复合垂直流湿地反应动力学及水流流态的研究

 提出一种新型的复合垂直流湿地系统(IVCW),并对其反应动力学和系统的实际流态进行了研究.经过中试的运行试验,得到了系统对COD去除的反应速率方程,由示踪剂试验确定了系统中水流的停留时间分布(RTD),提出RTD的不同是湿地处理效率差异的主要原因,进而运用串联反应器模型和离散流模型两种非理想流态模型,模拟IVCW的实际水流流态,经过比较发现离散流模型模拟的效果较好.     

人工湿地构型对水产养殖废水含氮污染物和抗生素去除影响

利用水平潜流人工湿地和下行-上行复合垂直流人工湿地净化水产养殖废水,研究水流方式、水力停留时间对水产养殖废水中含氮污染物、抗生素等典型污染物净化效果的影响.结果表明,复合垂直流人工湿地对含氮污染物具有较好的去除效果,对TN、NH_4~+-N的去除率在水力停留时间为3 d时可分别达到58%、80%.采用BIOLOG微平板技术和高通量测序对两个人工湿地入流端基质微生物群落的分析发现,复合垂直流人工湿地因其内部结构有利于水流流向及溶解氧条件使得微生物活性和多样性均较高,Nitrospira属分布较多是氨氮去除效果较好的主要原因.水力停留时间对NO_3~--N、NO_2~--N的去除有较大影响,维持在3~4 d对各类含氮污染物可获得较好的去除效果.采用固相萃取-高效液相色谱串联质谱法对抗生素去除效果进行研究发现,人工湿地构型对抗生素的去除效果差异不大,两种人工湿地对恩诺沙星的去除效果优于磺胺甲唑和氟甲砜霉素,当水力停留时间从1 d延长至3 d可提高磺胺甲唑的去除率至50%以上.     

反应器理论在复合垂直流构建湿地水流流态研究中的应用

运用反应器理论研究了一种新型的复合垂直流构建湿地系统(IVCW)的水流流态,由示踪剂试验得到水流停留时间分布(RTD),从而确定了IVCW在水力负荷为200～800mm/d时,停留时间为19～35h,并由RTD曲线的特征值确定IVCW的水流流态介于理想推流与完全混合流之间,同时应用离散流模型,不仅较好地模拟了IVCW的实际水流流态,还得到了水流的Peclect准数在11～19之间.通过有植物与无植物系统的对照发现植物根系有利于IVCW的水流流态接近理想推流状态.     

冲击负荷下水平潜流人工湿地水流规律研究

在示踪剂试验的基础上,利用水力停留时间分布（RTD）,探讨了冲击负荷下水平潜流人工湿地的水流规律.结果表明：水平潜流人工湿地在恒定负荷和冲击负荷条件下的实际平均停留时间均大于表观停留时间,混合效应是导致流态偏离理想推流态的主要原因;水力冲击使入流污染物（包括冲击前、冲击中以及冲击后进入的污染物）在系统内部的接触反应时间缩短,其中峰值时间、最短停留时间和实际平均停留时间的相对大小依次均为：恒定负荷＞冲击负荷后＞冲击负荷前＞冲击负荷中;采用基于动态流量的时间变量进行归一化处理后的RTD对人工湿地所处的水力负     

人工湿地水力停留时间分布模拟

将人工湿地视为在纵向分散活塞流反应器（PFD）的主流道上并联一个n级串联完全混合反应器（CSTRs）所组成的系统.在这一物理概念的基础上,推导了模拟人工湿地水力停留时间分布（RTD）的CSTRs＋PFD并联模型.模型所包含的4个参数（串联CSTRs个数n,串联CSTRs容积占系统总容积的百分数z,进入串联CSTRs的流量占总流量百分数f,PFD的分散数D）对RTD的峰值时间、峰值高度、平均停留时间、停留时间分布方差具有良好的调节作用.与传统模型相比,该模型能更准确地反映不同人工湿地的特征水流规律.模型采用基于流量的无量纲时间变量,可应用于非稳态变流量下人工湿地RTD的模拟.用前期示踪剂试验所获得的5条水平潜流人工湿地的RTDs对该模型进行验证,当这4个参数取值为z=0.41、f=0.57、n=3、D=0.667时,该模型计算所得RTD与实测RTDs拟合程度良好,较传统PFD或CSTRs模型能更好地反映该人工湿地RTD早期高峰、峰值集中、尾部倾斜拖长的流态特征.     

垂直流人工湿地配水均匀性的研究

从能量分配和压力水头分布出发,阐述了垂直流人工湿地穿孔管配水系统能量分布及压力水头分布状况.在此基础上,提出了影响垂直流人工湿地配水均匀性的2个关键影响因子—最不利2点流量关系及穿孔管布水系统内部配水间隔时间,得出了垂直流人工湿地配水系统中最不利2点的孔口出流流量关系式及垂直流人工湿地穿孔管布水系统内部配水间隔时间,为采用穿孔管配水的垂直流人工湿地提供了理论研究资料.     

