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复合垂直流人工湿地系统甲烷排放驱动究

作　者: 胡丽梅
导　师: 罗鸿兵
学　校: 四川农业大学
专　业: 环境工程
关键词: 甲烷排放非点源复合垂直流人工湿地水力学示踪驱动试验风车草
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来大气中甲烷浓度显著增加,由人类活动排放的甲烷占全球甲烷通量的54%-72%。根据IPCC(2007)估测,湿地约占甲烷总源的20%,是大气甲烷的主要自然来源之一。农业非点源污染已经成为我国最严重的环境问题之一,对农产品质量安全、人体健康和生态环境构成严重威胁,人工湿地作为一种生态污水处理技术,与其他污水技术相比具有无可比拟的优势,特别适于我国非点源污染严重的经济相对落后的农村或郊区,目前小型庭院人工湿地处理系统已在成都市郫县园田村、安龙村成功推广应用,因此研究此类人工湿地甲烷驱动排放具有重要意义。本研究课题参考园田村的小型庭院人工湿地系统,实验室构建了由5层不同介质组成的复合垂直流人工湿地系统物理模型,并结合水力学示踪试验分析了以葡萄糖为碳源驱动甲烷排放规律。该人工湿地5层介质分布情况为：最底层采用粒径30-60mm的卵石(厚度为150mm),其上依次是10～30rnrn粒径的砾石(厚度为100mm)、2～10mm粒径的砾石(厚度为100mm)、1～2mm粒径的粗砂(厚度为100mm),表层为1mm以下粒径的细砂,(厚度为150mm)。首先以氯化钠为示踪剂,分析探讨了复合垂直流人工湿地系统实际水力停留时间以及垂直方向上的水力渗透规律。然后,外加了不同浓度葡萄糖(C6H1206)作为碳源,对风车草复合垂直流人工湿地处理系统中进水池和出水池的根水系统(植物根系+水)和茎叶系统(植物茎+植物叶)的甲烷气体进行连续4天不同频率的收集与测定,并分析探索了CH4与碳源、水质指标的关系以及风车草植物不同部位与甲烷排放的关系。研究结果表明：(1)不同介质层内部水力处于扩散非均匀状态,实际水力停留时间过长。第Ⅰ、Ⅱ层基质空隙率太小,滞水现象严重,容易造成堵塞。出水池出口位置不合理,同时导致出水池中水流动力较小,在出水池第V层滞留现象较严重。但滞留现象表明了水力条件为甲烷产生提供了一定的有利条件,也揭示优化水力状况对控制甲烷的产生具有重要作用,后续研究需更换表层介质以及对布水、水力停留时间、水力负荷等水力学参数进行优化设计。(2)添加不同浓度碳源后,不同程度驱动了甲烷的排放,甲烷排放主要在试验开始48h内,48h之后甲烷排放量开始降低；高浓度(4mmol/L)葡萄糖作用下甲烷排放量低于低浓度葡萄糖(0.5mmol/L、1mmol/L和2mmol/L);甲烷排放与第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层基质层有机物浓度显著相关。(3)风车草植物茎叶系统(植物茎+植物叶)甲烷排放高于根水系统(植物根系+水),因此风车草释放甲烷的主要部位可能在高度20cm以上的茎干和叶子部位。(4)甲烷排放量与水质指标表现出一定的相关性。D0、氧化还原电位、电导率、总溶解性固体越低,甲烷排放量越高；温度、pH越高,甲烷排放量越高；盐度、TN与甲烷排放无明显相关,磷酸盐可能与甲烷排放成负相关。后续需进一步量化分析甲烷排放量与碳源质量的关系。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-29
  1.1 立题背景  11-14
  1.2 国内外研究现状及趋势  14-26
    1.2.1 人工湿地概况  14-18
      1.2.1.1 人工湿地的含义及发展趋势  14-15
      1.2.1.2 人工湿地的分类  15-17
      1.2.1.3 人工湿地的构成及其作用机理  17-18
    1.2.2 人工湿地在农村非点源污染的应用  18-19
      1.2.2.1 农村非点源污染现状  18
      1.2.2.2 农村非点源污染来源及污染特点  18-19
      1.2.2.3 农村非点源污染的主要研究进展  19
      1.2.2.4 农村非点源污染的治理方式  19
    1.2.3 人工湿地水力学特性研究概况  19-21
      1.2.3.1 人工湿地水力学特性  19-20
      1.2.3.2 国内外研究现状及趋势  20-21
      1.2.3.3 人工湿地水力学特性存在的问题  21
    1.2.4 湿地甲烷排放的研究  21-26
      1.2.4.1 湿地甲烷的产生、氧化与传输  21-23
      1.2.4.2 湿地甲烷排放的时空动态  23
      1.2.4.3 湿地甲烷排放的影响因素  23-25
      1.2.4.4 湿地甲烷排放的研究趋势  25-26
  1.3 论文研究内容、技术路线和研究方法  26-29
    1.3.1 研究内容  26
      1.3.1.1 复合垂直流人工湿地系统水力学特性分析  26
