基于响应面法的人工湿地大肠杆菌去除率的优化设计

水体中的病原微生物会严重危害到人体健康,其中大肠杆菌是作为该类病原微生物的常见菌。为削减大肠杆菌对人体的危害,以含大肠杆菌的农村生活污水作为研究对象,选择人工湿地填料、进水pH、进水流速作为影响因子。针对人工湿地工艺中大肠杆菌的去除效能,填料选择无烟煤、旱地土、石英砂;进水pH设置为6.0~8.0;进水流速设置为10.0~30.0 mL/min,基于响应面法(RSM)探讨了不同工艺条件对大肠杆菌去除率的影响,进而优化人工湿地工艺中影响因子的运行参数。结果表明:无烟煤大肠杆菌去除率相对石英砂、旱地土更高;当pH偏中性时,大肠杆菌去除率普遍较低;而进水流速对大肠杆菌去除率的影响不显著。基于响应面法得出:当进水pH=6.0、进水流速=10.0 mL/min、填料为无烟煤时,对总大肠菌群去除效能最优,其去除率达96.86%;当进水pH=8.0、进水流速=20.0 mL/min、填料为无烟煤时,对埃希氏大肠杆菌去除效能最优,其去除率达93.66%。     

垂直流人工湿地不同填料长期运行效果研究

在高水力负荷(2400~3400mm/d)条件下,以沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、砾石、钢渣和生物陶粒为填料,进行垂直流人工湿地模拟柱净化污水实验(历时25个月).结果表明,随着系统的运行,各填料对COD的去除能力均有不同程度提高.沸石对污水中氮素的处理能力保持在较高的水平,对TN和NH4+-N的平均去除率分别高达82.03%和91.32%.钢渣对TP和可溶性反应磷(SRP)的平均去除率分别高达89.61%和96.77%,且净化效果稳定;无烟煤第2阶段对磷素的净化能力低于钢渣,之后与钢渣无显著性差异.在垂直流人工湿地中,针对水质特性选择长期高效的填料,如沸石、无烟煤和生物陶粒,在高水力负荷条件下可获得更好的处理效果.     

垂直流人工湿地系统基质优化级配研究

选取生物陶粒、无烟煤、沸石、钢渣和蛭石为基质,按不同的级配方式填充成基质柱,进行垂直流人工湿地模拟柱净化污水实验.研究表明,粒径分层级配基质对COD的去除率均高于单一粒径基质,其中分层生物陶粒对COD的平均去除率高达72.91%.分层沸石对总氮的净化能力较单一粒径基质有所提高,平均去除率高达91.23%.填充了生物陶粒、沸石和无烟煤的模拟柱对有机物和氮的净化效果和单一基质没有显著性差异(p0.05).填充钢渣和无烟煤的模拟柱出水pH值均在正常范围内,但是除从上到下依次填充无烟煤、蛭石和钢渣的基质柱外,其它填充钢渣和无烟煤的模拟柱对磷素的净化能力都低于单一基质.种植植物对净化效果没有明显影响.在垂直流人工湿地中,针对水质特点选择高效的级配基质,如分层生物陶粒、分层沸石、分层无烟煤以及生物陶粒、沸石和无烟煤组合,在高水力负荷条件下可获得更好的处理效果.     

生物炭对Pseudomonas flava WD-3的固定化及其强化人工湿地污水处理研究

为确保寒冷地区冬季人工湿地的污水处理效果,采用从南四湖人工湿地底泥中分离纯化得到的一株低温菌Pseudomonas flava WD-3为研究对象,以水稻秸秆在300、500和700℃下炭化得到的生物活性炭为吸附载体,在6~8℃低温条件下,通过重复试验探索生物炭对微生物吸附固定的最佳时间及对污水的去除效率,并将最优的生物炭固定化菌剂投入到人工湿地中,探究菌剂投加量对污水处理效果的影响.结果表明,水稻秸秆生物炭最佳热解温度为700℃,对Pseudomonas flava WD-3的吸附固定化时间为24 h.生物炭固定化Pseudomonas flava WD-3在冬季人工湿地的最佳投加量为0.042 g·L~(-1),其对污水中COD、NH_4~+-N和TP的去除效率有明显的提高,分别为游离菌处理效果的1.03、1.15、1.14倍,且去除性能稳定.生物炭固定化Pseudomonas flava WD-3对污水中COD、NH_4~+-N、TN和TP的降解过程符合一级反应动力学模型.     

