氨氮在人工土层快渗系统中运移的模拟研究

论文摘要

人工土层快渗系统（Constructed Rapid Infiltration,简称CRI）作为污水土地处理的一种方法,是在污水快渗系统（ Rapid Infiltration system,简称RI）的基础上发展起来的,通过采用渗透性能较好的渗滤介质代替天然土层处理污水,与其它生态处理工艺相比,具有水力负荷较高,占地面积较小等特点。课题组前期对CRI系统处理生活污水性能试验发现:CRI系统对污水的氮去除率不高制约了整个系统的除污性能。本论文在三峡地区的土壤和气候条件下,试验观测氨氮和硝态氮在CRI系统中的运移过程,并利用基于土壤溶质运移模型所建立的氨氮运移模型模拟其在CRI系统中的运移过程。通过试验及模拟研究氨氮及硝态氮在CRI系统中的运移过程,得到以下结论:通过研究氨氮在CRI系统中的运移过程发现:在布水阶段所去除的氨氮大部分以吸附状态被截留在土层中,且0-40cm土层对氨氮的吸附去除贡献最大。在CRI系统中吸附态的氨氮经过落干过程被氧化成为硝态氮,硝态氮极易在下一周期布水的开始阶段从土层中随水冲出。通过研究硝态氮在CRI系统中的运移过程发现:CRI系统的反硝化作用主要发生在布水后9-24h,且反硝化作用主要发生在25-70cm土层处。利用基于土壤溶质运移模型所建立的CRI系统氨氮运移模型模拟氨氮在CRI系统中的运移过程,结果表明:模拟值与实测值在趋势上具有一致性,但在数据精度上有系统误差,需加入误差补偿值对模拟结果进行修正。本研究建立的误差补偿函数为:C=-0.46t+17.35;经修正后的模拟值能够达到很高的拟合精度。通过对阻滞系数、平均孔隙流速、纵向弥散系数三个主要参数进行敏感性分析,可以得出:提高阻滞系数和纵向弥散系数能够有利于CRI系统对氨氮的去除效果,而提高平均孔隙流速将不利于CRI系统对氨氮的去除。从敏感性分析结果可以看出,就参数对CRI系统氨氮去除的影响程度来说,平均孔隙流速>阻滞系数>纵向弥散系数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 土地处理系统概述及分类
• 1.2 人工土层快渗系统
• 1.2.1 人工土层快渗系统概述及应用现状
• 1.2.2 人工土层快渗系统对氮去除的研究现状
• 1.3 氮在土壤中运移模型的研究现状
• 1.3.1 氮在土壤中的溶质运移模型
• 1.3.2 氮在土壤中溶质运移模型的应用研究
• 1.4 课题的提出、研究目的及内容
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 研究目的和内容
• 2 氨氮和硝态氮在人工土层快渗系统中运移的试验研究
• 2.1 试验装置与试验条件
• 2.1.1 试验装置
• 2.1.2 试验进水方式
• 2.1.3 试验湿干比及水力负荷周期
• 2.2 氨氮在人工土层快渗系统中运移的试验研究
• 2.2.1 试验方法与内容
• 2.2.2 试验进水条件
• 2.2.3 试验结果分析与讨论
• 2.3 硝态氮在人工土层快渗系统中运移的试验研究
• 2.3.1 试验方法与内容
• 2.3.2 试验进水条件
• 2.3.3 试验结果分析与讨论
• 2.4 本章小结
• 3 氨氮在人工土层快渗系统中运移模型的建立
• 3.1 氮在CRI 系统和农业土壤系统中运移过程的相似性
• 3.2 土壤溶质运移机理
• 3.3 一维对流-弥散模型建立
• 3.4 基于对流-弥散模型的氨氮运移模型
• 3.5 模型的初始、边界条件及程序框图
• 4 氨氮在人工土层快渗系统中运移的模拟研究
• 4.1 数学模型参数的确定
• 4.1.1 阻滞系数
• 4.1.2 平均孔隙水流速
• 4.1.3 纵向弥散系数
• 4.1.4 硝化速率
• 4.1.5 试验前CRI 系统中氨氮初始本底值
• 4.2 氨氮在人工土层快渗系统中运移过程的模型研究
• 4.2.1 有限差分法简介
• 4.2.2 溶质运移模型的模拟结果分析
• 4.2.3 参数敏感性分析
• 4.3 本章小结
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录