植物对潜流人工湿地净化微污染水效果的影响研究

以4种湿地植物为实验对象,在野外构建中试潜流人工湿地,研究了不同植物及植物连根收割对湿地运行效果的影响。结果显示,植物明显提升了湿地的去污效果;其中美人蕉湿地的TP和NH4+-N去除率最高,达到55.6%和78%;空心菜湿地的TN去除率最高,达到80.5%;芦竹湿地的COD去除率最高,为26.6%;植物连根收割后,湿地运行效果下降;其中TN去除率降至空白水平之下,而其他污染指标下降至略高于空白的水平。     

垂直流人工花卉湿地模拟系统净化污水的效果

通过在垂直流模拟人工土柱上种植不同的花卉植物，研究了垂直流花卉人工湿地对污水COD、BOD5、TN和TP的净化效果的影响。结果表明，所选用的5种陆生花卉，甚至鲜切花卉对化粪池污水有比较好的净化效果，它们对BOD5的去除率可达到92．04％以上，对TP的去除率甚至可达到97．77％以上。而且种植花卉植物的人工湿地出水水质要好于不种植物的对照湿地系统。     

垂直流人工花卉湿地模拟系统净化污水的效果

通过在垂直流模拟人工土柱上种植不同的花卉植物,研究了垂直流花卉人工湿地对污水COD、BOD5、TN和TP的净化效果的影响.结果表明,所选用的5种陆生花卉,甚至鲜切花卉对化粪池污水有比较好的净化效果,它们对BOD5的去除率可达到92.04%以上,对TP的去除率甚至可达到97.77%以上.而且种植花卉植物的人工湿地出水水质要好于不种植物的对照湿地系统.     

4种湿地植物对人工湿地净化生活污水的影响比较

不同类型人工湿地对生活污水的处理效果,受到许多因素的影响,其中不同植物类型的选择,可能会造成人工湿地对主要污染物COD、TN和TP的净化效果发生很大差异。研究了4种湿地植物（菖蒲、香蒲、千屈菜和水葱）在水平潜流、垂直上行流和下行流人工湿地中对人工合成的生活污水的处理效果和主要污染物（COD、TN和TP）去除率的季节变化,通过比较不同植物类型在不同湿地类型中对主要污染物的去除效果分析了可以达到最佳污水净化效果的启动条件。结果表明：香蒲在垂直下行流湿地去除有机污染物效果最好,去除率可达85.55%;水葱在垂直上行流湿地去除TN效果最好,去除率可达57.52%,香蒲在垂直上行流湿地去除TP效果最好,去除率可达84.28%。     

种植不同植物的表面流人工湿地净化效果和微生物群落差异分析

为了解植物种类对表面流人工湿地的净化效果的影响及其与微生物群落的关系,研究了4种植物条件下表面流人工湿地的氮磷平衡以及微生物群落结构。结果表明,各组人工湿地对氨氮(45.53%~80.95%)、总氮(53.67%~80.30%)和总磷(32.97%~55.77%)都有较好的处理效果,种植植物的人工湿地比未种植的人工湿地具有更高的氨氮、总氮和总磷去除效果,其中黄菖蒲组对氮的去除效果最好,美人蕉组对磷的去除效果最好。在表面流人工湿地中,微生物作用(34.84%~45.44%)是人工湿地氮去除的主要途径,基质吸附(20.90%~23.91%)是人工湿地磷去除的主要途径,但是种植植物的人工湿地的氮磷通过微生物去除的量更高。高通量测序分析表明,相较于未种植植物的人工湿地,种植植物的人工湿地显示出更高的微生物丰富度、多样性和更高的脱氮除磷功能微生物的丰度。假单胞菌属、不动杆菌属、芽孢杆菌属和硝化螺菌属是人工湿地中主要的脱氮菌属,也是种植植物的人工湿地高生物脱氮的原因。假单胞菌属和不动杆菌属丰度增加是种植植物的人工湿地高生物除磷的原因。     

