自由表面流—水平潜流复合人工湿地磷去除动力学分析

自由表面流—水平潜流复合人工湿地磷去除动力学分析

作者:师大云端图书馆 时间:2015-11-09 分类:参考文献 喜欢:1980
师大云端图书馆

【摘要】目前,河道、湖泊等天然水体的自净能力逐渐降低,大量未经处理的工农业及生活污水的过度排放导致水体富营养化严重。作为传统污水处理技术的一种有效替代方案,人工湿地是在天然湿地基础上发展起来的污水处理技术,因具有投资少、耗能低、运行和维护简单等优点而被用于多种水体的净化过程。复合人工湿地通过整合不同类型人工湿地生态功能,充分发挥其功能特点,改善自然景观的同时能够更有效地去除污染物,且更具稳定性和耐冲击能力。目前针对人工湿地不同学者开展了理论和基础性研究,然而,污染物在人工湿地中的动力学过程尚未得到全面、细致的了解和掌握,人工湿地的设计和运行多基于经验数据,对长期运行效果缺乏准确可靠的预测方式,从而使得人工湿地的生态功能无法最大限度发挥,人工湿地技术的应用和发展受到局限。磷是水体富营养化的主要限制因子,本研究针对间歇式进水自由表面流-水平潜流复合人工湿地,通过探究研究区复合人工湿地基质中磷的主要存在形态及分布规律,从污染物迁移规律出发,分析了复合人工湿地基质对磷的吸附/解吸特性;从水力学角度出发,通过示踪实验研究了水力停留时间及其分布特征,分析了复合人工湿地的水力效率;从反应器流动特性和污染物降解一级动力学模型角度研究了污染物降解规律,估算了适用于研究区间歇式进水复合人工湿地的一级动力学参数;以污染物迁移转化规律和STELLA动力学软件为基础,通过对水位、植被、悬浮颗粒物浓度变化进行模拟和整合,构建了磷去除的动力学过程模型,量化了磷在复合人工湿地内的动力学过程。通过对表层(0~10cm)和次表层(10~20cm)基质中不同形态磷的提取和测定,分析了磷在复合人工湿地中的形态分布特征,探究了不同形态磷与粒径和有机质之间的相关关系。结果表明:复合人工湿地基质中总磷含量为139.73~242.03mg/kg,各处理单元表层和次表层基质中总磷含量无显著差异(p>0.05),分别为198.15±32.45mg/kg和160.44±15.62mg/kg,无机磷是基质中磷的主要存在形态,占总磷的71.83~97.28%,其中钙磷是无机磷的主要组成部分(65.17~98.71%);基质粒径差异对钙磷的含量影响不大,可吸附态磷和有机磷在粒径小于2μm的基质中的含量较大,铁磷、有机磷和有机质之间存在较强的正相关性,钙磷、可吸附态磷和有机质之间呈负相关性。通过室内静态实验,以复合人工湿地基质为研究对象,对磷在基质-上覆水界面的动力学过程进行了模拟,分析了基质对磷的吸附/解吸特性。结果表明:基质对磷存在净吸附过程,吸附平衡浓度为4.23±1.77~22.52±2.71mg/L;各处理单元基质对磷存在化学吸附作用,且在吸附反应开始后的20min内吸附速率最快,并在24h内逐渐达到动态平衡状态,继续延长水力停留时间不会增加吸附量;各处理单元基质对磷具有较强的吸附能力(k:250.23~403.28L/mg),最大吸附量为286.82~604.63mg/kg。通过野外示踪实验分析了复合人工湿地的水力停留时间及其分布特征。结果表明:通过在进水口设置阻隔以抬升进水水位,可有效提高示踪剂的扩散度,从而能够提高示踪剂的回收率。采用修正的Gauss模型能够较好地拟合复合人工湿地不同运行工况下水力停留时间的分布特征,且拟合参数因植被类型和进水方式不同而有所差异。与其它处理单元相比,浮水植物处理单元B和F内存在较多的短流区,而潜流和挺水植物处理单元中死区的数量对运行效果无显著影响(ε:0.73~0.79),各处理单元具有较强的水流混合程度(N:1.6~2.1),水力效率维持在23~43%范围内。通过室内模拟和野外监测相结合,采用k-C*模型对污染物降解的一级动力学特征参数进行了拟合。结果表明:进水浓度与背景浓度和降解速率常数之间呈正相关关系,各处理单元中磷背景浓度为0.004±0.003~0.019±0.015mg/L,在估计背景浓度下污染物降解速率常数大于零背景值时降解速率常数,平均降解速率常数分别为0.69±0.48m/d和0.55±0.37m/d。随系统运行时间的增加,污染物降解速率常数逐渐增加。各处理单元降解速率常数随温度增加而降低,不同处理单元θk无显著差异(0.936~0.957),在20℃下的污染物降解速率常数为0.366~0.925m/d,且RE>CR>CA>CT。背景浓度随温度变化波动较小,温度与处理单元CA、CR和CT的背景浓度之间存在一定的负相关性,而与处理单元RE之间呈正相关,各处理单元中θc*为0.935~1.029,且RE>CR>CA>CT。采用动力学模型软件STELLA对复合人工湿地的水位、植被、悬浮颗粒物的动力学过程进行了描述,通过构建和整合子模型对不同组分之间磷的迁移转化过程进行了量化。结果表明:研究区复合人工湿地能够有效去除进水中89.1%的总磷,不同处理单元对总磷的平均去除率存在差异(0.25~2.58g/m2/d)。该复合人工湿地主要通过理化沉降方式除磷,而进水中有近1/4的磷通过有机质分解和再悬浮过程被重新释放到水体中,平均释放速率为0.3~6.9g/m2/d。水生植物从基质中吸收的磷大部分会通过自身代谢过程重新沉积于基质中,通过收割植物,复合人工湿地能够以0.3~7.9g/m2/d的速率去除进水中43.1%的总磷。本研究中所构建的磷去除动力学过程模型能够基本反应研究区磷动力学变化过程,模型对出水浓度变化的拟合值与观测值基本一致,然而由于模型的构建和校正基于研究区定期监测数据,且系统稳态的假设与实际运行条件存在差异,模型的应用具有一定地域性,模型的泛化能力有待于进一步研究。
【作者】张岩;
【导师】崔丽娟;
【作者基本信息】中国林业科学研究院,生态学,2014,博士
【关键词】动力学过程;人工湿地;模型;磷;

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