潜流式园林湿地处理生活污水的脱氮作用研究.docx
- 文档编号:5658448
- 上传时间:2022-12-30
- 格式:DOCX
- 页数:80
- 大小:923.10KB
潜流式园林湿地处理生活污水的脱氮作用研究.docx
《潜流式园林湿地处理生活污水的脱氮作用研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《潜流式园林湿地处理生活污水的脱氮作用研究.docx(80页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
潜流式园林湿地处理生活污水的脱氮作用研究
潜流式园林湿地处理生活污水的脱氮作用研究
Theresearchontreatmentofdomesticwastewaterdenitrificationwithsubsurfaceflowgardenwetlands
专业:
环境工程
研究生:
何芹
指导教师:
柳宪布(教授)
天津城市建设学院环境与市政工程学院
2012年11月14日
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津城市建设学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名:
签字日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解天津城市建设学院有关保留、使用学位论文的规定。
特授权天津城市建设学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。
同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)
学位论文作者签名:
导师签名:
签字日期:
年月日签字日期:
年月日
中文摘要
人工湿地污水处理系统在工程上的应用日趋增多,其中以潜流湿地的应用最为普遍。
但人工湿地长期运行也暴露出一系列问题,如冬季保温与持续性成效,湿地草本植物的枯死造成收割的二次污染,湿地滤床堵塞等,限制了湿地的运行。
本试验试图克服以上不足,在潜流湿地的基础上发明了潜流式园林湿地,其模拟装置是以耐水湿木本植物为主题,并通过设计L4(23)正交试验,考察其结构因素(填料种类)、生物因素(树木种类)以及运行控制因素(水力停留时间)对生活污水四季脱氮作用的影响,并得出以下试验结果:
(1)通过极差、方差分析得出潜流式园林湿地全年的TN和NH4+-N去除效果最优组合均为A2B1C2,即填料种类石灰石,树木种类为垂柳,水力停留时间6d。
(2)通过对植物叶片和填料中各形态氮含量的测定,发现植物、填料对潜流园林湿地脱氮作用贡献率很大,植物叶片对氮的吸收量最大达到9.86mg/g;填料对总氮的吸附量最大达到0.906mg/g。
(3)碳氮比(COD/TN)和硝氮比((NO3-+NO2-)/TN)对潜流式园林湿地总氮的去除效果均有一定的影响。
TN的去除率均随碳氮比和硝氮比的增加而增加。
(4)采用最大或然数法(MPN)对硝化细菌和反硝化细菌进行计数,得到硝化细菌在103~105MPN/g和反硝化细菌在102~104MPN/g数量级的范围内。
(5)从潜流园林湿地中分离得到41株单菌株菌落,并在此基础上筛选出12株好氧反硝化菌,并进行脱氮能力的测定,1天后菌株w1-8的硝态氮去除率达到94.66%,其余菌株的硝态氮去除率均在50%左右,故须对菌株w1-8进行特别关注性研究。
关键词:
潜流式园林湿地;正交试验;木本植物;脱氮;好氧反硝化菌
ABSTRACT
Constructedwetlandsewagetreatmentsysteminengineeringapplicationsisincreasing,whichisthemostcommonapplicationofsubsurfaceflowwetland.Butthelong-termoperationoftheconstructedwetlandsalsoexposedaseriesofproblems,suchaswinterinsulationandpersistenteffect,wetlandherbaceousdiecausethesecondarypollution,thewetlandbedblockage,limitingtheoperationofthewetland.Thistesttriedtoovercomeaboveshortages,onthebasisofthesubsurfaceflowwetlandinventedthesubsurfaceflowgardenwetland,theanalogdeviceisbasedonthethemeofwaterwetwoodyandthroughthedesignL4(23)orthogonaltest,inspectsthestructurefactors(packingtype),biologicalfactors(treesspecies)andoperationcontrolfactors(hydraulicretentiontime)forsewagefourseasonsdenitrificationeffect,andcometothefollowingtestresults:
(1)Througtherangeanalysisandvarianceanalysis,getsubsurfaceflowgardenwetlandannualthebestcombinationofdenitrificationforA2B1C2(namelypackingkindsLimestone,treesspeciessteamedWeepingwillow,hydraulicretentiontime6d)
(2)Throughtheplantleafandpackingintheformofnitrogencontentdetermination,foundthatplants,packingtosubsurfaceflowgardenwetlanddenitrogenationcontributionrateisgrate,plantleavestonitrogenabsorbeddosetoamaximumof9.86mg/g;packingadsorptionofnitrogencontenttoamaximumof0.906mg/g.
