潜流人工湿地流场分布与基质堵塞关系研究进展

堵塞是潜流人工湿地污水处理运行管理过程中的主要难题,影响了人工湿地使用年限。为了进一步研究潜流人工湿地基质堵塞机理,查明流场分布与基质堵塞的关系,在查阅前人研究成果基础上,对人工湿地堵塞成因及其受流场分布的影响进行了总结,同时探讨了流场分布与水力负荷、基质材料、不同粒径基质的分层填充、植物根系分布的关系,并对流场分布的研究方法(示踪及数值模拟)、未来研究方向提出建议。     

不同气水比对两种人工湿地除污效果的影响

为比较不同气水比下各类型人工湿地的除污效果,选取火山石、炉渣和牡蛎壳作为人工湿地构建基质,研究两种人工湿地(表面流和潜流人工湿地)在不同气水比(0,2,4,6,8)下对污水的净化效果。结果表明:潜流型人工湿地对COD、NH_4~+-N及TP的去除率均高于表面流人工湿地;尤其是在COD的去除过程中,当气水比≥4时,潜流式湿地对污染物的去除效果显著高于表面流人工湿地。此外,适当曝气可显著提高人工湿地对COD、NH_4~+-N及TP的去除率,气水比为4时,表面流和潜流人工湿地对COD及TP的去除率显著高于气水比为0和2时的去除率。对NH_4~+-N而言,表面流和潜流人工湿地分别在气水比为8和6时达到最大去除率。气水比和人工湿地类型的交互作用对污染物的去除率影响不显著,在实际工程中可以忽略组合效应,致力于确定湿地类型及气水比各自对湿地除污效果的最优条件。     

表面流——潜流——潜流串联人工湿地对排入星月水库污水的处理效果

采用表面流—潜流—潜流串联人工湿地模式,对排入长沙市青竹湖星月水库的污水进行处理。分别在2015年7月和11月,研究该人工湿地的水质和植物根际微生物数量。研究结果表明,在7月采样日,该人工湿地对污水中的化学需氧量、总氮、总磷和氨氮的去除率分别为81.9%、97.1%、96.0%和99.8%;在11月采样日,其去除率分别为85.7%、97.8%、96.4%和98.5%。在7月和11月采样日,各污染物含量大致上随着实验进程逐渐减小,在AII单元和AIII单元,污染物含量升高,原因是这两个单元兼顾溢洪的功能。在7月采样日,人工湿地对氨氮的去除率大于11月采样日,而在11月采样日,人工湿地对总氮、化学需氧量和总磷的去除率大于7月采样日。在人工湿地系统中,微生物数量沿程递减,且在11月采样日各单元的微生物数量明显大于7月采样日。在人工湿地系统的两个潜流单元中,前端的潜流单元有利于去除污水中的化学需氧量、总磷和氨氮,后端的潜流单元有利于去除污水中的总氮。     

两种人工湿地条件下芦苇与芦竹生理生态特性研究

通过对芦苇（Phragmites australis）和芦竹（Arundo donax）在模拟表面流湿地和潜流湿地条件下的生长特性比较,发现在两种人工湿地生长的两种植物叶片水势基本一致。对于植株相对生长率,叶片叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度等指标,芦苇各项指标在两种人工湿地间的差异不显著;芦竹在潜流湿地中的生长特性明显优于表面流湿地,二者间差异极显著（n=3,P〈0．01）。根系的生长状况与叶片水势情况表明水分供需并不是影响植物生理差异的因素;叶片叶绿素含量与光合作用的正相关表现说明叶绿素是影响两种湿地类型上植物生理特性差异的主要因素;芦苇、芦竹在两种人工湿地间的生理生态差异说明芦苇能适应两种湿地生境,而芦竹更适合种植在潜流人工湿地。     

用于污水处理的人工湿地的基质、植物及其配置

从工程角度探讨了人工湿地中基质与植物的筛选以及配置问题。基质是人工湿地不可缺少的组成部分,大部分物理、化学和生物反应等都在基质中进行。不同基质对污染物的净化能力存在明显差异,筛选对污染物净化能力强的当地材料作为人工湿地基质,不但能提高人工湿地的净化能力和使用寿命,还能减少人工湿地的投资成本。植物在人工湿地中有着重要的作用,包括直接吸收氮、磷和重金属等污染物质,提高人工湿地的渗透系数,增强根际微生物活性和输送氧气到根际增加根际的溶解性氧含量等,但不同植物对污染物的净化能力也存在很大差异,选用本地区净化力强的植物用于人工湿地,一方面可以提高人工湿地对污染物的去除效率,另一方面可以减少引用外来植物的投资成本,还可以避免引用外来植物造成的生物入侵危险。在筛选人工湿地基质和植物的基础上合理的配置基质和植物是提高人工湿地净化效率的重要保障。     

