基于稳定性同位素技术的人工湿地水力学特性研究

摘要

人工湿地是近年迅速发展的污水处理技术，具有成本低、易管理、效果好等优点，人工湿地去除污染物的机理复杂，涉及物理、化学、微生物以及水生植物等作用，湿地内水流的流动状态和水力学特性具有多样性，存在一定的滞流和短流现象，降低了人工湿地的利用效率，影响水质处理效果。因此，探查湿地中各区域水流流动的趋势，最大化的减小湿地内部滞流区、短流区，有利于提升人工湿地利用效率，可为其合理运行提供理论依据，对于保证其发挥去污净化功能、延长运行寿命有重要意义。
　　现有水流流态探测技术主要集中于示踪剂的表征技术、模型模拟技术以及基于ADV流速仪的实地探测技术。示踪剂的应用容易造成二次污染且在规模化湿地中运用成本较高，模型模拟技术多采用经验性参数，时效性较差，以上两种技术多集中于过程量参数的模拟，湿地内部流态的实时变化难以得出;基于ADV流速仪的实地探测技术需用到昂贵的流速仪，且测量过程十分耗费精力与体力。氢氧同位素示踪技术以湿地内部污水为分析对象，基于水体的蒸发过程中饱和蒸汽压与分子量成反比这一规律，重同位素D和18O在液相中不同程度的富集，区域停留时间越长，重同位素丰度越高，因此可通过同位素丰度分布确定内部流态。该技术具有无二次污染、实时反映湿地内部水流流态以及成本低的优势。本研究以小湄河人工湿地为研究对象，对其展开年度同位素调查，根据调查结果确定小湄河人工湿地滞流区、短流区的分布位置，确定湿地内部水流流态，同时布点监测湿地内部水流流速，确定流速分布状态，对水同位素示踪技术确定流态的适用性进行讨论;基于氢氧同位素示踪技术，对赵牛河人工湿地、徒骇河人工湿地进行流态表征，对流态影响因素进行分析。同时，对湿地内部水质分布特性展开研究，确定流态对水质分布的影响，主要得出以下结论:
　　研究结果表明，三处研究对象δD和δ18O组成均低于中国东部大气降水线，小湄河人工湿地δD和δ18O的线性关系为:δD=6.67δ18O-5.87(R2=0.86)，水同位素在小区域人工湿地中仍有区域性差异，这种差异主要由区域累积蒸发量的不同导致，其根本原因为区域停留时间存在差异;小湄河四季同位素δ18O分布图能明显表征出内部滞流区的位置以及大小，冬季短流区的表征由于蒸发量较小而误差相对较大，其余三个季节均能表征区域内部短流区位置，且滞流区与短流区位置与流速表征结果一致，稳定性同位素技术对于人工湿地流态的表征具有可行性。
　　赵牛河人工湿地δD和δ18O的线性关系为:δD=6.45δ18O-9.3(R2=0.89)，徒骇河人工湿地δD和δ18O的线性关系为:δD=4.38δ18O-26.63(R2=0.81)，蒸发均对两处湿地水同位素组成产生了明显影响。水力流态分析结果表明，侧向式以及“T”型进水形式容易导致进水区域短流以及滞流现象发生，弯角处凹侧区域、人工岛后方容易形成滞流区，在河道横断面若植物密度、植物种类不同，容易造成区域水流阻力异化，阻力高的一侧易形成滞流区，阻力小的一侧易出现短流现象。
　　氨氮在湿地中的分布呈现明显的滞流区浓度低、水流流畅区沿着进水口至出水口由高至低分布的现象，滞流区内由于水力交换作用较弱，高浓度氨氮无法流入滞流区，造成湿地面积利用率的下降;在植物生长的季节，总磷的分布与氨氮相近，其他季节总磷的分布容易受到底泥以及腐烂植物释放的影响而出现内部总磷浓度升高的现象。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 人工湿地污水处理技术简介

1．2 人工湿地污染物去除机制

1．3 人工湿地水力流态探测技术研究进展

1．3．1 示踪剂示踪技术

1．3．2 水力模型模拟技术

1．3．3 基于ADV探测技术的流态表征

1．4 基于氢氧同位素示踪技术的人工湿地流态的研究

1．4．1 水同位素应用发展简史

1．4．2 水同位素示踪技术原理

1．4．3 氢氧同位素示踪技术在水环境中的应用

1．4．4 水同位素在湿地水力学中的应用的提出

1．5 研究内容与技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

1．6 研究目的与意义

第二章 氢氧同位素技术对人工湿地水力流态的表征研究

2．1 研究对象

2．2 研究方法

2．2．1 重同位素丰度时空分布分析

2．2．2 基于ADV探测技术的流场模拟

2．3 研究结果

2．3．1 氢氧同位素丰度

2．3．2 水同位素区域分布

2．3．2 流速分布

2．4 小结

第三章 人工湿地水力流态影响因素分析

3．1 研究对象

3．1．1 德州赵牛河人工湿地

3．1．2 徒骇河人工湿地

3．2 研究方法

3．3 研究结果

3．3．1 水同位素丰度

3．3．2 湿地水力流态表征

3．4 水力流态分析

3．4．1 进出水形式对流态影响

3．4．2 湿地形状及内部构造对水流流态影响

3．4．3 植物布置对流态影响

3．5 小结

第四章 人工湿地内部氮磷分布特性研究

4．1 实验方案

4．2 氨氮去除效果及分布特征

4．2．1 氨氮去除效果

4．2．2 氨氮浓度分布

4．3 总磷去除效果及分布特征

4．3．1 总磷击除效果

4．3．2 总磷浓度分布

4．4 小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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