（市政工程专业论文）人工快速渗滤系统微生物特征及氮素去除机理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 人工快速渗滤系统是在传统的污水土地处理技术基础上发展起来的一种崭 新的污水处理系统，是一种指将污水有控制地投配到具有良好渗滤性能的天然 介质表面，污水在受重力作用迅速向下渗透过程中由于生物氧化、硝化、反硝 化、过滤、沉淀、氧化、还原等一系列作用而得到净化的一种污水土地处理工 艺类型，其对有机物、氨氮、s s 等污染因子去除效果较好，但对总磷、总氮去 除效果不理想。 论文在构建人工快速渗滤系统的基础上，通过监测不同深度出水中各种氮 素浓度，找出其转化去除规律。同时，分别对系统好氧段、兼氧段和厌氧段的 微生物特征进行研究，最终探讨系统内氮素转化去除机理。 系统以原水启动，水力负荷逐级递增，主要分为3 个时期：启动初期( 物 理净化效果良好阶段) 、启动中期( 处理效果不稳定或生化培养阶段) 和启动后 期( 生化净化效果良好阶段) 。启动初期，c o d 去除以物理吸附为主；启动中 期，由于吸附趋于饱和，而微生物生长繁殖速度较慢，c o d 去除率下降；启动 后期，c o d 去除以微生物降解为主。系统对c o d 的去除主要集中在8 0 c m 以 上，对c o d 的去除率为8 9 8 ，去除效果较好。 系统运行稳定期，对系统不同深度出水氮素的监测分析表明：( 1 ) 系统最终 出水氨氮浓度为2 9m g l ，去除率高达8 7 3 。( 2 ) 系统各个深度出水口亚硝态 氮浓度均较低，对系统影响较小。( 3 ) 系统出水硝态氮浓度较进水浓度高出约6 倍，说明系统中的氮素有很大一部分转化为硝态氮，只是完成迁移、转化而没 有被彻底降解从系统中去除。( 4 ) 系统总氮浓度有一定的下降，最终出水浓度为 1 3 2m g l ，去除率为4 7 8 。 通过对系统内微生物特征研究发现：( 1 ) 不同深度微生物量为0 0 1 1 2 9 1 0 9 填料o 0 1 8 7 9 1 0 9 填料。( 2 ) 相同条件下，好氧培养基生长的菌落最多。通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 观察，好氧菌体积最大，反硝化菌次之，好氧菌体积最小。所有培养基生长的 菌落表面均湿润光滑。( 3 ) 系统不同深度细菌分布：系统好氧段：好氧菌数量 最多，硝化菌次之，反硝化菌几乎不存在，系统以好氧菌为主；系统兼氧段： 好氧菌数量大幅度下降，硝化菌数量也所有下降，而反硝化菌略有增加，系统 仍以好氧菌为主；系统厌氧段：好氧菌、硝化菌几乎不存在，反硝化菌大幅 度增加，系统以反硝化菌为主。 结合系统内微生物特征，对系统内氮素转化去除机理研究发现：系统内各 种氮素的转化去除机理主要依靠生物机制进行，系统通过硝化作用将氨氮主要 氧化为硝态氮，硝态氮在反硝化作用下还原为氮气，最终逸出系统。系统内氮 素转化去除主要依靠硝化作用、反硝化作用，可能存在厌氧氨氧化反应。由于 系统内部碳源不足，无法满足反硝化作用所需碳源，系统对总氮的去除效果有 待提高。 关键词：c r i 系统；氮素；规律；微生物特征；机理 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e mi saf l e w s e w a g et r e a t m e n ts y s t e m d e v e l o p e d o nt h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a ls e w a g el a n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g y c o n t r o l l e ds e w a g ei sa l l o c a t e dt ot h ep e r f o r m a n c eo fag o o dn a t u r a lm e d i af i l t r a t i o n s u r f a c e ，w h e ns e w a g ed o w n w a r di n f i l t r a t i o no fg r a v i t y , i ti sp u r i f i e da sar e s u l to f t h e p r o c e s s o f b i o l o g i c a lo x i d a t i o n , n i t r i f i c a t i o n , d e n i t r i f i c a t i o n , f i l t r a t i o n , p r e c i p i t a t i o n , o x i d a t i o n , r e d u c t i o na n do t h e re f f e c t s t h es y s t e mh a sag o o dr e m o v a l e f f e c to fo r g a n i cc o m p o u n d s ，a m m o n i an i t r o g e na n ds s ，b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c y o ft o t a lp h o s p h o r u sa n dt o t a ln i t r o g e ni sn o ti d e a l o nt h eb a s i so fm a k i n gu pc o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e m ，t h ep a p e r m o n i t o r e dt h ev a r i o u sn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n so fe f f l u e n ta td i f f e r e n td e p t h s ，f u n d e d o u tr e m o v a la n dt r a n s f o r m a t i o nr u l e s m e a n w h i l e ，i ts t u d i e do nm i c r o b i a l c h a r a c t e r i s t i c so fa e r o b i cs t a g e ，f a c u l t a t i v es t a g ea n da n a e r o b i cs t a g e ，t oe x p l o r et h e m e c h a n i s m so fn i t r o g e nr e m o v a l t h es y s t e mw a ss t a r t e db yr a ww a t e r , i n c r e a s i n gw i t hh y d r a u l i cl o a d i n g ，m a i n l y d i v i d e di n t ot h r e ep e r i o d s ：p r o p h a s e ( w e l lp h y s i c a lp u r i f i c a t i o n ) ，m e t a p h a s e ( i n s t a b i l i t yo fe f f e c to rb i o c h e m i c a lc u l t u r e ) a n da n a p h a s e ( e f f e c t i v eb i o c h e m i c a l d e c o n t a m i n a t i o n ) a tp r o p h a s e ，c o dr e m o v a lm a i n l yd u e dt op h y s i c a la d s o r p t i o n ； m e t a p h a s e ，a sa d s o r p t i o ns a t u r a t i o na n ds l o wr a t eo fm i c r o o r g a n i s m s g r o w t ha n d p r o p a g a t i o n , c o dr e m o v a ld e c r e a s e d ；a n a p h a s e ，c o dr e m o v a lm a i n l yc l u e dt o m i c r o b i a ld e g r a d a t i o n t h ec o dr e m o v a lw a sm a i n l yc o n c e n t r a t e do n8 0 e r aa b o v e t h es y s t e m ；i th a db e t t e rr e m o v a le f f i c i e n c y d u r i n gs t a b i l i t y , m o n i t o ra n da n a l y s i so fn i t r o g e na td i f f e r e n td e p t h ss h o w e d t h a t ：( 1 ) a m m o n i ac o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tw a s2 9m g l ，t h er e m o v a lr a t ea sh i 曲 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 鹪8 7 3 ( 2 ) n i t r i t en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n so fo u t l e tw e r er e l a t i v e l yl o w , l e s si m p a c t o nt h es y s t e m ( 3 ) n i t r a t en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n so fe f f l u e n ti n f l u e n tw a sa b o u t6 t i m e sh i g h e rt h a nt h