水生态修复技术在城市河道污染治理工程中的应用

本文以瑞安丰湖河生态修复工程为例,探讨了组合型生态修复技术在河道水环境治理领域的应用效果。该项目采用生态浮床、微孔曝气、微生物菌剂等多种生态技术相结合的模式对受污染的城市河道进行生态修复。河道中的污染物首先可作为生态浮床中挺水植物生长所需营养物质,挺水植物的根系则可为微生物提供优良的生长环境,微孔曝气则大幅度提升河道水体的溶解氧(DO)浓度,从而进一步改善水体的透明度,促进挺水植物的成长、增强微生物的活性,最终整体恢复河道生态系统并使其形成良性循环。运行结果表明,主要目标水质指标COD_(Mn)和DO的改善程度分别为28%和292%,水体清澈度和透明度大大增加,黑臭消失,水体感官明显改善。     

不同水动力条件下间歇微孔曝气对河道底质微生物群落的影响

微孔曝气技术被广泛运用于城市河道治理中,在间歇曝气过程中和曝气停止后微生物群落结构和功能的变化仍不明晰。采用室内模拟试验探究了曝气5 d再静置10 d后,不同水动力条件下水体污染物浓度变化过程以及底质微生物群落结构和功能的响应规律。结果表明:不同水动力条件下间歇曝气过程中和曝气停止后DO均能维持较高水平,但水体污染物浓度在曝气停止后短期内均出现显著性增加,但低流速(v=0.24 m/s)条件下污染物浓度上升最为缓慢。从微生物群落组成方面来看,该现象是由于曝气停止静置10 d后,与有机物代谢相关的氢噬菌属等菌属仅在低流速条件下可成为优势菌属,使得该流速水体中有机物更易降解,污染物浓度上升更为缓慢。从微生物群落功能方面来看,在曝气停止静置10 d后,富营养化水体中的能量代谢、辅酶和维生素代谢等代谢通路更多存在于静止和高流速(v=0.93 m/s)条件下的水体中,解释了这2种流速条件下污染物浓度更高的现象。该研究结果可为通过曝气手段持久性改善河道水质提供理论依据。     

曝气充氧条件下受污染河道的水质模型建立及应用

曝气充氧技术是修复受污染河道的主要方法之一.以曝气充氧方法治理修复受污染的上海市新港河道为例,通过理论分析建立了受污染河道的水质模型,确定了模型中参数的识别求解方法,并以实测值与模拟计算结果进行对照.结果表明,溶解氧的平均相对误差为11.38%,其中相对误差低于20%的占83.3%;生化需氧量的平均相对误差为9.16%,其中相对误差低于20%的占91.7%;氨氮的平均相对误差为11.15%,其中相对误差低于20%的占91.7%,除个别点的相对误差较大以外,其余均在20%以内.表明该模型能较好地反映在曝气充氧条件下新港河道水质的实际状况;同时,应用该模型模拟分析了曝气量、流速和底泥悬浮、温度对河道水质的影响,为曝气充氧修复受污染河道的工程设计及运行提供了理论计算方法及依据.     

基于全局敏感性分析方法的WASP模型不确定性分析

为了定量讨论WASP(The water quality analysis simulation program,水质分析模拟程序)模型中各参数对模拟结果的影响及其不确定性,本文在Simulink环境下对模型进行重组,利用Sobol方法,对影响DO、CBOD、NH3-N、NO3--N等4项输出的各参数敏感性进行了研究,重点讨论了输入条件如时空变化对参数敏感性的影响.结果表明:Sobol全局敏感性分析方法能够有效地筛选出WASP模型中对DO、CBOD、NH3-N、NO3-变化模拟较为敏感的参数,在实现模型参数“本土化”中具有较大的应用潜力;对比总敏感性与一阶敏感性指数之间的差异, WASP模型当中的若干参数(如GP1、PNH3、anc等)耦合性较强,不宜使用一次一个变量法对这些变量进行敏感性分析;在参数敏感性变化方面,即使对于同一条河流,WASP的参数敏感性指数会因边界条件的时空变化而发生改变.敏感性受空间变化的影响不大,但受时间(季节)变化的影响显著;输入变量随时间的变化,会引起模型不确定性在各季节上的较大的差异;WASP模型当中存在明显的“异参同效”作用,仅靠传统方法进行全局寻优率定,并不能体现水体各组分之间相互转化的过程,还需要结合实验对关键参数进行率定.     

