进出水位置对水平潜流人工湿地水力效率影响及可视化分析研究

通过对水平潜流人工湿地9种不同进出水方式进行NaCl脉冲示踪实验,得到不同进出水方式下的水力停留时间分布密度曲线,计算其平均水力停留时间、表观水力停留时间、峰值停留时间等水力学参数,根据不同停留时间的对比关系计算相对水力效率。此外,利用染料进行不同进出水方式下的可视化示踪实验,通过MATLAB图像处理,获得高对比度的流态图像。识别不同进出水方式下的"死区"分布,计算"死区"相对面积用以表征其水力效率。结果表明:(1)进出水方式为中进上出和下进上出时,水力效率相对较高;(2)水力分布散度会对水力效率造成较大影响;(3)相比有效体积比,采用水力学效能所得到的排序结果更能代表水平潜流人工湿地的实际水力效率;(4)出水口位置对水平潜流人工湿地"死区"分布和面积有较大影响,在实际水平潜流人工湿地的设计中,出水口位置设置在上部、转角处设计为圆角将有助于减小"死区"面积、提高水力效率,有利于发挥人工湿地最大除污效果。     

不同运行条件下潜流人工湿地的水力效率分析

水力停留时间是湿地系统处理效果和水力学优化设计考虑的重要因素。在实际工程应用中,可通过调节不同的运行条件使湿地得到最优化。鉴于水力效率可以综合分析水力停留时间及分布散度对湿地水力学性能的影响,通过不同进/出水口位置和进水流量下潜流人工湿地的脉冲示踪实验,获得其水力停留时间分布曲线,计算不同运行条件下的相对水力效率并进行对比分析。结果表明,进水口位置在上层(进水口①)和小进水流量(0.050 7 m3/h)的湿地系统因具有较长的平均水力停留时间和较小的分布散度,因此其水力效率最高;各进水口的潜流人工湿地出水口位置在上层(出水口①)的有效体积比和水力效率均最大,这可能与出水口所在的填料层孔隙率有关。     

水平潜流人工湿地在不同水力负荷下的水力效率及可视化分析

构建水平潜流人工湿地装置,通过NaCl示踪脉冲实验,得到不同水力负荷条件下的水力停留时间分布密度曲线,根据不同停留时间的关系计算相对水力效率,并利用染料,进行不同水力负荷下的可视化示踪实验,通过MATLAB处理得到高对比度的流态图像。观察"死区"分布,计算"死区"相对面积用以表征其水力效率。结果表明,湿地装置进水水力负荷较高或较低时,水力效率均较低,且水力负荷较大时更明显;水力分布散度(σ2θ)的大小会对水平潜流人工湿地水力效率造成较大影响;在不同水力负荷下,采用水力学效能(λ)所得到的排序结果相比短路值(s)和有效体积比(e)更能代表实际水平潜流人工湿地的水力效率。     

基质结构对水平潜流人工湿地净化效果影响

为研究基质填充结构变化对人工湿地净化效果的影响,构建2个不同基质结构的对比水平潜流人工湿地实验系统,对城市污水处理厂出水进行深度处理。实验结果表明,1～7 mm石英砂均混填充结构人工湿地系统对COD、NH4+-N和TP的平均去除率分别为49.5%,40.1%和56.1%;比较而言,1～7 mm石英砂分层填充结构湿地系统对3种污染物的平均去除率分别为53.7%,60.4%和68.6%。方差分析表明,不同石英砂结构的人工湿地对COD、NH4+-N及TP的净化效果差异显著(p<0.05)。此外,不同水力停留时间条件下,基质填充结构不同的湿地系统对以上3种污染物的净化效果也存在显著差异(p<0.05),去除率随着水力停留时间的增加而升高,当HRT为36 h时,各系统均能取得较好的净化效果。     

水力停留时间变化对2种人工湿地净化效果的影响

依托建立在新沂河河漫滩的人工湿地中试工程开展现场实验,研究分析水力停留时间变化对2种人工湿地污染物净化效果的影响。结果表明:水力停留时间的变化显著影响潜流和垂直流湿地污染物净化的效果,2种湿地高锰酸盐指数和氨氮(NH4+-N)去除效果随水力停留时间的变化均呈现先上升后下降的趋势。垂直流人工湿地显示出比潜流湿地更好、更稳定的污染物净化效果,其高锰酸盐指数和NH4+-N去除效果的最佳停留时间均出现在2 d左右,2种污染物的去除率分别达到93.1%和87.7%;而潜流湿地在水力停留时间为2 d左右时高锰酸盐指数去除率最高,达到92.3%,在2.5 d左右的时候NH4+-N去除率最高,达到81.5%。潜流和垂直流湿地都适合应用于新沂河污染河水的处理,在设计和实践应用中,两者的水力停留时间参数均可设定为2 d。     

