潜流人工湿地中的基质作用及污染物去除机理研究

摘要

针对基质在人工湿地净化污水中的重要作用，基于因地制宜和生态低耗的理念，以炉渣和砾石为基质开展了潜流人工湿地污染物去除的机理研究。通过批次实验，分析了炉渣和砾石对磷的吸附机理及其影响因素；结合两种基质潜流人工湿地对污染河水的净化效果，揭示了主要污染物在潜流人工湿地中的降解与去除规律；通过基质对人工湿地植物与微生物群落的作用分析，判明了人工湿地中基质-植物-微生物之间的生态效应机制；通过两种基质潜流人工湿地中微生物群落的季节性变化特征与污染物去除效果的相关性分析，明确了潜流人工湿地的污染物去除机理。本研究主要的结论如下：
　　(1)基质的静态吸附试验结果表明，炉渣对磷的吸附符合Freundlich吸附等温线的规律，砾石对磷的吸附符合Langmuir吸附等温线的规律，炉渣和砾石的理论吸附量分别为3.15mg/g和0.81mg/g。准二级动力学方程可较好的描述两种基质的吸附动力学特性，且物理吸附、化学吸附和配位体交换是磷吸附去除的主要作用原理。炉渣的吸附性能基本不受初始pH、有机物种类和浓度、氨氮浓度的影响，但砾石的吸附量随着pH、氨氮浓度的增加而有所减少。
　　(2)炉渣和砾石为基质的两组潜流人工湿地，在四年的运行过程中，对SS、COD和BOD5均有较好的处理效果；运行前两年，炉渣潜流湿地对SS、COD和BOD5的去除率可分别达到90％、72%和84%，均高于砾石潜流湿地的去除效率；后两年，随着湿地内部环境逐渐趋同，两组湿地对SS、COD和BOD5的去除效果也趋于一致。且在四年运行过程中，两组湿地SS、COD和BOD5的单位面积去除量均随着进水负荷的增加而线性增加。
　　(3)湿地运行的前两年，两组湿地对TN和NH3-N的去除效果相近，随着湿地运行时间延长，砾石潜流湿地对TN和NH3-N去除效果逐渐优于炉渣潜流湿地。湿地运行的四年中，炉渣潜流湿地保持了对TP和PO4-P的较高去除率，高于砾石潜流湿地10%以上，且TP单位面积去除量有随进水负荷增加而增大的趋势。
　　(4)湿地运行的第一年不存在空间约束的条件下，两组湿地中植物均急速生长，与炉渣潜流湿地相比，砾石潜流湿地更有利于植物的持续生长，在第四年植物收割季，砾石潜流湿地的植物生物量和生长密度分别比炉渣潜流湿地高出25株/m2和0.3kg/m2。且在砾石潜流湿地中，植物对营养物去除的贡献率更高。两组湿地中，植物根系的微生物群落多样性均高于基质区，且根系的好氧环境激发了特征根系微生物Acinetobacter calcoaceticus的产生。
　　(5)两组潜流人工湿地中，冬季的微生物多样性高于夏季；在冬季，进水区的微生物多样性高于出水区，而在夏季，出水区的微生物多样性反而较高。聚类分析结果表明，两组湿地基质样品的相似度较高，进出水区域微生物群落的相似度为75.15-88.06%，说明炉渣和砾石潜流湿地内部具有相近的氧环境，且在冬季也检出了反硝化菌，说明潜流湿地具有较好的保温效果。湿地冬季进水DO较高，而夏季进水DO较低，但存在沿程DO增加的趋势，双因素方差分析结果表明，DO浓度是影响湿地中微生物群落的主要因素。
　　(6)潜流湿地对SS和TP的去除效果受季节影响不大，但COD和BOD5的去除效果在夏秋两季较好，冬春两季相对较差；TN和NH3-N的去除受季节影响最大。且TN的去除与微生物多样性指数显著相关。潜流人工湿地的脱氮效果与进水溶解氧含量密切相关，冬季进水DO为4.6±0.15mg/L，硝化条件较好，NH3-N转化为NO3-N的效率较高，但反硝化作用不明显；夏季进水DO浓度低于0.5mg/L，虽然沿水流可上升到2mg/L左右，但总体上硝化条件受限，而反硝化效果反而较好。

目录

声明

1绪论

1.1水污染及其治理技术

1.2人工湿地处理技术概述

1.3人工湿地基质

1.4潜流人工湿地在国内外的发展现状

1.5论文概要

2.实验材料与方法

2.1基质对磷的静态吸附实验

2.2潜流人工湿地反应器实验

2.3潜流人工湿地污染河水净化现场实验

2.4水质指标分析

2.5湿地植物分析

2.6湿地微生物分析

3.潜流人工湿地中基质的磷吸附特性

3.1基质的物理化学性质

3.2磷的静态吸附特性

3.3基质磷吸附的影响因素

3.4污染河水中磷的吸附去除

3.5本章小结

4.潜流人工湿地中基质种类对植物作用的影响

4.1潜流人工湿地的污染河水净化特性

4.2潜流人工湿地中的植物特性

4.3本章小结

5.潜流人工湿地的微生物作用特性

5.1不同基质湿地的微生物群落分布规律

5.2潜流人工湿地中的污染物季节转化特性

5.3湿地微生物作用与污染物降解机理

5.4本章小结

6.结论与创新点

6.2创新点

6.3建议与展望

致谢

参考文献

附件论文发表及参与科研项目情况