人工湿地污水处理潮汐运行强化总氮脱除机理研究

传统人工湿地有限的复氧能力和较差的氧环境使得氨氮的硝化过程往往成为湿地污水处理系统脱氮的限速步骤。合理提高人工湿地复氧能力和改善湿地中的氧环境对提高氨氮氧化能力进而提高湿地总氮脱除效果至关重要。潮汐流湿地床的强复氧能力可以强化氨氮氧化效率，但如何在维持潮汐流人工湿地强硝化能力的基础上优化系统反硝化能力，提高总氮去除率将成为潮汐流人工湿地技术脱氮发展的新挑战。本课题通过分析氮素污染物在潮汐运行过程中的迁移转化规律，探讨了潮汐流人工湿地脱氮机理。针对淹没排空时间比、基质氨氮吸附性能、复氧调控方式等因素，探究了潮汐流湿地床的脱氮优化机制，揭示潮汐流湿地脱氮能力与不同运行工艺之间的关系。同时基于污染物传质及微生物降解动力学的关系，初步建立了潮汐流人工湿地氨氮及总氮脱除效率预测模型。结果为有效地提高潮汐流湿地床脱氮效果拓展新思路，对进一步推动潮汐流人工湿地污水处理技术的发展具有重要的理论意义和工程应用价值。主要结论如下：（1）通过研究淹没排空时间和排空速率对潮汐流人工湿地总氮强化脱除的影响，发现淹没排空时间3 h:3 h更有利于系统硝化和反硝化反应的协同交替进行，相对较慢的排空速率有利于提高铵根离子与湿地基质的接触时间，增大基质的吸附量，也更有利于氧气在基质层间隙中的均匀分布，使湿地床的硝化能力大幅提高。（2）利用分别装有沸石、石英砂、生物陶粒、火山岩的潮汐流人工湿地，通过进出水氨氮和总氮的降解效率以及基质的比表面积、阳离子交换能力、电镜扫面及微生物菌群丰度和结构等表征指标，证明了基质类型对潮汐流人工湿地强化脱氮效率的影响机制。（3）通过分别模拟脉冲式氨氮进水浓度和有机物COD进水浓度以及监测潮汐流人工湿地污染物去除对脉冲负荷的响应，证明了人工湿地潮汐运行可以显著提高湿地系统对较高污染负荷的抗冲击能力。（4）探讨了潮汐流湿地耦合电化学强化脱氮除磷规律。结果表明耦合电化学的潮汐流人工湿地组合系统将潮汐流人工湿地强硝化能力与电化学强硝酸盐和磷酸盐脱除能力进行了优势互补，在潮汐过程中氨氮氧化去除效率维持在90%以上，电化学过程产生的氢离子作为点子供体推动了硝酸盐的异化还原过程，牺牲铁电极产生的絮凝剂不仅提高了磷酸盐的吸附沉淀，同时络合沉淀了硫酸盐异化还原过程中产生的硫化氢，不仅实现了污染物的高效去除，同时实现了污水的无味处理。 2100433B

硝化过程往往是氧环境较差的传统人工湿地处理系统总氮脱除的限速步骤，这使得合理改善湿地床氧环境对强化湿地系统总氮脱除效果至关重要。前期研究证明人工湿地在潮汐运行方式下具有较强的复氧效果和氨氮去除效率，但反硝化能力较弱进而限制了脱氮效率。本课题拟针对人工湿地污水处理系统，通过实验手段分析氮素污染物在潮汐运行过程中的迁移转化规律和微生物菌群响应，深入探讨人工湿地在潮汐运行方式下的强化总氮脱除规律。对比不同淹没排空时间比、基质氨氮吸附性能、复氧调控方式等因素下的总氮脱除效果、硝化反硝化强度以及脱氮菌群变化，完善潮汐湿地床在周期性淹没排空下的强化脱氮机理，力求在维持潮汐人工湿地强硝化能力的基础上协同强化反硝化能力，提高总氮脱除率。根据潮汐湿地脱氮能力与不同运行条件之间关系构建耦合多因素潮汐流湿地脱氮模型。研究成果将是对潮汐人工湿地污水强化处理的重要补充，对推动湿地污水处理技术发展具有重要的理论意义。

