农村非点源生活污水垂直流人工湿地处理系统甲烷排放控制研究

摘要

中国环境普查公报显示农村非点源污染已成为中国第一大污染源，成为影响水体生态环境重要的因素。人工湿地作为目前应用较成熟的农村污水处理系统，却甲烷排放有一定的贡献，考虑到CH4对温室效应的贡献和对全球生态的影响，人工湿地甲烷排放控制的研究对全球气候和生态环境具有重要意义。
　　本研究主要对农村非点源生活污水垂直流人工湿地处理系统甲烷的排放控制，在四川农业大学大佛寺实验基地构建了垂直流人工湿地处理系统，该系统分为进水池和出水池，人工湿地尺寸为3600mm×1200mm×1200mm，人工湿地植物为风车草，铺设三层介质（分别为粒径10-20mm，铺设厚度400mm;粒径20-30mm，铺设厚度400mm;粒径30-40mm，铺设厚度250mm）。利用正交实验设计，采用来自农村非点源生活污水作为降解对象，通过研究不同水位、曝气强度、曝气时间、曝气间隔时间的控制工况，测定不同运行条件下人工湿地处理系统甲烷排放通量及对应水质指标，分析人工湿地处理系统甲烷排放的主要的影响因子，提出控制措施，以最大限度减少温室气体的排放，最大限度满足水环境和大气环境的要求，为减排提供依据。
　　研究表明:
　　(1)通过对垂直流人工湿地系统甲烷排放通量的连续监测，测得在实验周期内该垂直流人工湿地系统甲烷平均排放通量为1.34mol/m2/day，排放水平较高，是典型的甲烷排放源。
　　(2)通过正交实验对各因素下甲烷排放通量进行分析，发现实验设定的曝气量大小是影响甲烷排放通量的重要因素，过大的曝气量和过小曝气量都会引起曝气效果不佳等状况导致甲烷排放控制效果不理想。通过对不同运行条件下甲烷的连续监测以及水质变化的监测发现，在控制系统水位为110cm，以6小时为一个周期，曝气时间为20min，曝气间隔时间为340min，曝气强度为3.9m3/h的运行控制条件下，垂直流人工湿地系统产生的甲烷量最小，排放量范围在0-0.97mol/m2/day之间，平均排放量为0.355mol/m2/day，此时的曝气量为6.5m3/6h。
　　(3)通过对不同水位下甲烷排放通量的测定发现，空白试验时，甲烷排放通量范围在0.76-2.41 mo l/m2/day之间，平均甲烷排放通量为1.42mol/m2/day。而通过对曝气强度、曝气时间、曝气间隔时间和水位的控制，甲烷排放通量范围保持在0.11-1.40mol/m2/day之间，平均甲烷排放通量为0.66mol/m2/day，相比空白试验时甲烷排放通量减少了53.21％。
　　(4)曝气能增加人工湿地中DO的含量，曝气后人工湿地内水的DO平均增加54.34％，在本研究发现，水位和曝气头安装位置对曝气效果影响很大。控制水位为1100mm、曝气头均匀安装在池底，可以提高曝气效果，在垂直方向上最大平均氧气传递效率达21.25％。另外，气体在传递过程中能量消耗较大，特别是气体从空压机经由气体管道到微孔曝气头过程中所产生的能量损失大，平均每个曝气头压力损失达到25.86pa。
　　(5)人工湿地中，各水质指标对人工湿地甲烷排放通量的影响由大到小依次是:水温＞ TOC＞TN＞TN＞溶解氧＞pH＞氧化还原电位＞TC＞TP＞电导率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状及趋势

1．2．1 人工湿地甲烷研究现状及趋势

1．3 论文研究内容、技术路线和研究方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究技术路线

1．3．3 研究方法

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 复合垂直流人工湿地的构建

2．1．2 选用的人工湿地植物

2．1．3 复合人工湿地温室气体收集装置

2．2 实验方法

2．2．1 人工湿地甲烷排放控制背景实验

2．2．2 人工湿地甲烷排放控制影响因素设置

2．2．3 监测与分析方法

2．2．4 数据处理分析

3 结果与分析

3．1 人工湿地甲烷控制分析

3．1．1 空白试验甲烷排放结果

3．1．2 农村非点源生活污水甲烷排放控制实验的甲烷排放结果

4 讨论

4．1 人工湿地中氧气传递效率效率的分析

4．1．1 人工湿地曝气效果分析

4．1．2 气体传递过程中能量损失

4．1．3 几种不同曝气处理工艺比较

4．2 曝气、水位对人工湿地甲烷排放通量的影响分析

4．3 水质对人工湿地甲烷排放通量影响分析

4．3．1 水温

4．3．2 溶解氧

4．3．3 pH

4．3．4 电导率

4．3．5 氧化还原电位

4．3．6 营养物质(TC、TOC、TN、TP)

4．4 农村非点源生活污水人工湿地处理系统甲烷排放控制措施

4．4．1 农村非点源生活污水人工湿地处理系统甲烷排放经济估算

4．4．2 农村非点源生活污水人工湿地处理系统甲烷排放控制措施

5 结论

5．1 主要研究成果

5．2 创新点

5．3 研究展望

参考文献

致谢

作者在读期间主要参与科研项目与发表论文