河流生態(tài)系統(tǒng)具有時空差異性,隨著時空推移,河流系統(tǒng)的水量、水溫、營養(yǎng)物質(zhì)等呈現(xiàn)變化趨勢,從而影響著河流生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。近幾年在河流整治的過程中,發(fā)現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)普遍退化嚴重,河流失去自凈能力。人工濕地被證實是污染削減、水質(zhì)凈化和河流修復的有效措施,尤其是對于內(nèi)源氮的削減。不同類型人工濕地受系統(tǒng)因子、設計參數(shù)及環(huán)境因子的影響,污染物去除效果不同。本文按照室內(nèi)機理模型及應用基礎研究、小試規(guī)模的技術(shù)研發(fā)及運行參數(shù)研究、中試規(guī)模的技術(shù)驗證試驗、示范工程及其效果監(jiān)測四個尺度,通過改善人工濕地內(nèi)的氧環(huán)境,提高脫氮除磷效率,對多級耦聯(lián)濕地凈污效能及其在河道水生態(tài)凈化中的應用進行研究與分析,旨在提出優(yōu)化參數(shù),最終在淮河流域或具有相近背景的流域推廣應用。在本研究中,我們試圖模擬自然濕地的環(huán)境異質(zhì)性。因此,多級濕地系統(tǒng)中,水質(zhì)凈化過程被分為幾個步驟。除了水流模式的不同,我們篩選水生植物、將不同基質(zhì)級配,以及運用基質(zhì)內(nèi)電解,在不同水力停留時間下測定污染物去除效果,將運行參數(shù)應用于賈魯河上游河道水生態(tài)凈化示范工程中,辨識多級濕地的最佳耦聯(lián)方式對于不同污染物去除效能；該研究對于重污染河道污染控制與治理具有非常重要的實際應用價值。本論文研究的主要結(jié)論有：(1)實驗結(jié)果顯示,種植有菖蒲和水蔥的植物系統(tǒng)對COD和NH4+-N去除率高于無植物系統(tǒng),由于其發(fā)達的根系,可為微生物生長提供更多附著的表面積。菖蒲、水蔥和無植物對照濕地系統(tǒng)對COD的平均去除率分別為62.10%、59.20%和52.50%；對NH4+-N的平均去除率分別為79.50%,70.22%和60.89%。高濃度有機污染物廢水處理過程中,無植物濕地系統(tǒng)中氧氣濃度會大大減少,但有植物系統(tǒng)中仍存在有氧區(qū)域。植物輸氧造成的濕地中有氧、缺氧和厭氧狀態(tài)的交替出現(xiàn)是保證其對氮磷及有機物具有較強處理效率的原因。垂直潛流人工濕地(VFCW)具有更高的氧傳輸能力和高有機物去除率；水平潛流人工濕地(HFCW)中,由于碳源缺乏,大多數(shù)有機碳源是難降解生物,導致出水COD偏高。(2)本實驗中選取四種基質(zhì)沸石、礫石、陶粒和爐渣作為基質(zhì),再進行基質(zhì)組配,進行低濃度生活污水處理的研究。結(jié)果顯示各類組配具有很高的去污能力。HRT=4h時,陶粒、沸石和礫石(A組)組配基質(zhì)對COD去除率最高,為70.28±10.24%,陶粒、礫石和爐渣(C組)組配基質(zhì)對TN去除率最高,為90.38±6.98%,陶粒、沸石和爐渣(B組)組配基質(zhì)對P043"-p去除率最高,為80.25±18.75%。級配方式下濕地系統(tǒng)對污染物去除的綜合效果優(yōu)于單一粒徑基質(zhì)的濕地系統(tǒng)。(3)我們在實驗室研究催化鐵內(nèi)電解在人工濕地廢水處理中的應用,考察其吸附性能,進一步明確具體的操作參數(shù)。Fe/Cu反應動力學方法是電化學反應,不同配比對污水中TP去除有顯著影響。結(jié)果顯示：Fe:Cu=1:1時,TP去除率為62%,Fe:Cu=10:1時,TP去除率高達87%,表明內(nèi)電解反應器由于Fe、Cu之間以及基質(zhì)與廢水中污染物的接觸面積增加,導致反應活性增加。Fe/Cu內(nèi)電解系統(tǒng)已被證明對硝酸鹽還原更有效。最初隨著pH值的升高,由于鐵腐蝕反應硝酸鹽還原速率加快。在實驗期間硝酸鹽幾乎完全轉(zhuǎn)化,在實驗后期硝酸鹽反應速率迅速下降。(4)研究四種組合方式(串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)、并串聯(lián))的多級耦聯(lián)人工濕地在不同HRT下對廢水污染物的去除效率。結(jié)果顯示：串并聯(lián)模式在HRT=3h時TN去除率最高,為45.16%,]3RT=5h時達到TP最高去除率74.55%；對于COD,并聯(lián)系統(tǒng)在HRT=4h時去除率最高,為75.90%,而NH4+-N最高去除率出現(xiàn)在HRT=4h的串聯(lián)模式下。我們的研究表明,多級耦聯(lián)人工濕地在適當?shù)腍RT條件下可以成為有效的生活污水處理方法。(5)我們選擇淮河流域污染嚴重的賈魯河支流,在對其污染物背景值調(diào)查的基礎上,實施我們的水質(zhì)生態(tài)凈化示范工程。期間我們監(jiān)測整條河流中氮含量的時空變化,來評估措施的有效性。最明顯的變化是,NH4+-N平均降低了63.76±31.63%,N03--N平均降低了42.10-±5.88%,TN濃度由平均16.17 mg/L降低到3.50 mg/L。河流中氮濃度的空間變化具有預測出水濃度變化的潛在應用。我們提出了流域綜合水生態(tài)凈化優(yōu)化設計的應用框架,需要全面監(jiān)測來確定工程措施應用于其他流域的整體有效性。植物的全面恢復可以達到較好的脫氮效果。NH4-N和NO3--N濃度的降低在第二年顯著高于第一年,表明植物達到污染物最佳性能需要一個過渡期。對于銨態(tài)氮,較低的出水濃度出現(xiàn)在夏季,這是由于降雨的稀釋,所以降水和植被被認為是影響水處理性能的變量之一。本文針對單一的水平流濕地因為氧傳輸能力有限不能保證有效的硝化反應,而單一的垂直流濕地不能保證有效的反硝化,對垂直流——水平流人工濕地耦聯(lián)來提高污染物的去除率。耦聯(lián)的濕地系統(tǒng)包括串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)和并串聯(lián)。除了系統(tǒng)本身及其組合工藝,濕地的設計參數(shù),包括水力負荷、水力停留時間等,環(huán)境條件包括溫度、pH等,系統(tǒng)的組成要素植物、基質(zhì)等對濕地凈污能力均有影響。在了解了耦聯(lián)人工濕地凈污能力機理及其途徑,以及造成賈魯河水污染背景的前提下,重點運用構(gòu)造濕地—生態(tài)河道強化凈化技術(shù)、多級人工濕地凈化耦聯(lián)技術(shù),實現(xiàn)人工濕地污水處理系統(tǒng)優(yōu)化配置的同時,完善河流水生態(tài)凈化工程技術(shù)措施的應用,以期為淮河流域及全國相似污染背景流域的河流生態(tài)凈化提供借鑒。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：X703
【文章目錄】：
中文摘要
English Abstract
Chapter 1 Literature Review
    內(nèi)容提要
    1.1 River ecosystem
    1.2 River water quality
    1.3 Improvement of river water quality
    1.4 Wetland treatments
Chapter 2 Research Objectives and Contents
