地下渗滤系统水力学过程与污染物净化的耦合机制

地下渗滤污水处理系统研究尚存在以下主要问题：工程设计与运行基本依赖经验参数，对新型污染物的关注较少，缺少水力学过程的定量描述方法，尤其是对系统的水力学过程与污染物净化效率间的耦合机制还未查明。为解决上述问题，本项目利用沈阳大学校园污水地下渗滤处理工程为模拟研究基地，结合系统的实验室研究，在实时信号采集与模拟计算的基础上，探索地下渗滤系统的水力学过程，分析在基质层二维饱和与非饱和条件下以四环素为代表的PPCPs新型污染物和常规氮磷污染物迁移转化途径与规律，剖析污染物迁移转化过程中的物理化学与生物学影响因素，建立基质层毛细力与污水上升高度间关系的数学模型，从而全面揭示水力学过程与污染物净化效率间的耦合机制，丰富地下渗滤系统的理论内涵，为系统结构优化与工艺设计提供基础数据和理论依据。

针对地下渗滤系统工艺设计与运行维护过多依赖经验参数的现状，本项目通过模拟实验与示范工程相结合，对地下渗滤系统水力学过程进行了定量描述，剖析了系统内污染物迁移转化途径与规律，分析了微生物区系变化，初步探讨了水力学过程与污染物净化的耦合关系。结论如下：（1）改型NiiMi槽式地下渗滤系统因填充基质不同，系统启动周期存在差异；启动期内不同基质层ORP值差异较大，形成了相对稳定的氧化还原区；干湿交替促进了污染物的去除与稳定生境的形成。（2）以达西定律为基础，建立了基于基质水吸力与毛管水上升高度的数学模型，表明最大毛细上升高度与毛管半径或直径成反比，颗粒细小的基质最大毛细上升高度大。以Richards水分运动模型为基础，建立了水分运动控制方程。研究表明，基质土水势随着基质含水量的增加逐渐降低，与散水管等距的渗滤区基质土水势比上升区下降快。利用Hydrus 2D软件模拟了水分运动动态效果，形象的反映了系统内部水分分布状态，并在示范工程水流特征分析中得到验证。（3）建立了污染物迁移转化数学模型。可溶态磷和沉淀态磷的迁移作用均强于转化作用；可溶态磷在上升区和渗滤区随着时间延伸浓度逐渐减少。利用对流弥散方程（CDE）描述了基质中氮素的运移和转化过程。双常数方程和Elovich方程较好的反映了四环素（TC）吸附动力学过程；热力学吸附研究表明，在同一温度下TC的平衡吸附量随平衡浓度的增加而增大；同一平衡浓度下，平衡吸附量随吸附温度的增加而减小；TC生物降解过程符合一级动力学方程。（4）微生物区系研究表明，受基质类型、微区氧含量、污水中溶质运移以及运行条件影响，地下渗滤系统中不同深度基质床微生物分布特征差异显著，细菌和真菌主要分布在散水管周边上升区和渗滤区，放线菌和硝化细菌主要分布在上升区，氨化细菌在各层基质中差别较小，反硝化细菌主要分布在较深的渗滤区，各层基质中细菌>真菌>放线菌；散水管附近微生物数量多，物种多样性、丰富度和优势度较高，群落结构复杂，各层基质物种的多度分布较为均匀；同一渗滤系统不同基质层微生物相似度，以及不同渗滤系统同一基质层微生物相似度总体上都不高。工程应用中溶解性有机物的去除效果反映了微生物的功效。（5）水力学过程和微生物特征相辅相成，决定了系统污染物净化效果，形成了耦合关系。