人工湿地(2)

山东大学硕士学位论文

Abstract

Lake Eutrophication has been become a serious problem in our country. As an effective way to solve this problem, Nonpoint pollution control was attach importance to people increasingly. Constructed wetlands is a new sewage technolygy with low cost and less energy for N,P removal, less requirement of technique and management, compared to conventional wastewater treatment processes, can be used to control the city`s nonpoint pollution. As an important part of system, macrophyte plays an important role in the constructed wetland.

This paper introduced the concept, decontamianat mechanism, the status of research both in and outside the nation, the application of wetland treatment technology in china. Meanwhile, emphasize the advantage of constructed wetland ,the selection of plants and it`s role in the constructed wetland .Consulting the sewage of Da-Ming lake in Jinan, vertical flow constructed wetland and subsurface constructed wetland were used to treat low strength wastewater. The removal efficiency of constructed wetland was investigated for COD、TN、TP at different hydraulic retention time and different concentration wastewater. Meanwhile, study the function of aquatic macrophyte to the removal efficiency of pollution. The result showed:

Different water flows have different remove efficiency. At hydrolic retention time is 24h,the remove rate of COD 、TN、TP was 75.2％、66.3％、82.8％ in the subsurface wetland and 70.2%、76.2%、93.3% in the vertical flow wetland. the removal efficiency of TN、TP was higher and COD was lower in the vertical flow wetland compared with subsurface wetland;

The change of hydraulic loading in constructed wetland has the effect on remove efficiency between two types of water flow. When the concentration of inflow water was 120mg/L，2mg/L，20mg/L，the removal rate of two systems was higher. In the subsurface flow constructed wetland, the change of hydraulic loading has higher TN removal efficiency. While in the vertical flow constructed wetland, the change of hydraulic loading has higher TP and COD removal efficiency.

Aquatic macrophyte influence the remove rate of wetland system, macrophyte have the ability of N、P removal ，it played an important role in the constructed wetland.

KEYWORDS：constructed wetlands; vertical flow; subsurface flow: removal rate; Aquatic macrophyte

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第一章 绪论

1.1 论文研究的目的与意义

中国是一个湖泊众多的国家，大于1km2的天然湖泊共有2300余个，是我国最主要的淡水资源。近年来，随着我国工农业的迅速发展和城市化进程，湖泊流域开发活动加剧，同时人们将湖泊作为工业废水、生活污水和农业灌溉排水的场所，不合理的人为开发活动如围湖造田、森林砍伐、湖滨破坏等给诸多湖泊环境造成了不良影响。根据环保总局2005年水质报告显示：我国21处重点湖库水体己处于不同程度的富营养化状态。湖泊富营养化不仅导致水体水质下降，蓝藻水华频繁暴发，而且对水体的生态结构和功能产生不利影响。全国性的湖泊富营养化及湖泊生态破坏等环境问题不断出现和发生，给流域的社会经济发展造成了不可估量的损失。

在湖泊富营养化水体的治理中，主要采用三种技术：外源控制、内源控制技术和生态修复技术。针对我国目前正面临的水资源匮乏和水环境恶化的严峻挑战，采用生态重建与恢复技术是达到水质改善和恢复水体功能的一个非常主要的手段。外源污染控制落后，是导致我国湖泊富营养化的一个重要原因，研究表明：通过挖除表层的污染底泥，可以有效的削减底泥污染物向上覆水体的释放，减少外源性污染物质尤其是外源性营养物质进入湖泊。只有外源污染得到了有效控制，水体富营养化控制和生态修复才能花最小的代价实现预期目标。

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人工湿地构建的生态系统，具有独特的污染物净化机制，在湖泊点源和面源污染控制方面具有良好的应用前景。目前我国城市污水厂仍有大量氮、磷随出水排入环境水体，人工湿地技术同城市污水处理工艺相结合，在削减氮、磷含量的同时，可以进一步提高出水水质，同时人工湿地的投资低，运行费用低和适应性强的特点使之在点源控制中具有良好的应用前景。

农业面源污染分散，污水量大面广，水质水量变化大的特点十分适合于人工湿地的应用。我国富营养化湖泊的治理中农业面源污染严重，而在美国、德国等国家，人工湿地技术已成功应用农业面源的污染控制中。

[4]

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1.2人工湿地

1.2.1人工湿地的定义

湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡带，具有多功能和使用价值的生态系

统。1971年拉姆萨尔国际湿地保护公约将湿地定义为:“湿地系指不论其为天然或人工、常久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动，或淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6m的水域。”[5]

人工湿地(constructed wetland)是人为创造的一个适宜于水生植物或湿生植物生长的、根据自然湿地模拟的人工生态系统；它由基质，微生物和植物按一定方式配置而成，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，具有水力负荷大、污染负荷高、节省占地面积等诸多优点。

