1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 静态人工湿地对景观水体富营养化控制研究 所在学院 专业班级 环境工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 : 采用静态人工湿地净化嘉兴医学院内河流水体，研究了吊兰和笼草对水体中的氨氮、 COD、总磷的 去除效果，简单分析了各污染物的去除机理。结果表明，在有填料的情况下，栽种笼草装置的降解速率比吊兰高；随着时间的推移，污染物在静态人工湿地中的降解呈现一级反应动力学规律。 关键词 : 人工湿地； COD；氨氮；动力学；降解速率 II Abstract: Static artificial wetland purification
2、 jiaxing medical hospital river water, studied in the aquatic grass, cage bracketplant of ammonia nitrogen, COD, total phosphorus removal effect, simple analyzed each pollutant removal mechanism. The results showed that, in the circumstances, a packing planted grass degradation speed device the muzz
3、le than bracketplant high; With the passage of time, the pollutants in the static artificial wetland degradation present pseudo-first-order reaction kinetics rule. Keywords:Wetland; COD; ammonia; dynamics; degradation rate 目 录 1 绪论 . 1 1.1 前言 . 1 1.2 富营养化的概论 . 1 1.2.1 富营养化的定义 . 1 1.2.2 我国水体富营养化现状 .
4、1 1.2.3 富营养化的成因 . 2 1.2.4 富营养化的影响和危害 . 3 1.3 富营养化的控制技术 . 4 1.3.1 物理方法 . 4 1.3.2 化学方法 . 4 1.3.3 生态方法 . 4 2 实验部分 . 6 2.1 实验目的 . 6 2.2 实验方法 . 6 2.2.1 实验装置及实验条件 . 6 2.2.2 主要监测项目 . 7 2.2.3 试验步骤 . 7 3 结果与分析 . 8 3.1 试验氮浓度变化分析 . 8 3.2 试验中 COD 浓度变化分析 . 9 3.3 试验中磷浓度变化分析 . 10 3.4 人工湿地处理污水的动力学研究 . 10 3.4.1 氨氮降解
5、反应动力学模型 . 10 3.4.2 氨氮的降解速率常数（ k） . 12 3.4.3 COD 降解反应动力学模型 . 13 3.4.4 COD 的降解速率常数（ k） . 13 3.4.5 磷降解反应动力学模型 . 14 4 结论 . 15 参考文献 . 16 致 谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪论 1.1 前言 随着人类对环境资源开发利用活动日益增加，特别是进入本世纪以来，工农业生产大规模地迅速发展，工业化带来了 “城市化 ”现象，使得大量含有氮、磷营养物质的生活污水排入附近的湖泊，水库和河流，增加了这些水体的营养物质的负荷量，为了提高农作物产量，施用的化肥和牲畜粪便逐年增加，经雨
6、水冲刷和渗透，进入水体的营养物质不断增多，以上这些人为因素的影响 ，极大地减少了水体由贫营养向富营养过渡所需要的时间。国内外的现状调查结果表明，在全球范围内 30 40的湖泊和水库遭受不同程度富营养化影响。我国近年来湖泊富营养化呈发展趋势，从 20 世纪 80 年代后期的 41上升到 90 年代后期的 77，水库富营养化问题也较严重，处于富营养状态的水库个数和库容分别占所调查水库的 30 8和 11 2。总体而言，水体发生富营养化的程度和范围呈发展趋势，城市湖泊及邻近城镇的水库水体富营养化程度较高，湖泊和水库等相对静止的水体发生富营养化现象重于河流，但河流富营养化问题也不容轻视，富 营养化已成
