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人工湿地是一种新型的污水处理工艺,它由基质和生长在基质上的植物、微生物组成,形成一个独特的基质-植物-微生物生态系统。本文的研究主要围绕人工湿地的主要构成要素基质和植物展开,主要研究了基质的除磷影响因素、基质吸附动力学、植物在生长过程中的生长特性、对氮、磷的积累特征以及垂直潜流人工湿地对富营养化水体的净化效果。通过实验得到以下结论:
Freundlich和Langmuir模型均能较好地拟合三种基质页岩、陶粒和砾石对磷的吸附特征,而且Freundlich模型的拟合效果更好;各基质对磷的理论饱和吸附量大小依次为页岩(527.992mg/kg)＞陶粒(328.165mg/kg)＞砾石(129.729mg/kg);随着基质粒径的增大,页岩最大磷吸附量逐渐变小:随着基质用量的增加,基质的除磷效率得到相应提高。
各基质对磷的吸附过程分为快、中、慢3个阶段,三种基质对磷的吸附速率依次为页岩＞陶粒＞砾石;准二级动力学方程、双常数方程和Elovich方程均能较好地描述人工湿地基质对磷的吸附动力学特征,但从相关系数来看,准二级动力学方程的描述更为准确;采用准二级动力学方程可以估算不同条件下基质对磷的平衡吸附量,误差均在10％以内。
采用单一基质页岩和页岩+陶粒组合基质进行室内无植物潜流人工湿地基质床水质净化实验,比较不同基质设置对化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、溶解性总磷(TDP)和溶解性正磷酸盐(SRP)去除效果的影响。结果表明在相同进水水质,水力负荷为480mm/d的运行条件下,以页岩为主基质层的基质床对COD、TN、NH4+-N、TP、TDP和SRP的去除效果均优于以页岩和陶粒组合为主基质层的基质床。总体来看,湿地基质对各污染物去除贡献较小。水力负荷和基质设置均影响湿地基质污染物去除效果,以基质选择为目的的批量吸附实验结果不能完全反映湿地基质的去污性能。污染物沿程变化的规律表明,COD、NH4+-N和TP的去除主要集中在下行池的0-90cm距离内,TN浓度则呈现沿程较均匀的下降趋势。
选择天津地区常见的四种挺水植物芦苇、香蒲、梭鱼草和黑三棱进行人工湿地植物筛选实验。从植物适应性和生存力来看,梭鱼草和芦苇明显优于香蒲和黑三棱;香蒲的生物量有显著增加,收割时的生物量约为栽种时的5倍;4种湿地植物的地上/地下部分的氮、磷含量和积累量有显著差异(P＜0.05),芦苇和黑三棱的氮、磷主要积累在地上部分(茎和叶),有利于通过收割植物去除;芦苇、香蒲和梭鱼草对COD、TN、NH4+-N和TP均具有较好的去除效果,适宜用作人工湿地去污植物。
选取植物组织中氮、磷含量较高的梭鱼草和香蒲进行植物生长特性和氮、磷吸收富集能力研究。梭鱼草和香蒲叶片中TN和TP的含量的季节变化为:5月植物刚栽种时TN和TP的含量最高,随后叶片中TN和TP的含量逐渐降低;8月香蒲和梭鱼草叶中TN、TP含量略有增加,进入9月以后叶片开始枯萎,营养元素出现回流现象;10月底收割时,香蒲和梭鱼草叶中TN、TP含量降到最低。两种植物的氮、磷主要积累在根部。香蒲、梭鱼草地上部分TN和TP吸收量占人工湿地TN和TP去除量的15.35%、68.01%和27.60%、57.14%。
选择芦苇、香蒲和黑三棱3种植物构建具有上行流和下行流单元的垂直潜流人工湿地系统。种植植物的垂直潜流人工湿地系统在实验期间对COD、TN和TP具有较好的处理效果,均显著高于无植物对照系统(P＜0.05)。综合比较3种植物垂直潜流人工湿地对富营养化水体中COD、TN和TP的去除情况:芦苇湿地对COD的去除率最高,香蒲湿地次之,黑三棱湿地对COD的去除效果最差;芦苇湿地对TN的去除效果优于香蒲和黑三棱湿地;芦苇、香蒲和黑三棱湿地对TP的去除效率无显著差异。对于同一植物系统而言,下行流单元中植物各组织中氮、磷的含量和积累量均高于上行流单元。