垂直流人工湿地系统对污水磷的净化效果

用煤灰渣人工土壤和风车草组成的垂直流人工湿地系统对化粪池出水中总磷和无机磷的去除率分别达到75％－92％和73％－92％，其处理出水中总磷和无机磷浓度大部分低于1mg/L，达到了城市污水二级生化处理的二级排放标准。垂直流煤灰渣人工湿地系统对磷的去除作用主要有：物理作用、化学吸附与沉淀作用和微生物同化作用以及植物摄取等作用，其对化粪池出水中总磷的去除率分别为22．8％、50％－65％和1％－3％。     

植物碳源添加对人工湿地水质净化效果和温室气体排放的影响

人工湿地在处理低C/N污水时存在碳源缺乏而严重限制反硝化进行的问题。为了补充反硝化需要的碳源,选择稀碱加热后的玉米芯(下称玉米芯(预))和普通玉米芯作为外加碳源引入湿地系统,开展了两个阶段的实验,分别为植物碳源预处理和不同碳源投加量(C/N=6、5、4)对人工湿地水质净化效果和温室气体排放的影响。第1阶段实验结果表明,人工湿地投加植物碳源后,会降低COD和NH₄⁺-N的去除率,投加了玉米芯(预)和玉米芯的人工湿地出水COD值分别在19.25~25.97 mg·L⁻¹和22.22~23.56 mg·L⁻¹,COD平均去除率分别在82.61%~87.12%和84.22%~85.13%,NH₄⁺-N的平均去除率分别在82.44%~92.53%和78.27%~92.86%,而对照组NH₄⁺-N的平均去除率均在90%以上。投加碳源后,系统对NO₃⁻-N的平均去除率都在99%以上。植物碳源的添加并没有显著增加CH₄的排放通量,但会明显增加N₂O的排放通量(P<0.05)。第2阶段实验结果表明,随着C/N的增加,出水COD值也逐渐增加,C/N=6、5、4的COD平均去除率分别为86.38%、88.76%和92.38%;C/N=6、5、4的出水NH₄⁺-N质量浓度都极低,去除率均达99%以上,出水TN主要以NO₃⁻-N为主,C/N=6、5、4下的NO₃⁻-N平均去除率分别为62.75%、58.41%和47.70%;人工湿地N₂O的排放通量随着C/N的增加而增加,而CH₄的排放通量相比第1阶段均有所降低,C/N=6、5、4的人工湿地表现为CH₄的弱源。以上研究结果表明植物碳源的添加提高了系统对氮素的去除,随着C/N的增加,系统对氮素的去除效率也在增加;但植物碳源的添加增加了温室气体N₂O的排放,且N₂O是综合GWP的主要贡献源,贡献率占90%以上。     

潮汐流-垂直潜流人工湿地对城市径流污染物净化效果

人工湿地(CW)在城市径流污染源头控制中发挥重要的作用。采用潮汐流(TFCW)-垂直潜流(VFCW)串联的复合人工湿地工艺(TF-VFCW),以砾石为填料构建人工湿地模型,探究TF-VFCW长期运行下COD_cr、NH₄⁺-N、NO₃⁻-N、TN和Cu²⁺的去除效果以及微生物群落变化对污染物去除效果的影响。结果表明：在80 d的运行中,TF-VFCW对COD、NH₄⁺-N、TN的去除效率逐渐下降,平均去除率分别为62.92%、65.54%、80.83%;系统对NO₃⁻-N的去除率先保持稳定,随后在波动中略有下降,平均去除率为95.27%;对TP的去除效果相对较为稳定,平均去除率为87.64%;对Cu²⁺的去除率虽有较大波动但总体上呈现上升的趋势,平均去除率为40.22%。TFCW单元的去污能力明显优于VFCW单元。随着时间的推移,TFCW单元在门水平上的优势菌种由Proteobacteria(变形菌门)变为Firmicutes(厚壁菌门);在属水平上,TF-VFCW中主要除氮微生物为Thauera(索氏菌属)、Thiobacillus(硫杆菌属)、Hydrogenophaga(噬氢菌属)、Nitrosospira(亚硝化螺菌属),主要除磷微生物为Pseudomonas(假单胞菌属)、Dechloromonas(脱氯菌属)、Bacillus(芽孢杆菌)等。TFCW的除氮、除磷功能微生物的多样性要明显优于VFCW。温度对除氮、除磷功能微生物的多样性和群落结构影响较大,NH₄⁺-N、NO₃⁻-N、 TN的去除效果明显受到温度的影响,而磷的去除受温度影响较小,其主要通过基质吸附和植物吸收。     

