潜流人工湿地负荷变化对脱氮效果的影响研究

通过15个月的现场监测试验,研究了约40种入水负荷下人工湿地的脱氮效果,总结了芦苇、茭草、混合种植以及无植物潜流湿地在不同水力负荷和污染负荷下的单位面积出水氮负荷和去除率的变化规律.4种潜流系统入水负荷从400mg·(m²·d)^-1变化到8 000 mg·(m²·d)^-1,出水负荷小于7 000 mg·(m²·d)^-1,研究表明,潜流湿地出水负荷随着入水负荷的升高而升高,具有明显的线性相关关系.单位面积总氮的去除率在低负荷条件下随入水负荷的升高而升高,但在高负荷时单位面积去除率基本维持在一定的水平,不受入水负荷的影响,去除率变化波动较大.各系统的最佳运行范围在2 000～4 000mg·(m²·d)^-1之间,平均去除率在1 062～2 007 mg·(m²·d)^-1之间.床体间比较认为,植物床脱氮效果明显好于空白床,芦苇床、茭草床单位面积脱氮效率高出空白床63%和27%;同时考察的植物吸收量证明,植物吸收氮的量非常有限,不到去除量的5%,证明植物主要通过吸收以外的其它因素如改善水力条件和根系微环境来提高系统的氮去除效率.研究结果为潜流湿地脱氮机理的理解和设计提供参考.     

潜流构造湿地去除农田排水中磷的效果

对潜流构造湿地处理农业面源污水的除磷效果进行了中试研究.结果表明,潜流湿地除磷效果在名义水力停留时间(即空床水力停留时间)小于5d时,除磷效果随水力停留时间的增加而增加,通过间歇式和连续流试验均证明过长的水力停留时间会引起pH值的明显下降,导致磷的析出或溶解,降低除磷效率.芦苇(Phragmitascommunis)和茭草(zizania caduciflora)吸收磷量约占去除磷量的15.8%和9.5%.温度对除磷效果影响较为明显,冬季除磷效率较夏季下降30%.     

水力停留时间对潜流湿地净化效果影响及脱氮途径解析

利用连续进水的垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地,比较分析了4种水力停留时间对常规污染物去除效果的影响,在最佳水力停留时间下探究了两种湿地内部各基质层硝化、反硝化和氨氧化功能基因丰度以及硝化与反硝化作用强度;通过对两种湿地脱氮影响因素的冗余分析和方差分解分析,得出影响湿地氮去除的主要因素.结果表明,当水力停留时间为24 h时,两种湿地系统对常规污染物（COD、TP、TN和NH₄⁺-N）去除效果最佳,去除率均大于70%,此时湿地内部对NH₄⁺-N和TN的去除率以及硝化和反硝化强度皆表现出沿水流方向逐级递减的趋势;3种功能基因中,反硝化功能基因（nirS）丰度远高于硝化功能基因（nxrA）和氨氧化功能基因（AOB-amoA）.在本研究中,两种潜流人工湿地氮去除能力均受环境因素和微生物因素共同影响,其中,微生物因素对脱氮贡献率最高（55%和48%）.除此之外,TN和NH₄⁺-N的去除率均与DO、基质比表面积、COD浓度和硝化功能基因及反硝化功能基因丰度呈正比,与pH值成反比.因此,为提高两种系统氮去除效果,均可通过提高基质层溶解氧和碳源含量以及适当地降低pH值来实现,水平潜流人工湿地还可通过更换比表面积较大的基质层来显著提高系统脱氮效果.本研究为人工湿地的设计以及最佳水力停留时间的选择提供了理论基础,脱氮途径的定量化解析对深入理解人工湿地氮去除机制以及提高氮素去除率具有重要的指导意义.     