ei n f l u e n t , n i t r o g e nw a st r a n s f o r m e di n t on i t r a t en i t r o g e n , j u s t c o m p l e t i n go fm i g r a t i o n , t r a n s f o r m a t i o na n dd e g r a d a t i o n , h a dn o tb e e nc o m p l e t e l y r e m o v e df r o mt h es y s t e m ( 4 ) t o t a ln i t r o g e nh a dac e r t a i nd e c l i n e ，t h ef i n a l c o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tw a s1 3 2m g l ，t h er e m o v a lr a t ew a s4 7 8 t h em i c r o b i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e ms h o w e dt h a t ：( 1 ) q u a l i t i e so f m i c r o o r g a n i s m s a td i f f e r e n t d e p t h s w e r eb e t w e e n0 0112 9 10 9f i l l e r sa n d 0 018 7 9 lo gf i l l e r s ( 2 ) a tt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h ec o l o n i e so fa e r o b i cm e d i u mw e r e t h em o s t t h r o u g ho b s e r v a t i o n , t h ev o l u m eo fa e r o b i cb a c t e r i aw a sl a r g e s t ，f o l l o w e d b yd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a , n i t r i f y i n gb a c t e r i aw a st h es m a l l e s t t h es u r f a c e so fa l l c o l o n i e sw e r em o i s ta n ds m o o t h ( 3 ) b a c t e r i ad i s t r i b u t i o na td i f f e r e n td e p t h s ：o a e r o b i cs t a g e ：a e r o b i cb a c t e r i aw a st h el a r g e s t , f o l l o w e db yn i t , l y i n gb a c t e r i a , d e n i t r i f y i n gb a c t e r i aa l m o s td i dn o te x i s t , t h es y s t e mw a sm a i n l yo fa e r o b i cb a c t e r i a ； f a c u l t a t i v es t a g e ：t h en u m b e ro fa e r o b i cb a c t e r i ag r e a t l yd e c r e a s e d , a n ds ow a s n i t r i f y i n gb a c t e r i a , w h i l ed e n i t r i f y i n gb a c t e r i ah a das l i g h ti n c r e a s e ，t h es y s t e mw a s s t i l lm a i n l yo fa e r o b i cb a c t e r i a ；a n a e r o b i cs t a g e ：a e r o b i cb a c t e r i aa n dn i t r i f y i n g b a c t e r i aa l m o s td i dn o te x i s t , d c n i t r i f y i n gb a c t e r i ag r e a t l yi n c r e a s e d ；t h es y s t e mw a s m a i n l yo fd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a c o m b i n e dw i t hm i c r o b i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a p e rs t u d i e do nt h em e c h a n i s m s o fn i t r o