复合垂直流人工湿地的脱氮机理及影响因素分析

采用沸石和砾石作为填料,研究复合垂直流人工湿地处理农村生活污水的脱氮机理。试验结果表明:复合垂直流人工湿地对污水中氮的去除主要发生在下行流填料柱中,其去除机理主要是微生物对溶解态氮的硝化和反硝化作用;悬浮态氮沉积在填料孔隙中,会出现"氮释放"现象;水温、气水比、碳氮比、氮源形式等因素对湿地系统的脱氮效率有显著影响。     

人工湿地控制暴雨径流污染的实验研究

研究了不同填料，不同植物的人工湿地对暴雨径流中污染物的去除，实验结果表明：（1）以沸石为填料的人工湿地对暴雨径流中的COD，N具有高而稳定的去除率。（2）沸石能高效去除氨氮，并可生物再生，长期保持吸附氨氮能力。（3）N的去除是通过硝化，反硝化作用。植物吸收，微生物的同化作用去除。（4）草蒲和芦苇对N的去除效果没有明显区别。（5）对COD的去除，芦苇好于菖蒲，但菖蒲的除P能力大于芦苇。     

29种湿地填料对氨氮的吸附解吸性能比较

为筛选出性能更好的人工湿地填料,采用等温吸附-解吸试验,测定了29种天然和非天然人工湿地填料的孔隙率、渗透系数及其对NH₃-N的吸附-解吸特性. 结果表明:锯末、瓷砖、鸡蛋壳、瓷砂陶粒、火山岩等材料的孔隙率较大,瓷砂陶粒、海绵铁、石灰石、页岩陶粒、砾石等材料的渗透系数较大;Freundlich和Langmuir等温吸附方程能较好地拟合各填料对NH₃-N的吸附特征,通过Langmuir等温吸附方程计算,对NH₃-N的理论饱和吸附量居前5位的填料依次是火山岩(1.700 0 mg/g)、瓷砂陶粒(1.620 0 mg/g)、生物炭(1.353 0 mg/g)、沸石(1.350 0 mg/g)、石榴石(1.190 0 mg/g). 吸附速率的变化与填料吸附NH₃-N的途径密切相关. 吸附饱和的生物炭、焦炭、大理黏土、沸石、磁铁矿、石英砂主要通过离子交换作用吸附NH₃-N,稳定性好,解吸率均小于20%;瓷砂陶粒和火山岩对NH₃-N的解吸率分别为24.50%和35.51%,既有物理吸附也有离子交换作用. 火山岩、瓷砂陶粒、生物炭、沸石对较高浓度NH₃-N的吸附效果较好. 研究显示,火山岩、生物炭、瓷砂陶粒、沸石等适合作为人工湿地中吸附NH₃-N的填料.      

铁碳微电解及沸石组合人工湿地的废水处理效果

铁碳微电解填料和沸石由于对废水中污染物具有良好的处理效果,因而被作为基质逐渐运用于人工湿地中.本研究构建了铁碳微电解填料+砾石（湿地A）、铁碳微电解填料+沸石（湿地B）、沸石（湿地C）以及砾石（湿地D）为基质的4组人工湿地,并利用间歇曝气对湿地系统进行增氧,探究不同填料对人工湿地废水处理效果的影响.结果表明,与湿地D相比,铁碳微电解填料显著提高了湿地出水的溶解氧含量（DO）（P<0.05）和pH（P<0.05）;4组人工湿地对有机物的去除率均达到95%以上,且各组间不存在显著性差异（P>0.05）;对TN而言,湿地A、B和C的平均去除率分别比湿地D提高了7.94%（P<0.05）、9.29%（P<0.05）和3.63%（P<0.05）,铁碳微电解填料和沸石对提升人工湿地TN去除效果的贡献率分别为73.55%和26.45%;各组湿地对NH₄⁺的平均去除率为67.93%~76.90%,与湿地D相比,其它3组湿地均明显改善了NH₄⁺的去除效果（P<0.05）;铁碳微电解填料对湿地NO₃^-的去除效果极佳,去除率高达99%以上,显著高于不添加铁碳微电解的人工湿地系统（P<0.05）.综合对碳氮污染物的处理效果来看,湿地B在间歇曝气的条件下对人工湿地中污染物去除效率最高.     