潜流人工湿地系统停留时间分布与N、P浓度空间变化

通过人工湿地小试装置,研究了风车草和香蒲水平潜流人工湿地处理富营养化养殖水体过程中水力停留时间分布（RTD）特征和系统内N、P浓度空间变化规律.结果表明,供试的香蒲潜流湿地和风车草潜流湿地系统RTD曲线特征值σ²分别为0.324 6和0.410 8,表明水流流态介于推流与混合流之间,风车草潜流湿地系统RTD曲线较香蒲潜流湿地平滑,水流混合流动程度较弱. 2种植物类型湿地床体总氮（TN）和氨氮（NH⁺₄-N）浓度在垂直方向上的分层现象明显,尤其在湿地床体前端;TN浓度随着取样点深度增加而上升,而NH⁺₄-N浓度则以中层取样点为最低;对于总磷（TP）和正磷酸盐（PO^3-₄-P）浓度, 2种植物类型湿地系统内均表现为随取样点深度增加而上升,但这种差异随沿程而降低. 与香蒲湿地相比较,风车草潜流湿地系统N、P浓度分层现象更为明显.风车草湿地系统后端各层取样点TN和TP平均浓度较香蒲湿地系统分别下降了19.8%和12.3%,说明风车草潜流湿地系统对富营养化养殖水体中氮、磷的去除效果优于香蒲湿地.     

沟渠湿地对农业非点源污染物的净化能力研究

沟渠湿地可通过底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解净化农田排水汇集的非点源污染物,芦苇(Phragmites communis) 和茭草(Zizania latifolia)是长江下游地区沟渠中自然生长的2种主要挺水植物,能有效吸收N、P营养成分,是湿地净化非点源污染物的主要机制.芦苇和茭草收割以后,每年可带走 463～515kg/hm²的N和127～149 kg/hm²的P,相当于当地2.3～3.2 hm²农田流失的氮肥、1.3～3.0 hm²农田流失的磷肥.茭草的吸收和分解能力明显高于芦苇.收割除带走植株体中的营养成分外,也改善了湿地光照和曝气条件,促进营养物质的分解转化,芦苇收割区底泥和水体中的有机质、TN、TP明显低于未收割区.因此,定期收割是保证自然湿地净化功能,减轻湖泊富营养化的有效措施.     

水平潜流人工湿地处理邻二氯苯废水研究

采用水平潜流人工湿地(SFCW)处理邻二氯苯(o-DCB)废水,构建了基质分别为壤土、 细沙和粗砂的3套芦苇湿地中试系统W-L、 W-F、 W-C和无植物的壤土湿地对照组W-Z.结果表明,最佳水力停留时间为5 d,最适表面负荷率为150 mg·(m²·d)^-1,湿地组W-L、 W-F、 W-C和W-Z对o-DCB的去除率分别为81.2%、 71.1%、 72.4%和65.2%;8月中旬湿地运行效果最好,进入10月后性能有所下降,各个湿地系统对o-DCB废水处理效果顺序为W-L>W-C>W-Z>W-F,壤土和粗砂基质具有各自的优势;o-DCB浓度和溶解氧(DO)在湿地W-L和W-Z空间分布状况表明DO有利于o-DCB降解;o-DCB残留量在各层土壤中沿水流方向递减,随深度加深而增加;在芦苇组织中呈阶梯状分布,根、 茎、 叶中平均残留值分别为30.28、 14.85和 6.18 μg·g^-1.     

潜流湿地中植物对脱氮除磷效果的影响中试研究

通过潜流湿地的中试,研究了芦苇和茭草在潜流湿地中的氮磷吸收量变化,植物收割对系统的影响以及植物对改善系统流态的作用.结果表明,依靠收割植物去除氮磷是不显著的,氮磷吸收量占去除量在5%左右.同时证明植物在进入冬季前开始出现释放氮磷现象,最佳收割期应该在9～10月份.植物对维持根系周围微生态环境起着重要的作用,收割会导致系统出水水质的波动.流态试验表明,植物根系能够改善系统的流态,植物床较空白床死区率减少5%～10%,增加系统的空间利用率,延长系统的水力停留时间.     

