了得網工業技術_環境生態工程(朱端衛)

編輯推薦

《環境生態工程》是我國同類教材，教材根據我國環境生態工程的專業學生的培養要求，將生態工程學的基本原理和方法與環境污染治理有機結合，理論與實踐並重，教材中介紹的環境生態工程原理與方法與傳統的環境工程學、生態工程學等課程既區別又有內在聯繫，《環境生態工程》教材理順該課程的任務和性質及其與環境工程專業其他核心課程的關繫，從而強化對環境工程專業學生生態原理的教育，促進學生掌握環境生態工程的方法與技術以解決復雜的環境問題。具體來說：

（1）通過《環境生態工程》的編寫將生態環境保護、環境工程、環境管理等不同分支學科新技術、新概念進行融合和發展。

（2）《環境生態工程》的問世將率先在我國高校環境工程專業本科教學中確立環境生態工程課程的理論體繫和技術支撐體繫。

（3）學生通過“環境生態工程”課程的學習，可以掌握環境生態工程的基本原理、模型和設計，了解國內外環境工程、生態工程的新動態和發展趨勢，並通過環境生態工程初步設計和方案研究，提高環境工程本科教學質量。

內容簡介

本書本著生態與環境持續、和諧發展的理念，在確保繫統範圍內生態平衡的基礎上，整合環境工程技術以綜合解決與生態失衡息息相關的非單純環境問題。全書突出了生物與工程技術相輔相成的特色，貫穿理論性、實踐性和可操作性並舉的授漁導向。本書共分9章，分別為概論、環境生態工程基本原理及設計基礎、濕地環境生態工程、水環境生態工程、流域環境生態工程、固體廢物的環境生態工程、生物質處理及利用工程、大氣環境生態工程和環境生態工程綜合設計與實驗。本書可供高等院校環境生態工程專業、環境工程專業、環境科學專業及相關專業本科教學使用，也可供相關工程領域的研究人員、技術人員和管理人員參閱。

作者簡介

朱端衛，華中農業大學資源與環境學院，教授。先後參加和主持5項國家自然科學基金課題、1項國家科技支撐計劃，2項國家水專項；1項水利部創新基金課題、參加2項湖北省重點科技攻關項目。分獲湖北省人民政府科技進步一、三等獎各1項，湖北省重大科技成果1項；獲授權國家發明專利7項；參編專著和教材8部。曾經編寫過哪些教材（教材名稱、出版時間、字數、出版社、獲獎情況等）

