水生态修复研究生课程考试课程名称： 污染环境生物修复 课程编号： 论文题目: 利用人工湿地进行有机污染环境的生态修复 研究生姓名: 学 号: 论文评语:成 绩: 任课教师: 评阅日期: 利用潜流式人工湿地进行有机污染环境的生态修复李春辉 （上海大学 环境与化学工程学院，上海200444）摘要：人工湿地是一种完整的生态系统，它是利用系统中发生的物理、化学和生物等多重协同作用实现对污水的净化功能。开展潜流人工湿地中废水处理的机理、湿地内部有机污染物的迁移转化、湿地工艺设计及其水力学、动力学参数的研究，对环境废水中有机污染物的去除及生态安全具有重要意义。文章主要从化学、生物、设计参数等方面论述了人

2、工湿地废水处理中有机污染物的降解及其机理研究进展。关键词：人工湿地；有机污染物；CODSubsurface flow constructed wetland used for ecological restoration of the organic pollution of the environmentLI chunhui(School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China)Abstract: As a complete ecological system

3、,constructed wetland can purify waste water by utilizing the coordinated functioning ofphysical,chemical and biological factors taken place in the system.Its worthwhile to conduct such research as the mechanism in thewaste water disposal in the subsurface flow constructed wetlands,the transformation

4、 and mobilization of organic conmaminants inthe wetlands,the technological parameters,and the parameters in the science of hydraulic and dynamics of wetlands.These studies are of great significance to the removal of organic conmaminants in the wastewater and ecological safety.By studying the chemica

5、l,biological factors and design parameters respectively,the thesis mainly discusses the degradation of the organic conmaminants fromconstructed wetlands and the development in the mechanism study.restoration.Keywords: constructed wetlands;organic contamination;COD 1 前言1.1 人工湿地人工湿地是一种人工建造和监督控制的与沼泽类似的

6、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，也正是利用这3种作用的协同关系来进行废水的处理。其构造可简述为：在一定长宽比及底面坡降的洼地中，按一定的坡度填充选定级配的填料如石子，在填料表层土壤中种植一些处理性能良好，成活率高，生长周期长，美观及具有经济价值的水生植物（如芦苇），构成一个湿地生态系统。在设计湿地处理系统时，应尽可能增加水流在其中流动的曲折性，以增加该系统的稳定性和处理能力。实际设计中，往往将湿地多级串联或附加一些预处理、后处理构筑物构成处理系统。设计中，湿地的长宽值可按下式计算。1W=Q/KsSd其中，W:池宽(m)；Q:湿地平均处理流量

7、(m3/d)；d:池深(m)；Ks：填料导水率m3/(m2d)；S：湿地床坡度；为了保证废水以推流方式流经湿地，L/W应大于3/l，而且L20m。池深选择则根据池形、水质及湿地植物的根系深度来进行，以使大部分废水都能在植物根系中流动。在美国，利用芦苇床湿地处理城市污水，池深采用6076cm，而德国为60cm。池底坡降及填料表面坡降往往受水力坡降及填料级配的影响，一般选值范围为1%8%2。人工湿地因水流方式差异可分为以下3类：表面流湿地，潜流湿地和立式流湿地，其构造如图1所示3。(1)表面流湿地(Surface Flow Wetlands缩写为SFW)废水在填料表面漫流，它与自然湿地最为接近，绝

8、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。这种湿地不能充分利用填料及丰富的植物根系，卫生条件亦不好，故设计中一般不采用。(2)潜流湿地(Subsurface Flow Wetlands缩写为SSFW)水在填料表面下渗流，因而可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及其他各种作用处理废水，而且卫生条件较好，故被广泛采用。以下主要对它进行讨论。 (3)立式流湿地(Vertical Flow Wetlands缩写为VFW)水流动况综合了SFW和SSFW的特点，但其建造要求高，易滋长蚊蝇，目前亦不多用。图1 三种人工湿地构造1.2 人工湿地对有机污染物的处理机理人工湿地对废水的处理综合了物

