亚热带人工湿地污水处理过程稳定性研究

【摘要】： 人工湿地是一项运用生态学原理加上工程方法而形成的生态工程污水处理技术，是一个由生物学、水力学、水化学和物理学等过程共同构成的复杂系统，其污水处理效果受到诸多因素的影响，如水力负荷、水力停留时间、入水和出水中营养物质浓度、植被类型、水化学以及温度等。本文以位于杭州植物园等地的四个复合垂直流人工湿地为实验基地，通过对不同状况下污水净化效果的研究，进一步分析影响亚热带人工湿地污水处理过程稳定性的因素。 复合垂直流人工湿地能有效改善水质且长期运行效果稳定。出水中除TN浓度较高之外，其他指标基本上能保持在国家地表水Ⅰ类或Ⅱ类水平。除BOD_5外的其他指标去除率没有逐年下降趋势，而BOD_5去除率下降(2005年以前RR＞60％，2005年之后RR＜30％)与2005年台风影响有关。该结构人工湿地对TP去除率最高(85％)，BOD_5(67％)、COD(45％)和NH_4-N(59％)次之，TN(24％)和NO_3-N(16％)去除率最低。其中BOD_5和TN的去除率具有明显的季节变化，BOD_5去除率夏季最低(31％)，TN伊去除率秋季最低(14％)；而氮、磷的去除效果一年四季比较稳定。 植物对基质中碳、氮、磷的积累速率存在一定影响。有植物区域基质对有效氮的平均积累速率(15.73 g y~(-1)kg~(-1)干土)显著高于无植物区域(12.50 g y~(-1)kg~(-1)干土)(P＜0.05)；而有效磷的平均积累速率差异不显著，分别为3.62 g y~(-1)kg~(-1)干土和4.92 g y~(-1)kg~(-1)干土；有机碳的平均积累速率也相近，分别为0.19 g y~(-1)kg~(-1)干土和0.18 g y~(-1)kg~(-1)干土。 季节动态研究表明无植物区域基质有机碳积累量夏季(0.73 g／kg干土)高于冬季(0.49 g／kg干土)，有效氮积累量则冬季(53.57 g／kg干土)高于夏季(49.99 g／kg干土)；而有植物区域则没有季节变化，夏季和冬季有机碳积累量分别为0.78 g／kg干土和0.82 g／kg干土，有效氮积累量则分别为62.93 g／kg干土和64.36 g／kg干土，说明植物有助于提高人工湿地运行效果稳定性。 冬季人工湿地停止运行情况时观鱼池水体中除TN含量较高之外，其他指标都接近国家地表水Ⅰ类，与运行情况下的水质差别不大。因此在处理轻度富营养化污水时冬季可以不运行。 台风影响下NH_4-N和BOD_5去除率显著下降，NH_4-N去除率从64％降至15％，BOD_5去除率从48％降至8％。入水中NH_4-N浓度变化不大(0.08mg／l上升至0.11mg／l)，但是BOD_5的浓度急剧增高(4.89mg／l上升至12.83mg／l)，出水中则是两者的浓度都显著升高，分别从0.02mg／l和3.39mg／l上升至0.09mg／l和12.00mg／1。此外，台风期间人工湿地入水和出水的pH值下降，由中性转为偏酸性，电导率(COND)也出现显著的降低。 人工湿地出水浓度随入水浓度升高而升高。MRR(物质去除量，mass removal rate)与MLR(入水负荷，mass loading rate)成正比，说明增加入水负荷有利于污染物单位面积去除量的增加。其中杭州植物园人工湿地入水BOD_5／TN＜3，COD／NO_3-N＜4，说明碳供应不足，另外三个处理重度富营养化污水的人工湿地入水BOD_5／TN＞3，COD／NO_3-N＞4，说明碳供应充足。 以上研究基本确定了影响亚热带人工湿地污水处理过程稳定性的因素，为进一步优化人工湿地结构，合理配置物种模式提供了科学依据。本研究为进一步有效地提高人工湿地系统污水净化效果及其稳定性奠定了理论基础。 【关键词】：亚热带 复合垂直流 人工湿地 年际差异 季节动态 台风 稳定性
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X703
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第一章 引言12-27
• 1 人工湿地的概述13-16
• 1.1 人工湿地起源13-14
• 1.2 人工湿地类型14
• 1.3 人工湿地发展阶段14-16
• 1.4 人工湿地污水处理系统的优点和缺点16
• 2 人工湿地的污水净化机理16-19
• 2.1 氮去除机理17-18
• 2.2 磷去除机理18-19
• 3 人工湿地净化污水过程中植物和微生物的贡献19-24
• 3.1 植物对无机物的去除19-20
• 3.2 植物对有机物的去除20
• 3.3 植物根际微生物的作用20-22
• 3.4 植物根系土壤酶活性22-23
• 3.5 植物对土壤基质的影响23
• 3.6 植物的对致病菌的去除23