不同曝气工艺对佛山水道水质DO和COD的影响

通过现场模拟试验,探讨了雾化管、射流器、橡胶坝和叶轮4种曝气工艺对改善佛山水道水质的影响。结果表明,4种工艺的平均复氧效率(14.3%~36.6%)和对COD的平均去除率(9.6%~24.6%)显示了较大差异。橡胶坝和雾化管曝气工艺的复氧效率较高,而叶轮和射流器曝气工艺则对COD去除有较好效果。在曝气并结合混凝的对照试验中,投加絮凝剂有助于提高水中DO和去除COD。     

城市下水道污水水质模型的开发与应用

建立了下水道水质转化概念模型,以ASM3(活性污泥3号模型)为基础开发了下水道污水水质数学模型,通过模拟试验,运用遗传算法和曲线拟合技术进行了模型率定与参数估值.模型经现场试验验证可较好地模拟下水道中的ρ(DO)与ρ(TOC)的变化.应用该模型进行数值模拟,探讨了初始ρ(DO)和水力停留时间(HRT)等可控因素对下水道中微生物作用及有机质降解的影响.结果表明,在下水道中设置曝气点,可提高污水的ρ(DO),能有效地提高微生物增殖速率,强化有机物的生化降解能力.      

底泥对投加生物促生剂改善河道水质效果的影响研究

河道污染日益加剧,急需探索出一种经济有效的河道水质改善方法。通过室内动态试验研究,考察底泥及不同水力条件下联合投加生物促生剂对河道水质净化效果的影响,初步探索出水质改善效果的变化规律。研究表明,在有底泥条件下联合投加生物促生剂,其水体的水质改善效果较好,经修复后的水体DO提高,浊度降低,并得出0m／s为N,P降低的最佳流速。     

基于关联向量机回归的水质预测模型

提出了一种基于关联向量机回归的水质时间序列预测模型,并以该模型对氢离子浓度指数(p H值)、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)和氨氮(NH3-N)4种重要水质指标进行预测.首先采用国家环保部发布的四川攀枝花龙洞水质自动监测数据进行实验,对该模型的有效性进行了验证;然后将关联向量机回归预测模型与支持向量机回归预测模型进行比较.为了比较不同核函数的预测效果,实验中预测模型的核函数分别采用了线性函数和高斯函数.实验结果表明,关联向量机回归模型的预测效果不亚于支持向量机回归模型;且在给出预测值时,还能同时给出预测结果的可信程度.     

温瑞塘河流域水体污染时空分异特征及污染源识别

不同季节主要污染物的空间分布特征及其潜在的污染源分析对水资源管理与污染控制具有重要意义.本研究应用GIS、主成分分析方法对2008-09~2009-10温瑞塘河水的温度、DO、电导率、p H、浊度、NH+4-N、NO-2、NO-3、PO3-4、Si O2-3、H2S、TOC、TN等水质参数进行时空分异特征分析和潜在污染源的识别.结果表明流域内丰水期、平水期、枯水期的典型污染物是TN、NH+4-N、PO3-4,主要来自于工业和生活点源;空间上水质污染程度是三级河道二级河道一级河道,无论几级河道市区的水质都劣于郊区和湿地;时间上水质污染程度是枯水期平水期丰水期;另外河道周边人口密度、土地利用类型及其调水对温瑞塘河的水质产生了不同程度的影响.     

