香蒲残体投加对表面流人工湿地脱氮性能的影响

发布时间：2020-03-26 17:23

【摘要】：人工湿地处理低污染水体时,由于缺乏碳源,往往很难获得理想的脱氮效果。为了提高反硝化脱氮效果,目前常用的做法是投加化工类碳源。但这些碳源的投加会造成运行成本的升高,甚至可能造成水体的二次污染。因此,寻求更加生态自然的替代碳源对于人工湿地系统脱氮具有重要的现实意义。近年来,植物性碳源逐渐引起了人们的关注,如果能够在枯萎期将湿地水生植物残体有效用作湿地内部碳源,不仅能够提高系统的脱氮效率,还能够将水生植物残体在系统内部消纳,从而无需外运处置,节约处置成本。目前,对于水生植物残体腐解的研究主要聚集于对水体水质的影响,对用作湿地碳源的系统性和专门性研究则较为不足。针对目前这种状况,本论文从以下几个方面进行针对性研究:(1)对人工湿地系统中常用的三种不同类型水生植物残体的腐解过程进行对比研究。选用凤眼莲、黑藻和香蒲作为浮叶植物、沉水植物和挺水植物的典型代表,研究其残体在水体中的腐解规律以及对水体水质的影响程度。同时,通过分析水体水质指标的变化幅度,优选出腐解过程对水体水质影响程度较小且释放的C/N比最高的水生植物类型。研究发现:凤眼莲残体的腐解过程对水体水质的影响程度最大,黑藻次之,香蒲最小。残体投加量的增加可提高残体腐解对水体水质的影响程度,而底泥的引入可减轻残体腐解对水体的影响程度。凤眼莲、黑藻和香蒲残体向水体释放的最大C/N比分别为2.6、5.3和20.3,因此,香蒲残体更适合用作人工湿地系统反硝化脱氮的外加碳源。此外,高通量测序结果表明:负责凤眼莲和黑藻残体腐解的微生物群落较为接近,但与香蒲残体相差较大。底泥添加后,负责凤眼莲和黑藻残体腐解的微生物群落发生了显著变化,香蒲残体的变化则不明显。(2)评估香蒲型表面流人工湿地系统对低污染水体的脱氮性能。利用单因素实验,研究香蒲种植密度、水深以及水力停留时间(HRT)对系统脱氮除磷效果的影响。采用响应面法分析各因素之间的交互作用及其对系统脱氮效能的影响,并获得最优工况。结果表明:香蒲种植密度和HRT的增加能够提高系统的氮、磷去除率,水深则反之。其中,仅香蒲种植密度的增加可提高系统的氮、磷去除负荷。对系统脱氮效能的影响:水深HRT种植密度。可获得较高氮去除负荷和处理水量的最优工况条件为:香蒲种植密度20株/m~2、水深42 cm、HRT 1d,该工况下,TN和NO_3~--N去除率分别为20.49%和20.15%,去除负荷分别为1.12和0.85 g m~(-2) d~(-1),处理水量为0.126 m~3 d~(-1)。(3)开展香蒲残体投加对表面流人工湿地系统脱氮性能的影响研究。通过对比不同投加量和温度下香蒲残体腐解释放的营养物质浓度,确定残体投加量和水温对残体腐解的影响。通过对比不同投加方式对水体pH、溶解氧(DO)和脱氮效果的影响,并以获得较高的单位残体有机物(TOC)释放量和氮去除效果为原则,确定残体最佳的投加方式。此外,通过考察系统一年的运行效果,确定不同季节下香蒲残体投加对系统脱氮性能影响的差异。并结合香蒲的年平均产量,对香蒲残体的潜在应用性进行分析。结果表明:残体宜分批投加(即少量多次),投加量为0.1g/L/d。残体投加后,系统出水TOC未出现明显的升高,TN和NO_3~--N的去除率及去除负荷显著提高。不同的季节,香蒲残体投加对系统脱氮效果的提高幅度有所差异,夏季为21.57%,冬季为14.97%。湿地系统内部种植的水生植物在枯萎期可全部收割并直接放置于系统中而无需外运处置,从而实现水生植物在表面流湿地系统中的循环利用。(4)建立表面流人工湿地系统的碳、氮平衡。通过对比香蒲残体投加前后系统温室气体的释放通量,明确不同的季节下系统温室气体的释放规律以及残体投加对系统温室气体排放的影响。同时,通过监测湿地系统各相(主要包括植物相、泥相、水相和气相等)中碳、氮的形态及含量,分析碳、氮进入湿地系统后的迁移转化途径,从而建立表面流人工湿地系统的碳、氮平衡。气相色谱对温室气体的监测发现:N_2O、CH_4和CO_2的释放均呈现出明显的季节性,除了夏、秋季表现为CO_2的汇,其他均为释放源,释放通量为夏季秋季春季冬季。残体投加后,三种温室气体的释放通量显著升高。系统碳去除的主要途径是微生物的分解代谢转化,脱氮则是微生物的反硝化作用,香蒲残体的投加提高了碳、氮主要去除路径对系统脱碳除氮的贡献比例。
【图文】：

转化路径,氨化作用

氮是造成水体富营养化的最主要污染物之一，直接影响了水体的溶解氧水平，并可能对水生生物造成严重的毒性（取决于氮的形态）。废水中主要存在有机和无机形式的氮。有机氮主要存在于氨基酸（用于形成蛋白质的肽链）、尿素（由哺乳动物吸收氨后产生）、尿酸（由鸟类和昆虫产生）、嘌呤和嘧啶（参与 DNA制备）中。无机氮主要包括铵盐（NH+4）、亚硝酸盐（NO-2）、硝酸盐（NO-3）、一氧化二氮（N2O）和溶解态的元素氮或氮气（N2）。气态氮包括氮气（N2）、一氧化二氮（N2O）、二氧化氮（NO2）和游离氨（NH3）。在人工湿地系统中，氮的转化和去除主要通过几种传统的途径完成，包括生物（即氨化、硝化、反硝化、植物吸收、生物量同化、异化硝酸盐还原）和物理化学途径（例如氨挥发和吸附等）[17]。图 1-1 展示了人工湿地系统中氮的主要转化途径，，下面将逐一详细地介绍这些途径，以了解人工湿地系统复杂的氮去除机制。

技术路线图,页图

技术路线图
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】