基质粒径与排空时间对潮汐流人工湿地运行效能的影响

潮汐运行是强化人工湿地供氧的一种有效途径。为了解基质粒径对潮汐流人工湿地(TFCWs)处理效果及复氧过程的影响,研究了不同基质粒径TFCWs的处理性能,建立了TFCWs排空期氧转移过程的研究方法。结果表明基质粒径影响湿地对NH4+的吸附性及排空期基质孔隙氧体积占比进而影响处理效果,7～9 mm基质粒径的湿地达到最佳的氨氮去除率82.6%,3～5 mm基质粒径的湿地达到最佳的COD去除率88.2%,粒径基质小的湿地中氨氧化菌属和反硝化菌属的相对丰度更高,脱氮能力强;分析排空期基质孔隙氧体积占比变化与湿地微生物耗氧过程的联系,能够优化潮汐流湿地系统的排空时间,湿地微生物的耗氧活动主要集中在氧体积占比快速下降阶段,更长的排空时间对复氧能力没有明显提升,本研究中8 h的排空时间即可满足湿地系统的氧需求。     

潜流人工湿地水力学特性及工程设计

以净化低污染水体的潜流人工湿地水力学特性工程设计为重点，系统开展了室内外实验研究，并利用Peelet数分析了水平潜流人工湿地碎石床渗流返混程度。结果表明，潜流人工湿地集水花管孔口出流计算、基质填料内渗流计算、碎石床平均水力停留时间计算可分别借鉴薄壁孔口恒定淹没出流、线性或非线性渗流、活塞流理论；但受工程实际条件及运行淤堵等影响，工程实测结果均小于理论计算值。基于室内外实验成果，提出一套包括集配水系统水力计算、填料内渗流计算、平均水力停留时间计算在内的潜流人工湿地水力学特性计算方法和参数选择，可为人工湿地技术的工程设计提供借鉴。     

模块化人工湿地水力学性能数值模拟与优化

针对模块化人工湿地系统构建过程中存在的关键性问题,借助数值模拟方法对不同湿地基质铺设顺序、基质厚度和导流板设置方式下湿地内部的水力学性能进行系统评价。结果表明,保持各基质层铺设厚度一致(200mm)的前提下,由上至下依次按照中、大、小的阻力系数顺序铺设基质时,湿地模块内的水力学性能最优,水力效率(λ)可达0.912,在此铺设顺序下,当上、中、下层基质的厚度比设置为1∶4∶1并在模块湿地底部中间位置处(600mm)设置与下层基质等高(100mm)的导流板,湿地内部水力效率最佳,λ达到0.965。     

垂直潜流人工湿地有机物积累及去向初步分析

为防治湿地堵塞、改善湿地处理效果,初步探讨了湿地中有机物的积累规律,并估算湿地中有机物不同去除途径的贡献率。结果表明,垂直潜流人工湿地中基质间积累的有机物主要是不可溶有机物,且粒径主要集中在5.00μm以上,分析是不同粒径有机物凝聚积累的缘故;垂向沿程基质间有机物的积累量受进水水力负荷影响明显;进入垂直潜流人工湿地中的有机物绝大部分都被生物(植物和微生物)吸收和利用而得以去除,该途径贡献率可达99.9%以上。     

环境因素对不同工艺人工湿地反硝化功能基因丰度影响

反硝化细菌在人工湿地对N元素去除的过程中发挥着关键作用.为了解湿地类型、基质、植被和水力负荷及物理参数对人工湿地反硝化功能细菌丰度的影响,构建了9个不同工艺组合的人工湿地小试装置.利用实时荧光定量PCR技术检测湿地基质中反硝化功能基因nirS,nirK和nosZ的丰度.结果显示,湿地中nirS,nirK和nosZ丰度(以每ng总DNA中的拷贝数计)分别为4.88×103～2.13×105 copies/ng,1.2×101 ～ 2.14×103 copies/ng和1.98×103～ 2.09 × 105copies/ng,其中nirS显著高于nirK丰度,nirS丰度与湿地出水的pH显著正相关.分析湿地4种设计参数对反硝化功能基因丰度的影响程度,结果显示,对nirS丰度影响程度大小依次为湿地类型＞植被类型＞水力负荷＞基质类型,水平潜流和上行垂直流人工湿地中nirS丰度显著高于下行垂直流人工湿地,无植物人工湿地nirS丰度显著高于有植物人工湿地;对nirK丰度影响程度大小依次为湿地类型＞植被类型＞基质类型＞水力负荷,水平潜流人工湿地nirK丰度显著高于下行垂直流湿地;对nosZ丰度影响程度大小依次为湿地类型＞水力负荷＞植被类型＞基质类型,但影响都不显著.     