第1章概論1

1.1環境生態工程的產生背景及其相關理念1

1.2環境生態工程的學科任務2

1.2.1環境生態工程的定義2

1.2.2環境生態工程的課程任務3

1.3環境生態工程的研究進展4

1.3.1國內外環境生態工程概述4

第1章概論1

1.1環境生態工程的產生背景及其相關理念1

1.2環境生態工程的學科任務2

1.2.1環境生態工程的定義2

1.2.2環境生態工程的課程任務3

1.3環境生態工程的研究進展4

1.3.1國內外環境生態工程概述4

1.3.2環境生態工程在我國的發展前景5

思考題6

參考文獻6

第2章環境生態工程基本原理及設計基礎7

2.1環境生態工程的核心原理7

2.1.1整體性原理7

2.1.2協調與平衡原理9

2.1.3自生原理11

2.1.4循環再生原理13

2.2環境生態工程的生態學原理14

2.2.1層次性原理14

2.2.2生物多樣性原理15

2.2.3限制因子原理16

2.2.4邊緣效應原理16

2.2.5景觀生態原理17

2.3環境生態工程的工程學原理17

2.3.1太陽能充分利用原理18

2.3.2水資源循環利用原理18

2.3.3綠色工藝原理18

2.3.4生物有效配置原理19

2.4環境生態工程的經濟學原理19

2.4.1生態經濟平衡原理19

2.4.2生態經濟價值原理19

2.4.3生態經濟效益原理20

2.5環境生態工程設計基礎21

2.5.1環境生態工程設計原則21

2.5.2環境生態工程設計路線24

2.5.3設計技術路線26

思考題28

參考文獻28

第3章濕地環境生態工程29

3.1濕地環境29

3.1.1濕地概念與類型29

3.1.2濕地生態繫統功能30

3.2人工濕地對污染物處理的強化功能34

3.2.1懸浮物的去除機理35

3.2.2有機物的去除機理36

3.2.3氮的去除機理37

3.2.4磷的去除機理37

3.2.5重金屬離子的去除機理38

3.2.6病原微生物的去除機理39

3.3人工濕地的設計與施工39

3.3.1基本概念39

3.3.2人工濕地的工藝組合、設計程序及其參數40

3.3.3面積設計44

3.3.4填料與防滲設計46

3.3.5集配水與通氣的設計47

3.3.6濕地植物的選擇48

3.3.7施工50

3.4人工濕地運行與管理50

3.4.1運行調試50

3.4.2特殊控制51

3.4.3繫統監測51

3.4.4故障處理52

3.4.5鼕季管理54

3.5人工濕地生態工程實例54

3.5.1國外人工濕地污水處理技術應用54

3.5.2人工濕地在國內的發展和應用55

3.5.3水平潛流人工濕地工程案例55

3.5.4垂直潛流人工濕地工程案例57

3.5.5復合垂直潛流人工濕地工程案例57

思考題58

參考文獻59

第4章水環境生態工程61

4.1水環境類型及污染特征61

4.1.1河流及其污染61

4.1.2湖泊及其污染62

4.1.3地下水及其污染62

4.2河流生態工程63

4.2.1生態河道構建63

4.2.2生態河道護岸66

4.2.3河流水體修復技術68

4.3湖泊生態工程69

4.3.1底泥疏浚與治理69

4.3.2湖濱帶修復69

4.3.3污染湖泊水體治理技術71

4.4地下水修復工程72

4.4.1硝酸鹽反硝化脫氮原理73

4.4.2脫氮牆的結構設計73

4.4.3反應介質的選擇74

4.4.4影響硝酸鹽去除效果的主要因素75

4.5脫氮溝案例76

4.5.1脫氮溝設計76

4.5.2土壤填料特性76

4.5.3脫氮溝對硝酸鹽的去除率分析77

思考題79

參考文獻79

第5章流域環境生態工程81

5.1流域及其環境問題81

5.1.1流域的功能81

5.1.2流域的特點82

5.1.3流域環境問題83

5.2流域環境生態工程設計84

5.2.1流域環境生態工程設計的關鍵要素84

5.2.2計算機支持下的協同設計85

5.3流域環境生態工程的技術91

5.3.1生態基流保障技術92

5.3.2閘門調控技術95

5.3.3聯合調度技術99

思考題102

參考文獻103

第6章固體廢物的環境生態工程104

6.1概述104

6.1.1固體廢物的來源與分類105

6.1.2固體廢物的特征106

6.1.3固體廢物的污染與處理方法106

6.2好氧堆肥108

6.2.1好氧堆肥的基本原理108

6.2.2堆肥工藝過程及影響因素109

6.2.3堆肥的方法112

6.3厭氧消化114

6.3.1厭氧消化的基本原理116

6.3.2厭氧消化運行的影響因素119

6.3.3厭氧消化工藝分類124

6.3.4厭氧消化繫統128

6.3.5沼氣工程的工藝設計132

6.3.6厭氧消化技術140

思考題142

參考文獻143

第7章生物質處理及利用工程144

7.1生物質處理及利用概述144

7.1.1生物質的定義、特點和分類144

7.1.2生物質的化學組成144

7.1.3生物質處理及利用的內涵和特點147

7.2生物質的化學處理及生物化學處理147

7.2.1化學脫膠技術147

7.2.2生物脫膠技術148

7.3生物質吸附劑應用149

