进水负荷波动条件下地下渗滤系统自适应性及其表征

污水地下渗滤系统的自适应性主要表现为：在进水负荷及环境条件等影响因子波动的情况下，基质层颗粒的理化性质、微生物结构及氧化还原分区等随之响应，并做出动态调整，实现自我修复，从而延展系统对水质变化和环境因素的适应幅宽。虽然此观点已得到学界认同，但有关地下渗滤系统自适应性的定量表征方法一直没有得到系统研究。本项目针对这一问题，拟采用实验室模拟和现场实验相结合的手段，利用扫描电镜、红外光谱、共聚焦显微镜及GC-MS等分析技术，探明地下渗滤系统进水负荷波动对基质层氧化还原环境分区和多孔介质理化性状的影响，揭示微生物群落结构及功能活动与进水负荷波动的响应关系，定量描述地下渗滤系统的自适应过程，据此建立基于基质层微生物结构和氧化还原环境分区变化的系统自适应性定量表征方法。

本项目采用实验室模拟和现场实验相结合的手段，探明了地下渗滤系统（Subsurface wastewater infiltration system, SWIS）进水负荷波动对基质层氧化还原环境和多孔介质理化性质的影响，揭示了微生物群落结构及功能活动与进水负荷波动的响应关系，定量描述了SWIS的自适应过程，建立了描述SWIS自适应性的数学表达式。主要研究内容及结论如下：（1）进水负荷波动对基质层氧化还原环境分区和多孔介质理化性质的影响。以有机玻璃土柱为模拟系统，查明了SWIS进水负荷及湿干比等运行参数波动对基质层理化性质和氧化还原环境分区的影响，建立了进水负荷与基质层结构参数的定量关联，优化了SWIS运行参数。通过分析湿干比对系统启动期及稳定期的基质理化性质、微生物分布特征以及污染物的脱除效果，推荐SWIS启动期的湿干比为1:3，稳定运行期为1:1。以系统较难脱除的铵态氮和总氮的去除率为设计依据，建议以草甸棕壤为主要填充介质的SWIS最佳的水力负荷范围是0.065~0.081 m3/m2•d，进水BOD负荷不超过12.0 g BOD/m2•d。（2）进水负荷波动对微生物群落结构的影响。采用土柱模拟和现场实验分析相结合的方式，探明了SWIS脱氮微生物群落立体的时空分布特征及结构变化规律，研究了进水负荷波动对脱氮微生物时空分布的影响，建立了进水负荷与功能微生物结构参数的定量关联。结果表明：氨化细菌数量与土层深度和温度的相关性均较差。硝化细菌的数量受温度影响很大。1~3月和10~12月，硝化细菌的数量比其他月份减少了2个数量级。100 cm深度，硝化细菌的数量比60 cm和40 cm分别下降了2个和3个数量级。床体深度每增加40 cm，反硝化细菌的数量增加1个数量级。（3）SWIS自适应性的定量表征方法。通过现场实验，分析了SWIS基质的颗粒结构、理化性质与微生物群落结构等之间的关系，确立并优化了自适应过程的表征参数，揭示了进水负荷弹性波动条件下，基质层物理结构、氧化还原环境分区及微生物结构特征变化的自适应过程，建立了SWIS自适应数学表达式，并通过了原位试验校准。项目研究结论将为污水地下渗滤系统或其他土地处理技术的结构参数设计和运行参数调控提供理论支持和技术参考。