不同固体碳源人工湿地系统氮素迁移转化模拟试验研究

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近年来,由于受到众多不当人为活动的影响,地下水硝酸盐污染已经成为世界性的环境问题。生物反硝化脱氮过程是目前控制地下水硝酸盐污染较为有效的途径,但该过程同时受到多种环境因素的影响,其中选择何种碳源以及如何控制其用量就是限制因素之一。同时发现,人工湿地反硝化脱氮效果还受到水力停留时间以及污染负荷的影响。本文首先利用砂柱试验在稻草和芦苇秸秆两种固体碳源中选择出较为有利的一种,其后构建人工湿地模型,了解该模型内部水流特性,并将砂柱试验碳源选择结果应用于人工湿地模型,研究该模型在不同水力负荷以及不同污染负荷下的脱氮效果。得到主要结论如下:(1)芦苇反应器出水氮素含量较低、出水色度较小、以及碳源降解更慢,更为适合反硝化脱氮过程。(2)构建人工湿地模型,通过示踪剂试验掌握模型内部水流特性,结果发现在水力负荷分别为106.56Ld-1、53.28Ld-1、26.64Ld-1时,平均水力停留时间分别为30.36h、65.22h、203.61h;平均水力停留时间方差为0.11、0.36、0.08;结果显示在水力负荷为53.28Ld-1时水体混合度最高,水力负荷为26.64Ld-1时水体越接近推流状态,但其停留时间太长,不利于实际应用。(3)在水力负荷为106.56Ld-1时,少量区域处于短流状态;出水口附近存在一个自下而上的垂直流;沿水流方向,取样点电导率峰值有递减趋势。水力负荷为53.28Ld-1时,也存在一定的短流现象;同样发现出水口附近有自下而上的水流存在。水力负荷为26.64Ld-1时,出现大面积的水流短路现象,水流仅直接从碳源层中一个取样点通过;其中各点电导率峰值较前两组实验结果均下降。(4)以芦苇为碳源,比较不同水力负荷下该模型除氮效率,以此模拟自然湿地在丰、枯水期对氮素去除效果。结果显示:在进水硝态氮浓度为50mgL-1,水力负荷分别为106.56Ld-1、53.28Ld-1、26.64Ld-1时,硝态氮去除率分别为40%、76.31%、76.36%。(5)在进水硝态氮浓度为50mgL-1,水力负荷分别为106.56Ld-1、53.28Ld-1、26.64Ld-1时,亚硝态氮积累量分别为2.00mgL-1左右、<2.05mgL-1、1.00-1.4mgL-1。在该模型中的第一层,其亚硝态氮含量均低于后两层,但多数情况下,第二层也就是碳源层下的基质层中亚硝态氮含量有所增加,说明该层受到上部碳源的补给,反硝化作用较好。(6)在进水硝态氮浓度为50mgL-1,水力负荷分别为106.56Ld-1、53.28Ld-1、26.64Ld-1时,氨氮积累量分别为<1.06mgL-1、<4.01mgL-1、<3.05mgL-1。三个不同的水力负荷下,第一层中的氨氮含量均比后两层高,因为该层含氧量较高,容易发生有机氮矿化作用。(7)多数情况下,HCO3-含量会随着NO3-含量的降低而有所上升;反硝化虽然是厌氧反应,但实验结果表明DO含量过高或过低都会引起NO2-的积累;但NH4+-N含量的上升伴随着水体pH值的上升。
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