不同基质垂直流人工湿地对猪场污水季节性处理效果的研究

研究了3套不同基质垂直流人工湿地小试装置在不同季节处理猪场污水的运行效果.结果表明,垂直流人工湿地对有机污染物的去除效果随季节变化差异不明显,对有机物降解情况可用一级降解模型模拟;传统型湿地系统NH4 -N去除率在各季节稳定在52%,而沸石和沸石-煤渣型系统冬季NH4 -N去除效率分别从秋季的89.8%和93.4%下降至冬季的64.2%和73.5%,春、夏季回升至80%左右.冬季湿地系统中生物硝化与反硝化作用的减弱影响了垂直流人工湿地系统TN的去除;3套不同基质系统中,沸石-煤渣型系统各高度层硝化强度均为最高,沸石型和沸石-煤渣型系统的反硝化强度明显高于传统型系统,与实际运行过程TN去除率变化相吻合.采用沸石作为基质有利于系统的反硝化进程和TN的去除.垂直流系统对TP去除率随季节性变化波动不显著,但随着垂直流人工湿地系统的运行,基质层对TP的吸附逐渐饱和,去除效率明显下降.     

生物炭添加对湿地植物菖蒲根系通气组织和根系泌氧的影响

在处理污水的潜流人工湿地中,湿地植物容易受到缺氧胁迫.尽管菖蒲(Acorus calamus L.)是一类对缺氧条件具有显著抵抗能力的湿地植物,但菖蒲的生理响应并不能完全消除湿地长期缺氧带来的胁迫.生物炭添加能够缓解菖蒲体内超氧化物和过氧化物的积累,显著降低膜脂过氧化程度,但生物炭对缓解缺氧胁迫的具体机制尚不清晰.因此,本研究通过在温室内构建5种不同的生物炭湿地,采用植物生态学分析方法,将植物根系通气组织、根孔隙度和根系泌氧相结合,研究菖蒲根部组织对生物炭添加的响应机制.结果表明,通过在传统潜流人工湿地中添加生物炭,有利于菖蒲形成根系通气组织,增大根孔隙度,生物炭投加量与根孔隙度具有显著正相关关系.在湿地中添加生物炭将利于O_2通过通气组织传输至地下部分,并以根系泌氧(radial oxygen loss,ROL)的形式扩散至根际,显著提高根系泌氧量.与其它光强相比,在3 000μmol·(m~2·s)~(-1)条件下,菖蒲泌氧能力较强,生物炭投加比例对植物ROL的影响不显著.     

改性沸石湿地脱氮除磷效能及机制

为明确改性沸石湿地对分散性农村生活污水中氮磷的去除效能,并探索其脱氮除磷机制,将改性沸石作为折流湿地填料层填料,应用于厌氧折流板反应器(ABR)+折流湿地(BFCW)组合工艺,为苏州市农村生活污水处理提供新途径.结果表明,改性沸石湿地对氮磷去除良好且稳定,脱氮量和除磷量较沸石湿地分别增大1.8%和1倍多.湿地主要通过填料的吸附截留作用脱氮除磷,以Ca-P和Al-P为主要沉淀磷素形式,植物的泌氧和吸收作用有助于稳定出水水质.湿地前端和后端分别以填料的吸附截留作用和微生物的硝化反硝化作用为主要脱氮途径.改性过程对沸石磷素吸附沉淀性能的大幅提升是在多重途径的协同作用下实现的,湿地构型和植物根系的影响是造成相同区域填料氮磷截留量差异的主要原因.硝化作用强度的高低是改性沸石湿地脱氮效果及稳定性季节性波动的主因.     