g e nr e m o v a l ：n i t r o g e nw a sm a i n l yr e m o v e db yb i o l o g i c a lm e c h a n i s m s a m m o n i ac o n c e n t r a t i o nw a so x i d i z e dt h r o u g hn i t r i f i c a t i o n , a n dt h e nn i t r a t en i t r o g e n w a sr e d u c e di n t on i t r o g e nb yd e n i t r i f i c a t i o n , a n du l t i m a t e l ye s c a p e df r o mt h es y s t e m r e m o v a lo f n i t r o g e nm a i n l yd e p e n d e do nn i t r i f i c a t i o n , d e n i t r i f i c a t i o n , a n dt h e r em a y b ea n a e r o b i ca n a m o n i u mo x i d a t i o n b e c a u s eo fl a c ko fc a r b o ns o u r c e ，t h es y s t e m w a si n a d e q u a t et om e e tc a r b o ns o u r c eo fd e n i t r i f i c a t i o n , r e m o v a le f f i c i e n c yo ft o t a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 n i t r o g e nn e e d e dt ob ei m p r o v e d k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e m ；n i t r o g e n ；r u l e m i c r o b i a l c h a r a c t e r i s t i c s ；m e c h a n i s m 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 论文通过构建人工快速渗滤系统，对系统不同深度出水氮素进行监测分析， 在研究分析系统内微生物特征的基础上探讨系统内氮素转化去除机理，论文创 新性为： 掌握c r i 系统内氮素转化规律，研究c r i 系统内不同深度微生物特征，并 结合微生物特征对系统氮素转化去除机理进行探讨，研究发现：系统内氮素的 去除转化主要依靠硝化作用和反硝化作用，由于系统内部碳源不足导致反硝化 作用不强，氨氮转化为硝态氮，不能彻底从系统去除，解释了工程中“氨氮去除 率高，总氮去除率低”的现象。 嚣箸蟹缒 醐：1 矿 西南交通大学曲南文通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：黻 指导老师签名： 日期： 1 玛1 彳抽u 日期：硼9 ；j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 研究背景 随着人口的增加和工业化程度的不断提高，我国水资源问题日益突出，主 要表现为水资源短缺和水环境污染两方面，其中水污染问题尤其严重。据报道， 我国每年排放污水量达数百亿吨，而已建成的污水处理厂通常使用传统的污水 处理技术，基建与运行费用高，对我国目前的经济实力来说难以承受，而且远 远不能满足污水处理的需要，水体富营养化就是比较突出的问题之一。土地处 理系统由于具有投资少、建设运营成本低等特点，成为研究和关注的热崩，4 1 。 污水土地处理系统是指利用农田、林地等土壤微生物一植物构成的陆地 生态系统对污染物进行综合净化处理的生态工程；它能在处理城镇污水及一些 工业废水的同时，通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生 长，实现污水的资源化与无害化。 污水土地处理源于污水灌溉农田，其历史可追溯至公元前。欧洲自1 5 31 年即有记载。美国于1 8 8 8 年开发了污水快速渗滤技术，经过改善演变，至2 0 世纪6 0 年代美国已建有2 0 0 0 多座具有不同特色不同类型的污水土地处理场， 截至1 9 8 7 年，美国已有4 0 0 0 多座运行良好的污水土地处理系统。我国也有利 用污水灌溉农田并进行污水处理的悠久历史。2 0 世纪8 0 年代初，随着城市与 工业生产的发展，我国先后开辟了十多个大型污水灌区。 污水土地处理系统具有明显的优点：促进污水中植物营养素的循环，污 水中的有用物质通过作物的生长而获得再利用：可利用废劣土地、坑塘洼地 处理污水，基建投资省；使用机电设备少，运行管理简便低廉，节省能源； 绿化大地，增添风景美色，改善地区小气候，促进生态环境的良性循环； 污泥能得到充分利用，二次污染小。 