强化曝气对潜流人工湿地堵塞物分布规律的影响

构建曝气及未曝气潜流人工湿地小试实验系统,研究曝气对人工湿地堵塞物组分及分布规律的影响.结果表明:两系统中堵塞物组成均以无机物为主,曝气对堵塞物累积总量影响不大,但对堵塞物化学组分影响较大,使堵塞物中有机物组分比例降低.未曝气及曝气系统堵塞物平均累积量分别为5.18 mg·g~(-1)及5.21 mg·g~(-1),有机物所占比例分别为28.4%和15.6%.曝气对堵塞物在水平及深度方向的分布影响不大,两系统均表现为底层累积物含量略高于表层,出水端累积物含量略高于进水端.电镜及能谱分析结果显示,受溶解氧因素的影响,两系统中表层填料元素种类均较底层丰富,且曝气系统较未曝气系统丰富.     

不同结构的人工湿地系统对溶解性有机物去除效率的研究

为研究溶解性有机物在生态修复系统中的降解与残留,构建石英砂、焦炭及曝气焦炭系统的人工湿地,比较填料及强化曝气对DOM代谢的影响,研究结果表明:填充焦炭的反应器处理COD、NH~+_4-N、DOC、蛋白质、多糖和UV_(254)的效果明显优于填充石英砂的反应器;表层连续曝气能有效地提高对COD和NH~+_4-N的去除效果,平均最优去除率分别为89.58%和51.15%,与未曝气组相比分别平均提高了4.22%和14.79%,COD和NH~+_4-N的去除与DOC中HPI组分的降解成相关性;系统表层进行曝气大大提高了系统对TPI-A中溶解性蛋白质的降解,降解率为65.9%,而对多糖中TPI-A组分的降解与未曝气相比无明显差异.     

美人蕉根系对不同基质结构水平潜流人工湿地水力特性的影响

为了研究植物根系对不同基质结构潜流人工湿地水力特性的影响,根据填料渗透系数,分别设置单层及多层基质结构潜流人工湿地小试实验系统,以美人蕉作为湿地植物,在植物栽种前与成熟后对两系统分别开展示踪试验研究.实验结果表明,美人蕉根系对于单层结构人工湿地水力特性有较明显的改善作用,有效体积从0.49提高到了0.53,短路值由0.60降低到0.41,水力效率提高最大由43%提高到59%.比较而言,植物根系对多层结构湿地有效体积和短路值有轻微负面影响,而对水力效率则有明显的改善作用(由64%提高到83%).此外,植物成熟后,两人工湿地系统中示踪剂回收率均有所下降,其中,单层结构湿地降低较显著,回收率由72%降到62%.可见,植物根系对系统水力特性有较大影响,应在人工湿地设计过程中给予考虑.     

潜流人工湿地基质结构与微生物群落特征的相关性

为查明造成不同基质结构人工湿地净化性能差异的微生物因素,利用高通量测序技术,研究水平潜流人工湿地基质结构与微生物群落结构的相关性.结果表明,3个对比人工湿地系统中,从床体表层到底层渗透系数逐渐升高的六层结构人工湿地(CW6)净化性能最高,其出水中COD、TN、NO-3-N及NH_4~+-N平均浓度分别为39、11、0.35及4 mg·L~(-1),其后为三层结构人工湿地(CW3),而单层结构人工湿地(CW1)的净化效果最差,平均出水浓度分别为95、21、0.60及12 mg·L~(-1).高通量测序结果显示,多层结构人工湿地中微生物OTUs略低于单层结构湿地,但其优势菌门变形菌门(Proteobacteria)和其属水平上的硝化与反硝化细菌的相对丰度却显著高于单层湿地.PCA和丰度热图分析结果显示,CW3和CW6床体中变形菌门(Proteobacteria)属水平上的微生物存在显著的空间分布差异,从而有利于污染物的分区降解,而CW1各样点间的微生物群落结构无显著性差异.     

曝气对潜流人工湿地污染物沿程降解规律的影响

通过构建曝气及未曝气潜流人工湿地小试实验系统,研究曝气对人工湿地床体中污染物沿程变化规律的影响。实验结果表明,曝气对污染物沿程降解规律的影响与污染物种类有关,在净化COD和氨氮时,曝气人工湿地污染物主要以水平推流式降解为主,未曝气系统床体中则出现分层现象,深度为40 cm以上的床体区域中污染物以水平推流式降解为主,40 cm以下区域则以垂直梯度降解方式为主。对于磷来说,两对比系统均以水平推流降解方式为主,但不同深度上的降解速率有所差异,曝气系统30~50 cm的床体中间层降解速率较快,而未曝气系统50 cm以下的床体底层降解速率较快。将对比系统总体净化效果进一步比较发现,对于COD的去除来说,温度的影响大些,而对于氨氮和TP的去除来说,曝气的影响则更为显著。     

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。     

植物根际对人工湿地系统中微生物的影响

通过测定美人蕉、花叶水葱和风车草3种不同植物根际及其周围基质微生物的蛋白质、多糖以及CO_2的释放,开展了根际对微生物影响的试验。结果表明:在植物种植的4个月内微生物生长繁殖的活性会随着时间的延长呈增长趋势;根据3种植物的系统微生物呼吸强度强弱,发现系统微生物的总活性为:花叶水葱美人蕉风车草;对比3种植物的根际与其周围基质微生物蛋白质和多糖的含量,表明湿地中植物的根际对微生物胞外聚合物具有一定促进作用。     

潜流人工湿地基质结构与水力特性相关性研究

利用数值模拟方法结合实验手段,研究基质结构与系统水力特性的相关性,数值模拟结果表明,填料渗透系数对人工湿地水力效率影响很大,单层结构人工湿地系统中,填料渗透系数越大,流场分布越不均匀;由上到下填料渗透系数逐渐增加的分层填充方式能有效避免短流及死区的发生,提高系统水力效率.根据数值模拟结果构建两个人工湿地对比小试实验系统,并开展示踪实验对模拟结果进行验证,示踪实验结果表明,分层填充结构水力特性显著优于单层结构潜流人工湿地,二者有效体积比分别为0.87和0.49.可见,数值模拟方法能够有效应用于潜流人工湿地基质结构参数优化方面.