模拟光伏间歇曝气SBR硝化特性

通过耦合农村生活污水间歇排放、SBR间歇运行和太阳能能量密度昼夜变化的特征,模拟光伏间歇曝气,考察以无蓄电池光伏间歇曝气替代常规曝气,降低污水处理设施对电网依赖的可行性,采用SBR处理经厌氧和好氧预处理的生活污水,系统研究了SBR硝化的启动特征及曝气量、HRT(水力停留时间)和温度对其运行效果的影响. 结果表明,在不同曝气量、HRT和温度下,均能实现NH₄+-N的有效去除. ρ(DO)是硝化作用的主要影响因素. 在低曝气量(曝气量为0.6 L/min、温度为20 ℃、HRT为13和16 h)及高水温(曝气量为0.8 L/min、温度为30 ℃、HRT为16 h)条件下,由于ρ(DO)(<3 mg/L)较低,NH₄+-N去除率下降,并且出现了一定程度的NO₂--N累积. 通过对ρ(DO)、pH和E_h(氧化还原电位)的监测表明,E_h变化不规律,而ρ(DO)和pH在一个运行周期内变化规律明显,与硝化进程具有较好的对应性,可将其作为实时控制参数,控制硝化曝气过程.      

Effect of artificial aeration on the performance of vertical-flow constructed wetland treating heavily polluted river water

Three lab-scale vertical-flow constructed wetlands (VFCWs), including the non-aerated (NA), intermittently aerated (IA) and continuously aerated (CA) ones, were operated at different hydraulic loading rates (HLRs) to evaluate the effect of artificial aeration on the treatment efficiency of heavily polluted river water. Results indicated that artificial aeration increased the dissolved oxygen (DO) concentrations in IA and CA, which significantly favored the removal of organic matter and NH₄⁺-N. The DO grads caused by intermittent aeration formed aerobic and anoxic regions in IA and thus promoted the removal of total nitrogen (TN). Although the removal efficiencies of COD_Cr, NH₄⁺-N and TN in the three VFCWs all decreased with an increase in HLR, artificial aeration enhanced the reactor resistance to the fluctuation of pollutant loadings. The maximal removal efficiencies of COD_Cr, NH₄⁺-N and total phosphorus (TP) (i.e., 81%, 87% and 37%, respectively) were observed in CA at 19 cm/day HLR, while the maximal TN removal (i.e., 57%) was achieved in IA. Although the improvement of artificial aeration on TP removal was limited, this study has demonstrated the feasibility of applying artificial aeration to VFCWs treating polluted river water, particularly at a high HLR.     

过氧化钙(CaO2)联合生物炭对河道底泥的修复

底泥内源污染是导致河道黑臭反复的主要因素.为防止河道黑臭现象反复,以无锡市滨湖区某一河道为实验地点,采用CaO_2联合生物炭原位覆盖技术修复黑臭河道底泥,研究了该技术对泥水水质、底泥酸挥发性硫化物(AVS)和磷形态以及微生物的影响,探究该技术对黑臭底泥修复效果.结果表明, CaO_2联合生物炭覆盖可显著提高泥水体系溶解氧(DO)浓度和氧化还原电位(ORP),其中上覆水DO浓度和ORP分别保持在2 mg·L~(-1)和50 mV以上.间隙水氨氮(NH~+_4-N)、化学需氧量(COD)和总磷(TP)去除率分别达到了43.40%、 41.18%和50.97%.底泥AVS去除率达到了37.03%,高通量测序表明,底泥厌氧微生物相对丰度明显降低,出现热单胞菌属(Thermomonas)、Dechloromonas、变形菌属(Proteus hauser)、脱硫微菌属(Desulfomicrobium)和硫杆菌属(Thiobacillus)等脱氮除硫菌群.底泥中磷转化为稳定的铁铝结合态磷和钙结合态磷.因此,CaO_2联合生物炭原位覆盖对黑臭底泥具有良好的修复作用.     

