人工湿地微生物硝化和反硝化强度对比研究

通过对表面流和潜流人工湿地中不同填料层的微生物硝化和反硝化强度进行对比研究,探讨了人工湿地脱氮过程中硝化反硝化作用的变化,从微生物角度分析了人工湿地脱氮效果的差别.研究结果表明,人工湿地系统可以同时进行硝化和反硝化作用.表面流湿地硝化强度高于潜流湿地,2个系统中的硝化强度具有较明显的分层现象,上层硝化强度高于下层.2个系统中沿程硝化强度呈递减趋势,硝化强度反映氨氮去除率的大小,表面流湿地氨氮的去除率高于芦苇潜流湿地30%～40%.反硝化强度比较结果表明,潜流湿地上层土壤填料的反硝化强度最高,砾石填料反硝化强度最低,表面流湿地反硝化强度居中,2个系统反硝化强度上下分层不明显,沿程基本保持不变.     

炉渣填料组合潜流湿地对不同污染程度河水处理效果研究

利用炉渣作填料的水平潜流(HFCW)+垂直潜流(VFCW)组合而成的人工湿地系统处理污染河水,研究了不同进水浓度时湿地系统对河水中有机物和氮磷营养物质的去除效果。结果表明:在满水位运行(水深75 cm),水力负荷为0.4 m3/(m2·d)的条件下,组合潜流人工湿地对河水中有机物有较高的处理效率,进水ρ(COD)为100 mg/L左右,去除率稳定在90%以上;同时具有较强的营养物质去除效果,进水氨氮、硝态氮、总磷质量浓度分别为6~12,8~16,3~9 mg/L,氨氮、硝态氮、总磷去除率分别维持在45%、80%、55%以上;垂直潜流湿地复氧效果优于水平潜流湿地,以水平潜流人工湿地作为一级处理单元的组合方式对硝态氮有较好的去除效果。     

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.     

复合人工湿地系统净化城市富营养水体的应用研究

采用复合人工湿地系统对紫阳湖富营养水体进行净化工程性研究,在水力负荷为1 m3(/m2·d)的条件下,研究了上层表面流人工湿地单元、下层水平潜流人工湿地单元对紫阳湖水体中高锰酸盐指数、TN、TP等水质指标的去除效果。结果表明:下层水平潜流人工湿地单元对高锰酸盐指数、TN、TP的去除率分别为24.5%、23.1%、23.3%,上层表面流人工湿地单元对高锰酸盐指数、TN、TP的去除率分别为23.5%、13.3%、14.2%,上层人工湿地单元对氮、磷的去除效果比上层人工湿地单元高50%和40%,对高锰酸盐指数的去除效果两者差不多。另外,复合人工湿地对紫阳湖水净化效果较好,对高锰酸盐指数、TN、TP的平均去除率达到42%、33.2%和34.2%,出水浓度分别为9.60、2.01和0.23 mg/L,出水稳定可以为后续水体生态修复措施创造有利条件。     

潮汐流-水平潜流组合人工湿地对细菌处理效果的研究

以潮汐流-潜流组合人工湿地为研究对象,探讨该种组合方式下湿地系统对细菌的去除,同时讨论了不同淹没排空比(3∶3、5∶3、9∶3)下潮汐流湿地床对细菌的去除效果。结果表明:在潮汐流湿地系统中,细菌的去除率随着水力停留时间的增加而提高。在组合潮汐流-潜流系统中,淹没排空比为3∶3时,总细菌、总大肠菌群及粪大肠菌的总体去除率分别为96.5%、97.9%、92.4%,而潮汐流湿地床的去除率仅为65.8%、58.2%、46.9%,较短的水力停留时间成为细菌去除的限制因素。仅利用组合人工湿地作为高浓度微生物污水的处理是不够的,需要后续处理。     

不同流态和基质对人工湿地污染物去除及温室气体排放的影响研究

为研究流态和基质对人工湿地生态系统功能的影响,分别利用水平推流砾石潜流湿地、水平推流陶粒潜流湿地、水平折流砾石潜流湿地、上下折流砾石潜流湿地4种人工湿地装置处理低污染水,考察不同流态和基质对人工湿地污染物去除及温室气体排放的影响。结果表明:上下折流砾石潜流湿地对污染物的处理效果最好,对CODMn、TP、TN、NO_3-N、NH_4-N的去除率分别达到20.78%、42.47%、28.9%、32.72%和52.92%,并且该湿地的CO_2和N_2O排放通量最大,分别为409.3mg/(m2·h)和20.3mg/(m~2·h),水平折流砾石潜流湿地的CH4排放通量最大,为0.80mg/(m~2·h),说明流态对人工湿地污染物的处理效率及温室气体排放具有重要影响,采用上下折流流态的人工湿地具有更高的污染物处理效率及温室气体排放通量;水平推流陶粒人工湿地对CODMn、TP和NH_4~+-N的去除率分别为24.39%、29.44%和22.39%,高于水平推流砾石人工湿地的去除率(14.71%、37.19%和12.23%),说明相比砾石,以陶粒作为基质的人工期湿地具有更高的污染物处理能力。     