9、理、化学、和生物3种作用。它成熟后，填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形成生物膜，废水流经时，SS被填料及根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及同化、异化作用而得以去除。湿地床层中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中的氮、磷不仅能被植物及微生物作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用从废水中去除，最后通过湿地基质的定期更换或收割使污染物质最终从系统中去除4。人工湿地中各种物质传递和转化因含氧差异而有所不同，如图2所示1。图2 人工湿地中物质传递和变化 如图2所示，氧来源于植物根毛的释放、来水及水面更新溶氧

10、。湿地植物光合作用产生的氧气，一部分通过输运组织和根毛输送释放到湿地环境中。这种输氧作用使根毛周围形成了一个好氧区域，其中好氧生物膜对氧的利用使离根毛较远的区域呈现缺氧状态，更远的区域则完全厌氧，分别有利于大分子有机物及氮、磷的去除。湿地中的氧气可作为好氧微生物氧化分解有机物的电子受体，最终以CO2的形式释放到系统外的环境中;它们的存在也是硝化作用和对磷的过量积累所不可缺少的。在硝化菌作用下，它将以NO2-牙或NO3-化合态形式存在5,，7。 人工湿地显著特点之一是对有机物有较强的处理能力。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤可以很快从废水中截留下来，被微小生物加以利用；可溶性有机物则可通过生物膜

11、的吸附及微生物的代谢过程被去除。研究表明8：在进水浓度较低情况下，人工湿地对BOD5的去除率可达85%95%，COD去除率可大于80%。城市污水通过湿地处理后，出水BOD5在10mg/L左右。北京市环境保护科学研究院的试验还表明：不溶性BOD5(约占总BOD5的50%左右)和COD在进水5m的距离内可迅速地被去除；约90%的SS在进水10m以内得以去除。废水中大部分有机物的最终归宿是被异养微生物转化为微生物体及CO2和H2O，这些新生的有机体可以通过填料定期更换最终从系统去除。2 影响有机物去除效果的因素2.1 基质的影响基质是人工湿地的重要组成部分，为植物和微生物提供生长介质，为水流提供良好

12、水力条件的同时，也能够通过过滤、吸附和沉淀等作用直接去除污染物，影响着人工湿地的净化能力和运行的稳定性8-9。武俊梅10等选用净化效果较好且抗堵塞能力较强的基质，在较高水力负荷下进行了同种基质不同粒径级配和不同基质级配的垂直流人工湿地模拟柱的运行效果试验，如图3。比较各种基质级配的净化效果，并与单一基质净化效果进行横向比较，通过湿地基质的合理组配来强化基质对污水的处理效果，并维持运行的稳定性，为人工湿地基质的选择和级配提供借鉴和参考。图3 各模拟基质柱示意各基质柱对污水中的COD净化效果如图4，其中A和E基质柱对COD平均去除率分别达到73%和69%，其它基质柱都在60%左右。图4 各基质柱对

13、COD的平均去除率可见，基质的组成和不同类型的级配对有机污染物的去除效果有很大的影响。 对数据进行两两比较(LSD)，结果如表3，A和B、D、F、G、H基质柱对COD平均去除率存在显著性差异。 2.2 植物、微生物的影响人工湿地中的植物像其它所有光合自氧的有机体一样，能利用太阳能从空气中吸收无机物合成有机物，为异样生物提供能量，同时其还具有分解和转化有机物及其它物质的能力。另外，湿地植物使湿地床表面更加稳固，并提供了良好的物理过滤条件，它使垂直流通系统不受阻碍，防止冬季湿地表面冻结并为微生物生长提供了巨大的表面支撑，还可以通过光合作用和根系的渗透作用将氧传输到根圈基质11-13。在垂直潜流人工

14、湿地净化污水过程中，植物潜在的主要作用可以归纳为四个方面：(l)直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附和富集重金属和有毒有害物质；(2)为微生物吸附生长提供更大的表面积；(3)为根区好氧微生物输送氧气；(4)增强和维持基质的水力传输性能。人工湿地处理废水时，有机物的降解和氮化合物的脱氮作用、磷化合物的转化等主要是由微生物活动来完成的。在基质氧化区，废水中大部分的有机物质被好氧微生物分解成为二氧化碳和水，氨则被硝化细菌硝化；而在还原区，厌氧细菌经发酵作用将有机物质分解成二氧化碳和甲烷释放到大气中，反硝化细菌将硝态氮还原成氮气。由于人工湿地存在着这样一些氧化区、还原区，不同区域微生物群的相互配

