耦合生态技术深度处理农村分散式生活污水效能与仿真

【摘要】本研究以设计一种可推广的分散式生活污水深度生态处理技术为目标,以耦合SequencingBatchBiofilmReactor(SBBR)及VerticalFlowConstructedWetlands(VFCW)技术为基础设计了SBBR-VFCW装置。在SBBR-VFCW基础上,以恢复和维持农村塘、池水体生态健康为目标,设计了促生态恢复型集成式生态浮床(Restoration-PromotingIntegratedFloatingBed,RPIFB)。实验以SBBR-VFCW为核心处理技术,以RPIFB为农村水体生态系统的保育技术,为农村分散式生活污水深度处理及水体生态环境健康维护提供了一套新的技术方案。具体内容包括：(1)研究通过设计有效容积为18L、工作容积为12.5L的SBBR反应器,处理了TN、TP、NH4+-N、CODCr浓度范围分别为87.0-100.0mg/L、6.0-8.0mg/L、75.0-85.0mg/L、490.0-510.0mg/L的高浓度和64.0-75.0mg/L、4.0-6.0mg/L、55.0-64.0mg/L、360.0-380.0mg/L的中浓度模拟农村分散式生活污水(文中简称污水)。以12h为一个周期分两阶段共进行了20周期的污水处理实验。其中,前10周期进水负荷为7L,考察了SBBR系统对两种浓度污水的处理能力；后10周期,进水由7L/cycle,以0.5L/cycle的增长速率渐增至12.5L/cycle,考察了SBBR的耐负荷增长能力。结果显示：SBBR处理高浓度污水时出水中的TN、TP、NH4+-N、CODcr达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002,下称标准)I级A标准的频率分别为100%、0%、60%、20%,处理中浓度污水的出水达I级A标准的频率分别为100%、0%、100%、100%；II级标准限值下,SBBR处理高浓度污水进水负荷可增大至初负荷的,1.3-1.6倍,处理中浓度污水时可至1.7-1.8倍。因而,SBBR能较好的处理污水并耐污染负荷增长,随进水浓度降低其处理及耐负荷能力增强；但SBBR对污染物处理能力不均衡,TP处理能力较弱；出水虽能满足农田灌溉等再生利用标准,但仍具较强致富营养化性。SBBR宜作为耦合工艺的第一环节技术,采取有效技术补充深化污染物的处理。(2)研究通过设计体积80L、有效容积为25.2L的VFCW系统,以美人蕉为功能植物,布置卵石、天然沸石、土壤基质,处理了TN、TP、NH4–N、CODcr浓度范围分别为59.0-62.0mg/L、4.2-5.0mg/L、45.0-50.0mg/L、290.0-310.0mg/L的中浓度和32.0-35.0mg/L、1.4-1.7mg/L、28.0-30.0mg/L、61.0-65.0mg/L的低浓度模拟污水,两种浓度下以0.10m3/m2·d和0.17m3/m2·d两种负荷测试了VFCW对污染物的处理率及沸石基质孔隙率的变化。VFCW系统在中浓度污水0.10m3/m2·d负荷入水情况下,出水各指标均未达GB18918-2002I级A标准,相同负荷条件下处理低浓度污水时各出水指标均达I级A标准；两浓度污水负荷由0.10m3/m2·d增至0.17m3/m2·d时,出水水质均下降明显；由VFCW系统沸石基质孔隙率、出水可再生利用性、富营养胁迫性的变化,发现高浓度、高水力负荷条件下VFCW孔隙率降低速率更快,出水可再生利用范围更窄,对受纳水体富营养化胁迫更强。因而,VFCW系统对进水水质要求较高,宜在通过前处理初步消减污染物,使入水污染物浓度有所降低的基础上发挥深度处理作用。(3)研究通过设计的耦合SBBR及VFCW两种工艺的一体化SBBR-VFCW装置,以3个SBBR-VFCW装置在不同DO、曝停比、干湿比、进水量条件下处理了高、中、低3个浓度(以TN、TP、NH4+-N、CODCR为指标)水平的模拟污水。取连续20d的出水水质数据作为BPN人工神经网络模型训练的样本,应用MATLAB软件,设置隐含层为7,学习速率为0.14,动量因子为0.6,学习时间为8000h对实验进行模拟。结果显示,3组SBBR-VFCW出水NH4+-N、TN、CODCr全部可以达到I级A标准,出水TP介于I级B标准与II级标准问；低浓度进水时TN、TP、NH4+-N、CODCr的去除率分别可达91.5%、88.5%、98.5%、97%。