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1、景观水质生态净化技术与试验研究摘要水体富营养化问题日益严峻，为了满足现代生活的要求，对景观水的处理已经迫在眉睫。采用生态水处理的方式较之传统处理方式而言有减少投资等优势。人工湿地系统处理后的出水水质可以达到地面水水质标准，因此它实际上是一种深度处理的方法。而人工湿地系统中填料是关键，通过对粉煤灰、空心砖、煤渣和活性炭四种填料的试验研究，得出处理不同性质污水适应的最佳填料。关键词:景观水、生态处理、人工湿地、填料AstractThe problem of nutrient wastewater is becoming more and more serious. To meet with the
2、 request of modern life, handling scenical water is urgent. Comparing with the traditional way, ecotypic treatment has many advantages such as decreasing the investment and so on. The quality of enfluient can reach the level of surface water after being treated through the constructed wetland system
3、 that is practically a kind of deep treatment system. Because media is the key part of the constructed wetland system, we can find the best media to treat wastewater of different quality through the experimental research with four materials: fly ash, hollow brick, coal cinder and active carbon.Keywo
4、rds：Scenical water, ecotypic treatment, constructed wetland, media11.绪 言1.1课题的来源随着工农业生产的高速发展和人民生活水平的日渐提高，水体的富营养化问题也日益严峻。世界上一半以上的湖泊和水库的水质因受到污染而不断恶化，而地球表面90%的液体淡水来自这些湖泊和水库。随着世界人口的不断增加，水资源的问题可能将进一步恶化。据全国二十六个主要湖泊水库富营养的调查表明：贫营养的一个，中营养的九个，富营养的十六个，其中，有六个的总氮、总磷的负荷量极高，已进入异常营养型阶段。自20世纪70年代以来，世界各国都认识到控制水中氮磷的含量
5、是控制富营养化的关键因素，开展了脱氮除磷机理及工艺的研究。我国从80年代初开始，也进行了大量这方面的研究，其中有的已进入规模应用，并取得了满意的效果1。据了解，经过人工湿地系统处理后的出水水质可以达到地面水水质标准，因此它实际上是一种深度处理的方法。特别适用于饮用水源和景观用水保护，处理后的水可以直接排入饮用水源或景观用水的湖泊、水库或河流中。因此特别适合处理饮用水源或景观用水区附近的生活污水或直接对受污染水体的水进行处理，或者为这些水体提供清洁的水源补充。采取传统的方法需要大额的一次性投资和运行费用，而且需要专业的管理人员。而采用人工湿地的技术来处理景观水，不仅投资低，能耗低，且脱氮除磷效果
6、尤为明显。本课题是由温岭锦园小区建设指挥和委托的。1.2人工湿地简介1.2.1人工湿地的发展最初的人工湿地污水处理系统与土地处理系统相似：将污水引入按一定目的和方式人为平整过的土地中，并在这片土地中种植大量高等水生植物。由于土壤的渗水能力有限，因此，种不同的植物对人工湿地的处理能力将产生不同的影响。经过深入研究，选出芦苇在提高土壤的渗透系数方面有显著的效果，所以欧洲的人工湿地有相当一部分种植芦苇，称为芦苇床。七十年代起，北美和澳大利亚也开始研究人工湿地污水处理系统，并在如何提高湿地的处理能力方面有了较大的进展。到了八十年代，出现了以砂和碎石铺垫池底，在砂（石）上种植高等水生植物的人工湿地。从此
7、，在人工湿地的设计中，增加了如何选择基质（植物生长的一层物质）这一项工作，以土壤为基质的人工湿地逐渐被以砂石为基质的人工湿地所取代，从而使得人工湿地的占地面积有可能大幅度的减少。目前，人工湿地污水处理系统已成为国际上十分热门的研究课题。1.2.2 人工湿地的优缺点目前，人工湿地作为一项新技术，已经越来越引起了人们的重视，总结人工湿地的优点有：（1）建设成本低据国外统计，一般人工湿地污水处理系统的投资比常规的二级污水厂的低。对我国已建成或正在建的二级污水处理厂的投资进行分析，也表明人工湿地的投资远远低于常规污水处理设施（见表1-1）2.而较低的投资对于我国现阶段经济承受能力来说是最佳方案。（2）
8、运行管理成本低无需专职人员管理、无电耗及药耗从表1-1可以看出，人工湿地吨水处理费用仅为相近地区的鼓风曝气型项目的16（珠海）-20（深圳），为同一地区氧化沟方法的34。原因有：表1-1 人工湿地污水处理系统与其他污水处理系统比较表项目名称处理方式吨水投资（元/m3）吨水处理费（元/m3）年耗电（万度）吨水耗电（度/m3）吨水用地（m2/m3）深圳某厂鼓风曝气6600.203190.1752珠海某厂鼓风曝气8330.204200.641海南某厂氧化沟5740.20102.40.281.2深圳某人工湿地人工湿地1380.02002.71）由于人工湿地基本上不需要机电设备，故维护上只是清理渠道及管
