复合垂直流-水平流人工湿地深度处理农村生活污水的实验研究

摘要

目前，我国农村生活污水因其随意排放、分散面广、收集困难、治理难度大等现状备受广泛关注，农村水环境污染日趋严重。农村经济薄弱、地理环境复杂，限制了农村生活污水处理技术的发展及推广应用，因此研究经济实用、价格低廉、运行维护简便的农村污水处理工艺迫在眉睫。本文以“复合式厌氧折流板反应器”为预处理，重点研究了复合垂直流-水平流人工湿地系统深度处理农村生活污水，旨在验证西北地区组合人工湿地系统处理农村生活污水的可行性。
　　本实验以废砖块和页岩陶粒为基质、西北地区常见的植物（芦苇、香蒲）为主要植物，建立室外自然条件下的人工湿地系统装置。首先，研究了单级水平流人工湿地深度处理农村生活污水;其次，研究了复合垂直流(IVCW)-水平流(HF)人工湿地系统在启动阶段、稳定运行阶段、植物收割后和季节变化的条件下对污染物的处理效果，并分析了湿地系统在深度处理农村生活污水中的主要影响因素（水力负荷、湿地系统沿程变化、污染负荷），最终得出了以下结论:
　　(1)单级水平流人工湿地运行阶段，在水力负荷为0.15 m3/(m2·d)的条件下，湿地系统对COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分别为52.18％、42.64％、31.97％、39.58％。单级水平流人工湿地去除农村生活污水中污染物效果整体较差，去除有机物稍好，对氮、磷的去除效果不理想，验证了水平流人工湿地适宜多级或与其他人工湿地组合联用发挥其优势。
　　(2) IVCW-HF人工湿地系统启动阶段，随着湿地系统内芦苇和香蒲恢复生长以及生物膜的逐渐形成，植物根系输氧能力增强，基质内好氧、兼性氧、厌氧微生物水量逐渐增多。pH始终保持在7.01～7.89之间，波动范围较小;系统对COD去除率由最初的45.83％到后面平均可以达到77.40％;对NH4+-N的去除较好较稳定，平均可达93.77％;对TN去除率由50.96％上升至76.71％;对TP的去除率由46.58％上升至86.83％。此阶段芦苇和香蒲植株平均高度由最初的38cm、32cm增长到85cm、80cm，IVCW段植物整体长势好于HF段。
　　(3)实验系统稳定运行阶段，系统对COD、TN、TP的去除效果均随水力负荷的增加而不断降低，尤其对COD和TN去除影响较大。在0.15 m3/(m2·d)的低水力负荷条件下各污染物综合处理效果最佳，IVCW-HF人工湿地系统出水COD、NH4+-N、TN、TP浓度最低可达18.95mg/L、3.10mg/L、7.07mg/L、0.57mg/L，平均去除率可达61.27％、77.84％、69.11％、88.81％。
　　(4)在0.15、0.25、0.35、0.45 m3/(m2·d)四种水力负荷条件下，系统COD、NH4+-N、TN、TP沿下行流-上行流-水平流浓度梯度，先迅速降低、后平缓下降。受溶解氧及营养物质需求量影响，下行流对污染物的去除效果明显好于上行流和水平流，湿地系统表层N、P的去除率要高于中下层。
　　(5)进水污染浓度对IVCW-HF人工湿地系统的去除污染物效果影响较明显。对COD、NH4+-N、TN、TP的去除率均随进水浓度升高而降低，有显著的相关性。实验研究进水浓度最高值时还有一定的去除率，说明该系统抗污染物负荷性较强，可以承载更高的进水污染物的浓度充分发挥其纳污去污能力。
　　(6)植物收割后，在水力负荷为0.15 m3/(m2·d)的条件下，IVCW-HF人工湿地系统对NH4+-N的影响较稳定，对COD、TN、TP去除率有所降低，对低浓度COD适应较强。在保证对湿地系统净化效果影响较小的情况下，应选择适宜的收割时机。
　　(7)季节变化时，湿地系统净化污水效果对比:夏＞秋、春＞冬，而且在夏季7月份处理污染物去除效果最好，COD、NH4+-N、TN、TP去除率分别可以达到90.51％、96.30％、81.34％、91.73％;在冬季最低去除率分别为31.63％、28.82％、25.27％、27.91％。整体湿地系统内微生物种类及数量对比:细菌＞放线菌＞真菌;湿地类型不同微生物数量对比:下行流＞上行流＞水平流，垂直流＞水平流;季节改变微生物数量对比:夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季7月份最高，冬季温度越低越少。说明季节变化时不同类型湿地净化污水效果与微生物种类和数量密不可分。
　　(8)研究了单级水平流和复合垂直流（下行流+上行流）-水平流人工湿地系统深度处理农村生活污水，复合垂直流-水平流人工湿地系统具有更好的处理效果。IVCW-HF人工湿地系统在启动-稳定运行-植物收割-季节变化四个阶段均能有效削减进水污染物负荷，适用于农村生活污水的深度处理，HF段能在IVCW段基础上处理效率可以提高20％左右，表明实验选择复合垂直流-水平流人工湿地系统组合工艺，充分结合不同类型人工湿地的优缺点能有效降低农村生活污水中污染物浓度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外农村生活污水处理技术及现状