7.3.1生物質吸附劑分類150

7.3.2纖維素的化學改性150

7.4生物質能源化應用155

7.4.1生物質能的定義及特點155

7.4.2生物質能源化利用的途徑155

7.4.3我國生物質能的發展概況169

思考題169

參考文獻170

第8章大氣環境生態工程171

8.1大氣污染概述171

8.1.1大氣組成171

8.1.2大氣污染172

8.1.3大氣污染物172

8.1.4大氣污染物對植物的危害175

8.2植物對大氣污染的抗性177

8.2.1抗性類型178

8.2.2抗性等級178

8.2.3影響抗性的因素179

8.3植物對大氣污染的淨化180

8.3.1大氣污染的植物修復過程與機理180

8.3.2植物的滯塵效應181

8.3.3植物對SO2的淨化181

8.3.4植物對氟的吸收182

8.3.5植物對NO2的淨化183

8.4城市熱島效應184

8.4.1城市熱島效應對植物的影響185

8.4.2植物對熱島效應的影響185

8.5防污綠化生態工程185

8.5.1防污綠化生態工程設計的基本原理與原則185

8.5.2防污植物的篩選186

8.5.3防污綠化生態工程的植物配置187

思考題187

參考文獻188

第9章環境生態工程綜合設計與實驗190

實驗1小型人工濕地繫統設計190

一、設計目的190

二、設計任務190

三、設計要求190

四、思考題191

實驗2土地滲濾技術處理地表徑流191

一、實驗目的191

二、實驗原理191

三、實驗裝置191

四、實驗材料191

五、實驗步驟191

六、計算192

七、思考題192

實驗3脫氮床的構建及運行測試192

一、實驗目的192

二、實驗原理192

三、實驗設計192

四、結果分析194

五、數據處理195

六、思考題195

實驗4纖維素基黃原酸鈣鹽的制備及其對鎘離子的吸附195

一、實驗目的195

二、實驗原理196

三、試劑196

四、材料與儀器196

五、實驗步驟196

六、思考題197

實驗5園林植物葉片滯塵量的比較分析197

一、實驗目的197

二、實驗原理198

三、材料和試劑198

四、實驗步驟198

五、數據分析198

六、思考題199

實驗6浮水植物鳳眼蓮對污水的修復199

一、實驗目的199

二、實驗原理199

三、實驗步驟199

四、結果分析199

五、思考題199

前言

人類社會進入21世紀以來，環境與生態問題被提到前所未有的高度，這不僅是人們對當今人口激增、工業高度發展、肥料和農藥過度使用、農產品加工、資源過度消耗等環節於人類生存環境不利的一種擔憂，同時也是人們將日新月異的科學技術加快應用於環境污染治理的一種堅定表現。於是乎，通過研究與實踐，部分科研工作者在防治環境污染和提高環境質量過程中將注視的目光由工業點源污染防控轉向廣大城鄉、江河湖庫面源污染治理的廣闊空間，更加注重利用自然力量來修復各種環境污染，以確保人類社會沿著環境優化、生態和諧的方向持續發展。實際上，在20世紀下半葉人們逐漸從對環境監測和環境影響評估的描述性工作中走了出來，在控制論、繫統論的前提下，應用基礎工程學、物理學及化學等學科研究的進展為環境工程提供了基本概念和原理；面對環境變化對生態繫統的負面影響，同樣利用控制論、繫統論等理論對基礎生態學和應用生態學進行了拓展，形成了生態工程。時至今日，環境污染物的散布已在大尺度空間上深刻影響著生態繫統平衡和安全；另一方面，人們加強了對生物在群體上與污染物的轉化、消失的關繫的認識，從而利用生物多樣性及生物措施來減少污染物在環境中的傳遞，這一工作綜合了環境工程和生態工程的作用，形成了環境生態工程基本理論和方法。部分高等院校開設環境工程專業的時鐘隨著21世紀的到來纔被敲響。此時，環境工程的理論和方法都已成熟，而這一專業培養的學生在實踐中將更多遇到大尺度空間上環境問題的挑戰。他們在面對農村環境問題和農業面源污染時要有所作為，發揮生物學特色的優勢來解決實際問題，創新解決問題的方式與方法。我們編寫《環境生態工程》（Eco-Environmental Engineering）教材，希望通過本課程的學習，環境生態工程、環境工程等專業的學生能夠掌握本書介紹的方法和原理，在此基礎上通過閱讀案例和進行相關實驗，能更好地理解環境生態工程的作用，為將來解決廣大城鄉、江河湖庫面源污染問題打下堅實的基礎。本書第1章及第9章實驗3由朱端衛編寫；第2章2.1~2.4節、第5章由萬小瓊編寫；第3章由華玉妹、崔理華編寫；第9章實驗1由華玉妹編寫；第2章2.5節、第4章4.1~4.3節及第9章實驗5由趙建偉編寫；第4章4.4、4.5節由蔡建波編寫；第6章及第9章實驗2由王硯編寫；第7章及第9章實驗4由周文兵編寫；第8章由向榮彪、楊鈣仁編寫；第9章實驗6由向榮彪編寫。全書由朱端衛彙總、修定，蔡建波對部分圖表進行了重新編輯，劉廣龍提供了部分資料，石巍方對第9章實驗3的部分概念進行了完善，北京師範大學的劉靜玲教授對第5章進行了審定，東北師範大學的盛連喜教授對全書進行了審定，在此一並致謝。由於我們水平有限，而本書內容涉及的領域廣泛且又是一門交叉的新興學科，其中有些論點並非完全成熟、方法並非完善、內容取舍並非完全恰當，編寫過程難免有疏漏之處，敬請本書讀者批評指正。朱端衛2017年4月

