水力停留时间对潜流湿地净化效果影响及脱氮途径解析

利用连续进水的垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地,比较分析了4种水力停留时间对常规污染物去除效果的影响,在最佳水力停留时间下探究了两种湿地内部各基质层硝化、反硝化和氨氧化功能基因丰度以及硝化与反硝化作用强度;通过对两种湿地脱氮影响因素的冗余分析和方差分解分析,得出影响湿地氮去除的主要因素.结果表明,当水力停留时间为24 h时,两种湿地系统对常规污染物（COD、TP、TN和NH₄⁺-N）去除效果最佳,去除率均大于70%,此时湿地内部对NH₄⁺-N和TN的去除率以及硝化和反硝化强度皆表现出沿水流方向逐级递减的趋势;3种功能基因中,反硝化功能基因（nirS）丰度远高于硝化功能基因（nxrA）和氨氧化功能基因（AOB-amoA）.在本研究中,两种潜流人工湿地氮去除能力均受环境因素和微生物因素共同影响,其中,微生物因素对脱氮贡献率最高（55%和48%）.除此之外,TN和NH₄⁺-N的去除率均与DO、基质比表面积、COD浓度和硝化功能基因及反硝化功能基因丰度呈正比,与pH值成反比.因此,为提高两种系统氮去除效果,均可通过提高基质层溶解氧和碳源含量以及适当地降低pH值来实现,水平潜流人工湿地还可通过更换比表面积较大的基质层来显著提高系统脱氮效果.本研究为人工湿地的设计以及最佳水力停留时间的选择提供了理论基础,脱氮途径的定量化解析对深入理解人工湿地氮去除机制以及提高氮素去除率具有重要的指导意义.     

石灰石和黄铁矿-石灰石人工湿地净化河水的研究

利用石灰石和黄铁矿-石灰石水平潜流人工湿地处理受到污染的河水,了解它们对河水中污染物,尤其是对氮和磷的去除效果,并分析这些矿物的作用,考察了水力停留时间变化对2种人工湿地污染物净化效果的影响.结果表明,污染物去除效果的最佳停留时间出现在3 d左右,COD、TN和TP的平均去除率分别达到51%、70%和95%.在相同进水水质和水力负荷运行条件下,石灰石和黄铁矿-石灰石这2种人工湿地对COD的平均去除率分别为53.93%和51.66%,对NH4+-N的平均去除率分别为82.13%和77.43%,对TN的平均去除率分别为66%和72.06%,对TP的平均去除率分别为50.9%和97.35%.2种人工湿地对COD的去除效果差距不大,黄铁矿-石灰石人工湿地的脱氮除磷效果优于石灰石湿地,对磷有较好的去除效果,不受温度影响且净化效果稳定,适宜长期稳定运行.     

间歇曝气对垂直潜流人工湿地脱氮效果的影响

采用单级垂直潜流湿地处理城镇污水厂沉砂池出水,通过提高湿地出水水位控制淹没水深作为缺氧区;并在湿地反应柱下部安装穿孔曝气管,从而在湿地上部创造好氧环境.通过优化间歇曝气的曝气时间与间歇时间比例(间歇曝气比例)以及间歇曝气周期两个参数来提高湿地脱氮效率.结果表明,随着间歇曝气比例增大,湿地对COD和NH~+_4-N的去除率逐渐升高,而TN去除率有先升高后下降的趋势,当曝气比例为3∶1时,缺氧段污水碳氮比(C/N)值达到4.8,TN去除率达到最高为62.1%,较连续曝气提高了12.7%,出水质量浓度为15.8 mg·L~(-1).随着间歇曝气周期的延长,出水DO质量浓度逐渐降低,COD和NH~+_4-N去除率也逐渐降低,TN去除率在周期为6 h时达到最大为65.5%,当曝气周期超过湿地缺氧段水力停留时间时,TN去除率迅速下降.     