(3)Carbonnitrogenratio(COD/TN)andnitratenitrogenratio((NO3-+NO2-)/TN)onsubsurfaceflowgardenwetlandtothetotalnitrogenremovaleffectallhavecertaineffect.TNremovalallwithcarbonnitrogenratioandnitratenitrogenratioincreases.
(4)Adoptthemaximumprobablenumbermethod(MPN)onthenitrifyingbacteriaanddenitrifyingbacteriacount,getnitrifyingbacteriain103~105MPN/ganddenitrifyingbacteriaintherangeof102~104MPN/gordersofmagnitude.
(5)Isolated41single-straincolonyfromsubsurfaceflowgardenwetlands,andscreened12aerobicdenitrifyingbacteriaanddenitrificationabilitydeterminationonthisbasis,onedayafterthenitratenitrogenremovalrateofstrainw1-8reached94.66%,therestofthestrainofnitratenitrogenremovalrateare50%orso,wemusttostrainw1-8forspecialfocusonresearch.
Keywords:
subsurfaceflowgardenwetlands;orthogonalexperimentaldesign;
woodyplants;denitrification;aerobicdenitrifyingbacteria
目录
第一章绪论1
1.1研究背景1
1.2人工湿地概述1
1.2.1人工湿地的定义与分类1
1.2.2人工湿地的发展及应用2
1.3人工湿地脱氮技术3
1.3.1人工湿地脱氮机制3
1.3.2人工湿地脱氮典型方法5
1.4问题的提出6
1.5研究的目的意义7
1.6研究内容7
1.7技术路线7
第二章潜流式园林湿地简介9
2.1潜流式园林湿地的设计理念9
2.2潜流式园林湿地结构10
2.3本章小结10
第三章试验材料与方法11
3.1试验装置11
3.2试验材料12
3.2.1填料的选择12
3.2.2填料吸附性能12
3.3试验方法14
3.3.1水质指标测定方法14
3.3.2植物总氮测定方法14
3.3.3填料氮测定方法14
第四章潜流式园林湿地脱氮试验15
4.1试验方案15
4.1.1因素、水平选取15
4.1.2正交试验方案16
4.1.3进水水质与进水方式17
4.1.4数据分析方法17
4.2结果与分析19
4.2.1潜流式园林湿地脱氮效果19
4.2.2不同季节湿地脱氮效果正交分析20
4.2.3植物对湿地脱氮的影响40
4.2.4填料中氮的形态与除氮的贡献41
4.2.5C/N对TN去除效果的影响45
4.2.6硝氮比对TN去除效果的影响47
4.3本章小结48
第五章潜流式园林湿地微生物脱氮作用50
5.1试验材料与方法50
5.1.1试验材料50
5.1.2试验方法50
5.2结果与分析53
5.3本章小结57
第六章结论与建议58
6.1结论58
6.2建议59
6.3创新点59
参考文献60
发表论文和参加科研情况说明66
致谢67
第一章绪论
1.1研究背景
二十世纪七十年代以来,政府和社会对我国的水污染防治工作越来越重视,采取了大量措施,并取得了一定的成效。
目前,在我国,传统的污水处理工艺,如A/O,A2/O,SBR等,还是大部分城市普遍采用的污水处理方式,有效的控制了大城市的水环境污染问题;相对城市而言,无论是在技术上,还是在经济上,治理农村生活污水都是一个大难题,主要表现在
(1)控制、收集污染源较困难。