Aeration optimization through operation at low dissolved oxygen concentrations: Evaluation of oxygen mass transfer dynamics in different activated sludge systems

In wastewater treatment plants(WWTPs)using the activated sludge process,two methods are widely used to improve aeration efficiency — use of high-efficiency aeration devices and optimizing the aeration control strategy. Aeration efficiency is closely linked to sludge characteristics(such as concentrations of mixed liquor suspended solids(MLSS)and microbial communities)and operating conditions(such as air flow rate and operational dissolved oxygen(DO)concentrations). Moreover,operational DO is closely linked to effluent quality. This study,which is in reference to WWTP discharge class A Chinese standard effluent criteria,determined the growth kinetics parameters of nitrifiers at different DO levels in small-scale tests. Results showed that the activated sludge system could meet effluent criteria when DO was as low as 0.3 mg/L,and that nitrifier communities cultivated under low DO conditions had higher oxygen affinity than those cultivated under high DO conditions,as indicated by the oxygen half-saturation constant and nitrification ability. Based on nitrifier growth kinetics and on the oxygen mass transfer dynamic model(determined using different air flow rate(Q′_(air))and mixed liquor volatile suspended solids(MLVSS)values),theoretical analysis indicated limited potential for energy saving by improving aeration diffuser performance when the activated sludge system had low oxygen consumption; however,operating at low DO and low MLVSS could significantly reduce energy consumption. Finally,a control strategy coupling sludge retention time and MLVSS to minimize the DO level was discussed,which is critical to appropriate setting of the oxygen point and to the operation of low DO treatment technology.     

基于微气泡曝气的生物膜反应器处理废水研究

微气泡曝气有助于强化氧传质过程,在废水好氧生物处理中具有潜在的应用优势;生物膜反应器是应用微气泡曝气的可行工艺形式.本研究在生物膜反应器中采用SPG膜微气泡曝气处理模拟生活废水,探讨反应器连续运行过程中,SPG膜空气通透性、溶解氧变化、污染物去除效果及氧利用情况.结果表明,基于SPG膜微气泡曝气的生物膜反应器能够实现长期连续稳定运行,是微气泡曝气与废水好氧生物处理结合的可行方式.SPG膜表面性质及膜孔径影响其空气通透性,疏水性膜的空气通透性优于亲水性膜;膜孔径越大,空气通透性越好.一定的SPG膜空气通量下,反应器内的溶解氧浓度主要受有机负荷影响.SPG膜微气泡曝气生物膜反应器较优的COD处理负荷(以SPG膜面积计算)为6.88 kg·(m2.d)-1.氨氮的去除主要受溶解氧浓度及生物膜内氧扩散传质的影响,在高有机负荷下生物膜内出现同步硝化反硝化.微气泡曝气的氧利用率显著高于传统曝气方式,在优化的运行条件下,氧利用率可以接近100%.     

春季融雪补给后巩乃斯河水物理化学性质空间分布特征研究

在春季融雪补给后对巩乃斯河19个采样点8个水物理化学指标进行了监测,运用聚类分析(CA)、判别分析(DA)和主成分分析(PCA)方法分析了巩乃斯河水物理化学性质的空间分布特征.聚类分析结果表明,按各采样点之间河水物理化学性质的相似性可将巩乃斯河大致分为3个河段,分别代表河流的上游、中游和下游;判别分析的结果证实了此种分类的可靠性,并表明DO、Cl-以及BOD5是影响这种分类的显著性指标;主成分分析共提取了3个主成分,对应特征值的累积方差贡献率达到86.90%,表明影响河水物理化学性质的主要指标为EC、ORP、NO-3-N、NH+4-N、Cl-和BOD5.对各采样点的主成分得分进行排序,结果显示DO主要影响上游水质,p H主要影响中游水质,其余指标则是影响下游水质的主要因素.主成分综合得分的排序则表明上游水质最优,其次为中游,而下游最差,恰好对应聚类分析所划分的3个河段.人类活动及污染物的沿河积累可能是造成这种空间差异的主要原因.     

河岸混合植物带处理受污染河水中试研究

利用2种混合植物带(香根草+沉水植物、湿生植物+香蒲+芦苇)对受污染河水进行中试研究,并与无植物空白带进行了对比.结果表明,混合植物带对污染物的降解效果优于无植物空白带,其中香根草+沉水植物带效果最好,它在整个运行期间对COD、NH₄⁺-N和TP的去除率分别为43.5%、71.1%和69.3%.对出水溶解氧及水温进行了考察,结果表明混合植物带水域中水的溶解氧比无植物带稳定,且在夏季水温低于无植物带水域的水温.说明在河道修复中植物带对平衡河岸带环境条件、改善河流局部小气候有重要作用.     