循环流廊道湿地中氮归趋过程模拟研究

针对新型高效脱氮循环流廊道(CFC)湿地,构建了涵盖6种氮形态、3类介质、10种代谢途径的N循环模型,探索了湿地内N迁移转化模式.结果表明,沸石吸附(53.3%)、植物吸收NH+4-N(27.6%)、NO-3-N反硝化(10.2%)、植物吸收NO-3-N(2.9%)和NO-2-N短程反硝化(1.5%)对TN去除贡献依次降低.NH+4-N去除机制存在季节差异,其中1月NH+4-N主要通过沸石吸附去除(84.5%);4~6月通过植物吸收去除(76.4%~85.3%);7月通过沸石吸附(36.1%)、亚硝化(45.8%)及植物吸收(21.4%)共同去除.此外,定期收获植物、按期再生沸石及种植水生植物可分别提升TN去除率1.7%~7.7%、43.1%~72.2%和19.8%~36.2%.综之,CFC湿地去除途径多样性保障了TN的长期高效去除.     

3种类型人工湿地处理富营养化水体中试比较研究

针对五里湖富营养化水体,在同等条件下开展了3种类型人工湿地处理效果的比较研究,试验采用现场中试规模,水力负荷为0.8 m³/(m²·d).结果表明,垂直流、潜流和表面流3种人工湿地对氨氮的平均去除率分别为33.2%、27.4%和14.1%;对总氮的平均去除率分别为52.3%、50.1%和19.2%;对总磷的平均去除率分别为58.8%、57.9%和26.3%;对锰酸盐指数的平均去除率分别为37.2%、38.3%和14.8%;对叶绿素a的平均去除率分别为86.9%、96.1%和55.3%.可见,垂直流人工湿地对氨氮、总氮和总磷的去除效果最好,潜流人工湿地对高锰酸盐指数和叶绿素a的去除效果最好,但垂直流和潜流人工湿地之间的差异较小,表面流人工湿地对各污染物的去除效果均远低于前两者.从出水水质稳定性来看,垂直流人工湿地出水水质最稳定,潜流次之,表面流最差.     

Hybrid constructed wetlands for highly polluted river water treatment and comparison of surface- and subsurface-flow cells

A series of large pilot constructed wetland （CW） systems were constructed near the confluence of an urban stream to a larger fiver in Xi＇an, a northwestern megacity in China, for treating polluted stream water before it entered the receiving water body. Each CW system is a combination of surface- and subsurface-flow cells with local gravel, sand or slag as substrates and Phragmites australis and Typha orientalis as plants. During a one-year operation with an average surface loading of 0.053 m3/（m2.day）, the overall COD, BOD, NH3-N, total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） removals were 72.7% ~ 4.5%, 93.4% ＋ 2.1%, 54.0% ＋ 6.3%, 53.9% ~ 6.0% and 69.4% ：t： 4.6%, respectively, which brought about an effective improvement of the fiver water quality. Surface-flow cells showed better NH3-N removal than their TN removal while subsurface-flow cells showed better TN removal than their NH3-N removal. Using local slag as the substrate, the organic and phosphorus removal could be much improved. Seasonal variation was also found in the removal of all the pollutants and autumn seemed to be the best season for pollutant removal due to the moderate water temperature and well grown plants in the CWs.     

好氧/厌氧潜流湿地结构工艺优化

前期研究表明在人工潜流湿地(SFCWs)中设置好氧段和厌氧段可显著提高SFCWs对COD、NH4+-N的去除率.然而曝气产生的富氧环境不利于NO3--N和NO2--N的去除,一定程度上抑制了反硝化反应的进行.反硝化程度较低是实验中仍需进一步解决的问题.本研究在前期研究的基础上,对好氧/厌氧多级串联潜流人工湿地结构及工艺进行了改进优化,采用多点进水的措施来强化反硝化过程,并设计相应的区段去除该部分污染物.结果表明,水力负荷约为0.06m3.(m2.d)-1时,进一步优化结构和比例的好氧-缓冲-厌氧-缺氧-好氧曝气多点进水湿地对COD、NH4+-N和TN的去除率可达到91.6%、100%和87.7%.在补充进水之后的区段,COD/N迅速升高到10以上,做到了补充碳源的同时最大限度地利用湿地去除污染物.改良后的湿地达到了净化工艺优化的目的,为提高人工湿地总氮去除效率提供了理论依据及应用基础.     

