多级耦联人工湿地净污效能及其在水生态净化中的应用研究

发布时间：2020-10-16 00:38

　　 河流生态系统具有时空差异性,随着时空推移,河流系统的水量、水温、营养物质等呈现变化趋势,从而影响着河流生态系统功能的发挥。近几年在河流整治的过程中,发现河流生态系统普遍退化严重,河流失去自净能力。人工湿地被证实是污染削减、水质净化和河流修复的有效措施,尤其是对于内源氮的削减。不同类型人工湿地受系统因子、设计参数及环境因子的影响,污染物去除效果不同。本文按照室内机理模型及应用基础研究、小试规模的技术研发及运行参数研究、中试规模的技术验证试验、示范工程及其效果监测四个尺度,通过改善人工湿地内的氧环境,提高脱氮除磷效率,对多级耦联湿地净污效能及其在河道水生态净化中的应用进行研究与分析,旨在提出优化参数,最终在淮河流域或具有相近背景的流域推广应用。在本研究中,我们试图模拟自然湿地的环境异质性。因此,多级湿地系统中,水质净化过程被分为几个步骤。除了水流模式的不同,我们筛选水生植物、将不同基质级配,以及运用基质内电解,在不同水力停留时间下测定污染物去除效果,将运行参数应用于贾鲁河上游河道水生态净化示范工程中,辨识多级湿地的最佳耦联方式对于不同污染物去除效能；该研究对于重污染河道污染控制与治理具有非常重要的实际应用价值。本论文研究的主要结论有：(1)实验结果显示,种植有菖蒲和水葱的植物系统对COD和NH4+-N去除率高于无植物系统,由于其发达的根系,可为微生物生长提供更多附着的表面积。菖蒲、水葱和无植物对照湿地系统对COD的平均去除率分别为62.10%、59.20%和52.50%；对NH4+-N的平均去除率分别为79.50%,70.22%和60.89%。高浓度有机污染物废水处理过程中,无植物湿地系统中氧气浓度会大大减少,但有植物系统中仍存在有氧区域。植物输氧造成的湿地中有氧、缺氧和厌氧状态的交替出现是保证其对氮磷及有机物具有较强处理效率的原因。垂直潜流人工湿地(VFCW)具有更高的氧传输能力和高有机物去除率；水平潜流人工湿地(HFCW)中,由于碳源缺乏,大多数有机碳源是难降解生物,导致出水COD偏高。(2)本实验中选取四种基质沸石、砾石、陶粒和炉渣作为基质,再进行基质组配,进行低浓度生活污水处理的研究。结果显示各类组配具有很高的去污能力。HRT=4h时,陶粒、沸石和砾石(A组)组配基质对COD去除率最高,为70.28±10.24%,陶粒、砾石和炉渣(C组)组配基质对TN去除率最高,为90.38±6.98%,陶粒、沸石和炉渣(B组)组配基质对P043"-p去除率最高,为80.25±18.75%。级配方式下湿地系统对污染物去除的综合效果优于单一粒径基质的湿地系统。(3)我们在实验室研究催化铁内电解在人工湿地废水处理中的应用,考察其吸附性能,进一步明确具体的操作参数。Fe/Cu反应动力学方法是电化学反应,不同配比对污水中TP去除有显著影响。结果显示：Fe:Cu=1:1时,TP去除率为62%,Fe:Cu=10:1时,TP去除率高达87%,表明内电解反应器由于Fe、Cu之间以及基质与废水中污染物的接触面积增加,导致反应活性增加。Fe/Cu内电解系统已被证明对硝酸盐还原更有效。最初随着pH值的升高,由于铁腐蚀反应硝酸盐还原速率加快。在实验期间硝酸盐几乎完全转化,在实验后期硝酸盐反应速率迅速下降。(4)研究四种组合方式(串联、并联、串并联、并串联)的多级耦联人工湿地在不同HRT下对废水污染物的去除效率。结果显示：串并联模式在HRT=3h时TN去除率最高,为45.16%,]3RT=5h时达到TP最高去除率74.55%；对于COD,并联系统在HRT=4h时去除率最高,为75.90%,而NH4+-N最高去除率出现在HRT=4h的串联模式下。我们的研究表明,多级耦联人工湿地在适当的HRT条件下可以成为有效的生活污水处理方法。(5)我们选择淮河流域污染严重的贾鲁河支流,在对其污染物背景值调查的基础上,实施我们的水质生态净化示范工程。期间我们监测整条河流中氮含量的时空变化,来评估措施的有效性。最明显的变化是,NH4+-N平均降低了63.76±31.63%,N03--N平均降低了42.10-±5.88%,TN浓度由平均16.17 mg/L降低到3.50 mg/L。河流中氮浓度的空间变化具有预测出水浓度变化的潜在应用。我们提出了流域综合水生态净化优化设计的应用框架,需要全面监测来确定工程措施应用于其他流域的整体有效性。植物的全面恢复可以达到较好的脱氮效果。NH4-N和NO3--N浓度的降低在第二年显著高于第一年,表明植物达到污染物最佳性能需要一个过渡期。对于铵态氮,较低的出水浓度出现在夏季,这是由于降雨的稀释,所以降水和植被被认为是影响水处理性能的变量之一。本文针对单一的水平流湿地因为氧传输能力有限不能保证有效的硝化反应,而单一的垂直流湿地不能保证有效的反硝化,对垂直流——水平流人工湿地耦联来提高污染物的去除率。耦联的湿地系统包括串联、并联、串并联和并串联。除了系统本身及其组合工艺,湿地的设计参数,包括水力负荷、水力停留时间等,环境条件包括温度、pH等,系统的组成要素植物、基质等对湿地净污能力均有影响。在了解了耦联人工湿地净污能力机理及其途径,以及造成贾鲁河水污染背景的前提下,重点运用构造湿地—生态河道强化净化技术、多级人工湿地净化耦联技术,实现人工湿地污水处理系统优化配置的同时,完善河流水生态净化工程技术措施的应用,以期为淮河流域及全国相似污染背景流域的河流生态净化提供借鉴。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2013
【中图分类】：X703
【文章目录】：
中文摘要
English Abstract
Chapter 1 Literature Review
    内容提要
    1.1 River ecosystem
    1.2 River water quality
    1.3 Improvement of river water quality
    1.4 Wetland treatments
Chapter 2 Research Objectives and Contents
    内容提要
    2.1 Scientific questions
    2.2 Research objectives
    2.3 Research contents
    2.4 Research clues
Chapter 3 Comparison of Vegetation on Pollutants Removal in HybridConstructed Wetlands
    内容提要
    3.1 Introduction
    3.2 Material and methods
        3.2.1 Set-up and operation of wetland systems