不同填料对潜流湿地PO43——P去除效果的影响

为解决中国西部农村生活污水的面源污染问题,采用吸附动力学和热力学试验,测定了6种天然和非天然潜流湿地填料吸附水中PO₄3--P的特性。结果表明:填料的吸附平衡时间均为24 h;对PO₄3--P的动力学吸附过程符合Elovich模型;温度为15~35℃时,砾石、混凝土、红砖、瓷砖和生物炭对PO₄3--P的平衡浓度为40 mg/L;砾石和生物炭对PO₄3--P的吸附过程符合Langmuir模型;混凝土、瓷砖、红砖和无烟煤对PO₄3--P的吸附过程符合Freundlich模型;吸附过程主要以物理吸附为主且吸热,PO₄3--P在填料中的吸附为焓推动作用,均不属于自发过程;在24 h时,混凝土对PO₄3--P的去除率为73.45%;因此,混凝土对PO₄3--P吸附效果最佳,更适宜作湿地填料。     

几种人工湿地基质净化磷素的机理

研究了砂子、沸石、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰和矿渣7种人工湿地基质材料净化污水磷素的机理,并初步评价了其作为人工湿地基质可能导致的磷素二次污染的风险.结果表明,矿渣、粉煤灰有很好的磷素去除效果,蛭石、黄褐土和下蜀黄土次之,沸石和砂子的去除效果较差.上述人工湿地基质净化磷素的机理主要为化学机理,表现为基质全钙、氧化钙、水溶性钙的含量越高,其固定形成的磷酸钙盐越多,在pH值较高的情况下,主要形成难溶性的磷酸八钙和磷酸十钙,有利于磷素的净化;基质中游离氧化铁、铝和胶体氧化铁、铝含量越高,其固定形成的磷酸铁盐和磷酸铝盐数量越多,基质净化磷素的能力越强.除砂子外,上述基质磷素饱和吸附后,磷素释放比例很低.加强人工湿地基质管理,其基质吸附的磷素一般不会对水体环境造成二次污染.     

人工湿地不同基质和粒径对污水净化效果的比较

为研究人工湿地基质类型和粒径对水质净化效率的影响,选择了1~2、2~4、4~8 mm的沸石,2~4、4~8、8~16mm的砾石和2~4、3~5、6~8 mm的无烟煤基质,在无植物人工实验柱中开展单一基质的水质净化实验.结果表明,相同类型不同粒径的基质对COD、TN、TP的去除效果不同.4~8 mm沸石和砾石、6~8 mm无烟煤对COD的去除率最高,分别为53.74%、60.76%、62.93%;人工实验柱中氮素的去除以反硝化作用为主,粒径对TN去除效果的影响表现为小粒径更优;砾石和无烟煤的TP去除率也表现为小粒径更高,但沸石的TP去除率随着粒径的增大而增大.基质类型对COD、TP、TN的去除效果也存在差异.无烟煤对COD、TP、TN均有较好的去除效果,平均去除率在60%以上;沸石对TN的去除效果最好,TP去除率不高;砾石对COD有较高的去除率,对TP的去除效果一般.     

Comparison of quartz sand, anthracite, shale and biological ceramsite for adsorptive removal of phosphorus from aqueous solution

The choice of substrates with high phosphorus adsorption capacity is vital for sustainable phosphorus removal from waste water in constructed wetlands. In this study, four substrates were used： quartz sand, anthracite, shale and biological ceramsite. These substrate samples were characterized by X- ray diffractometry and scanning electron microscopy studies for their mineral components （chemical components） and surface characteristics. The dynamic experimental results revealed the following ranking order for total phosphorus （TP） removal efficiency： anthracite 〉 biological ceramsite 〉 shale 〉 quartz sand. The adsorptive removal capacities for TP using anthracite, biological ceramsite, shale and quartz sand were 85.87, 81.44, 59.65, and 55.98 mg/kg, respectively. Phosphorus desorption was also studied to analyze the substrates＇ adsorption efficiency in wastewater treatment as well as the substrates＇ ability to be reused for treatment. It was noted that the removal performance for the different forms of phosphorus was dependent on the nature of the substrate and the adsorption mechanism. A comparative analysis showed that the removal of particulate phosphorus was much easier using shale. Whereas anthracite had the highest soluble reactive phosphorus （SRP） adsorptive capacity, biological ceramsite had the highest dissolved organic phosphorus （DOP） removal capacity. Phosphorus removal by shale and biological ceramsite was mainly through chemical adsorption, precipitation or biological adsorption. On the other hand, phosphorus removal through physical adsorption （electrostatic attraction or ion exchange） was dominant in anthracite and quartz sand.     

