人工湿地系统用于地表水水质改善的效能及特征

在北京官厅水库附近建立潜流人工湿地(总面积:3×20m×2m),芦苇、蒲草混合种植,研究其在不同季节条件下对地表水的处理效能及特征,分析了进水浓度、水力负荷、温度对污染物去除率的影响.结果表明,系统对地表水有较好的处理效果,COD_Mn和NH₄⁺-N的出水浓度与进水浓度的回归关系遵从线性关系;系统对TN、TP的去除率分别为20%～60%和30%～45%;污染物的去除率随温度的降低而降低,随水力负荷率的增加而降低;COD_Mn、NH₄⁺-N和TN的去除率与其进水浓度呈正相关,而TP去除率与其进水浓度呈负相关.并研究建立了潜流湿地冬季运行管理措施.     

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.     

3种类型人工湿地处理富营养化水体中试比较研究

针对五里湖富营养化水体,在同等条件下开展了3种类型人工湿地处理效果的比较研究,试验采用现场中试规模,水力负荷为0.8 m³/(m²·d).结果表明,垂直流、潜流和表面流3种人工湿地对氨氮的平均去除率分别为33.2%、27.4%和14.1%;对总氮的平均去除率分别为52.3%、50.1%和19.2%;对总磷的平均去除率分别为58.8%、57.9%和26.3%;对锰酸盐指数的平均去除率分别为37.2%、38.3%和14.8%;对叶绿素a的平均去除率分别为86.9%、96.1%和55.3%.可见,垂直流人工湿地对氨氮、总氮和总磷的去除效果最好,潜流人工湿地对高锰酸盐指数和叶绿素a的去除效果最好,但垂直流和潜流人工湿地之间的差异较小,表面流人工湿地对各污染物的去除效果均远低于前两者.从出水水质稳定性来看,垂直流人工湿地出水水质最稳定,潜流次之,表面流最差.     

两级潜流人工湿地在中国东北高寒地区的应用研究

以吉林省四平市郊区的两级潜流人工湿地生活污水处理系统为例,考察了隔离保温、特殊活性人工介质等加强化措施后的两级湿地系统在东北高寒地区运行的适应性及其效能与特征,分析了潜流人工湿地的两级组合工艺在污染物去除方面的优势.结果表明,通过特殊活性人工介质的选用和一定的隔离保温措施,两级潜流人工湿地系统能在高寒地区高效运行,其对COD、BOD₅、SS、NH⁺₄-N、TP具有稳定的去除效果,整个运行期间,出水COD、BOD₅和SS平均浓度分别为16 .01、4 .27和4 .01 mg·L^-1,并且可以使出水NH⁺₄-N和TP浓度分别在9 .72和0 .45 mg·L^-1以下,均达到中水水质标准;潜流人工湿地的两级组合系统,可以弥补单级人工湿地NH⁺₄-N去除效率不高的缺点,提高污染物的去除效率.     

潜流湿地处理生活污水时的强化策略

研究在潜流湿地处理生活污水时通过预处理强化、介质优化和工艺改进克服现有技术缺陷的可行性.改进方法包括化学强化预处理、预曝气、添加氮吸附介质、添加磷吸附介质、湿地高浸润线、中浸润线、低浸润线和动态浸润线运行.结果表明,化学强化预处理不仅可以除磷,而且削减湿地污染负荷可使后续湿地面积减小63%,但是不能有效脱氮.预曝气仅使氨氮去除率提高了1%.添加氮吸附介质的有效时间短,运行前3个月对NH₄⁺-N去除率为84%,5个月后下降到64%.添加磷吸附介质的有效时间较长,可维持数年.因此,脱氮过程只有通过基质微生物实现.稳态浸润线下对COD、NH₄⁺-N、TN、TP的去除率,高浸润线湿地为50%、21%、32%、-26%;中浸润线湿地为53%、48%、48%、-14%;低浸润线湿地为74%、96%、35%、22%.提出动态浸润线及序批式潜流人工湿地工艺(CBSW),其对COD、NH₄⁺-N、TN、TP去除率为67%、62%、53%、33%.CBSW实现了单级湿地内好氧/缺氧环境的交替出现,提高了脱氮能力,除污综合表现最佳.     

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.     