在線試讀

4.2.2 有機物的去除機理污水中不溶性有機物的存在形態為懸浮態和膠體態，這些有機物通過人工濕地時被截留下來，並附著在填料上形成生物膜表面，在細菌胞外酶的作用下水解成小分子或可溶性有機物(DOM)，從而滲透進入其細胞內，被微生物所利用。污水中的可溶性有機物(DOM)可直接滲入細菌細胞內。由於根繫區附近屬於好氧區域，所以在好氧條件和胞內酶的作用下，有機物作為電子供體，氧作為電子受體和受氫體，使一部分有機物經過微生物的異化作用迅速降解為CO2、H2O、NH3等，並放出能量，供其他生物體合成、增殖；其餘大部分有機物通過同化作用，合成新的原生質，使微生物本身增殖。在遠離根繫的缺氧區域，有機物的去除是通過微生物的吸附和脫附這一動態過程完成的。吸附是指生物膜對有機物的吸著，脫附則依賴微生物的代謝過程。由於缺氧區生存條件惡劣，迫使缺氧區的微生物發生變異，在細菌突變中，約有1/10是能夠存活的正突變，其餘均是致死突變。突變可使微生物適應新環境，為難降解有機物的分解提供了生物學途徑。在離根繫區更遠的厭氧區域，發生的是厭氧降解過程，兼性細菌和厭氧細菌降解有機物，使部分有機物經過一級代謝和二級代謝分解為CH4、CO2、H2S等，為微生物增殖提供能量，部分有機物則合成為新的原生質，使微生物增殖。總之，濕地去除有機物的過程，實際上是通過對濕地床填料的定期更換移走繫統中的增殖微生物以及通過對濕地植物的收割將新生有機體從繫統中去除的方式得以實現。人工濕地對有機物有較強的處理能力，這是濕地的顯著特點之一。有資料表明，有機物的去除是由於濕地植物的吸收利用、土壤吸附及濕地內填料上微生物膜聯合作用的結果。污水中的有機物分為不溶性有機物顆粒和可溶性有機物兩部分。不溶性有機物在濕地繫統中通過靜置、沉澱、過濾，可以很快從廢水中截流下來，被微生物加以利用，其原理與前面的懸浮物中相似。可溶性有機物的去除速度較慢，它在好氧、缺氧和厭氧區的去除途徑各不相同。土壤中的氧氣主要是通過植物的傳輸獲得，在根繫區附近屬於好氧區域內，大部分有機物通過同化作用，合成為新的原生質，表現為微生物的增殖；另有一部分有機物作為電子供體，通過胞內酶在好氧條件作用下迅速完成生化反應，經過微生物的異化作用，降解為CO2，H2O，NH3等，放出能量。在遠離根繫的缺氧區域，缺氧微生物通過生物膜對有機物的吸附及微生物的代謝把好氧條件下難降解的有機物降解，來滿足自身代謝的要求，使污、廢水中的難降解有機物降解去除。而在離根繫區更遠的厭氧區域，由於沒有溶解氧條件，發生的是厭氧消化過程，兼性細菌和厭氧細菌通過發酵作用降解有機物，使部分有機物經過一級代謝和二級代謝分解為CH4，CO2，H2S等，提供能量供微生物增殖用。所有增殖的微生物可以通過對填料的定期更換或者對濕地植物的收割而將新生有機體從濕地繫統中除去。因此，可以看出，微生物的作用是人工濕地廢水中有機污染物降解的主要機制。另外，有研究表明COD和BOD的去除與各種微生物數量都有明顯的相關性。有機物的去除不僅與微生物的作用密切關繫，植物的作用也是不可忽視的。植物主要通過三種途徑去除有機污染物：1) 植物直接吸收有機污染物植物通過根繫吸收水溶液中或基質孔隙中的有機物，而這些有機物的相當部分被植物轉化或保存在生物量裡。水蔥可降低BOD、COD，茨藻、黑藻可淨化有機物，席藻除烷烴率≥30%。2) 植物根繫釋放分泌物和酶美國佐治亞州Athens的EPA實驗室從淡水的沉積物中鋻定出五種酶:脫鹵酶、硝酸還原酶、過氧化物酶、漆酶和腈水解酶,這些酶均來自植物。研究表明植物根繫釋放的基質磷酸酶的活性與復合垂直流人工濕地對污水中COD的去除率有顯著的相關性，但有關人工濕地酶研究的工作報道還不多見。3)到植物和根際微生物的聯合作用這種作用形成小環境，這些微生態小環境具有典型的活性污泥或活性生物膜的功能，對有機物有很強的吸收、分解、富集能力。