水平潛流人工濕地凈化受污染水體研究.pdf

1、本研究以受污染水體為研究對象，進(jìn)行了水平潛流人工濕地蘆葦?shù)[石系統(tǒng)、多植物(蘆葦；菖蒲；水蔥)礫石系統(tǒng)和蘆葦組合填料(礫石；沸石；鋼渣)系統(tǒng)凈化效能及其機(jī)理研究。研究內(nèi)容主要有：(1)水平潛流人工濕地凈化受污染水體的效能研究；(2)受污染水體中有機(jī)物在系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化研究；(3)系統(tǒng)除磷途徑的機(jī)理研究；(4)系統(tǒng)中微生物多樣性研究；(5)水平潛流人工濕地碳氮循環(huán)機(jī)理模型研究。主要研究結(jié)論如下： (1)水平潛流人工濕地對受污染水體具

2、有較好的凈化能力，當(dāng)水力停留時間為2～8d時，進(jìn)水濁度、COD、氨氮、總氮和總磷分別約為15～45NTU、50～110mg·L<'-1>、3～8 mg·L<'-1>、3.5～12 mg·L<'-1>和0.5～1.2mg·L<'-1>的條件下，蘆葦?shù)[石系統(tǒng)的全年去除率分別為75﹪～98﹪、40﹪～78﹪、-130﹪～98﹪、5﹪～91﹪和0﹪～90﹪，多植物礫石系統(tǒng)的去除率分別為80﹪～98﹪、42﹪～82﹪、-120﹪～98﹪、5﹪～9

3、6﹪和5﹪～90﹪，蘆葦組合填料系統(tǒng)的去除率分別為73﹪～97﹪、45﹪～75﹪、21﹪～98﹪、60﹪～91﹪和65﹪～91﹪。在HRT≥4d時，3種類型系統(tǒng)出水有機(jī)物、氨氮和總氮在夏季和秋季均可穩(wěn)定達(dá)到地表水環(huán)境Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)，蘆葦組合填料系統(tǒng)出水總磷則全年可穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ水體標(biāo)準(zhǔn)。如以去除懸浮物和有機(jī)物為目標(biāo)，推薦采用多植物礫石系統(tǒng)。如以去除營養(yǎng)元素為目標(biāo)，推薦采用蘆葦組合填料系統(tǒng)。 (2)系統(tǒng)進(jìn)水COD負(fù)荷率在5～45g·m<

4、'-3>·d<'-1>時，COD的去除速率與負(fù)荷率呈顯著的線型相關(guān)，與季節(jié)、系統(tǒng)的植物種類和填料性質(zhì)無關(guān)。較系統(tǒng)類型，季節(jié)對COD的去除速率影響更顯著。系統(tǒng)進(jìn)水氨氮、總氮、總磷負(fù)荷率分別在0.1～4.5g·m<'-3>·d<'-1>、0.2～6.0g·m<'-3>·d<'-1>、0.05～0.8g·m<'-3>·d<'-1>時，除蘆葦?shù)[石系統(tǒng)和多植物礫石系統(tǒng)的冬季工況，其它各工況下氨氮、總氮、總磷的去除速率與負(fù)荷率呈顯著的線型相關(guān)。植物

5、吸收作用的季節(jié)性和是否存有沸石的吸附作用是3種類型水平潛流人工濕地系統(tǒng)中氨氮、總氮去除速率差異大小的主要影響因素，而總磷去除速率差異主要受植物吸收作用的季節(jié)性和是否存有鋼渣吸附沉淀作用的影響。 (3)同蘆葦?shù)[石系統(tǒng)和多植物礫石系統(tǒng)相比，蘆葦組合填料系統(tǒng)的總氮和總磷去除速率受溫度影響較小。在總氮負(fù)荷率為4～5.5g·m<'-3>·d<'-1>時，其總氮去除速率的極差為其它2種系統(tǒng)的55﹪左右。就總磷的去除而言，在春季、夏季和秋季，

6、3種類型的系統(tǒng)對其去除速率基本相當(dāng)，在冬季，蘆葦?shù)[石系統(tǒng)和多植物礫石系統(tǒng)總磷去除速率低于0.1g·m<'-3>·d<'-1>，而蘆葦組合填料系統(tǒng)的總磷去除速率則基本不變，具有明顯的優(yōu)勢。 (4)污染物負(fù)荷率與溫度對其去除速率影響的雙因素方差分析表明，較溫度而言，進(jìn)水COD負(fù)荷率對其去除速率影響更顯著；與進(jìn)水負(fù)荷率相比，溫度對蘆葦?shù)[石系統(tǒng)和多植物礫石系統(tǒng)的氨氮和總氮去除速率影響更顯著，但差異不大，蘆葦組合填料系統(tǒng)的顯著性分析結(jié)果恰好相反，

