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铁碳人工湿地处理农村生活污水尾水的脱氮除磷效果研究

日期:2021年03月07日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:79
论文价格:150元 论文编号:lw202102240955091680 论文字数:49889 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文针对农村生活污水尾水中氮、磷浓度过高的问题,在构建铁碳人工湿地(WIC)的同时,以未加入铁碳填料的传统人工湿地(WF)和只加入活性炭的活性炭人工湿地(WC)作为对照,对比了三种竖直潜流人工湿地对农村生活污水尾水的脱氮除磷效果,研究了 HRT、污染物与理化参数空间变化、铁碳质量比、进水 C/N 比、温度、基质微生物群落结构和脱氮除磷功能基因等问题。


第一章 绪论


1.1 研究背景

十三五时期,我国城镇化进程不断推进,经济增长迅猛,人民生活水平不断提高,伴随着脱贫攻坚完成,农村生活质量不断改善。在不发达省份的农村,村居分散,污水收集、处理设施建设未能跟上发展步伐,生活污水收集率低下,仍有大量污水未经处理直接排入天然水体,地表水及地下水污染面增加,农村水环境面临的挑战愈发严峻[1]。 “水十条”颁布之前,《中华人民共和国水污染防治法》的重心仅在对城市、工业点源污染的管控,对农村水污染中最为重要的的面源污染问题没有定量定标,惩罚机制也未健全,无法应对农村发展带来的新挑战[2]。

旨在应对目前严峻的水污染问题,中央政治局常务委员会于2015年4月16日发布了《水污染防治行动计划》( 又称“水十条”) ,明确了农村水环境的发展方向,对农村水污染防治工作提出了新要求。2015年4月颁布的《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》中明确指出:农业面源污染在农村水污染问题中占据首要位置,提倡采用先进环保的农业科技优先解决, “推行市场化机制,引入社会力量治理环境污染”,这是应对城镇化发展中农村水污染问题的得力措施。

我国农村村庄分布分散,污水量小且排放不均匀[3],排放系数低[4],日变化系数大,污水处理设施进水水质变化较大,出水氮、磷污染物浓度偏高。而污水处理设施的日常运行维护均由村民管理,缺少专业人员的技术知识水平和管理操作,设施处理效果大打折扣。目前较为成熟的城市污水处理工艺,如活性污泥法、生物膜法等,可应对各种复杂的工况,但存在建设投入大、技术门槛高等缺点,在农村地区推广应用受到限制。因此,农村污水处理工艺在选择时应从基建投资、运行费用等角度考虑,综合考虑当地经济、气候、地势等条件[5]。针对农村污水处理设施出水氮、磷污染物浓度偏高的问题,有必要寻找一种建设成本较低且易于维护的工艺来提高农村生活污水尾水水质。

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1.2 人工湿地研究进展

1.2.1 人工湿地的定义及发展

目前,对人工湿地没有一个统一、确切的定义。根据《湿地公约》定义:湿地系统指不问其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地带,带有静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者,包括低潮时水深不超过6m的水域。因此,人工湿地可理解为是由人工建造和监督运行的废水处理生态系统,人为地以天然石材、人工合成材料的一种或几种以一定比例构成基质,并有选择性地植入植物,旨在对自然湿地净化技术进行人工强化[6]。

人工湿地污水处理技术最早可追溯至1903年,世界上第一个用于污水处理的人工湿地在英国约克郡建成,并持续运行了90年[7]。1953年德国的Seidel博士发现芦苇能去除大量有机物和无机物,并发现芦苇及其它挺水植物可以从污水中去除重金属和碳水化合物[8],其后人工湿地从实验室研究被推广到大规模试验,用以处理工业废水、生活污水、江河水体等。20世纪60年代中期,Seidel与Kickuth联合提出了“根区理论”:采用水平潜流人工湿地,当污水流过芦苇床时,有机物被降解,氮被硝化和反硝化,经选择含有钙,铁,铝添加剂的填料及沉淀作用去除磷。该理论的提出使得人工湿地研究与应用蓬勃发展[9]。1996年9月在奥地利维也纳召开的第四届国际研讨会上,专家学者们概括了人工湿地污水处理技术在各国的工程经验,并提出了许多关于人工湿地对污水处理的净化机理以及人工湿地处理系统建设参考设计规范及数据[10]。这为人工湿地技术的发展提供了良好的交流平台,同时也标志着人工湿地以一种新型废水处理系统的身份正式进军水污染控制领域。

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第二章 农村生活污水尾水处理效果研究


2.1 材料与方法

2.1.1 实验装置

实验装置结构如图2.1所示,该装置由50L的PVC垃圾桶改制而成,下端边长为30cm,上端边长为32cm,高度55cm,装置底部设置出水口。3个实验装置底部均铺设10cm厚的砾石(粒径10-25mm)作为承托层,中部基质层厚度30cm,铺设6-12目沸石,顶部铺设10cm火山石(粒径10-30mm)作为覆盖层。其中,WF为传统竖直潜流人工湿地,铁碳人工湿地(WIC)在基质层底部增设厚度3cm的铁碳层,填充铁屑、活性炭(6-12目),活性炭人工湿地(Wc)在基质层底部增设厚度3cm的活性炭层(6-12目)。

每个装置中垂直插入直径5cm的穿孔PVC管,用以原位测量溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、温度、pH等物化指标。选取灯芯草(Juncus effusus L)作为湿地植物,种植密度700蔸/m2.

