基于人工湿地的循环水产养殖系统工艺设计及净化效能

该研究首次将复合垂直流人工湿地同池塘养殖结合,通过构建养殖－湿地生态系统,验证人工湿地对水产养殖用水和废水净化与回用的可行性。近9个月的新建人工湿地运行结果表明,水力负荷从313、469、625 mm/d增加到781 mm/d,人工湿地对TSS、COD_Cr和BOD₅去除率的变动范围分别为80.5%～82.9%、45.2%～64.2%和61.0%～77.0%,对NH^＋₄-N、NO^-₃-N、TN去除率的变动范围分别为51.5%～67.8%、-90.6%～40.0%和29.1%～68.6%,对TP和IP的去除率为72.7%～89.1%和0～33.3%,对细菌总数、总大肠菌群、藻类等生命物质也有较好的去除效果,湿地出水水质除溶氧外能达到国家渔业水质标准。初步结果表明人工湿地应用于水产养殖用水处理和回用具有广阔的前景。     

半咸水人工湿地净化越冬养殖循环水的效果

为拓展人工湿地在水产养殖上的应用,该文研究了半咸水人工湿地的循环水越冬系统中暗纹东方鲀越冬养殖效果和净化效能。结果表明,经过166d越冬养殖,暗纹东方鲀越冬成活率(76.94±13.87)%,饵料系数5.49±1.77。在无任何外源能源加温的情况下,系统水温保持在暗纹东方鲀幼鱼的生存最低温度以上。在半咸水环境下(7.6‰～9.9‰),人工湿地对养殖水有良好的净化效果:总氮去除率为30.5%、总氨氮为69.6%、亚硝酸盐为96.1%、硝酸盐为9.7%、总磷为18.4%、COD为38.8%、总悬浮物为79.7%,循环水经过人工湿地后水质符合国家渔业用水标准;越冬期间,越冬养殖池水质状况良好;除TN和NO3-N在越冬期间的去除率比在夏季的明显低外,其他主要污染物的去除率与夏季比较没有明显变化。在试验负载范围内,系统去除量随进水污染负载量的增加而增加;通过建立预测模型预测出湿地养殖面积比值0.36～0.97,与实际值1.26相比,养殖密度尚有提高的空间。因此,人工湿地能持续有效地去除暗纹东方鲀越冬循环水养殖系统中的主要污染物,说明该系统能在越冬养殖生产实际应用。     

改进型和传统型复合垂直流人工湿地的净化效果研究

通过构建传统型复合垂直流人工湿地系统（IntegratedVerticalFlowConstructedWetlandsSystem：IVFCWS）和改进型复合垂直流人工湿地系统（ImprovedIntegratedVerticalFlowConstructedWetlandsSystem：IIVFCWS）,并在其中分别种植彩叶草-太阳草（Coleusblumei-Toninafluviatilis：CT）和美人蕉-大水剑（Cannaindica-Acoruscalamus：CA）,以无植物人工湿地系统为对照,比较研究不同植物组合下两种构型的人工湿地系统对生活污水的净化效果。结果表明,IIVFCWS对CODCr、NH4＋-N、TN的净化效果显著优于IVFCWS,而对TP的去除效果则是IVFCWS较IIVFCWS强。有植物的人工湿地系统去除污染物的效果较无植物的对照系统好,其中彩叶草-太阳草组合湿地系统的去除效果较美人蕉-大水剑组合的强,分别为：CODCr的平均去除率在80．8％-52．8％之间;NH4-N的去除率在93．6％-52．3％之间;TN的去除率在96．4％～67．6％之间,TP的平均去除率均达93．6％以上。     

