PVA/CaO2碳氧材料强化垂直流人工湿地脱氮的研究

摘要

近年来人工湿地在污水治理方面具有较低的运行成本以及良好的净化效率，在中国南方农村地区得到大力推广与应用。然而，人工湿地在处理农业径流和农村生活污水时，存在TN去除率较低的问题。这主要由DO总体水平不高，有机碳源分布不均衡等因素引起。本研究以CaO2为氧源、淀粉为碳源、高分子材料聚乙烯醇(PVA)为包埋剂，采用冷冻交联结合包埋的方法，制备出一种新型复合释氧材料与供碳材料。开展静态实验研究，结合扫描电镜分析，优选出最佳释氧材料比例。通过在模拟垂直潜流人工湿地小试实验系统的不同位置（上层、中层和下层）添加释氧材料，探究适宜垂直流湿地脱氮的曝气位置。随后在各系统的最佳曝气位置添加最佳投加量的释氧材料，同时在各系统的的不同位置（上层、中层和下层）添加供碳材料，以此探究不同位置的碳氧调控对垂直流人工湿地脱氮的影响。主要结论如下： （1）CaO2与PVA质量比例为2:3的释氧材料释氧能力最强，其氧释放系数K为1.11×10-3，平衡浓度Cm为75.2mg/L，释氧时间可持续到70d以上，制作成本降低了61.22%～87.29%。测定释氧材料的pH，发现投加量为6g/250mL的释氧材料，其pH在短期内快速升高。测定释氧材料的COD，ORC碳源溶出量较小，无法长期释放碳源，避免了引起水体COD快速升高。对释氧材料进行表征，发现当CaO2与PVA质量比例为2∶3时，材料表面粗糙、突起较多，孔隙较多，附着较多CaO2颗粒。 （2）在垂直流人工湿地不同位置（上层、中层、下层）投加释氧材料，发现添加释氧材料在湿地上层的系统，其CODCr去除率高于其他系统。各系统间的TP去除率无显著性差异。在湿地上层投加释氧材料，具有较好的氨氮和总氮去除效果。此时，氨氮去除率比未添加组高出15.16%；各系统间硝态氮去除率无显著性差异。 （3）曝气位置影响湿地脲酶活性，下层曝气的湿地脲酶含量最高，为60.37μg N/g基质；中层曝气的湿地脲酶含量最低，为26.72μg N/g基质。此外，发现各系统脲酶活性与TN去除率相关。磷酸酶的含量与TP去除率的相关性不显著，即湿地中TP的去除并非主要依靠磷酸酶的降解作用。 （4）在垂直流人工湿地不同位置（上层、中层、下层）投加供碳材料，同时在各系统的上层投加释氧材料。发现湿地上层只添加释氧材料的系统，其COD去除率高于同时添加供碳与释氧材料的系统。释氧材料投加位置为湿地上层，供碳材料投加位置为中、下层时，湿地TP去除率较好。释氧材料投加位置为湿地上层，供碳材料投加位置为下层时，湿地TN和氨氮的去除率高于其他系统。

目录

声明

第1章 前言

第2章 文献综述

2.1人工湿地脱氮概述

2.1.1人工湿地简介

2.1.2人工湿地的脱氮机理

2.1.3人工湿地脱氮的影响因素

2.1.4人工湿地脱氮面临的问题

2.2供碳材料概述

2.2.1外加碳源分类

2.2.2 常见缓释碳源的制备方法

2.2.3外加碳源应用现状

2.2.4人工湿地外加碳源强化反硝化脱氮面临的问题

2.3供氧方式概述

2.3.1 供氧方式分类

2.3.2 释氧材料制备方法简介

2.3.3 释氧材料研究进展

2.4溶解氧与碳源在人工湿地中拮抗与协同

2.4.1 溶解氧与人工湿地脱氮关系

2.4.2 碳源与人工湿地脱氮关系

2.4.3 溶解氧与碳源在人工湿地中拮抗与协同

2.5 存在问题及发展趋势

2.6 研究目标和主要研究内容

2.6.1 研究目标

2.6.2 主要研究内容

2.6.3 技术路线

第3章 供碳材料和释氧材料的制备及其静态性能

3.1 引言部分

3.2 材料制备部分

3.2.1 试验材料与仪器

3.2.2 供碳材料制备方法

3.2.3 释氧材料制备方法

3.3 静态性能

3.3.1 分析仪器

3.3.2 释氧性能测试

3.3.3 释氧材料不同投加量下pH的变化

3.3.4 不同比例的释氧材料COD变化

3.3.5 释氧材料结构表征

3.4 结果与讨论

3.4.1 CaO2释放过程中溶解氧的变化

3.4.2释氧材料不同投加量pH的变化

3.4.3不同比例的释氧材料COD变化

3.4.4 释氧材料表面特性比较

3.5 小结

第4章 释氧材料投加位置对垂直流人工湿地的脱氮效果影响

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验基质与材料

4.2.2 实验装置

4.2.3 系统进水与运行方式

4.2.4 水质及基质指标分析方法

4.2.5 数据处理与分析

4.3 结果

4.3.1 不同位置的释氧材料对CODCr的净化效果

4.3.2 不同位置的释氧材料对TP的净化效果

4.3.3 不同位置的释氧材料对氨氮与硝态氮的净化效果

4.3.4 不同位置的释氧材料对TN的净化效果

4.3.5 不同位置的ORC对湿地微生物活性的影响

4.4 讨论

4.5 小结

第5章 供碳释氧材料投加位置对垂直流人工湿地的脱氮效果影响

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 实验基质与材料

5.2.2 实验装置

5.2.3 系统进水与运行方式

5.2.4 水质指标分析方法

5.2.5 数据处理与分析

5.3 结果

5.3.1 不同位置的供碳释氧材料对COD的净化效果

5.3.2 不同位置的供碳释氧材料对TP的净化效果

5.3.3 不同位置的供碳释氧材料对氨氮的净化效果

5.3.4 不同位置的供碳释氧材料对TN的净化效果

5.4 讨论

5.5 小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果