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。     

非均质多孔介质对水平潜流人工湿地水力效率的影响

对比以不同粒径(4～9、8～12、11～17mm)非均质多孔介质(玻璃珠)作为基质的水平潜流人工湿地(以有机玻璃板材模拟)的水力效率、水力停留时间等参数,并参照其流态变化进行分析。结果表明:(1)均以上端为进水口、下端为出水口,水流流经不同粒径玻璃珠的水平潜流人工湿地会产生不同的流态。(2)玻璃珠粒径小(4～9mm)的水平潜流人工湿地中,染料在其中运动并最终能够迁移到出水口的有效空间最大,空间利用率最大,则有效体积比最大,染料流经区域面积最大;转角处染料呈圆角流过,死区范围小。(3)当玻璃珠粒径为4～9mm时,水平潜流人工湿地具有最长的平均水力停留时间(0.437 8h)和最小的水流散度(标准方差为0.052 5),使得水平潜流人工湿地的有效体积比最高(0.495 7),水力效率也最高(0.469 6)。随着粒径的增大,平均水力停留时间缩短,水流散度增大,而有效体积比和水力效率均呈减小趋势。(4)合理的水力停留时间分布能够提高有效体积比,而有效体积比越高,即污水在水平潜流人工湿地中运动并最终能够迁移到出水口的有效空间越大,污染物与基质以及附着在基质上的微生物的接触越充分,从而提高污染物的去除率。     

曝气对水平潜流人工湿地水力特性的影响

通过构建曝气及未曝气潜流人工湿地小试实验系统,以NaCl为示踪剂开展示踪实验,研究曝气对人工湿地水力特性的影响。实验结果表明,两对比系统均存在不同程度的短流及死区现象,短流主要发生在床体表层,而死区则存在于床体底层。其中未曝气人工湿地系统的流场分布不均匀现象较为严重,示踪剂滞留在床体底层难以回收,系统水力效率较低(0.56)。比较而言,由于气流对水体的扰动作用,曝气对人工湿地系统水力效率有明显改善作用,减缓了床体表层水流速度,提高了示踪剂回收率,缩小了死区的范围,曝气人工湿地系统的水力效率为0.75。     

垂直流人工湿地水力学特性研究

通过示踪剂实验从停留时间分布（RTD）曲线及其统计特征值等方面对垂直流人工湿地的水力学特性进行了定性和定量的分析。研究表明水流在垂直流人工湿地中的流动是一种非理想的不均匀流动，存在一定的死区和水流的扩散；垂直流人工湿地较大的死区率与其表面布水的不均匀性有关，这也可能是其死区率大于表流人工湿地的最主要的原因。实验还表明，进水流量对垂直流人工湿地停留时间分布影响较大，随着进水流量的增加，平均停留时间减小，但标准平均停留时间增大，死区率减小；当进水流量为15L／h（水力负荷为620mm／d）时，水流在湿地中的散度最大，水流更接近全混流，不利于污染物的降解。     

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.     

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。     

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。     

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。     

不同基质与布水方案下人工湿地水分运移的模拟

以垂直潜流人工湿地为背景,采用饱和-非饱和土壤水分运动Richards方程,基于HYDRUS-3D模型对2种具体土质、不同布水方案下土壤水分运移情况进行了数值模拟,并依据相关数值结果进行水力停留时间的计算。模拟结果显示,土质的渗透性对表层土壤含水量影响很大;相同布水总量下,布水次数增加将导致砂土表层土壤含水量峰值降低、土壤水力停留时间减小。研究可为潜流人工湿地基质、布水模式的选择提供相关科学依据。     

