微污染饮用水源人工湿地预处理效能与作用机理研究

论文摘要

近年来,由于水环境污染日益严重,水源地水质恶化,现有常规饮用水处理工艺难以适应当前饮用水水质状况。因此,寻找一种高效、简单、经济的微污染饮用水源预处理技术就十分必要。为此,本研究以济南玉清湖水库为依托,分别采用水平流人工湿地系统、上下折流人工湿地系统和表流人工湿地系统对沉砂后的微污染黄河水进行了预处理试验,对微污染饮用水源人工湿地预处理效能与作用机理展开了研究。经预处理效能试验研究表明:水平流人工湿地系统对COD,TP,TN和NH4+-N平均去除率分别为49.55%,49.36%,52.81%和48.36%;上下折流人工湿地系统对COD,TP,TN和NH4+-N平均去除率分别为55.87%,50.42%,58.74%,和55.74%;表流人工湿地系统对COD,TP,TN和NH4+-N平均去除率分别为38.27%,41.69%,45.80%和39.86%。上下折流人工湿地处理效果最佳,其次是水平流人工湿地,表流人工湿地处理效果最差。通过对人工湿地处理系统影响因素分析表明:进水流量的控制非常关键,适宜的进水流量处理效果最佳;季节温度与处理效果密切相关,处理效果总的趋势为夏季优于秋季,秋季优于春季,冬季最差;从试验期间进水污染物浓度来看,系统对污染物去除量随进水污染物浓度的增加而增加,没有出现明显的偏离。这表明在玉清湖水库现有的进水污染物浓度条件下,对湿地系统不会存在污染负荷过重的威胁,也说明系统仍有承载更大污染负荷的潜力;同时,根据不同污染物的降解情况,构建了三套人工湿地系统的一级动力学降解模型。通过对人工湿地沿程及不同高度的污染物浓度变化试验分析表明,人工湿地系统对污染物的降解是沿人工湿地水流方向逐渐降低的,污染物主要在前部去除的,潜流人工湿地床体上部对污染物去除效果更好。通过对湿地植物与基质作用研究表明:一方面,植物通过吸收直接去除氮、磷,而且在生长季节作用更明显,另一方面植物根系可以过滤、截留去除水中污染物,并为微生物提供附着表面,从而发挥了微生物的降解作用,这在人工湿地系统起重要的作用;在植物作用分析中我们还看到在床体前部植物生长效果略好于后部,对氮、磷吸收也略高于后部,这正与湿地系统对污染物的降解是沿人工湿地水流方向逐渐降低相吻合。人工湿地基质能够吸附水中一定的污染物质,而且,成熟基质表面布满了各种类型微生物。试验表明基质具有很强的污染物降解能力,对水中污染物的去除发挥重要作用。采用聚合酶链式反应—变性梯度凝胶电泳（Polymerse Chain Reaction- Denaturing Gradient Gel Electrophoresis, PCR-DGGE）考察了三套人工湿地系统生物学特性,结果表明不同类型的人工湿地系统对微生物种群结构和分布具有显著影响。同时,也揭示了在人工湿地系统中微生物的群落结构沿水流方向的变化规律。在上下折流式人工湿地系统中,优势菌群由系统前端的Vogesella属和Microvirgula属演变成后端的Rhodoferax属和Fulvimonas属;在水平流人工湿地系统中,优势菌群由系统前端的Cetobacterium属和Thermofilum属演变成后端的Sulfuricurvum属和Xylophilus属;在表流人工湿地系统中,优势菌群由系统前端的Fulvimonas属演变成后端的Salinisphaera属。通过对三套人工湿地系统中细菌的分离、纯化和筛选得到5株具有聚磷性能的菌株、6株具有硝化性能的菌株和6株具有反硝化性能的菌株。通过16SrDNA测序,得到了筛选出来的17株细菌的DNA全序列,并在GenBank中进行了相似性检索,结果表明:筛选得到的17株细菌分别属于Bacillus属和Delftia属。说明这两个菌属的细菌在三套人工湿地系统中是普遍存在的,并对污染物去除起着重要作用。对试验的上下折流人工湿地系统、表流人工湿地系统以日均进水量2m3,运行周期20年为例进行经济核算。结果表明:上下折流人工湿地建设投资为2076.73元,运行成本为0.05元/t;而表流人工湿地建设投资为2365.01元,运行成本为0.05元/t。这表明人工湿地预处理技术是经济可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 我国水资源现状