模块化人工湿地的水力效率研究北大核心CSCD

传统的潜流式人工湿地主要利用卵石、砾石、炭渣等填料构建,存在着施工成本高、易堵塞和适应性低等问题。为了解决潜流式人工湿地存在的问题,设计了一种人工湿地模块,于2019年5月至10月,在上海市中国水产科学研究院池塘生态工程研究中心实验基地,构建了模块化人工湿地;采用脉冲示踪剂分析法,在植物种植、布水方式和水力负荷的6种组合方式下,研究了示踪剂在模块化人工湿地中的水力停留时间分布密度和模块化人工湿地的水力效率。研究结果表明,在模块化人工湿地中,植物根系易形成“滞水区”,减小了模块化人工湿地的有效体积比,缩短了平均水力停留时间,使模块化人工湿地水力效率增大;布水方式对模块化人工湿地的水力效率影响很大,与中间集中进水和侧表面均匀进水的布水方式下的水力效率相比,在全横断面均匀进水的布水方式下,模块化人工湿地的水力效率分别提高了155.60%和17.06%,进水水流分布越均匀,模块化人工湿地系统内的水流态越接近理想推流态;随着模块化人工湿地中水力负荷的增加,水流速度增大,植物根系对水流的滞留作用减弱,水流停留时间产生的影响减弱,模块化人工湿地系统达到稳定的时间和最大浓度的时间缩短,但是超过最小水力停留时间后,其水力效率迅速减小;与传统推流式和波流式人工湿地相比,模块化人工湿地中种植的植物、布水方式和水力负荷对其水力效率有显著影响。     

同步脱氮除磷基质应用于人工湿地的研究进展

同步脱氮除磷基质是一种可以同时去除氮和磷的功能性材料,在人工湿地去除污染物过程中起着决定性作用。简要概述了水平和垂直潜流人工湿地的运行机制和适用水体,将人工湿地的基质划分为单一式和组合式同步脱氮除磷基质;阐述了砾石和沸石等传统矿物、锰矿石和黄铁矿石等金属矿物、工业和建筑废料、农业废料、无机基质、有机基质、复合基质在人工湿地中的同步脱氮除磷效果和净化机制,其中,复合基质、锰矿石和黄铁矿石等金属矿物、农业废料具有高效的同步脱氮除磷效果,但是后两者受限于水体类型和自身的理化性质;总结了高性能的组合式同步脱氮除磷基质,分析了人工湿地类型、植物、微生物、水力停留时间、水力负荷率、温度和水体pH等因素对基质同步脱氮除磷效果的影响。     

添加填料的人工湿地反硝化过程研究

构建了以炉渣为基质、种植美人蕉(Canna indica)、添加玉米秸秆、玉米芯和木块的人工湿地,通过模拟实验,研究添加不同缓释碳源对人工湿地运行性能的影响。实验结果表明,4个人工湿地具有很好的脱氮除磷能力,对氨氮、硝态氮、总氮和总磷去除率分别为94.3%、90.0%、94.8%和87.9%以上。当总氮质量浓度≤125.9mg/L时,所有人工湿地都能去除氨氮和硝态氮,去除率分别为87.4%和93.1%以上;当总氮含量进一步提高,为179.2 mg/L时,所有人工湿地的硝态氮去除率都减小,添加玉米秸秆的人工湿地能保持硝化和反硝化作用,氨氮和硝态氮的去除率分别为91.6%和92.1%以上。当总氮质量浓度为179.2 mg/L时,人工湿地的硝态氮去除率随着温度下降而减小,但添加玉米秸秆的人工湿地的硝态氮去除率还能达到81.1%。以玉米秸秆为缓释碳源、以炉渣为基质、种植美人蕉的人工湿地适用于治理以硝态氮为主要污染物的污水,可以对该类污水进行高效净化。     

利用水平潜流人工湿地净化城市湖泊污水——以西安市兴庆湖为例

2007年6月,构建并运行水平潜流人工湿地,对西安市最大的人工湖——兴庆湖的严重富营养化水体进行净化,以实现该湖生态系统的长期恢复。结果表明,水平潜流人工湿地对水体中的化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)和固体悬浮物(SS)的平均去除率分别为84.2%、53.8%、47.9%、73.3%和86.6%,由于硝化和反硝化过程不足,导致人工湿地对水体中氮的去除率较低。提出构建多级湿地循环处理系统,以改进和完善处理城市湖泊污染水体的人工湿地技术。     