环保意识还没普及乡镇企业,处理污水的技术也落后;
(2)好的治理污染技术很难运用到实际中。
目前处理污水的技术,虽然对大部分污染物都有降解作用,但高投资,高运行成本,高要求的管理技术,使得在农村地区推广应用相对困难。
就技术的适用角度而言,分散化、小型化的污水治理模式适合农村采用,工艺简单、能保证净化效果、投资省、耗能低、运行简单、易于维护的一些处理方法,应积极推广发展。
通常,根据当地的环境状况,采用自然的、生态的处理技术,对治理农村生活污水而言,是一种有效的手段[1]。
人工湿地技术,是一种处理废水的新技术,我国是在二十世纪七十年代逐步发展起来的,人工湿地具有净化能力强、出水水质好、耐冲击负荷、工艺设备简单、运行维护管理方便、投资少、运行费用低、生态环境效益显著的特点,在一些远离城市污水管网的居民小区、旅游景区、厂矿企业以及污染源分散的城郊和农村,具有广阔的应用前景和可观的环境经济效益。
1.2人工湿地概述
1.2.1人工湿地的定义与分类
(1)人工湿地的定义
湿地(wetland)是分布于陆生和水生生态系统之间具有独特水文、土壤、植被和生物特征的生态系统[2]。
目前,最广为接受的是湿地公约(Ramsar)中的定义,湿地系指天然的或人工的,沼泽地、泥炭地,或为淡水、半咸水、咸水水体者,包括低潮时水深不超过6m的海域[3]。
湿地有“自然之肾”的美称[4]。
人工湿地对污水净化的原理是根据天然湿地而来的,是一种通过人为建造和监督控制来强化净水能力的污水处理技术[5,6]。
设计和建造人工湿地时,可以选择合理的进出水方式、性能好的填料、常绿植物,来优化人工湿地生态系统的处理效果,净化水质[7,8]。
(2)人工湿地的分类
人工湿地分为三种类型:
表面流湿地(SFW,SurfaceFlowWetlands)、潜流湿地(SSFW,SubsurfaceFlowWetlands)和垂直流湿地(VFW,VerticalFlowWetlands)[9].
l)表面流湿地
SFW也称水面湿地系统,水位较浅,多在0.1~0.6m。
这是接近于天然湿地的一种形式,污水进入SFW时,水下植物的茎、杆上的生物膜对去除有机物起主要作用。
由于这种湿地系统降解污染物时不能很好的利用填料表面生长的生物膜及发达的植物根系,所以处理污水的能力相对较低。
并且由于湿地系统的卫生条件差,使得夏季蚊蝇滋生、还会散发臭味,从而对湿地周边环境状况产生不良影响。
在冬季,由于温度低SFW表面容易结冰,温度的变化使得系统的处理效果降低,一般用于气候温和地区。
2)潜流湿地
SSFW也称渗滤湿地(infiltrationwetlands),污水在湿地床体内部流动过程中,一方面生长在填料表面的生物膜、发达的植物根系及填料会对进入湿地的污染物进行截留,同时能延长水力停留时间,从而处理效果、处理能力得到提高;另一方面由于水流在地表以下流动,湿地对其具有保温效果,从而气温不会对处理效果产生太大的影响,并且卫生条件相对也较好,所以目前对潜流湿地系统相对研究和应用的较多一些。
但SSFW的投资比SFW要高一些。
3)垂直流湿地
VFW的水流,是SFW和SSFW的综合,污水在湿地中由上而下垂直流经床体后,由出水端底部的集水管收集出水,排出系统。
VFW硝化能力高于SSFW,且占地面积小,但控制相对复杂,建造要求高,且易滋生蚊蝇。
以上3种人工湿地系统中,应用最多的还是潜流人工湿地。
1.2.2人工湿地的发展及应用
1903年出现利用湿地对污水进行处理的相关报道[10],1953年德国Seidel博士第一个尝试利用人工湿地来净化污水的实验。
20世纪60年代末,Seidel与Kickuth合作并由Kickuth在1972年提出根区理论[11]。
由此,欧洲很多国家逐步开始推广运用该技术。
1996年9月,第4届国际人工湿地研讨会在奥地利维也纳召开后,上百座人工湿地在欧洲各国开始投入运行[12]。
目前,人工湿地己被成功用来处理各类工农业废水及生活污水。
我国从“七五”期间开始着手研究人工湿地[13]。
