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《中国农业大学》 2017年
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再生水回补河湖条件下污染物的迁移转化机制研究

潘维艳  
【摘要】:再生水已成为北京市河湖生态用水的重要水源,但再生水污染物渗漏可能对地下水环境造成潜在污染风险,因此探讨再生水回补河湖后对地表水和地下水环境影响的研究十分重要。本文通过室内土柱模拟渗滤系统,研究了4种不同水力条件下(定水头淹水、交替淹水落干、定流速和侧向补水)渗滤系统对再生水中硝态氮(NO_3-N)、氨态氮(NH4-N)、化学需氧量(COD)和总氮(TN)的去除效果及其影响因素;同时以北京市清洋河为研究对象开展野外观测试验,探讨再生水补给后,地表水和地下水水质的时空变化特征;并构建了一维和二维水氮迁移模型,分别对室内土柱一维水氮迁移转化过程和野外河道再生水补给渗滤系统的二维水氮迁移转化过程进行了模拟研究。主要研究和结果如下:(1)当水力负荷在0.25-2.65 cm d-1范围内时,系统对N03-N的去除率随着水力负荷的增大而减小,侧向补水系统对N03-N的去除效果最佳,去除率高达96%。N03-N的去除主要取决于系统内部微生物的分布情况,土层中反硝化细菌数量越大,相应土层对NO_3-N的去除率越高。水温在15~32 ℃范围内变化时,定水头淹水和交替淹水落干系统对N03-N的去除率与温度分别呈指数和幂函数关系。当再生水中NH4-N浓度较低时,较长的水力停留时间和充分的有氧环境可促进NH4-N的去除。(2)交替淹水落干渗滤系统对再生水中COD的去除率(51%)略高于定水头淹水系统对COD的去除率(41%)。COD的去除主要发生在渗滤系统上部0~40 cm 土层范围内。交替淹水落干系统对TN的去除率(84%)明显高于定水头淹水系统(51%),两渗滤系统对TN的去除效率与温度呈正相关关系,温度高于30℃时,交替淹水落干系统对TN去除率高达90%以上。(3)NO_3-N和TN是清洋河的主要污染因子,N03-N和TN浓度沿河道水流方向逐渐下降,而COD和BOD5浓度沿河道水流方向逐渐增大。底泥部位对NO_3-N的去除率为85%,是NO_3-N去除的主要部位,N03-N的变化受渗流区水温的影响明显。渗流带的吸附和硝化作用是NH4-N去除的主要作用机制,可去除92%的NH4-N,NH4-N的变化主要受饱和带温度和有机质含量的影响。距河岸距离越大,迁移时间越长,河岸渗滤过程对COD的去除率越高,河岸渗滤系统对COD的去除率达54%。(4)利用是室内和野外试验数据对构建的一维和二维水氮运移模型进行率定验证,表明率定验证后的模型能够较好地模拟不同水力条件下的水氮迁移过程。结果发现,温度与反硝化速率常数之间呈指数相关,可通过该相关关系对不同温度下反硝化速率常数进行修正。模型模拟了不同温度和不同河水NO_3-N浓度情景下浅层地下水中N03-N的迁移过程,结果发现,当温度在5-25℃范围内时,每提高10℃时,河岸渗滤系统对N03-N的去除率可提高0.5-1.6倍。建议再生水补给期内(每年的3~11月),控制补给再生水中NO_3-N浓度不高于30mgL-1;为降低对地下水污染的风险,适宜的补水时段为温度较高的夏季(高于20 ℃)。
【关键词】:再生水 硝态氮 氨态氮 化学需氧量 河岸渗滤系统 地下水
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X52
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-14
  • 第一章 绪论14-26
  • 1.1 研究背景和意义14-15
  • 1.2 国内外研究进展15-23
  • 1.3 研究目标、研究内容和技术路线图23-26
  • 第二章 材料与方法26-42
  • 2.1 引言26
  • 2.2 室内土柱试验26-37
  • 2.3 野外试验37-40
  • 2.4 本章小结40-42
  • 第三章 土柱渗滤系统对再生水中污染物去除效果研究42-68
  • 3.1 引言42
  • 3.2 结果分析与讨论42-66
  • 3.3 本章小结66-68
  • 第四章 再生水中典型污染物在清洋河河岸带的迁移转化研究68-80
  • 4.1 河水中污染物的时空分布特征68-72
  • 4.2 沿渗流方向污染物的变化特征72-74
  • 4.3 地下水中污染物的时空变化特征74-77
  • 4.4 地下水中污染物的垂向分布77-78
  • 4.5 本章小结78-80
  • 第五章 不同补水方式下渗滤系统中NO_3-N迁移模拟80-102
  • 5.1 引言80
  • 5.2 数学模型80-82
  • 5.3 模型设置82-85
  • 5.4 模拟结果与分析85-100
  • 5.5 本章小结100-102
  • 第六章 河道渗漏补给地下水条件下水氮运移模拟102-116
  • 6.1 模型的建立102-105
  • 6.2 模型率定与验证105-110
  • 6.3 情景模拟110-114
  • 6.4 本章小结114-116
  • 第七章 结论与展望116-118
  • 7.1 主要结论116-117
  • 7.2 研究主要创新点117
  • 7.3 研究中的不足与展望117-118
  • 参考文献118-130
  • 致谢130-132
  • 作者简介132-133

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