【摘要】：由于人工濕地系統(tǒng)類(lèi)自然的設(shè)計(jì),低能耗的運(yùn)行,低廉的維護(hù)成本以及對(duì)污水或廢水良好的處理效果,在世界各地被廣泛應(yīng)用。然而堵塞一直是潛流人工濕地運(yùn)行面臨的難題。堵塞會(huì)引起潛流濕地系統(tǒng)的水力學(xué)障礙以及孔隙度的降低,影響濕地的正常運(yùn)行,最終縮短濕地的運(yùn)行壽命。對(duì)于濕地堵塞過(guò)程的研究有助于進(jìn)一步了解潛流人工濕地這一目前仍為“黑箱系統(tǒng)”的污水處理技術(shù),同時(shí)能為潛流人工濕地的管理和維護(hù)方案提供更為精確的參考。然而目前對(duì)于堵塞的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程研究甚少。這是由于首先,對(duì)濕地系統(tǒng)堵塞的研究需要建立在針對(duì)濕地基質(zhì)內(nèi)部變化的定期監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)之上,而目前能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)潛流濕地內(nèi)部基質(zhì)變化的技術(shù)手段尚未成熟,濕地系統(tǒng)基質(zhì)內(nèi)部的研究只能依靠傳統(tǒng)的基質(zhì)采樣測(cè)試方法。由于傳統(tǒng)采樣過(guò)程導(dǎo)致了樣點(diǎn)附近基質(zhì)環(huán)境遭受到破壞和干擾,因此,揭示潛流濕地系統(tǒng)基質(zhì)內(nèi)部變化的定期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)極為匱乏,難以定量描述潛流濕地運(yùn)行過(guò)程中堵塞的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。其次,濕地基質(zhì)中發(fā)生的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜,基質(zhì)中積累的物質(zhì)成分多樣,因此即使在已知濕地基質(zhì)內(nèi)部變化的前提下仍然難以探尋這些內(nèi)部變化與濕地功能表現(xiàn)之間的關(guān)系。第三,目前研究所構(gòu)建的堵塞模型將濕地視為一個(gè)整體,無(wú)法準(zhǔn)確描述堵塞發(fā)生發(fā)展的時(shí)空變化。本文以垂直潛流濕地實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)由基質(zhì)對(duì)濕地入水顆粒物的吸附與攔截所導(dǎo)致的物理堵塞的發(fā)生發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了物理堵塞的時(shí)空分布模型。首先,確定了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中基質(zhì)類(lèi)型、基質(zhì)粒徑及水力停留時(shí)間的設(shè)定。接下來(lái),通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基質(zhì)的定期采樣與分析測(cè)試,探討了垂直潛流人工濕地實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)積累的時(shí)空分布,描述其積累過(guò)程;進(jìn)一步通過(guò)對(duì)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)堵塞過(guò)程中功能指標(biāo)(污染物去除率、孔隙度、滲透系數(shù))的定期監(jiān)測(cè),分析了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能指標(biāo)伴隨著系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)積累過(guò)程所發(fā)生的變化規(guī)律,并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部變化與外部功能指標(biāo)變化之間的關(guān)系進(jìn)行了定量描述;最后通過(guò)定期示蹤實(shí)驗(yàn),分析了系統(tǒng)水力學(xué)行為隨物理堵塞所發(fā)生的變化,并使用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件對(duì)系統(tǒng)的水力停留時(shí)間進(jìn)行模擬,在模擬結(jié)果基礎(chǔ)上構(gòu)建時(shí)空分布模型以描述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)物理堵塞過(guò)程。主要研究結(jié)果包括:1、內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)基質(zhì)雖然能夠?yàn)闈竦靥峁┹^高的初始孔隙度,但與非多孔結(jié)構(gòu)基質(zhì)相比其孔隙度下降速率更高�；|(zhì)粒徑越大,濕地系統(tǒng)初始孔隙度及初始滲透系數(shù)越高,孔隙度隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的下降速率越低。對(duì)于基質(zhì)粒徑大于5 mm的系統(tǒng),滲透系數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間呈現(xiàn)出先上升后急劇下降的變化趨勢(shì),對(duì)于基質(zhì)粒徑小于5 mm的系統(tǒng),滲透系數(shù)則呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)。水力停留時(shí)間對(duì)于系統(tǒng)孔隙度的影響并不顯著,但是對(duì)于系統(tǒng)入水中總懸浮顆粒物(TSS)的去除率卻有著顯著影響。綜合考慮,垂直潛流濕地實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選取的基質(zhì)類(lèi)型為內(nèi)部非多孔結(jié)構(gòu)的礫石,選取的基質(zhì)粒徑范圍為3-4 mm,水力停留時(shí)間設(shè)定為2小時(shí)。