7、为世界范围内水环境保护中的重大环境问题。 1.2 富营养化的概论 1.2.1 富营养化的定义 水体 富营养化 (eutrophication)是指在人类活动的影响下，生物所需的 氮 、 磷 等营养物 质大量进入湖泊、 河口 、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化， 鱼 类及其他生物大量死亡的现象。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，不过这种自然过程非常缓慢。而人为排放含营养物质的 工业废水 和 生活污水 所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现。水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成 水华 。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈
8、现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。 1.2.2 我国水体富营养化现状 近二十年来，我国 湖泊富营养化问题日益严重。从全国范围来看，城市湖泊目前都已处于重富营养或异常营养状态，绝大部分大中型湖泊均已具备发生富营养化的条件或处于富营养化状态。以太湖梅梁湾等为代表的重污染湖湾，其水污染的程度和范围仍呈加重的趋势；以洱海为代表的富营养化初期湖泊面临着水质恶化的加大压力；白洋淀等草型湖泊面临沼泽化威胁；以巢湖东端湖区等为代表的饮用水源地局部湖区已经殃及周边居民健康，并带来社会安定问题；鄱阳湖、洞庭湖等大型过水型湖泊水生生态面临严重的生态退化；受南水北调等大型水利工程影响的湖
9、区，2 其水动力学和水文学发生很大 变化，同时受到流域人类活动的影响，导致水量、水质和水生态系统的巨大变化。另外，城市湖泊，特别是大城市周边湖泊富营养化仍未摆脱逐年加重趋势。随着湖泊富营养化的加剧，水华暴发频繁发生，将成为制约我国社会和国民经济持续发展的重大环境问题。 当前我国水污染呈现全面、复杂和严重化的特点，致使我国饮用水水源地面临严重水污染威胁。湖泊是许多周边城市及农村地区居民的饮用水源，其水资源和水环境状况是周边城镇与农村居民生活进步和经济发展的命脉，是社会经济持续发展的重要基础。然而，据全国城市饮用水安全保障规划编制组的调查结果 ，湖泊型饮用水源地水质最差。根据 200 多个湖泊的调
10、查结果，其中 80 已经发生富营养化，藻类大量生长，影响饮用水水质，已成为多种疾病发生的重要诱发因素。近年来湖泊水华频发，对野生动物、家畜及人体健康产生严重影响，也给水域生态环境、旅游观光及水产养殖造成了严重危害。再加上近年来湖泊及其流域政府积极实施了城镇化、工业化的战略，大量农村剩余劳动力进入城镇，生活污染源使污染负荷迅速增加。如何保障湖泊流域人民喝上健康的水成为该区域十分迫切的问题。 1.2.3 富营养化的成因 在地表淡水系统中，磷酸盐通常是植物 生长的限制因素，而在海水系统中往往是氨氮和硝酸盐限制植物的生长以及总的生产量。导致富营养化的物质，往往是这些水系统中含量有限的营养物质，例如，在
11、正常的淡水系统中磷含量通常是有限的，因此增加磷酸盐会导致植物的过度生长，而在海水系统中磷是不缺的，而氮含量却是有限的，因而含氮 污染物 加入就会消除这一限制因素，从而出现植物的过度生长。生活污水和化肥、食品等工业的废水以及农田排水都含有大量的氮、磷及其他无机盐类。 天然水体接纳这些废水后，水中营养物质增多，促使自养型生物旺盛生长，特别是蓝藻和红藻的个体数量迅速增加，而其他藻类的种类则逐渐减少。水体中的藻类本来以硅藻和绿藻为主，蓝藻的大量出现是富营养化的征兆，随着富营养化的发展，最后变为以蓝藻为主。藻类繁殖迅速，生长周期短。藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不断消耗水中的溶解氧，或被厌氧
