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'第25卷第4期青岛建筑工程学院学报Vol.25No.42004JournalofQingdaoInstituteofArchitectureandEngineeringX人工湿地污水处理研究与进展李向心,武周虎,孔德玉,孔德刚,伊冬梅(青岛理工大学环境与市政工程学院,青岛266033)摘　要:湿地是地球生态的重要组成部分,天然和人工湿地可用来处理各种工业废水和生活污水.湿地处理系统综合了物理、化学、生物三种作用,能够去除污水或废水中的有机物、氮、磷和重金属.人工湿地的设计主要有两个方面的计算,一是水力学计算;二是反应动力学计算.湿地污水处理是一种不成熟的方法,还需进一步研究.研究内容有各种污染物的去除效果跟各种影响因素的关系、污染物的去除机理等.研究方法有模拟湿地试验和实际湿地试验.关键词:湿地,污染物,去除机理,降解,水力学中图分类号:X703湿地是地球生态的重要组成部分,具有巨大的环境功能.然而,迄今为止国际上还没有统一的定义和[1,2]分类,为数不多的国家的科学家和政府对湿地有各自的理解和定义.作为一种水处理方式,可以把湿地理解为:湿地为水位接近或高于地面的,或有足够长时间能促成湿土形成或水化过程的,土壤水饱和的,以水成土和各类适应水环境的生物为特征的土地.湿地作为介于干地和水域之间的一种生态环境,具有许多不同于干地和水域特征,特征有:①光合作用产品的生产力高;②湿地类型和生物多样性显著;③水文情势、土壤条件和生态群落的过渡性;④易受自然及人为活动的干扰,生态平衡极易受到破坏,受到破坏后很[3]难得到恢复的脆弱性;⑤它既具有成熟生态系统的特点,又具有不成熟生态系统的特点,即两重性.正是因为这些特点,天然或人工湿地才可用来处理各种污水,其中芦苇湿地是一种常用的湿地,处理方法具有低成本、易操作和高效率的特点,可用于生活污水和部分工业废水的处理,如造纸工业废水的处理.基建投资、运转费用和能耗均为常规二级处理方法的1/3～1/5,并有较好的经济效益和生态效益.1　湿地处理污水的原理1.1　物理、化学、生物作用湿地土壤是固相和液相组成的疏松多孔体系.土壤是岩石风化形成大小不同的颗粒组成的,它的物理化学性与生成土壤的岩石有关,与风化生成的颗粒大小有关.土壤中除矿物质外,还含有部分有机质(约1%～10%).土壤中含有大量的胶体颗粒,这些胶体有有机胶体、无机胶体、有机—无机复合胶体,它们具有很大的表面积和表面能,对去除有机物和重金属具有重要作用.当然不同的胶体比表面积、表面电荷密度、交换容量是不同的,且pH影响胶体的性质.在湿地处理系统中物理作用主要是沉淀、过滤和吸附,可去除固体悬浮颗粒.北京市环境保护科学研[4]究院丁廷华的试验表明:不溶性BOD5(约占总BOD5的50%左右)和SS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.在垂直流和潜流型湿地中,水流过土壤,土壤就成了天然的滤床,使得SS得以去除.在表面流湿地中,水曲折的在稠密的植物间流动,稠密的植物使水的紊动性减小、稳定性增强,有利于固体颗粒的沉淀.化学作用主要是对重金属的去除,在潜流型或垂直流湿地中,重金属与填料发生化学反应,留在填料中,最后被植物吸收,或以更换填料的方式被去除.化学作用与土壤胶体的X2002年山东省环保重点科技项目资助收稿日期:2003-03-05 第4期　　　　　　　　　　　　　　李向心等:人工湿地污水处理研究与进展57性质极为密切,无机胶体通常吸附有一定的阳离子,它们易被重金属阳离子取代.pH值会影响无机胶体的交换吸附.有机胶体可与重金属形成络合物.生物作用比较复杂,主要是水生植物和各种微生物的协同作用.湿地中水生植物一般有一种或两种占优势,其它的则处于次要地位,如芦苇长势好的湿地中杂草很难生长.