• 1.1.2 饮用水水源污染状况及危害
• 1.2 微污染水源水预处理技术的发展现状
• 1.2.1 生物预处理技术
• 1.2.2 化学预氧化技术
• 1.2.3 吸附预处理技术
• 1.3 人工湿地在水处理中的研究进展
• 1.3.1 湿地水处理技术
• 1.3.2 湿地的类型
• 1.3.3 人工湿地系统的组成及功能
• 1.3.4 人工湿地系统的基本类型
• 1.3.5 人工湿地的净化机理
• 1.3.6 人工湿地的经济性能
• 1.3.7 国内外人工湿地应用与发展现状
• 1.4 研究意义和主要内容
• 1.4.1 研究目的和意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 试验工艺流程与装置
• 2.1.1 试验场地的自然状况
• 2.1.2 试验工艺流程
• 2.1.3 试验装置
• 2.1.4 试验材料
• 2.2 试验用水
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 常用水质指标分析
• 2.3.2 植物与基质实验部分
• 2.3.3 微生物实验部分
• 2.4 本章小结
• 第3章 微污染饮用水源人工湿地预处理效能
• 3.1 人工湿地系统处理效果
• 3.1.1 总体处理效果
• 3.1.2 各种水质指标变化分析
• 3.2 污染物去除效果影响因素分析
• 3.2.1 进水流量变化对污染物去除效果的影响
• 3.2.2 进水中污染物浓度变化对污染物去除效果的影响
• 3.2.3 不同季节温度变化对污染物去除效果的影响
• 3.3 人工湿地一级反应动力学模型的研究和应用
• 3.3.1 人工湿地一级反应动力学模型简介
• 3.3.2 人工湿地动力学模拟
• 3.4 本章小结
• 第4章 微污染饮用水源人工湿地作用机理
• 4.1 人工湿地系统污染物迁移规律
• 4.1.1 人工湿地系统污染物沿程变化规律
• 4.1.2 潜流人工湿地系统不同高度污染物变化规律
• 4.2 人工湿地系统中植物的作用
• 4.2.1 植物生长高度变化
• 4.2.2 植物对氮与磷的吸收作用
• 4.2.3 植物根系的作用
• 4.3 人工湿地系统基质作用研究
• 4.3.1 潜流人工湿地系统基质表面电镜分析
• 4.3.2 表流人工湿地系统基质氮与磷含量变化分析
• 4.3.3 基质表面生物作用分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 微污染饮用水源人工湿地微生物特性
• 5.1 不同人工湿地系统的生物学差异
• 5.1.1 试验样本的采集
• 5.1.2 试验结果与分析
• 5.2 人工湿地系统菌种筛选鉴定
• 5.2.1 人工湿地系统内聚磷菌的筛选鉴定
• 5.2.2 人工湿地系统内硝化菌筛选鉴定
• 5.2.3 人工湿地系统内反硝化菌筛选鉴定
• 5.2.4 分离菌株的16SrDNA 测序
• 5.3 本章小结
• 第6章 人工湿地预处理技术经济分析
• 6.1 人工湿地预处理技术成本分析
• 6.1.1 人工湿地建设成本
• 6.1.2 人工湿地系统运行维护成本
• 6.2 人工湿地预处理技术成本实例分析
• 6.2.1 潜流人工湿地系统成本分析
• 6.2.2 表流人工湿地系统成本分析
• 6.3 推广应用前景
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历