秋茄人工湿地净化循环海水养殖废水效果

为了深入研究采用人工湿地方法处理循环海水养殖废水的可行性及其运行特性,以红树林植物秋茄(Kandelia candel)为湿地植物构建耐盐人工湿地,对循环海水养殖废水进行生物处理。该文对比研究了秋茄人工湿地与无植物人工湿地的处理效果,在系统启动17d后的稳定运行阶段,秋茄人工湿地对化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)和氨氮(NH4+-N)的去除率分别在66.4%～73.8%和64.3%～72.4%,明显高于无植物人工湿地对COD56.7%～62.4%的去除率和对NH4+-N51.2%～57.5%的去除率;在总磷(total phosphorus,TP)去除方面,秋茄人工湿地和无植物人工湿地的去除率分别为55.7%～61.7%和54.3%～60.4%,两者并无明显差别。对人工湿地基质酶活性的分析发现,秋茄人工湿地的基质脲酶活性和磷酸酶活性均明显高于无植物人工湿地;同时在秋茄人工湿地基质床中,根系分布最多的表层0～5cm区域基质酶活性明显高于其他区域,表明秋茄的根部对于提高人工湿地基质床的生物活性及其去污能力发挥了显著的作用。对秋茄人工湿地水力条件的研究表明,表面水力负荷对系统去除有机物和氮有较明显的影响,表面水力负荷控制在0.1m3/(m2·d)及以下时,出水水质可达到国家渔业水质标准的要求。该文研究结果为循环海水养殖废水提供了一种生物处理途径。     

垂直流人工湿地出水口位置与植物种类对农村生活污水净化效果的影响

利用3 种栽种植物的美人蕉(Canna indica Linn)湿地(M)、狼尾草[Pennisetum alopecuroides (Linn.) Spreng]湿地(L)、苏丹草[Sorghum sudanense (Piper) Stapf]湿地(S)和未栽种植物的对照湿地(CK), 研究高、中、低出水口及不同植物对垂直流人工湿地污水净化效果的影响。垂直流人工湿地进水来自常熟农业生态试验站生活污水厌氧池, 以间歇式进水方式运行, 进水水力负荷为0.15 m³·m^-2·d^-1。结果表明: 不同出水口位置对NH₄⁺-N(铵态氮)、NO₃^--N(硝态氮)、COD(化学需氧量)的去除率存在显著性差异。随着出水口位置的降低NH₄⁺-N 的去除率显著增加, 最大去除率达到98.3%。出水口位置升高NO₃^--N 与COD 的去除率则显著增加, 高出水口的去除率分别达到-47.4%和64.5%。与中、低出水口处理相比, 高出水口的TN(总氮)去除率提高22.5%~27.6%。而对TP(总磷)的去除率恰恰相反, 高出水口处理TP 去除率比中、低出水口低20.6%~28.9%。3 种有植物湿地—美人蕉湿地、狼尾草湿地、苏丹草湿地对NO₃^--N、TN、TP、COD去除率显著高于未栽种植物的对照湿地, 分别提高74.4%~98.6%、11.3%~17.8%、8.60%~16.3%与14.1%~19.0%。3 种植物湿地之间对NO₃^--N、TN、TP、COD 去除效果没有显著差异。对NH₄⁺-N 的去除效果, 美人蕉湿地显著低于其他3 种湿地。以上结果表明, 通过对垂直流人工湿地的出水口位置控制和栽种湿地植物,可以有效地改变污染物的去除效果。     

垂直流人工湿地处理生活污水的试验

通过将强化混凝引入到垂直流人工湿地水质净化系统,从而提高了人工湿地的处理效率。试验证明,该预处理装置的设置降低了湿地负荷,提高了人工湿地对污水的净化效率,特别是对有机污染物有较好的去除效果。改良后的湿地系统对生活污水污染物净化具有良好效果,且运行成本低,适用于土地资源比较丰富、资金紧张的地区。     