污水土地处理系统如果设计不当或管理不善，也会造成许多不良后果，如： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 污染土壤和地下水，特别是造成重金属污染、有机毒物污染等；导致农产 品质量下降；散发臭味、蚊蝇滋生，危害人体健康等嘲。 土地处理系统是利用土壤一植物系统净化污水的功能。达到一定的处理目 标。土地处理系统对污染物的去除过程包括土壤的过滤截留、物理和化学吸附、 化学分解和沉淀、植物和微生物摄取、微生物的氧化降解、蒸发等。 根据系统中水流运动的速率和流动轨迹的不同，污水土地处理系统可分为 五种类型：慢速渗滤系统( s l o wr a t ei n f i l t r a t i o ns y s t e m ，s r 系统) 、快速渗滤系 统( r a p i dr a t ei n f i l t r a t i o ns y s t e m ，r i 系统) 、地表漫流系统( o v e r l a n df l o ws y s t e m ， o f 系统) 、人工湿地( a r t i c i f i c i a lw e t l a n ds y s t e m ) 和地下渗滤处理系统( s u b s u r f a c e w a s t e w a t e ri n f i l t r a t i o ns y s t e m ，s w i 系统) 1 5 - 6 1 。 污水快速渗滤是污水处理的行之有效的方法，是污水资源化的重要手段， 具有很高的环境效应、经济效应和社会效应。国外许多学者从6 0 年代开始，对 此进行了大量的研究工作，8 0 年代以后，该项技术在一些发达国家得到普及 7 1 。 人工快速渗滤系统( c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e m ，简称c r i 系统) 是由中国地质大学( 北京) 水资源与环境学院钟佐粲教授等在传统的污水土地 处理技术基础上发展起来的一种崭新的污水处理系统f s 咧，是一种指将污水有控 制地投配到具有良好渗滤性能的天然介质表面，污水在受重力作用迅速向下渗 透过程中由于生物氧化、硝化、反硝化、过滤、沉淀、氧化、还原等系列作 用而得到净化的一种污水土地处理工艺类型。 由于c r i 系统独特的结构及进水方式，使得渗滤介质表面的微生物菌相十 分丰富，通过进水周期的变化，渗滤介质表面具有好氧、兼氧、厌氧的作用， 从而进一步提高污水的处理效果，其中好氧生物降解是c r i 系统去除有机污染 物的主要机制。整个处理过程不需投加药剂，也不需传统好氧处理方法中采用 的机械曝气等高能耗设备，故投资和运转费用较低。一般来说，c r i 系统具有 以下特征咿l l 】： 渗滤介质一般选择既具有一定的渗透性能，又具有一定的阳离子交换性 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 能，主要是以天然砂为主，其砂径比传统的生物滤池要小，通常是0 2 m m - - 2 m m 之间。滤层厚度一般为l - - 2 m 。渗滤介质一般为河沙、砾石、卵石和大理石等， 渗滤介质容易获取，且价格便宜，使得系统可以根据不同进水浓度和出水水质 要求调整设计参数，机动灵活。 一般不需要曝气和反冲洗，c r i 系统之后不需要再设计二沉池，结合地 形可以做到处理系统无动力，若地形自然落差不够，则需要一次提升布水，能 耗也很低。 人工快速渗滤系统，主体结构可以建于地上也可埋于地下，选址机动灵 活，不受场地条件限制，不会因为渗漏而造成对地下水的污染。 采用人工介质回填。系统水力负荷高( 一般大于l m d ) ，与传统土地处 理工艺相比占地面积小，但是与常见城市污水处理工艺( 活性污泥法和生物膜 法) 比较占地较大。 和一般的二级生化处理系统在形式上有较大的不同，c r i 系统采用干湿 交替的工作方式，从而导致系统内部存在着氧化还原条件往复出现的环境特征， 这是一般的生物处理系统所不具备的。 平面布置灵活，工艺简单，运行管理方便，基本不需要人操作，若水力 负荷较大，为避免堵塞现象，则需定期翻动表层填料。 系统运行稳定、可靠，抗冲击负荷能力强。 目前，经过多项实际工程证明，c r i 系统在处理城市生活污水和受污染的 地表水时具有显著效果，处理出水大部分指标达到了城镇污水处理厂污染物 排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中的一级标准中的a 标准。而且，该技术由于具 有工艺过程简单，工程投资低，运行成本少等特点，对我国中小城镇污水处理 以及受污染河水治理具有重要应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1c r i 系统研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 近十几年来，美国、法国、芬兰、丹麦、瑞士等国家对污水土地处理进行 了详细的试验资料，并相继建成一些实用工程，且运行效果良好。我国自8 0 年代初开始，确立了根据我国国情与各地区的自然和社会经济状况，实行人工 处理与自然处理并行的技术政策。在吸收与改进发达国家传统的污水人工处理 技术的同时，积极推行替代二级处理的土地处理、稳定塘等自然处理技术。