基于多场耦合的人工湿地N2O排放机制数值模拟研究

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近些年来,我国农村污水处置问题一直受到社会的广泛关注。人工湿地作为一种造价低廉、操作简便的分散式污水处理方式,已在国外的农村地区得到了广泛的应用。在人工湿地运行体系中,温室气体的产生是一个不可忽视的问题。而由于受到实验过程中的监测、采样和分析等环节的限制,对人工湿地中温室气体产生的机制研究相对较少。数值模拟则能弥补人工湿地实验中监测与采样的技术限制,同时可以对实验中无法或较难观测的现象进行探索,实现对实验结果理论的凝练和提高。有鉴于此,本研究利用数值模拟技术对伴有N2O产生的人工湿地污水处理过程进行研究。具体来说,本研究建立了一个包括3种脱氮机制和3种生物N2O产生机制的多场耦合模型,在饱和流和非饱和流的人工湿地运行模式下对模型进行了验证,并展开了常规人工湿地运行参数对系统的影响的理论探讨。本文主要结论如下:(1)通过将本研究所构建模型的模拟结果与饱和流、非饱和流人工湿地实际运行结果进行对比,具体比较了总氮去除率、出水氨氮浓度、硝氮浓度等。经过对比发现,模型模拟值与实验值数据的契合度较高,表明本研究所构建的多场耦合模型具有适用性和有效应。(2)在饱和流运行模式下,主要研究进水有机负荷(C/N)、溶解氧(DO)和曝气方式对污水处理效果和N2O产生量的影响。对出水硝态氮浓度影响最大的因素是曝气时间间隔,其次是进水C/N,增加曝气时间间隔或者增大C/N均会导致硝化过程受限,例如C/N从2增大到10时,总氮去除率从95%降低到80%左右。在N2O的排放方面,影响最大的运行参数是进水C/N,其次是曝气时间间隔,将进水C/N从2增大到10时,N2O产生比例会从0.15%增加到0.45%。(3)在非饱和流人工湿地模式下,主要研究每日总水力负荷(HLR)、进水有机负荷(C/N)及每日进水频率(DF)对污水处理效果和N2O产生量的影响。在非饱和流运行模式下增加总水力负荷、有机负荷或者进水频率都会促进NH4+-N和COD出水浓度的降低,导致NO3--N出水浓度升高。在N2O产生方面,增大进水中的C/N会抑制N2O的排放,增大水力负荷或者增加进水频率都会导致N2O的排放量增加。
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