在植物的根、莖上好氧微生物占優勢，而在濕地植物的根繫區則既有好氧微生物也有兼性厭氧微生物。在植物生長期，不同的進水方式的有機物去除率均高於無植物濕地（楊崇豪和鄭志宏，2004），說明植物在人工濕地的淨化機制中具有重要作用。基質的過濾作用對污水的有機物去除，主要是在有機物濃度很低的情況下，其過濾效果較好，但在有機物濃度很高的情況下，這種過濾作用十分有限，對有機物的去除效果會顯著降低。人工濕地中有機污染物降解機理的影響因素除上面提到的生物因素(植物、微生物及酶)以外，還有化學因素(如溶解性有機質、氧化還原條件、溶解氧等)及工程因素(水流特性、填料空隙度、停留時間、水力負荷和水位等)等，這些因素之間存在復雜的藕合關繫。目前，工程方面的運行參數對濕地繫統處理效果的影響研究還不夠深入，各運行參數與污水淨化效果之間的耦合關繫認識尚不充分。4.2.3 氮的去除機理污水中有機氮被異養菌轉化為氨氮後。在自養硝化菌的作用下，轉化為亞硝態氮和硝態氮，在缺氧或厭氧條件下，亞硝態氮和硝態氮通過反硝化菌作用生成氮氣或氧化亞氮以及通過植物根繫的吸收作用從繫統中除去。污水中的無機氮，作為植物生長過程中不可缺少素，直接被濕地中的植物吸收，用於植物蛋白等有機氮的合成，後通過植物的收割而將其從污水和濕地中去除。由於濕地中的氧分布狀態是以根繫為中心，不同距離處形成好氧—缺氧—厭氧狀態，相當於在濕地中存在許多A2/O (Anaerobic-Anoxic-Oxic)處理反應器，從而使硝化和反硝化作用在濕地中同時發生，大大提高了脫氮能力。濕地繫統中氮轉化途徑主要包括氨化、同化、硝化和反硝化、植物吸收作用。有機氮在處理過程中首先被異養微生物轉化為NH4 -N , 而後在硝化菌的作用下被轉化為無機的NO2-N 和NO3-N，再通過反硝化，以及植物根繫的吸收作用終去除。人工濕地去除NH4 -N的機理：通過硝化反應先將其氧化成NO3-N，再通過反硝化反應將還原成N2 或者N2O而從水中逸出。硝化反應在好氧環境下由自養型好氧微生物完成，它包括3 步驟:第1 步由亞硝酸菌將NH4 -N轉化為NO2-N；第2 步則由硝酸菌將和NO2-N進一步氧化為NO3-N；第3 步由反硝化菌在無氧而有NO3-N 存在的條件下，利用NO3-N中的氧進行呼吸，氧化分解有機物，將NO3-N 還原為N2，N2O。4.2.4 磷的去除機理人工濕地對磷的去除是基質吸附與沉澱、植物吸收和微生物同化3條途徑共同作用的結果，而磷終從繫統中去除依賴於濕地植物的收割和飽和基質的更換。①無機磷也是植物必需素，廢水中無機磷可被植物吸收利用組成卵磷脂、核酸及ATP等，然後通過植物的收割而移去。②基質不僅對磷具有吸附作用，而且含Ca和Fe的基質可通過Ca、Fe與PO43- 反應而沉澱。大多情況下，磷的去除途徑主要是基質的沉澱和吸附作用。在沒有種植植物的表面流礦物土壤床濕地繫統中，可溶性活性磷的去除接近100%，可見可溶性活性磷的去除主要靠礦物土壤的作用。③微生物對磷的去除包括對磷的正常同化和對磷的過量積累。由於人工濕地繫統中植物光合作用光反應、暗反應交替進行，根毛輸氧也交替出現，以及繫統內部不同區域對氧消耗量存在差異，從而導致繫統中好氧和厭氧情況交替出現，使磷的過量釋放和過量積累得以順利完成。人工濕地除磷的主要原理是通過濕地中的填料、植物和微生物的協同作用來完成。利用人工濕地填料的固磷作用可以達到除磷目的。具有除磷功能的填料顆粒一般是一些多孔或比表面積大的固體物質，其固磷作用主要包括化學沉澱、吸附作用等。化學沉澱受溶度積控制，可分為鈣、鎂或鐵、鋁控制的兩種轉化繫統。可溶性磷酸鹽與這些金屬離子發生反應，形成可逆性和溶解性均很小的鈣、鎂或鐵、鋁磷酸鹽。吸附作用主要包括固體表面的物理吸附以及離子交換形式的化學吸附，由填料的表面性質決定，受填料的表面積和活性基團控制。