土 地处理技术经过“七五”、“八五”联合科技攻关，实现了从小试、中试到实用规 模的试验、示范研究；确定了完整的技术分类系统；明确了各种类型的工艺特 征、技术要点与工程参数，为我国推行这一技术奠定了坚实的基础f l o l 。 目前，针对c r i 系统的研究主要体现在以下几个方面： 1 系统复氧问题的研究 c r i 系统是污水土地处理的一种，其复氧主要靠大气复氧。为提高系统复 氧效率，可以采用以下三种方法：一是采用周期性干湿交替的工作方式加强系 统复氧 1 2 1 4 】，这一方面可以防止由于有机物生长和悬浮物沉积所造成的渗滤池 表层孔隙过度堵塞，有效地恢复系统的渗透性能，保持稳定的处理水量；另一 方面对系统进行复氧，使系统内部潜层剖面上交替形成氧化还原环境，有利于 有机污染物的降解去除；二是利用植物的根系对系统内部进行复氧。对于植物 根系对系统的复氧，不同学者计算方法不同，得出的结果差别也很大，不同类 型的植物对氧的传输能力也不相同。据文献报告，植物根系对氧的传输率可达 2 0 9 m 2 d t - s 】，对系统复氧有明显效果；三是安装通风管，主要应用于地埋式砂滤 系统。此外，最新研究表明，采用微曝气的方式给土地处理系统复氧，效果明 显 1 6 2 1 。 利用植物根系对系统内部进行复氧，对于c r i 来说一般效率不高；采用人 工曝气的方式虽然曝气效果显著，但相应会增加设备投资和运行费用( 电费) 。 采用周期性干湿交替的工作方式加强系统复氧，则能使系统较好复氧，降低系 统运行成本。 2 渗滤介质研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 水力负荷高，占地面积小，是c r i 系统的突出特点。因此，用作c r i 系统 的渗滤介质必须具有较好的渗透性能。介质的渗透性能越好，其水力负荷越高。 但水力负荷太高，又难以保证系统的出水水质。因此，所选择的渗滤介质既要 有很好的渗透性能，又要含有一定量的粘土矿物和有机质 2 2 叼1 。天然砂由于易 于获取、价格低廉、渗滤性能好等优点，成为c r i 系统中最常用的渗滤介质。 目前，工程中常用的天然砂为河流冲击沙以及黄沙。 砒系统，特别是c r i 系统，其水力负荷高，水与微生物接触的时间短，且 所采用的渗滤介质与天然土层相比，其对n 、p 的去除率相对较低。因此，目 前这方面的研究主要是在渗滤介质中添加一定量的磷吸附材料( 如海绵铁) 或 增加一定量的石灰石等，以弥补因硝化作用而消耗的碱等 2 4 - 2 - r 。 3 系统堵塞问题研究 堵塞问题是污水土地处理系统研究的重要内容之一。它不仅影响系统的水 力负荷，而且也会大大缩短系统的使用寿命。一般认为，造成系统堵塞的原因 主要有悬浮物的截留、吸附、化学沉淀以及微生物膜的增长等 2 3 , 2 s 1 。目前解决这 一问题的途径主要有两种：一是加强预处理，降低系统的有机负荷；二是根据 进水浓度和系统处理出水水质要求，选择渗透性能适中的渗滤介质。 4 运行方式研究 运行方式直接影响砂滤系统的复氧途径和复氧效率。不同的运行方式直接 影响水在砂滤系统中的动力学行为。在相同的水力负荷条件下，缩短淹水期， 增加污水在单位时间的投配次数，会直接影响地埋式砂滤系统的污染物去除效 果( 1 1 , 2 9 。 5 水力负荷 水力负荷即土地处理系统对污水的处理量，一般用单位土地面积上单位时 间内施加污水的深度表示。合理的水力负荷值应满足以下条件：保证良好的 出水水质；系统能够稳定运行，不能因为污染物超负荷而被堵塞。在保证出 水水质前提下，提高系统水力负荷是c r i 系统的主要目标之一。目前，在c r i 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 工程设计中，水力负荷的典型值是：对于河流污水采用1 5 m d ，对于生活污水 采用1 0 m d 。c r i 的水力负荷值比砒的水力负荷上限高出3 5 倍。因此，在设 计水力负荷时，需要将系统的渗透能力、系统对污染物的处理能力和进水的污 染物浓度综合考虑。 6 水力负荷周期及湿干比 水力负荷周期是指系统一次淹水和一次落干构成的循环。一般把于、湿延 续的时间比称为干湿比。一旦确定了配水时间和湿干比，也就确定了水力负荷 周期。适宜的配水周期与湿干比的确定，是c r i 系统运行的技术关键，影响着 c r i 系统的水力负荷和处理效果。 目前，人工快速渗滤系统工程大多采用短水力负荷周期的方式布水，典型 的方式是每天投配4 次，每隔6 h 投配一次的方式。这与对系统所采用的水力 负荷周期有很大的差别【州，】。大量研究表明对于生活污水，采用每天投配4 次， 每隔6 h 投配一次的方式较为合适。 7 微生物研究 土地处理技术是应用生态学原理加工程学方法而形成的生态工程水处理技 术。其对有机污染物的去除，最终是靠微生物的作用。目前，这方面的研究主 要是集中在对微生物的培养、微生物在系统中的分布、微生物量、微生物活性 等的研究。 虽然在其他污水土地系统中已有不少文献【3 4 啪】报道了微生物在污染物去除 过程中的作用，但是对c r i 系统，这方面的研究还很少。中国地质大学( 北京) 的刘家宝，北京大学的喻治平等对人工快滤系统微生物类群数量、酶活性、硝 化与反硝化作用以及呼吸作用强度进行了研究【邳9 】。 上述诸多方面的研究都是主要围绕如何充分发挥系统的污染物去除潜力， 提高系统的水力负荷，优化其运行方式及参数以增加其实用性。