植物的作用有:①水生植物的根系为细菌提供了多样性生境,根区的细菌可降解多种污染物质;②光合作用产生氧气,输送至根区,有利于微生物的好氧呼吸;③水生植物直接吸收利用废水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质;④能固定土壤中的水分,固定污染区,防止污染源的进一步扩散;⑤维持介质的水力传输,由于植物的根和根系对介质的穿透作用,在介质中形成了许多微小的气室或间隙,减小了介质的封闭性,增强了介质的疏松度,从而介质的水力传输得到加强和维持.相对于清水中,污水中的微生物数量多但种类较少.这是因为污水中营养丰富,能“供养”更多的微生物,但由于有些微生物不能适应污水环境被淘汰,适应环境的微生物则被强化.微生物有细菌、放线菌、真菌.污水中的有机物降解、氮磷的去[5]除,主要是通过各种微生物的联合作用进行的.通过分析各种微生物数量与有机物、氮、磷等污染物去除率的相关关系可得到各种微生物在处理污水过程中的作用,除微生物外湿地中还有大量的后生生物和高等动物,如鱼、两栖类、鸟类,这些生物形成复杂的食物网对维持湿地生态平衡起着重要的作用.1.2　氧的作用在湿地处理系统中,有机物、氮和磷的去除与氧有密切的关系.湿地可以通过大气复氧,但主要是通过植物的传输作用获得.白天植物光合作用产生的氧气,通过茎的传输到达根部,氧的扩散在根系的周围形成好氧区,由于好氧微生物的耗氧,使得离根较远的部分呈缺氧状态,更远的地方则呈厌氧状态;到了夜间,植物光合作用停止,根系的呼吸作用和微生物的消耗,使氧的浓度降低.氧在空间和时间上的交替分布非常有利于氮和磷的去除.1.3　各种污染物的去除机理1.3.1　有机物的去除　　湿地对有机物具有很高的去除效率,据李科德等的研究COD和BOD的去除率[6]与各种微生物数量都有明显的相关性,说明有机物的去除主要是微生物的作用.土壤具有巨大的比表面积,在土壤颗粒表面形成一层生物膜,污水流经颗粒表面时,不溶性的有机物通过沉淀过滤吸附作用很快被截留,然后被微小生物利用;可溶性有机物通过生物膜的吸附和微生物的代谢被去除.在土壤里,氧气主要是通过植物的传输获得,根据离根的远近土壤可分为好氧区、缺氧区和厌氧区.在好氧区,有机物被好氧菌分解为二氧化碳和水;在厌氧区,有机物被厌氧菌通过发酵作用分解为二氧化碳和甲烷.污水中的大部分有机物最终被异养微生物转化为微生物体、二氧化碳、甲烷和水、无机氮、无机磷.1.3.2　氮的去除　　污水中的氮分为有机氮和氨氮,有机氮在微生物作用下被分解为氨氮.氮的去除率[6]跟硝化菌和反硝化菌的数量有极显著的相关性,说明氮的去除主要是硝化菌和反硝化菌的作用.如前所述,根据离芦苇根的远近土壤可分为分为好氧区、缺氧区和厌氧区.在好氧区,硝化菌把氨氮转化为硝态氮和亚硝态氮;在厌氧区,反硝化菌又把硝态氮、亚硝态氮转化为氮气,最终从污水中去除.在表面流湿地中,由于在硝化菌的作用下氨氮消耗、硝态氮生成,在反硝化菌作用下硝态氮消耗,氨氮和硝态氮在局部浓度就会降低或升高,形成浓度梯度,氨氮会从厌氧区扩散到好氧区,硝态氮会从好氧区扩散到厌氧区,从而使得硝化和反硝化作用得以连续进行.在潜流型湿地中,水在介质中依次流过好氧区、缺氧区和厌氧区,反应也是连续进行的.不管在好氧区还是在厌氧区,氨氮和硝态氮都能被植物吸收利用,从污水中去除.1.3.3　磷的去除　　污水中的溶解性的磷可被植物直接吸收,通过植物的收割从湿地系统中去除;另一方面磷为微生物正常代谢所需要,磷细菌能把有机磷和溶解性较差的磷转化溶解性无机磷,有利于植物的吸收;第三被介质(土壤或填料)通过吸附或离子交换作用而去除;第四聚磷菌的过量聚磷在磷的去除中也有一定的作用.在好氧区聚磷菌吸附过量的磷,在厌氧区,又把过量的磷释放出来,一部分会随水流输移扩散,另一部分被介质吸附,由于磷的释放,在局部磷的浓度较高有利于介质对磷的吸附.