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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

不同基质人工湿地去除重金属Cd的研究

以粉煤灰(F)、河砂(S)、河砂+粉煤灰(S+F)为基质,搭配水芹(Oenanthe javanica)、灯芯草(Juncus effusus)和水葫芦(Eichhornia crassipes),研究人工湿地对废水中Cd的净化效果。结果表明,3种基质对Cd均有明显的去除效果。其中,F基质去除效果最好,但出水pH和电导率较高,且水芹和水葫芦相对电导率(REC)和丙二醛(MDA)较高,表明植物生长受到影响。S基质对Cd去除率最低,但植物生长状态良好。S+F基质发生协同作用,有利于植物生长,去除Cd效果也较好,评估为最佳人工湿地基质。人工湿地中不同基质各层全量Cd、有效态Cd分布情况均为上层中层下层。     

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。     

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。     

不同粒径生物炭和泥鳅对人工湿地植物根系形态及基质硝化与反硝化能力的影响

向人工湿地中加入2种粒径(粒径1~2 mm和粒径1 mm)生物炭和泥鳅,研究了不同粒径生物炭和泥鳅对湿地植物根系形态和基质硝化与反硝化强度的影响。结果表明,向人工湿地中加入泥鳅和生物炭,降低了基质的氨态氮含量,增加基质的硝态氮含量、硝化强度和反硝化强度;与粒径小(1 mm)的生物炭相比,添加粒径大(1~2 mm)的生物炭后,湿地基质的氨态氮含量、硝态氮含量和反硝化强度分别降低了46.6%、51.1%和35.4%。加入生物炭和泥鳅均增加了湿地植物总根长和总根体积,然而与粒径小的生物炭相比,添加粒径大的生物炭后,人工湿地中植物总根长和总根体积分别降低了15.1%和6.8%。基质硝态氮含量与人工湿地中植物总根长和总根体积分别呈显著相关关系(α=0.01)。结果表明,生物炭提高了人工湿地基质硝化强度,有利于硝态氮的生成,促进人工湿地中植物根的生长,增加了总根长和总根体积。     

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。     

COD/N对潜流人工湿地脱氮效能及N_2O排放的影响

人工湿地因其低能耗、易管理的优点被广泛应用于水处理和生态修复,尤其在发展中国家有其适用性。为探讨COD/N对潜流人工湿地脱氮效能及氧化亚氮(N2O)的排放影响,分别构建5组微型人工湿地CW1~CK,进水化学需氧量/总氮(COD/N)分别为20∶1、10∶1、7∶1、4∶1和0∶1。结果表明,湿地出水DO浓度均低于0.5 mg·L~(-1),不同的COD/N下无显著差异,但pH表现为随COD/N的升高而降低。进水COD/N为10、7和4的湿地中COD去除率在80%以上,而进水COD/N=20的湿地中COD去除率不足70%。5组COD/N湿地中氨氮(NH+4-N)的平均去除率依次为(61±16.6)%、(23±14.1)%、(30±12.5)%、(28±14.5)%和(74±7.0)%,在碳源充足或无碳源的条件下有利于NH+4-N的去除。除COD/N=0外,其余湿地中出水未检测到硝态氮(NO_3~--N)。湿地中总氮(TN)的去除变化与NH+4-N相似。5组湿地系统中,N2O的平均释放通量和累积排放量,分别在0.83~11.84 mg·(m2·h)~(-1)和30.65~490.80 mg·m~(-2)之间。COD/N=4的人工湿地系统中,N2O的平均释放通量和累计排放量显著高于其他处理(p0.05),且在其中以N2O形态去除的氮占系统去除TN的百分比为4.87%。COD/N对潜流人工湿地的脱氮和N2O减量具有调控作用。     

垂直流人工湿地启动期基质酶的时空变化

为了解垂直流人工湿地系统中基质酶在去污效果中的作用及其随基质深度和运行时间的变化规律,设置3个垂直流人工湿地系统:种植皇竹草的A系统,种植象草的B系统,以及不种植物的C系统。分别监测3个系统不同基质深度与不同运行时间条件下脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、转化酶和纤维素酶的变化规律,以及这几种酶与TN、TP、COD、NH+4-N和NO-3-N污染物之间的相关性。实验结果表明,上述5种酶都表现出随着基质深度增加而减少的趋势,且上层0~30cm处的基质酶活性极显著高于中层和底层的酶活性,此外,种植能源植物的A、B系统基质酶活性都高于不种植物C系统,说明湿地中污染物的去除主要集中在上层基质,种植能源植物能够有效促进微生物的活性,增加胞外酶的分泌,提高人工湿地对污染物的去除效果,可为优化人工湿地除污效果以及湿地植物的选择提供理论依据。     

导流参数与SUFR系统硝化及吸磷效果的灰熵分析

导流参数是螺旋升流式反应器系统(SUFR system)重要工艺参数.应用灰关联熵分析方法,分别以SUFR系统好氧区硝化以及吸磷效果为目标,研究导流参数对该系统好氧区影响的相关性以及重要性顺序.试验结果表明,各导流参数对硝化以及吸磷均有着明显的影响.对于硝化而言,导流参数对其影响的强弱顺序为:导流转速＞导流叶片的串联层数＞导流叶片的折角＞d/D;对于吸磷而言,导流参数对其影响的强弱顺序为:导流转速＞导流叶片的折角＞导流叶片的串联层数＞d/D.     

