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强化垂直流—水平流组合人工湿地处理生活污水研究

作　者: 李剑波
导　师: 周琪
学　校: 同济大学
专　业: 环境工程
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
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


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、NH4+-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NH4+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+、Ca2+和Mg2+)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%。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-15
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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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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