序批式好氧—连续流缺氧人工湿地污水处理N_2O减排试验研究

【摘要】：N2O作为一种危害性很大的温室气体,其增温潜势(GWP)是CO2的130~300倍,已成为全球气候变暖、臭氧层破坏和酸雨形成的重要原因。人工湿地具有投资省、运行维护简单和处理效果好等特点,被广泛应用于中小型污水处理系统。大量研究表明,人工湿地污水处理系统是N2O的一个重要释放源,在人工湿地污水处理系统的硝化和反硝化过程中有大量N2O排放。因此,研究人工湿地中N2O产生过程并进一步减少N2O的排放量,具有现实意义。试验采用序批式好氧-连续流缺氧人工湿地,通过控制好氧硝化和缺氧反硝化过程中影响N2O排放的因素,以达到N2O减排的效果。好氧硝化段的四级人工湿地采用跌水串联和序批式运行方式,进水-反应-全排空的运行方式,使得池内基质与大气全方位接触,复氧效果好,可以强化硝化过程;缺氧反硝化阶段采用连续流运行方式,DO浓度低,使得反硝化过程完全进行,能有效减排N2O释放量。通过研究水力停留时间(HRT)对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地污水处理效能和N2O排放通量的影响,找出最佳水力停留时间。在最佳HRT下,研究进水浓度和温度对人工湿地污水处理效能和N2O排放通量的影响,并通过对基质内氮的迁移转化的研究,建立氮平衡质量模型,估算其温室气体减排潜力。研究得出主要结论如下:①HRT对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地污水处理效能及N2O排放通量的影响研究,结果表明:在一定范围内随着HRT的延长,处理效能有所提高。当单级好氧人工湿地HRT为1h、2h,出水NH3-N和TN浓度不能达到一级B标;当单级好氧人工湿地HRT为3h、4h,缺氧人工湿地的HRT为3h时,出水中的COD、NH3-N、TN、TP的浓度均能满足城镇污水处理厂污染物排放标准一级B类标准。当单级好氧人工湿地HRT分别为1h、2h、3h、4h,缺氧人工湿地HRT为1h时,N2O平均释放通量分别为70.2μg m-2h-1、103.7μg m-2h-1、139.7μg m-2h-1、238.5μg m-2h-1;缺氧人工湿地HRT为3h,N2O平均释放通量分别为66.5μg m-2h-1、100.1μg m-2h-1、135.1μg m-2h-1、234.4μg m-2h-1。好氧人工湿地N2O排放量随着HRT延长而增大,缺氧人工湿地N2O排放量随着HRT的延长而减少。对N2O释放通量和DO浓度做线性拟合分析,结果表明:好氧人工湿地中N2O的排放量与DO呈负相关,缺氧人工湿地N2O的排放量与DO呈正相关。在水质达到一级B标的前提下,按照N2O排放量最小的原则,得出的最佳运行HRT为单级好氧人工湿地和缺氧人工湿地均为3h。②进水浓度对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地污水处理效能及N2O排放通量的影响研究,结果表明:在最佳运行HRT下,高、中、低三种进水浓度下系统对COD去除率分别为77%、69%、57%,出水COD浓度均能满足一级B标;高进水浓度下,NH3-N和TN出水浓度分别为10mg/L、21.71mg/L,接近一级B类标准;中、低进水浓度下NH3-N和TN出水浓度满足一级B类标准。在高、中、低三种进水浓度下,序批式好氧-连续流缺氧人工湿地N2O平均释放通量分别为138.5μg m-2h-1、110.6μg m-2h-1、109.8μg m-2h-1,缺氧人工湿地N2O平均释放通量分别为105.6μg m-2h-1、132.6μg m-2h-1、142.4μg m-2h-1,总体上N2O排放通量随着进水浓度的增大而增加,而缺氧人工湿地N2O排放通量随着进水浓度增大而减少,但影响并不显著(p=0.160.05)。③温度对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地污水处理效能及N2O排放通量的影响研究,结果表明:在最佳运行HRT下,在温度为25~35℃、12~25℃时,出水COD、NH3-N和TN均能达到一级B类标准。在温度为12℃以下时,出水NH3-N和TN接近一级B类标准。温度对N2O的排放影响体现在N2O的季节和日变化特征,好氧人工湿地和缺氧人工湿地N2O通量最大值均在10月份,最小值均在1月份;在秋季、冬季和春季,一天中N2O释放通量最大值分别出现在12:00、14:00、12:00,N2O释放通量最小值均出现在凌晨24:00。④对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地进行氮质量平衡和温室气体减排估算研究,结果表明:夏季、秋季和冬季序批式好氧-连续流缺氧人工湿地的N2O释放通量分别占污水氮流入量的比例系数为8.95×10-4、6.66×10-4、2.27×10-4;通过与普通污水处理厂温室气体排放量进行比较,该人工湿地年排放的温室气体为606.8kg CO2当量,远少于普通污水厂的3232.6 kg CO2当量,证明该人工湿地具有良好的温室气体减排潜能,且在人工湿地减排N2O方面处于领先水平。试验采用序批式好氧-连续流缺氧人工湿地,通过在好氧湿地段和缺氧湿地段分别采用序批式运行方式和连续流运行方式,可以分别控制DO浓度,从而实现N2O的减排。得出的上述结论将为人工湿地脱氮除磷过程中减排N2O提供理论依据,具有一定的现实意义。 【关键词】：人工湿地 序批式 低碳 污水处理 N2O