在这几种作用中介[7]质的吸附是主要的.张鸿等的试验表明植物对磷的去除有重要影响,杨昌凤等的试验则说明植物对磷的[8][9]去除影响不大.李科德等的研究表明湿地对磷的去除效果不是很理想,而高红武在试验中取得了较好[10]的去除效果.笔者认为:磷浓度较低时,植物的吸收是主要的,在浓度较高时,植物的吸收作用显得微不足道.而介 58青岛建筑工程学院学报　　　　　　　　　　　　　　　第25卷质的吸附是有限度的,达到饱和以后,效果就会减弱,在静态试验中,在磷浓度不是很高,试验时间又短,“饱和”的抑制作用得不到体现,因而去除效果较好,并且植物作用明显.在浓度比较高的动态试验中,初期去除效果很好,并且介质吸附是主要的,但吸附很快达到饱和,处理效果不理想.总的来说,对磷的去除,介质的吸附占很重要的作用,不同的介质吸附能力不同.根据杨昌凤等的研究,粘土比沙石等介质吸附能力[11]强.这种作用是不可再生的.所以应在湿地基础上辅助更为有效的方法除磷.据李科德等研究,用凤眼[9]莲对湿地出水进行深度处理,脱氮除磷效果很好.1.3.4　湿地对重金属的去除　　湿地对重金属的去除主要是土壤或填料对重金属的吸附和反应,吸附有+3+2+2+离子交换吸附和专性吸附.通常土壤胶体带负电荷,表面吸附有阳离子,如H、Al、Ca、Mg等,这些离子易被吸附竞争力强的重金属离子取代,这是交换吸附;专性吸附指在有大量碱土金属或碱金属离子存在时,土壤对痕量浓度的重金属阳离子的吸附作用.专性吸附很牢固,可减小重金属对生物的毒害.研究表明,微量的重金属可被铁锰铝硅的氧化物选择吸附,这些吸附并不是取代了原来的阳离子.污水中重金属离子浓度一般很低,不能与土壤中无机阴离子形成金属沉淀,它可以与土壤中的有机质络合,增强重金属对土壤的亲和性,但也有络合反而不利于吸附.土壤中微生物对重金属的去除也有相当的作用,它们可通过胞外络合作用、胞外沉淀作用固定重金属,还可把重金属转化为低毒状态,也有的转化为毒性更强的物质.另外还有植物对重金属的积累,重金属以各种形态存在,其中溶解性的(离子态的)可被植物吸收在植物中积累,茎以上部分可随植物的收割最终从湿地中去除,不溶性的可被介质的过滤作用截留.不同的重金属、不同的介质、不同的植物去除的具体过程是不一样的.不同的介质中的粘土对重金属的吸附作用最大.pH影响各种形态的比例,进而影响重金属的去处效果.重金属对植物有一定的毒害作用,不同的植物[12]对不同的重金属的耐受能力不同.高浓度的重金属废水不应直接进入湿地系统.2　湿地处理污水的研究2.1　湿地的水力学规律-4关于水的流动情况、底坡和水面线的设计,王久贤认为湿地系统的渗漏流速很小,通常是1.0×10-3～1.0×10m/s.可用达西定律V=KS(1)[13]式中　V为渗流的平均速度m/s;S为水力坡度;K为渗流系数m/s胡康萍指出,达西定律仅应用于层流,而在潜流型人工湿地中,当填料粒径较大时,空隙率较大,所以[14]雷诺数较大,当雷诺数大于1～10后,式(1)就不适用了,一般用下式描述流速与水力坡度的关系.2S=αV+βV(2)2150μ1-ε1.75(1-ε)α=,β=ρgDPεDPεg32式中　μ为动力粘滞系数Pa·s;ρ为水的密度kg/m;g为重力加速度m/s;ε为介质孔隙率;DP为平均粒径m式(2)为Ergun公式,由式(2)不容易求得水面线的解析解,但求数值解却很容易.将Ergun公式代入缓dh变流水面线方程S=i-并整理得dx22dh150μQ(1-ε)1.75Q(1-ε)=i-22-22≡f(h)(3)dxρgBhDPεgBhDPε3式中　B为湿地宽度m;h为湿地深度m;Q为污水流量m/s式(3)的校正近似解为:Δxhk+1=hk+f(hk)+f(hk+Δxf(hk))(4)2　　以上是水面线的计算,水面线设计的好坏直接影响植物的生长.