主要研究內(nèi)容有:(1)建立生態(tài)塘-垂直流濕地和生態(tài)塘-水平流濕地小試裝置凈化中心河水的效能研究(2)考察水力負荷、溶解氧和溫度對污染物去除能力的影響及污染物的沿程變化。(2)從基質(zhì)、高等植物、低等植物角度研究中心河水中氮磷在系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。(3)建立中試工程研究整個系統(tǒng)去除污染物的效能和主要單元生態(tài)纖維塘、潛流式濕地去除污染物的機理,對整個系統(tǒng)的貢獻,營養(yǎng)元素輸移規(guī)律。(4)擬合污染物在無植物系統(tǒng)、浮萍系統(tǒng)、金魚藻系統(tǒng)去除動力學模型并進行參數(shù)研究。(5)對系統(tǒng)進行環(huán)境效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益的評價,研究提高系統(tǒng)去除污染物能力的途徑。 主要創(chuàng)新點: (1)針對崇明前衛(wèi)村的高濁度表征地表水,進行氮、磷元素高效去除污染控制技術(shù)及機理的深化研究。(2)污染物質(zhì)在生態(tài)凈化系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化一直用“灰箱”理論加以描述,本論文通過實驗對污染物質(zhì)具體的遷移過程和轉(zhuǎn)化途徑進行深入的研究和探討,揭示生態(tài)塘-濕地耦合系統(tǒng)中氮磷的存在形式及轉(zhuǎn)化方式,從基質(zhì)、高等植物和低等植物等角度對氮磷的吸收吸附的進行實驗,為塘.濕地系統(tǒng)的脫氮除磷提供理論依據(jù)。(3)在中試系統(tǒng)氧化塘中采用東華大學自主研發(fā)的聚酯纖維彈性填料模擬自然水草,微生物在纖維絲上附著生長,強化塘對水中濁度去除,并前置于人工濕地前解決目前潛流式濕地普遍存在的堵塞問題。(4)采用河道疏竣底泥作為原料,燒制多孔生態(tài)輕質(zhì)陶粒,應用于崇明的水體生態(tài)修復,研究其在氮磷去除方面的功效和吸附釋放平衡。 主要研究結(jié)論如下: (1)小試系統(tǒng)對濁度變化有很強的適應性。隨著水力負荷的降低,系統(tǒng)對濁度的去除率呈曲線型升高,在水力負荷條件達到0.015 m~3/(m~2.h)前,水力負荷的降低與去除率的升高呈線性關(guān)系,水力負荷達到0.015 m~3/(m~2.h)后,隨著水力負荷的降低,去除率升高不明顯,趨向平緩。確定水力負荷在0.015 m~3/(m~2.h)為宜。低水力負荷水力條件下,對總氮的處理效果明顯優(yōu)于高負荷水力條件。對于總磷的去除,進水總磷濃度相近的情況下,高負荷水力條件處理效果稍好一些。 (2)采用y=A*e~(Bx)指數(shù)方程擬合溫度與COD去除速率效果最佳,生態(tài)塘一水平流濕地COD去除速率與溫度的擬合方程為y=10.58exp(0.0344x)R~2=0.6028;生態(tài)塘—水平流濕地COD去除速率與溫度的擬合方程為y=10.59233exp(0.03662x)R~2=0.75。兩塘溫度與COD去除速率之間均呈正相關(guān)的關(guān)系,在相同溫度條件下垂直流復合系統(tǒng)明顯高于水平流�？偟コ俾蕵O差垂直流大于水平流,垂直流人工濕地系統(tǒng)總氮去除速率受溫度影響較大�？偟コ俾什粌H與氨氮相關(guān),還會受到物理、化學和生物等諸多過程共同影響。兩系統(tǒng)總磷去除速率的相伴概率皆為0.000,相關(guān)性在α為0.01顯著。兩系統(tǒng)溫度與總磷去除速率的擬合采用Sigmoidal方程。兩系統(tǒng)總磷去除速率的極差相近,去除速率受溫度影響差異不大,總磷的去除主要取決于填料的物理吸附作用。 (3)塘區(qū)單元內(nèi)沿深度方向的DO變化情況所配合的回歸方程為y=A×exp(B*x),塘—垂直流濕地系統(tǒng)A=5.409,B=-0.032,R~2=0.9937;塘—水平流濕地系統(tǒng),A=6.053,B=-0.036,R~2=0.9880。顯著性檢驗均非常明顯。在沿著水流方向,塘—水平流濕地生態(tài)系統(tǒng)的DO表現(xiàn)出很好的相關(guān)性。所配合的回歸方程為y=ax~2+bx+c,求得a=-0.002379,b=0.2386,c=4.07,R~2=0.9599,線性相關(guān)性顯著。微生物和植物呼吸作用耗氧速率與植物的光合作用產(chǎn)氧速率以及大氣復氧速率基本保持動態(tài)平衡。 (4)對濁度、氨氮去除生態(tài)塘-垂直流濕地出水效果優(yōu)于生態(tài)塘—水平流濕地。生態(tài)塘是NH_4~+-N去除的主要單元,平均占到總?cè)コ实?5%～90%,后續(xù)濕地系統(tǒng)主要濾去處理水中的藻類和截留大部分的懸浮物,利用植物根系和陶粒的吸附、截留作用對出水氨氮再做進一步處理。兩系統(tǒng)對TP的去除率分別在19%～54%和14%～45%之間,塘-垂直流系統(tǒng)對TP去除稍高于塘—水平流系統(tǒng)。濕地填料對總磷去除存在一個動態(tài)平衡,4～6小時解吸附的速率下降,6h以后陶粒對磷的解吸量呈現(xiàn)緩慢上升,0.2mg/L析出與吸附達到動態(tài)平衡。塘-垂直潛流濕地系統(tǒng)的COD_(cr)去除率要好于塘-水平潛流濕地系統(tǒng)。生態(tài)塘中去除率最高可達28%,是CODcr的主要去除單元。 (5)系統(tǒng)中脫氮途徑對除氮的貢獻依次為微生物代謝(硝化反硝化及微生物吸收)、基質(zhì)吸附、濕地植物地上生物量吸收、塘內(nèi)藻類吸收。