以随机抽取的6组测试样本对BPN模型的模拟能力检验,TN、TP、NH4+-N、CODcr的MAER值分别为6.6%、5.9%、7.2%、6.4%均低于13.5%,测试样本均方根误差(RMSE)均小于0.078,相关系数均大于0.99,证明BPN模型泛化能力和过程模拟能力良好。通过模型权重分析,可知SBBR-VFCW出水TN、TP、NH4+-N、CODcr受进水NH4+-N、曝停比、DO影响明显。实验显示SBBR-VFCW对模拟农村生活污水处理能力好,出水可再生利用性强,对农村水环境富营养化胁迫小,BPN模型能较好的模拟SBBR-VFCW这一非线性多变量的耦合污水处理过程,为预测系统水质变化、在线监测、工艺自动控制提供了基础。(4)研究通过设计的促生态恢复型人工浮床(restoration-promotingintegratedfloatingbed,RPIFB)为SBBR-VFCW系统的处理生活污水的出水的环境转归做了进一步深度净化补充技术的探索。RPIFB中,浮水床、沉水床以天然沸石为基质,为挺水植物(美人蕉,CannaindicaLinn.)和沉水植物(菹草,PotamogetoncrispusLinn.)着生提供了条件,RPIFB以网裹覆,内部放养铜锈环棱(Bellamyaaeruginosa)、泥鳅(Misgurnusanguillicaudatus),所有组分为系统内部构成完整的生物链提供了基础。实验以富含蓝绿藻类和原生动物的富营养化池塘水为基础,添加KH2PO4、(NH2)2CO和NH4NO3营造重富营养化水体。实验1以CODCr、NO3–N、NH4+-N、TN、TP、Chl.a、浊度等指标(其中TN、TP、NH4+-N、CODcr浓度值均大于SBBR-VFCW出水浓度)的变化对比了FB、GSB及RPIFB对水体的净化能力,研究了光照作用于GSB进而影响RPIFB净化功能的特点；实验2探究了RPIFB中美人蕉、菹草、泥鳅、铜锈环棱螺对沉水床光照和深度变化的生理响应,分析了RPIFB的生态保育能力。结果显示,PRIFB作用下TN、TP、NH4+-N、和CODcr的去除率分别可达74.5%±1.4%、98.3%±4.3%、74.7%±0.5%、88.8%±1.3%和71.4%±2.5%,Chl.a和水体浊度可降至初始浓度水平的10%,FB、GSB及RPIFB净水能力顺序为RPIFB>FB>GSB。RPIFB不但能对SBBR-VFCW的出水实施深度净化,预防并治理富营养化水体,还可促进沉水植物恢复至水体下垫面,促进水体生态系统发生藻型相态向草型相态的转变,为农村塘、池等水体环境的生态健康提供了思路。
【作者】郭一明；
【导师】刘云国；
【作者基本信息】湖南大学，环境科学与工程，2014，博士
【关键词】分散式生活污水；耦合效应；人工神经网络；富营养化；生态恢复；

【参考文献】
[1]肖乾虎.基于ZigBee/GPRS的作物生长环境因子远程监测系统研究[D].海南大学,农业机械化工程,2014,硕士.
[2]曹杰.城市社区管理机制：存在问题及解决对策[D].苏州大学,行政管理,2013,硕士.
[3]杨丽娟.电化学氧化处理高盐活性染料废水研究[D].北京化工大学,环境科学与工程,2013,硕士.
[4]陈盼.多媒体在中学化学优质课教学中的应用状况研究[D].东北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[5]宋丽萍,佘光辉.深圳绿化树种选择智能决策支持系统的构建[J].南京林业大学学报(自然科学版),2005,02:87-91.
[6]杨璇.住宅小区停车位归属问题研究[D].内蒙古大学,法律,2014,硕士.
[7]李照忠.霍尔推力器放电电流低频振荡特性及性能的仿真研究[D].哈尔滨工业大学,化工过程机械,2013,硕士.
[8]谢琼.绝望与反抗：中国现代文学“疯癫”形象分析[D].华侨大学,中国语言文学,2013,硕士.
[9]张旭东.游离肌瓣和G-BRX在肢体炸伤早期修复中的应用研究[D].第四军医大学,外科,2004,硕士.
[10]全亮.论范晔《后汉书》在南北朝的传播与影响[D].上海师范大学,中国古典文献学,2014,博士.
[11]范洪君.EphA3在胃癌中的表达及其与胃癌血管生成及预后的相关性研究[D].河北医科大学,肿瘤学,2013,硕士.
[12]侯恺.《聊斋志异》在芥川龙之介怪异小说中的体现[D].四川外国语大学,日语语言文学,2013,硕士.
[13]霍欢欢1,2,柳相鹤2,史吉平2,刘志文1*,张保国2*.纤细裸藻-9-脂肪酸延长酶基因在解脂耶氏酵母中的表达[J].食品工业科技.
