人工湿地废水处理中有机污染物降解及其机理研究

本项目目的在于深入研究湿地系统中的水流动力学特性及有机污染物降解机理，期望能够取得适合于三峡库区重庆段城镇生活污水人工湿地处理的实用工艺参数。通过采用现代分析化学技术，对进出口废水中有机污染物及其降解中间产物进行表征，综合评价不同水力学负荷及不同工艺参数对人工湿地中有机污染物及其降解中间产物处理效能的影响；结合水流动力学特性、处理系统中溶解氧及氧化还原电位随水位变化、进出水中电子受体（硫酸盐、硝酸盐及亚硝酸盐、溶解氧）及湿地系统甲烷生产量的监测研究，提出人工湿地处理过程中有机污染物及其降解中间产物的降解动力学模型及降解机理；这对进一步提高人工湿地的处理效能有着重要的指导意义，同时对相关科学如环境化学、环境（微）生物学、植物学、生态学等学科的发展有带动作用，具有显著的社会和经济效益。

近年来金属氧化物催化臭氧降解水中有机物受到了广泛关注，但反应环境复杂及缺乏有效检测手段导致其催化机理不清晰。为解决目前实验机理研究存疑的问题，本项目拟以密度泛函理论（DFT）方法为研究手段，以具有不同催化活性且催化机理存在争议的γ-Al2O3和γ-AlOOH为催化剂模型，以相对氧化铝表面具有不同吸附能力的水中典型难降解有机物草酸和苯酚为待降解有机分子，通过建立固-液界面模型，探讨水、臭氧和有机分子在界面竞争吸附关系，模拟羟基自由基生成及有机分子分解过程，揭示表面水合结构、固-液界面作用和表面羟基形态对反应机理的影响因素。利用从头算分子动力学模拟两种金属氧化物催化臭氧降解有机分子过程，将其结果与DFT机理互相印证，寻找可能存在的新反应途径。本研究将为实验寻找、设计新型高效催化剂、增加臭氧使用效率提供理论依据，也可为今后多相催化臭氧机理模拟提供合理的理论模型。

SS的去除主要靠物理沉淀、过滤作用，BOD的去除主要靠微生物吸附和代谢作用，代谢产物均为无害的稳定物质，因此可以使处理后水中残余的BOD浓度很低。污水中COD去除的原理与BOD基本相同。

N、P去除人工湿地主要利用生物脱氮及植物吸收方法。

作用机理：对污染物的去除与影响物理沉淀可沉淀固体在湿地中重力沉降去除、过滤，通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固体被阻截而去除；化学微生物代谢：利用悬浮的底泥和寄生于植物上的细菌的代谢作用将悬浮物、胶体、可溶性固体分解成无机物；通过生物硝化-反硝化作用去除氮；部分微量元素被微生物、植物利用氧化并经阻截或结合而被去除。自然死亡：细菌和病毒处于不适宜环境中会引起自然衰败及死亡，植物植物代谢利用植物对有机物的吸收而去除，植物根系分泌物对大肠杆菌和病原体有灭活作用植物吸收相当数量的氮和磷能被植物吸收而去除，多年生沼泽生植物，每年收割一次，可将氮、磷吸收、合成后分移出人工湿地系统。

1.湿地基质的过滤吸附作用

污水进入湿地系统，污水中的固体颗粒与基质颗粒之间会发生作用，水流中的固体颗粒直接碰到基质颗粒表面被拦截。水中颗粒迁移到基质颗粒表面时，在范德华力和静电力作用下以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被粘附与基质颗粒上，也可能因为存在絮凝颗粒的架桥作用而被吸附。 　此外，由于湿地床体长时间处于浸水状态，床体很多区域内基质形成土壤胶体，土壤胶体本身具有极大的吸附性能，也能够截留和吸附进水中的悬浮颗粒。 　物理过滤和吸附作用是湿地系统对污水中的污染物进行拦截从而达到净化污水的目的的重要途径之一。

2. 湿地植物的作用

植物是人工湿地的重要组成部分。人工湿地根据主要植物优势种的不同，被分为浮水植物人工湿地，浮叶植物人工湿地，挺水植物人工湿地，沉水植物人工湿地等不同类型。湿地中的植物对于湿地净化污水的作用能起到极重要的影响。

首先，湿地植物和所有进行光合自养的有机体一样，具有分解和转化有机物和其他物质的能力。植物通过吸收同化作用，能直接从污水中吸收可利用的营养物质，如水体中的氮和磷等。水中的铵盐、硝酸盐以及磷酸盐都能通过这种作用被植物体吸收，最后通过被收割而离开水体。

其次，植物的根系能吸附和富集重金属和有毒有害物质。植物的根茎叶都有吸收富集重金属的作用，其中根部的吸收能力最强。在不同的植物种类中，沉水植物的吸附能力较强。根系密集发达交织在一起的植物亦能对固体颗粒起到拦截吸附作用。

再次，植物为微生物的吸附生长提供了更大的表面积。植物的根系是微生物重要的栖息、附着和繁殖的场所。相关文献表明，植物根际的微生物数量比非根际微生物数量多得多，而微生物能起到重要的降解水中污染物的作用。

最后，植物还能够为水体输送氧气，增加水体的活性。

由此可见，湿地植物在控制水质污染，降解有害物质上也起到了重要的作用。

3. 微生物的消解作用

湿地系统中的微生物是降解水体中污染物的主力军。好氧微生物通过呼吸作用，将废水中的大部分有机物分解成为二氧化碳和水，厌氧细菌将有机物质分解成二氧化碳和甲烷，硝化细菌将铵盐硝化，反硝化细菌将硝态氮还原成氮气，等等。通过这一系列的作用，污水中的主要有机污染物都能得到降解同化，成为微生物细胞的一部分，其余的变成对环境无害的无机物质回归到自然界中。

此外，湿地生态系统中还存在某些原生动物及后生动物，甚至一些湿地昆虫和鸟类也能参与吞食湿地系统中沉积的有机颗粒，然后进行同化作用，将有机颗粒作为营养物质吸收，从而在某种程度上去除污水中的颗粒物。