人工湿地系统不同流段中氮的去除效果研究

2015年8月13~19日,通过模拟实验,在植物生长期,设置不同初始进水总氮浓度,研究不同流段人工湿地中氮的去除效果,并探讨了其作用机理。设置2组由表面流段—垂直流段—水平流段组成的模拟装置,其有效长度为3.6 m,宽度为0.5 m,深度为0.85 m,炉渣基质填充高度为0.65 m,种植美人蕉(Canna indica),采集3个流段15~20 cm、30~35 cm和45~50 cm(以距离基质表层以下深度)深度以及表面流段上覆水的水样,分析测定水中铵态氮和硝态氮等指标的含量。研究结果表明,各流段人工湿地系统中,初始进水浓度影响铵态氮的去除率和去除负荷,而由于充足的碳源,初始进水浓度对硝态氮的去除率影响较小,去除率都达到95%以上。水中有机碳源充足且易分解,可以有效提高湿地系统的反硝化速率和脱氮效果。在各流段人工湿地系统中,延长水体在湿地系统中的停留时间,有利于铵态氮的去除。因此,延长停留时间和拥有充足且易分解的碳源,有利于不同流段人工湿地中氮的去除。在低初始进水浓度(总氮质量浓度为85.4 mg/L)条件下,表面流段对铵态氮去除率最高,其次为垂直流段,水平流段对铵态氮的去除率最低。在高初始进水浓度(总氮质量浓度为148.3mg/L)条件下,3个流段对铵态氮的去除效果差别不大。湿地植物吸收及其代谢、微生物代谢、基质物理化学作用,以及进水负荷等共同引起水中p H的变化;进水方式和湿地植物代谢是引起湿地系统中氧化还原电位变化的主要原因。     

人工湿地去除非持久性农药研究进展

非持久性农药是一类能够在环境中快速降解的农药,但是其被大量使用,将导致其在土壤环境中聚积,经由雨水冲刷或者以灌溉尾水的形式进入地表径流,破坏水生生态系统结构和功能,威胁饮用水安全和公众健康,造成严重的经济损失和社会问题。综述了人工湿地去除非持久性农药的机制,总结了影响去除非持久性农药效率的因素,认为人工湿地是接纳污染水体、截留其中污染物质、促使污染物质转化和去除污染物质的最佳方法。人工湿地主要通过化学水解、物理沉降、基质吸附、植物吸附吸收和微生物降解等机制去除非持久性农药。农药的理化性质、基质性质、植物作用和人工湿地不同运行参数等都会影响非持久性农药的去除效率。以往相关研究未深入阐释人工湿地去除农药的机制;忽视了垂直流人工湿地的应用研究;加强和完善以上方面的研究,对利用人工湿地去除非持久性农药污染具有重要意义。     

水源林区人工湿地污水处理技术的应用示范

针对水源林区的污水处理和循环利用等问题,设计了水平潜流人工湿地+垂直流人工湿地污水处理工艺,该工艺依靠重力作为动力,无需能耗,管理简单,污水处理效果较好,抗冲力负荷能力较强。运行结果表明,工艺出水主要指标达到了《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的I类水质标准。     

北方复合型人工湿地工程:以济宁老运河入湖口湿地为例

老运河济宁段是国家南水北调东线工程治污规划中的重要控制单元,由于河流自净能力弱及污水处理厂中水的直排使其水质长期超标。为净化水质,利用老运河入湖口现场地形建设人工湿地,以复合潜流湿地为核心,结合表面流+生态稳定塘工艺,拦截污水处理厂的中水,中水经湿地处理后再排入老运河。人工湿地运行后,老运河济宁段水质、生态环境得到较大改善,实现水质稳定达标。     

污水处理型人工湿地构建中几个问题的探讨

污水处理型人工湿地是利用基质、湿生植物协同净化水体污染物,具有良好的景观价值与生态功能。目前,人工湿地的实际构建中,在基质和植物选择、运行管理中存在一系列问题,就这几方面问题进行分析并探讨解决方案和思路。     