2、堵塞實(shí)驗(yàn)期間,濕地系統(tǒng)主要以基質(zhì)表面吸附小粒徑顆粒物(粒徑小于20μm)的方式進(jìn)行物質(zhì)積累,系統(tǒng)仍能維持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。表層與底層基質(zhì)中的顆粒物以恒定速率積累,基質(zhì)中間層積累的顆粒物含量與運(yùn)行時(shí)間并無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)后期,表層基質(zhì)間隙中積累的大粒徑顆粒物含量開(kāi)始升高。而基質(zhì)中間層與底層并未觀(guān)察到這一現(xiàn)象。吸附在各層基質(zhì)表面的顆粒物粒徑分布一直處于穩(wěn)定狀態(tài),并未呈現(xiàn)明顯變化。雖然實(shí)驗(yàn)期間基質(zhì)表面吸附為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中顆粒物的主要積累方式,但是顆粒物的間隙積累速率高于基質(zhì)表面吸附速率。3、穩(wěn)定運(yùn)行條件下,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)入水TSS的去除率維持在穩(wěn)定狀態(tài),均值為46.44%,基質(zhì)內(nèi)部顆粒物積累速率也保持恒定(5E-5 g/g·day)。當(dāng)積累的顆粒物密度均一時(shí),孔隙度也將以恒定速率下降(2.36E-4/day)。此外,滲透系數(shù)在實(shí)驗(yàn)初期迅速下降,在實(shí)驗(yàn)中期呈上下波動(dòng)狀態(tài),實(shí)驗(yàn)后期趨于穩(wěn)定并開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。基質(zhì)內(nèi)部積累顆粒物的含量與系統(tǒng)孔隙度在0.01水平呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(Pearson系數(shù)為-0.776),同時(shí)孔隙度與滲透系數(shù)在0.05水平也呈顯著相關(guān)關(guān)系,而積累顆粒物含量與滲透系數(shù)之間并不存在相關(guān)關(guān)系。TSS去除率與積累顆粒物含量;積累顆粒物含量與系統(tǒng)孔隙度;孔隙度與滲透系數(shù)之間的關(guān)系可以分別使用公式進(jìn)行定量描述,且模擬值與實(shí)測(cè)值擬合較好。4、實(shí)驗(yàn)期間系統(tǒng)孔隙度由36.69%降至31.6%,對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)理論水力停留時(shí)間由最初的137.14 min降至118.1 min。由示蹤實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)際平均水力停留時(shí)間則由最初的106.62 min降至結(jié)束時(shí)的77.4 min。二者均與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間在0.01水平呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(Pearson系數(shù)分別為-0.885和-0.773),線(xiàn)性擬合結(jié)果表明系統(tǒng)的實(shí)際平均停留時(shí)間下降速度快于理論停留時(shí)間。表征短流、混流、有效利用體積、水力效率這四個(gè)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的短流與混流現(xiàn)象,死區(qū)范圍較大,整體水力效率很差。但上述四個(gè)指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)期間的變化并不顯著。CFD能夠?qū)?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的水力停留時(shí)間進(jìn)行較好的模擬。流場(chǎng)和水力停留時(shí)間的模擬結(jié)果顯示,系統(tǒng)的有效流域體積在實(shí)驗(yàn)期間并未發(fā)生明顯變化,但有效流域中的水流流速逐漸加快,流經(jīng)基質(zhì)所需要的時(shí)間逐漸縮短。5、在計(jì)算流體力學(xué)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)顆粒物積累以及TSS濃度的時(shí)空分布模型,根據(jù)系統(tǒng)積累顆粒物含量與孔隙度、孔隙度與滲透系數(shù)之間的定量關(guān)系,進(jìn)一步構(gòu)建孔隙度與滲透系數(shù)的時(shí)空分布模型,以揭示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的堵塞過(guò)程。由于模型構(gòu)建中未考慮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)底部邊界對(duì)水流攜帶TSS的攔截作用,因此對(duì)于基質(zhì)底層的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在偏差。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：X703
【圖文】：

圖 2-1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置Fig.2-1 Configuration of each experimental system表 2-1 實(shí)驗(yàn)選用的基質(zhì)屬性ble 2-1 Characters of substrates chosen for the experi

14圖 2-2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初始孔隙度與初始滲透系數(shù)Fig. 2-2 Initial porosities and infiltration rates of the experimental systems

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)孔隙度隨時(shí)間變化

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2800495