一般認為磷酸根離子主要通過配位體交換而被吸附停留在填料和土壤的表面。以上反應的產物終吸附或沉降在填料內，從而使填料素的含量急劇升高，幾年之後即可達到進水濃度的10～10000倍以上。因此，當填料達到飽和之後，必須更換人工濕地的填料來保證人工濕地持續的除磷效果。常用於除磷的濕地填料有天然吸附材料及廢渣。許多天然無定形物質（如高嶺土、膨潤土和天然沸石等）及工業爐渣（如高爐爐渣和電廠灰）對水中磷酸根離子具有一定的吸附作用。這些材料的磷吸附容量與材料中Ca、Mg、A1和Fe素氧化物含量成正相關，所以金屬氧化物是對磷吸附的主要活性點。無定形非晶態物含量、pH值、材料的比表面積和孔隙率也對吸附容量起重要作用。天然吸附材料及廢渣以其價廉易得而被廣泛應用於污水的人工濕地繫統，但這些物質對磷的吸附容量不高。若對它們進行改性，利用對磷有很強吸附能力的材料與天然吸附材料或廢渣復合，這樣制成的人工填料可具有更大的吸附容量。填料中的聚磷菌在好養條件下可以過量吸收污水中的溶解性磷酸鹽，將其以聚磷的形式積聚在體內（好氧吸磷），然後通過定期更換濕地填料將其從繫統中除去。另外，聚磷在厭氧狀態下可被聚磷菌分解（厭氧釋磷），形成的無機磷可被植物吸收。無機磷是植物生長所必需的營養物質，而污水中的無機磷大部分以正磷酸鹽形式（植物對磷的直接吸收形式）存在，可以在濕地繫統中種植一些對磷吸收能力很強的植物來實現除磷目的。例如，風車草對磷的吸收性能就很高，在人工濕地中可加以應用。植物吸收水體和填料中的一部分磷，可將其同化成ATP（三磷酸腺苷）、DNA、RNA等有機成分，後通過對植物的收割從繫統中除去。4.2.5 重金屬離子的去除機理人工濕地與重金屬相互作用，並以不同方式有效的去除重金屬，其過程主要體現在：在基質、微生物和植物三者的協調作用下，利用物理、化學和生物方法，通過過濾、吸附、離子交換、微生物分解和植物吸收來實現對重金屬的處理。重金屬離子在人工濕地繫統中可以通過植物的富集和微生物的轉化來降低其毒性。植物通過根部可以直接吸收水溶性重金屬。重金屬在土壤中向植物根部的遷移途徑有兩種：一種是質流作用，即植物吸收水分時，重金屬隨土壤溶液向根繫流動到根部；另一種是擴散作用，即根表面吸收離子後，根繫周圍土壤溶液離子濃度降低，引起離子向根部擴散。到達植物根繫表面的重金屬離子被植物吸收、濃縮，其生理過程包括兩種方式：細胞壁質外空間對重金屬的吸收；重金屬透過細胞質膜進入植物細胞。有些微生物對重金屬具有很強的親和性，其不僅能富集許多重金屬，還能夠改變重金屬存在的氧化還原形態。如某些細菌對As(V)、Hg(II)和Se(IV)等形態的重金屬有還原作用，而另一些細菌對As(III)等形態的重金屬有氧化作用。金屬價態的變化必然導致其化合物穩定性的改變，當有毒金屬離子被富集貯存在微生物細胞的不同部位或被結合到胞外基質後，通過其代謝，這些離子可形成沉澱，或被輕度螯合在可溶或不溶性的生物多聚物上，終達到從污水中去除的目的。4.2.6 病原微生物的去除機理水體中的病原微生物主要來源於人畜糞便、生活污水，從種類上可劃分為細菌、病毒和原生動物三大類。病原微生物繁衍狀況與其周圍環境關繫密切。當環境適宜時，病原微生物能進行正常的新陳代謝而生長繁殖；若環境條件變化，病原微生物的代謝和其他性狀可發生變異；若環境條件改變劇烈，病原微生物生長可受到抑制或導致死亡。在人工濕地繫統中，病原微生物可因沉澱、紫外線照射、化學分解、自然死亡和浮遊生物的捕食等而被除去。影響基質吸附、過濾等去除病原微生物過程的主要因素包括基質的粒徑大小和表面性質等。基質粒徑越小，對病原微生物的去除效果越好。比表面積大的基質能提供更多的吸附點位，對病原微生物的吸附效果更好。基質和病原微生物之間的吸附受靜電引力和範德華力的作用。