无植物水平折流式潜流人工湿地对氮和磷的净化效果

以炉渣、木块、砾石和木块、炉渣、砾石两组基质配置方式,构建无植物水平折流式潜流人工湿地,在不同水力停留时间(2 d、3 d和5 d)条件下,比较两组湿地系统(HB1和HB2)对模拟生活污水中氮、磷污染物的去除效果,同时分析优化的基质配置方式和水力停留时间。结果表明,当水力停留时间为3 d时,人工湿地系统的总氮去除率为71%~77%,当水力停留时间增加到5 d时,其去除率为79%~80%,提高不明显;当水力停留时间为3d时,其总磷去除率达到最高值50%,继续增加水力停留时间,其去除率反而下降。因此,无植物水平折流式潜流人工湿地的最佳水力停留时间为3 d。在进水端的前1/3基质区,HB1炉渣区和HB2木块区的氨氮质量浓度分别为13~17 mg/L和18~19 mg/L,硝态氮质量浓度为5.9~9.1 mg/L和0.4~2.8 mg/L。可见,炉渣能提高氨氮的去除率,木块有利于硝态氮的去除。HB1对氮污染物(尤其是氨氮)去除效果好于HB2,其基质配置方式为炉渣、木块和砾石;对磷的去除效果两种基质组合方式差别不大,木块、炉渣和砾石组合效果略好。     

配重浮球覆盖下干旱区平原水库节水率研究

干旱区平原水库具有水面积大、蒸发强烈等特点,采用直径100 mm的配重浮球来抑制平原水库的无效蒸发。以月为时间尺度,分别从浮球间孔隙造成的蒸发损失率和风浪环境中配重浮球湿润表面造成的蒸发损失率进行研究,最终建立浮球覆盖下水面蒸发抑制率和节水率计算模型。结果表明：（1） 非冰冻期内,浮球间孔隙造成的蒸发损失率呈现先增大后减小,在7月达到全年最高值11.6%;冰冻期内（12月和1月）,浮球间孔隙造成的蒸发损失率达到全年最低值9%。（2） 相同覆盖面积下,浮球润湿率随风速的增大呈曲线增长,且覆盖面积越大,润湿率随风速的变化速率越慢。相同风速下,浮球润湿率随覆盖面积的增大呈直线下降。各覆盖面积下,单位面积节水率在7月达到最大值,分别为76.6%、78.1%、79.6%、81.2%;在4月达到最低值,分别为51.9%、54.0%、58.2%、61.3%。综上所述,配重浮球在风浪环境中稳定性好、防蒸发节水率高,是一种较为理想的防蒸发材料。     

西北干旱、半干旱地区高盐人工湿地适宜植物筛选

植物是人工湿地的重要组成部分,但是,在西北干旱、半干旱地区,由于年降水量较少,年蒸发量较大,导致人工湿地土壤和水体含盐量较高,可供选择的适宜植物种类少,限制了人工湿地污水处理技术在该地区的应用。选择香蒲(Typha orientalis)、鸢尾(Iris tectorum)、芦苇(Phragmites australis)作为人工湿地中的植物,构建模拟的潜流人工湿地,配置不同含盐量(NaCl含量分别为0%、0.5%和1%)、化学需氧量(质量浓度为191.8~249.9mg/L)、总氮(质量浓度为27.5~33.5 mg/L)和总磷(质量浓度为4.5~5.9 mg/L)的污水,作为人工湿地的进水,研究不同盐度下植物外部形态、生理特性指标变化及其对污水中化学需氧量、总氮和总磷的净化效果,筛选出适宜盐沼的植物。研究结果表明,随着污水中含盐量的增加,3种植物的叶长、叶宽和生物量显著减小,比叶重显著增加;与对照处理相比,当水中NaCl含量为1%时,芦苇叶长的变短幅度相对最大,鸢尾的、香蒲的依次减小,鸢尾叶宽的变窄幅度相对最大,香蒲的、芦苇的依次减小,芦苇株高的变矮幅度相对最大,鸢尾的、香蒲的依次减小,鸢尾生物量的减少幅度相对最大,香蒲的、芦苇的依次减小,鸢尾比叶重的增加幅度相对最大,芦苇的、香蒲的依次减小。当水中NaCl含量为0.5%和1%时,都是芦苇叶片的净光合速率、气孔导度和叶肉导度相对最大,香蒲的、鸢尾的依次减小;香蒲叶片的水分利用效率相对最大,芦苇的、鸢尾的依次减小。当水中NaCl含量为0.5%和1%时,芦苇叶片的脯氨酸含量相对最大,鸢尾的、香蒲的都依次减小;到实验结束时,在各种盐含量下,鸢尾叶片的丙二醛含量相对最大,香蒲的、芦苇的依次减小;芦苇叶片的超氧化物歧化酶活性相对最大,香蒲的、鸢尾的依次减小。在各种盐含量下,都是种植芦苇的人工湿地系统对污水中化学需氧量、总氮和总磷的去除率相对最大,种植香蒲、鸢尾的人工湿地湿地的去除率依次减小。综合考虑3种植物的生长和生理特性以及种植3种植物的人工湿地对污染物去除率,相对最适宜种植在高盐人工湿地的植物为芦苇,其它依次为香蒲、鸢尾。     