• 3.7 植物释放含碳化合物23-24
• 4 人工湿地系统稳定性影响因素24-25
• 4.1 生态系统稳定性24
• 4.2 人工湿地入水的化学计量学特性24-25
• 5 本研究立题依据25
• 6 本研究的意义25-26
• 7 研究目标26
• 8 本研究的主要内容及技术路线26-27
• 8.1 研究内容26
• 8.2 研究技术路线26-27
• 第二章 材料与方法27-32
• 1 复合垂直流人工湿地结构介绍27
• 2 杭州植物园玉泉观鱼池介绍27-29
• 3 采样方法29
• 3.1 水样采集方法29
• 3.2 基质采集29
• 4 样品分析方法29-30
• 4.1 水质分析方法29-30
• 4.2 人工湿地基质分析方法30
• 4.2.1 人工湿地基质有机碳含量的测定30
• 4.2.2 人工湿地沙层基质氮含量的测定30
• 4.2.3 人工湿地基质有效磷含量的测定30
• 5 植物生长状况调查方法30
• 6 实验数据处理及统计分析方法30-32
• 第三章 人工湿地净化效果的长期表现32-56
• 1 人工湿地群落植物物种组成32-33
• 2 人工湿地水质净化效果的年际动态33-43
• 2.1 观鱼池水质感官的改善33-38
• 2.2 人工湿地对观鱼池水化学成分的净化效果38-43
• 2.2.1 人工湿地对含氮化合物去除效果的年际动态38-39
• 2.2.2 人工湿地对TP去除效果的年际动态39
• 2.2.3 人工湿地对BOD5和COD去除效果的年际动态39
• 2.2.4 人工湿地对pH值和COND影响的年际动态39-43
• 2.3 人工湿地基质化学成分的年际动态43
• 2.3.1 基质有机碳含量的年际动态43
• 2.3.2 基质有效氮含量的年际动态43
• 2.3.3 基质有效磷含量的年际动态43
• 3 人工湿地净化效果的季节动态43-53
• 3.1 水质变化的季节动态43-51
• 3.1.1 人工湿地对含氮化合物去除效果的季节变化43-46
• 3.1.2 人工湿地对TP去除效果的季节动态46-47
• 3.1.3 人工湿地对BOD_5和COD去除效果的季节动态47-49
• 3.1.4 人工湿地对p14值和COND影响的季节动态49-51
• 3.2 人工湿地基质化学成分的季节动态51-53
• 3.2.1 人工湿地基质有机碳含量的季节动态51
• 3.2.2 人工湿地基质有效氮含量的季节动态51
• 3.2.3 人工湿地基质有效磷含量的季节动态51-53
• 4 讨论53-56
• 4.1 人工湿地污水处理效果的年际动态53-54
• 4.2 人工湿地污水处理效果的季节动态54-56
• 第四章 人工湿地运行的必要性和稳定性分析56-67
• 1 亚热带人工湿地冬季运行必要性56-59
• 1.1 冬季人工湿地停止运行对观鱼池水体感官的影响56
• 1.2 冬季停止运行对观鱼池水体中含氮化合物含量的影响56
• 1.3 冬季停止运行对观鱼池水体中TP含量的影响56-57
• 1.4 冬季停止运行对观鱼池水体中BOD_5和COD含量的影响57
• 1.5 冬季停止运行对观鱼池水体中pH值和COND含量的影响57
• 1.6 冬季人工湿地停止运行期间人工湿地中植物的生长状况57-59
• 2 台风事件对人工湿地污水处理过程的影响59-65
• 2.1 台风事件对人工湿地中植物的生长的影响59
• 2.2 台风事件对人工湿地水质净化效果的影响59-65
• 2.2.1 台风事件对观鱼池水体感官的影响59
• 2.2.2 台风事件对含氮化合物去除效果的影响59-60
• 2.2.3 台风事件对TP去除效果的影响60
• 2.2.4 台风事件对BOD5和COD去除效果的影响60
• 2.2.5 台风事件对人工湿地入水和出水pH值和COND的影响60-65
• 3 讨论65-67
• 3.1 亚热带地区处理轻度富营养化污水的人工湿地冬季运行必要性65
• 3.2 亚洲东部台风事件对人工湿地净化效果的影响65-67
• 第五章 污水特征对人工湿地去除效果的影响67-78
• 1 人工湿地入水浓度高低对去除效果的影响67-68
• 2 人工湿地入水物质负荷对去除效果的影响68-70
• 3 人工湿地入水的化学计量学特性70-76
• 3.1 处理轻度富营养化污水的人工湿地入水的化学计量学特性70-74
• 3.2 处理重度富营养化污水的人工湿地入水的化学计量学特性74-76
• 4 讨论76-78
• 主要结论与研究展望78-81
• 1 主要结论78-79
• 2 本文特色与创新之处79
• 3 研究展望79-81
• 参考文献81-90

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