基于微氧调控的建筑废料垂直流人工湿地中氮磷迁移转化研究

摘要

流域水污染治理早已变成限制国家经济社会发展的难题。尤其是广阔的农村、分散住宅区等排放的分散式生活废水缺少有效的治理。人工湿地作为一种高效低耗、生态友好、运行维护简单的自然处理工艺，当前在世界范围内的污水处理领域取得广泛应用，对于分散式的生活污水具有较高效的处理性能。但是传统人工湿地对于氮磷等水体富营养化元素的去除能力相对较差。建筑废料作为城市化发展产生的副产物，由于较低的利用率，造成固体废弃物污染，其处理问题急需解决。
　　本文选择建筑废料作为人工湿地基质，分析其理化性质，通过构建间歇增氧型垂直潜流人工湿地小试系统和模拟生活污水，研究了间歇曝气和不同建筑废料（砾石,红砖，粉煤灰砖）耦合对湿地系统长期水质净化效果;量化了人工湿地中不同去除途径对脱氮除磷的贡献，分析间歇曝气和建筑废料耦合对各种去除路径（包括温室气体释放）的影响;最后采用微生物分析，明确间歇曝气人工湿地中微生物的响应机制。本文取得的主要结果如下:
　　(1)粉煤灰砖和红砖具有适合微生物生长的多孔粗糙的微环境，其理化性质决定了这两种基质适合用于脱氮除磷。通过Langmuir等温线模型拟合基质对氨氮和磷的吸附过程，吸附能力的大小顺序是粉煤灰砖＞红砖＞砾石。
　　(2)以非曝气人工湿地为对照，通过连续监测，发现间歇曝气可以显著改善人工湿地污染物质净化效果。COD、NH4+-N和TN的去除率分别高达94.71％、99.11％和93.91％。间歇曝气湿地系统中TP质量去除率也提升了许多。三个间歇曝气湿地系统长期运行对COD和氮的去除率依然稳定，但是出水中TP浓度逐渐上升。
　　(3)不同基质会影响人工湿地处理污水性能，从大到小依次为粉煤灰砖＞红砖＞砾石，说明粉煤灰砖是人工湿地中强化脱氮除磷的潜在优良基质，其次是红砖。
　　(4)由于硝化受到限制，曝气湿地中硝化/反硝化作用是主要氮去除途径所占的比例为36.79-55.44％;而非曝气系统主要的除氮途径是基质蓄积(8.47-48.64％)。不到16％的氮被植物吸收，N2O排放贡献了0.08-0.39％。间歇曝气也利于植物生长，进而植物对磷的吸收增长了0.57-1.45倍。基质蓄积仍是主要的除磷途径，占23.92-59.47％。曝气系统中微生物吸收的磷约占30.93％，非曝气系统中仅为14.84-26.47％。这个结果表明了微生物吸收对除磷的贡献，说明间歇曝气显著地改变了人工湿地中的氮磷迁移转化路径。
　　(5)通过微生物分析发现，间歇曝气增加了湿地中与氮磷去除有关的功能菌，揭示了微生物与水质净化效果的内在关系。
　　以上研究结果为深入了解间歇增氧建筑废料人工湿地中氮磷迁移转化机制，提升人工湿地对分散式生活污水中的污染物同步去除能力给予了理论依据和技术支持，具有现实性的意义。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 人工湿地概述

1．3 人工湿地污染物去除机制

1．3．1 有机物去除

1．3．2 氮的去除

1．3．3 磷的去除

1．4 人工湿地处理污染物存在的问题及强化措施

1．5 研究目的和研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

2．1 人工湿地实验装置

2．2 实验设计

2．3 样品采集及指标测定

2．3．1 水样及物化指标测定方法

2．3．2 氮磷元素含量测定

2．3．3 气体采集以及N2O测定

2．4 人工湿地氮磷循环平衡分析

2．5 基质分析

2．5．1 理化性质

2．5．2 等温吸附试验

2．6 微生物测试项目及方法

2．6．1 定量聚合酶链反应(Q-PCR)

2．6．2 荧光原位杂交(FISH)

2．6．3 高通量测序

2．7 数据分析

第三章 人工湿地基质理化性质分析

3．2 化学性质

3．3 等温吸附实验

3．3．1 基质对氨氮的等温吸附

3．3．2 基质对磷的等温吸附

3．4 小结

第四章 潜流人工湿地长期污水净化效果研究

4．1 典型周期中人工湿地系统污染物变化规律

4．1．1 周期内COD变化规律

4．1．2 周期内氮变化规律

4．1．3 周期内TP变化规律

4．2 COD去除效果

4．3 NH4+-N去除效果

4．4 TN去除效果

4．5 TP去除效果

4．6 小结

第五章 人工湿地中物质平衡分析

5．1 人工湿地中氮的物质平衡

5．2 人工湿地中磷的物质平衡

5．3 小结

第六章 微生物分析

6．1 定量聚合酶链反应(Q-PCR)

6．2 荧光原位杂交(FISH)

6．3 高通量测序

6．4 小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文