论文总字数：17416字

目 录

第一章 绪论 5

1.1 研究背景 5

1.2 实验目的与意义 5

1.3 人工湿地概念 6

1.3.1 人工湿地的定义 6

1.3.2 人工湿地类型及其特点 6

1.3.3 人工湿地除污机理 7

1.4 人工湿地的应用与前景 8

2.2.1 人工湿地处理技术国外研究概况 8

2.2.1 人工湿地处理污水技术的应用 8

2.2.1 人工湿地处理技术的问题与展望 9

第二章 实验的设计与研究方法 9

2.1 实验准备 9

2.1.1 人工湿地的设计与构建 9

2.1.2 植物的选择 9

2.1.3 基质的选择 9

2.2 实验的设计 9

2.2.1 搭建人工湿地 9

2.2.2 人工湿地植物种植 12

2.2.3 进水水质 12

2.2.4 进水方式 12

2.3 研究方法 12

2.3.1 水样的采集 12

2.3.2 水质分析方法与仪器 12

2.3.3 数据处理 13

第三章 结果与讨论 13

3.1 不同湿地pH比较 13

3.1.1 CW1、CW2pH比较 13

3.1.2 CW3、CW4pH比较 14

3.1.3 四个人工湿地pH比较 15

3.2不同湿地DO比较 15

3.2.1 CW1、CW2DO比较 15

3.2.2 CW3、CW4DO比较 16

3.2.3四个人工湿地DO比较 17

3.3 不同湿地对COD去除效果比较 18

3.3.1 CW1、CW2对COD去除效果比较 18

3.3.2 CW3、CW4对COD去除效果比较 19

3.3.3 四个人工湿地对COD去除效果比较 20

3.4 不同湿地对氨氮去除效果比较 21

3.4.1 CW1、CW2对氨氮去除效果比较 21

3.4.2 CW3、CW4对氨氮去除效果比较 22

3.4.3 四个人工湿地对氨氮去除效果比较 23

3.5 不同湿地对TN去除效果比较 24

3.5.1 CW1、CW2对TN去除效果比较 24

3.5.2 CW3、CW4对TN去除效果比较 25

3.5.3 四个人工湿地对TN去除效果比较 26

3.6 不同湿地对TP去除效果比较 28

3.6.1 CW1、CW2对TP去除效果比较 28

3.6.2 CW3、CW4对TP去除效果比较 29

3.6.3 四个人工湿地对TP去除效果比较 30

第四章 结论与展望 31

4.1 结论 31

4.2 展望 32

参考文献 33

致 谢 34

人工湿地对生活污水处理效果研究

于欣

，China

Abstract: After the reform and opening up, with the rapid social economic development, the amount of domestic sewage and the amount of polluted water also increased dramatically, which affected our life, and even hindered the economic development and sustainable development strategy, and the treatment of sewage As well as increase the reuse rate of sewage is very important. Artificial wetlands can be nitrogen and phosphorus removal, and the effect is very good. In this paper, we study the composite vertical submerged flow constructed wetland and horizontal surface flow constructed wetland, and provide more theoretical basis for the further development of constructed wetland waste water by comparing their effects on pollutants in sewage, including COD, nitrogen and phosphorus.