4种人工湿地基质对马拉硫磷的吸附特性

通过基质对马拉硫磷的等温吸附和吸附动力学实验,研究天然土壤、煤渣、沸石、砾石对马拉硫磷的吸附特性,为人工湿地处理含马拉硫磷废水提供理论依据.结果表明:马拉硫磷浓度为2.25 ～ 90 mg/L条件下,Langmuir和Freundlich方程均能较好地拟合4种基质对马拉硫磷的等温吸附过程,并且Freundlich方程的拟合效果要好于Langmuir方程.马拉硫磷的理论饱和吸附量大小依次为天然土壤(9.9304 mg/g)＞煤渣(1.6173 mg/g)＞沸石(0.6039 mg/g)＞砾石(0.3965 mg/g).4种基质对马拉硫磷的缓冲能力大小依次为天然土壤＞煤渣＞沸石＞砾石,即当进水马拉硫磷浓度波动较大时,作为湿地基质天然土壤使人工湿地系统维持稳定出水水质的能力最强.马拉硫磷浓度为4.5 mg/L条件下,吸附动力学模型Elovich方程能较好地拟合4种基质对马拉硫磷的吸附动力学特征,说明4种基质对马拉硫磷的吸附是表面吸附和内部扩散吸附共同作用的结果.因此,天然土壤和煤渣适宜作为处理含马拉硫磷废水的人工湿地基质.     

水平潜流人工湿地流场数值模拟与结构优化分析

为了解决传统水平潜流人工湿地在床体结构设计方面的随意性与经验化问题,以流场均匀分布为目标,利用数值模拟方法对人工湿地床体结构参数进行优化,包括人工湿地基质填充厚度、床体长宽比例、构建尺度、主体填料区的分层填充方式,解析基质结构的配置规律,实现各参数的定量化。模拟结果表明,填料的分层配置对流场分布的影响很大。在基质厚度为0.6 m,长宽比为5∶3,且填料按照渗透系数指数规律分层填充的情况下,流场分布较均匀。在此基础上,根据模拟结果所确定的结构参数构建潜流人工湿地小试装置,并与传统结构人工湿地进行对照,对模拟结果进行验证。实验结果表明,当水力停留时间(HRT)为36 h时,分层填充与单层填充方式的人工湿地对COD、TP和TN的平均去除率分别为64.89%、82.72%、69.69%和29.84%、39.15%、31.83%,结构优化后的人工湿地净化效果得以显著提升。     

双室电除尘器流量分配数值计算

采用计算流体动力学(CFD)方法对大型电除尘器双室流量分配和除尘器进口管道内气流流动进行了数值计算。根据数值计算结果确定管道导流板和隔流板的布置方案:隔流板长度150 mm,与水平方向夹角27°;导流板长150mm,与管壁等间隔平行布置3块导流板。利用数值计算指导模型实验设计,并验证数值计算结果。结果显示,数值计算、模型实验、现场实验所得电除尘器两室流量偏差分别为±1.8%、±1.7%和±2.1%,三者吻合较好,均满足《电除尘器气流分布模拟试验》性能考核要求。     

污水碳源对复合垂直流-水平流人工湿地脱氮效果的影响

碳源是人工湿地反硝化作用重要的限制因子,提供足够的碳源能够有效地提高湿地系统的反硝化作用,从而提高人工湿地的脱氮效果。考察了以污水碳源作为复合垂直流-水平流人工湿地水平流进水碳源,对系统去氮能力的影响。实验结果显示,添加碳源能使复合人工湿地对TN和氨氮的去除率分别由23.19%、39.57%提高到34.17%和50.4%。当碳源污水(化粪池污水)/硝化处理水(垂直流出水)体积比为1∶4(C/N=1.22∶1)时,系统对氨氮和总氮具有最好的去除效果,且在不同季节具有较强的脱氮稳定性。不同季节加碳源复合系统对氨氮和总氮去除效果差异显著,在夏季去除效果最高可到达66.79%和60.95%。在加污水碳源条件下,增加停留时间对TN去除效果无明显影响,但可以显著提高氨氮去除率;有植物系统比无植物系统去除NH+4-N和TN的效果要好,且夏季提升效果最明显。由此可见,以污水碳源作为复合垂直流-水平流人工湿地系统中水平流部分的碳源,是强化人工湿地脱氮效果的有效手段,但是添加碳源比例、保温措施及植物种植是人工湿地重要的设计参数。     

处理高污染河水垂直流人工湿地微生物群落特性

为了研究处理高污染河水垂直流人工湿地基质和根际微生物群落特性,采用PCR-DGGE技术对其进行分析,使用通用引物(BAC 338F GC和BAC 805R)对16S rDNA V3~V5区基因片段进行扩增。结果表明,湿地系统中基质微生物群落多样性随基质深度的增加呈现先增大后减小,根际微生物群落多样性逐层递减,同一垂直深度根际微生物群落多样性均高于基质;根际微环境刺激了严格好氧菌Acinetobacter tjernbergiae(不动杆菌属的)出现,证明根系具有泌氧功能;聚类分析表明湿地系统中微生物群落相似度较高,并随深度增加依次递减;测序结果表明湿地系统中拟杆菌门和变形菌门在系统发育树中分别显示出高度序列同源性,湿地系统上、中层广泛分布着好氧菌Flavobacterium sp.(黄杆菌属)和Sporocytophaga sp.(生孢噬纤维菌属),并出现了大量的脱硫功能菌。