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 N_2O的环境效应及其源与汇12-14
• 1.1.1 N_2O的环境效应12-13
• 1.1.2 N_2O的源与汇13-14
• 1.2 人工湿地N_2O排放现状研究14-22
• 1.2.1 人工湿地脱氮原理14-15
• 1.2.2 N_2O的产生机理15-18
• 1.2.3 影响N_2O产生的因素18-19
• 1.2.4 人工湿地脱氮过程中N_2O释放量19-22
• 1.3 课题来源、研究目的、研究内容及技术路线22-24
• 1.3.1 课题来源22
• 1.3.2 研究目的22
• 1.3.3 研究内容22-23
• 1.3.4 技术路线23-24
• 2 试验材料与测试方法24-30
• 2.1 试验装置24-26
• 2.1.1 序批式好氧-连续流缺氧人工湿地系统24-25
• 2.1.2 N_2O气体收集装置25-26
• 2.2 试验水质26
• 2.3 测试项目及方法26-27
• 2.4 测试仪器27-30
• 3 序批式好氧-连续流缺氧人工湿地污水处理效能及N_2O排放研究30-80
• 3.1 HRT对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地处理效能研究30-43
• 3.1.1 试验方法30-31
• 3.1.2 试验结果及分析31-43
• 3.2 HRT对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地N_2O释放通量研究43-55
• 3.2.1 试验方法43-44
• 3.2.2 试验结果及分析44-55
• 3.3 进水浓度对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地处理效能研究55-63
• 3.3.1 试验方法55
• 3.3.2 试验结果及分析55-63
• 3.4 进水浓度对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地N_2O释放量研究63-66
• 3.4.1 试验方法63
• 3.4.2 试验结果及分析63-66
• 3.5 温度对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地处理效能研究66-74
• 3.5.1 试验方法67
• 3.5.2 试验结果及分析67-74
• 3.6 温度对序批式好氧-连续流缺氧人工湿地N_2O释放通量研究74-78
• 3.6.1 试验方法74-75
• 3.6.2 试验结果及分析75-78
• 3.7 本章小结78-80
• 4 序批式好氧-连续流缺氧人工湿地氮平衡与温室气体估算80-90
• 4.1 序批式好氧-连续流缺氧人工湿地氮质量平衡模型80-83
• 4.1.1 人工湿地氮质量平衡模型的建立80-81
• 4.1.2 序批式好氧-连续流缺氧人工湿地氮质量平衡模型试验研究81-83
• 4.2 序批式好氧-连续流缺氧人工湿地温室气体减排估算研究83-86
• 4.2.1 常规污水厂CH_4和N_2O排放量估算84-85
• 4.2.2 序批式好氧-连续流缺氧人工湿地CH_4和N_2O排放量估算85-86
• 4.3 序批式好氧-连续流缺氧人工湿地N_2O减排优化措施86-88
• 4.3.1 序批式好氧人工湿地N_2O减排优化措施86-87
• 4.3.2 连续流缺氧人工湿地N_2O减排优化措施87
• 4.3.3 序批式好氧-连续流缺氧人工湿地N_2O减排效果分析87-88
• 4.4 本章小结88-90
• 5 结论与建议90-92
• 5.1 结论90-91
• 5.2 建议91-92
• 致谢92-94
• 参考文献94-102
• 附录102
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文102
• B. 作者在攻读硕士学位期间申报与获批的专利102
• C. 作者在攻读硕士学位期间参加的相关科研项目102

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