不同复合人工湿地对高污染河流有机污染物的去除

为了研究复合人工湿地对高污染河流污水中有机污染物的去除效果及规律,实验构建了不同水力负荷下的潜流+潜流、潜流+表面流、潜流+潜流+表面流、表面流+表面流等人工湿地单元组合成的5个复合人工湿地.连续运行一年以来,各复合人工湿地对BOD5、COD和SS的去除效果分别为91.9％ ～94.7％、69.3％ ～75.8％和92.3％ ～ 93.9％,相对于多级表流湿地,多级潜流湿地更利于有机污染物和悬浮物的去除;BOD5、COD和SS主要在各复合湿地的第一级湿地单元内得到去除;复合人工湿地对COD去除效果秋夏季两季好,春冬两季差;复合人工湿地能有效去除悬浮态BOD5和COD,出水中部分溶解态有机物难以有效降解.     

阶段曝气和植物对人工湿地处理城镇污水厂尾水的影响

采用人工配水模拟城镇污水处理厂尾水水质,利用3套阶段曝气垂直潜流人工湿地(VSFCW)对其进行处理。结果表明:当水力负荷分别为30、90和180 cm·d-1时,3套人工湿地对COD具有较好的去除效果,其去除率都大于66.7%;在处理总磷(TP)和总氮(TN)方面,VSFCW-1(无植物-曝气垂直潜流人工湿地)去除效果远远低于VSFCW-2(芦苇-曝气垂直潜流人工湿地)和VSFCW-3(芦苇-不曝气垂直潜流人工湿地),VSFCW-2(芦苇-曝气垂直潜流人工湿地)和VSFCW-3(芦苇-不曝气垂直潜流人工湿地)对TP和TN的去除率分别在80.0%和75.0%以上且具有较强的抗水力负荷冲击能力。VSFCW-2(芦苇-曝气垂直潜流人工湿地)和VSFCW-3(芦苇-不曝气垂直潜流人工湿地)对COD、TP的去除主要是集中在沿程的前1/4段(0~24 cm),后3/4段(24~115 cm)保证了出水水质的稳定。     

水力负荷与有机负荷协同作用对人工湿地微生物群落结构的影响

以单层基质结构(CW1)、3层基质结构(CW3)、6层基质结构(CW6)的水平潜流人工湿地系统为对象,考察水力负荷及有机负荷对不同人工湿地系统去除COD、总悬浮固体(TSS)效果的影响,同时利用高通量测序技术,分析高负荷条件下系统微生物群落结构。结果表明,不同水力负荷运行条件下,随着有机负荷的提高,CW1、CW3、CW6湿地系统对COD、TSS的去除率均表现出先升高后下降的趋势,总体看来,在相同运行条件下CW6湿地系统COD、TSS的去除率最高。群落结构分析表明,不同人工湿地系统微生物结构存在相似性,但湿地床体的基质结构会对微生物群落结构产生一定影响,总的来说分层填充的人工湿地系统微生物群落结构更为稳定,对污染物的去除效果更好。     

模拟垂直潜流人工湿地大气复氧规律研究

为优化湿地设计、改善湿地处理效果,初步探讨了水力负荷、非饱和区运行距离、平均孔隙率和温度对湿地大气复氧量(DO)的影响,构建了垂直潜流人工湿地大气复氧模型.结果表明,垂直潜流人工湿地大气复氧量与水力负荷(q)、温度(T)负相关,与非饱和区运行距离(h)、平均孔隙率(ε)正相关；以不同浸润面高度运行时,大气复氧量可用DO=-1.035q+38.078ε+0.043h-0.115T-9.630表述；以变浸润线运行时,大气复氧量可用非饱和区运行距离复氧量的加权积分平均值表述.实测结果率定表明,该模型表述垂直潜流人工湿地大气复氧量合理可行.     