芦苇根际微环境对潜流人工湿地氮与COD去除性能的影响

构建了3个小型潜流人工湿地,一个不种植物作为对照;另2个栽种芦苇,其中一个湿地在芦苇根部埋设300目尼纶网制成的根袋,以区分根际与非根际环境.采用人工配水,研究了稳定运行期的人工湿地对COD、N的去除性能.结果表明,3个湿地对COD、N的去除场所主要位于湿地前端,且COD与N的去除具有沿程同步性.在进水C/N=5时,对照湿地、芦苇湿地和根袋湿地对NH⁺₄-N和TN的去除效率分别为66.2%、94.2%、82.2%和67.2%、90.7%、76.1%,具有同步硝化反硝化现象;对COD的去除效率分别为56.2%、80.9%、72.7%.试验中,3个湿地沿程水样的C/N值均大于5,表明碳源供应较充足.通过在湿地中预埋铂电极和土壤溶液采样器的方法,测定了根际土壤与非根际土体土壤ORP以及土壤溶液中的有机物含量（以TOC表征）.结果表明,湿地前端根际土壤ORP明显高于空白湿地和湿地土体土壤,差值分别为11～311 mV、62～261 mV.根系分泌物显著增加了植物湿地中有机碳的供应,根际土壤与非根际土体土壤中TOC含量分别为21.3～54.6 mg·L^-1和6.65～12.0 mg·L^-1.正是湿地植物根际环境中较高的氧化还原电位以及充足的碳源供应,使得植物湿地的脱氮效果好于对照湿地.     

低温季节水平潜流和垂直潜流人工湿地尾水深度处理中试

人工湿地工作效率和作用机制在低温环境下与在适温条件下存在较大差别,为探究水平潜流人工湿地与垂直潜流人工湿地在低温季节进行污水深度处理的效用与机制差异,构建了两组潜流人工湿地,分析其在不同碳氮比（C/N）条件下对有机物、总氮（TN）和总磷（TP）的净化效果,考察了湿地基质表面、植物根际微生物分布差异.结果表明,当进水COD浓度在37.50~80.00 mg·L^-1之间,总氮和总磷浓度在《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准内,以2 m³·d^-1流量连续运行工况下：①水平潜流和垂直潜流人工湿地均表现出稳定的有机物降解能力,且对有机负荷有较强的抗冲击能力;②补充碳源可显著提升潜流人工湿地的去氮效率,添加碳源后,水平潜流人工湿地TN平均去除率高达76.01%,垂直潜流人工湿地TN平均去除率达到71.69%,但碳源的添加对磷的去除无明显影响,并且对水平潜流人工湿地污染物净化效果提升更显著;③分析两种类型湿地基质和植物根际的微生物群落结构发现,变形菌门、厚壁菌门和疣微菌门在两类湿地样品中均表现为优势菌门,两种湿地基质表面样品微生物群落结构组成差异大于植物根际样品,嗜氢菌属（Hydrogenophaga）、丹毒丝菌属（Erysipelothrix）和戴沃斯菌属（Devosia）对微生物群落差异贡献度最高;整体而言,垂直潜流人工湿地基质和植物根际微生物群落的物种多样性及丰富度高于水平潜流人工湿地.     

植物光合及蒸腾特性对湿地脱氮效果的影响

测定了芦苇光合作用及蒸腾特性随气象和水力条件的变化,及湿地相应的脱氮效率.采用相关系数法分析了芦苇光合及蒸腾特性与脱氮效率之间的关系.结果表明,芦苇的光合作用、蒸腾作用对湿地脱氮效果影响较大,随净光合速率和蒸腾速率的增加,湿地中DO浓度上升,改善了湿地脱氮效果;湿地水深影响芦苇水分利用效率和湿地脱氮效率,与浅水位比较而言,深水位下芦苇的水分利用率和湿地脱氮效率都得到了提高.     