人类很早就知道潮汐和月球有密切的关系。中国的古人曾把早晨海水上涨的现象叫做潮，把黄昏上涨的叫做汐，故合称潮汐，或称海潮。中国汉代的王充（公元27～97）在《论衡》一书中指出：“涛之起也，随月盛衰，大小满损不齐同”。古代涛和潮通用，指的都是潮水。这段话科学地说明了潮汐对月球的依赖关系。唐代窦叔蒙 （8世纪中后期）在《海涛志》中对潮汐现象的记述，对其成因的阐说和对其高潮时刻的推算,在潮汐学史上都有一定的价值。北宋燕肃（约961～1040）指出潮汐变化“随日而应月……盈于朔望……虚于上下弦”。他对海潮进行了10年之久的观察，并计算出高潮时刻与月中天时刻的关系，至今仍有参考价值。宋代的余靖（1000～1064）指出潮汐是一种“彼竭此盈，往来不绝”的波动现象。除了中国以外，其他一些国家对潮汐也有种种历史记述。

到了17世纪，英国科学家I.牛顿(1643～1727)才根据他提出的万有引力定律，对潮汐作了科学的解释，至此，用引潮力说明潮汐的原因，便为大家所接受。继牛顿之后,D.伯努利和P.-S.拉普拉斯分别建立了潮汐的静力学和动力学的基础理论。此后，不少学者继续对潮汐进行理论研究，直到19世纪60年代末，开尔文和G.H.达尔文等人提出了潮汐分析和预报方法，并得到广泛应用之后，才形成了潮汐学。

从潮汐学的发展情况来看，在引潮力作用下，实际的大洋水体如何作出响应和在地转适应过程中如何形成各自的潮波系统，一直是重要的研究课题；对全球海洋的主要分潮波的分布虽然已经作出计算，但其精度仍有待于进一步提高；对于有一年以上的每小时潮位观测资料的深水港口，虽可作出可靠的潮位预报，但是对于浅水港口的预报精度不如前者；因为潮流的观测比潮位困难，而影响流场的因素又更加复杂(如天气状况等)，所以潮流的分析和预报的精度有待于提高。应用人造卫星的测量技术和布设海洋浮标阵及浮标站等，可提高潮位和潮流的观测精度，使潮汐的分析预报更加可靠。此外，无论大地测量学、地球物理学、气象学、海洋学或天文学，在应用卫星测高仪时，都要求了解全球海洋任何时刻在大地水准面上的潮位高度。然而，海洋大地水准面受潮汐的影响，难以确定，故必须算出高精度的海洋潮汐分布图。

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热设备的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将纳米流体与不同强化结构的换热面相结合应用于光热转换、换热器、电子元件冷却等领域的换热设备中，对纳米流体与强化传热面的耦合传热特性及强化机理进行研究。针对光热转换的腔体，本项目建立了纳米流体流动与传热的两相格子Boltzmann模型，研究了纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布规律，揭示了纳米颗粒粒径对流动与传热的影响规律，结果发现布朗力的数量级远远大于颗粒间其它的作用力，在强化换热方面起着决定性的作用，纳米颗粒主要分布在腔体的上部或者中部，粒径越小越有利于强化传热，这对光热转换腔体内传热介质及工况的选择、传热机理的解释及强化传热的方向提供了一定的指导意义。针对换热器，本项目配制了不同种类的纳米流体，提出了一种基于紫外分光光度计的稳定性检测方法-透过比法，该方法是一种定量检测方法，与定性的沉淀法相比，具有更加准确的优势。本项目将配制的纳米流体与各种强化结构的换热管相结合，研究了不同结构的强化换热面、纳米颗粒组分对流动与传热的影响，发现强化结构与纳米流体的结合大大提升了换热效果，同时也大大增加了其流动阻力。为了能够客观、综合地评价这些强化技术，引入了火用效率，但是传统的火用效率需要针对每一个物理问题进行模型建立及公式推导，过程繁琐。本项目提出并建立了一种统一的火用效率评价准则图，与传统的火用效率评价相比，本项目的火用效率评价准则图适用范围更广，只要涉及到强化手段，该评价准则均可适用，并且不再需要单独推导和建模，这对于以后新的强化技术在能的品质上的综合评价有一定的指导意义。针对电子元件冷却，本项目研究了不同的强化换热面与纳米流体的结合，结果发现最大纳米颗粒组分的冷却效果不是最好，而是存在一个临界组分，这对于电子元器件冷却表面结构的设计、传热介质及工况的选择提供了一定的指导意义。