北方地区潜流人工湿地冬季保温措施的研究

人工湿地作为一种造价较省,运行成本低的污水处理技术,目前已经得到了广泛的应用.但是在北方地区,人工湿地受到冬季气候影响,无法正常运行,降低了它的使用效率.试验针对北方冬季低温环境下,人工湿地无法正常运行的问题,对3种不同的保温措施进行历时两年的对比试验,通过对TP、TN、NH₄⁺-N和COD等4种主要污染物和人工湿地出水水温的跟踪监测,检验了不同保温措施的效果.试验结果表明:在冬季,使用薄膜法保温措施的处理系统中, COD、TN和NH₄⁺-N的去除率分别为30%~45%、40%~60%和35%~60%,比温棚法和冰封法的出水中污染物去除率高10%~20%.TP在出水中含量波动较大,去除率为19%~70%,伴有磷释放现象,但是在薄膜保温下TP的去除效果也要好于温棚和冰封.经过SPSS 16.0分析,薄膜保温的人工湿地出水水质与冰封和温棚法相比具有显著性差异.在对人工湿地曝气槽和出水口的污水水温进行监测发现,利用薄膜保温的人工湿地出水口水温高于冰封和温棚的水温,进一步证明薄膜保温可以有效提高人工湿地内的温度,为人工湿地正常运行提供了保证.而且薄膜保温措施的操作简便、造价低,适合推广应用.     

玉米芯和稻草秸秆强化潜流人工湿地对低C/N污水的处理效果

人工湿地在处理低C/N污水时存在碳源缺乏而严重限制反硝化进行的问题.为了补充反硝化需要的碳源,选择了玉米芯和稻草秸秆作为外加碳源引入湿地系统,对比两种碳源对湿地脱氮的强化效果.结果表明,通过11 d的纯水浸提释放实验发现,碳素累积释放量：稻草秸秆［（145.17±9.44） mg·g^-1］>玉米芯［（57.41±5.04） mg·g^-1］;氮素累积释放量：稻草秸秆［（2.31±0.09） mg·g^-1］>玉米芯［（0.66±0.08） mg·g^-1］.在观测的时间内,玉米芯和稻草秸秆累积释放碳氮比平均值分别为94.78和63.64.相比于稻草秸秆,玉米芯更适合作为外加碳源.在为期58 d的潜流人工湿地实验中,发现除了第8~12 d,添加玉米芯和稻草秸秆人工湿地出水中ρ（COD）超过50 mg·L^-1外,其它时间都低于50 mg·L^-1.在观测期间,添加玉米芯人工湿地的NO₃^--N去除率为93%~99%,具有良好的反硝化性能.而添加稻草秸秆人工湿地在运行后期NO₃^--N去除率最低只有76.8%,反硝化速率明显下降.对照组NO₃^--N去除率只有76.2%~77.7%,出现了明显碳源不足的现象.碳源不足还造成了NO₂^--N的蓄积.添加稻草秸秆和对照组人工湿地中NO₂^--N的出水质量浓度分别是玉米芯人工湿地的2.5~6倍和6~26倍.与添加稻草秸秆比,添加玉米芯可以使人工湿地中NO₂^--N出水质量浓度得到更显著地降低（P<0.05）.玉米芯、稻草秸秆和对照组人工湿地TN去除率分别为83.75%~93.49%、76.59%~78.85%和67.85%~72.56%,三者之间存在显著性差异（P<0.01）.最后,通过对玉米芯进行了稀碱加热预处理,使玉米芯的碳素累积释放量提高到（93.73±17.49） mg·g^-1,累积释放的碳氮比提高至175.8,进一步提高了玉米芯的释碳性能,表现为更合适的外加碳源.     