當基質表面電荷與病原微生物所帶電荷相反時，更利於基質對病原微生物的吸附去除。日光是有效的天然殺菌法，對大多數病原微生物均有殺滅作用，日光直射殺菌效果尤佳，其主要的作用因素為紫外線。4.3 人工濕地的設計與施工4.3.1 基本概念按照污水流動方式，分為表面流人工濕地（surface flow constructed wetland）、水平潛流人工濕地（horizontal subsurface flow constructed wetland）、垂直潛流人工濕地（vertical subsurface flow constructed wetland）和潮汐流人工濕地（tidal flow constructed wetland）。表面流人工濕地是指污水在基質層表面以上，從池體進水端水平流向出水端的人工濕地。典型的表面流人工濕地繫統是由水池或槽溝組成，並設有地下隔水層以防止污水的地下滲漏。污水在人工濕地的基質表層流動，水位較淺，一般為0.1~0.6 m。與後面介紹的潛流繫統相比，其優點在於投資省、操作簡便、運行費用低；缺點是負荷低，去污能力有限。氧主要來自於水體表面擴散、植物根繫的傳輸，後者十分有限。這種濕地繫統運行受自然氣候條件影響較大，夏季易滋生蚊蠅，並有臭味。圖4-1 表面流人工濕地示意圖水平潛流人工濕地（subsurface flow constructed wetland）繫統中，污水在濕地床表面下流動，一方面可以充分利用填料表面生長的生物膜、豐富的植物根繫及表層土和填料截留等作用，以提高處理效果和處理能力；另一方面，由於水流在地表下流動，故保溫性好，處理效果受氣溫影響小，衛生條件較好，是目前國際上研究和應用較多的一種濕地處理繫統，但這種繫統的投資要比表面流人工濕地繫統高。圖4-2 水平潛流人工濕地（a）和垂直潛流人工濕地（b）示意圖水平潛流人工濕地是指污水在基質層表面以下，從池體進水端水平流向出水端的人工濕地。與自由表面流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的水力負荷高，對BOD、COD、SS、重金屬等污染物的去除效果好，且很少有惡臭和滋生蚊蠅現像，但其脫氮除磷效果不及下述的垂直潛流人工濕地。垂直潛流人工濕地是指污水垂直通過池體中基質層的人工濕地。污水從濕地表面垂向流過填料床的底部或從底部垂直向上流進表面，床體處於不飽和狀態，氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地。垂直潛流人工濕地的硝化能力高於水平潛流人工濕地，用於處理含氨氮(NH4 -N)濃度較高的污水更具優勢。潮汐流人工濕地繫統是由英國伯明翰大學提出的, 他們利用蘆葦床進行了該試驗。在這種濕地繫統中, 床體交替地被充滿水和排干。在向床內充水的過程中空氣被擠出, 床的基底材料逐漸被淹沒。當床體完全被水所飽和以後, 水就全部被排出。在排水過程中新鮮的空氣被帶入床內。伯明翰大學的研究成果表明當水被排出蘆葦床, 有機污染物留在基質內時是氧消耗量的時刻。因此, 在排水過程中進入的新鮮空氣可以看作是去除污染物的氧源。通過這種交替的進水和空氣運動, 氧的傳速速率和消耗量大大提高, 極大地提高了蘆葦床的處理效果。但是, 潮汐流濕地運行一段時間後, 床體可能會被大量的生物所堵塞, 限制了水和空氣在床體內的流動, 降低了處理效果。因此, 設計中考慮有備用床交替運行, 以便利用閑置期進行生物降解。圖4-3 潮汐流人工濕地示意圖4.3.2 人工濕地的工藝組合、設計程序及其參數（1）人工濕地的進水方式人工濕地進水方式的工藝組合有多種形式，其中常用的有推流式、回流式、階梯進水式和綜合式四種，如圖4-4所示。圖4-4 人工濕地的工藝組合回流式可稀釋進水的有機物和懸浮物濃度，增加水中的溶解氧，並減少處理出水中可能出現的臭味問題。