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)；无脊椎或脊椎动物；好氧或厌氧微生物种群。

人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成，预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。构筑物包括双层沉淀池、化粪池、初沉池。人工湿地单元中的流态采用推流式、阶梯进水式、回流式或综合式（图1.1）。

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图1.1 人工湿地中的基本流态

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1.2.2人工湿地的类型及应用[7]

按照工程设计和水体流态的差异，人工湿地污水处理系统可以分为表面流湿地（Free Water Surface Flow，简称FWS），水平潜流湿地（Horizontal Subsurface Flow Wetland，简称HSF）和垂直流湿地（Vertical Subsurface Flow Wetland，简称VF或VSF）三种主要类型。三种类型湿地的优缺点如表1所示。

其中表面流湿地不需要砂砾等物质作填料、造价较低、但水力负荷较低， 该类型在美国、加拿大、新西兰、瑞典等国有较多分布。

水平潜流湿地的保湿性较好，对BOD、COD等有机物和重金属等去除效果好，受季节影响小，目前在欧洲，日本应用较多。

垂直流湿地综合了前两者的特点，但其造价要求较高，至今尚未广泛应用。

表1.1 三种人工湿地处理污水系统类型比较

特征 水体流动

表面流湿地 表面漫流

水平潜流湿地 基质水平流动

垂直流湿地

表面向基质底部纵向流动

水力负荷 去污效果

较低 一般

较高

对BOD、COD等有机物和重金属去除效果好

系统控制 环境状况

简单，受季节影响大

相对复杂

相对复杂

夏季有恶臭、蚊蝇现象 较高

对N、P去除效果好

夏季有恶臭、蚊蝇现象 良好

1.3 国内外人工湿地的研究进展

1.3.1国外人工湿地的研究进展

早期的潜流型湿地处理系统主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂出水，德国最早开展了潜流型人工湿地的研究，1953年德国Max Planck 研究所的Dr.Kathe Seidel博士在研究中发现芦苇能够去除污水中大量的有机和无机物质, 随后开发出年由Max Planck Institute Process系统，该系统有四或五级组成，每级由几个并联并有挺水植物的池子组成。该系统存在堵塞和积水问题。根据Dr.seidel的思路，荷兰于1967年还开发了一种现称为Lelystad Process的大规模处理系统，该系统是一个占地一公顷的星形自由水面流湿地，由于运行问题，该

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系统后有400m长浅沟， 随后大量这种湿地在荷兰建成。1977年由Kickuth 提出了\根区法”，采用栽种芦苇的水平潜流湿地使有机物降解，硝化反硝化去除N、沉淀去除P，标志着人工湿地污水处理机理的初步萌芽。与此同时美国的国家空间技术实验室研究开发了(厌氧微生物和芦苇处理污水复合系统)。[8-10]

经过近15年研究与发展，该技术已经在英国、美国、新西兰、法国、澳大利亚、巴西、荷兰等许多国家得到应用推广，一些发展中国家也开始使用该技术解决国内的污水处理问题。与此同时应用范围也不断扩大，除了用于处理城市污水外，还应用于工业废水、农业面源污染、垃圾渗出液暴雨径流等多种废水的处理，表现出良好的效果。[11]

目前，仅在美国就约有600多座人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水, 400多座人工湿地被用于处理煤矿废水，50多个人工湿地用于处理生物污泥，近40个人工湿地应用处理暴雨径流，超过30个人工湿地系统用于处理奶产品加工废水[10-14]。在丹麦、德国、英国每个国家也都至少有200个地下潜流湿地系统在运行，新西兰也有80多个人工湿地系统被投入使用。[15]

北美2/3的湿地是自由表面流湿地，其中一半是自然湿地(1～1000ｈｍ2),其余为自由表面流湿地。最常见的预处理是兼性或氧化塘，或者说许多湿地系统被用于氧化塘系统的精处理。[16]

在欧洲应用较多的是地下潜流系统，此技术还在快速发展，特别是在一 些东欧国家。绝大多数系统种植有芦苇，也有种植菖蒲、香蒲等其它湿地植物。为了保证潜流，绝大多数系统采用砾石作为填料，此类系统趋向对近100万人口当量的乡村级社区进行二级处理，北美则趋向对人口较多的地区进行高级处理，在澳大利亚和南非则用于处理各类废水。[6]

根据对104座潜流系统和70座自由表面流的处理效果数据统计，有如下结果：

[17]

SS（悬浮物）：两种人工湿地皆可有效去除SS。表面流用于三级处理时出水SS <20mg/L；用于二级处理时稍高,但通常也低于20 mg/L。潜流湿地进水平均为140 mg/L,出水SS平均为2.4 mg/L。

BOD5（五日生化需氧量）：一般来说,当潜流系统进水BOD5平均为114 mg/L时,则出水平均为17 mg/L；表面流进水BOD5平均为41 mg/L时,出水平均为11

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