基于CANON工艺的新型HABR反应器生物脱氮性能研究

采用新型复合式折流板反应器(HABR)启动及运行全程自养脱氮(CANON)工艺.通过缩短水力停留时间(HRT)的方式提高进水总氮负荷启动反应器,反应器运行成功后,考察反应器沿程氮素、电导率、p H值及MLSS的变化规律,并对反应器内微生物种群形态结构及空间分布进行分析.结果表明,当进水NH_4~+-N平均浓度为40 mg·L~(-1)时,经过89 d的连续运行,新型HABR反应器实现了快速启动,并能稳定运行至187 d,稳定运行期出水NH_4~+-N和TN浓度分别稳定在2 mg·L~(-1)和10 mg·L~(-1)以下,去除率分别达到96%和83%以上,NRR达到0.15 kg·(m~3·d)~(-1).稳定运行阶段,NH_4~+-N与TN浓度在反应器沿程逐渐降低,NO-2-N和NO-3-N的生成量一直维持在较低浓度.第1个单元格脱氮效率最高,通过SEM和FISH分析表明,在第1个单元格中存在丰富的功能菌种亚硝化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(An AOB).     

苯酚对厌氧氨氧化污泥脱氮效能长短期影响

通过接种厌氧氨氧化(ANAMMOX)污泥,研究了苯酚浓度对ANAMMOX污泥脱氮效能长短期影响.短期结果表明,随着苯酚浓度的增大,氮去除率快速下降.当苯酚浓度大于600 mg·L-1时,NH+4-N的去除率降低到6%以下,TN的去除率只有10%左右.长期实验结果表明,当苯酚浓度小于100 mg·L-1时,NH+4-N的去除率都能达到99%以上,说明低浓度苯酚对ANAMMOX菌有一个驯化的过程.当苯酚浓度高于400 mg·L-1时,NH+4-N的去除率只有23.59%,TN去除率只有50.3%,ANAMMOX污泥抑制明显,与短期结果相同.此时反硝化菌活性明显高于ANAMMOX菌,说明苯酚可作为有机碳源诱发体系中发生反硝化反应,最终导致反硝化菌在体系中占据主导地位.但高浓度(1 000 mg·L-1)苯酚对反硝化菌也具有抑制作用.通过拟合得到苯酚对ANAMMOX半抑制有效浓度(IC50)为71.57 mg·L-1.经过18 d的恢复后,NH+4-N去除率基本恢复,但氮素之间的转化计量式发生了改变,ρ(NH+4-N)去除/ρ(NO-2-N)去除/ρ(NO-3-N)生成为1∶0.86∶0.2.研究结果表明,将苯酚控制在合理范围内可以使反应器达到同步脱氮除酚的效果.     

坡岸截留强化处理设施在不同运行条件下对农业面源污染物去除效果

对坡岸截留强化处理设施在不同温度、不同雨强、不同降雨间隔条件下处理农业面源污染进行中试试验研究.结果表明,水温从20℃下降至4.3℃,COD、TN、NH+4-N、TP去除率下降了15.58%、48.93%、42.26%、57.75%;降雨强度由0.65mm·min-1增加1倍至1.30 mm·min-1,COD的平均去除率低了15.19%,TN、NH+4-N的去除效率相当,TP的去除效率提高了11.21%,但COD、TN、NH+4-N、TP单位面积去除的总量却提高了26.27%、68.3%、32.6%、104.2%;降雨间隔从2 d增加到4 d时对COD去除的影响不大,但使NH+4-N、TN的处理效率提高19.31%、13.95%,对TP的单位面积去除量提高71.43%,但去除总量有限.     

三级生物膜深度处理腈纶废水生化出水的脱氮研究

针对腈纶废水生化出水用传统脱氮工艺深度脱氮时碳源不足的问题,采用三级生物膜反应器作为深度处理装置,研究了反应器的启动及进水pH、水力停留时间(HRT)、进水氨氮(NH4+-N)浓度对NH4+-N去除率的影响并确定其最佳运行条件及最佳条件下总氮(TN)的去除效果.结果表明,在HRT为24 h,进水pH为7.8～8.0条件下反应器对NH4+-N和TN的去除效果最佳,平均去除率分别为94.6%和53%;且进水NH4+-N浓度对其去除效果没有明显影响;反应器在不投加有机碳源情况下,对TN有明显去除效果,平均去除率53%,最高去除率达66%,表明三级生物膜反应器深度处理腈纶废水时脱氮效果明显.     

