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低温季节人工湿地中植物碳源释放与作用机制研究

卢学斌  
【摘要】:针对污水中COD较低时人工湿地脱氮效果较差等问题,通过向人工湿地中投加植物材料提高系统内电子供体总量,促进人工湿地反硝化进程,进而达到加强同步脱氮除磷的效果。选择麦秆、玉米芯、香蒲作为投加植物,采用简单处理、酸加热处理、碱加热处理三种不同预处理方式,探究植物材料经过预处理后的静态释放特性,实验结束后通过扫描电镜观察植物表面性状变化,分析植物COD释放特性,同时对污染物释放如氮、磷进行特征分析,初步得出较好的植物选择和预处理方式。通过反硝化特性分析,得出三种植物经不同预处理后的硝氮去除率及出水COD剩余量,对其反硝化性能作出综合判定,最终结合静态释放性能优选出最佳植物和最佳预处理方式。秋冬季节时,向运行稳定的人工湿地装置中投加最优植物碳源(以C/N为变量),在其释放周期内沿程测定各项污染物浓度,分析投加植物对于湿地脱氮除磷的促进功效,意在得到一套适合低温季节的人工湿地运行模式以及最佳的植物碳源投加方案。研究结果显示:(1)静态释放特性可知,三种植物经过不同预处理后的COD释放量分别为:麦秆为16.91、17.46、24.37mg/L,玉米芯为31.82、33.39、36.10mg/L,香蒲为21.19、25.63、29.00mg/L。结果表明,释碳能力上玉米芯香蒲麦秆,碱热酸热简单处理,玉米芯平均释碳最多同时会产生白色絮状物,可能造成湿地堵塞等问题。(2)静态释放VFA(不饱和脂肪酸)结果表明,乙酸释放量最高且规律明显。碱热处理植物释放乙酸浓度最高,释放整体稳定且高效段较长,三种植物分别为32.69、37.04、65.25mg/L,说明碱热处理有助于植物碳源水解转化为乙酸。(3)反硝化SEM照片显示,碱热处理后的香蒲经过浸泡后表面蓬松多孔,密布蜂窝状微孔;碱热组的平均硝氮去除率较高,分别时68.0%、64.6%、74.4%,说明碱热处理可有效提高植物释碳能力、促进反硝化作用。碱热组的反硝化速率也较高,其中碱热香蒲组最大,为0.51mg/(L·h),约为简单处理香蒲的3倍。(4)反硝化特性综合比选发现,投加碱热处理香蒲材料时的污染物净化作用最好,其静态释放C/N为67.85,硝氮去除率为74.4%,反硝化速率为0.51mg/(L·h),且出水COD仅为29.69mg/L,可以在不引起高COD负荷冲击的前提下高效脱氮,故选择碱热处理香蒲投加入人工湿地装置。(5)VFA特性表明,乙酸含量最高,约占总量的62%-76%。乙酸占COD百分比随C/N升高而逐渐增大,不同C/N时乙酸占比分别为62.8%、65.3%、69.3%、75.5%,说明增大碳源投加量有利于提高乙酸浓度。(6)人工湿地装置中,当投加香蒲C/N为5:1时污染物去除效果最好。此时出水COD为26.58mg/L,总氮去除率为86.3%,总磷去除率为59.9%,平均反硝化速率为0.64mg/(L·h),可在不显著提高出水COD浓度的前提下进行高效脱氮除磷。


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