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1、 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：自由表面流人工湿地(SFW)，水平潜流人工湿地(SSFW)，垂直流人工湿地(
2、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
3、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：
4、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
5、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0.0866135.78尿素0.4821
6、432.14蔗糖1.55223103.484.2 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
7、：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
8、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、31.52 mg/L、46.875 mg/L。污水中总氮的含量为15mg/L,总磷的含量为0.5 mg/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120124后开始计时。或将比色管置于家用压力锅
9、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19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120124 ，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
10、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
11、，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1 6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）10.066a0.035a7.034a6.900a20.119b0.1
12、41b4.741bc2.715b30.111b0.161c9.865b8.435a40.217c0.169d2.300b1.952b50.210c0.178a7.302b6.022a60.213c0.178c9.470b6.358a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
13、，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
14、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%TPTNTPTN187.43a57.99bc93.22a58.79bc264.55b68.56b65.70bc82.00a344.30c34.74d60.98c44.07c458.73b86.26a67.67b88.34a563.65b51.61c67.89b60.09b663.65b37.24d69.39b57.86bc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