系統(tǒng)中除磷途徑對除氮的貢獻依次為基質(zhì)吸附、植物地上生物量吸收、塘內(nèi)藻類吸收。陶粒的吸附是濕地除磷的最主要的形式,植物也起到重要作用。 (6)石灰石與陶粒對氮都有吸附作用,而且兩種基質(zhì)隨著污染物濃度升高,吸附量也有所增高,但到一定程度增長速率有下降趨勢,石灰石吸附量在總氮濃度21.5mg/L的條件下,達到最大值,隨著總氮濃度的增加,吸附量基本維持穩(wěn)定。對于總氮的吸附量,陶粒的吸附能力要強于石灰石,在總氮濃度為19mg/L條件下,達到吸附平衡,石灰石的吸附量為0.089mg/g,而陶粒的吸附量為0.228mg/g,約為石灰石吸附量的2.56倍。選擇陶粒作為填料更有利于總氮的去除。 (7)石灰石和陶粒對磷都具有吸附作用,陶粒吸附磷的作用要強于石灰石。在1.8mg/L總磷污水中,達到平衡時,石灰石對于TP的吸附量為0.1mg/g,陶粒的吸附量為0.15mg/g,約為石灰石吸附量的1.5倍。隨著污染物濃度的增加,兩種基質(zhì)吸附量都有所增加,但是陶粒增加速度更快,在含0.6mg/L總磷的污水中,達到平衡時,而石灰石的吸附量為0.24mg/g,陶粒的吸附量為0.38mg/g,約是石灰石吸附量的1.6倍。對于吸附磷而言,基質(zhì)應該選擇陶粒為佳。相同條件下,陶粒對總磷吸附量為石灰石的1.5倍以上,總氮吸附量為2.5倍以上,而且陶粒多孔,比表面積大易于微生物附著,形成生物膜。但綜合考慮起來,石灰石取用方便,而且石灰石的使用加大了厭氧層的厚度,有利于總氮和其他污染物的去除,同時石灰石可以調(diào)節(jié)水體的pH值,使微生物生活的環(huán)境更加穩(wěn)定,有利于微生物生長,所以采用底層陶粒,中間層用石灰石。 (8)植物對氮磷的轉(zhuǎn)移量與植物量呈現(xiàn)正相關(guān),與裝置類型和種植面積關(guān)系不大。植物對氮磷的吸收量變化不大,吸收量很少,通過收割不能夠大幅度提高裝置的脫氮除磷效率,但應該采取適當收割,去除腐敗植物的方式來處理濕地中植物。 (9)研究藻類對氮素的吸收作用。TN進水濃度基本在1.6mg/L左右,出水濃度保持在1.2mg/L左右,而去除率卻隨著時間的延長逐漸變低,由開始的35%降到最后基本維持在20%左右,靠藻類對于氮素的吸收不能夠滿足處理要求。TP進水濃度在0.12-0.17mg/L范圍內(nèi)徘徊,出水也保持在0.07-0.11m/L之間,處理效果不是很理想。單純利用藻類對于氮磷的吸收來處理河水,效果并不理想。在氮去除作用中,隨著時間的延長,處理效果逐漸下降;而在磷去除作用中,去除率很不穩(wěn)定,出水總磷濃度隨進水變化很大,再考慮到水體中磷的含量與濁度的關(guān)系和實驗中懸浮物的沉淀,從而反應藻類對磷的去除效果也并不明顯。 (10)建立的中試系統(tǒng)高效生態(tài)纖維塘/潛流式人工濕地對COD_(cr)、TN、TP、濁度的平均去除率分別為48.4%、45.3%、65.38%、94.89%;最終出水指標達到或接近設計要求,能滿足農(nóng)村景觀水的需要。系統(tǒng)中有機污染物主要依靠微生物代謝,氮的去除主要依靠微生物硝化與反硝化,總磷主要通過基質(zhì)吸附沉淀去除,濁度主要通過自然沉降、生態(tài)纖維膜和填料表面生物膜的吸附而去除。 (11)陶粒填料的表層覆蓋20厘米平均粒徑在3～5厘米的碎石,主要為石灰石,從某種意義上將厭氧層增厚了20cm,延長了厭氧層的水力停留時間,有更多的有機物在厭氧層被消耗,降解同樣質(zhì)量的有機物厭氧微生物的產(chǎn)泥量遠小于好氧微生物;表層碎石的粒徑變大后吸附效果降低,污泥不易在表層沉積;石灰石還能改善底部厭氧微生物產(chǎn)酸發(fā)酵形成的酸性水質(zhì),為表層好氧微生物創(chuàng)造更好的環(huán)境條件,有利于CODcr的去除。 (12)前置生態(tài)纖維塘能有效去除懸浮污染物,改善崇明地表水進水高濁度的狀況。降低濕地的負荷,解決目前濕地普遍存在的堵塞問題。前置氧化塘中人工水草是采用東華大學自主研發(fā)的聚酯纖維彈性填料,由彈性絲、中心件和中心繩組成,其中彈性絲用于粘附生物膜,填料在水中懸浮,彈性填料垂直懸掛,進水中的懸浮顆粒與彈性填料碰撞后速度減小,進而沉降至氧化塘底部,和潛流式人工濕地相比,可以設置排泥管,這是生態(tài)纖維塘作為懸浮物主要去除單元不可替代的優(yōu)勢, (13)無植物、浮萍、金魚藻系統(tǒng)對NH_3-N、TP、PO_4~(3-)-P、CODcr去除符合一級反應動力學。處理能力為:金魚藻系統(tǒng)＞浮萍系統(tǒng)＞無植物系統(tǒng)。無植物、浮萍、金魚藻系統(tǒng)NH_3-N去除速率系數(shù)分別為0.0372d~(-1)、0.1071d~(-1)和0.1534d~(-1),TP去除速率系數(shù)為0.0061d~(-1)、0.0097 d~(-1)和0.0234d~(-1),PO_4~(3-)-P去除速率系數(shù)為0.0036d~(-1)、0.0108d~(-1)和0.0364d~(-1),CODcr去除速率系數(shù)為0.0046 d~(-1)、0.064 d~(-1)和0.074d~(-1)。 (14)該項目研究開發(fā)的污水資源化處理技術(shù),不僅具有較高的實用價值,同時還具有明顯的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。
【學位單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2010
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