7、進(jìn)水負(fù)荷率的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于溫度的影響；蘆葦組合填料系統(tǒng)的總磷去除速率與溫度變化無關(guān)，其它兩種系統(tǒng)的總磷去除速率與進(jìn)水負(fù)荷率和溫度為正相關(guān)關(guān)系，且影響顯著，但差異不顯著。 (5)在暖、寒兩季不同類型的水平潛流人工濕地中污染物沿程變化規(guī)律差異顯著。COD沿程降解速率沿程呈逐步降低的趨勢，與季節(jié)和系統(tǒng)類型無關(guān)，且其中700﹪～85﹪的COD去除發(fā)生在系統(tǒng)的前1/4段。在暖季，系統(tǒng)對氮素和磷素的沿程去除規(guī)律差異不大。在寒季，蘆葦?shù)[石系統(tǒng)

8、和多植物礫石系統(tǒng)對氮素和磷素的沿程去除規(guī)律也類似，而與蘆葦組合填料系統(tǒng)有很大的差異。寒季該系統(tǒng)1/4～1/2沸石段中氨氮去除率達(dá)89﹪，系統(tǒng)1/2～3/4的鋼渣段中對總磷有80﹪左右的去除率。這表明寒季蘆葦組合填料系統(tǒng)中沸石對氨氮的吸附作用、鋼渣對磷的吸附沉淀作用是系統(tǒng)脫氮除磷的主要途徑。沸石吸附的氨氮約75﹪可通過植物和微生物再生。在進(jìn)水總磷濃度為1 mg-L<'-1>左右，HRT為4d的條件下，系統(tǒng)除磷壽命約為10年，出水總磷穩(wěn)定達(dá)

9、到Ⅳ水體標(biāo)準(zhǔn)使用期約為5年。 (6)運(yùn)用GC/MS技術(shù)對系統(tǒng)出水有機(jī)物分析結(jié)果表明：多植物礫石系統(tǒng)和蘆葦組合填料系統(tǒng)出水中碳原子數(shù)、分子量和化合物組成類似，而與蘆葦?shù)[石系統(tǒng)差異較大。與蘆葦?shù)[石系統(tǒng)相比較，多植物礫石系統(tǒng)和蘆葦組合填料系統(tǒng)對污染物向低碳小分子遷移轉(zhuǎn)化徹底，因此其出水的COD更低。 (7)填料中磷的空間分布與形態(tài)特征分析表明：礫石、沸石和鋼渣中磷增量分別以鈣鎂結(jié)合磷、殘余磷和鐵鋁態(tài)結(jié)合磷為主。第2年收割的植物

10、量高于第1年收割的植物量，初秋季收割植物的含磷量明顯高于深秋季收割植物的含磷量，植物收割的最佳季節(jié)為10月底。各系統(tǒng)除磷的主要途徑均是填料的吸附沉淀作用，占除磷總量的67～76﹪，植物收割是除磷的重要途徑，占除磷總量的15～21﹪，其它途徑除磷量占除磷總量的10﹪左右。 (8)運(yùn)用PCR-DGGE技術(shù)分析系統(tǒng)微生物多樣性表明，水生植物和填料種類及空間位置對微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著的影響。不同類型濕地系統(tǒng)中微生物多樣性的空間分布特征

11、是其降解有機(jī)物效能差異的微生物生態(tài)學(xué)機(jī)理。通過不同種類水平潛流人工濕地中氨氧化菌的對比分析可以對系統(tǒng)氨氮去除途徑的分析提供了微生物學(xué)標(biāo)識。系統(tǒng)樣品中的氨氧化菌均為不可培養(yǎng)的，都屬于Nitrosomonas屬。 (9)以活性污泥模型、厭氧生物處理模型和水生植物生理生態(tài)模型為基礎(chǔ)建立的水平潛流人工濕地碳氮循環(huán)機(jī)理模型可以較好地描述系統(tǒng)中碳氮循環(huán)的主要過程及各子系統(tǒng)主因素之間的相互作用。通過與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證了機(jī)理模型對蘆葦?shù)[石系