基于磷去除效果的人工湿地中含活性氧化铝复合基质配比优化

为探究北方寒冷地区人工湿地中含活性氧化铝基质的除磷效果,研究选用活性氧化铝与常用的钢渣、石灰石和沸石作为基质材料,在同等条件下通过等温吸附和吸附动力学试验选择吸附能力最强的活性氧化铝。考虑基质的孔隙度及对水力停留时间的影响,将活性氧化铝与砂和石灰石按不同粒径及不同体积比例混合构建9种组合基质,以生活污水(平均磷质量浓度为2.89 mg/L)为处理对象,模拟单级垂直流人工湿地系统进行小试试验,并选取除磷效果较好的同粒径且含活性氧化铝组合基质以探索其在高质量浓度磷(15.96、38.13和68.22 mg/L)下出水水质达标情况。最后筛选出磷吸附效果最优的含活性氧化铝的组合基质,在多级垂直流人工湿地系统进行中试试验以评价其对污水中高浓度磷(20 mg/L)的去除效果。研究结果表明:1)活性氧化铝对磷的吸附能力最佳,依次为钢渣、石灰石、沸石;2)9种组合基质中75%的活性氧化铝和25%的石灰石组合基质对磷的去除率最高,达93.48%,粒径为3～5 mm且含不同比例活性氧化铝的4种组合基质对磷去除效果较好,将其应用于高浓度磷的污水处理后,出水磷浓度可以达到《北京市水污染物综合排放标准》(DB11/307-2013)中总磷A标准排放限值(0.2 mg/L);3)以75%的活性氧化铝和25%的石灰石构建的组合基质在多级垂直流人工湿地中出水磷浓度均达到A标准排放限值,去除率在94%以上。因此,研究建议以75%的活性氧化铝和25%的石灰石构建组合基质,该含活性氧化铝的基质组合在人工湿地中具有良好的除磷效果和应用价值。     

轮休对垂直流人工湿地堵塞恢复的影响及其动力学特性

人工湿地是一种常见的污水处理技术,但一直受到不可避免的堵塞问题的困扰。该研究主要以不同堵塞现象下的垂直流人工湿地模型为对象(可溶性有机物堵塞,不溶性有机物堵塞,加入抑菌剂的不溶性有机物堵塞),在轮休操作下持续测量不同时期孔隙率与渗透系数变化情况,研究3种堵塞类型的恢复规律,并对其动力学进行分析。试验结果表明在相同轮休期下,生物膜堵塞和有机颗粒堵塞恢复效果较为明显,其中,可溶性有机物堵塞、不溶性有机物堵塞装置分别轮休至第9天、第20天后基本达到较好的恢复状态,当轮休时间足够充分,这2种堵塞类型基本可以恢复至正常状态。其中可溶性有机物堵塞恢复速度最快,其次是不溶性有机颗粒堵塞。并在规律研究基础上,进一步推导了2种堵塞类型的渗透系数恢复的动力学。研究同时发现,轮休操作对无机颗粒类堵塞基本没有恢复效果。     

水力负荷对IVCW系统净化效果影响的研究

在自行建造的IVCW系统模型上,通过对富营养化湖库水体的处理试验,研究水力负荷对富营养化水体净化效果的影响,进而为人工湿地系统构建提供参考依据.     

膜生物反应器-复合垂直流人工湿地（SMBR—IVCW）系统处理混合废水的应用研究

本文采用一体式膜生物反应器（SMBR）-复合垂直流人工湿地（IVCW）组合工艺（SMBR—IVCW）系统,研究了该系统对复合废水的净化效果。结果表明,当系统进水为CODCr397-890mg·L-1、氨氮9．40-27．mg·L-1、TP4．30-10．7mg·L-1、TN45．9-75．8mg·L-1的条件下,在SMBR和IVCW的水力负荷分别为1000L·d-1和375mm·d-1的最优工况下运行,系统CODCrNH3-N、TN和TP的去除率分别为97．5％、99．0％、59．6％和65．2％;系统进出水中氮的形态组成发生了显著变化;SMBR—IVCW系统在高浓度综合污水处理方面具有良好的潜力。     

曝气对垂直流湿地处理水产养殖废水脱氮的影响

人工湿地作为一种有效的污水处理技术,现已被逐渐拓展到水产养殖业中。鉴于其与养殖竞争有限土地资源的弊端,如何构建节地高效型湿地成为未来研究的重点。曝气增氧是强化潜流湿地净化效能的重要措施之一,但是关于曝气强度以及净化效率与影响因素的关系仍缺乏深入系统的研究。为此,该文设计构建了7组不同要素组合的垂直流湿地小试系统,同步或分阶段探讨了曝气强化对垂直流湿地脱氮的影响。研究结果表明,无论曝气与否,构建的7组湿地系统于试验运行工况下都存在明显的硝化过程,且空气复氧和植物根系泌氧足以弥补硝化作用耗氧量。曝气增氧进一步强化了湿地内部的矿化和硝化过程;鉴于养殖废水不缺乏碳源(该研究各组湿地进水碳氮比在28.4~30.6之间),湿地内部的反硝化几率增大,导致曝气后总氮的去除效率提高。但是曝气条件下过高的溶解氧又会进一步抑制反硝化过程,从而也会导致系统总氮去除速率的下降。因此,对垂直流湿地而言,曝气强度不是愈高愈好。为了获得更高的脱氮效率,建议可以通过延长水力停留时间或者在垂直流湿地尾部增设水平潜流湿地来补充反硝化过程,进而提高系统对总氮的去除效果。     