為了獲得示范區(qū)地表水系、水源及飲用水的水質(zhì)本底數(shù)據(jù)，進行測量地形地貌和相關(guān)水文數(shù)據(jù)，采集中心河段和北橫引河水樣及表層沉積物，并依據(jù)我國地表水和飲用水標準對所采集的樣品進行了分析檢測和評價。采樣點分布如圖1一5所示:1一4號點為中心河段樣，5號點為崇明島內(nèi)河主干流北橫引河。

圖2一2小試裝置實物示意圖Fig·2一 2SehematiediagramofasmallPilotPlantin一拓nd生態(tài)塘一水平流濕地裝置(圖2一3)由兩部分組成，前半段是個50cm深，60crn長的氧化塘，里面放有8串纖維填料進行掛膜(圖2一211)，后半段為陶粒層，上面種植曹蒲。兩端以布滿小孔的玻璃鋼隔板相連。進水流過預留槽經(jīng)隔板上小孔均勻布水后流入裝置，當進水穩(wěn)定時，流態(tài)也比較均衡。后段陶粒層比前段好氧塘微高，這樣可以保證水流在陶粒層表層下流動，充分利用豐富的植物根系及表層土和填料截留的作用，提高處理效果。污染水體經(jīng)過前段好氧塘處理后，會帶出大量的藻類

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【引證文獻】

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1 劉乙玄;關(guān)欣;;坑塘在土地生態(tài)系統(tǒng)中的功能研究[J];安徽農(nóng)業(yè)科學;2011年29期

2 黃劍堅;王保前;;我國系統(tǒng)耦合理論和耦合系統(tǒng)在生態(tài)系統(tǒng)中的研究進展[J];防護林科技;2012年05期

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1 董英魁;現(xiàn)存坑塘景觀生態(tài)化改造研究[D];河北農(nóng)業(yè)大學;2011年

本文編號：2841340