人工湿地深度处理污水处理厂二级出水试验研究

【摘要】：随着社会和经济的发展,人们对环境尤其水环境的要求越来越高。当前水环境污染是我国面临的最主要环境问题。为应对水环境污染,近二十年来,国家和地方政府投资兴建了大量的污水处理厂,这些污水处理厂的运行,对于改善我国的水环境状况起到非常大的作用。但是,由于很多早期建设的污水处理厂采用二级生物处理,其处理出水无法满足新排放标准中对氮磷指标的要求,而氮磷是造成水体富营养化的主要原因。为保证水厂出水指标符合新排放标准要求,就必须对工艺较老的污水处理厂进行工艺改造。改造方式一般为在二级生物处理后增加深度处理单元。人工湿地作为一种新型生态处理方式,具有管理简单,运行费用低,实用性强的特点,研究人工湿地作为城市污水处理厂深度处理单元具有非常重要的意义。 本课题通过对湿地基质,植物及运行方式进行试验研究,针对水中COD、 NH4+-N、NO-2-N、NO-3-N、TP等指标,考察人工湿地处理污水处理厂二级出水的实际效果。试验期间,在山东建筑大学污水处理站建设人工湿地中试现场,作为原污水处理站的深度处理单元,处理二级出水。经测定,原有工艺二级出水COD值为88.5-103.5mg/L、NH4+-N值为14.8-20.2mg/L、TP值为1.71-3.06mg/L这几项指标均高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918----2002)一级A的要求。建设后的人工湿地从2010年初开始运行至2012年年底,通过三年的连续运行,取得较好的处理效果,出水指标中COD值小于50mg/L、NH4+-N值小于5mg/L、TP值小于0.5mg/L均优于一级A的排放标准要求。在课题研究期间,取得如下结果： (1)优选了构建人工湿地的基质,揭示了其吸附机制。通过对磷的吸附、解吸试验以及性能测试,发现页岩陶粒具有对磷的吸附性能较好,其对磷的解吸率较低,机械强度较高,破损率低,比表面积大等特点,因此选择页岩陶粒作为人工湿地的基质,对页岩陶粒进行扫描电镜及能谱分析,阐述了页岩陶粒的物理特性和化学特性,证明了页岩陶粒对磷的吸附能力强与其表面微孔结构及含有的金属元素有关； (2)优选了构建人工湿地的植物,揭示了常见湿地植物根际微生物的分布规律。在山东省南四湖大型湿地选择五种最常见的植物芦苇、芦竹、香蒲、三棱草、蓑衣草,采用变性梯度凝胶电泳法(DGGE)分析五种植物根际所含微生物及其与周围环境之间的关系,试验结果显示,五种植物根际土壤所含微生物数量多少关系为芦竹芦苇香蒲三棱草蓑衣草；利用Quantity One软件对DGGE图谱进行进化树分析,发现芦苇、香蒲、芦竹三种植物的根际土壤所含微生物亲缘性比较接近,且其根际微生物已具有明显的脱氮、除磷功能。通过试验结果,选择上述前三种植物作为本研究的人工湿地的种植植物； (3)通过实验室模拟人工湿地试验,初步确定了水力停留时间(HRT)和溶解氧(DO)对湿地处理效果的影响,初步研究了溶解氧浓度对氨氮去除的影响规律。结果显示,当HRT为5天时,其COD的去除率分别比HRT为1天、2天时高41.2%和20.1%,当HRT为7.5天时,其COD去除率仅比5天时增加5.2%；当HRT=5天时,TP去除率分别比HRT为1天、2天时高38.2%和18.1%,当HRT为7.5天时,其TP去除率仅比5天时增加4.3%；氨氮去除率也呈现相近关系,综合考虑进水负荷及运行效率,初步确定HRT为5天,处理效率较高； (4)试验考察了DO浓度对NH4+-N去除率的影响,发现在不同DO浓度下,NH4+-N的转化规律。当DO浓度较低(低于1.5mg/L)时,NH4+-N的去除是因为除了基质吸附的原因外,大部分NH4+-N转化为NO2-N,亚硝酸盐累积率达到70%以上,证明湿地池体内存在着明显的短程硝化过程,当DO浓度大于1.5mg/L时,NH4+-N大部分转化为NO3-N,亚硝酸盐累积率降到40%以下,NH4+-N的去除主要是硝化作用； (5)研究了陶粒表面生物膜生物量生长规律,阐明了该陶粒高吸附性能的原因。