    內(nèi)容提要
    2.1 Scientific questions
    2.2 Research objectives
    2.3 Research contents
    2.4 Research clues
Chapter 3 Comparison of Vegetation on Pollutants Removal in HybridConstructed Wetlands
    內(nèi)容提要
    3.1 Introduction
    3.2 Material and methods
        3.2.1 Set-up and operation of wetland systems
        3.2.2 Statistical analysis
    3.3 Results and discussion
        3.3.1 Water quality and treatment performance
        3.3.2 Spatial distribution and management of vegetation
        3.3.3 Optimization of incorporated CW configuration
    3.5 Conclusions
Chapter 4 Effects of Diferent Matrix Paired on Purification Efficiency inConstructed Wetlands
    內(nèi)容提要
    4.1 Introduction
    4.2 Materials and methods
        4.2.1 Experimental setup
        4.2.2 Operation conditions
        4.2.3 Water sampling and quality analysis
        4.2.4 Statistical analyses
    4.3 Results and discussion
        4.3.1 Physicochemical characteristics of matrix
        4.3.2 Adsorption removal of phosphorus from wastewater
        4.3.3 Influence of wetland matrix for improving nitrogen and organics removal performances
    4.4 Conclusions
Chapter 5 Matrix with Internal Electrolysis to Enhance PollutantsRemoval in Constructed Wetlands
    內(nèi)容提要
    5.1 Introduction
    5.2 Materials and methods
        5.2.1 System description and operation
        5.2.2 Sampling and quality analysis
        5.2.3 Statistical analyses
    5.3 Results and discussion
        5.3.1 TP removal effect
        5.3.2 COD removal effect
    5.4 Conclusions
Chapter 6 Effects of Connection Mode and HRT on WastewaterPollutants Removal in Multi-stage Coupled Constructed Wetland
    內(nèi)容提要
    6.1 Introduction
    6.2 Materials and methods
        6.2.1 The wetland system microcosms and greenhouse setup
        6.2.2 Experimental operation
        6.2.3 Water sampling and measurement
        6.2.4 Statistical analysis
    6.3 Results and discussion
        6.3.1 Physical and chemical parameters
        6.3.2 Cross-effect of HRT and CW system
        6.3.3 Impact of HLR on TP
        6.3.4 Impacl of HLR on NH4-N
        6.3.5 Impact of HLR on TN
        6.3.6 Effect of influent pollutant load on removal efficiency
    6.4 Conclusions
Chapter 7 Nitrogen Removal with Ecological Purificication and RestorationEngineering in the Polluted River
    內(nèi)容提要
    7.1 Introduction
    7.2 Materials and methods
        7.2.1 Description of pilot-scale project
        7.2.2 Design of pilot-scale project
        7.2.3 Technological process
    7.3 Water sampling and chemical analyses
    7.4 Statistical analysis
    7.5 Results and discussion
        7.5.1 N Removal along the Restored River
        7.5.2 N Removal at different engineering stages
    7.6 Conclusions
Chapter 8 Conclusions,Innovations and Prospects
    內(nèi)容提要
    8.1 Conclusions
    8.2 Innovations
    8.3 Prospects
        8.3.1 Enlarging the scope of application and strengthening the correlative mechanisms
        8.3.2 Pilot-scale test be carried out to discuss operation conditions on gradated matrix
        8.3.3 Combining the ecological purification and ecological restoration demands
References
致謝
博士學習期間撰寫、發(fā)表論文及其它科研成果

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本文編號：2842479