强化垂直流—水平流组合人工湿地处理生活污水研究

【摘要】： 针对垂直流-水平流(vertical flow-horizontal flow,简称VF-HF)组合人工湿地系统普遍存在脱氮能力季节性差异和HF段反硝化碳源不足等问题,本研究通过在VF段填充一定量沸石基质,构建离子交换-生物再生强化组合人工湿地系统(enhanced vertical flow-horizontal flow hybrid constructed wetland,简称VF2-HF2),暖季和寒季,实现微生物与沸石基质协同脱氮,并以曲阳污水处理厂初沉池出水为试验用水,与VF段填充砾石构建的组合人工湿地系统(verticalflow-horizontal flow hybrid constructed wetland,简称VF1-HF1)进行了COD、NH_4~+-N、TN和TP处理效果比较研究。同时,开展了沸石生物再生动力学和水生植物枯叶强化HF段反硝化的动力学小试试验研究。 当水力停留时间为4.4～17.6d,进水COD 120～300 mg·L~(-1)、氨氮12～33 mg·L~(-1)、总氮24～42 mg·L~(-1)和总磷2.8～9.4 mg·L~(-1)时,VF1-HF1组合湿地系统全年的去除率分别为64%～94%、4%～72%、3%～71%和15%～98%,而VF2-HF2组合湿地系统全年的去除率分别为82%～99%、52%～98%、34%～91%和20%～98%。当HRT≥4.4d,VF2-HF2组合湿地系统出水COD、氨氮、总氮和总磷全年可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)规定的一级B标准。如以出水水质达到GB18918-2002规定的一级B为主要目标,综合考虑处理水量和沸石生物再生要求,推荐VF1-HF1组合湿地系统采用HRT=17.6d,VF2-HF2组合湿地系统采用HRT=8.8d运行较为合适。 基质类型对COD去除效果无显著影响,有机物的降解主要是通过厌氧菌和好氧菌的生物作用实现的,基质主要作为微生物附着的载体;菖蒲和水葱组成的多植物系统具有较发达的根系,能为微生物的附着生长提供更多的表面积,同时对有机物也具有较高的吸收能力,因此对COD的去除能力要优于单一的芦苇植物系统。对全年脱氮途径的分析和计算结果表明,生物脱氮占69%,是VF2-HF2人工湿地主要的脱氮形式,沸石吸附仅占16%,证明暖季沸石的吸附能力可以实现生物再生;对全年磷去除途径计算和分析可知,VF2-HF2组合人工湿地系统除磷作用主要发生在VF段,基质的吸附和沉淀作用是除磷的主要途径,占除磷总量的84%,植物收割仅占4%,证实植物收割除磷对高负荷污水处理的作用是有限的。 沸石生物再生小试试验结果表明,沸石对氨氮的吸附和离子交换作用主要在2d内完成,沸石对NH_4~+的饱和吸附量为3.32mgN·g~(-1);阳离子浓度、曝气、硝化细菌和异养菌对饱和沸石再生效率的影响均可用一级动力学方程(y=1-e~(-kt))模拟,曝气吹脱作用可使再生效率在再生液阳离子自然再生基础上提高1.5%,异养菌的存在可使再生效率提高7.7%,硝化细菌的存在可使再生效率提高48.9%。异养菌与硝化细菌共存时,再生时间超过80d时,硝化细菌和异养菌的生长存在底物抑制。通过对沸石再生前后沸石中的主要阳离子浓度(K~+、Na~+、Ca~(2+)和Mg~(2+))测定可知,K~+和Na~+在沸石氨氮再生过程中起主要作用,这与四种离子与氨氮的分离因数测定结果相一致。 植物枯叶释放有机碳源强化HF段反硝化是可行的。香蒲枯叶在投加后7～11d内反硝化速率最快,植物生长可将反硝化动力学常数k提高0.72倍,香蒲枯叶的投加可将反硝化动力学常数k提高3.56倍,香蒲枯叶经预处理后可将反硝化动力学常数k提高10.35倍;香蒲枯叶经碱洗预处理后,氨氮的释放速率和释放量随之增加,易降解含氮有机物在植物枯叶投加后10 d内分解较快,难降解有机氮化合物在在植物枯叶投加后17 d,可在酶催化剂作用下水解。PCR-DGGE分析结果表明,香蒲枯叶的投加和植物的生长都使反应器中的Shannon-Wiener指数发生一定变化。对DGGE结果进行测序分析和比对结果表明,反应器内主要存在的反硝化菌为Leptolyngbya属和Escherichia属,其相似性都达到了99%。 【关键词】：组合人工湿地 村镇生活污水 脱氮除磷途径 沸石生物再生 反硝化碳源
【学位授予单位】：同济大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第1章 绪论15-36
• 1.1 研究背景15
• 1.2 村镇生活污水的处理15-16
• 1.3 人工湿地污水处理技术16-24
• 1.3.1 人工湿地的定义16-17
• 1.3.2 人工湿地的分类及特点17-19
• 1.3.3 人工湿地污染物净化机理19-20
• 1.3.4 人工湿地污染物去除影响因素20-22
• 1.3.5 国内外人工湿地的研究热点22-24
• 1.4 组合人工湿地研究进展24-28
• 1.4.1 HF/VF组合人工湿地26
• 1.4.2 VF-HF组合人工湿地26-27
• 1.4.3 强化VF-HF组合人工湿地概念的提出27-28