      1.3.1.2 CH_4排放的宏观碳驱动机理分析  26
    1.3.2 研究技术路线  26
    1.3.3 研究方法  26-29
      1.3.3.1 复合垂直流人工湿地系统水力学特性分析  26-27
      1.3.3.2 CH_4排放的宏观碳驱动机理分析  27-29
2 材料与方法  29-39
  2.1 供试材料  29-33
    2.1.1 设计的复合垂直流人工湿地系统  29-31
    2.1.2 选用的人工湿地植物  31
    2.1.3 复合人工湿地温室气体收集装置  31-33
  2.2 仪器与主要试剂  33-34
  2.3 试验方案  34-36
    2.3.1 试验地点  34
    2.3.2 复合垂直流人工湿地系统内部水流规律试验研究  34-36
      2.3.2.1 水力停留时间分布(RTD)  34
      2.3.2.2 示踪剂  34-35
      2.3.2.3 水力学示踪试验系统运行工况  35-36
    2.3.3 复合垂直流人工湿地处理系统中CH4排放的碳驱动研究  36
      2.3.3.1 外加碳源物质  36
      2.3.3.2 复合人工湿地运行工况  36
      2.3.3.3 外加碳源驱动试验工况  36
  2.4 甲烷样品采集与测定  36-37
    2.4.1 风车草复合垂直流人工湿地甲烷排放通量气样收集测定  36-37
    2.4.2 环境因子、水样同步采集分析  37
  2.5 水样样品的采集与测定  37
    2.5.1 水质测定指标  37
    2.5.2 水质测定分析方法  37
    2.5.3 水质水质监测频率  37
  2.6 数据处理分析  37-39
3 试验结果与分析  39-97
  3.1 复合垂直流人工湿地系统水力学特性分析  39-58
    3.1.1 水力停留时间的确定  39-41
    3.1.2 复合垂直流人工湿地系统内部水流规律分析  41-55
      3.1.2.1 系统各基质层横断面各采样点水流规律  41-49
      3.1.2.2 系统垂直断面各采样点水流规律  49-55
    3.1.3 复合垂直流人工湿地系统内部污染物质浓度变化分析  55-56
    3.1.4 复合垂直流人工湿地系统内部水力学存在问题  56-57
    3.1.5 复合垂直流人工湿地系统内部水力学问题的解决方法与思路  57-58
  3.2 CH_4排放的宏观碳驱动机理分析  58-97
    3.2.1 同一浓度碳源上、下行池各系统甲烷排放量  58-64
      3.2.1.1 0mmol/L葡萄糖  58-59
      3.2.1.2 0.5mmol/L葡萄糖  59-61
      3.2.1.3 1mmol/L葡萄糖  61-62
      3.2.1.4 2mmol/L葡萄糖  62-63
      3.2.1.5 4mmol/L葡萄糖  63-64
    3.2.2 不同浓度碳源上、下行池各系统甲烷排放量  64-66
      3.2.2.1 (茎+叶)系统  64-65
      3.2.2.2 (根+水)系统  65-66
    3.2.3 不同浓度碳源下甲烷排放量与水质指标(COD、TC、TOC)关系分析  66-74
      3.2.3.1 与COD的关联关系  66-69
      3.2.3.2 与TC的关联关系  69-71
      3.2.3.3 与TOC的关联关系  71-74
    3.2.4 不同浓度碳源下甲烷排放量与其它水质指标的关系分析  74-97
      3.2.4.1 与氧化还原电位关系  74-77
      3.2.4.2 与pH的关系  77-79
      3.2.4.3 与DO的关系  79-82
      3.2.4.4 与电导率的关系  82-85
      3.2.4.5 与总溶解性固体的关系  85-86
      3.2.4.6 与盐度的关系  86-88
      3.2.4.7 与水温的关系  88-91
      3.2.4.8 与氮元素的关系  91-94
      3.2.4.9 与磷元素的关系  94-97
4 试验讨论  97-107
  4.1 复合垂直流人工湿地系统水力学优化改进  97-100
  4.2 甲烷排放量与外加碳源的关系  100-103
  4.3 甲烷排放量与环境因子的关系  103-104
  4.4 植物不同部位对甲烷排放的作用  104-107
5 结论  107-109
  5.1 主要成果  107
  5.2 创新点  107
  5.3 建议  107-109
参考文献  109-117
作者在读期间主要参与科研项目与发表论文  117-118
致谢  118

复合垂直流人工湿地系统甲烷排放驱动究

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