植物滞留系统氮磷污染物迁移转化机理研究

Urban non-point source pollution is an important research frontier, bioretention system which is a best management practices to control urban non-point source pollution has caused great concern at home and abroad. While there is limited research about the migration and transformation mechanism and optimization removal process of nitrogen and phosphorus in bioretention system. In this study, various experimental parameters and structural design of bioretention system were simulated to explore the main factors affecting nitrogen and phosphorus removal and the quantitative relationship, then reveal migration and transformation mechanism and construct migration and.transformation models of nitrogen and phosphorus in bioretention system. At the same time, the optimization algorithms and comprehensive evaluation method was introduced to construct a multi-objective optimization model considering the optimal nitrate,.ammonia and phosphorus removal. By combining model simulation and experimental study, the temporal and spatial characteristic of nitrogen and phosphorus pollution load under different scenarios was verified and relevant control and optimization solutions was proposed, determining the favorable conditions for nitrification,denitrification and phosphorus adsorption, optimizing nutrients removal process in bioretention system. It has important scientific significance and application value for providing a quantitative basis and scientific method to achieve urban sustainable development, protect urban water environment, effective utilization of rainwater, control and management of non-point source pollution.

城市非点源污染问题是当前科学研究的重要前沿，植物滞留系统作为城市非点源污染控制的最佳管理措施已引起国内外的高度关注。而植物滞留系统氮磷污染物迁移转化机制及优化去除过程研究尚十分薄弱。本研究通过不同实验参数及结构设计下，探寻影响植物滞留系统去除氮磷污染物的主要因素，并确定其与氮磷污染物去除率之间的定量关系，揭示植物滞留系统氮磷污染物迁移转化机理，构建植物滞留系统氮磷污染物迁移转化模型。同时，引进优化算法和综合评价方法，以减少系统硝态氮、氨氮、磷去除率最佳为目标，建立多目标优化模型。通过模型模拟与实验研究相结合的手段，探明不同情景下植物滞留系统氮磷污染负荷时空变化过程，提出相应的优化调控方案，确定对硝化、反硝化及磷吸附有利的条件，优化植物滞留系统氮磷去除过程。为实现城市可持续发展、保护城市水环境、有效利用雨水、控制管理非点源污染提供量化依据和科学方法，具有重要的科学意义和应用价值。

城市非点源污染问题是当前科学研究的重要前沿，植物滞留系统作为城市非点源污染控制的最佳管理措施已引起国内外的高度关注。而植物滞留系统氮磷污染物迁移转化机制及优化去除过程研究尚十分薄弱。本研究通过不同实验参数及结构设计下，探寻影响植物滞留系统去除氮磷污染物的主要因素，并确定其与氮磷污染物去除率之间的定量关系，揭示植物滞留系统氮磷污染物迁移转化机理，构建植物滞留系统氮磷污染物迁移转化模型及多目标优化模型。使用植物滞留系统中不同介质（砂土、铁粉、铝粉）作为吸附剂，分别在不同pH值和离子强度下，对人工模拟雨水中硝态氮及磷的吸附实验研究，结果表明，吸附动力学均符合准二级动力学方程，吸附等温线可由Langmuir等温吸附模型进行描述，砂土、铁粉、铝粉对硝态氮及磷的吸附平衡过程均属于单分子层的化学吸附。不同介质对营养盐（铵态氮，硝态氮及磷）的吸附最佳条件为，溶液pH值为5~8，离子强度为20mmol/L。植物滞留系统气液固三相中铵态氮的运移过程的研究结果显示，在模拟雨水后第五至第六天开始，氨气的挥发速率趋于空白样的挥发速率，氨气的挥发主要受气膜控制。向砂土中添加4%的报纸、2%的木屑、4%的腐殖树叶的介质中氨气挥发积累量最大，占铵态氮输入量的比例分别为26.25 %、16.92%、10.91%。厌氧环境下水质硝态氮的去除效果较稳定且高于好氧环境。系统覆盖层材料采用混搭模式，不仅能够提高营养盐的去除率，还具有较好的抗风能力，具有一定的应用价值。覆盖层材料及介质中可溶性磷含量及变化量都较大，导致植物滞留系统对磷的去除效果产生影响，改变系统结构来减少可溶性磷的含量及变化量是稳定系统除磷效果的最佳措施。本项目通过实验模拟及模型研究建立了植物滞留系统营养盐运移扩散模型和多目标优化模型，并已应用到优化植物滞留系统结构研究中，运行合理，结果可靠。本研究结果能够为深入了解植物滞留系统水质运移机理及优化系统结构提供基础数据和理论依据。