• 1.5 离子交换-生物再生强化人工湿地脱氮研究28-31
• 1.5.1 沸石的组成及特性28-30
• 1.5.2 沸石生物再生研究进展30-31
• 1.6 植物枯叶强化人工湿地反硝化的动力学及微生物研究31-33
• 1.6.1 人工湿地反硝化动力学31-32
• 1.6.2 人工湿地植物中的营养物32-33
• 1.6.3 人工湿地反硝化微生物33
• 1.7 研究目的及内容33-36
• 1.7.1 课题来源33-34
• 1.7.2 研究的目的与意义34
• 1.7.3 研究内容与技术路线34-36
• 第2章 试验材料与方法36-45
• 2.1 试验地点和气候条件36
• 2.2 试验装置和材料36-40
• 2.2.1 试验装置36-39
• 2.2.2 试验材料39-40
• 2.2.3 试验用水水质40
• 2.3 分析方法40-45
• 2.3.1 常规水质分析40-41
• 2.3.2 有机物分析41-42
• 2.3.3 基质分析42-43
• 2.3.4 植物中N、P含量分析43-44
• 2.3.5 统计分析44-45
• 第3章 组合人工湿地系统运行性能和影响因素分析45-98
• 3.1 COD的去除效果及影响分析46-48
• 3.2 氨氮的去除效果及影响分析48-58
• 3.2.1 HRT对氨氮去除率的影响49-54
• 3.2.2 进水氨氮负荷对去除效果的影响54-56
• 3.2.3 温度对氨氮去除的影响56-58
• 3.3 总氮的去除效果及影响分析58-67
• 3.3.1 HRT对总氮去除率的影响59-63
• 3.3.2 进水总氮负荷对去除效果的影响63-65
• 3.3.3 温度对总氮去除的影响65-67
• 3.4 总磷的去除效果及影响分析67-74
• 3.4.1 HRT对总磷去除效果的影响68-71
• 3.4.2 进水总磷负荷对去除效果的影响71-73
• 3.4.3 温度对总磷去除的影响73-74
• 3.5 组合人工湿地脱氮途径分析74-85
• 3.5.1 人工湿地氮转化模式74-75
• 3.5.2 组合人工湿地氮去除计算方法75-76
• 3.5.3 四季污水中各态氮负荷率的变化76-78
• 3.5.4 植物吸收78-80
• 3.5.5 基质吸附80-81
• 3.5.6 有机氮沉积81
• 3.5.7 生物脱氮81-82
• 3.5.8 组合人工湿地系统脱氮途径贡献分析82-85
• 3.6 组合人工湿地除磷途径分析85-92
• 3.6.1 人工湿地磷转化模式85-86
• 3.6.2 组合人工湿地磷去除计算方法86-87
• 3.6.3 基质中磷的空间分布与形态分析87-89
• 3.6.4 水生植物中含磷量分析89-90
• 3.6.5 有机磷沉积90
• 3.6.6 组合人工湿地除磷途径贡献分析90-92
• 3.7 强化VF-HF组合人工湿地运行模式探讨92-95
• 3.7.1 湿地运行参数92-93
• 3.7.2 强化VF-HF组合人工湿地运行方式93-95
• 3.8 本章小结95-98
• 第4章 沸石对铵吸附能力及生物再生试验研究98-112
• 4.1 引言98
• 4.2 试验材料与方法98-103
• 4.2.1 试验装置98-99
• 4.2.2 试验材料99-101
• 4.2.3 实验步骤101-102
• 4.2.4 试验方法102-103
• 4.3 试验结果与讨论103-111
• 4.3.1 沸石的饱和吸附容量103-104
• 4.3.2 沸石中氨氮的解吸和硝化104-105
• 4.3.3 饱和沸石的再生效率和硝化效率105-107
• 4.3.4 饱和沸石生物再生途径的贡献107-109
• 4.3.5 沸石再生前后阳离子分布及表观形态观察109-111
• 4.4 本章小结111-112
• 第5章 植物枯叶强化人工湿地反硝化的动力学研究112-135
• 5.1 研究目的112
• 5.2 试验材料与方法112-117
• 5.2.1 试验装置112-113
• 5.2.2 试验材料113-114
• 5.2.3 试验步骤114-115
• 5.2.4 试验方法115-117
• 5.3 试验结果与讨论117-133
• 5.3.1 植物生长对反硝化动力学影响分析117-119
• 5.3.2 枯叶对反硝化动力学影响分析119-121
• 5.3.3 枯叶预处理对反硝化动力学影响分析121-123
• 5.3.4 枯叶投加中后期反硝化效果比较分析123-124
• 5.3.5 反硝化速率常数k之间关系探讨124-126
• 5.3.6 各反应器SCOD和总氮变化规律研究126-129
• 5.3.7 枯叶预处理前后氨氮释放研究129-130
• 5.3.8 反硝化微生物研究130-133
• 5.4 本章小结133-135
• 第6章 结论与建议135-138
• 6.1 结论135-137
• 6.2 建议137-138
• 致谢138-139
• 参考文献139-151
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果151

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