除水面线的设计外,停留时间的设计也非常重要,因为停留时间将直接影响处理效果.在理想情况下,水流呈推流状态,不存在短流,也不存在死水区.计算停留时间很简单,直接用湿地的体积除以污水流量就可以了,但实际情况往往并不是这样简 第4期　　　　　　　　　　　　　　李向心等:人工湿地污水处理研究与进展59单,既存在短流又存在死水区,有的污水停留时间很短,有的则很长,甚至为无穷大.我们可以从整体上把握这个问题,确定一个等效停留时间,这个等效停留时间可以通过试验进行研究,研究方法一般为刺激应答法,即在入口处在很短的时间内加入示踪剂;在出口处检测示踪剂的浓度,可每隔一定时间取样一次,直到时间足够长,一般为加入示踪剂开始到理想停留时间的两倍.据D.Stairs(美)研究,出水示踪剂浓度随时间急剧上升到一个峰值然后逐渐呈指数下降.如图1所示.由图1可求出平均停留时间,由污水流量和平均停留时间可求一个与之对应的湿地容积,这就是有效容积.总容积减去有效容积即死水区容积.里德(Read)等认为有效容积占总容积的75%左右,在设计湿地床时可取[15]75%.2.2　湿地对污染物降解去除规律[15]一般湿地污染物的降解按一级反图1　某湿地停留时间分布[16]应动力学来计算,即ce=c0exp(kTt)(5)T-20kT=k20θ式中　c0为系统入流的污染物浓度mg/L;ce为系统出流的污染物浓度mg/L;t为污水在系统中的平均停-1-1留时间h;kT为系统的降解系数h;k20为20℃时的降解系数h;T为系统中的平均水温℃;θ为常数,一般为1.05～1.10在这里k20非常重要,它主要与土壤性质、微生物种类及数量有关,可以通过试验测定.美国湿地设计23采用生物体附着生长所需介质的比表面积AV(m/m)来表征生物的强弱,将工艺设计方法体现在处理场地的生物作用方面,比地表漫流土地系统的工艺设计方法向前迈了一步,但AV是个难以测定只能靠估算[17]来确定的值,为此,李万庆等提出了土壤生物活性法.研究表明,采用生物活性法比美国的比表面积法相比相对误差减少33.51%～90.1%,标准差减少3.32%～37.87%.其原因是:污染物处理效果主要是由土壤里的微生物决定的,美国的比表面积法用土壤的比表面积来代表微生物的作用,各种反应一般是在“表面”进行.所以土壤的比表面积能在一定程度上代表微生物的作用,但生物活性法更加直接,直接以生物活性代表生物作用.不过,生物活性法只能通过试验测定,而比表面积法却可以“估算”,相对来说“生物活性”很难估计.[17,18]土壤类型的不同对处理效果有很大的影响,杨昌凤等认为,这与土壤里的微生物、土壤的离子交换能力有关.实际处理污水时,水是动态的,除了考虑土壤的静态处理效果外,还要考虑土壤的透水性,要综合两方面因素,既要有适当的透水性又要有较高的处理效果.3　湿地处理污水的设计表面流湿地,水深0.3～0.45m,长宽比3～5,坡度0～1%(1‰左右为宜),有机负荷随废水性质和条件3变化很大,范围18～110kgBOD5/(ha·d)一般作为设计校核的指标;水力负荷可达150～500m/(ha·d),在确定水力负荷的同时应考虑气候、土壤状况、渗透系数和植被类型等场地条件,还应考虑接纳水体的水质要求,尤其注意由于蒸发、蒸腾的失水量对夏季处理的影响及在干旱地区设计湿地的可行性;潜流型湿地床深度一般为0.6～0.7m,长宽比3∶1以下,底坡1%～8%;通过填料截面的平均流速不宜超过8.6m/d.4　湿地污水处理的试验研究4.1　试验参数与研究内容试验主要研究各种污染物去除率随各种影响因素的变化,主要污染物有:BOD、COD、总氮、氨氮、总 60青岛建筑工程学院学报　　　　　　　　　　　　　　　第25卷磷、有机磷、无机磷、各种重金属(如:Pb、Cd).主要影响因素有:水力负荷、有机负荷、停留时间、温度、植物种类、植物生长程度、污染物浓度、pH、细菌数量.