Key words: Artificial Wetland; Domestic Sewage; Processing Effect

第一章 绪论

1.1研究背景

我国水资源的总量非常丰富，达2.8万亿立方米，但是淡水资源总量很少，仅占全球淡水资源总量的6%，人均的水资源量为2173立方米，仅仅达到世界人均的1/4，位列世界第121位，而且是世界上13个主要的贫水国之一[^[1]][^[2]]。随着我国近几十年来的迅速发展与城市化的进程的加快，工农业污水与城市生活污水量逐年增加，1999年我国工业与生活污水排放量达401亿吨，比1998年增加了6亿吨[^[3]][^[4]]。目前，我国水污染严重，江河湖泊普遍都被污染。我国河流水质的污染严重到不能用于灌溉（劣于Ⅴ类）的河段约占11%，这些水体已经丧失了使用价值，受到污染（相当于Ⅳ、Ⅴ类）的河段约占47%[^[5]]。河流湖泊的污染已经造成了很多方面的危害：不仅增加了工业的生产成本，而且还降低了产品的质量；造成了土壤碱化，农作物减产，有一些甚至绝收；使部分河道枯竭，造成了土地沙化，盐碱化，严重威胁了生态系统与人类的健康[^[6]]；受污染的水体使一些水利工程的混凝土脱落。钢筋被腐蚀，缩短了工程的寿命，增加了一系列的维护费用，大大降低了水利工程的经济效益。劣质的饮用水严重的损害了人体的健康。目前，我国的污水处理厂的出水水质不是特别理想，仍然属于Ⅴ类水。大多数的城市的污水处理厂还都是传统型，虽然排放可以达标，但是跟地表水环境质量标准（GB3838-2002）相比还有一段差距，N、P等污染物的含量仍然不低[^[7]]，而且污水的排放量很大无法直接回收利用，出水直接排放到水体中，这样的做法危害极大，是造成水体富营养化的主要原因。我国污水的平均回用率不到20%[^[8]]，大部分污水都没有能够很好的利用，就被直接排放到水体中去。而污水的回用能够解决很多问题，在很大程度上可以缓解许多缺水城市的用水的危机，可以缓解部分污水处理厂的运行经费不足的问题，同时还保护了环境，其意义重大。

1.2实验目的与意义

人工湿地构成的生态系统在河流湖泊的点源污染的控制方面有良好的发展前景。从技术的可行性这方面来看，人工湿地应用于对生活污水的处理已经有很多年了，尤其在欧洲，人工湿地不仅可以处理中小城市的生活污水，在一些地区经常用来处理家庭的生活污水，也能够处理一些工业废水。目前，我国城市污水处理厂仍然有大量的N、P等污染物随出水排入到环境水体中去，，城市污水额处理工艺与人工湿地的处理技术结合起来，在减弱N、P含量的同时，还可以进一步的提高出水的水质。

论证人工湿地在处理污水方面作为一种有效代替常规污水处理的生物处理技术的方法以及有效的使污水资源化，有助于改善环境。能够为促进我国人工湿地在适当的地区缓解中小城市水资源的短缺，水源地污染提供可靠的科学依据。

1.3人工湿地概念

1.3.1人工湿地的定义

人工湿地是由基质、植物、动物、水体以及微生物组成的，它的主要功能是净化水质，它与自然湿地最本质区别就在于受人为的控制。人工湿地是由以下五个部分组成的[^[9]]：一是由土壤、砾石等组成各种不同性质的基质（包括对应的填料，具有一定的吸附作用），它的作用就是为人工湿地中的植物提供了生长的支持，为人工湿地中的各种污染物提供了反应的界面[^[10]]。二是水生植物，根据它们在水中分布的程度不同还可以将它们分为挺水植物、浮水植物和沉水植物三种类型[^[11]]，常见的人工湿地植物有芦苇、水葫芦、水花生、香蒲、美人蕉、灯芯草、再力花等等，它们可以直接吸收并利用污水中的部分营养物质，同时还可以吸附与富集污水中的部分污染物质，而且成活率很高、耐受力比较强、生长周期比较长、比较美观而且具有一定的经济价值等得的特点[^[12]]。三是人工湿地中的一些无脊椎动物和脊椎动物[^[13]]，它们的作用就是通过分解与消化作用来促进人工湿地中的生态系统的物质循环，提高生物的多样性，促进人工湿地中的生态系统的结构与功能的完整性。同时，某些人工湿地动物（比如鱼类）可以增加人工湿地的观赏性。四是水体，可以在基质的表面上下流动。五是微生物，微生物是人工湿地用来处理污水中的污染物的核心，因为污染物的去除主要是通过微生物和各种污染物之间的各种作用来实现的[^[14]][^[15]]。