污水碳源对复合垂直流-水平流人工湿地脱氮效果的影响

碳源是人工湿地反硝化作用重要的限制因子,提供足够的碳源能够有效地提高湿地系统的反硝化作用,从而提高人工湿地的脱氮效果。考察了以污水碳源作为复合垂直流-水平流人工湿地水平流进水碳源,对系统去氮能力的影响。实验结果显示,添加碳源能使复合人工湿地对TN和氨氮的去除率分别由23.19%、39.57%提高到34.17%和50.4%。当碳源污水（化粪池污水）/硝化处理水（垂直流出水）体积比为1：4（C/N=1.22：1）时,系统对氨氮和总氮具有最好的去除效果,且在不同季节具有较强的脱氮稳定性。不同季节加碳源复合系统对氨氮和总氮去除效果差异显著,在夏季去除效果最高可到达66.79%和60.95%。在加污水碳源条件下,增加停留时间对TN去除效果无明显影响,但可以显著提高氨氮去除率;有植物系统比无植物系统去除NH4+-N和TN的效果要好,且夏季提升效果最明显。由此可见,以污水碳源作为复合垂直流-水平流人工湿地系统中水平流部分的碳源,是强化人工湿地脱氮效果的有效手段,但是添加碳源比例、保温措施及植物种植是人工湿地重要的设计参数。     

多种类抗生素对垂直流人工湿地净化作用的影响机制

针对抗生素残留造成的水环境安全问题,以提升人工湿地的水质安全保障功能为目的,研究抗生素对人工湿地净化功能的影响机制。通过构建添加抗生素组上向垂直流人工湿地(CW-A)和对照组人工湿地(CW),研究多类别抗生素在人工湿地中的去除特点及其对人工湿地污染物去除效果、植物生长特性,微生物群落组成的影响作用。结果表明,人工湿地对环丙沙星(CIP)的去除率为96.03%,显著高于对磺胺甲恶唑(SMX) (76.70%)。CIP与SMX的加入对人工湿地的COD和TP去除效果没有显著影响(89.55%、86.53%和47.59%、50.39%,P > 0.05)。抗生素对湿地植物细胞产生了一定程度的破坏,导致CW-A中植物的生物量相对CW中植物减少了20.63%;高通量测序结果表明,抗生素降低人工湿地中脱氮功能菌属Chlorobaculum、Zoogloea、Pseudomonas和Acinetobacter的相对丰度,并显著影响了CW-A的TN去除效果,使其去除率(34.82%)显著低于CW(40.72%,P<0.05)。     

3种不同基质潜流湿地对磷的去除效果

基质是潜流式人工湿地污水处理系统的重要组成部分，直接影响到系统的处理效果。本文研究了由沸石、页岩陶粒和碎石3种不同基质构建的潜流式人工湿地对磷的去除效果。结果表明，在设计水力停留时间3d，连续进出水情况下，碎石单元对磷的去除效果最好，页岩陶粒单元次之，沸石单元效果最差，平均去除率分别为95％、60％和35％。在潜流式人工湿地污水处理系统运行初期观察到磷释放现象，沸石单元最为明显。进水磷浓度较低时，磷的去除率随浓度升高而升高，当正磷、总磷浓度分别升高到2．4—2．5和3．1～3．3mg／L时，正磷、总磷的去除率开始迅速下降。     