        3.2.2 Statistical analysis
    3.3 Results and discussion
        3.3.1 Water quality and treatment performance
        3.3.2 Spatial distribution and management of vegetation
        3.3.3 Optimization of incorporated CW configuration
    3.5 Conclusions
Chapter 4 Effects of Diferent Matrix Paired on Purification Efficiency inConstructed Wetlands
    内容提要
    4.1 Introduction
    4.2 Materials and methods
        4.2.1 Experimental setup
        4.2.2 Operation conditions
        4.2.3 Water sampling and quality analysis
        4.2.4 Statistical analyses
    4.3 Results and discussion
        4.3.1 Physicochemical characteristics of matrix
        4.3.2 Adsorption removal of phosphorus from wastewater
        4.3.3 Influence of wetland matrix for improving nitrogen and organics removal performances
    4.4 Conclusions
Chapter 5 Matrix with Internal Electrolysis to Enhance PollutantsRemoval in Constructed Wetlands
    内容提要
    5.1 Introduction
    5.2 Materials and methods
        5.2.1 System description and operation
        5.2.2 Sampling and quality analysis
        5.2.3 Statistical analyses
    5.3 Results and discussion
        5.3.1 TP removal effect
        5.3.2 COD removal effect
    5.4 Conclusions
Chapter 6 Effects of Connection Mode and HRT on WastewaterPollutants Removal in Multi-stage Coupled Constructed Wetland
    内容提要
    6.1 Introduction
    6.2 Materials and methods
        6.2.1 The wetland system microcosms and greenhouse setup
        6.2.2 Experimental operation
        6.2.3 Water sampling and measurement
        6.2.4 Statistical analysis
    6.3 Results and discussion
        6.3.1 Physical and chemical parameters
        6.3.2 Cross-effect of HRT and CW system
        6.3.3 Impact of HLR on TP
        6.3.4 Impacl of HLR on NH4-N
        6.3.5 Impact of HLR on TN
        6.3.6 Effect of influent pollutant load on removal efficiency
    6.4 Conclusions
Chapter 7 Nitrogen Removal with Ecological Purificication and RestorationEngineering in the Polluted River
    内容提要
    7.1 Introduction
    7.2 Materials and methods
        7.2.1 Description of pilot-scale project
        7.2.2 Design of pilot-scale project
        7.2.3 Technological process
    7.3 Water sampling and chemical analyses
    7.4 Statistical analysis
    7.5 Results and discussion
        7.5.1 N Removal along the Restored River
        7.5.2 N Removal at different engineering stages
    7.6 Conclusions
Chapter 8 Conclusions,Innovations and Prospects
    内容提要
    8.1 Conclusions
    8.2 Innovations
    8.3 Prospects
        8.3.1 Enlarging the scope of application and strengthening the correlative mechanisms
        8.3.2 Pilot-scale test be carried out to discuss operation conditions on gradated matrix
        8.3.3 Combining the ecological purification and ecological restoration demands
References
致谢
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本文编号：2842479