耦合生态技术深度处理农村分散式生活污水效能与仿真

【摘要】：本研究以设计一种可推广的分散式生活污水深度生态处理技术为目标,以耦合Sequencing Batch Biofilm Reactor (SBBR)及Vertical Flow Constructed Wetlands (VFCW)技术为基础设计了SBBR-VFCW装置。在SBBR-VFCW基础上,以恢复和维持农村塘、池水体生态健康为目标,设计了促生态恢复型集成式生态浮床(Restoration-Promoting Integrated Floating Bed, RPIFB)。实验以SBBR-VFCW为核心处理技术,以RPIFB为农村水体生态系统的保育技术,为农村分散式生活污水深度处理及水体生态环境健康维护提供了一套新的技术方案。具体内容包括： (1)研究通过设计有效容积为18L、工作容积为12.5L的SBBR反应器,处理了TN、TP、NH4+-N、CODCr浓度范围分别为87.0-100.0mg/L、6.0-8.0mg/L、75.0-85.0mg/L、490.0-510.0mg/L的高浓度和64.0-75.0mg/L、4.0-6.0mg/L、55.0-64.0mg/L、360.0-380.0mg/L的中浓度模拟农村分散式生活污水(文中简称污水)。以12h为一个周期分两阶段共进行了20周期的污水处理实验。其中,前10周期进水负荷为7L,考察了SBBR系统对两种浓度污水的处理能力；后10周期,进水由7L/cycle,以0.5L/cycle的增长速率渐增至12.5L/cycle,考察了SBBR的耐负荷增长能力。结果显示：SBBR处理高浓度污水时出水中的TN、TP、 NH4+-N、CODcr达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002,下称标准)I级A标准的频率分别为100%、0%、60%、20%,处理中浓度污水的出水达I级A标准的频率分别为100%、0%、100%、100%；II级标准限值下,SBBR处理高浓度污水进水负荷可增大至初负荷的,1.3-1.6倍,处理中浓度污水时可至1.7-1.8倍。因而,SBBR能较好的处理污水并耐污染负荷增长,随进水浓度降低其处理及耐负荷能力增强；但SBBR对污染物处理能力不均衡,TP处理能力较弱；出水虽能满足农田灌溉等再生利用标准,但仍具较强致富营养化性。SBBR宜作为耦合工艺的第一环节技术,采取有效技术补充深化污染物的处理。 (2)研究通过设计体积80L、有效容积为25.2L的VFCW系统,以美人蕉为功能植物,布置卵石、天然沸石、土壤基质,处理了TN、TP、NH4--N、CODcr浓度范围分别为59.0-62.0mg/L、4.2-5.0mg/L、45.0-50.0mg/L、290.0-310.0mg/L的中浓度和32.0-35.0mg/L、1.4-1.7mg/L、28.0-30.0mg/L、61.0-65.0mg/L的低浓度模拟污水,两种浓度下以0.10m3/m2·d和0.17m3/m2·d两种负荷测试了VFCW对污染物的处理率及沸石基质孔隙率的变化。VFCW系统在中浓度污水0.10m3/m2·d负荷入水情况下,出水各指标均未达GB18918-2002I级A标准,相同负荷条件下处理低浓度污水时各出水指标均达I级A标准；两浓度污水负荷由0.10m3/m2·d增至0.17m3/m2·d时,出水水质均下降明显；由VFCW系统沸石基质孔隙率、出水可再生利用性、富营养胁迫性的变化,发现高浓度、高水力负荷条件下VFCW孔隙率降低速率更快,出水可再生利用范围更窄,对受纳水体富营养化胁迫更强。因而,VFCW系统对进水水质要求较高,宜在通过前处理初步消减污染物,使入水污染物浓度有所降低的基础上发挥深度处理作用。 (3)研究通过设计的耦合SBBR及VFCW两种工艺的一体化SBBR-VFCW装置,以3个SBBR-VFCW装置在不同DO、曝停比、干湿比、进水量条件下处理了高、中、低3个浓度(以TN、TP、NH4+-N、CODCR为指标)水平的模拟污水。取连续20d的出水水质数据作为BPN人工神经网络模型训练的样本,应用MATLAB软件,设置隐含层为7,学习速率为0.14,动量因子为0.6,学习时间为8000h对实验进行模拟。结果显示,3组SBBR-VFCW出水NH4+-N、TN、CODCr全部可以达到I级A标准,出水TP介于I级B标准与II级标准问；低浓度进水时TN、TP、NH4+-N、CODCr的去除率分别可达91.5%、88.5%、98.5%、97%。以随机抽取的6组测试样本对BPN模型的模拟能力检验,TN、TP、NH4+-N、CODcr的MAER值分别为6.6%、5.9%、7.2%、6.4%均低于13.5%,测试样本均方根误差(RMSE)均小于0.078,相关系数均大于0.99,证明BPN模型泛化能力和过程模拟能力良好。通过模型权重分析,可知SBBR-VFCW出水TN、TP、NH4+-N、 CODcr受进水NH4+-N、曝停比、DO影响明显。实验显示SBBR-VFCW对模拟农村生活污水处理能力好,出水可再生利用性强,对农村水环境富营养化胁迫小,BPN模型能较好的模拟SBBR-VFCW这一非线性多变量的耦合污水处理过程,为预测系统水质变化、在线监测、工艺自动控制提供了基础。 (4)研究通过设计的促生态恢复型人工浮床(restoration-promoting integrated floating bed, RPIFB)为SBBR-VFCW系统的处理生活污水的出水的环境转归做了进一步深度净化补充技术的探索。RPIFB中,浮水床、沉水床以天然沸石为基质,为挺水植物(美人蕉,Canna indica Linn.)和沉水植物(菹草,Potamogeton crispus Linn.)着生提供了条件,RPIFB以网裹覆,内部放养铜锈环棱(Bellamya aeruginosa)、泥鳅(Misgurnus anguillicaudatus),所有组分为系统内部构成完整的生物链提供了基础。实验以富含蓝绿藻类和原生动物的富营养化池塘水为基础,添加KH2PO4、(NH2)2CO和NH4NO3营造重富营养化水体。实验1以CODCr、 NO3--N、NH4+-N、TN、TP、Chl.a、浊度等指标(其中TN、TP、NH4+-N、CODcr浓度值均大于SBBR-VFCW出水浓度)的变化对比了FB、GSB及RPIFB对水体的净化能力,研究了光照作用于GSB进而影响RPIFB净化功能的特点；实验2探究了RPIFB中美人蕉、菹草、泥鳅、铜锈环棱螺对沉水床光照和深度变化的生理响应,分析了RPIFB的生态保育能力。结果显示,PRIFB作用下TN、TP、NH4+-N、和CODcr的去除率分别可达74.5%±1.4%、98.3%±4.3%、74.7%±0.5%、88.8%±1.3%和71.4%±2.5%,Chl.a和水体浊度可降至初始浓度水平的10%,FB、GSB及RPIFB净水能力顺序为RPIFBFBGSB。RPIFB不但能对SBBR-VFCW的出水实施深度净化,预防并治理富营养化水体,还可促进沉水植物恢复至水体下垫面,促进水体生态系统发生藻型相态向草型相态的转变,为农村塘、池等水体环境的生态健康提供了思路。 【关键词】：分散式生活污水 耦合效应 人工神经网络 富营养化 生态恢复
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 插图索引14-17
• 附表索引17-19
• 第1章 绪论19-40
• 1.1 分散式生活污水的危害与现状19-22
• 1.1.1 分散式生活污水的危害19-20
• 1.1.2 分散式生活污水的现状20-21
• 1.1.3 分散式生活污水的水质水量特点21-22
