复合垂直流构建湿地的设计方法及净化效果_吴振斌

文章编号:1006-155X(2003)01-012-05复合垂直流构建湿地的设计方法及净化效果吴振斌1,詹德昊1,2,张晟1,成水平1,傅贵萍1,贺峰1(1.中国科学院水生生物研究所,湖北武汉430072;2.华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074)摘要:阐述了复合垂直流构建湿地的设计理论基础及方法,分析其投资与运行管理费用,测试该系统对受污染水体的净化效果.中试系统表明对受污染地面水体中的化学需氧量(CODCr),五日生化需氧量(BOD5)和总悬浮固体(TSS)的去除率分别为66.1%,76.7%和72.4%.结合实际介绍了一个应用本系统处理受污染地表水的实例,实际工程对COD和BOD5的去除率分别为82.6%和85.8%.复合垂直流构建湿地投资低、运行费用省、维护简单、出水水质好,是一种实用有效的水处理技术,对水体水质改善和水生态系恢复具有重要意义.关键词:污水处理;构建湿地;下行流-上行流;设计方法;处理效果中图分类号:X171.4文献标识码:A构建湿地污水处理系统于20世纪70年代初首先出现在德国[1].由于其基建投资低、运行费用少、出水水质好、维护管理简单等明显的优点[1～3],该技术被迅速推广到世界各地,在美国、澳大利亚、欧洲、日本及一些非洲国家均有应用[1～6].我国在“七五”期间开始构建湿地的研究,并且在深圳白泥坑、四川活水公园、北京昌平等地建设了一批构建湿地工程[1～8].然而,关于构建湿地的设计、建设与运行还缺少统一的规范,对诸如占地面积、设计水深、基质类型、预处理方法以及植物的种类等关键因素还缺少统一的认识[9].本文旨在阐述一种新型构建湿地复合垂直流构建湿地(IntegratedVerticalFlowConstructedWetland)的设计理论与设计方法,并以实例说明其净化效果.1IVCW的构造与工作原理根据美国环保局对150多个用于处理城市污水和工业废水的构建湿地的调查,大部分采用潜流式系统[9],其他国家也有类似结论.在这些潜流型构建湿地系统中,绝大部分是水平流构建湿地,垂直流构建湿地所占比例很小,然而垂直流系统对于有机物和氮具有更高的净化效果,只要设计与运行得当,垂直流构建湿地能获得很高的净化效率.因此1990年以后垂直流构建湿地发展极为迅速,并成为“最好的技术”.1.1复合垂直流构建湿地的基本构造复合垂直流构建湿地是在“九五”期间,中科院水生所与德国科隆大学、奥地利维也纳农业大学等共同承担的欧洲联盟国际合作项目(合同号ERBIC18CT960059)中提出的.该类型构建湿地由下行流和上行流两池组成,两池中间设有隔墙,底部连通.下行池和上行池中均填有不同粒径的砂和砾石作为基质,其中下行池基质层比上行池的基质层要高10～20cm.两池底部均设颗粒较大的砾石层连通.其基本构造如图1所示.复合垂直流构建湿地水流流态与常见构建湿地大不相同[10].污水首先经过配水管向下流行,穿越由砂和砾石组成的基质层,在底部的连通层汇集后,穿过隔墙进入上行池.在上行池中,污水由下向上依次经过砾石层、砂层后经收集管收集排出.污水在IVCW中的流动完全不需要动力,依靠两池中收稿日期:2002-08-15作者简介:吴振斌(1956-),男,湖北黄梅人,研究员,博导,主要从事环境生物学、净化与恢复生态学以及环境工程的研究.基金项目:国家杰出青年基金项目(39925007)及中国科学院知识创新工程重要方向项目(KSCX2-SW-102).第36卷第1期2003年2月武汉大学学报(工学版)EngineeringJournalofWuhanUniversityVol.36No.1Feb.2003图1复合垂直流构建湿地构造示意图的水位差推动水流前进.1.2复合垂直流构建湿地的净化机理复合垂直流构建湿地对污染物的去除是在一系列复杂的物理、化学和生物反应下共同完成的.其中起主要作用的是微生物、水生植物以及基质[5].构建湿地中微生物的活动以及酶的反应是废水中有机物降解的主要机制.IVCW中的微生物是极其丰富的,研究发现微生物的数目和种类与污水净化效果也有一定的关系.李科德等研究发现IVCW系统内根际微生物与污染物去除率之间有明显的相关性.污水中BOD和COD的去除率与微生物数目都有较明显的相关性;污水中NH+4-N的去除率与根区的硝化细菌和反硝化细菌数量的相关性极显著;而磷元素的去除率则与根际中的磷细菌数目呈正相关[11].梁威等报道了基质磷酸酶的活性与IVCW中的总磷(TP)、无机磷(IP)以及COD的去除显著相关,而脲酶的的活性与凯氏氮(KN)的去除率相关性极显著[12].水生植物在构建湿地污水净化中起着十分重要的作用.一方面水生植物自身能吸收一部分营养物质,同时它的根系为微生物的生存和降解营养物质提供了必要的场所