Effect of the inlet-outlet positions on the hydraulic performance of horizontal subsurface-flow wetlands constructed with heterogeneous porous media

Effects of the inlet and outlet position on flow patterns of saturated fluids in a horizontal subsurface-flow constructed wetland were investigated experimentally using a quasi two-dimensional flow cell representing a vertical cross-section in the longitudinal direction of the wetland. The filter medium consisted of glass beads that were either uniformly sized or a mixture of sizes with a distribution corresponding to wetland filter media. Flow through the filter bed was visualized by injecting dyed fluid into the water-saturated model. Next, breakthrough curves were obtained using chloride tracer. Flow through the homogeneous filter formed by uniformly sized beads displayed a clear density-driven component. Using mixed sizes, finer and coarser beads tended to separate into alternating and incomplete layers. Flow occurred preferentially along roughly horizontal high-conductivity paths of coarser filter material. Density-driven vertical flow was much slower than the horizontal flow. Nevertheless, appropriate positioning of the inlet and less importantly the outlet could to some extent mitigate the dominant effect of the medium stratification on the flow patterns. Using inlet-outlet configurations that forced the flow through larger portions of the filter bed by injecting into low-conductivity layers and opposing the gravity-driven flow increased the treatment efficiency.     

潜流湿地对典型选控性有机污染物去除的预测

建立潜流湿地有机污染物迁移转化模型,采用多孔介质模型描述潜流湿地的水力特性,并引入Monod方程相耦合,实现对湿地系统内部流场及水质浓度的同时模拟。通过实验,校核模型参数,并验证模型。结果表明,该模型能较好模拟潜流湿地中有机污染物的去除效果;计算条件下,在不同基质填料的潜流湿地中都会出现滞水区和快速通道,影响水力效率与污染物去除效果;预测了不同填料系统中7种典型选控性有机污染物的去除效果,其处理效率:苯胺苯酚二甲苯甲苯苯硝基苯氯苯,可通过优选填料提高吸附量和延长停留时间来提高选控性有机物的处理效果。     

复合人工湿地中低浓度有机物的去除及Monod模型模拟

以复合人工湿地工程实例为研究对象,研究了其在连续5个月内对低浓度有机污染物的深度处理效果,采用简化的Monod动力学模型对研究湿地进行模拟并验证,讨论了污染负荷与去除率的相关性以及BOD/COD比值对有机污染物降解系数的影响。研究湿地总面积为5 000 m2,进水水量为860～1 560 m3/d,水力停留时间为1.48～2.69 d,水力负荷为0.17～0.31 m/d,进水中有机污染物浓度较低(BOD53.0～25.6 mg/L;COD 22.9～89.8 mg/L)。结果表明,复合湿地组合形式对BOD5和COD的去除率分别介于37.9%～79.0%和41.0%～68.7%之间,简化的Monod模型对湿地中BOD5和COD去除的预测值与实验观测值吻合程度较好;BOD5、COD的去除率分别随着进水BOD5和COD浓度的增加而增大,而增长趋势逐渐变缓,当有机污染负荷低时,模型的K值较小;低浓度有机污染物在VSF、FWS和HSF湿地中的去除效率与有机物是否容易或者缓慢被微生物降解的性质相关性较差,这可能与人工湿地中存在的其他因素促进了有机污染物的去除有关。     

潜流式湿地系统停留时间分布实验结果分析

鉴于水力停留时间对人工湿地系统处理效果和构建设计的重要性,通过示踪实验测定了潜流式湿地系统的停留时间分布,结合反应器理论,对实验测定的不同进水流量范围的停留时间响应结果,分别以多釜串联模型以及移位正态分布函数进行拟合,并进一步对系统的水力平均停留时间、系统的流动形态以及非理想性进行了分析和讨论,为湿地系统的水力学优化设计和实际运行提供理论基础和技术参数.     