两种不同基质的垂直潜流人工湿地对尾水的处理效果研究

为提高人工湿地对污水处理厂尾水的处理效率,采用以黄铁矿和砾石为基质的两种垂直潜流人工湿地处理武汉某污水处理厂尾水,研究了不同水力负荷下人工湿地去除污染物的效果,并分析了基质的微生物群落结构。结果表明,在低水力负荷(0.4～0.7 m³/(m²·d))下,两种人工湿地对尾水化学需氧量(COD)、总氮(TN)、NO^-₃和总磷(TP)具有较好的去除效果;在高水力负荷(1.0～1.3 m³/(m²·d))下,对氨氮去除效果较好。黄铁矿人工湿地对尾水COD、TN、NO^-₃和TP的去除效果好于砾石,分析基质微生物发现,黄铁矿人工湿地中反硝化脱氮菌属主要为硫杆菌属(Thiobacillus)和硫氧化菌属(Sulfurifustis),相对丰度分别为16.68%和4.62%,且硫杆菌属具有提高磷去除能力的功能;而砾石人工湿地中反硝化脱氮菌属主要为类固醇杆菌属(Steroidobacter),相对丰度为4.56%,采用黄铁矿为基质...     

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。     

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.     

植物种类与水力负荷对人工湿地去除污染物的交互作用

人工湿地去污效能不仅受水力负荷(HL)影响,还与植物种类有关。为研究这2种因素对污染物去除的交互作用,根据植物根系长度,分别构建短根型、中根型及长根型植物潜流人工湿地中试系统,在运行稳定后,考察不同植物种类在不同水力负荷(152、230、305和460 mm/d)下的去污效果。结果表明:植物种类对COD去除率的影响差别不显著,对氮磷去除率有显著影响,且去除率符合长根型中根型短根型;水力负荷对COD、TN、NH_4~+-N和TP的去除均有显著影响,随着水力负荷减小去除率均逐渐升高;植物种类与水力负荷的交互作用对各污染物去除率均有显著影响,且受水力负荷影响较大,TN、NH_4~+-N的去除在水力负荷较小时交互作用较明显,COD去除的最优HL为230 mm/d。因此,在人工湿地设计时应考虑植物种类与水力负荷的交互作用。     

无植物潜流人工湿地基质床污染物去除性能研究

采用单一基质页岩和页岩、陶粒组合基质进行无植物潜流人工湿地基质床的水质净化实验,比较不同基质设置对COD、TN、NH+-N、TP、溶解性总磷(TDP)和溶解性正磷酸盐(SRP)去除效果的影响.结果表明,在相同进水水质,水力负荷为480mm/d的运行条件下,以单一页岩为基质的无植物潜流人工湿地基质床的COD、TN、NH4+-N、TP、TDP、SRP去除效果均略优于填充页岩和陶粒组合基质的基质床.总体来看,基质对湿地系统中各污染物去除的贡献均不是非常显著,并且不能保证长期稳定的运行效果.沿程去除结果表明,无植物潜流人工湿地基质床对COD、NH+-N、TP的去除主要发生在进水后沿程的0～90 cm距离内.水力负荷和基质设置均可能影响基质床的污染物去除效果,以基质选择为目的的批量吸附实验结果不能完全反映基质床的全面去污性能.     

表流-水平流复合人工湿地对高污染河水的净化

为了研究表流-水平流复合人工湿地对高污染河水的净化效果及植物对复合湿地中二级潜流湿地的影响作用,实验构建了表流+芦苇水平潜流和表流+无植物水平潜流复合人工湿地。在相同的水力负荷下连续运行一年的结果表明,复合人工湿地对高污染河水中TN、NH3-N、TP、COD、BOD5和SS的去除率分别为57.3%~63.1%、65.7%~68.1%、69.4%~82.7%、85.3%~86.3%、96.7%~96.9%和97.9%~98.2%,种有植物的二级潜流湿地具有更好的脱氮和除磷效果;表流湿地作为复合湿地的第一级能够有效去除大部分的有机污染物和悬浮物,进而避免二级潜流湿地的堵塞,并利于二级潜流湿地的脱氮除磷的进行;复合湿地对有机物和悬浮物的去除不受季节性波动的影响,但是其脱氮效果受季节波动的影响较大。