试验结果表明,陶粒表面生物量与DO浓度有很好的相关关系,生物膜与页岩陶粒之间具有很强的吸附作用,根据能谱分析,陶粒表面具有丰富的金属离子,生物膜中的蛋白和腐殖酸等物质易于和Ca、Mg等二价离子结合,而多糖易于和K、Na等低价离子结合形成聚体,因此具有很强的吸附性能,这种强吸附特性对于减缓由于生物膜脱落而造成湿地堵塞有很大作用； (6)考察了人工湿地种植三种植物芦苇、芦竹和香蒲对氮磷的吸收能力以及植物不同部位氮磷含量,试验结果显示,芦竹对氮磷的吸收能力最强,但三种植物吸收能力无显著差别；通过对植物不同部位氮磷含量分析,发现N含量遵循着叶根茎的规律；而P在不同组织中含量依次为根叶茎；植物中氮的含量(7.17-37.14mg/g)要明显高于磷的含量(2.28-5.28mg/g),试验结果还显示芦苇根系的输氧能力最强； (7)考察了人工湿地中试现场长期运行过程中物质的积累情况,通过测定池体内水力渗透系数及总固体和挥发性固体,长期运行后,水力渗透系数下降14.7%,池体前部总固体累积为4.72kg/m2,后部为4.19kg/m2。证明所构建的人工湿地在长期运行后没有发生明显堵塞现象,前部的物质积累要高于中后部,多数的悬浮物质在湿地池体的前部去除。进一步验证了轮休是延缓湿地堵塞的有效方式。结合人工湿地运行出水主要污染物指标情况,得出结论：采用人工湿地作为污水处理厂的深度处理单元,在运行三年后,仍然具有很好的处理效率,从2010年初运行至2012年底,在每年4月至10月的运行中,出水COD、NH4+-N、TP等指标均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918----2002)一级A的要求。并且没有发生明显的堵塞现象。证明采用人工湿地作为污水处理厂深度处理单元是可行的。 【关键词】：人工湿地 短程硝化 人工曝气 DGGE
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 符号说明10-11
• 摘要11-14
• Abstract14-17
• 第一章 人工湿地的研究进展17-35
• 1.1 人工湿地概述17-23
• 1.2 人工湿地的研究进展23-31
• 1.3 本课题的研究意义31-33
• 1.3.1 中国水环境污染现状31-32
• 1.3.2 课题提出的意义32-33
• 1.4 课题主要研究内容及创新点33-35
• 1.4.1 主要研究内容33-34
• 1.4.2 课题创新点34-35
• 第二章 人工湿地基质选择试验研究35-45
• 2.1 不同基质对磷的吸附试验35-40
• 2.1.1 材料与方法35-37
• 2.1.2 试验结果37-40
• 2.2 页岩陶粒的物理化学性能分析40-44
• 2.3 小结44-45
• 第三章 人工湿地植物选择试验研究45-59
• 3.1 人工湿地水生植物的选择原则45-48
• 3.2 植物根际微生物的研究方法和实验材料48-58
• 3.2.1 植物根际微生物的研究方法48-49
• 3.2.2 植物根际微生物实验与材料49-52
• 3.2.3 结果与讨论52-58
• 3.3 小结58-59
• 第四章 人工湿地运行条件试验研究59-74
• 4.1 试验材料与方法59-62
• 4.1.1 试验装置59-60
• 4.1.2 试验条件60-61
• 4.1.3 水质及数据分析方法61-62
• 4.2 试验结果分析62-73
• 4.2.1 处理效果对比62-70
• 4.2.2 生物膜生长状况70-73
• 4.3 小结73-74
• 第五章 人工湿地现场运行试验研究74-101
• 5.1 试验材料与方法74-80
• 5.1.1 试验现场建设74-78
• 5.1.2 植物种植78-79
• 5.1.3 试验运行方式79
• 5.1.4 水质及检测方法79-80
• 5.2 试验结果分析80-100
• 5.2.1 不同HRT条件下处理效果的试验结果81-82
• 5.2.2 长期运行处理效果分析82-88
• 5.2.3 湿地中物质积累情况88-92
• 5.2.4 植物吸收营养物质试验研究92-100
• 5.3 小结100-101
• 第六章 经济社会效益分析101-104
• 6.1 经济效益分析101-102
• 6.1.1 建设运行费用分析101
• 6.1.2 节省水资源费用分析101-102
• 6.2 社会效益分析102-103
• 6.3 环境效益分析103-104
• 第七章 结论与建议104-107
• 7.1 结论104-106
• 7.2 建议106-107
• 参考文献107-119
• 致谢119-120
• 攻读博士期间发表的论文及专利120-121
• 博士在读期间参与课题项目及获奖情况121-122
• 附录122-132
• 学位论文评阅及答辩情况表132

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