1.3.2人工湿地类型及其特点

根据水体在人工湿地中的不同的流动方式将人工湿地分为以下四种类型[^[16]]：（1）表面流人工湿地，就是指污水在基质的表面漫流，水流呈推进式前进，少部分污水会渗入地底下，这种湿地虽然结构简单，造价低，但易滋生蚊虫，散发臭气且处理效率较低，在现在设计中，一般不采用此种湿地系统；（2）水平潜流人工湿地，潜流就是指污水在基质的缝隙间渗流，这样污水可以充分地被填料和植物的根系处理，从而得到较好的水质，且由于污水并没有暴露在表面，并没有聚集蚊虫、散发臭气等弊端，同时作用点较多使得处理效率提高，潜流人工湿地一般都会设计成有一定的底面坡降的，从而使污水具有较长的流程，有助于硝化反应与反硝化反应的发生，脱氮的效果更好，所以被广泛使用；（3）垂直流人工湿地，污水沿基质垂直的方向流动，布水更加均匀，工程技术的要求比较高，相比较水平潜流人工湿地，垂直流人工湿地对于氨氮的含量较高的污水有着较好的处理效果，由于发展较晚，还存在一些弊端，仍有待改进；（4）复合流式潜流人工湿地，就是在原有的潜流人工湿地的基础上，研究开发出来的一种新型的复合式潜流人工湿地，较好地解决了现有的人工湿地的处理局限，对处理污水中的各种污染物都取得了比较理想的效果。

图1.1 表面流人工湿地

图1.2 水平潜流人工湿地

图1.3 垂直流人工湿地

1.3.3人工湿地除污机理

在污水流过人工湿地的过程中，基质的吸附、过滤，植物的吸收、转化、代谢和微生物的分解、利用、异化等过程一起作用，这些作用都影响着最后的净化效果[^[17]]。总的来说，污水流过人工湿地中时，大部分的悬浮物会被基质和植物的根系所阻挡，而人工湿地中的基质的表面与植物的根系会因为大量的微生物生长而形成生物膜，可溶性的有机物可以通过被生物膜吸收后而发生同化作用和异化作用被除去。具体的去除机理如下[^[18]]：漫流的水层以及砂砾层之间和基质或者植物体间的缝隙中的悬浮物通过沉降与过滤的物理方法除去；底泥、砂砾以及植物表面的磷酸盐、重金属可以通过吸附、离子交换、化学沉淀的沉积作用除去；而植物的根茎、砂土以及底泥中的有机质、氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐可以通过微生物的矿化作用和转化作用除去；同时微生物和植物会发生同化作用与通过摄取去除另一部分的有机质、氮、磷及重金属；还有在水表面的病原菌会通过太阳辐射去除，生活在水里的则会被动物掠食等。

引起水体的富营养化主要是因为氮、磷等污染物的浓度过高，所以氮、磷的去除是人工湿地除污机理的重点研究内容[^[19]][^[20]]：人工湿地主要是通过微生物的氨化作用、硝化作用和反硝化作用去除氮，氮在污水中主要的存在形态是氨氮和有机氮，氨氮的去除与人工湿地中的植物的供氧能力有很大的关系，它的机理是在好养的条件下，氨氮由自养型好氧微生物发生硝化作用将氨氮氧化成硝酸盐，再通过人工湿地的兼氧和厌氧区发生反硝化作用，在无氧并且有硝酸盐的存在的情况下，硝化菌利用硝酸盐中的氧进行呼吸，氧化分解有机物，将硝酸盐氮还原成气态的N2或N2O而从水中除去，而在细菌的作用下，污水中的有机氮容易被氧化分解为氨氮；不同类型的污水中，磷也有不同的存在形式，其中最为常见的形式有磷酸盐、有机酸磷和聚磷酸盐。磷可以通过微生物的同化作用与植物的吸收作用，以及聚磷菌对磷的积累、对人工湿地的基质定期的更换而将磷去除。目前，人们对人工湿地的去除机制仍需要全面深入了解，才可以构建出能够更稳定的去除氮、磷等污染物的人工湿地。