15、合而将有机物以及氮素化合物等去除。在人工湿地中，微生物类群是极其丰富的，不同的类群具有不同的功能。研究微生物类群数量和空间分布对于人为合理调控微生物结构，提高人工湿地净化效果具有重要意义。3 人工湿地对不同来源的有机物的处理随着工业的发展，水污染的加剧，同时淡水资源短缺与人民生活水平提高之间的矛盾日益加剧，水环境保护的任务也越来越艰巨。近年来，环境科学研究在迅速发展，正在积极探索水环境污染全球效应问题，各种水处理污染的方法层出不穷，其中生态处理技术人工湿地技术由于其低投资，出水水质好，抗冲击力强，操作简单，建造和运行费用低。（仅为传统二级污水处理厂的1/102/10)维护方便，氨氮去除率高，同

16、时可使污水处理与环境生态建设有机结合，在处理污水同时创造城市生态景观等特点逐步被越来越多的国家接受，并广泛应用。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14。3.1 人工湿地对生活污水中有机物的处理3.1.1 用于污水处理厂处理废水宁城污水处理厂15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”的项目，该项目曾于1997年6月通过国家建设部科技司主持的技术鉴并于1998年6月将该项成果予以推广。其工艺流程为原污水通过格栅，通过

17、集水井、沉淀池，进入一级碎石床后，再进入二级碎石床，从二碎石床流出处理水，排入天然河道。在一级碎石床植芦苇，在二级碎石床栽植香蒲。采用此工艺处理每吨污水需土建费用427.00元，维护费用0.06元，占地面积3.6m3。人工湿地污水处理技术的应用，有效地改善了东河的生态环境，东小河下游的居民从此远离了恶臭和蚊蝇。改变了东小河的环境，提高了居民的生活质量。3.1.2 用于处理农村生活污水农村生活污水主要产生于居民生活过程中粪便及其冲洗水、洗浴污水和厨房污水等，同时农村生活污水中因粪便中所含病原菌较多，因此一般应进行一定的灭菌处理16。农村污水难处理主要有以下几个原因：(1)污水成分日益复杂，各种污

18、染成分浓度较低，波动性很大，难以正确评估生活污水的污染负荷及其昼夜、季节性变化；(2)人口少，用水量标准较低，污水处理规模小，造成工程建设费及运行费用过高；(3)污水处理工艺与技术的选择，受到当地社会、经济发展水平的制约和地方保护主义或其他人文因素的抵制；(4)当地自然与生态条件(气温、降水、风向和土壤等)对所选择的处理工艺与处理技术有负面影响，使其不能正常发挥效力；(5)维护管理技术人员及运行管理经验严重缺乏。如今我国城乡发展迅速，居民产生的废弃物日益增多，其所排放的生活污水中含有大量的有机物，进入水体势必引起环境的恶化。鉴于人工湿地系统构造简单，造价低，维护费用少的特点，在城郊和农村地区可

19、以以家庭为单位进行修筑，使得家庭的生活污水能够在排放前就得到妥善处置，有机物的排放可以从源头得以削减。3.2 人工湿地对工业废水中有机物的处理工业废水中的污染物成分复杂，大部分有机物的含量极高，可生物降解性也有很大差异。人工湿地能够处理的工业废水只是很小的一部分，且主要是用于二级处理。Arda Yalcuk17等人用垂直流人工湿地技术处理橄榄油厂的废水，其设计的模型如图5所示。图5 处理橄榄油厂废水的装置模型图5中自上而下的装置编号为W1、W2、W3，W1种宽叶香蒲、W2种有风车草，W3不栽种植物，填料则自上而下统一为沙砾、沸石、砾石。橄榄油厂废水的COD为86.500mg/L，三种装置运行后