另外还可以研究重金属等不能或不易被降解的污染物在植物和介质中的积累、分布和存在形式,研究示踪剂的空间和时间分布.通过对实验数据的分析综合推断污染物去除机理、反应动力学和水动力学规律.4.2　湿地污水处理的研究方法4.2.1　模拟湿地试验　　用塑料盆、塑料桶或建造小型设备,尺寸数量级为米.在这些小型试验中,做静态试验,把水放进设备里,静止一段时间,检测污染物浓度;或做动态试验,污水连续的流过设备,检测进水和出水浓度.污水来源,用实际的工业废水、生活污水,或用人工配制的污水,人工配制的污水一般用于很小规模的静态试验.4.2.2　实际湿地试验　　因为湿地技术还不成熟,所以现在的湿地都带有试验的性质,实际湿地的运行参数也可以看作是试验数据.实际湿地试验,可设计不同的坡度、长度、宽度.在距离入口不同距离处设取样点,取样时应记录取样时间、温度、水力负荷、污染物负荷、取样点.试验目的为通过对实际数据的分析,确定降解系数与温度的关系、最佳水力负荷、最佳污染物负荷、最佳坡度、最佳长度等.参考文献[1]刘厚田.湿地的定义和类型划分.生态学杂志,1995,14(4):73277[2]　朱建国,李应中.中国湿地研究现状综述.中国农业资源与区划,1996,(2):21224[3]　何勇田,熊先哲.试论湿地生态系统的特点.农业环境保护,1994,13(6):2752278[4]　丁廷华.污水芦苇湿地处理系统示范工程的研究.环境科学,1992,13(2):8213[5]　成水平.人工湿地废水处理系统的生物学基础研究进展.湖泊科学,1996,8(3):2682273[6]　李科德,胡正嘉.芦苇床系统净化污水的机理.中国环境科学,1995,15(2):1402144[7]　张　鸿,陈光荣,吴振斌等.两种人工湿地中氮、磷净化率与细菌分布关系的初步研究.华中师范大学学报(自然科学版),1999,33(4):5752578[8]　杨昌凤,黄淦泉,宋文初等.模拟人工湿地处理污水的试验研究.应用生态学报,1991,2(4):3502354[9]　李科德,胡正嘉.人工模拟芦苇床系统处理污水的效能.华中农业大学学报,1994,13(5):5112517[10]高红武.模拟人工湿地盆栽实验对城市污水除磷研究.昆明理工大学学报,1998,23(6):71274[11]　杨昌凤,夏盛林,许春所.土壤类型与人工湿地污水处理功能的关系.环境保护科学,1993,19(1):46250[12]　黄淦泉,杨昌凤,靳立军等.人工湿地处理重金属Pb、Cd污水的机理探讨.应用生态学报,1993,4(4),4562459[13]　王久贤.白泥坑人工湿池水力学计算研究.广东水利水电研究与应用,1997,(6):50252[14]　胡康萍.人工湿地设计中的水力学问题研究.环境科学研究,1991,4(5):8212[15]D.Stairs(美),刘文兵译自ICWS’94PROCEEDINGS.人工湿地的流动特征:用示踪法研究水力学因素.环境科技情报,1995,(1):329[16]　胡康萍,许振成,朱　彤等.人工湿地污水处理系统初步研究.上海环境科学,1991,10(9):41242[17]　李万庆,王德龙,张建文.水面型湿地工艺设计方法研究.环境科学,1992,13(5):225[18]　陈博谦,王　星,尹澄清.湿地土壤因素对污水处理作用的模拟研究.