页岩-钢渣组合填料湿地强化脱氮除磷研究

以城市污水A/O工艺出水为处理对象,运用页岩和钢渣物化除磷、调控进水碳氮比和氮素氧化性等技术手段,在中试规模上研究了页岩和钢渣组合填料湿地的脱氮除磷效能及影响因素.结果表明,当COD面积负荷率、TN面积负荷率、TP面积负荷率、HRT(水力停留时间)分别为6.5～20.7 g·(m²·d)^-1、2.57～8.22 g·(m²·d)^-1、0.41～1.32 g·(m²·d)^-1、0.5～1.6d时,①氨氮、亚硝态氮和硝态氮的去除率分别为85.8%、56.3%和18.6%,TN去除率为58.0%,TN面积负荷去除率为3.58g·(m²·d)^-1,TN反应动力学常数为0.31 m·d^-1,TN面积负荷去除率随进水TN负荷的增加而线性增加.②TP去除率为90.4%,TP面积负荷去除率为0.89 g·(m²·d)^-1,TP反应动力学常数为0.86 m.d^-1,TP面积负荷去除率随进水TP负荷的增加而线性增加.③水温、HRT、氮素组分、C/N等因素对湿地系统的脱氮除磷效率有显著影响.TN面积负荷去除率随HRT、COD/TN值的增加而幂函数增加.TN面积负荷去除率随水温(、NO₂^--N+NO₃^--N)/TN值的增加而呈指数函数增加.     

人工湿地处理污染河水的持续性运行研究

中国北方地区城市纳污河道内的污染河水具有水量、水质、水温季节性变化大的特点,这给人工湿地污染河水处理系统的持续性运行造成很大困难.通过1a多的连续性运行,对潜流人工湿地污染河水处理系统的可持续运行问题进行了系统研究,年平均水力负荷为15 cm/d.结果表明,季节变化对氨氮的去除效果影响很大,夏季氨氮去除效果良好,去除率达70%以上,而冬季水温降低到15℃以下时,氨氮去除率降低到30%以下,但季节变化对COD去除效果的影响较小.人工湿地在夏季雨季时期可以承受较大的短期洪水水力冲击负荷,在100 cm/d的负     

北方地区受污染河湖水体潜流湿地净化技术研究与工程应用

结合实验研究和工程应用实践,在湿地填料选择、水力负荷变化、植物特性、结构优化、越冬运行等方面,对我国北方地区潜流人工湿地设计、建设、运行管理中的关键技术问题开展了系统、深入研究.结果表明:石灰石、粗砂等脱氮除磷综合效果较好,且取材方便、价格便宜,应是人工湿地主选填料,钢渣、褐铁矿除磷效果良好、沸石的氨氮吸附能力强,可作为辅助材料;湿地植物对水质净化贡献约为5%～15%,其地上部分的生物量移除贡献不足5%,湿地植物对系统水力负荷维持、冬季保温、生态景观等还具有较大贡献;以植物保温为主,结合冰下取水、水位管理等可实现北方地区潜流湿地冬季正常运行;优化提出了竖向复合流湿地结构,具有节约用地、硝化-反硝化作用效果显著、抗淤堵等特点.研究成果已在工程实践中得到成功应用,对人工湿地在我国北方地区的推广应用具有重要借鉴意义.     

龙河人工湿地在北方冬季低温条件下的运行效率

人工湿地有着建设及运营成本低、水质净化效果好等显著优点,在河道水质净化等领域受到广泛应用。但是由于冬季低温条件下运行效果不佳,制约了人工湿地在北方的推广应用。通过构建“物化预处理(高效沉淀池)+人工湿地(潜流湿地+表流湿地)”工艺模式的多级复合人工湿地(3万t/d),探究冬季低温条件下人工湿地结合冰封保温措施对龙河水质净化的效果。分析了2019年12月至次年1月龙河人工湿地系统的运行效率,结果表明:该湿地系统对COD、NH₄+-N、TP、SS去除率分别达到49.06%、77.72%、57.95%、38.73%,其净化能力在冬季仍然较高。对于不同植物组合的潜流湿地而言,香蒲-芦苇两级潜流湿地对NH₄+-N、TP、SS的去除效果优于芦苇-香蒲两级潜流湿地,分别提高3.2%、11.1%和6.7%;但是二者对COD去除率无显著差异,说明不同植物组合对污染物的去除各有优势。综合而言,龙河多级复合人工湿地对污染物有较佳的去除效果,提高了人工湿地在冬季低温条件下的运行效率,为人工湿地在北方地区的推广应用提供了一定的借鉴价值。     

人工湿地污染物去除效率稳定性分析——以沈阳市满堂河污水处理中心为例

利用沈阳市满堂河污水处理中心人工湿地8年来运行数据,对人工湿地整体系统和不同功能区的水质净化效果进行了对比分析,结果表明,潜流人工湿地对CODCr的去除效率,在50%～70%;表面流人工湿地对CODCr的去除效率,稳定在20%左右;人工湿地系统整体对悬浮物和氨氮的去除效率保持在50%以上;人工湿地系统对污染物质的去除效率,随着运行时间增加而日趋稳定。     