1．2．1 生物处理法

1．2．2 生态处理技术

1．2．3 一体化处理装置

1．3 人工湿地生态处理技术的研究概述

1．3．1 人工湿地的定义及发展

1．3．2 人工湿地类型及特点

1．3．3 人工湿地的组成及作用

1．3．4 人工湿地的净化机理

1．4 本课题研究目的及意义

1．5 研究内容及技术路线

1．5．1 课题主要研究内容

1．5．2 课题研究关键技术路线

2 实验装置与方法

2．1 实验地点和气候条件

2．2 农村生活污水处理工艺流程

2．3 实验装置

2．4 实验材料

2．4．1 湿地植物

2．4．2 湿地基质

2．5 进水水质

2．6 实验测定方法

2．6．1 水质指标检测及分析方法

2．6．2 植物及微生物指标分析

3 单级水平流人工湿地净化污水特性研究

3．1 COD的去除变化

3．2 NH4+-N的去除变化

3．3 TN的去除变化

3．4 TP的去除变化

3．5 小结

4 复合垂直流-水平流人工湿地系统的运行效果研究

4．1 启动阶段污染物去除效果分析

4．1．1 湿地系统pH变化

4．1．2 湿地系统DO浓度变化

4．1．3 湿地系统对COD的去除效果

4．1．4 湿地系统对NH4+-N的去除效果

4．1．5 湿地系统对TN的去除效果

4．1．6 湿地系统对皿的去除效果

4．1．7 小结

4．2 稳定运行阶段污染物去除效果分析

4．2．1 系统对COD的去除效果及影响因素分析

4．2．2 系统对NH4+-N的去除效果及影响因素分析

4．2．3 系统对TN的去除效果及影响因素分析

4．2．4 系统对TP的去除效果及影响因素分析

4．2．5 小结

4．3 植物收割后系统污染物去除效果分析

4．3．1 COD的去除效果分析

4．3．2 NH4+-N的去除效果分析

4．3．3 TN的去除效果分析

4．3．4 TP的去除效果分析

4．3．5 小结

5 季节变化系统污染物去除效果分析变化

5．1 季节变化时植物、微生物的研究分析

5．1．1 植物生理特性

5．1．2 微生物特性分析

5．2 季节变化时湿地系统去除主要污染物变化分析

5．2．1 COD的去除效果分析

5．2．2 NH4+-N的去除效果分析

5．2．3 TN的去除效果分析

5．2．4 TP的去除效果分析

5．3 湿地系统冬季处理效果强化措施

5．4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果