12、微生物分解，不断产生硫化氢等气体，从两个方面使水质恶化，造成鱼类和其他水生生物大量死亡。藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把大量的氮、磷等营养物质释放入水中，供新的一代藻类等 生物利用。因此，富营养化了的水体，即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态。 3 1.2.4 富营养化的影响和危害 1 使水味变得腥臭难闻 在富营养状态的水体中生长着很多藻类 ， 其中有一些藻类能够散发出腥味异臭。藻类散发出这种腥臭 ， 向湖泊四周的空气扩散 ， 直接影响、烦扰人们的正常生活 ， 给人以不舒适感觉 ， 同时 ， 这种腥臭味也使水味难闻 ， 大大降低了水质质量。 2 降低水体的透明度
13、在富营养水体中 ， 生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在湖水表面 ， 形成一层 “绿色浮渣 ”， 使水质变得浑浊 ， 透明度明显降低 ， 富营养严重的水质透明度仅有 0.12 米 ， 湖水感官性状大大下降。 3 影响水体的溶解氧 富营养湖泊的表层 ， 藻类可以获得充足的阳光 ， 从空气中获得足够的二氧化碳进行光合作用而放出氧气 ， 因此表层水体有充足的溶解氧。但是 ， 在富营养湖泊深层 ， 情况就不同 ， 首先是表层的密集藻类使阳光难以透射入湖泊深层 ， 而且阳光在穿射过程中被藻类吸收而衰减 ， 所以深层水体的光合作用明显受到限制而减弱 ， 使溶解氧来源减少。其次 ， 湖泊藻类
14、死亡后不断向湖 底沉积 ， 不断地腐烂分解 ， 也会消耗深层水体大量的溶解氧 ， 严重时可能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态 ， 使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态 ， 可以触发或者加速底泥积累的营养物质的释放 ， 造成水体营养物质的高负荷 ， 形成富营养水体的恶性循环。 4 向水体释放有毒物质 富营养对水质的另一个影响是某些藻类能够分泌、释放有毒性的物质 ， 有毒物质进入水体后 ， 若被牲畜饮入体内 ， 可引起牲畜肠胃道炎症 ， 人若饮用也会发生消化道炎症 ， 有害人体健康。 5 影响供水水质并增加制水成本 湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。富营养水体在作为供给水源时 ， 会给
15、制水厂带来一系列问题。首先是在夏日高温藻类增殖旺盛的季节 ， 过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍 ， 需要改善或增加过滤措施。其次 ， 富营养水体由于缺氧而产生硫化氢、甲烷和氨等有毒有害气体 ， 而且水藻产生的某些有毒的物质 ， 在制水过程中 ， 更增加了水处理的技术难度。既影响制水厂的出水率 ， 同时也加大了制水成本费用。 6 对水生生态的影响 4 在正常情况下 ， 湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态。但是 ， 一旦水体受到污染而呈现富营养状态时 ， 水体的这种正常的生态平衡就会被扰乱 ， 某些种类的生物明显减少 ， 而另外一些生物种类则显著增加。这种生物种类演替会导致水生生物的稳
16、定性和多样性降低 ， 破坏了湖泊生态平衡。 1.3 富营养化的控制技术 1.3.1 物理方法 包括挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀以及在底泥表面敷设塑料等。挖掘底泥，可减少以至消除潜在性内部污染源；深层曝气，可定期或不定期采取人为湖底深层曝气而补充氧，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常保持有氧状态，有利于抑制底泥磷释放。此外，在有条件的地方，用含磷和氮浓 度低的水注入湖泊，可起到稀释营养物质浓度的作用。 1.3.2 化学方法 这是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法，例如有许多种阳离子可以使磷有效地从水溶液中沉淀出来，其中最有价值的是价格比较便宜的铁、铝和钙，它们都能与磷酸盐生成