潜流构造湿地去除农田排水中氮的研究

对潜流构造湿地处理农业面源污水的脱氮效果进行了中试研究.研究证明潜流湿地氮去除效率和水力停留时间呈正相关关系,芦苇床的脱氮效果明显好于茭草床和空白床,名义水力停留时间大于5d时,芦苇、茭草潜流湿地脱氮效率可以达到60%以上.氮的去除满足一级推流反应动力学关系,空白床、芦苇床和茭草床的一级反应动力学常数K分别为0.14、0.26和0.20d^-.微生物的反硝化是人工湿地脱氮的主要途径,植物吸收总氮量仅占入水量的15%左右.     

Modeling the e ects of constructed wetland on nonpoint source pollution control and reservoir water quality improvement

This article describes the integrated modeling approach for planning the size and the operation of constructed wetlands for maximizing retention of nonpoint source pollutant loads and reservoir water-quality improvement at a catchment scale. The experimental field-scale wetland systems (four sets, 0.88 ha each) have been in operation since 2002, where water depth was maintained at 30–50 cm and hydraulic loading rate was at 6.3–18.8 cm/day. The wetland system was found to be adequate for treating polluted stream water with stable removal e ciency even during the winter. The integrated modeling system (modified-BASINS) was applied to the Seokmoon estuarine reservoir watershed and calibrated with monitoring data from constructed wetland, stream, and reservoir. The calibrated integrated modeling system estimated that constructing wetlands on 0.5% (about 114 ha) of the watershed area at the mouth of reservoir could reduce 11.61% and 13.49% of total external nitrogen and phosphorus loads, respectively. It also might improve the nitrogen and phosphorus concentration of the reservoir by 9.69% and 16.48%, respectively. The study suggested that about 0.1%–1.0% of the watershed area should be allocated for constructed wetland to meet specified water-quality standards for the estuarine reservoir at the polder area where land use planning is relatively less complicated.     

Modeling the effects of constructed wetland on nonpoint source pollution control and reservoir water quality improvement

This article describes the integrated modeling approach for planning the size and the operation of constructed wetlands for maximizing retention of nonpoint source pollutant loads and reservoir water-quality improvement at a catchment scale.The experimental field-scale wetland systems (four sets,0.88 ha each) have been in operation since 2002,where water depth was maintained at 30–50 cm and hydraulic loading rate was at 6.3–18.8 cm/day.The wetland system was found to be adequate for treating polluted stream water with stable removal efficiency even during the winter.The integrated modeling system (modified-BASINS) was applied to the Seokmoon estuarine reservoir watershed and calibrated with monitoring data from constructed wetland,stream,and reservoir.The calibrated integrated modeling system estimated that constructing wetlands on 0.5% (about 114 ha) of the watershed area at the mouth of reservoir could reduce 11.61% and 13.49% of total external nitrogen and phosphorus loads,respectively.It also might improve the nitrogen and phosphorus concentration of the reservoir by 9.69% and 16.48%,respectively.The study suggested that about 0.1%–1.0% of the watershed area should be allocated for constructed wetland to meet specified water-quality standards for the estuarine reservoir at the polder area where land use planning is relatively less complicated.     

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).     

潜流人工湿地处理污染河水冬季运行及升温强化处理研究

考察了冬季潜流人工湿地污染河水处理系统在不同水力负荷下对污染物去除的效果.结果表明,水温15℃左右时,水力负荷由30cm/d降低到15cm/d后,氨氮转化率由14%上升到39%,COD的平均去除率由20%上升到31%,水温的降低对氨氮去除效果有很大的影响.在湿地表面覆盖塑料地膜能有效地提高系统对污染物的去除效果,覆盖地膜后,氨氮平均去除率由29.4%上升到67.6%,COD的平均去除率由29.0%提高到46.6%,脲酶活性由0.025 mg/(g·d)上升到0.037 mg/(g·d),脱氢酶的活性由0.17μL/(d·g)上升到4.54μL/(d·g).微生物活性研究表明,覆盖地膜后系统温度的升高能提高系统中微生物的活性.植物污染物质释放试验表明,冬季地表植物腐烂会向水中释放大量的污染物质,影响系统的净化效果,因此秋季应对湿地植物及时进行收割.