我国第一个芦苇湿地工程是由天津市环保所于1987年建立的,占地面积6hm2、处理规模为1400m3/d,天津市环保所还建成了实验室规模的人工湿地研究系统[14]。
深圳白泥坑的人工湿地示范工程,占地面积12.6hm2、处理规模为3100m3/d[15];山东省荣城镇利用闲置盐碱地建成的荣城镇污水处理厂,就是采用人工湿地进行污水处理,占荒地80hm2,处理规模20000m3/d,承担市区及沿途约12万居民的生活污水及少量工业废水[16]。
经过2年满负荷运行,出水水质稳定,处理后出水水质优于国家二级排放标准[17]。
该种处理工艺不仅投资少、便于管理、运行花费低,而且还对当地生态结构有一定的改善作用,对物质能量循环起到促进作用,对湿地系统具有保护作用,还能有效遏制近海区域赤潮的发生。
同时经过人工湿地处理,其出水还可被资源化利用,例如利用出水养鱼、种植各种水生植物等,还能获得很好的社会效益和经济效益[18]。
1.3人工湿地脱氮技术
1.3.1人工湿地脱氮机制
人工湿地利用填料、微生物及动植物群落的物理、化学及生物的相互作用,去除污水中有机物、氮等,是一种复杂的生态系统。
湿地通过排水、氨的挥发、植物吸收、微生物硝化/反硝化作用以及介质沉淀吸附等过程去除进入湿地系统中的氮。
(1)氨的挥发
湿地氨挥发包括2部分,湿地地面挥发、植物叶片挥发。
氨挥发现象一般发生在湿地水体PH大于8.0时,通常人工湿地的pH在7.5-8.0之间,因此,可以忽略湿地地面挥发氨氮的损失[19,20]。
但是,如果以石灰石作为人工湿地的填料时,湿地系统中的pH会很高,这种情况下就需要考虑氨氮挥发的损失。
近年来,人们开始注意植物叶片氨的挥发,许多研究者发现,农作物叶片氨的挥发现象是存在的[21,22]。
目前,研究者尚不清楚人工湿地植物氨挥发所起的作用。
(2)沉淀及介质吸附
湿地填料对污水中有机态形式的氮,起到了拦截过滤的作用。
同时,植物、土壤颗粒、厌氧微生物也可以吸收铵态氮。
湿地填料可以直接吸附,也可以通过离子交换进行氮的固定。
目前,在人工湿地填料的选择上,逐渐倾向多样化。
一般认为,铵态氮被湿地填料吸收后,最终也会被其它途径转化掉,因此填料除氮的贡献不明显。
但是Brix研究认为,湿地填料非常重要,它不仅可以作为植物的生长介质,为微生物提供了大量的附着界面,而且可以直接通过物理化学作用净化污水[23]。
有些土壤有较大的阳离子交换能力,对氮的去除有重要贡献,甚至可以提高硝化作用[24,25]。
Brix还发现,湿地去除氨氮的主要机理,是土壤介质对氨氮的吸附。
带电土壤粒子对NH4+的吸附,能延长离子滞留时间。
Gale等[26]认为矿质土壤除氮相对于有机土壤更快。
但是Drizo等[27]等用页岩代替土壤作为湿地填料,氨氮能被完全去除,并且85%-95%硝酸盐也能够被去除。
(3)微生物硝化/反硝化作用
硝化过程主要由2步构成,NH4+或NH3被亚硝化细菌(Nitrosomonas)转化成NO2-,NO2-被硝化细菌(Nitrobacter)氧化成NO3-。
亚硝酸盐的形成由2步构成,NH2OH是中间产物[28]。
Nitrobacter的生长是整个硝化过程的限制步骤[29]。
反硝化作用,实质上是硝酸盐的生物还原过程,包括多步反应:
NO3-→NO2-→NO→N2O→N2。
在湿地中,硝化/反硝化作用,被认为是人工湿地去除氮最主要的形式[30,31]。
Harberl和Perfler认为无论哪种湿地,硝化/反硝化都是主要的脱氮过程[32]。
湿地通过进水携氧、大气复氧、植物根系输氧等形式在湿地床体内形成许多好氧微区域[33-35],在这些微区域氨氮转化成硝态氮,溶液中氨氮浓度降低,使得土壤溶液中高浓度和中低浓度的氨氮之间形成浓度梯度,氨氮可以持续地扩散到好氧微区域进行硝化作用[36,37]。
同时植物也会吸收部分硝态氮,对脱氮的贡献,根据湿地处理污水类型及运行情况不同,植物对硝态氮的吸收情况有较大差别。
为了将TN在湿地中的去除率提高到最大限度,需要硝化/反硝化速率能够均衡,想要氮的去除效果好,硝化和反硝化作用都不能过高[38]。
通常情况下,在潜流人工湿地中,湿地环境主要是厌氧的,反硝化速率比硝化速率明显要高,硝化作用被认为是脱氮的限制性步骤[29,39]。