潜流水平湿地对农业灌溉径流氮磷的去除

构建了潜流水平芦苇湿地,对农业灌溉径流(TN约为7mg/L,TP约为0.5mg/L)中氮磷进行了为期1年的去除研究.在水力停留时间(HRT)为2,4,6d时,TP和TN的去除率均大于87%和68%.湿地对TN、NH₄⁺-N和TP的去除受HRT的影响较大(P<0.05),对PO₄^3--P的去除受HRT的影响较小.在不同HRT情况下,NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO3--N和PO₄^3--P的去除率均高于93%,出水浓度一般均小于0.04mg/L.且出水中的TP和TN主要为有机态,存在一个TP和TN背景浓度.TN去除率与负荷之间具有很好的相关性(R2=0.9968),但是TP去除率与负荷之间相关性较差(R²=0.5987).以HRT为2d计算,1m²的芦苇床处理该农业灌溉径流的能力为0.1m³/d,出水TN和TP浓度可控制在0.50mg/L和0.154mg/L以下.     

以建筑废砖为填料的人工湿地对农村生活污水的净化效果

采用建筑废砖为填料构建垂直流人工湿地,以常规碎石床湿地为对照,研究了建筑废砖人工湿地对农村生活污水的净化效果。结果表明:生活污水经废砖湿地系统处理后,出水比较稳定。废砖湿地系统对TP、TN和NH+4-N的去除效果显著高于常规碎石床湿地系统,其去除率分别可达到91%、66%和78%。废砖湿地系统与常规碎石床湿地对COD的去除率均较高,去除率可达90%左右。废砖湿地系统出水水质可满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物的排放标准》一级B及以上限值。     

折流式人工湿地处理校园生活污水试验研究

为解决传统人工湿地运行过程中存在的短路问题,本研究设计了折流式人工湿地污水处理系统,并将其应用于校园生活污水处理的试验研究。为期18个月的试验研究结果表明,系统的最佳水力停留时间（Hlit）为20h。稳定HRT=20h,24℃下折流式人工湿地对COD、TN、TP去除率分别为76．40％、76．12％、65．37％;温度降至12℃时,系统对COD、TN、TP去除率分别降至67．56％、62．75％、61．33％;运行过程中前6格室和整个系统的SS去除率分别为79．5％和87％。基于试验结果,阐明了折流式人工湿地处理生活污水高效稳定的机理。     

厌氧段-人工湿地处理污水高效稳定机理研究

针对农村生活污水中悬浮物(SS)影响人工湿地运行稳定性问题,该研究在人工湿地前增加折流板厌氧池形成厌氧段-人工湿地污水处理系统.为期36个月的生产性试验研究结果表明,常温下厌氧段对SS的去除率约80%,整套系统对COD、TN、TP去除率分别为80.95%、85.12%、68.15%;低温下系统对COD、TN、TP去除率...     

人工湿地净化工业区含菲污染降雨径流的效果研究

根据东莞市同沙水库集水区工业区降雨径流的水质特征,采用水平潜流式人工湿地对工业区降雨径流进行模拟净化研究,分析径流主要污染物于湿地床体内的空间变化规律.本研究主要考察了湿地系统中COD、NH4+-N、TN、TP及菲的空间分布特征,以及湿地系统上层多酚氧化酶(PPO)、硝酸盐还原酶(NR)酶活性的变化规律;同时监测湿地系统DO、pH、ORP及水温这4项理化指标,并分析它们对系统中污染物去除效能及酶活性的影响.结果表明,DO、pH、ORP及水温均表现为横向降低趋势,COD、TP及菲的吸附去除在床体前端1/4处已基本完成;纵向,上层DO、ORP均显著高于底层,水平潜流系统总体处于缺氧、厌氧状态,上层COD、TP、TN、NH4+-N及菲去除率分别为底层的1.17～1.36、2.04～2.11、1.40～1.92、1.37～2.30、1.07～1.36倍,净化效能的差异纵向强于横向.NR活性与NO3--N浓度显著正相关,横向上NR、PPO活性差异不明显.     