1.4人工湿地的应用与前景

1.4.1人工湿地技术国外的研究概况

世界上最早的人工湿地处理污水技术应用在20世纪80、90年代，当时在欧洲、美国、加拿大等地区，人工湿地掀起了一阵研究与应用的热潮。在1988年与1990年，各地的研究学者在美国与英国召开了人工湿地处理污水技术的国际研讨会，提出了一些人工湿地的机理以及一些可以参考的设计数据与规范，这就标志着，人工湿地已经成为了一种有自己的特色的污水处理的方法，人工湿地也作为一种比较特殊的处理污水的技术正式的进入了环境科学技术的领域[^[21]][^[22]]。统计数据表明，美国、德国、英国等发达国家都已经有了数百座的人工湿地在运行，新西兰也大约拥有了80多个人工湿地。国际上对人工湿地的研究也相当的活跃，也涉及到了各个领域，但许多的理论问题只是在深度上讨论了一些，在广度上还没有形成很强的综合性的成果。

1.4.2人工湿地处理污水技术的应用

同国内外的比较成熟的其他污水处理的技术相比，如：活性污泥法、SBR工艺、A2/O工艺、氧化沟工艺等，人工湿地处理污水具有效率高、运行费用低、适用面比较广、可以有效的脱氮除磷等等优点，而且人工湿地处理污水适合我国的国情。所以近年来，人工湿地技术得到了更广泛的应用。随着我国对与人工湿地技术的深入的研究，现在已经发展到了实际应用的阶段。并且在全国各地建成了多处处理不同规模的人工湿地处理工程。虽然我国用人工湿地处理污水的发展较晚，但也取得了一定的成就，在进水的浓度比较低的范围内，人工湿地对BOD5的去除率一般可以达到85%—90%，对COD的去除率一般可以达到80%以上，经人工湿地处理后的出水BOD5浓度在10mg/L左右，达到了三级回用水的标准，显然，人工湿地这种理想的处理效果以及它的许多优点使人工湿地处理污水技术在大多的污水处理技术中一枝独秀[^[23]]。

1.4.3人工湿地处理技术的问题与展望

经过这几十年的研究，人工湿地系统被证明是处理污水的一种成本低且有效的手段，也广泛应用于国内外，达到理想的效果，成为处理生活污水的主流之一。然而，从实际操作的角度来看，人工湿地在处理污水的时候还存在一些缺点。水力负荷普遍偏低，而且湿地经过多年的运行使用后会出现堵塞现象，使得系统污染负荷增加，缩短了使用寿命；在处理不同地区不同污水时，还需要结合其特性选出与其相符的水生植物；还有针对一些生态环境比较差的地区和大部分北方气候比较严峻的地区，需要深入的研究怎样利用人工湿地的特有功能来改善以及恢复已经恶化了的生态环境。

第二章 实验的设计与研究方法

2.1实验准备

2.1.1人工湿地的设计与构建

本实验选择研究复合垂直潜流式人工湿地与水平表面流人工湿地。原因是复合垂直潜流式人工湿地占地面积很小，而且硝化与反硝化的能力很强，并通过对比来研究这两种人工湿地的特点以及去除污染物的效果。

2.1.2植物的选择

本实验选择菖蒲作为人工湿地的植物。选择菖蒲主要是因为它们在生长季节的适应性较强，也耐寒，而且菖蒲的根茎粗壮，具有发达的根系。菖蒲净化水体的同时还可以美化环境，同时菖蒲有香气，可以避免难闻气味以及蚊虫的聚集。

2.1.3基质的选择

本实验采用河砂和沸石为人工湿地的基质，主要原因是它们是常见的基质，沸石对磷具有很好的吸附力和化学沉淀能力。虽然煤渣等基质对磷的吸附量很大，是净化磷很好的基质，但是它们的碱性比较大，不利于植物的生长；虽然土壤的比表面积大，吸附容量也大，除磷效果也很好，但是土壤渗透能力很差，容易导致人工湿地发生堵塞从而失效。

2.2实验的设计

2.2.1搭建人工湿地

根据实验需要，在大厂污水处理厂搭建一个人工湿地的实验模型，采用污水厂二级出水作为人工湿地进水。

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