唐山市南湖湿地水体富营养化治理研究

以芦苇作为人工湿地植物,土壤为基质建立人工湿地,采用人工湿地控制试验的方法深入研究了芦苇和湿地基质对唐山人工湿地南湖污水中氮磷的净化能力以及氮、磷在芦苇根、茎、叶的时空分布和动态变化,实验结果表明：芦苇湿地对污水中的氮、磷的净化效果十分明显,在一个月内对污水中TN的平均去除率可达到61.99%,TP平均的去除率可达51.97%,其中基质吸附和植物吸收作用是湿地脱氮除磷的重要形式。     

沸石吸附焦化废水中氨氮的研究

利用沸石对氨氮的选择性吸附去除焦化废水中的氨氮,对不同粒度沸石、不同沸石投加量去除模拟废水和焦化废水进行了研究,结果表明,沸石对焦化废水中的氨氮有很强的选择吸附性;焦化废水中其它离子会降低沸石吸附氨氮的能力;粒度越细,沸石对焦化废水氨氮的去除速度越快;沸石吸附焦化废水等温线可用朗谬尔公式和费兰德利希公式来描述.     

人工湿地填料去除氨氮优化配比及影响因素研究

采取吸附试验的方法,选取沸石、无烟煤和粉煤灰作为人工湿地填料,对选用材料进行了吸附试验并对不同填料配比的去除氨氮效果进行了研究;同时研究了pH值、有机质和无机离子对最优配比去除氨氮效果的影响。结果表明:在相同的试验条件下,沸石、无烟煤和粉煤灰的质量比为1:2:1混合时,NH4+-N去除效果最好,达到95.8%;在pH值略偏酸性的条件下,最优配比对氨氮的去除效果最好,达到90%以上;有机质的种类和浓度也对最优配比去除氨氮有一定的影响,与空白相比,葡萄糖使得最优配比去除氨氮最大降低了57.4%,草酸浓度为0.2 mg/L时,氨氮去除率提高了12.79%;、SO42-、NO3-对最优配比去除氨氮的影响区别不大,与空白液相比氨氮的去除率下降35%左右。     

垂直流动态强化下基质对污染物的吸附活性及机理

基质作为人工湿地的骨架部分,对污染物的去除发挥着重要作用。选择黄土球、无烟煤与页岩陶粒,在不同进水负荷的垂直流动态条件下,对污染物去除进行比较,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对其矿物组成与表面形貌进行分析,以深入探讨黄土球等基质的吸附活性及机理。结果表明:黄土球因其本身的去质子化作用,对NH₄+-N具有极好的吸附活性,试验初始阶段NH₄+-N去除率达到80%;同时,在较高磷浓度的进水负荷下,黄土球的静电作用与原子配位反应提升了其对可溶性反应磷(SRP)及颗粒磷(PP)的吸附能力;此外,黄土球的物理吸附作用对于COD的去除率均值达到50%,并改善水体中以芳香类为主的溶解性有机质(DOM)组成;无烟煤同样具有高效的吸附活性,对TP去除率能达到80%,单位基质磷吸附能力为6.89 mg/kg;无烟煤吸附机理以静电吸附为主,致使去除水体中的SRP效率更高,占据磷去除总量的44%;页岩陶粒则源于自身丰富的金属矿物成分,对PP有良好的结合吸附作用。3种基质在连续试验中均表现出对不同污染物的吸附活性,在连续试验中对污染物的"吸附疲性"也有着显著差异。基于试验结果和机理分析发现,黄土球具有潜在的湿地基质应用价值,并有助于改善水质中的DOM组分。