因此,人工湿地脱氮的关键,是提高人工湿地的硝化能力[40]。
有研究显示,想要促进硝化菌的生长,可以通过种植水生植物,尤其是输氧能力强的植物,来扩大植物根系的好氧区,进而提高硝化反应速率以及系统对TN的去除效果[41]。
然而,更多的研究也表明,单纯地想通过植物根系的输氧,来提高人工湿地的硝化速率的效果并不明显,Reed和Brown发现[42],不管何种植物,根茎在潜流湿地中的伸展基本上限制在0.3m的填料层中,根系占据床体的填料不超过一半,从而容易造成湿地底部环境缺氧,缺氧不利于硝化作用的进行,所以导致湿地硝化作用差。
因此,想要使系统对TN的去除效果显着,有效的办法就是使氧气与微生物的接触机会增大,目前,大多湿地采用间歇布水的方式,让系统处于干湿交替的状态,保证充足的氧气供应,促进硝化菌生长[43]。
Gersberg等[44]和Laber等[45]通过添加碳源、收割植物等方法强化反硝化过程。
(4)植物吸收
在湿地脱氮过程中,水生植物的作用至关重要,O2需要通过植物输送至根部,微生物的附着介质也是由植物及根系提供的,并且植物还可以直接吸收氮[46,47]。
氨氮和硝态氮都可以被湿地植物吸收,但是植物主要利用的氮的形式是硝态氮。
目前,植物收割对湿地脱氮所起的作用,文献对此报道各有不同。
除了极少数报道,如Rogers和Breen等的研究认为植物吸收是湿地主要的脱氮途径(可占到50%)之外[48,49],大部分的研究者认为,植物吸收的氮素只是湿地脱除总氮素的小部分而已。
Brix认为一个生长季植物吸收氮量相对湿地进水氮量很小[23]。
KoottateP和PolPrasert发现在水力停留时间为5d时,潜流湿地中植物吸收占进水总氮的43%[50]。
Tanner认为植物吸收和存储的氮只占潜流湿地去除氮的一小部分[51]。
Gersbeg等人[52]预测芦苇湿地植物吸收占湿地总氮去除量的12%~16%。
VanOostrom等预测:
在一年的周期中,芦苇吸收的净氮量占湿地除氮总量的25%[53]。
Hiley认为植物的吸收大部分集中在块茎和主根中[54]。
在Cooper等的试验中,出水氨氮浓度维持在在0.9mg·L-1的水平[55]。
但是,在植物腐烂期,它们对氮的去除仍具有重要影响,有机物的释放充当了反硝化的碳源[56]。
1.3.2人工湿地脱氮典型方法
(1)滴滤池—人工湿地组合工艺
滴滤池是生物湿地的最初形式,填充塔中填满滤料,并且滤料中充满空气,污水均匀的喷洒到滤料上,通过滤料上附着的微生物进行去除。
滴滤池主要包含滤料床层、构筑物、布水(或注水)系统、集水系统、通风系统五部分。
农村生活污水排放比较分散,经济情况也较差,针对这个特点,采用自然净化,将滴滤池与人工湿地联合使用,用于处理农村生活污水,具有开创性,并且可行性强。
在采用滴滤池-人工湿地组合系统处理农村生活污水时应注意:
1)保证滴滤池系统均匀布水,使滤料润湿均匀,能获得良好的生物膜结构,提高处理效果。
2)滴滤池采用自然通风,供氧无需能耗,但在季节变化时需考虑温差对滴滤池通风效果的影响。
3)滴滤池运行时,需要考虑温度的影响,特别是在冬季应加强保温措施。
4)由于滴滤池不能彻底去除营养物质,脱落的生物膜会随出水带出,不能直接排放,需后续处理。
将滴滤池出水经人工湿地系统处理,不仅能去除有机物、SS,还能去除N、P营养素,经济可行。
5)根据农村特点,人工湿地处理系统可以选择性地种植水生型蔬菜食用,还可种植木本植物进行木材生产,产生一定的生态及经济效益。
滴滤池与人工湿地相结合,具有处理农村生活污水的独创性,投资低、能耗少、运行成本低、管理简单。
同时考虑了资源化处理,适合农村地区的实际情况,利于在农村推广。
(2)垂直流—水平流组合工艺
为了湿地出水氮素达到尽量低的水平,使脱氮效果更理想,许多学者将各类湿地进行组合研究。
垂直流—水平流组合就是最常见的组
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 潜流 园林 湿地 处理 生活 污水 作用 研究