城市环境与城市生态,1991,12(1):19221 第4期　　　　　　　　　　　　　　李向心等:人工湿地污水处理研究与进展61StudyandProgressofConstructedWetlandWastewaterTreatmentLiXiang2xin,WuZhou2hu,KongDe2yu,KongDe2gang,YiDong2mei(CollegeofEnvironment,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033)Abstract:Wetlandisimportantcomponentofearthecology.Naturalandconstructedwetlandmaybeusedtotreatin2dustryanddomesticwastewater.Wetlandtreatmentsystemsynthesizestheactionofphysics,chemistryandorganism.Itcanremoveorganicmatter,nitride,phosphide,heavymetalfromwastewater.Designofconstructedwetlandmainlyincludestworespectsofcalculation.Oneishydrauliccalculation,theotherisreactionkineticscalculation.Wetlandtreatmentisanimmaturemethod.Furtherresearchisnecessary.Itincludesrelationbetweenremovalefficiencyofvari2ouspollutantsandvariouscontributingfactors,mechanismofpollutantsremoval.Studymethodsincludeactualandsimulatedexperimentation.Keywords:wetland,pollutants,mechanismofremoval,degradation,hydraulics作者简介:李向心,男,31岁,硕士研究生(上接第24页)[4]　刘凤奎,许克宾.弯、剪、扭共同作用下钢筋混凝土构件的板—桁模型理论.土木工程学报,1996,(3)[5]　刘步章.钢筋混凝土纯扭和剪扭构件全过程分析:[硕士论文].天津:天津大学,1991[6]　刘继明.钢筋混凝土复合受力构件受力行为和设计方法的研究:[博士论文].西安:西安建筑科技大学,2004UnityTheoryandDesignMethodofBearingCapacityforReinforcedConcreteMembersSubjectedtoCombinedTorsion1,2231142LiuJi2ming,DongJian2li,Guomin,ShiZhuang2xuan,MenJin2jie,LiJia2fu,Lianglin(1.Xi’anUniversityofArchitecture&Technology,Xi’an710055;2.QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033;3.LaiyangAgriculturalCollege,Qingdao266000;4.BeijingCentralEngineering&ResearchIncorporation,Beijing100000)Abstract:Inthispaper,fieldofcompression2variableanglespacetrussmodelisadoptedtoanalyzeRCmemberssub2jectedtocombinedtorsionandtheinteractionequationbasedontheunitytheoryisestablished.Inaddition,anewde2signformulaforthetorsionalcapacityofRCispresented.Keywords:combinedtorsion,unitytheory,torsionalcapacity作者简介:刘继明,男,41岁,博士,教授'