人工湿地处理源水中两种典型POPs物质的效果研究

摘要

本研究依托“十一五”国家科技支撑重点项目《南方平原区农村规模化集中供水工程技术集成与示范推广》(2006BADO1B09-1)课题和江苏省教育厅《人工湿地去除水体中POPs特性研究》(06KJD560214)课题，开展了人工湿地去除微污染源水中POPs物质(PAEs和PCBs)的试验研究。
　　 人工湿地作为一种低成本、低能耗的水处理方法，具有维护管理方便、生态效益突出等优点，近年来其应用及研究领域不断拓宽，大多集中应用于生活污水、工业废水、城市暴雨径流、农业废水的处理与管理以及湖泊污染防治等领域。而利用人工湿地系统进行微污染源水的预处理，特别是对低含量、严重危害生态和人类的POPs物质(持久性有机污染物)去除的研究国内外却鲜有报道。
　　 本文针对湿地去除源水中POPs物质的主要影响因素，通过构建现场湿地装置，以微污染源水作为湿地进水，以2008年4月至2009年5月为试验期，开展了美人蕉潜流人工湿地系统在不同水力负荷率、不同季节和不同湿地构型条件下对源水中两种典型持久性有机污染物(PAEs和PCBs)的去除效果研究。研究内容主要包括：(1)美人蕉潜流人工湿地对源水中PAEs和PCBs的去除效果；(2)两种不同湿地构型对去除效果的影响，主要运行参数(有机碳浓度、水力停留时间、DO、ORP及pH值沿水流方向的变化规律)对PAEs和PCBs去除效率的影响；(3)潜流人工湿地去除PAEs和PCBs的途径及规律研究；(4)湿地中微生物的生物量和生物活性与水质净化效果之间的关系；(5)提出能够用于预测人工湿地去除源水中PAEs和PCBs污染效率的模型，并以试验数据检验模型预测的准确性。
　　 主要研究结论如下：
　　 1.美人蕉潜流人工湿地系统对源水中PAEs及PCBs具有一定的去除能力，当水力停留时间为2d时，人工湿地系统对PAEs的平均去除率分别为32.82％(DMP)、32.11％(DBP)、20.20％(DEHP)和18.72％(DOP)。对PCBs的平均去除率分别为15.74％(PCB28)、17.21％(PCB52)、20.85％(PCB101)、23.30％(PCB118)、25.52％(PCB153)、24.59％(PCB138)和24.37％(PCB180)。停留时间进一步延长，污染物去除率继续上升但趋势变缓。因此，当采用人工湿地去除微污染源水中PAEs、PCBs污染物时，在试验进水浓度下，停留时间为2d时可以达到净化目的。
　　 2.PAEs、PCBs在人工湿地内的去除机理存在不同。人工湿地对PAEs的去除途径是微生物的降解、基质吸附和湿地植物的吸收富集。微生物的降解对PAEs的去除起到了重要作用，有机碳的耗损与PAEs的去除存在显著性相关。PCBs可以通过基质的吸附作用去除，尤其是辛醇-水系数(logKow)较大的PCBs单体，微生物的降解对PCBs的去除作用微弱。
　　 3.不同季节湿地对PAEs的去除效果总体表现为秋季＞夏季＞春季＞冬季的规律，湿地蒸腾效应是湿地秋季去除效果稍好于夏季的主要原因。季节变化对PCBs的去除效果影响不大。就本试验而言，不同构型湿地对PAEs、PCBs的去除效果表现为波式潜流湿地好于水平潜流湿地。
　　 4.波式潜流湿地的微生物总数要略高于水平潜流湿地。湿地中细菌总数与PAE去除率一般呈正相关关系，湿地中细菌总数与PCB去除率不存在相关关系。本试验湿地系统中，系统后部比前部脱氢酶活性强，上层脱氢酶活性普遍比中层强，波式潜流湿地基质样品的脱氢酶活性比水平潜流湿地强，但强度相差小于1％。湿地进水中的PAEs和PCBs并未对微生物活性产生明显影响。
　　 5.在湿地对PAEs、PCBs平均去除率为24.16％和19.14％的状态下，通过计算得出，美人蕉潜流人工湿地对PAEs去除途径贡献率为(各同族体的平均值)：植物吸收1.75％，基质吸附70.61％，微生物降解27.64％。湿地对PCBs去除途径贡献率为(各同族体的平均值)：植物吸收1.34％，基质吸附90.91％，微生物降解7.75％。
　　 6.建立潜流人工湿地对PAEs、PCBs去除的生态动力学模型。通过与试验数据对比，其模拟误差介于6.8％～30.6％之间，表明生态动力学模型能较好地预测美人蕉人工潜流湿地系统出水PAEs、PCBs浓度。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:缩略词注释表