人工湿地不同填料组合去除典型污染物的研究

选取沸石、火山岩、空心砖、钢渣4种填料,通过对水中典型污染物的等温吸附试验,进行填料组合方式的优化配比.选取优化后的配比组合模拟人工湿地基质系统进行动态试验,进一步考察分析不同填料组合对污染物去除效果的差异.实验结果表明,Langmuir模型能够较好地模拟填料对氮、磷的吸附过程.各填料对NH+4-N的饱和吸附量大小为沸石(2388.92 mg·kg-1)空心砖(618.39 mg·kg-1)火山岩(310.84mg·kg-1);对磷的饱和吸附量大小为空心砖(3051.57 mg·kg-1)钢渣(2863.69 mg·kg-1)火山岩(1102.78 mg·kg-1)沸石(717.15mg·kg-1).在动态试验中,不同的填料组合对污染物具有不同的去除效果.综合考虑各填料组合对污染物的去除,选取效果最优的填料组合为ZH11(沸石与空心砖质量比1∶1混合),其对COD、NH+4-N、NO-3-N、TP的去除率分别达到62.40%、95.54%、59.82%和97.50%.     

垂直潜流人工湿地中有机物去除动态规律研究

在分析垂直潜流人工湿地不同高度有机物去除率及其形态变化的基础上,推求出各形态有机物在垂向沿程的平均去除速率,建立了进水浓度和进水水力负荷规律曲线.结果表明.在本实验条件下.垂直潜流人工湿地中有机物的去除主要集中在布水管至布水管下10 cm的基质层内,进水水力负荷越小,该基质层内有机物的去除率也越高;在以粗砂作为垂直潜流人工湿地的基质、进水水力负荷≤0.5 m3/(m2·d)的条件下,垂直潜流人工湿地对有机物去除的有效高度为60 cm;布水管下10 cm基质层不同类型有机物的平均降解速率都处于最大,随着垂向沿程深度的增加.各类型有机物的平均降解速率都呈较大幅度递减趋势;以砂子为基质的垂直潜流人工湿地进水浓度和进水水力负荷规律曲线可表示为(Cin-Cou)×q=1107.02-2.96 Cin× q.     

水平潜流人工湿地有机物去除模型研究

以总有机碳(TOC)做为模型参数,建立了1个水平潜流人工湿地有机物去除机理模型.通过对试验数据的拟合得到模型中的未知参数,再对模型进行验证.结果表明,模型预测值与实测值的吻合较好.种植花叶芦竹的水平潜流人工湿地和空白湿地对生活污水中总有机碳的去除率分别为92%和91%,去除的主要途径为生物降解作用,生物降解量占进水总有机碳的84%.植物对总有机碳去除有促进作用,但影响不大.     

不同组合类型人工湿地污水处理效果比较

构建室内潮汐流-水平潜流和水平潜流-潮汐流2种不同组合人工湿地系统,探讨不同组合人工湿地系统对污染物的去除效果。研究结果表明:1)当进水总有机碳平均质量浓度为75.9 mg/L,氨氮平均质量浓度为99.4 mg/L时,潮汐流-水平潜流和水平潜流-潮汐流人工湿地系统对总有机碳的去除率分别为90.2%和91.3%,氨氮平均去除率分别为19.5%和39.2%,总氮平均去除率分别为10.3%和30.5%。水平潜流-潮汐流人工湿地系统对氮素表现出较好的去除能力。2)在进水氨氮浓度不变,降低潮汐流-水平潜流组合人工湿地进水的总有机碳浓度至23.1 mg/L,同时,升高水平潜流-潮汐流进水的总有机碳浓度至105.0 mg/L时,2组湿地系统对氮素的平均去除率均得到大幅度提高,氨氮去除率分别为78.9%和80.6%,总氮平均去除率也分别升高到45.4%和51.8%。     