微污染饮用水源水潜流人工湿地预处理的效能研究

以济南玉清湖水库为例,采用水平潜流人工湿地系统对沉砂后的微污染黄河水进行了预处理试验,考察了湿地系统对污染物的去除效率及其变化趋势.同时,根据实验数据,构建了潜流人工湿地系统COD、TN、TP的一级动力学模拟方程.结果表明,水平潜流人工湿地系统对COD、TP、TN和NH4+-N的平均去除率分别为49.89%、50.44%、53.41%和48.45%;人工湿地对污染物的处理是物理、化学和生物及其协同作用的过程.人工湿地沿程及不同高度污染物浓度变化试验结果表明,人工湿地系统对污染物的降解沿人工湿地水流方向逐渐降低,污染物主要在人工湿地床体前部被去除,潜流人工湿地床体上部对污染物的去除效果更好.     

人工湿地沸石填充方式研究

针对传统的沸石湿地系统中沸石用量大,与沸石相关的费用高的缺点,提出采用前置沸石和表铺沸石填充方式来改善湿地中的污染物去除效果.对比研究了人工湿地中3种沸石填充方式(底铺、前置和表铺)对农田排灌水中污染物的去除效果.结果表明:茭白-土壤湿地的污染物去除效果优于无植物的土壤湿地系统.沸石-土壤-植物系统比传统的土壤-植物系统有更好的COD_Cr,总氮和氨氮去除效果.3种不同沸石填充方式中,底铺沸石的总氮和总磷去除效果最好;表铺沸石的总氮、总磷和COD_Cr去除效果比前置沸石的好,有植物和土壤的湿地系统增加前置沸石段后COD_Cr的去除率升高3.4%,增加表铺沸石后COD_Cr去除率提高12.3%.      

利用充氧和回流强化波形潜流人工湿地的脱氮效果

为提高人工湿地对氨氮的去除能力,在本实验中将传统波形潜流人工湿地进行改造,于第2个波形区间内安装曝气管,改善湿地内氧气分布状况,提高湿地的硝化效果,并与传统波形潜流人工湿地进行对照试验.结果表明,由于大部分COD在第2波形区间充氧过程中得到去除,因此在第3波形区间硝化菌成为优势菌种,使湿地中硝化程度达到90%以上,出水中COD值大幅下降,耐进水冲击负荷的能力明显加强.在第2阶段将湿地出水按50%的回流比回流湿地起端,原污水在湿地起端和1/3处分别进水,证明1/3处进水总氮去除率最高,达到50%左右,水力负荷在0.8 m³/(m²·d)时,COD有机负荷达到56～112 g/(m²·d),氨氮负荷达到20～28 g/(m²·d).     

复合人工湿地系统对低污染水总氮的净化效果及其微生物群落结构特征

为了解复合人工湿地系统对低污染水中总氮的处理效果及微生物群落结构特征,以表流-潜流-沉水植物塘构建的复合人工湿地系统为研究对象,研究该系统对低污染水中TN、NH4+-N、NO3--N、NO-2-N的去除效果,并采用高通量测序揭示各级单元微生物群落结构与差异性.结果表明:复合人工湿地系统在0.12～0.24 m3/(m2...     

生态工程综合治理系统对农业小流域氮磷污染的治理效应

以典型农业小流域——开慧河流域源区为研究对象,基于研究区农业面源污染的主要排放特征,建立以生态湿地为主的小流域面源污染生态工程综合治理系统,重点探讨其对水体氮磷污染物的去除效果.结果表明,畜禽养殖业是开慧河流域源区水体氮磷污染物的主要来源,需要重点防控.组合生态湿地处理工程对农村分散式生活与养殖混合废水总氮(TN)、总磷(TP)的平均去除率为87. 1%和90. 9%;多级人工湿地拦截工程对农田排水与分散式养殖混合废水TN、TP的平均去除率为85. 7%和84. 9%;景观型生态湿地净化工程对末端汇水区水体中TN、TP的去除率在27. 1%～67. 4%和13. 3%～81. 5%之间.整个生态工程综合治理系统对流域TN和TP污染物的总拦截量分别为5 292 kg·a~(-1)和1 054 kg·a~(-1),占研究区农业面源TN、TP总污染负荷的35. 3%和43. 6%.因此,构建的生态工程综合治理系统对流域农业面源氮磷污染具有较好的治理效应,适合在我国南方小流域水环境治理中推广应用.