松花江干流2014~2019年夏季着生藻类群落结构特征及其对环境因子的响应

着生藻类的群落特征常被用作评价水生态环境质量的重要指标.通过对2014~2019年夏季松花江干流着生藻类的群落结构特征及其对环境因子的响应关系分析,对松花江干流的水生态环境质量状况及变化趋势进行探讨.结果表明,2014~2019年夏季松花江干流共鉴定着生藻类4门和58属.其中硅藻门28属、绿藻门17属,蓝藻门10属和裸藻门3属.流域主要组成物种为硅藻门、绿藻门和蓝藻门,分别占总数48.28%、29.31%和17.24%.着生藻类细胞密度平均值为4.35×10⁴ ind·cm^-3,变化范围在1.29×10⁴~8.42×10⁴ ind·cm^-3之间,优势属主要为硅藻门小环藻属（Cyclotella）、直链藻属（Melosira）、星杆藻属（Asterionella）、桥弯藻属（Cymbella）、针杆藻属（Synedra）、羽纹藻属（Pinnularia）、舟形藻属（Navicula）和绿藻门的栅藻属（Scenedesmus）等.分析松花江干流水环境质量演变趋势,溶解氧含量逐年升高,氨氮、总磷和总氮含量呈先升高后下降趋势,2019年水体改善效果显著.运用冗余分析（RDA）探究着生藻类与环境因子间的变化关系,发现驱动松花江干流着生藻类群落结构演替的主要环境因子随时间推移而有所变化,溶解氧、氨氮、总氮、总磷和生化需氧量等指标是这一区域着生藻类种类分布的重要环境影响因子.     

太湖竺山湾春季浮游细菌群落结构及影响因素

为研究太湖竺山湾春季浮游细菌群落结构,利用高通量测序对竺山湾4个采样点(雅浦港、沙塘港、竺山湖南和椒山)浮游细菌的16S rRNA基因进行序列测定.结果表明:测序文库的覆盖率很高,测序结果完全可以代表样本的真实情况;椒山的物种丰富度最高,但物种分布均匀度较低;竺山湾主要优势菌门为蓝藻门(Cyanobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),蓝藻门平均丰度高达64.73%,正处于水体复苏阶段,已有蓝藻水华暴发态势.属水平优势细菌主要有鱼腥藻属(Anabaena)、hgc I_clade、CL500-29_marine_group、微囊藻属(Microcystis)、聚球藻属(Synechococcus)和分枝杆菌属(Mycobacterium);运用冗余分析(RDA)探讨浮游细菌与环境因子的关系,结果表明,水温、Chl-a、NH+4-N、DO和PO3-4-P是影响浮游细菌群落的主要环境因子,其中,DO能显著影响微囊藻属,营养盐和水温对其也有一定程度影响.     

非点源污染河流水环境容量的不确定性分析

基于河流一维水环境容量计算模型和实测水文水质参数的统计分析,应用MonteCarlo模拟方法,分析模型各输入参数的灵敏度以及水环境容量值的概率分布,建立了非点源污染河流水环境容量的分期不确定性分析方法.本方法表达了由于获取的河流系统信息不确定性和非点源污染发生的随机性引起的水环境容量计算结果不确定性,给出了不同水文期在不同可信度下的河流水环境容量,为实现非点源污染的总量控制提供了可靠的基础.应用本方法,对长乐江的总氮水环境容量进行了不确定性分析.结果表明,根据水质控制目标,枯水期、平水期、丰水期中90%可信度的总氮水环境容量分别为487.9、949.8、1392.8kg·d-1,其中稀释容量是各水文期水环境容量的主要组成部分.据此,各水文期流域内的总氮现状入河量需削减1258.3～3591.2kg·d-1,丰水期是削减量最大的时期.不确定性分析方法计算得到的水环境容量是基于非点源污染河流水文水质状况的实际变化,这相对于按某一设计流量来确定水环境容量的常规方法更为科学、合理,拓展了水环境容量的研究思路和方法.