Cu污染条件下封闭循环水养虾系统的效能

为获得Cu2+污染对封闭循环水养虾系统的影响,选用0.3 mg/L Cu2+浓度,研究其对系统中水质、对虾生长、存活及生物滤器水处理效能的影响。结果表明,经过84 d的试验,养殖水体中Cu2+质量浓度在系统水处理单元作用下降为(0.089±0.012)mg/L,对虾能正常生长和存活,0.3 mg/L Cu2+处理质量浓度对生物滤器的化学需要量（COD）、NH4-N和NO2-N去除率及滤器中异养细菌、氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的数量不造成显著影响。处理系统对虾体内Cu质量分数为(42.91±6.10)mg/kg,与对照中质量分数(29.36±4.06)mg/kg相比,具有显著差异,但均在国家无公害食品水产品中有毒有害物质限量标准（Cu≤50 mg/kg）范围内。在0.3 mg/L Cu2+质量浓度污染下,封闭循环水养虾系统仍能提供较好的水质条件,获得较高的产量和较低的饵料转化率,所养对虾符合无公害水产品要求。     

寒冷地区多级垂直流人工湿地系统设计及氮磷去除效率

为了解决北方寒冷地区人工湿地冬季效率低、运行不稳定的问题,设计建设了两个多级垂直流人工湿地系统(multistage vertical-flow constructed wetlands,MVCWs),处理北京房山区居民生活污水,通过工程设计以及添加碳源强化系统脱氮效果,增加磷吸附基质等措施,提高系统稳定性和污染物的去除效率。研究结果表明,湿地系统Ⅰ化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)的平均去除率为87.3%;总磷(total phosphorus,TP)的平均去除率为91.9%;总氮(total nitrogen,TN)的平均去除率为68.9%,能够全年稳定运行。湿地系统Ⅱ采取半间歇式运行方式,在0.5 m3/(m2·d)的水力负荷条件下,对COD、TN、TP的平均去除率分别为92.5%、53.8%、77.2%。湿地系统Ⅱ厌氧单元添加62 kg木块后,COD/TN从0.93上升到1.85,比添加31 kg木块单元对TN的去除率提高15.6%。木块作为厌氧阶段的外加碳源,有效促进了垂直流人工湿地系统对氮的去除。通过垂直流人工湿地多级合理的单元设计,在厌氧阶段添加碳源有利于反硝化脱氮以及添加吸附磷的基质,提高冬季没有植物参与时高效除氮、磷,有效地保证对各种污染物的去除效率。使该研究中的人工湿地系统能够全年稳定运行,该研究结果可为人工湿地在中国北方的推广应用提供参考。     

廊道式人工湿地处理污水过程中氨氮的去除效果研究

通过廊道式人工湿地（CCW）的生产性试验工程,研究了该处理系统的性能及系统内部氨氮的变化规律。结果表明,CCW处理系统的去除效率高且稳定,氨氮的去除率平均为88%,质量去除率平均为（6.94±2.07） gN·m-2·d-1,系统内部第三单元的氨氮质量去除率最高;CCW处理系统的氨氮质量负荷率小于10 gN·m-2·d-1时,质量去除率与质量负荷率呈明显的线性相关,质量负荷率大于等于20 gN·m-2·d-1时,进水浓度和出水浓度之间呈明显线性相关;处理系统各处理单元及系统整体的体积去除率常数（Kv值）均大于其他湿地处理系统;CCW处理系统氨氮浓度变化与pH值的变化趋势并不一致。     