宽叶香蒲表面流人工湿地脱氮除磷效果研究

以运行A/O工艺的生化反应器出水为处理对象,在中试规模上研究了宽叶香蒲表面流人工湿地的脱氮除磷效果及影响因素.结果表明,在工况Ⅰ条件下,COD去除率为43.2%,COD面积负荷去除率为4.79 g/(m2·d),COD面积负荷去除率常数为0.18 m/d,SS、NH4+-N和NO-3-N的去除率分别为41.2%、9.4%、3.4%,TN去除率为11.8%,TN面积负荷去除率为1.36g/(m2·d),TN面积负荷去除率常数为0.04 m/d,TP去除率为30.1%,TP面积负荷去除率为0.29 g/(m2·d),TP面积负荷去除率常数为0.13 m/d;在工况Ⅱ条件下,COD去除率为18.7%,COD面积负荷去除率为1.19 g/(m2·d),COD面积负荷去除率常数为0.06 m/d,SS、NH4+-N、NO2--N、NO3--N的去除率分别为31.6%、29.8%、65.0%,29.2%.TN去除率为31.4%,TN面积负荷去除率为2.33 g/(m2·d),TN面积负荷去除率常数为0.12 m/d,TP去除率为29.4%,TP面积负荷去除率为0.22 g/(m2·d),TP面积负荷去除率常数为0.11 m/d.在COD面积负荷去除率,TN面积负荷去除率、TP面积负荷去除率分别为4.90～9.80、2.76～8.83、0.57～1.39 g/(m2·d),水力停留时间(HRT)为0.4～1.1 d条件下,随HRT,水温、(NO2+-N+NO3--N)/TN的增加,表面流人工湿地的TN面积负荷去除率线性增加.     

2种人工湿地的水力停留时间及净化效果

以复合垂直流人工湿地(IVCW)和水平潜流人工湿地(HSCW)为研究对象,研究了2种湿地运行的季节性最佳水力停留时间(HRT)参数,并监测了2种湿地在最佳HRT参数下运行时对污水的净化效果。结果显示:(1)在IVCW中,最佳HRT在春、秋季为8～10 h;夏季为6 h;冬季为12 h。在HSCW中,最佳HRT在春、秋季为10～12 h;夏季为6～8h;冬季为24～36 h。(2)2种湿地对COD的去除率均无显著的季节性差异;湿地进水中NH4+-N/TN比值与TN去除率显著负相关;不同季节下IVCW对TN的去除效果均高于HSCW。(3)水温对TN、TP去除率的影响在IVCW中比HSCW中的明显;水温高时,2种湿地中的TN去除率较高,IVCW中的TP去除率也较高,但HSCW中的TP去除率则较低,它们间均未达到显著的相关性。     

椰糠填料用于人工湿地处理制胶废水

以椰糠作为湿地工作层主要填料,采用复合垂直流人工湿地处理海南天然橡胶加工业低浓度废水。结果表明,在144 mm/d水力负荷条件下,椰糠填料人工湿地对废水中的COD、BOD5、NH3-H及TP的去除率分别达到68.99%、66.49%、59.55%和75.22%,显著高于无椰糠对照组。当水力负荷提高至216 mm/d,系统运行稳定,出水水质仍能达到污水排放标准(GB 8978-1996)和《农业灌溉水质标准》(GB5084-92)。     

不同类型潜流湿地处理养猪废水的对比

针对养猪废水的水质特点,在同等条件下开展了2种类型潜流湿地处理效果的对比研究。实验结果表明,水平潜流湿地(HSSF)与垂直潜流湿地(VSSF)由于结构设计的不同造成其布水方式和系统内部水力流态的不同,从而导致了两系统对养猪废水处理效果的差异;当水力负荷为0.02 m3/(m2.d)时,两系统对养猪废水中COD的平均去除率分别为93.18%和93.10%,对TN的平均去除率分别为53.44%和81.43%,对NH4+-N的平均去除率分别为52.64%和84.62%,对TP的去除率分别为88.41%和95.71%;垂直潜流湿地可充分利用填料层,可增强系统的复氧能力,还可实现填料层中好氧区、缺氧区和厌氧区的共存,使硝化作用与反硝化作用在同一系统内完成,提高了系统的脱氮能力,而且改善了养猪废水中其他污染物的去除效果。因此,结合处理效果和出水水质的稳定性,对于浓度较高的畜禽养殖废水,选择垂直潜流湿地较为合适。