9、理作物，一般人员完全可以承担，只需个别专业人员定期检查。2）人工湿地基本上不耗能，也不需要投药，这是其他处理方法无法与之相比的。而且其他处理工艺的能耗不仅是经济问题，同时也是环境问题，因为耗能过程中产生的CO2、SO2等气体会污染大气环境。（3）污水处理产物资源化回用人工湿地污水处理系统特别注意污水处理与水资源利用相结合的特点，代表了21世纪小城镇污水处理发展的主要方向3。表1-2 人工湿地污水处理系统与传统二级污水处理系统效果比较表污水成分/mgL-1人工湿地污水处理系统传统二级污水处理系统平均最高BOD10203030SS102030TN102020NH3-N5101515TP41010从
10、表1-2可看出，人工湿地污水处理系统的出水水质优于常规的二级处理，其出水一般可直接用于农灌或景观用水等回用。（4）N、P处理效果显著从表1-2可看出，人工湿地污水处理系统对N、P等指标的去除效果是常规二级处理所不及的。（5）操作简单 尽管人工湿地的优点很多，但是也存在着如下缺点：（1）占地面积大，进水负荷小从表1-1中可知，人工湿地的占地面积较之另两种而言要大，约是常规污水处理厂的1-3倍。可能受到土地面积需求的限制，特别是在城市化地区。因此许多学者致力于研究提高人工湿地处理效率的方法，以提高人工湿地进水负荷，从而减少占地面积。（2）易堵塞，运行周期较短人工湿地堵塞后，目前还没有很好的恢复对策
11、。国外流行的做法是让堵塞后的床体经过几个星期的停床修整来部分恢复渗透性，而轮休期的长短则取决于天气条件。但是还是有很多学者认为堵塞问题可以得到有效解决。他们认为人工湿地污水处理系统趋于成熟稳定后，堵塞速率会逐渐降低4。（3）达到稳定状态所需时间较长深圳市环境科学研究所设计的“洪湖公园人工湿地系统水质净化工程”在运行开始阶段（约6个月）处于不稳定状态。系统运行半年以后，污染物去除效果才好。这表明人工湿地生态系统需经过约半年时间才能达到稳定状态5。（4）处理效果不稳定人工湿地能有效去除悬浮物和有机物。但是，考虑到营养物质的累积，人工湿地的运行并不很好，因为只有30的N和P被去除6，而且通常在几年内
12、基质吸附P的能力就会饱和，并开始释放过剩的P7。同时人工湿地处理效果受温度，气候影响比较大。有研究表明：水温低于10度时，人工湿地的处理效果会明显下降8，就是说，夏天的处理效果要好过冬天9，但是温度高于30度又会对硝化与反硝化等生物化学过程产生抑制作用10。也有研究表明，N的去除率会随季节变化而产生统计意义上的差异11。不过Yang等12发现，当绿地运作一段时间（如3年）后，去除效率基本不再受环境因子（如温度、污水流量等）的影响。1.2.3人工湿地处理污水的机理人工湿地处理污水的机理较复杂。学者们一般认为人工湿地系统中，生长着大量的水生植物和大量的厌氧菌、好氧菌。污水在流经人工湿地时，经过物理
13、沉淀、吸附，微生物分解、植物吸收等作用而使污染物浓度降低。其中具有沉降性的有机物通过沉积和过滤可很快被去除；而磷的去除主要靠沉淀、吸附及水生植物的吸收。具体解释为：人工湿地污水处理系统中，氮通常以有机氮和离子氮的形式存在。有机氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下转化为离子氮。由于填料颗粒带有负电荷，NH4+很容易被吸附。硝化细菌通过硝化作用将NH4+ 转化为NO3-,填料又可恢复对NH4+吸附功能。硝化作用在植物根系区的微氧环境下发生，植物根系又为硝化细菌提供了丰富的表面。填料对带负电荷的NO3-没有吸附截留能力，NO3-可以为植物根系吸收而成为植物营养成分或通过反硝化最终转化为N2或者N
14、2O而挥发掉。反硝化作用在纯土层（缺氧和厌氧环境）中很快发生。因此，影响氮去除的主要限制过程是氮的硝化作用，而冬季较低的气温抑制硝化作用和植物根系放氧作用时，这种限制会更大13。人工湿地污水处理系统对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的摄取作用14.其中，填料的物理作用即填料截留悬浮物所引起总磷的去除作用，即过滤性总磷的去除作用。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。人工湿地对磷的主要去除作用是化学吸附和沉淀以及微生物同化作用15。选用适宜的填料土体可使除磷效果跟更好。1.3试验研究的意义由人工湿地处理污水的机理可知
15、：填料的选择对于人工湿地污水处理系统的运行效果有着重要的意义。填料土体是人工湿地的基质与载体，填料的所有理化性状都可能影响到它对污水的处理效果。在人工湿地内部填充多孔的、有较大比表面积的填料，可以改善人工湿地的水力学性能，为微生物提供更大的附着面积，同时增强系统对污染物（尤其是氮、磷）的去除能力。土体对污染物的成功截留为后续植物吸收创造良好条件，是出水水质的重要保证。1.3.1填料的选择与级配一些学者认为，不同的填料对人工湿地的处理效果影响较大，比如：土壤的去污功能不如砾石16，17。1.3.2水流类型不同的水流类型也会对处理效果产生影响。人工湿地污水处理系统按填料土体的构造形式可分为水平流系统和垂直流系统，两者各有优缺点18，见表1-3。最初人们感兴趣的是水平流系统，因为它简易、造价低、运行能耗省，因此已得到广泛的应用。但是它的输氧能力差，不利于除氮，所以垂直流系统又得到了重视。垂直流系统还有比水平流系统稳定性好的优点，学者们分析原因是：1）垂直流系统中微生物浓度高；2）垂直流系统受温度影响小；3）营养物易于留在垂直流系统基质里19。表1-3 水平流系统
