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潜流人工湿地处理农村生活污水的工艺研究

作　者: 张迎颖
导　师: 丁为民
学　校: 南京农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 潜流人工湿地农村生活污水有机物氮素磷素溶解氧
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

农村生活污水中含有氮、磷等营养物质,未经处理直接排入水体将导致水体富营养化的后果。通过对比常见分散污水处理技术的优缺点,本文选择将潜流人工湿地应用于农村生活污水的处理,针对湿地的净水效果、净化机理、工艺类型、影响因素、及模型构建等方面展开相应研究。主要研究内容及结论如下：(1)采用植物浮床技术研究喜温植物和耐寒植物的净水能力,并对植物根系输氧和光合作用对净水效果的影响作出分析。结果表明：菖蒲和香蒲为春季优势植物,美人蕉为夏季优势植物,石菖蒲和黑麦草为冬季优势植物。同一植物根系的氧气扩散速率(ODR)与根长、根壁厚度、根直径等因素有关,ODR较大的区域,微生物数量也较多,其ODR最大的区域在根尖区。植物的净光合速率Pn和蒸腾速率Tr的相关系数为0.961,呈显著线性相关；有机物以化学需氧量(CODcr)表示,其去除率及氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)的去除率与净光合速率Pn呈相似的变化规律；湿地脱氮效果与净光合速率Pn呈显著相关；氨氮的去除效果与蒸腾速率Tr呈极显著相关。(2)选用批量平衡法研究基质的静态吸附除磷性能,并对其吸附除磷动力学和热力学作出分析。结果表明：Langmuir方程适合描述沸石、煤渣和无烟煤的磷素吸附等温线,而Freundlich方程适合描述生物陶粒的磷素吸附等温线,对比各基质的理论饱和吸附量qm和吸附参数KF可知煤渣和无烟煤的除磷能力较强。溶液浓度、基质用量、pH值、有机酸及其他阴离子对基质的吸附除磷均有不同程度的影响。各填料达到吸附平衡的时间各有不同,但吸附动力学特征相似,即初期反应较快,后期反应变慢,并逐渐达到平衡；随着温度的升高,基质吸附速率提高,达到平衡所需时间减少；Elovich方程、双常数速率方程和准二级动力学反应方程均能很好地描述基质对磷素的等温吸附动力学特征,其中以准二级动力学方程的描述最为准确。吸附系统的自由能变ΔG0<0,焓变ΔH0>0,反映基质对磷的吸附作用是自发的吸热过程,沸石和生物陶粒的除磷过程主要依靠物理吸附作用,煤渣和无烟煤的除磷过程,包括物理吸附、配位体交换和化学吸附作用。(3)设计复合垂直潜流人工湿地模拟装置,开展单一基质和组合基质动态净水试验、处理农村生活污水试验和运行参数优选试验。结果表明：有机物(CODcr)和总磷(TP)的去除率与进水负荷无明显相关性,总氮(TN)的去除率与进水负荷具有正相关性；生物陶粒的生化处理性能较好,沸石对氮素的处理效果较为显著,无烟煤对磷素的去除效果较为显著。兼顾经济因素和净化效能,可选用沸石、煤渣和砾石的体积比例为1：1：1作为湿地组合基质。在复合流湿地的净水效果中,下行流填料柱处于主导地位,上行流填料柱处于辅助地位,其中氮素的去除主要依靠硝化反硝化作用；水温、气水比、碳氮比、氮源形式等因素对其脱氮效率有显著影响；实际生活污水中含有悬浮态氮,易出现“氮释放”的现象。考虑水力负荷和水深之间的交互作用时,根据用L27(313)安排试验,采用SPSS13.0进行方差分析和多重比较,发现交互作用对总磷的去除率有显著影响,兼顾总氮和有机物的去除效果,本试验系统的优选方案为水力负荷1200mm/d、水深80cm、低进水浓度。(4)构建水平流、下行流和上行流的人工湿地,开展处理农村生活污水的运行试验,对水力停留时间(HRT)、负荷率((φ)和温度的影响进行分析,并探讨污染物沿程变化规律。结果表明：水平流湿地适合处理悬浮物和有机物负荷较高的农村生活污水,HRT以4d为宜；下行流湿地适合处理氨氮和总氮负荷较高的污水,HRT以4d-6d为宜；上行流湿地适合处理总磷负荷较高的污水,HRT以8d为宜。温度对有机物去除速率的影响显著,适合采用指数方程y=A·eBx拟合,各系统拟合的B值差异不大,表明有机物去除速率差异不明显；温度对氨氮、总氮去除速率的影响显著,适合采用Sigmoidal方程拟合,下行流湿地系统对氨氮的去除速率受温度影响较大,上行流湿地系统对总氮的去除速率受温度影响较大；温度对总磷去除速率的影响不及其他污染物显著,亦可采用Sigmoidal方程拟合。有机物和磷素的沿程变化规律表现为逐渐降低的趋势,氮素的沿程变化规律表现为总体呈下降趋势,但下行流和上行流湿地由于“氮释放”现象出现不同程度的起伏。(5)分析了人工湿地基本模型的特点,选用系统动力学软件Vensim对生态模型的存量流量图进行模拟,并探讨了各类模型的统一微分形式。结果表明：系统的基本状态、反应动力学和水动力学是人工湿地模型不断发展的内在逻辑主线,但是不同类型的模型在建立基点、适用条件及所反映的机理等方面各有侧重。衰减模型关注于湿地的污染物去除效率,动力学模型则反映湿地的污染物去除速率,Monod模型中关注到微生物的新陈代谢作用对污染物去除的贡献,而生态动力学模型则以“箱式”模型理论为基础,包含了碳循环、氮循环、储水量、溶解氧、自养微生物和异氧微生物六个子模块,更为系统地考虑到人工湿地内部的各种反应机理和降解过程。从物理、化学和生物过程的协同作用出发,在现有模型的基础上进一步完善,探讨人工湿地模型的统一微分形式为dC/dt=-kCn/(K+C)m,其中,m、n为结构参数,取值不同,可获得介于现有模型之间的过渡模型。