就我国而言， 由于传统的土地处理系统本身的局限性及我国的实际情况，其在我国的推广进 程相对缓慢。但随着对c r i 系统的研究，目前已建成一些实际工程，例如凤凰 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 河二沟污水治理工程、成都军区汽车1 8 团生活污水治理工程、天基工业园生活 污水处理工程、同兴五金塑胶厂中水回用工程、中信绿色高尔夫俱乐部生活污 水处理工程、东莞华兴电器厂生活污水处理工程、牛湖河水资源化工程、深圳 观澜高尔夫球会牛湖河治理工程等【一- 】。 1 2 2 生物脱氮研究 废水采用生物脱氮的基本原理是先将废水中的有机氮转化为氨氮，然后通 过硝化反应将氨氮转化为硝态氮，在通过反硝化反应将硝态氮还原成气态氮从 水中逸出，从而达到从废水中脱氮的目的，主要包括氨化作用( a m m o n i f i c a t i o n ) 、 硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) 和反硝化作用( d e n i t r i f i c a t i o n ) 删。氨化作用可在好 氧或厌氧条件下进行，硝化作用是在好氧条件下进行、反硝化作用在缺氧条件 下进行嘲。如果废水中的氮只存在硝态氮，仅需反硝化作用就可以达到脱氮的 目的【4 s 】。 生物脱氮法发展很快，在传统的多级活性污泥生物脱氮法的基础上，为提 高脱氮效率、降低运行成本和费用、减少占地面积、便于操作、降低能耗、避 免二次污染等方面考虑，国内外开发了许多各具特色的脱氮工艺。如前置反硝 化单级活性污泥除磷脱氮法a o 工艺和其改进工艺、b a r d e n p h o 工艺、 p h o e d o x 工艺等；a 2 o 工艺及其改进工艺：u c t 、v i p 工艺及改良u c t 工艺； 序批式活性污泥法s b r 工艺及改进工艺：i c e a s 、d a t - i a t 、c a s s 、i d e a 、 u n i t a n k 、m s b r 等工艺；a b 工艺及改进工艺、a d m o n t 工艺、l i n p o r - n 工艺、l i n p o r - c n 工艺、氧化沟工艺、固定化微生物技术、膜生物反应器 ( r ) 等。不同生物脱氮工艺的脱氮效果见表1 1 。 表1 1 各种生物脱氮工艺效果比较 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第8 页 膜生物反应器( m b r ) 其活性污泥损失几乎为零，故其活性污泥比传统工 艺高出2 - - - 6 倍，该技术可分别控制活性污泥泥龄和水力停留时间，可大大提高 脱氮效率和对有机污染物的去除效率。 一些生物脱氮新工艺如：全程饲养脱氮工艺、s h a r o n 工艺、a n 删o x 工艺、o l a n d 工艺、s n d 工艺、c a n o n 工艺等。若能成功实施应用的话， 可大大降低生物脱氮工艺的能耗 4 5 蛔。 1 2 3 脱氮微生物研究 脱氮微生物是生物脱氮的核心，据z u n f t 的统计，有超过5 0 个属的1 3 0 个 种的细菌具有脱氮作用，其中数量最多的属是p s e n d o m o n a s ( 2 8 种) 、n e i s s e r i a ( 1 3 种) 、b a c i l l u s ( 1 2 种) 。脱氮研究最深入的4 个属是a l c a l i g e n e s 、p a r a c o c c u s 、 p s e u d o m o n a s 、勋d 如6 口c 纪一盯 牾】。随着国内外对脱氮微生物的研究深入，又发现 了一些具有多功能的脱氮微生物。 1 2 3 1 传统脱氮微生物 1 氨化菌 含氮有机物经微生物降解释放出氨的过程，成为氨化作用。氨化作用可在 好氧或厌氧条件下进行。好氧条件下参与氨化的微生物主要有枯草芽孢杆菌、 荧光假单胞菌等，厌氧条件下的微生物主要有腐败梭菌、兼性大肠杆菌、酵母 菌、变形杆菌等【4 9 】。 2 硝化菌 生物硝化是由两组自养型硝化菌亚硝酸盐菌( n i t r o s o m o n a s ) 和硝酸 盐菌( n i t r o s o b a c t e r ) 连续作用的结果。亚硝酸盐菌即氨氧化菌将氨氮转化为亚 硝酸盐；硝酸盐菌即亚硝酸氧化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐。 亚硝酸盐菌包括亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属，其中常见的是亚硝 酸盐单胞菌属( n i t r o s o m o n a sm o n o c e l l a ) ；硝化菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 和球菌属。 3 反硝化菌 大多数反硝化菌是异氧型兼性厌氧菌，如变形杆菌( p r o t e u s ) 、假单胞菌 ( p s e u d o m o n a s ) 、小球菌( m i c r o c o c c u s ) 、芽孢杆菌( b a c i l l u s ) 、无色杆菌属 ( a c h r o m o b a c t e r ) 、嗜气杆菌属( a e r o b a c t e r ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) s o l 。 