声明

1绪论

1.1源水中持久性有机物(POPs)污染现状

1.1.1源水中邻苯二甲酸酯(PAEs)的污染状况

1.1.2源水中多氯联苯(PCBs)的污染状况

1.2源水中两种持久性有机污染物去除技术研究综述

1.2.1邻苯二甲酸酯(PAEs)物质去除技术

1.2.2多氯联苯(PCBs)物质去除技术

1.3人工湿地

1.3.1人工湿地

1.3.2人工湿地对有机污染物去除机理

1.3.3人工湿地对源水中两种持久性有机污染物去除研究现状

1.4本研究的目的和意义

1.5研究内容及研究技术路线

1.5.1研究的主要内容

1.5.2研究的技术路线

2试验材料与试验方法

2.1气候条件

2.2试验装置与材料

2.2.1试验装置

2.2.2试验材料及运行方式

2.2.3样品采集

2.2.4试验期进水水质

2.3分析方法

2.3.1常规水质指标分析

2.3.2 PAEs及PCBs规定

2.4本章小结

3人工湿地去除PAEs、PCBs试验效果及影响因素分析

3.1人工湿地对PAEs、PCBs的去除效果

3.1.1人工湿地对PAEs的去除效果

3.1.2人工湿地对PCBs的去除效果

3.2人工湿地去除PAEs、PCBs影响因素分析

3.2.1环境温度的影响

3.2.2水力停留时间的影响

3.2.3植物生长状态的影响

3.2.4人工湿地构型的影响

3.2.5微生物总数的影响

3.3人工湿地中理化参数及污染物浓度的沿程变化

3.3.1 pH及DO浓度的沿程变化规律

3.3.2 TOC的沿程变化规律

3.3.3 TP、TN的沿程变化规律

3.3.4湿地内PAEs沿程变化规律

3.3.5湿地内PCBs的沿程变化规律

3.4本章小结

4人工湿地去除PAEs、PCBs机理研究

4.1基质吸附

4.1.1吸附试验

4.1.2基质对PAEs的吸附

4.1.3基质对PCBs的吸附

4.1.4基质吸附初步定量估算

4.2植物吸收

4.2.1根对PAEs和PCBs的吸收积累作用

4.2.2茎叶对PAEs和PCBs的吸收积累作用

4.2.3植物吸收初步定量估算

4.3微生物降解特性

4.3.1微生物降解试验

4.3.2微生物对PAEs、PCBs的降解能力

4.3.3微生物降解PAEs、PCBs能力影响条件分析

4.3.4湿地基质酶活力特性

4.3.5 PAEs、PCBs微生物降解途径

4.4贡献率分析

4.4.1湿地去除PAEs贡献率分析

4.4.2湿地去除PCBs贡献率分析

4.5本章小结

5 PAEs及PCBs在湿地系统中环境行为的数学模拟与验证

5.1污染物在湿地系统中迁移的定解问题描述

5.2污染物定解问题的求解方法

5.2.1定解问题

5.2.2数学模型

5.2.3定解问题的求解方法

5.2.4湿地系统去除PAEs、PCBs的主要影响因素描述

5.3 PAEs环境行为的数学模拟

5.3.1参数的确定

5.3.2求解结果与模型验证

5.4 PCBs环境行为的数学模拟

5.4.1参数的确定

5.4.2求解结果与模型验证

5.5本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

致谢

参考文献

个人简历及在读期间发表的学术论文