岸边带湿地对富营养化河流的净化作用研究

对北运河上游污染严重流域实地调查发现,水中TN、TP和NH4+-N的最大超标倍数分别为12、10和7,以NH4+-N污染为主要特征.对北运河流域沙河水库附近一处典型岸边带湿地进行深入研究发现,天然河流岸边带湿地系统对河水中NH4+-N、TN和TP浓度有明显的削减作用,分别由河水中的27.0、29.0、1.82mg·L-1降至湿地中的2.50、6.54、0.12mg·L-1.由于微生物驱动的硝化-反硝化脱氮作用以及岸边带植物对营养元素的吸收作用,植被型岸边带沉积物中NH4+-N、TN和OM含量(分别为23.0mg·kg-1,0.66g·kg-1和9.13g·kg-1)分别为裸露型岸边带沉积物的0.20,0.48,0.67倍.植被型岸边带沉积物各层C/N比(平均为8.68)是裸露型岸边带沉积物各层C/N比(5.53)的1.6倍,为反硝化作用的发生提供了相对充足的碳源.与裸露型岸边带相比,植被型岸边带更利于营养元素的去除.作为工程实例,模拟天然河流岸边带湿地的罗马湖旁路/离线人工湿地系统对水体营养元素有显著的去除作用.     

补充碳源提取液对人工湿地脱氮作用的影响

为了提高人工湿地的脱氮效率,在不同条件下分别对美人蕉、香蒲及稻杆进行稀硫酸水解,以获得相应碳源提取液.正交实验表明,稀硫酸浓度的提高和水解时间的增加都会导致碳源释碳能力的提高,稻杆在5%稀硫酸溶液中水解30 min以上,释碳能力最高.通过观察,前2 d是系统脱氮反应高峰时段.对以NH₄⁺-N和NO₃^--N为氮源的脱氮过程,随C/N比升高,NO₃^--N和TN去除率增长明显;而NH₄⁺-N受溶解氧制约,去除有限;随C/N比升高,碳源对系统溶解氧的竞争会进一步抑制硝化反应的彻底进行.而对以NO₃^--N为氮源的反硝化过程,补充碳源对TN和NO₃^--N的去除有明显作用;TN去除率由54%提高到95%,NO₃^--N去除率由48%提高到96%;中间产物NO₂^--N的积累与NO₃^--N去除率有关;当NO₃^--N去除率较高时,NO₂^--N无积累.此外,基质反硝化强度也随C/N比升高呈上升趋势,湿地填料细沙层的反硝化强度略高于碎石层.     

同步硝化反硝化耦合除磷工艺的快速启动及其运行特征

以低COD/N生活污水(C/N为3∶1~4∶1)为进水基质,在序批式活性污泥反应器(SBR)中接种好氧颗粒污泥(AGS),通过逐步降低溶解氧(DO)浓度的方式快速实现同步硝化反硝化耦合除磷.反应器运行20 d后(DO浓度为0.50~1.0mg·L-1),系统出现同步硝化反硝化耦合除磷的现象.在随后运行的40 d里,反应器对废水COD、NH+4-N、TN和TP的平均去除率分别为84.84%、93.51%、77.06%和85.69%;出水NO-3-N和NO-2-N平均浓度分别为4.01 mg·L-1和3.17 mg·L-1.反应器启动运行后期,污泥体积指数(SVI)为55.22 m L·g-1,沉降性能良好,颗粒结构较完整.不同氮源的周期曝气阶段结果表明,对TN的去除率为NH+4-NNO-2-NNO-3-N;对TP的去除率为NO-3-NNO-2-NNH+4-N,反应器主要以同步硝化反硝化脱氮和反硝化方式除磷.     