1 2 3 2 新型脱氮微生物 1 氨氧化菌 氨氧化菌有自养型和异养型之分，一般认为自养型氨氧化茵是硝化作用的 主要菌群c 5 1 】。在伯杰氏系统细菌学手册第一版中，氨氧化菌划分为五个属， 即n i t r o s o m o n a s 、n i t r o s o s p i r a 、n i 折o s o c o c c u s 、n i t o s o v i b r i o 和n i t r o s o l o b u 曩。 通过现代分子生物学方法，目前已经确定的厌氧氨氧化菌有两种，分别是 s t r o u s 发现的c a n d i d a t u sb r o c a d i aa n a m m o x i d a n s 和s c h m j d 发现的c a n d i d a t u s k u e n e n i a 罗如始口r 沈栅。j e t t e n 等人和g r a f t 等人在a n a m m o x 富集菌培养物 中都发现有好氧氨氧化菌存在1 5 3 5 4 j 。 2 异氧硝化菌 早在2 0 世纪8 0 年代生物学家就研究发现，许多硝化菌如荧光假单胞菌、 粪产碱茵、铜绿假单胞菌等都可以进行异养硝化，该菌具有生长速度快，细菌 产量高，要求溶解氧低，能够在偏酸性环境中生长等特点 5 5 1 。 3 好氧反硝化菌 r o b e r s t o n 和k u e n e n 最早提出好氧反硝化的概念，后来，他们在反硝化和 除硫系统中首次分离出好氧反硝化菌t h i o s p h a e r ap a n t o t o p h a 、p s e u d o m o n a ss p 和a l c a l i g e n e s f a e c a l i s 等。其他常见的好氧反硝化菌有p s e u d o m o n a sn a u t i c a l 、 t h a u r e am e c h e n i c h e n s i s 、m i c r o v i r g u l aa e o d e n i t r i f i c a n s 等【5 6 q 7 】。 1 3 课题来源 含有大量植物性营养元素但、磷的污水排入环境，引发浮游生物的过度繁 殖，造成了水体的富营养化，其危害性相当严重嗍。水环境污染和水质富营养 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 化问题的尖锐化迫使越来越多的国家制定严格的氮、磷排放标准。因此，有效 地降低废水中的氮、磷的含量已成为水处理技术的项新课题。 论文以四川省科技攻关计划课题项目四川省重点流域农村水污染治理关 键技术与成套设备研究( 项目编号：2 0 0 6 2 1 0 0 0 9 ) 为依托，选定“人工快速渗 滤系统微生物特征及氮素去除机理研究”为题，在研究c r i 系统微生物特征的 基础上，探讨c r i 系统污染物降解机理，尤其是氮素转化规律，以便更好的指 导c 赳系统工程设计，有助于c r i 系统的操作和运行。 1 4 研究内容、方法及技术路线 c r i 系统通常采用淹水和落干相交替的工作方式，即定期投放污水，使渗 池淹没，而后停止投放，使渗池表面暴露于大气，经历干燥和氧化作用。这一 方面可以防止由于生物的生长和悬浮物沉淀所造成的渗滤池表层孔隙的过度堵 塞，有效地恢复系统的渗透性能；另一方面可在系统内部的浅层剖面上交替形 成氧化还原环境，从而使c r i 系统具有独特的净化污染物功能【5 9 】。c r i 系统机 理迄今尚未完全清楚，但普遍认为它是在过滤截留、吸附和生物降解的协同作 用下去除污染物的【e 州】。 目前c r i 系统的普遍存在“氨氮去除率高，总氮去除率低”的现象。因此 本论文在研究微生物特征的基础上，着重对以下几方面进行研究： ( 1 ) 通过对c r i 系统中的微生物培养，研究不同深度( 好氧、兼氧、厌氧 段) 微生物特征； ，( 2 ) 通过分析c r i 系统不同深度出水中各氮素指标，找出c r i 氮素降解转 化规律； ( 3 ) 结合微生物特征分析c r i 系统不同深度氮素转化去除机理。 论文主要采用室内模拟试验以与理论分析的相结合的方法，运用吸附作用、 水污染控制理论以及废水生物脱氮等理论进行研究，论文主要技术路线见图 】- 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 r c r j 相关文献查阅， ， i 一确定论文研究内容一 上 。制定试验方案 一： 反应柱设计加工：2 ， 卜+ ，试验研究。l ， ， 微生物特征氮素指标 审， 丫 微 生， 。微微 验亚 物。 生j生硝 生 物。物 证 氨硝 ，态 总 长 数形 试 氮态 氮 氮 且 态 验氮 且 里 里 结合微生物特征分析氮素转化去除机理 ， ， 结论 图1 1 论文技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第二章c r i 系统氮素转化规律试验研究 2 1c r i 系统氮素转化