不同运行条件下潜流人工湿地的水力效率分析

水力停留时间是湿地系统处理效果和水力学优化设计考虑的重要因素。在实际工程应用中,可通过调节不同的运行条件使湿地得到最优化。鉴于水力效率可以综合分析水力停留时间及分布散度对湿地水力学性能的影响,通过不同进/出水口位置和进水流量下潜流人工湿地的脉冲示踪实验,获得其水力停留时间分布曲线,计算不同运行条件下的相对水力效率并进行对比分析。结果表明,进水口位置在上层(进水口①)和小进水流量(0.050 7 m3/h)的湿地系统因具有较长的平均水力停留时间和较小的分布散度,因此其水力效率最高;各进水口的潜流人工湿地出水口位置在上层(出水口①)的有效体积比和水力效率均最大,这可能与出水口所在的填料层孔隙率有关。     

Effect of physico-chemical pretreatment on the removal efficiency of horizontal subsurface-flow constructed wetlands

In this study, we tested the effect of a physico-chemical pretreatment on contaminant removal efficiency in two experimental horizontal subsurface-flow constructed wetlands (SSF CWs). One SSF CW was fed with settled urban wastewater, whereas the other with the same wastewater after it had undergone a physico-chemical pretreatment. The SSF CWs were operated with three different hydraulic retention times. During the experiments the effluent concentrations of COD, ammonia N and sulfate were very similar, and, therefore, the physico-chemical pretreatment did not improve the quality of the effluents. COD removal efficiency (as percentage or mass surface removal rate) was slightly greater in the SSF CW fed with pretreated wastewater. Ammonia N removal efficiency was, in general, similar in both SSF CWs and very high (80-90%). At the end of the experiments it was observed that in the SSF CW fed with settled wastewater the hydraulic conductivity decreased by a 20%.     

非均质多孔介质对水平潜流人工湿地水力效率的影响

对比以不同粒径(4～9、8～12、11～17mm)非均质多孔介质(玻璃珠)作为基质的水平潜流人工湿地(以有机玻璃板材模拟)的水力效率、水力停留时间等参数,并参照其流态变化进行分析。结果表明:(1)均以上端为进水口、下端为出水口,水流流经不同粒径玻璃珠的水平潜流人工湿地会产生不同的流态。(2)玻璃珠粒径小(4～9mm)的水平潜流人工湿地中,染料在其中运动并最终能够迁移到出水口的有效空间最大,空间利用率最大,则有效体积比最大,染料流经区域面积最大;转角处染料呈圆角流过,死区范围小。(3)当玻璃珠粒径为4～9mm时,水平潜流人工湿地具有最长的平均水力停留时间(0.437 8h)和最小的水流散度(标准方差为0.052 5),使得水平潜流人工湿地的有效体积比最高(0.495 7),水力效率也最高(0.469 6)。随着粒径的增大,平均水力停留时间缩短,水流散度增大,而有效体积比和水力效率均呈减小趋势。(4)合理的水力停留时间分布能够提高有效体积比,而有效体积比越高,即污水在水平潜流人工湿地中运动并最终能够迁移到出水口的有效空间越大,污染物与基质以及附着在基质上的微生物的接触越充分,从而提高污染物的去除率。     

不同基质复合垂直流人工湿地对富营养化景观水的净化效果

研究了两套不同基质复合垂直流人工湿地小试装置在不同季节对富营养化景观水的净化效果,分析了温度变化对污染物去除效果的影响,考察了微生物的硝化强度和反硝化强度以及基质理化性质对植物生长状况的影响,并探讨了氮、磷的去除途径.结果表明:不同基质复合垂直流人工湿地随季节变化对浊度、COD和磷的去除效果差异不明显;温度降低对脱氮效果影响显著,对磷的去除影响不大.沸石-页岩湿地硝化强度和反硝化强度优于砾石湿地.采用沸石作为基质可以提高系统对氮的去除效率,促进湿地植物的生长.对氮、磷去除途径的分析表明:微生物的硝化反硝化作用以及基质对磷的吸附沉淀作用是复合垂直流人工湿地去除氮、磷的主要途径;植物吸收分别占湿地TN、TP去除量的16%和35%左右,也是个重要途径.     

