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季节性植物搭配强化人工湿地净化污水效果及其作用机制研究

季节性植物搭配强化人工湿地净化污水效果及其作用机制研究

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作者：殷晓乐山东大学

学位级别：硕士

人工湿地污水处理系统具有基础建设投资低、运行管理简单且具有生态景观效应等诸多优点,在流域污染综合整治中发挥着显著的技术优势和宽广的应用前景。然而,人工湿地的水质净化效果受温度影响较大,在冬季低温条件下,其净化效果大幅度降... 详细信息

人工湿地污水处理系统具有基础建设投资低、运行管理简单且具有生态景观效应等诸多优点,在流域污染综合整治中发挥着显著的技术优势和宽广的应用前景。然而,人工湿地的水质净化效果受温度影响较大,在冬季低温条件下,其净化效果大幅度降低,甚至因为大部分挺水植物的枯萎和腐烂导致污染物浓度增加,这成为限制人工湿地应用推广一大难题。本论文基于植物在人工湿地中的重要作用,研究寒热适应性不同的湿地植物,提出通过科学配置季节性植物,将耐寒沉水植物(菹草)和喜温挺水植物(芦苇)在湿地中进行搭配这一水质净化强化措施。考察了菹草的冬季去污能力,并分别研究了菹草和芦苇对污水环境的胁迫耐受性能,探讨了季节性植物搭配的可行性;进而以连续流方式运行一年,详细研究了在四季轮回过程中,季节性植物搭配湿地中植物恢复演替、交替发挥优势净化作用对水质变化的影响,并深入探讨了其微观变化机理,为人工湿地常年稳定运行提供理论依据。取得的主要研究结论如下：(1)在冬季低温条件下,菹草由于耐寒特性,生长良好,菹草湿地系统DO较空白组DO提高52.13%,菹草湿地对COD、NH4+-N、TN、TP的去除效率分别为86.59%、87.32%、46.86%、76.27%,明显高于无植物湿地以及芦苇、苦草湿地系统。菹草湿地使得COD、NH4+-N、TP在周期(9天)内能较快的降至地表三类水标准范围内。这为菹草应用于人工湿地冬季净化污水提供了直接有力的证据。(2)菹草对氨氮的耐受阈值为4mg/L。较高浓度的氨氮(≥4 mg/L)导致菹草活性氧代谢失衡,膜质过氧化水平不断加强,但是仅在一定程度上影响膜通透性和光合作用,表观上没有改变,植物继续生长。本论文的季节性植物搭配人工湿地进水为4-5mg/L,为模拟污水处理厂一级A出水,在菹草的适应范围内,具有可行性。根据菹草植物特性,如若进水氨氮浓度过高,也将根据实际情况采取措施,避免损伤菹草。(3)沉水植物强烈光合作用能够提升水体碱度,对芦苇造成胁迫。随着水体pH值从7.5升至10.5,芦苇生长速度下降,同化吸收作用受限,导致TN的去除效率的降低。系统环境在pH值不大于8.5时,对污染物有较好的去除效果。因此,在工程应用中,芦苇湿地的进水pH要控制在合理范围内。菹草与芦苇搭配种植的方案具有可行性,仅当夏季光合作用特别强烈时,应做好pH预警,水体碱度过大时,要采取适当措施予以调整。(4)动态流植物搭配人工湿地运行效果表明,菹草和芦苇交替发挥生长优势作用,夏季,实验组一级湿地即菹草湿地贡献率明显下降,低于对照组一级湿地的贡献率。冬季,菹草湿地发挥优势,污染物去除贡献率达到全年最高水平,对照组贡献率全年最低。这与植物的生长发育历期相一致,也与湿地基质中微生物数量变化相一致。另外,在冬季,实验组两级湿地对COD、NH4+-N和TP的总去除效果较好,去除率分别为42.08%、70.14%和67.95%,与对照组相比有明显提高,菹草湿地在冬季的季节优势突出,能够弥补芦苇湿地冬季净化效果差的缺点。纵观一年四季两组湿地出水中污染物浓度水平,可以发现,实验组实现了对氨氮的长期稳定去除,全年平均氨氮去除率为70.15%,高于对照组的61.40%,两种植物搭配为污染物的稳定去除提供保证,能够实现一年四季对污水的净化。(5)试验结果表明,菹草湿地即实验组一级湿地中全菌数量在冬季达到最大值,对照组一级湿地全菌数量夏季最高,与湿地污染物去除效果相一致,说明随季节变化,植物生长状态改变影响了微生物的活动,菹草在冬季通过氧传质作用以及根系分泌物等作用,提高了微生物的数量,进而影响污染物去除。菹草的富氧作用显著提高了湿地中氨氧化细菌(AOB)的数量,在春秋冬季实现了氨氮的高效率去除。植物对反硝化细菌的影响不明显,这与一年四季不同湿地组对TN去除率差异不大的现象一致。

关键词：人工湿地冬季净化效果强化措施耐寒沉水植物植物搭配氨氮耐受性碱度耐受性

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