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摘要  7-9
ABSTRACT  9-13
第1章绪论  13-41
  1.1 农村生活污水现状及富营养化的危害  13-16
    1.1.1 农村生活污水现状  13-14
    1.1.2 水体富营养化的危害  14-16
  1.2 农村生活污水处理技术  16-19
    1.2.1 农村生活污水处理技术分类  16-17
    1.2.2 农村生活污水处理技术选择  17-19
  1.3 潜流人工湿地技术  19-29
    1.3.1 潜流人工湿地的类型和特点  19-21
    1.3.2 潜流人工湿地的净化作用  21-22
    1.3.3 潜流人工湿地的去污机理  22-24
    1.3.4 人工湿地系统的工程参数  24-28
    1.3.5 人工湿地系统的数学模型  28-29
  1.4 课题研究的主要内容  29-31
    1.4.1 课题研究的现实意义  29-30
    1.4.2 课题研究的主要内容  30-31
  参考文献  31-41
第2章水生植物静态净水效果和氧气输导性能研究  41-65
  2.1 喜温植物浮床静态净水试验  41-48
    2.1.1 材料与方法  41-44
    2.1.2 结果与讨论  44-48
  2.2 耐寒植物浮床静态净水试验  48-52
    2.2.1 材料与方法  48-50
    2.2.2 结果与讨论  50-52
  2.3 水生植物根系氧气扩散速率  52-57
    2.3.1 材料与方法  53-55
    2.3.2 结果与讨论  55-57
  2.4 水生植物光合特性影响试验  57-61
    2.4.1 材料与方法  58-59
    2.4.2 结果与讨论  59-61
  2.5 本章小结  61-62
  参考文献  62-65
第3章人工湿地基质静态吸附除磷性能研究  65-97
  3.1 试验材料  65-66
  3.2 试验方法  66-68
    3.2.1 基质静态吸附除磷试验  66-67
    3.2.2 基质吸附除磷效果影响因素试验  67-68
    3.2.3 基质吸附除磷动力学和热力学试验  68
  3.3 结果与讨论  68-93
    3.3.1 基质静态吸附除磷性能研究  68-73
    3.3.2 基质吸附除磷性能影响因素研究  73-85
    3.3.3 基质吸附除磷动力学与热力学研究  85-93
  3.4 本章小结  93-94
  参考文献  94-97
第4章不同基质复合垂直流人工湿地处理效果对比研究  97-141
  4.1 试验系统  97-99
    4.1.1 试验水样  97
    4.1.2 试验装置  97-99
  4.2 试验方法  99-102
    4.2.1 单一基质动态净水试验  100-101
    4.2.2 组合基质动态净水试验  101
    4.2.3 脱氮机理及影响因素试验  101-102
    4.2.4 运行参数优选的多指标正交试验  102
  4.3 结果与讨论  102-137
    4.3.1 单一基质复合流人工湿地净化效果  102-123
    4.3.2 组合基质复合流人工湿地净化效果  123-126
    4.3.3 复合流人工湿地脱氮机理及影响因素  126-133
    4.3.4 复合流人工湿地运行参数的优选  133-137
  4.4 本章小结  137
  参考文献  137-141
第5章潜流人工湿地处理农村生活污水的运行试验  141-171
  5.1 试验系统  141-147
    5.1.1 试验进水  141-144
    5.1.2 试验湿地  144-147
  5.2 潜流人工湿地主要运行参数的影响分析  147-163
    5.2.1 水力停留时间对污染物去除率的影响分析  147-154
    5.2.2 负荷率对污染物去除速率的影响分析  154-158
    5.2.3 温度对污染物去除速率的影响分析  158-163
  5.3 潜流人工湿地系统污染物沿程变化规律  163-167
    5.3.1 潜流人工湿地取样点设置  163-165
    5.3.2 污染物沿程变化规律  165-167
  5.4 本章小结  167-168
  参考文献  168-171
第6章人工湿地污染物去除动力学模型的探讨  171-185
  6.1 人工湿地的基本动力学模型  171-173
    6.1.1 衰减模型  171
    6.1.2 一级动力学模型  171-172
    6.1.3 零级动力学模型  172-173
    6.1.4 MONOD动力学模型  173
  6.2 人工湿地的生态动力学模型  173-179
    6.2.1 碳循环子模块  174-175
    6.2.2 氮循环子模块  175-176
    6.2.3 储水量子模块  176-177
    6.2.4 溶解氧子模块  177
    6.2.5 自养微生物子模块  177-178
    6.2.6 厌氧微生物子模块  178-179
  6.3 人工湿地去污动力学模型的对比  179-180
    6.3.1 人工湿地模型之间的相异点  179-180
    6.3.2 人工湿地模型之间的互补性  180
  6.4 人工湿地去污动力学模型的归一化  180-182
    6.4.1 人工湿地模型的一般微分方程  180-181
    6.4.2 人工湿地模型的统一微分方程  181-182
  6.5 本章小结  182-183
  参考文献  183-185
第7章结论和展望  185-189
  7.1 研究结论  185-186
  7.2 主要创新内容  186-187
  7.3 后续研究建议  187-189
致谢  189-191
攻读学位期间发表的论文  191

潜流人工湿地处理农村生活污水的工艺研究

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