• 1.2 分散式生活污水的处理概况22-34
• 1.2.1 序批式生物膜反应器技术22-23
• 1.2.2 人工湿地技术23-26
• 1.2.3 生态浮床技术26-28
• 1.2.4 分散式生活污水的深度净化技术与实践28-32
• 1.2.5 其它净化处理方法32-34
• 1.3 人工神经网络在生活污水处理过程的应用34-38
• 1.3.1 人工神经网络的基本原理、功能及属性34-37
• 1.3.2 人工神经网络在污水处理中的应用现状37-38
• 1.4 本研究的目的与构想38-40
• 1.4.1 研究目的38-39
• 1.4.2 研究构想39-40
• 第2章 序批式生物膜反应器处理生活污水效能研究40-68
• 2.1 简述40-41
• 2.2 材料与方法41-50
• 2.2.1 材料41-42
• 2.2.2 实验方法42-50
• 2.3 结果与讨论50-66
• 2.3.1 SBBR对COD_Cr的处理效能50-54
• 2.3.2 SBBR对NH_4~+-N的处理效能54-58
• 2.3.3 SBBR对TN的处理效能58-62
• 2.3.4 SBBR对TP的处理效能62-66
• 2.4 小结66-68
• 第3章 垂直流人工湿地处理生活污水的效能研究68-85
• 3.1 简述68-69
• 3.2 材料与方法69-73
• 3.2.1 材料69-71
• 3.2.2 实验方法71-73
• 3.3 结果与讨论73-83
• 3.3.1 实验期间气象条件73-74
• 3.3.2 VFCW对COD_Cr的处理效能74-76
• 3.3.3 VFCW对NH_4~+-N的处理效能76-78
• 3.3.4 VFCW对TN的处理效能78-80
• 3.3.5 VFCW对TP的处理效能80-81
• 3.3.6 污染负荷对VFCW基质孔隙率的影响81-83
• 3.4 小结83-85
• 第4章 耦合SBBR-VFCW净化生活污水及其ANN仿真85-105
• 4.1 简述85-87
• 4.2 材料与方法87-93
• 4.2.1 材料87-89
• 4.2.2 实验方法89-93
• 4.3 结果与讨论93-103
• 4.3.1 SBBR-VFCW对模拟分散式生活污水的净化效果93-96
• 4.3.2 SBBR与VFCW在SBBR-VFCW系统中的效能比较96-99
• 4.3.3 仿真结果与样本检验99
• 4.3.4 ANN仿真结果与分析99-100
• 4.3.5 ANN网络性能评价100
• 4.3.6 ANN网络权重分析100-103
• 4.4 小结103-105
• 第5章 促生态恢复型人工浮床深度净化污水效能研究105-122
• 5.1 简述105-106
• 5.2 材料与方法106-109
• 5.2.1 材料106-108
• 5.2.2 实验方法108-109
• 5.3 结果与讨论109-120
• 5.3.1 FB、GSB与RPIFB对营养元素净化效果对比109-114
• 5.3.2 FB、GSB与RPIFB对COD_(Cr),Chl.a和浊度净化效果对比114-116
• 5.3.3 GSB深度及RPIFB中P/W大小对系统生物组成的影响116-118
• 5.3.4 RPIFB在富营养化水体修复过程中的作用分析118-120
• 5.4 小结120-122
• 第6章 结论与展望122-125
• 6.1 结论122-123
• 6.2 展望123-125
• 参考文献125-139
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录139-141
• 附录B 攻读学位期间所申请的发明专利141-142
• 附录C 攻读学位期间所参与的研究课题142-143
• 致谢143