垂直流人工湿地处理不同碳氮比稠油废水研究

研究了水力停留时间对垂直流人工湿地处理不同碳氮比稠油废水的影响,考察了垂直流人工湿地处理高盐、含烃难降解有机废水的性能。结果表明:在适宜的水力停留时间和COD/TN/TP比的情况下,间歇运行的垂直流人工湿地的净化能力与COD/NH3-N相关,在COD/NH3-N为20和13.4的情况下,垂直流人工湿地具有很好的碳氮磷去除能力;当COD/NH3-N为40或6.7的情况下,垂直流人工湿地的净化能力受到抑制。     

复合人工湿地系统对生活污水的净化效果

将垂直流人工湿地与水平流人工湿地组成复合人工湿地系统,研究了此复合系统对化粪池出水的净化效果。结果表明,当水平流人工湿地的水力停留时间为3d天时,复合系统对COD、BOD5、TP的去除率分别达到73％、66％、87％,并通过垂直流湿地的硝化作用及水平流湿地的反硝化作用,复合系统对TN的去除率达到40％以上。     

污水土地处理系统构造对水力特性影响研究

在污水土地处理系统的模型反应器中进行流态试验,使用停留时间分布(RTD)分析理论,探索反应器不同构造的水流流态。试验表明,升流式和降流式的反应器流态均接近推流;无因次平均停留时间分别为0.974和0.845。由于在整个水平过水断面上承托层的布水作用及集水层的集水作用,系统采用不同管网布设程度的布水和集水方式对流态的影响不大,体积效率均在90%以上。填料层高度对流态有一定影响,当高度为40 cm时流态最接近推流,水流的轴向扩散系数最小,其值为0.027,属于低扩散程度。     

1990—2015年人工湿地在我国污水治理中的应用分析

1990—2015年我国791个人工湿地主要处理城镇和农村的生活污水、河水及尾水,水平潜流湿地占比最高,数量区域分布为华东>华南>西南>华北>华中>东北>西北,省市分布以浙江省、广东省、山东省为主。人工湿地设计水力负荷大小依次为:垂直流>水平流>表流湿地,复合流介于水平流与垂直流之间。水力负荷、水力停留时间及污染物的去除率因湿地类型、区域、污水类型差异较大。吨水投资费用,以养殖废水最高,城镇生活污水与农村生活污水次之。吨水运行费用比较大小依次为:水平流>表流湿地>垂直流>复合流,处理不同污水类型的人工湿地运营费用为0.09~2.36元/t。吨水占地面积比较大小依次为:表流湿地>复合流>水平流与垂直流。处理不同类型污水的人工湿地土地利用面积为1.48~53.99 m~2/t。     

潜流型人工湿地基质堵塞特性试验研究

为解决设计不当或管理不善等原因造成的湿地堵塞问题,深入揭示湿地堵塞特性及形成机制,试验研究了芦苇潜流型水平流湿地和垂直流湿地的堵塞特性,并以此比较了2种湿地长期运行的稳定性.结果表明,湿地堵塞后土壤中有机质积累量较大,在湿地中各测量点达到了1.5%～5%,其主要积累区域在湿地前部表层,积累量为4%～5%,对有机物积累量与土壤深度进行数值分析发现,两者之间呈显著函数关系;水平流湿地和垂直流湿地内部堵塞机制不同,故堵塞后水平流湿地水力停留时间为3.515 4 d,较正常值缩短21.88%,而堵塞垂直流湿地水力停留时间为5.464 8 d,较正常值增长21.44%.湿地堵塞后污染物去除效率明显降低,波动较大,2种湿地比较发现,垂直流湿地的堵塞情况较水平流湿地更为严重.     

复合垂直流构建湿地中有机质积累与基质堵塞

利用灼烧失重研究了复合垂直流构建湿地小试及中试系统中有机质的积累规律及其与湿地基质堵塞的关系,通过示踪剂实验测定了堵塞前后系统水力停留时间的变化.结果表明,有机质主要积累在基质表层和上层0～50mm处且有机质积累主要发生在下行池.有机质含量与基质深度负相关,基质表层有机质含量明显高于其他各层.湿地系统中有机质含量与基质渗透系数呈明显的负相关性,有机质含量越高,基质渗透系数越小,说明有机质积累是导致构建湿地堵塞的一个重要原因.复合垂直流构建湿地堵塞后,其水力特征发生了改变,延长了该系统的实际水力停留时间.     

垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的影响

通过在污水中加入示踪剂,研究了人工湿地的水力学特点及其对污水净化效果的影响规律.结果表明,影响水力学各特点的主要原因是湿地植物根系所造成的物理学和生物学上的效应.水力学各特点与污水净化效果之间存在着密切关系:出水快、出水量大的系统具有较好的净化效果;除无植物系统外,停留时间较长的系统有较好的净化效果;容水体积大的系统净化效果也较好;水力负荷则主要通过影响其他各水力学特点而影响净化效果.结果表明,对水力学特点的优化将极大地促进污水净化效果的提高.     