三种水生植物枯落物分解特征与人工湿地渗透系数

于2015年5月6日,开展模拟人工湿地实验,研究美人蕉(Canna indica)、芦苇(Phragmites australias)和香蒲(Typha orientalis)地上部分(茎、叶)和地下部分(根)枯落物的分解特征及其对人工湿地渗透系数的影响。结果表明,在枯落物分解期间,美人蕉茎、叶枯落物的分解率最大,其次为芦苇的,香蒲的最小;在分解的第302天,香蒲、美人蕉和芦苇根枯落物的分解率分别为90.6%、89.3%和73.4%,美人蕉、芦苇和香蒲茎、叶枯落物的分解率分别为93.1%、54.7%和51.4%,美人蕉茎、叶枯落物分解率高与其初始氮含量较高和木质素含量较低有关。3种水生植物枯落物的分解率与植物枯落物中的碳氮比显著负相关(p0.01),与木质素与氮之比显著负相关(p0.05)。与未添加水生植物枯落物的人工湿地相比,添加香蒲、美人蕉和芦苇茎、叶枯落物的人工湿地渗透系数分别下降了24.1%、16.7%和23.4%。在人工湿地中,种植木质素含量低的美人蕉,有利于缓解人工湿地堵塞。     

添加含锰和含铁填料的人工湿地对低污染水净化效果的实验研究

人工湿地填料的化学性质及其配比对净化效果有重要影响。为了研究使用不同填料的人工湿地对低污染水中的氮污染物、磷污染物和化学需氧量的净化效果,以矿质纤维、石英砂和硅酸盐水泥为主要原料,添加黄铁矿石粉末或锰砂粉末,利用硅酸盐水泥的黏合特性造粒,分别制成人工湿地的含锰填料和含铁填料。以1∶2、1∶1和2∶1的体积比,分别在人工湿地中添加含锰填料和含铁填料,对比不同人工湿地对低污染水中化学需氧量、氨氮、硝态氮、总氮和总磷的净化效果。实验结果表明,当人工湿地中含锰填料与含铁填料的填充比例为1∶1时,人工湿地对低污染水中的硝态氮和总氮的净化效果最好,装置运行期间硝态氮和总氮的平均去除率分别为76.6%和65.7%,出水中的硝态氮和总氮质量浓度分别为2.34 mg/L和5.15 mg/L;当含锰填料与含铁填料的填充比例为2∶1时,对氨氮的去除率最高;只以矿质纤维、石英砂和硅酸盐水泥为填料的对照人工湿地对低污染水中化学需氧量的去除率最高;在实验前10 d,4组人工湿地对低污染水中的总磷去除效果都很好,实验第11天至第45天,含锰填料与含铁填料的填充比例为2∶1的人工湿地对总磷的去除效果最好。     

以5种不同基质构建的模拟垂直流人工湿地对含铅废水的处理效果比较

将黄土、污泥、细沙、细煤渣、粉煤灰和砾石作为基质原料,取其中5种原料,以1∶1∶1∶1∶1的体积比,配置成不同原料混合而成的5种基质;在利用5种基质构建的模拟垂直流人工湿地中,处理Pb~(2+)质量浓度为10 mg/L、20mg/L、40 mg/L、80 mg/L和160 mg/L的废水(人工配制),控制水力停留时间为8 h。实验结果表明,当废水中Pb~(2+)质量浓度为10 mg/L、20 mg/L、40 mg/L和80 mg/L时,以污泥+黄土+细煤渣+砾石+细沙为基质构建的人工湿地对Pb~(2+)的去除率最高,为87.50%～93.77%;当废水中Pb~(2+)质量浓度为160 mg/L时,以粉煤灰+污泥+黄土+细煤渣+细沙为基质构建的人工湿地对Pb~(2+)的去除率最高,为91.00%;当废水中Pb~(2+)质量浓度为10 mg/L和20 mg/L时,在以粉煤灰+污泥+细煤渣+砾石+细沙为基质构建的人工湿地中,重金属的潜在迁移能力最弱;当废水中Pb~(2+)质量浓度为40 mg/L、80 mg/L和160 mg/L时,在以粉煤灰+污泥+黄土+细煤渣+细沙为基质构建的人工湿地中,重金属的潜在迁移能力最弱;基质的容重、有效粒径D10、不均匀系数K80、pH、阳离子交换量和有机质含量都与含铅废水的处理效果正相关,基质的总孔隙度、有效粒径D80、有效态锰和全量锰、镁、铝、铁含量则分别与Pb~(2+)的去除率、基质中的铅形态含量负相关。