潮汐流人工湿地处理污染河水研究

论文摘要

随着我国城镇化、工业化以及经济的迅猛发展,水环境不断恶化,水资源供需矛盾日益突出,严重制约了我国经济社会的全面可持续发展。利用新型的污水处理技术,加强污水治理和回用,是改善水环境,缓解水资源短缺的一种有效途径。人工湿地是利用土壤-植物-微生物的作用实现污染物去除的一种污水生态处理方式。相对于其他污水处理工艺而言,人工湿地具有建设和运行费用低,对氮磷等污染物质去除能力强、维护管理简便、耐冲击负荷等优点,广泛应用于农村地区生活污水、受污染地表水等的处理。目前多数采用的水平潜流人工湿地,待处理污水从湿地底部流过,基质长期处于淹没状态,在冬季低温条件下液面扩散复氧和植物根系泌氧能力有限,床体表现为缺氧环境,不利于大量有机物的分解和氨氮的氧化去除。而垂直流人工湿地中水流以重力作用在基质中非饱和流动时可以加强湿地床体的氧扩散能力,但其复氧量仍不能满足大量有机物氧化分解和硝化细菌对氨氧化去除的需求,大量未分解的有机物质聚集于基质表面导致床体堵塞,从而改变水力停留时间,进而改变其水力负荷,影响处理效果。因此提高湿地床体的氧环境对提高湿地处理效果和维持湿地长期稳定运行至关重要。潮汐流人工湿地是一种新型人工湿地,它是通过将湿地按时间序列周期性地充水和排干,使得湿地内部不断形成好氧—厌氧过程,这种交替的进水和空气运动,使得氧的传输速率和消耗量大大提高,强化湿地的处理效果。本文探索了潮汐流人工湿地在冬季低温条件下与连续流人工湿地处理效能差异,分析运行工况对其处理效能的影响,同时对人工湿地反应器中微生物活性进行研究,为人工湿地污染物的净化提供理论基础。实验结果表明:在水力负荷为0.2 m3·m-2·d-1条件下,采用3周期·d-1的潮汐流人工湿地,出水DO值为0.61 mg·L-1,高于连续流人工湿地的0.22 mg·L-1;NH4+-N、COD及PO43--P的去除率分别达到48.57%、68.96%及29.02%,分别比连续流人工湿地提高了约30%、20%和20%。同时,通过对各反应器内微生物的呼吸作用和脱氢酶活性等的对比研究发现,3周期·d-1的潮汐流人工湿地中微生物具有更高的活性。为进一步研究3周期·d-1的潮汐流人工湿地中NH4+-N的去除行为,分析并确定影响NH4+-N去除的关键因素,从而进一步优化反应器内NH4+-N去除过程,本研究以3周期·d-1的潮汐流人工湿地中NH4+-N的去除为研究对象,分别采用表观动力学、多元参数回归以及Monod机制模型对反应器内NH4+-N的去除过程进行动力学分析,并建立数学模型,确定NH4+-N去除的主要影响因素,模拟和预测潮汐流人工湿地对NH4+-N的去除效果。结果显示Monod机制模型对NH4+-N的去除具有最优的拟合结果,拟合度R2=0.9031。在此基础上,利用修正的摩尔斯分类筛选法对Monod机制模型参数进行局部灵敏度分析,结果证明在Monod机制模型中,进水NH4+-N浓度（NH4+-N）in为高灵敏参数,其对反应器内NH4+-N的去除影响最大,平均水温（T）为灵敏参数,DO为中等灵敏参数。本文还考察潮汐流人工湿地中污染物的迁移转化规律,初步揭示温度、植物、填料对污染物去除效果的影响。结果显示COD及NH4+-N的去除对温度有很强的相关性（ANOVA, p<0.05）,夏季COD的平均去除率为19.64 g·m-2·d-1,比冬季提高了30.9%,而夏季NH4+-N的平均去除率为2.92 g·m-2·d-1,比冬季提高了74.85%。相比之下,PO43--P的去除与温度的相关性不强;同时还发现潮汐流人工湿地中N、P的去除不是以填料的吸附沉淀为主,植物能够促进潮汐流人工湿地中COD及NH4+-N的去除。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 湿地的概念
• 1.2 湿地的分类
• 1.2.1 自然湿地概述
• 1.2.2 人工湿地概述
• 1.3 人工湿地的特点
• 1.3.1 人工湿地优点
• 1.3.2 人工湿地缺点
• 1.4 人工湿地的功能
• 1.5 人工湿地净化污水的基本原理
• 1.6 人工湿地的发展历史和现状
• 1.7 人工湿地模型
• 1.7.1 表观动力学模型
• 1.7.2 多元参数回归模型
• 1.7.3 Monod 机制模型
• 1.8 人工湿地目前的研究热点
• 第2章 研究内容与实验设计
• 2.1 课题研究背景及意义
• 2.1.1 课题来源
• 2.1.2 选题依据和背景情况
• 2.1.3 课题研究目的与意义
• 2.1.4 研究内容与技术路线
• 2.2 实验设计
• 2.3 实验装置及仪器
• 2.4 分析方法与数据处理
• 第3章 潮汐流人工湿地冬季低温去污效能研究
• 3.1 实验条件
• 3.1.1 实验水质
• 3.1.2 运行条件
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 出水DO 变化
• 3.2.2 出水pH 变化
• 3.2.3 COD 的去除
• 4⁺-N 的去除'>3.2.4 NH₄⁺-N 的去除
• 4^3--P 的去除'>3.2.5 P0₄^3--P 的去除
• 3.2.6 微生物活性
• 3.3 本章小结
• 4⁺-N 去除模型的比较'>第4章 潮汐流人工湿地低温下NH₄⁺-N 去除模型的比较
• 4.1 数学模型的建立
• 4.1.1 模型参数定义及取值
• 4.1.2 表观动力学模型
• 4.1.3 多元回归模型
• 4.1.4 Monod 机制模型
• 4.1.5 局部灵敏度分析法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 模型求解及预测准度分析
• 4.2.2 讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 潮汐流人工湿地中污染物的迁移转化
• 5.1 实验条件
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 温度对污染物去除效果影响
• 5.2.2 植物对污染物去除效果影响
• 5.2.3 填料对污染物去除效果影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 参考文献
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录
• 附录 B 攻读硕士学位期间申请的国家发明专利
• 附录 C 攻读硕士学位期间参加科研项目及所获奖励
• 致谢