17、不溶性沉淀物而沉降下来。例如美国 华盛顿州 西部的长湖是一个富营养水体， 1980 年 10 月用向湖中投加铝盐的办法来沉淀湖中的磷酸盐。在投加铝盐后的第四年夏天，湖水中的磷浓度则由原来的65g/L降到 30g/L，湖泊水质有较明显的改善。在化学法中，还有一种方法是用杀藻剂杀死藻类。这种方法适合于水华盈湖的水体。杀藻剂将藻杀死后，水藻腐烂分解仍旧会释放出磷，因此，应该将被杀死的藻类及时捞出，或者再投加适当的化学药品，将藻类腐烂分解释放出的磷酸盐沉降。 1.3.3 生态方法 利用水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动以去除水体中氮、磷营养物质的方法。目前，有些国家开始试验用大型水生植物 污水处理
18、 系统净化富营养化的水体。大型水生植物包括 凤眼莲 、芦苇、狭叶香蒲、 加拿大 海罗地、多穗尾藻、丽藻、破铜钱等许多种类，可根据不同的气候条件和污染物的性质进行适宜的选栽。水生植物净化水体的特点是以大型水生植物为主体，植物和根区微生物共生，产生协同效应，净化污水。经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和 沉降作用除去氮、磷和悬浮颗粒，同时对重金属分子也有降解效果。水生植物一般生长快，收割后经处理可作为燃料、饲料，或经发酵产生沼气。这是目前国内外治理湖泊水体富营养化的重要措施。 人工湿地处理系统是污水土地处理的一种工艺，是介于土地处理和水生生物处理之间的自然5 污水处理系统。 在运行中污水缓慢流
19、过生长植物的地表，土壤支撑植物，植物光台作用产生氧气，向土壤和水中传输，污染物在水和土壤中净化， 因此兼有土地处理和永生生物净化的特点。 这种处理方法是基于生物圈内有机物、水和无机物营养素可以无限循环的原理，是一种耐用自然 条件进行人工调控的技术。 它能经济、高效地去除水中污染物。 例如成都市活水公园是展示人工湿地系统处理污水新工艺的以水为主体的环境科学公园。在此人工湿地系统中处理污水的主要工艺过程有：厌氧沉淀池、人工湿地塘、床系统、养鱼塘系统、戏水池以及连接各个工序的水流雕塑和自然水沟等五个部分。从厌氧沉淀池到戏水池可以清晰地看到污水在各工序逐渐变清的过程，可以充分体现 “死水 ”变成 “活
20、水 ”的过程。 活水公园人工湿地塘床系统对负荷水中的各种污染物质净化效果是明显的。即使在负荷枯水期气温和水温较低、多数人工栽培植物生长情况不旺的 条件下，都可有效地去除负荷水中的多种污染物，对这些污染物质去除率达 85%以上。最终出水水质达到了国家地面水环境质量标准GB3838-88III类水域水质标准，能够满足深度处理的需求。 成都市活水公园人工湿地塘床系统的建立是将人工湿地处理污水工艺与城市园林艺术相合的一次大胆而成功的尝试，也是在净化受污染的地表河流水体及充分利用和节约淡水资源方面迈出了一步，为人工湿地处理污水工艺的应用开拓了更广泛的领域。 表 1-1 活水公园人工湿地塘床系统对污染物的
21、去除率 %) 1 TP 18.67 54.73 89.33 97.40 序号 水质指标 厌氧池 塘 III 进水 鱼 I 戏水池 2 TN 19.77 53.84 89.27 94.35 3 NH3 83.97 39.72 89.55 95.12 4 BOD5 29.85 54.37 88.17 88.66 5 CODcr 35.42 76.28 85.26 89.07 6 2 实验部分 2.1 实验目的 人工湿地污水净化系统工艺需要种植大量的水生植物。水生生物群落在污水净化过程中起着重要的作用。然而水生植物也存在着不同地区生长优势不一样和不同季节不 同植物的生长情况不同的差别。因此，其净化效
22、果也将因地区和季节的不同而产生差异。本课题利用不同湿地植物进行景观水处理的静态试验研究，为嘉兴地区控制景观水污染中湿地植物的选用提供实验资料和设计依据。 自制静态人工湿地模型，并对其进行稳定化培养 .待稳定后，以校园景观水体为处理对象，研究不同植物对污染物（ COD、氨氮、磷）的去除效果，并建立模型，求得湿地对污染物去除的反应动力学方程。 2.2 实验方法 2.2.1 实验装置及实验条件 （ 1）实验装置 图 2-1 静态试验装置图 塑料瓶：容积 1.5L，平均直径 90mm，高 250mm 塑料桶：容积 6L, 豆石：粒径 0 30mm，上部 80mm 填粒径 0 4mm，下部 150mm 填 4 30mm 植物：选用嘉兴地区的吊兰和笼草 （ 2） 试验用水