曝气条件对串联潜流人工湿地净污效果的影响

选取砾石、炉渣和沸石作为级配基质,构建由三级串联的潜流人工湿地模型,研究了针对三级串联的潜流人工湿地,不同曝气位置和曝气量对人工模拟污水净化效果的影响,并对两个影响因素进行二维方差分析,对曝气条件进行了优选。选取表层曝气、中层曝气、底层曝气3种曝气位置和气水体积比3∶1、6∶1、9∶1的3种曝气量。运行结果表明:曝气后,NH3-N和COD去除率上升,NH3-N去除率由7.80%最高提升到23.79%,COD去除率由5.42%最高提升至23.04%,但PO3-4-P去除率下降,由24.32%最低降至9.76%。优选的曝气位置是底层曝气,优选的气水体积比是6∶1,此时NH3-N、COD、PO3-4-P去除率分别是21.21%、23.04%、13.54%。曝气位置和曝气量的交互作用对NH3-N和COD去除率有显著影响,对PO3-4-P去除率影响不显著。     

Potential for CSO treatment with horizontal flow constructed wetlands: influence of hydraulic load,plant presence and loading frequency

This study aimed at analysing the performance of horizontal subsurface flow constructed wetlands (CWs) to treat combined sewer overflow (CSO). Four horizontal subsurface flow CWs, organized in two groups (A and B) each with a planted (Phragmites australis) and a non-planted bed, were loaded with simulated CSO, with group B receiving twice the hydraulic load of group A. Beds were monitored for pH, dissolved oxygen, conductivity, redox potential, chemical oxygen demand (COD), total suspended solids (TSS) and enterococci. Porosity variations were also estimated. Monitoring was conducted during spring and wintertime, with regular and irregular loading frequencies. Results showed an average treatment efficiency of 90–100 % for TSS, 60–90 % for COD and 2–6 log for enterococci. Removal rates were especially relevant in the first 24 h for COD and TSS. TSS and enterococci removal did not exhibit the influence of macrophytes or the applied hydraulic load while COD’s removal efficiency was lower in the higher load group and in planted beds.

     

复合垂直流与潜流人工湿地沿程脱氮除磷对比研究

针对复合垂直流和潜流人工湿地对COD、TP、NH_4~+-N、NO~3~--N和TN的沿程去除规律进行了对比研究.结果表明,夏季复合垂直流人工湿地的去除效果均好于潜流人工湿地.对于复合垂直流人工湿地,污染物的去除主要集中在下行流池,且在进水端0～20 cm对COD、TP、NH_4~+-N和TN都有快速降解的过程.对于潜流人工湿地,进水端0～40 cm主要是COD和TP的快速降解沉淀,之后硝化作用逐渐加强,潜流人工湿地沿程均会发生反硝化作用,TN浓度基本呈均匀下降趋势.     

潜流式湿地系统停留时间分布实验结果分析

鉴于水力停留时间对人工湿地系统处理效果和构建设计的重要性,通过示踪实验测定了潜流式湿地系统的停留时间分布,结合反应器理论,对实验测定的不同进水流量范围的停留时间响应结果,分别以多釜串联模型以及移位正态分布函数进行拟合,并进一步对系统的水力平均停留时间、系统的流动形态以及非理想性进行了分析和讨论,为湿地系统的水力学优化设计和实际运行提供理论基础和技术参数.     

Greenhouse gas production and efficiency of planted and artificially aerated constructed wetlands

Greenhouse gas (GHG) emissions by constructed wetlands (CWs) could mitigate the environmental benefits of nutrient removal in these man-made ecosystems. We studied the effect of 3 different macrophyte species and artificial aeration on the rates of nitrous oxide (N₂O), carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄) production in CW mesocosms over three seasons. CW emitted 2-10 times more GHG than natural wetlands. Overall, CH₄ was the most important GHG emitted in unplanted treatments. Oxygen availability through artificial aeration reduced CH₄ fluxes. Plant presence also decreased CH₄ fluxes but favoured CO₂ production. Nitrous oxide had a minor contribution to global warming potential (GWP < 15%). The introduction of oxygen through artificial aeration combined with plant presence, particularly Typha angustifolia, had the overall best performance among the treatments tested in this study, including lowest GWP, greatest nutrient removal, and best hydraulic properties.