辽河保护区七星湿地水质评估及模型模拟

支流已经成为辽河干流的重要污染源,在支流河口建设大型人工湿地可以阻控支流污染物.为揭示辽河保护区七星湿地的净污效果,在对七星湿地水质、水量进行监测的基础上,采用内梅罗污染指数法对其有机物和营养物状况进行评价,并计算污染物在湿地中的去除量,最后利用归趋模型对污染物变化情况进行模拟.结果表明:内梅罗污染指数在支流河入口处较高,万泉河污染最严重;支流水体在经过湿地净化后,水体污染程度有所下降.植物生长期内(5—10月)七星湿地对COD去除总量为26.83 t,削减率为35.3%;对氨氮的去除总量为2.63 t,削减率为37.9%;对总磷的去除总量为0.40 t,削减率为52.9%.衰减方程模型对于COD、TP及不同形态氮拟合效果一般;多元参数回归模型及Monod机制模型较好地模拟了湿地Cout(NH+4-N)和Cout(NO-3-N)的变化.对Monod机制模型参数进行计算可得:kNH+4=24.987 L·m-2·d-1,kmax,NO-2=77.696 mg·m-2·d-1,KS,NO-2=0.114 mg·L-1.相关模型参数可用于湿地氨氮与硝氮浓度的预测.因此,多元参数回归模型及Monod机制模型可应用于类似湿地Cout(NH+4-N)和Cout(NO-3-N)变化的模拟及预测.     

厌氧膜生物反应器耦联部分亚硝化/厌氧氨氧化用于污水处理研究

本研究构建了厌氧膜生物反应器（AnMBR）-部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/Anammox）污水处理工艺,以探究AnMBR-PN/A工艺处理效果最佳的水力停留时间（HRT）.AnMBR将厌氧生物处理与膜分离技术相结合实现有机物去除,AnMBR出水NH₄⁺-N通过PN部分转化为NO₂^--N,最终通过NO₂^--N氧化剩余NH₄⁺-N去除.实验结果表明：在HRT=11.2 h时,AnMBR-PN/A工艺化学需氧量（COD）去除率稳定在97%以上,COD转化为CH₄效率超过77.5%,总氮（TN）去除率为78%,出水COD和TN浓度分别低于14和11 mg·L^-1.AnMBR段COD去除率达到95%,平均甲烷产率为0.39 L·L^-1·d^-1.PN段实现了NO₂^--N的高效积累,其出水中NO₂^-/NH₄⁺为0.91±0.11.Anammox段出水中的NO₂^--N、NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度分别低于1.0、4.9和5.1 mg·L^-1.高通量测序结果表明PN段氨氧化菌主要为Nitrosomonas,丰度为7.09%,Anammox段主要微生物为Candidatus Brocadia,丰度高达21.01%.本研究构建的AnMBR-PN/A工艺实现了污水处理过程的高效能源回收和深度自养脱氮,研究成果为工程应用提供了理论支撑.     

潜流人工湿地基质结构与微生物群落特征的相关性

为查明造成不同基质结构人工湿地净化性能差异的微生物因素,利用高通量测序技术,研究水平潜流人工湿地基质结构与微生物群落结构的相关性.结果表明,3个对比人工湿地系统中,从床体表层到底层渗透系数逐渐升高的六层结构人工湿地(CW6)净化性能最高,其出水中COD、TN、NO-3-N及NH_4~+-N平均浓度分别为39、11、0.35及4 mg·L~(-1),其后为三层结构人工湿地(CW3),而单层结构人工湿地(CW1)的净化效果最差,平均出水浓度分别为95、21、0.60及12 mg·L~(-1).高通量测序结果显示,多层结构人工湿地中微生物OTUs略低于单层结构湿地,但其优势菌门变形菌门(Proteobacteria)和其属水平上的硝化与反硝化细菌的相对丰度却显著高于单层湿地.PCA和丰度热图分析结果显示,CW3和CW6床体中变形菌门(Proteobacteria)属水平上的微生物存在显著的空间分布差异,从而有利于污染物的分区降解,而CW1各样点间的微生物群落结构无显著性差异.     