20、对有机物的处理效果见图6。图6 不同装置对COD的去除效率Arda Yalcuk认为初开始沸石有较强的吸附能力，在运行初期能够吸附一定量的有机质，但是随着时间的增加，沸石吸附达到饱和，对有机物的去除能力减弱。另外，通过装置间的对比可以得出，香蒲和风车草对有机物的去除效果不是很明显。4 展望人工湿地是集生物学、化学、水文学和水力学为一体的复杂生态系统,它在处理复杂废水方面发挥了巨大的作用，应用前景可观。对人工湿地处理废水中的有机污染物的研究，还需开展多方面工作，如：对进、出口废水中有机污染物及其降解中间产物进行表征研究，对处理系统中的影响因素如溶解氧、氧化还原电位、进出水电子受体等进行监测，以期

21、获得湿地中有机污染物迁移转化的影响因素；有机污染物降解动力学模型的建立及有机污染物对氧供应及植物输氧能力的研究，有助于了解有机污染物在湿地中的降解机理；湿地系统的运行和设计参数，如HLR、HRT、有机负荷、床体孔隙度、水位等对有机污染物去除的影响研究；湿地系统中的微生物与植物根系之间存在的共生关系对降解和去除污水中有机污染物起着协同作用的影响也值得我们去关注。参考文献1 梁继东,周启星,孙铁币.人工湿地污水处理系统研究及性能改进分析.J生态学杂志,2003,22(2):49-55.2 徐丽花,周琪.不同填料人工湿地处理系统的净化能力研究.J上海环境科学,2002,21.3 廖新佛,骆世明.人工

22、湿地对猪场废水有机物处理效果的研究.J应用生态学报.2002, 13(l):113117.4 胡康萍等.一种经济、有效、简便/可靠的污水处理技术一人造湿地系统.J环境工程,1991,9(2):6-10.5 夏汉平.人工湿地处理污水的机理与效率.J生态学杂志,2002，21(4):51-596 Lin Y.F，Jing F.R.,LeeD.Y.etal.Nutrient removal from aquaculture wastewater useing a Constructed wetlands system.Aquaculture.2002,209:1691847 崔理华，朱夕珍，骆世明.

23、煤渣草炭基质垂直流人工湿地系统对城市污水的净化效果.J应用生态学报,2003,14(4):597-600.8 宋英伟, 黄民生, 年跃刚,等.人工湿地中基质与植物对污染物去除效率的影响J.环境工程学报, 2009, 3(7): 1213-1217. 9 崔理华,游艳萍,张新明,等.人工湿地磷吸附饱和基质的化学再生研究J. 生态环境学报, 2010,19（5）1221-1225.10 武俊梅, 张翔凌，王荣,等. 垂直流人工湿地系统基质优化级配研究J. 环境科学, 2010,31 (5): 1227-1232. 11 成水平,夏宜睁.香蒲、灯心草人工湿地的研究一净化污水的机理.J湖泊科学,199

24、8,10(2):66-7112 司马卫平,何强,夏安林,等.人工湿地处理城市污水效能的影响因素分析.J环境工程学报,2008, 2(3):31932313 Chung A.K.C., WuY., Tam N.F.Y.,etal.Nitrogen andphosphate mass balance in a sub-surface flow constructedwetland for treating municipal wastewater.JEcological Engineering,2008, 32(1): 8189.14 Brace E P. Phyte remediation of

25、 contaminated soil and ground water at hazardous waste sitesJ. Ground Water Issue, 2001, 1: 500-540.15 Morel J L, Habib L S, Guckea A. Influence of maizeroot mucilage on soil aggregate stability. Plant and Soil,1991, 136: l11ll9.16 梁嘉晋,董申伟.分散式农村生活污水处理技术J. 广东化工, 2009, 7: 168-187.17 Arda Yalcuk,Nazli Baldan Pakdil,Semra Yaprak Turan. Performance evaluation on the treatment of olive mill waste water in vertical subsurface flow constructed wetlandsJ. Desalination, 2010, 262: 209-214.