铁碳填料由碎铁屑和活性炭组成。碎铁屑分割为0.5-1.5cm,并用1%-2%稀盐酸中搅拌清洗5-10min活性炭和碎铁屑,以铁碳质量比为5:1的比例混合后装入实验装置。

图2.1 人工湿地装置示意图

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2.2 结果与讨论

2.2.1 HRT 对湿地系统运行性能的影响

将HRT划分为四个阶段:48h(Phase Ⅰ)、36h(Phase Ⅱ)、24h(Phase Ⅲ)、12h(Phase Ⅳ),分别对应水力负荷0.1040m3/m2·d、0.1387 m3/m2·d、0.2081 m3/m2·d、04162 m3/m2·d,研究不同水力停留时间(HRT)对湿地系统运行效果的影响。

(1)对 COD 去除效果的对比

3 种人工湿地对 COD 的去除效果如图 2.2 所示。

图 2.2 不同 HRT 时各组人工湿地对 COD 的去除效果

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第三章 脱氮除磷影响因素研究................................38

3.1 铁碳质量比对人工湿地运行效果影响研究....................... 38

3.1.1 实验方法......................38

3.1.2 结果与讨论.........................39

第四章 人工湿地土壤细菌多样性研究...................52

4.1 材料与方法........................... 52

4.1.1 DNA 基因提取和 HiSeq 测序......................52

4.1.2 数据处理与统计分析.....................54

第五章 基于荧光定量 PCR(qPCR)的脱氮除磷功能基因分析.................63

5.1 材料与方法..........................63

5.1.1 仪器与试剂........................63

5.1.2 实验方法.................64


第五章 基于荧光定量 PCR(qPCR)的脱氮除磷功能基因分析


5.1 材料与方法

5.1.1 仪器与试剂

实验主要仪器如表 5.1 所示:

表 5.1 实验主要仪器

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第六章 结论与展望


6.1 结论

本文针对农村生活污水尾水中氮、磷浓度过高的问题,在构建铁碳人工湿地(WIC)的同时,以未加入铁碳填料的传统人工湿地(WF)和只加入活性炭的活性炭人工湿地(WC)作为对照,对比了三种竖直潜流人工湿地对农村生活污水尾水的脱氮除磷效果,研究了 HRT、污染物与理化参数空间变化、铁碳质量比、进水 C/N 比、温度、基质微生物群落结构和脱氮除磷功能基因等问题,得出主要结论如下:

1. 当环境温度为 25℃-35℃,表面负荷为 0.2081 m3/m2·d (HRT=1d),WIC出水水质达到《地表水环境质量标准》GB3838-2002 中地表Ⅴ类水标准。与对照组相比,WIC的 NO3--N、TN、TP 去除效率分别提高 19.7%-52.9%、6.4%-21.8%、44.6%-52.5%;对 3 种系统不同点位的污染物浓度和理化参数的测定结果表明,较之对照组,WIC下层单层去除率明显上升,NH4+-N、NO3--N、TN、TP 去除率分别提高 4.9-11.1%、53.2-58.3%、26.5-41.8%、25.5-28.6%,系统下层 DO 消耗量增加,pH 升高,整个系统 ORP 电位低于 100mv,更具还原性。

2. 对比分析典型周期(HRT=1d)下铁碳质量比、进水C/N比、温度对不同湿地系统运行效果的影响,结果表明,铁碳质量比为5:1时,WIC的NO3--N、TN、TP去除率最高,分别为81.9%、83.9%、87.8%。当进水C/N比从1.76升至5.88,氮、磷去除率不断上升,WF和WIC去除效果受碳源影响大于WC;当进水C/N比≥4.70时,WIC出水中NH4+-N比例上升至87.6%,NO3--N比例下降至12.0%,情况与对照组相反。低温条件下,3种系统NH4+-N、NO3--N、TN、TP去除率分别下降3.1%-32.9%、44.6%-96.0%、19.0%-59.3%、2.7%-20.7%。WF和WC中NO3--N出现负增长,WIC系统的NH4+-N、NO3--N、TN、TP去除率分别为84.2%、35.2%、64.8%、90.5%。

参考文献(略)

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