[14]孙慧馨.考虑参数时变的电弧炉电极调节的变结构控制[D].沈阳理工大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[15]诸利君,陈芨熙,王子龙,暴志刚,顾新建,乐承毅.面向全生命周期的合同能源管理支持系统[J].浙江大学学报(工学版),2014,02:190-199.
[16]万龙.复合材料机翼结构选型设计新方法研究[D].南京航空航天大学,飞行器设计,2013,硕士.
[17]孙光兰.局部电流驱动对撕裂模不稳定性的影响[D].大连理工大学,等离子体物理,2013,硕士.
[18]宋华雨.我国上市公司成本粘性问题研究[D].山东财经大学,会计学,2013,硕士.
[19]张兴旺.可调向悬移顶梁液压支架的研究[D].河北工程大学,机械设计及理论,2012,硕士.
[20]姚成林.推进我国省直管县改革探讨[D].福建师范大学,政治学理论,2012,硕士.
[21]蔡子昭.基于GIS的地下水污染调查信息系统设计开发及应用[D].石家庄经济学院,地质工程,2012,硕士.
[22]李开顺.信息化在上海三菱电梯有限公司销售业务的应用研究[D].吉林大学,工商管理,2013,硕士.
[23]尧刚华.华东交通大学理工学院网上院长信箱系统的分析与设计[D].云南大学,软件工程,2012,硕士.
[24]王瑞.6-TPS并联平台型数控铣床关键技术的研究[D].哈尔滨工业大学,2007.
[25]张沛军,陈燕武.垂直极化天线在地面数字电视传输中的应用[J].广播与电视技术.2005(05)
[26]杨梖,白雪,顾海鑫.磁性吸附材料的制备及其在污水处理中的应用[J].环境工程,2015,04:25-29+38.
[27]楼巧航.高模低缩涤纶帘子线浸胶工艺及性能研究[D].浙江理工大学,纺织工程,2012,硕士.
[28]邱雪.大跨度候车厅模态参数识别及人致振动模拟分析[D].北京交通大学,2014.
[29]李海燕.我国农业产业化发展的制度障碍及对策研究[D].吉林大学,产业经济学,2004,硕士.
[30]廖伟平.Mn-Ce/TiO_2催化剂低温选择性催化还原NO机理研究[D].南京师范大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2012,硕士.
[31]付强.若干表面体系反应及动力学行为的第一性原理研究[D].中国科学技术大学,2010.
[32]王文清.NBA即席解说的人际意义研究[D].新疆大学,英语语言文学,2013,硕士.
[33]郭萍敬.季节变化对青海沙蜥成体神经发生影响的研究[D].兰州大学,动物学,2013,硕士.
[34]周波.初中生人格特质与学业拖延的相关研究[D].内蒙古师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[35]朱巍.制造方法专利之侵权举证责任研究[D].华东政法大学,知识产权,2012,硕士.
[36]苏连成,朱枫.一种新的全向立体视觉系统的设计[J].自动化学报,2006,01:67-72.
[37]刘苏亚.航空轴承性能试验测试控制系统的研制[D].合肥工业大学,机械工程,2004,硕士.
[38]刘双.配电网中长期负荷预测方法的研究及实现[D].郑州大学,2003.
[39]张东海.国有资产监督管理信息系统的设计和实现[D].厦门大学,软件工程,2014,硕士.
[40]马珊.西安市城市社区全民健身活动及服务体系的研究[D].西安体育学院,体育教育训练学,2013,硕士.
[41]刘昕.保护环境实现畜禽养殖产业可持续发展[J].饲料广角.2005(01)
[42]王宣鼎.钢管约束型钢混凝土短柱轴压及偏压力学性能研究[D].哈尔滨工业大学,结构工程,2013,硕士.
[43]张建伟.湿气/水稳定的金属—有机框架材料的合成及应用[D].赣南师范学院,2014.
[44]李璐.针铁矿表面环丙沙星与氟甲喹的竞争吸附研究[D].中国地质大学（北京）,地下水科学与工程,2013,硕士.
[45]徐梦琴.体育表现性评价任务设计研究[D].华东师范大学,体育人文社会学,2013,硕士.
[46]刘建永.石墨烯或将改变人类未来[J].青海科技,2015,01:92-93.
[47]王伟青,程红焱,刘树君,宋松泉.黄皮种子线粒体呼吸速率和活性氧清除酶活性对脱水的响应及其生态学意义[J].植物生态学报,2012,08:870-879.
[48]刘宪夫.高产油小球藻的诱变育种及其油脂提取研究[D].南京农业大学,海洋生物学,2013,硕士.
[49]周爱莲.经阴道多普勒超声观察不孕症患者的子宫血流参数[D].山西医科大学,妇产科学（专业学位）,2013,硕士.
[50]梁旭.Xen虚拟机I/O带宽动态分配策略研究[D].湖南大学,计算机应用技术,2011,硕士.