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

人工湿地研究进展    李杰;钟成华;邓春光;

农村生活污水生态处理技术研究与应用进展    贾晓竞;毕东苏;周雪飞;张亚雷;

农村水污染问题及其防治对策    吴德勇;

SBBR法处理高盐废水    宋晶;孙德栋;王一娜;薛文平;董晓丽;马春;张新欣;

城镇生活污水分散式处理的发展前景    侯怀恩;赵风兰;孟庆法;

同步硝化反硝化的形成机理及影响因素    杨麒,李小明,曾光明,谢珊,刘精今

污水处理中人工神经网络应用研究的探讨    黄明智;马邕文;万金泉;黄明护;

农村污水生态处理工艺浅析    李娜;于晓晶;

组合型浮床生态系统的构建及其改善湖泊水源地水质的效果    李先宁;宋海亮;朱光灿;李大成;吕锡武;

人工神经网络在污水处理中的应用    郭晓磊;杨静;

人工湿地处理小流域地表径流污染工程设计    彭继峰;汤利华;马凯;

美人蕉属植物研究现状与展望    黄丽萍;刘丽萍;李枝林;余朝秀;李长明;王良生;

生态修复城市水系统研究进展    龚小平;

水生经济植物对虾塘养殖废水的净化能力研究    武艳;李华;张明;徐亚同;

大型水生植物对富营养化湖水净化效果的试验研究    雷泽湘;谢贻发;徐德兰;刘正文;

水生植物净化受污染水体研究进展    刘松岩;何涛;周本翔;

利用人工湿地处理农村生活污水的研究    应俊辉;

浮床栽培绿叶蔬菜对富营养化水体的净化效果    张村侠;朱世东;

两种挺水植物的脱氮除磷效果及其影响因素研究    栾晓丽;王晓;时应征;强艳艳;赵钰;

人工浮床栽培植物的生长与功能研究    王丽霞;

土地渗滤技术处理高尔夫园区生活污水的试验研究    刘飞;邓辅唐;孙珮石;卿小燕;

基于遥感监测的PKGV-ANN高排污车辆鉴别模型研究    曾君;郭华芳;胡跃明;

基于水体治理的生态屏障系统应用技术研究    刘勇;郑中华;韩晶晶;洪慧兰;

序批式生物膜工艺(SBBR)研究进展    张婷;

人工湿地在畜禽养殖废水处理中的应用前景研究    叶红;邓仕槐;李远伟;吴晓莉;

海水池塘养殖污水减排系统的设计和工程化技术    田景波;孙修涛;黄滨;

人工湿地植物研究现状    王鹏;曹薇;董仁杰;

人工湿地污水处理技术研究进展    蔡佩英;马祥庆;

农村生活污水处理的新方法——人工湿地技术    王皓;王晨雨;宋小刚;

城市景观水体污染控制    杨运琼;王少平;

污水生化处理的智能建模与优化控制策略应用研究    杨红

人工湿地处理城镇污水和猪场废水研究    李淑兰

智能化控制SBBR处理城市污水脱氮除磷性能和微生物学研究    金云霄

铵态氮在包气带介质中的吸附机制及转化去除研究    陈坚

重庆市长寿区城市河岸生态修复技术研究    赵占军

长白山杨桦次生林健康评价与经营模式    宁杨翠

欧美杨不同品系苗木蒸腾耗水特性及节水灌溉制度研究    高卫东

人工湿地构建及其对污染的黄河灌溉水处理效应    司万童

水平潜流人工湿地氮循环微生物效应及生态模型研究    修海峰

北方都市生态人工湿地深度处理污水厂二级出水的研究    王昊

简析农村水污染问题及其对策    白洋;刘变叶;

人工湿地研究进展    李杰;钟成华;邓春光;

水环境综合治理技术在农村地区的应用    郭冀峰;李胜;

我国农村生活污水分散式处理技术    赵军;

生态浮床的应用现状及发展    宋丰明;汪银梅;曹文平;

氯化铁对序批式生物膜反应器中磷去除的影响    冯春华,周岳溪,将进元,王海燕,胡翔

有机碳源对低碳氮比生活污水好氧脱氮的影响    高景峰;彭永臻;王淑莹;

浅析农村生活污水分散式处理适用技术    张家炜;周志勤;

湿地状态对石油污染和植物长势影响的模拟研究    许学工,ShawL.Yu,张枝焕,杜巧玲,后立胜,林辉平,王道军,甄晓玥,刘文政,张清华

SPSS聚类分析在汽车市场细分中的应用    李晓娜;史占国;

