近自然湿地处理污染河水的工艺特性研究

论文摘要

南四湖流域内结构性污染严重，湖水水质恶化，湿地生态系统遭受了严重破坏。随着南水北调东线工程调水日期的日益临近，采取经济、有效的水质净化生态工程措施削减南四湖入湖污染负荷，是实现南四湖调水水质保障目标的必然需求。本文以近自然湿地污染河水处理系统为研究对象，通过实验室和现场中试试验，从水生植物的筛选、湿地的水力特性及运行工艺特性等方面开展了系统研究，并利用研究成果设计建设了南四湖新薛河近自然湿地水质净化示范工程，初步取得了以下结论：基于CODCr、TN、NH4+-N和TP等主要污染物去除效果的评价，开展了湿地水生植物的筛选研究。首先考察了植物的泌氧能力，相同盖度下，6种湿地植物泌氧能力高低顺序依次为：芦苇>金鱼藻>香蒲>水葱>千屈菜>水芹菜；植物泌氧能力大小与光照强度存在正相关性；在静态试验条件下对8种植物的污染物去除效果进行了分析，在进水CODCr、TN、NH4+-N和TP浓度分别为80mg／L、8 mg/L、4 mg／L和2．5 mg/L条件下，有植物系统对CODCr、TN、NH4+-N和TP的平均去除负荷分别为2．33g/（m2·d）、0．15g/（m2·d）、0．08g/（m2·d）和0．05g/（m2·d），去除效果明显好于无植物空白，不同植物的去污能力大小顺序依次为金鱼藻>芦苇>浮萍>香蒲>茭白>水芹菜>水葱>千屈菜；对植物泌氧能力与污染物去除效果之间的相关性进行了分析，植物根系的泌氧能力与CODCr、NH4+-N等需氧污染物的去除效率之间存在明显的正相关性，而与TN、TP去除率之间的相关性不大。基于明渠均匀流和反应器停留时间分布曲线理论，开展了近自然湿地系统的水力特性研究。明渠均匀流模拟结果表明，湿地系统允许的流量和水力负荷分别达1．2m3／s和2．3m／d，说明湿地系统具有较高的过水能力，在常规水力负荷设计条件下是能够顺利过水的。流态分析表明，表面流湿地内存在一定的死区和短流。系统内的纵向扩散强度较高，这保证了水流在断面上的混合，有助于污染物与微生物、植物表面的接触，提高湿地系统对污染物的去除效果；相同进水条件下，密植芦苇和采用穿孔管布水，使得湿地单元的死区率由15．4％降低至6．1％，有效提高湿地系统内过水均匀性。基于植物筛选和湿地水力特性研究基础上，选择芦苇和金鱼藻作为湿地植物，通过优化布水方式，构建了湿地中试系统。运行结果表明，表面流湿地的适宜水力负荷为5cm／d，该条件下其对CODCr、NH4+-N和TP的去除率分别为84．4％、46．5％和82．6％，平均去除负荷分别为3．09g/（m2·d）、0．53g/（m2·d）和0．14g/（m2·d）；湿地系统在夏、秋和冬季时的平均CODCr去除负荷分别为3．75g/（m2·d）、3．37g/（m2·d）和3．26g/（m2·d），CODCr去除效果随季节变化并不显著：而平均NH4+-N去除负荷分别为1．12g/（m2·d）、0．68g/（m2·d）和0．59g/（m2·d），夏季效果明显高于秋、冬两季，而秋、冬季节变化不明显；芦苇+金鱼藻组合湿地系统对污染物的去除效果好于单一芦苇和无植物空白系统；冬季采取保温措施可防止湿地系统冰冻现象，湿地系统对CODCr、TN和NH4+-N的平均去除率分别由保温前的52．6％、30．4％和31．8％上升到64．2％、35．9％和46．6％，有效保证系统对污染物的去除效果，但对TP的去除效果变化不大。在对近自然湿地系统运行的工艺特性研究基础上，设计并建设了南四湖新薛河近自然湿地水质净化示范工程，实现入湖河水污染物的有效去除和入湖河水水质的显著改善，初步显示出突出的环境效益、生态效益和经济效益。示范工程的成功运行为该技术在南四湖流域的应用和推广积累了设计和运行管理经验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 人工湿地污水处理技术
• 1.2.1 人工湿地的定义、类型及特点
• 1.2.2 人工湿地的净化原理
• 1.2.3 人工湿地的研究进展及现状
• 1.3 研究目的和研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 湿地水生植物的筛选研究
• 2.1 湿地水生植物概述及其筛选原则
• 2.1.1 水生植物种类
• 2.1.2 南四湖水生植物概况
• 2.1.3 水生植物选择的原则
• 2.2 试验材料及方法
• 2.2.1 供试植物的选择
• 2.2.2 试验方法
• 2.3 水生植物的泌氧能力研究
• 2.3.1 植物的泌氧能力分析
• 2.3.2 植物的泌氧能力与光照强度的关系
• 2.4 水生植物对污染物的去除效果研究
• Cr的去除'>2.4.1 对COD_Cr的去除
• 2.4.2 对TN的去除
• 4⁺-N的去除'>2.4.3 对NH₄⁺-N的去除
• 2.4.4 对TP的去除
• 2.4.5 水生植物的去污能力分析
• 2.5 植物的泌氧能力与污染物去除效果的相关性分析
• 2.6 小结
• 第三章 近自然湿地系统的水力特性研究
• 3.1 湿地水力特性的理论分析
• 3.1.1 明渠恒定均匀流模式
• 3.1.2 反应器停留时间分布曲线理论
• 3.2 试验设计和方法
• 3.2.1 中试系统的构建
• 3.2.2 流态试验方法
• 3.3 湿地系统水力特性研究
• 3.3.1 湿地系统的水力计算
• 3.3.2 湿地系统水力特性分析
• 3.4 小结
• 第四章 近自然湿地系统处理污染河水的试验研究
• 4.1 试验装置与方法
• 4.1.1 试验装置
• 4.1.2 试验条件
• 4.2 湿地系统的运行性能
• 4.2.1 植物的生长情况
• 4.2.2 湿地系统的水分损失
• 4.3 湿地系统对污染物的去除效果研究
• 4.3.1 水力负荷对湿地系统运行性能的影响
• 4.3.2 污染物去除效果年变化情况
• 4.3.3 不同植物组合方式的比较
• 4.4 冬季强化措施下湿地系统的运行性能
• 4.4.1 试验方法
• 4.4.2 冬季去污效果分析
• 4.5 小结
• 第五章 近自然湿地系统处理污染河水的应用示范研究
• 5.1 示范工程背景
• 5.2 近自然湿地处理污染河水示范工程设计
• 5.2.1 示范工程概况
• 5.2.2 工艺流程
• 5.2.3 主要单元设计
• 5.2.3.1 橡胶坝
• 5.2.3.2 生态滞留塘
• 5.2.3.3 近自然湿地
• 5.2.3.4 配水、集水系统
• 5.3 示范工程效益分析
• 5.3.1 环境效益和示范意义
• 5.3.2 生态效益
• 5.3.2.1 评价方法
• 5.3.2.2 湿地生态修复效果
• 5.3.3 经济效益
• 5.4 小结
• 第六章 结论及建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献:
• 致谢
• 附录 攻读硕士期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表