功能基质强化人工湿地装置过滤景观河水的研究

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1、功能基质强化人工湿地装置过滤景观河水的研究第一章绪论1.1人工湿地的概述人工湿地被应用于处理不同类型的污染物（如氮、磷、有机物、悬浮固体、金属和大肠杆菌等），通过植物、基质层、水体和生物群等一系列复杂的互连系统的作用来去除污染物[7]。在这种人工设计的生态系统中，氮磷和有机物的去除显得非常重要，主要有以下原因：如果氮磷被随意排放至自然水渠中，严重促进河流湖海的富营养化程度[8]；而有机物则会消耗开放水体中的溶解氧浓度，导致水生生物的大量死亡。现有文献指出，潜流型人工湿地相比于表面流型人工湿地而言具有较好的有机物去除能力。人工湿地主要分为两种基本类型：表面流

2、和潜流人工湿地系统。表面流人工湿地与天然湿地较相似，污水水流在表层饱和土壤基质上流动且水层较浅（一般水深不超过60cm）。表面流湿地系统一般对水体中有机污染物和悬浮颗粒物的去除效果较好，主要是由于其水力停留时间比较长，且与湿地表面土壤的接触面积较大。但是，表面流型人工湿地去除氮、磷的效果不太理想，一般情况下去除率只有10%左右。而且此系统受季节的限制影响较大，由于湿地的水体是直接暴露在空气中的，因此在夏天较容易滋生蚊蝇等昆虫而影响环境，在冬天又会因为天气寒冷导致湿地水面结冰而破坏水体流动[9-12]。潜流湿地则主要依赖砾石层来承载植物的生长，污水以水平或垂

3、直的方式流经基质层，与植物根系和基质表面的微生物接触，使得污染物从水体中去除。潜流人工湿地又可以进一步分为两类：水平流（VF）和垂直流（HF）系统，根据每平方米湿地表面积对污染物的去除效率来看，这两种类型的湿地均比表面流人工湿地更加高效。目前，一种结合了垂直流和水平流的复合潜流人工湿地系统已经被应用于实际的污水处理中。这种组合系统一般可以通过好养、厌氧和缺氧各阶段的共存体系，使得污水中有机物和氮磷的去除效率更加优异[13,14]。1.2人工湿地污水处理技术及其研究现状1.2.1人工湿地的组成人工湿地系统组成中最重要的是基质层，它也是污水处理作用的核心组成部

4、分，另外两个重要的湿地组成内容则是人工湿地中的水生植物和微生物。一般情况下，人工湿地可以分为以下五个组成部分：（1）能够在饱和水体和厌氧条件下湿地基质中存活并生长的水生类植物；（2）多样化的微生物种群，包括好氧和厌氧型微生物；（3）土壤、砂、砾石等具有透水性的基质；（4）保持流动的水体，能够在湿地基质表面或者基质内部形成动态水流；（5）能够在湿地中生存的动物，如鱼类、虾类等。1.2.1.1湿地植物人工湿地植物（大型植物）主要生长在水中或土壤层中，能够在氧气不足的情况下生存。人工湿地所用的大型植物一般可以分为四类[15]：挺水植物、浮叶植物（带根系并浮于水体

5、中）、沉水植物和自由浮水植物（浮于水面）。水平潜流人工湿地中常用的植物种类一般有如下几种[16]：芦苇、香蒲、茎香草和鸢尾等。在这些植物中，芦苇植物在基质层能够产生更多的地下和地上生物量，以及其浓密的根系可以更好得渗入基质层中[17]。湿地植物的不同组成部分（如地上组织、水中组织和根系）在一定程度上优化了湿地的净化效果[16,18]。地上组织可以储存养分，在冬季里可以起到保温作用并且拥有观赏价值。水中组织则起到了过滤介质的作用，传输氧气并降低水体的流速从而可以提高截流和颗粒沉降效率。植物的根系则是起到了补给作用，在湿地系统中为生物降解作用提供良好的环境。1

6、.2.1.2湿地微生物人工湿地为微生物的生长提供了一个理想的环境，可以通过微生物的生物降解作用来去除污水中的污染物。细菌、真菌和藻类都是湿地系统中最常见的微生物体。在所有的微生物中，细菌的存在极其重要，它在潜流人工湿地这个生物反应器中充当着催化剂的作用。细菌作为一种单细胞原核生物，可以通过他们的新陈代谢要求进行分类。异养细菌利用有机碳形成细胞组织，而自养细菌则从二氧化碳中获得碳源。利用光作为能量的生物体则称作光养细菌，它们既非自养细菌，也非异养细菌。另外还有一种则是化能营养型细菌，从化学反应中获得能量。作为人工湿地的重要组成部分之一，湿地基质能够在污水净化

7、中通过直接和间接的途径共同发挥作用。基质对污水的直接净化过程十分复杂，包括物理过程中的过滤和吸附作用，化学反应和沉淀作用以及微生物种群的代谢作用对有机物的分解和去除等。而基质颗粒间又由于存在一定的孔隙率，不仅能够提供基质表面给湿地微生物进行依附和生长，也可保持水体的水力传导性能，同时也为生长在其中的水生植物提供一定的营养物质，如氮磷等。在实际工程应用中，一般会选择不同类型的基质用作不同的污水净化目的。当污水的特征污染物为悬浮颗粒物、有机物和BOD时，一般选用砾石、黄沙或灰渣等作为湿地基质；当污水的主要污染物为磷时，则需选择含有某些金属离子（如含钙、镁、铝铁

8、等）的物质或大理石等矿石作为湿地基质来进行除磷。当污染水体通过人工