不同基质对垂直流人工湿地处理效果及堵塞影响研究    张翔凌

生物接触氧化处理生活污水    孟令春,孙其美

杨凌农业示范区生活污水生化可降解性分析    李萍,呼世斌,管秀娟

分光光度法测定生活污水中的铵态氮    胡雪原,王改萍,郭兰青

两种滤料处理生活污水的对比研究    郭建林

山西铝厂生活污水回收的实践和应用    任国兴,史国朝

六安市生活污水污染现状与治理对策探讨    汪万芬;

校园生活污水的厌氧—好氧低成本处理    王宗华;

新乡市生活污水中有效成分和重金属铅·汞含量的分析    陈翠玲;张玉兰;胡喜巧;杨雪芹;贾利娜;陈琼;

分散生活污水低成本处理工艺的试验研究    范鹏;庞金钊;杨宗政;张彤;

内河船舶生活污水综合防治对策    董良飞;

关于城市生活污水的防治    白炜;

船舶生活污水的处理    卓诚裕;

外福线铁路生活污水水质特点分析及其环保措施的探讨    徐萍;

城市生活污水的源头治理    王朝清;曲治华;

鹰潭市城市生活污水湿地生态处理系统    潘建明;吴敬祖;

土地渗滤法处理生活污水的模拟试验研究    梁益聪;武春辉;梁正;胡彬;涂平;

浅议非传统水资源-城市生活污水作为钢铁工业的水源    金亚飚;

城市生活污水作为钢铁工业水源的可行性探讨    金亚飚;

城市生活污水微生物絮凝研究进展    李萍;呼世斌;

单室空气阴极微生物燃料电池低温下处理生活污水    刘尧兰;冯玉杰;李贺;王鑫;

“郊游热”威胁北京饮用水安全    本报记者 邓大洪

富蕴县生活污水变废为宝    记者 李靖

乡镇污水垃圾治理工程实施    记者　李枝宏

上海海事“精确执法”受称赞    驻沪记者 赵虎　通讯员 齐向辉 刘良喜 邢大丰

居民点生活污水治理见成效    本报通讯员

明年原八区生活污水100%处理    记者 刘静 通讯员 邱创泓

市区道路绿化告别生活污水    赵宾

辽阳石化下大力气治理生活污水    张建华

10年投10亿    记者　苏卫东　通讯员　贾波

中心城区转型提速    记者 章莹实习生 姚雪

船舶生活污水污染特征及控制对策研究    董良飞

一种复合菌剂的构建及其处理生活污水的研究    崔丽

耦合生态技术深度处理农村分散式生活污水效能与仿真    郭一明

生态土壤系统对生活污水的处理效能及氮循环过程研究    王延华

生态人工快速渗滤系统（ECRI）处理高浓度生活污水工艺研究    赵福祥

dUBF-CW耦合工艺处理生活污水的研究    李晓东

城镇生活污水杨树林地慢速渗滤生态处理研究    白保勋

PF-MBR处理城市生活污水及其膜污染控制    赵如金

厌氧—磁化复合系统处理城镇生活污水中试研究    易赛莉

DASB、W-SFCW特性及联合工艺处理生活污水的研究    何成达

微波法处理生活污水回用技术可行性研究    程涛

六种草种耐生活污水的适应性研究    何玲玲

上流式厌氧污泥床处理城市生活污水的研究    董欣杨

我国实施《MARPOL73/78》附则Ⅳ对策研究    韩宪彬

序批式活性污泥法处理生活污水实验研究    孟香梅

生态强化系统去除生活污水中阴离子表面活性剂的效能研究    齐慧龙

好氧颗粒污泥处理城市生活污水    迟寒

一体式膜生物反应器处理生活污水的研究    郭强

生活污水治理为中水的工程设计    白春学

大型水生植物净化生活污水的试验研究    程伟