间歇式双循环工厂化养殖系统构建及其养殖效果

为改善工厂化循环水养殖系统水质净化效果,提高养殖密度和成活率,构建了间歇式双循环工厂化养殖系统。通过间歇运行生物膜反应器增加水力停留时间,充分降解含氮污染物;连续运行弧形筛及时去除固体颗粒物。考察了该系统的启动过程及石斑鱼高密度养殖效果。启动初期,将硝化型生物絮团与海绵填料混合培养,生物膜22 d即可挂膜成功。以30.03 kg/m~3为初始养殖密度开展石斑鱼养殖试验,经66 d养殖,石斑鱼平均质量从(273.00±12.22)增至(552.52±107.04) g,最终养殖密度达到60.78 kg/m~3,成活率为100%。养殖过程中,生物膜逐渐适应养殖环境,氨氮、亚硝酸盐氮去除率从13.33%、14.84%增至93.73%、93.50%。此外,在弧形筛进水槽增加曝气形成曝气式弧形筛,可进一步除去细小颗粒物,有效控制养殖水体浊度。     

生物絮凝反应器对中试循环水养殖系统中污水的处理效果

试验设计了一种生物絮凝反应器,用作中试规模循环水养殖系统(recirculating aquaculture system,RAS)的唯一水处理装置,研究其在不同水力停留时间(hydraulic retention time,HRT,12、6、4.5、3 h)条件下的运行效果。试验结果表明,反应器可耐受最小HRT为4.5 h,当HRT降低至3 h,反应器发生不可逆的洗出现象而使试验不能继续进行。反应器絮体沉降性能一般,随着HRT的减小(12、6和4.5 h HRT),絮体体积指数(SVI-30)逐渐降低,但是始终大于150 m L/g,为丝状菌膨胀,主要的丝状细菌由TM7 genera incertae sedis逐渐演变为Haliscomenobacter和Meganema菌属,相对丰度逐渐降低。12 h HRT反应器污染物去除率最高。反应器亚硝氮(NO_2~--N)、硝氮(NO_3~--N)在4.5 h HRT出水质量浓度最低,分别为(0.02±0.01)、(1.70±0.06)mg/L;氨氮(total ammonium nitrogen,TAN)、总氮(total nitrogen,TN)、悬浮颗粒物(suspended solids,SS)出水质量浓度在12 h HRT时最低,分别为(0.48±0.05)、(4.47±1.00)、(14.20±8.14)mg/L,同时未造成有机污染。4.5 h HRT对RAS养殖区污染物的控制效果最佳,TAN、NO_2~--N、NO_3~--N、SS质量浓度分别被控制在0.76、0.10、2.95、60.00 mg/L以下。反应器在不同HRT条件下均以异养细菌为主,主要通过同化作用去除TAN,好氧反硝化细菌和厌氧反硝化细菌同时是反应器的优势菌属。反应器可获得较长的稳定运行状态和良好的水处理效果,具有用作RAS核心水处理装置的可行性,该研究可为其在RAS的进一步研究和应用提供参考。     

工厂化循环水养殖中臭氧/紫外线反应系统的水处理性能

为增强臭氧在水产应用的安全性,满足工厂化循环水养殖对有机物去除和水体消毒的需要,该文开发O3/UV反应系统。通过试验方法研究该系统臭氧投加溶解区适宜的臭氧投加流量和处理量的关系、紫外辐射剂量配比等工艺参数,及对水质净化效果和水体消毒灭菌效果的影响等。试验结果表明:1)在满足所需水中溶解臭氧浓度的条件下,采用较低臭氧进气流量和较高进水流量有利于提高系统的臭氧溶解率和利用率。该系统在水流量为5 m3/h,臭氧投加量为(8.78±0.60)g/h时可得到水中臭氧溶解质量浓度为1.53 mg/L的臭氧水,臭氧溶解率为82.7%,臭氧利用率为97.7%。2)增加紫外灯的功率和数量均可提高对臭氧的去除率,但增加紫外灯的数量对其性能提升效果更明显。该系统在紫外剂量为1 996 MJ/cm2,对残留臭氧的去除率为83.82%。3)该系统对紫外消光度、总有机碳、水色等指标的去除率相比单独使用臭氧分别提升109.95%、89.77%和51.44%,杀菌率可达97%以上,实现工厂化循环水养殖低臭氧残留条件下的有机物有效去除和消毒杀菌。