人工湿地不同区域基质磷含量的差异分析

基质吸附是人工湿地磷去除的主要途径,吸附能力易受环境条件的影响,为了探讨人工湿地运行时内部多样化理化环境对基质磷吸附的影响,以相同基质的无植物和有植物水平潜流人工湿地实验系统为对象,在对人工配制有机污水进行5个月处理后,分析了2个系统不同区域基质中总磷及各主要无机态磷的含量.结果表明,植物系统各部分基质中总磷含量呈现较大的差异,总磷最高的进水区根际基质达0.75 g·kg-1,其次是进水区抖落和出水区根际基质,最低的出水区非根际基质只有0.21 g·kg-1,无植物系统各部分基质总磷含量比较接近,在0.21～0.27 g·kg-1之间,总体来看,植物系统基质总磷含量高于无植物系统;与实验前相比,两系统各部分基质中铁磷、铝磷和钙磷含量都升高,是基质吸附无机磷的主要赋存形式,铁磷和铝磷在两系统不同区域基质中变化特点相似,植物系统进水区根际、抖落基质铁磷、铝磷含量大幅增加,而出水区和无植物系统各部分增加量相对较少;两系统各部分基质钙磷含量升高相对较均衡,但植物系统进水区和出水区根际基质含量也略高于其他部分;两系统各部分基质松散结合态磷和闭蓄态磷含量都比较低;植物根系对基质磷含量具有明显影响,总磷、铁磷、铝磷、钙磷和松散结合态磷含量呈现距离植物根系越近含量越高的特点.     

几种人工湿地基质净化磷素污染性能的分析

通过基质磷素等温吸附、净化磷素污染效果和基质磷素饱和吸附后磷素释放实验,研究了砂子、沸石、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰和矿渣7种人工湿地基质净化磷素污染效果和影响因素,并评价了基质磷素饱和吸附后磷素释放可能造成的二次污染风险结果表明:Freundlich和Langmuir等温吸附曲线方程均能很好地描述上述基质磷素吸附过程,其磷素理论饱和吸附量依次为矿渣＞粉煤灰＞蛭石＞表土＞下蜀黄土＞沸石＞砂子.磷素的净化能力依次为矿渣＞粉煤灰＞蛭石＞表土＞下蜀黄土＞沸石＞砂子,模拟污水磷素净化实验也证实矿渣、粉煤灰、蛭石净化磷素污染效果较好,表土和下蜀黄土次之,沸石和砂子净化磷素污染效果较差.矿渣和粉煤灰等钙素含量较高的碱性基质,影响磷素吸附净化效果的主要因素是基质的全钙含量,碱性条件下,基质全钙含量越高,其吸附的磷素越多,净化磷素污染的效果越好.砂子、沸石、下蜀黄土、黄褐土和蛭石等活性胶体氧化铁铝含量较多的中性基质,影响其磷素吸附净化效果的主导因素是其胶体氧化铁的含量,胶体氧化铁能促进基质吸附磷素效应,提高磷素净化能力.基质磷素饱和吸附后磷素释放实验也表明:除砂子基质磷素释放比例较高以外,其它基质磷素释放的比例很低,加强人工湿地基质的管理,上述人工湿地基质一般不会对水体环境造成二次污染.     

纳米氧化锌粒径对人工湿地性能及微生物群落的影响

纳米颗粒(nanoparticles,NPs)具有较小的粒径(1～100 nm),其生物毒性与粒径的大小紧密相关.在进水COD约200. 0 mg·L~(-1),NH_4~+-N约12. 5 mg·L~(-1)和溶解性总磷约4. 0 mg·L~(-1)的条件下连续运行28 d,研究了3种不同粒径的纳米氧化锌(ZnO NPs)对水平潜流人工湿地微生物群落结构和多样性的影响,同时结合湿地脱氮性能的变化,探讨了湿地中微生物群落结构和多样性与其处理性能的相互关系.结果表明,3种粒径(15、50和90 nm)的ZnO NPs(10 mg·L~(-1))对COD的去除无明显差异,而对脱氮则表现出明显的粒径效应.高通量测序发现,人工湿地系统中硝化菌属的丰度明显低于反硝化菌属,硝化过程是制约湿地脱氮性能的关键因素.暴露于不同粒径的ZnO NPs后,微生物群落结构发生不同程度的变化,与较大粒径(50 nm和90 nm)的ZnO NPs相比,15 nm的ZnO NPs对硝化菌属的抑制更为显著.     

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.     

