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本研究以中国现有人工湿地污水处理工程为研究对象,从公开发表或公布的文献和报道着手,普遍调查了1990-2010年间我国人工湿地工程的建设数量、污水处理能力、工艺类型、湿地植物种类、建设总投资额、占地面积、出水水质、受纳水体等参数的地区分布情况及分布原因。同时,探讨了气候类型、年平均降水量、全年平均日照时数、年均气温、太阳辐射总量、无霜期等主要气候因子,与人工湿地工程进水中的重铬酸钾氧化化学需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、悬浮颗粒物(SS)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)平均去除率等理化指标间的关系和影响作用。同时,以文献调查获得的工程数据为数据资源,本研究设计并实现了基于浏览器/服务器(B/S)体系结构的人工湿地工程管理信息系统。主要结论如下:
(1)在国家政策、市场需求和技术可行性的推动下,人工湿地工程建设数量与日剧增,污水处理能力逐年增大,市场化和产业化趋势明显。
(2)受经济水平、工业化程度、城镇化程度、气候条件和土地可用性的影响,我国20°13′-35°20′N范围内,具有亚热带季风气候的中、南部省级行政区中,人工湿地工程建设数量相对较多,常用湿地植物种数约40种,占中国常见225种湿地植物种数的17.78%。
(3)以垂直流人工湿地和表面流人工湿地组合的串联式和混合式人工湿地系统已用于处理20多种类型污水。出水COD可达到20mg·L-1-60mg·L-1,BOD:5mg·L-1-20mg·L-1,TN:1mg·L-1-20mg·L-1,TP:0.2mg·L-1-1mg·L-1。常用出水回用于农业灌溉、补充地表水体和绿化灌溉等6种途径。
(4)随着我国气候类型由东至西分布,人工湿地工程中的CODCr、TP去除率均呈下降趋势,BOD5、TN、TP去除率均呈“M”状趋势。6项理化指标的波动范围在±4.45-±26.93之间。在一定程度上反映了我国人工湿地工程理化指标对不同气候类型的响应特征。
(5)不同气候类型条件下,BOD5去除率和SS去除率的平均值相对较高,分别维持在64.06%-83.40%和74.72%-83.33%之间。其中,在亚热带季风气候和温带大陆性气候条件下,人工湿地工程的6项污染物去除率的均值相对较高。亚热带季风气候条件更有利于提高BOD5去除率,而温带大陆性气候条件更有利于提高SS、TN、TP、CODCr的去除率。由此可见,亚热带季风气候和温带大陆性气候所在地区,有利于提高人工湿地工程运行期间的处理效果。
(6)以全年日照时数为核心的6项气候因子之间可能存在相互关联。无霜期和全年日照时数可能为直接促进CODCr、SS、TP去除率的主要因素。当上述两项气候因子提高时,基于人工湿地工程中CODCr、SS、TP的去除率与其它理化指标之间相互影响,6项污染物去除率均会有所提高。
(7)年均气温、年平均降水量、年平均日照时数、无霜期与我国人工湿地工程中各项理化指标的比值均呈显著或一定程度的正线性关系,且以SS去除率最为显著。其中,以年均气温对污染物去除率的促进作用最为显著,太阳辐射总量次之。因此,年均气温较高、降水量丰富、年平均日照时数和无霜期较长、太阳辐射总量较大的地区有利于人工湿地工程对污染物去除和降解。
(8)多重回归方程结果表明:在多种气候因子对人工湿地工程污染物去除的约束性共线性影响下,人工湿地工程运行过程中适当增加太阳辐射总量,可能会促使人工湿地系统CO2排放量增大,进而改善植物和微生物对CODCr、BOD5、SS、TN、TP、NH4+-N的降解作用。而过度加强无霜期、降雨量、年均气温、全年日照时数等气候因子,可能会促使土壤中含氮量上升,抑制真菌活动,从而限制多项污染物去除率全面提高。
(9)完善了由工程基本情况,工程地理条件,工程人口和经济条件,工程设计参数,工程运行指标,管理和维护,生态服务功能等组成的我国人工湿地工程指标体系。
(10)构建人工湿地工程数据共享和管理的数据库系统。设计了以Oracle关系数据库为核心的人工湿地工程数据标准,元数据项,及数据字典;开发了一套由基础数据库和工程信息数据库组成的人工湿地工程数据库系统。
(11)基于B/S三层体系结构的管理信息系统功能设计与实现。利用Java语言设计与开发了基于Web的人工湿地工程管理信息系统。系统包括工程信息查询模块、水质预警模块、用户管理模块、维护模块四大功能模块。