出水回流還可促進床內的硝化和反硝化脫氮作用，采用低揚程水泵，通過水力噴射或跌水等方式進行充氧。階梯進水式可避免處理床前部堵塞，使植物長勢均勻，有利於床體後部的硝化脫氮作用；綜合式則一方面設置了出水回流，另一方面又將進水分布至填料床的中部，以減輕填料床前端的負荷。（2）人工濕地的工藝組合人工濕地的工藝組合包括多種類型，它們可以是兩個相同或者不同的單級繫統組成，甚至是三個單級繫統組成的，但大部分仍是以兩級繫統為主。主要包括如下幾種類型：水平流垂直流復合繫統、垂直流水平流復合繫統、垂直流與水平流一體化復合繫統、垂直流表面流復合繫統、復合垂直流（下行流上行流）繫統、兩級逆向垂直流（上行流下行流）繫統、復合垂直下行流繫統、復合垂直上行流繫統、復合水平潛流繫統和復合潮汐流繫統等十幾種復合繫統。（3）人工濕地的設計程序人工濕地的應用首先通過分析污水特征、區域環境、出水水質要求，選擇人工濕地的類型後進行相關設計。由於人工濕地的運行狀況與其所在地區密切相關，因此在設計人工濕地時要對所在區域的土地利用情況、氣溫、降水、地質、水文和動植物生態因素等方面進行分析，這對於保證人工濕地良好運行是非常重要的前期工作。人工濕地的設計應主要包括面積設計、集配水繫統設計、填料的選擇設計、植物種的選擇、防滲設計、通氣設計、一級處理繫統設計。床體的面積設計是指通過水力負荷、有機污染負荷等參數確定床體的表面積、截面積等。集配水繫統設計包括出水構築物設計和集配水管道設計。人工濕地的設計程序如圖4-5所示。圖4-5 人工濕地的設計程序采用人工濕地進行生活污水的生物處理時，一級處理繫統的設計應保證出水中的懸浮物含量不大於100 mg/L，並需考慮：（1）去除懸浮物、漂浮物以及降解有機物的能力；（2）水量平衡能力；（3）污泥處理和容納能力。應視具體情況選擇合適的一級處理工藝，通常有如下工藝：多格污水沉澱池、沉澱塘、埃姆協沉澱池(Emscher沉澱池)、粗濾床。其特點對比見表4-4。表4-4 幾種一級處理工藝的對比多格污水沉澱池沉澱塘埃姆協沉澱池粗濾床應用分流繫統合流/分流繫統分流繫統合流/分流繫統污泥處理無消化區消化區土壤化緩衝能力中高小小淨化能力中中中高運行穩定性中中中高維護費用少中小小（4）人工濕地運行涉及的重要參數1）水力停留時間（hydraulic retention time）。其是指污水在人工濕地內的平均駐留時間。潛流人工濕地的水力停留時間的計算：（4-1）式中：t—水力停留時間，d；V—人工濕地基質在自然狀態下的體積，包括基質實體及其開口、閉口孔隙，m3；ε—孔隙率，%；Q—人工濕地設計水量，m3/d。2）表面有機負荷（organic surface loading）。其是指每平方米人工濕地在單位時間去除的五日生化需氧量。計算：（4-2）式中：qos—表面有機負荷，kg/（m2·d）；Q —人工濕地設計水量，m3/d；C0—人工濕地進水 BOD5濃度，mg/L；C1—人工濕地出水 BOD5 濃度，mg/L；A—人工濕地面積，m2。3）表面水力負荷（hydraulic surface loading）。其是指每平方米人工濕地在單位時間所能接納的污水量。計算：（4-3）式中：qhs—表面水力負荷，m3/（m2·d）Q—人工濕地設計水量，m3/d；A—人工濕地面積，m2。4）水力坡度（hydraulic slope）。水力坡度是指污水在人工濕地內沿水流方向單位滲流路程長度上的水位下降值。計算：（4-4）式中：i—水力坡度，%；ΔH —污水在人工濕地內滲流路程長度上的水位下降值，m；L—污水在人工濕地內滲流路程的水平距離，m。

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