处理低污染河水的湿地内氮迁移转化过程模拟

为了明确以低污染河水为原水的人工湿地中的主要脱氮机制以及氮素的归趋形式,以洱海流域邓北桥湿地工程为研究对象,根据湿地内发生的生物反应、物理吸附以及沉淀等过程,建立了生态动力学模型,模拟湿地中氮素的迁移转化. 结果显示,所建模型能较好地模拟出水中ρ(NH₄+-N)、ρ(NO₃--N)、ρ(ON)(ON为有机氮)的变化趋势,效率系数(R)分别为50.2%、67.6%、81.2%. 通过对湿地氮素迁移转化与去除量的模拟结果分析,确定了湿地除氮的主要机制为硝化、反硝化、植物吸收. 反硝化作用可以去除进水中50.0%的TN,植物吸收可以去除进水中11.0%的TN,底泥则可以吸附进水中3.5%的TN. 模拟得到硝化速率平均值、反硝化速率平均值、植物吸收氮速率平均值分别为0.234、0.438、0.050 g/(m3·d).      

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).     

潜流型人工湿地硝化和反硝化作用强度研究

对芦苇、美人蕉、空白潜流型人工湿地中硝化、反硝化作用强度进行了对比研究. 结果表明, 潜流型湿地硝化作用强度受温度影响显著, 且与总氮、氨氮去除率显著相关. 各湿地硝化、反硝化作用强度的空间分布具有明显分层现象, 湿地表层高于深层. 芦苇湿地表层硝化作用强度呈中间高、两端低的变化趋势; 深层则沿程递减; 反硝化作用强度沿程变化不明显. 垂直流湿地平均硝化作用强度高于水平流湿地; 有植物湿地高于空白湿地; 芦苇湿地高于美人蕉湿地. 植物根系分泌物直接影响硝化作用强度, 根际硝化作用强度由根面至非根区递减. 潜流湿地具有较强的反硝化潜力, 反硝化作用强度明显高于硝化作用强度.     

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.     

生物沸石人工湿地处理分散养猪冲洗水性能

以构建的三级生物沸石人工湿地处理分散养猪冲洗水厌氧出水,考察了湿地的运行性能、污染物随时间变化以及生物沸石层ORP分布情况.结果表明,三级生物沸石人工湿地可高效地去除分散养猪冲洗水厌氧出水的COD、N和P,且耐NH_4~+-N冲击负荷.湿地水力负荷为0.047 m~3·(m~2·d)~(-1)时,COD、NH_4~+-N和TN(平均质量浓度分别为477.7、155.3和176.4mg·L~(-1))主要在湿地一区被去除,平均去除率分别为80.6%、55.3%和58.1%.生物沸石强化硝化作用明显,硝化产物主要为硝酸盐,湿地一区、二区和三区的NO_3~--N产生质量浓度分别为85.85、91.06和82.41 mg·L~(-1),一区沸石层产生的硝酸盐可被其下部砖渣层微生物利用水中剩余有机物为底物,通过反硝化途径去除.TP主要靠砖渣吸附去除,微生物的作用相对较小.三级湿地沸石层复氧效果均较好,大部分ORP值都保持在400 m V以上.     

功能分区型人工湿地处理养殖废水厌氧消化液的性能

针对养猪废水厌氧消化液高ρ(NH₄+-N)的特点,构建了上层填充沸石强化硝化、下层填充砖渣强化反硝化的功能分区型人工湿地,考察其启动阶段运行性能、硝化区及反硝化区污染物去除性能. 结果表明,湿地以间歇方式运行(饱和液位无变化),启动后NO₃--N的产生速率为0.014 6 kg/(m3·d),湿地底部出水的ρ(NO₃--N)平均值为14.94 mg/L,明显低于沸石层的21.77 mg/L. COD_Cr主要在湿地上层硝化区被去除,平均去除率为64.82%. 随着湿地启动,下层由于反硝化作用消耗的有机物增至56.67 mg/L. 在进水期的前15 min,COD_Cr、NH₄+-N、TP的去除率最大,NO₃--N溶出量(以ρ计)最高,达42.30 mg/L. 沸石层10、20和30 cm处硝化速率基本稳定,沸石层的E_h均在400 mV以上. 与间歇方式相比,湿地以潮汐流方式(进水期与落干期时间比为1 h∶23 h)运行时,COD_Cr和TN去除率分别由78.45%和41.99%升至82.62%和53.41%. 研究显示,功能分区型人工湿地通过上层硝化、下层反硝化方式可有效去除养殖废水厌氧消化液中的NH₄+-N.