3种基质材料对高浓度养殖废水处理效果及降解过程

养殖场直排废水负荷高,易造成湿地植物无法生长、处理效率低等问题.为使养殖废水通过前端生态治理技术,出水达到湿地植物耐受范围,探索高效利用作物秸秆,降低污染负荷的可行性,开展野外控制实验,对比分析了三大粮食作物秸秆——麦秸、稻草和玉米秆对猪场废水N、P的吸附去除效率.三级基质池各填充12. 5 kg干秸秆,设定连续式进水,水力停留时间7 d.结果表明,在进水COD、TN、NH_4~+-N、NO_3~--N和TP平均质量浓度分别为1 652. 83、371. 31、303. 51、0. 67和65. 22 mg·L~(-1)时,麦秸对COD、TN和TP的去除效果最好,去除率分别为32. 1%、40. 9%和33. 3%,稻草对NH_4~+-N的去除效果最好,去除率达到43. 4%.经180 d处理后3种基质材料木质素、纤维素和半纤维素均未完全分解.各种基质材料木质素降解速率低于纤维素与半纤维素,且稻草中木质素和纤维素降解最快,麦秆中半纤维素降解最快.结果表明,麦秆和稻草对去除高浓度养殖废水污染物效果均好于玉米秆,并且建议基质材料更换周期为5个月,可为生物基质材料运用于养殖废水处理提供数据支撑.     

间歇曝气SBR与传统SBR处理养猪沼液的比较研究

采用间歇曝气序批式反应器(intermittently aerated sequencing batch reactor,IASBR)和传统序批式反应器(SBR)处理养猪沼液,研究进水中化学需氧量(COD)与总氮(TN)比值(COD/TN)和运行负荷对污染物去除效果的影响.结果表明,在进水COD/TN约为2.2、氨氮负荷为(0.12±0.04)kg·(m3·d)-1时,IASBR中的氨氮、TN和有机物去除率分别为97.2%±4.4%、81.5%±7.5%、88.5%±2.4%,优于SBR的78.3%±19.6%、79.8%±4.9%、86.6%±3.2%;当氨氮负荷提高至(0.18±0.02)kg·(m3·d)-1时,IASBR中的氨氮、TN和有机物去除率略有降低,分别为92.4%±7.3%、77.5%±5.3%、86.4%±2.2%,但仍然优于SBR中的相应去除率78.1%±15.4%、61.8%±11.2%、81.8%±5.6%.在氨氮负荷为(0.20±0.01)kg·(m3·d)-1下,提高进水COD/TN至约3.0,则IASBR和SBR的污染物去除能力较进水COD/TN为2.2时有显著提升,IASBR中氨氮、TN和有机物去除率分别达到99.6%±0.2%、91.5%±2.9%和92.0%±0.9%,仍然高于SBR的90.2%±1.4%、83.0%±1.9%、90.2%±0.5%.总体而言,相较SBR,IASBR对TN和氨氮的去除更高效、耐冲击负荷能力更强,因此对养猪沼液等低碳氮比的废水更为适用.     

生物膜生态浮床对城市尾水净化特征分析

为探究生物膜对城市尾水的净化特征,通过采用联合生物膜生态浮床技术,考察生物膜长度、水力停留时间(HRT)及生物膜覆盖面积对含氮尾水的净化特征.结果表明,生物膜为1/2水深长度时,NH_4~+-N、NO_3~--N和TN的去除率分别可达到90. 82%、62. 7%和81. 96%,氮去除率较高,而生物膜长度为整个河道水深时,NH_4~+-N的去除率最高只有22. 07%,NO_3~--N和TN的浓度变化不明显.在HRT为6 d时,NH_4~+-N和TN的去除率最高分别可达到82. 01%和62. 88%,最低分别为55. 24%和46. 82%;当HRT为12 d时,NH_4~+-N和TN的去除率最高分别可达81. 4%和79. 93%,但最低分别达到了8. 73%和17. 23%,对比发现,HRT为6 d时氮的去除效率较高且稳定.在生物膜覆盖面积为10%时,一个运行周期内NH_4~+-N去除率呈下降趋势,而覆盖面积为20%时,去除率呈上升趋势; TN在10%和20%的膜覆盖面积条件下去除率分别为62. 88%和71. 09%.