垂直潜流人工湿地低温净化效果及其与微生物作用关系

人工湿地净化过程受基质、微生物及植物的多重作用,但有关湿地系统水质净化效果与微生物之间的关联及响应机制的认识较为匮乏.本文针对垂直潜流人工湿地,分析了其低温条件下水质净化效果,通过16S rDNA扩增子测序技术,在OTU水平上利用微生物丰度聚类热图和基于Bray-Curtis距离的NMDS分析,揭示了湿地基质微生物群落结构的时空变化及其与主要水质指标之间的相互作用关系.结果表明,湿地对TN、COD的去除效果较好,但对TP的去除效果不佳.基质微生物群落时空变化显著,与湿地净化效果密切相关,革兰氏阴性菌门类众多和假单胞菌属相对丰度较低,分别是TN去除效果较好和TP去除效果不佳的重要原因.COD、DO是影响微生物群落的主要因子,而氮含量在一定程度上影响脱氮微生物的活跃度.基质微生物在湿地运行2周后,对污染物去除的介导作用稳定,建议设立这一关键时间点,并辅以菌群、碳源投入等措施,提升湿地的净化效果.     

陶粒复合垂直流人工湿地对污水季节性处理效果的试验研究

研究了四种陶粒组合、一种石灰石碎石5套复合垂直流人工湿地在不同季节处理生活污水的运行效果。结果表明:陶粒组合人工湿地系统对COD、TP、NH3-N的去除效果均优于石灰石碎石湿地;复合垂直流人工湿地对COD的去除效果在冬季有所下降,但仍保持在50%以上;湿地系统对TP去除率受季节性变化影响不显著,但随着复合垂直流人工湿地系统的运行,基质层对TP的吸附逐渐饱和,去除效率缓慢下降;1号~5号人工湿地对氨氮的去除率分别从秋季42.0%、55.1%、61.1%、49.9%、50.2%下降至冬季21.9%、31.0%、36.5%、28.5%、29.2%,春、夏季处理效率开始回升,并保持稳定的状态。     

不同植物与水力负荷对人工湿地脱氮除磷的影响

通过6种湿地植物的表流 (SF) 和潜流(SSF)人工湿地对比实验,分析了不同植物的SF和SSF人工湿地去除率随水力负荷(HL)变化的规律,得到了6种不同植物的SF和SSF人工湿地的最优HL、最优去除率.实验结果表明:6种植物的SF和SSF人工湿地对TP、TN去除率随HL的增加而降低,且植物不同,去除率降低趋势不同,且SSF人工湿地去除率降低值比SF小.SF人工湿地TP、TN去除率比SSF低,且TP去除率比TN大.SF人工湿地中水葱对TP、TN去除率降低最大,水芹菜对TP去除率降低最小,美人蕉对TN去除率降低最小;SSF人工湿地中美人蕉对TP去除率降低最大,水芹菜最小对TP去除率降低最小.芦苇对TN 去除率降低最大,水葫芦对TN去除率降低最小.6种植物SF人工湿地去除TP和TN的平均最优HL分别为0.53,0.47t/(m2×d);SSF人工湿地去除TP、TN平均最优HL分别为0.68,0.44t/(m2×d).     

水淬渣人工湿地强化除磷作用研究

研究了水淬渣的磷吸附-解吸效果,构建了以水淬渣为主要基质的模拟垂直流人工湿地系统,分析了水力停留时间(HRT)和污染负荷变化对污水中磷去除的影响,探讨了湿地上行、下行流单元各层基质的除磷贡献.结果表明,水淬渣基质的磷饱和吸附量为3 333 mg.kg-1,其水溶性钙含量为0.084%,pH值为7.54,适合作为湿地除磷基质.HRT与磷除去率呈正相关,当HRT从1 d缩短为0.5 d时,TP去除率降低5.9%~4.7%,当HRT从2 d缩短为1 d时,TP去除率降低2.4%~4.7%,HRT为1 d条件下,水淬渣湿地的磷去除率>85%,说明无限延长HRT无益于强化除磷,适宜的HRT为1 d.在进水浓度稳定的条件下,进水污染负荷与磷去除率呈负相关,当污染负荷范围在12.2~36.8 g.(m2.d)-1时,水淬渣湿地的磷除去率可维持在85%,当污染负荷达到48.9 g.(m2.d)-1后,水淬渣湿地的磷除去率下降至65%,当污染负荷<36.8 g.(m2.d)-1时,水淬渣湿地的磷去除率>82%,说明高污染负荷可抑制基质表面及孔隙中Ca、Al等吸附磷的活跃位点,适宜的进水污染负荷为24.5~36.8g.(m2.d...     

人工湿地的发展概况和面临的问题

人工湿地是近年来发展的一种新型污水处理技术。主要介绍了人工湿地的几种主要构建类型:表面流型人工湿地、潜流型人工湿地、垂直流型人工湿地和复合垂直流人工湿地,并分别指出它们的优缺点。同时简要阐述了人工湿地去除污染物质的机理。