（市政工程专业论文）南方农村污水处理设施调查及核心处理单元强化除磷研究.pdf

武汉理j ：人学硕十学位论文 中文摘要 鉴于我国农村的经济发展现状和农民生活习惯，多数农村生活污水未经处 理任意排放，不仅污染了地表水和地下水资源，还给农村居民的生活环境带来 极大的影响，如何解决农村污水处理问题显得至关重要。相对城市来说，农村 经济不发达，缺乏技术人才与管理人员，在进行污水处理时应考虑农村实际情 况。通过对南方水网地区农村污水处理设施的现场调查，针对南方地区的气候 条件以及农村的自然和人力资源特点，宜采用人工湿地作为农村污水处理设施 的核心处理单元。 通常人工湿地对有机污染物和氮素的去除率较高，对磷素的去除效果欠佳， 可采用粉煤灰碎砖块( f a b ) 作为基质强化除磷。本文以f a b 为研究对象，通 过静态摇床试验和人工湿地模型试验研究f a b 的除磷功效。 通过静态摇床试验，研究f a b 的吸附性能以及不同因素对f a b 除磷效果的 影响。试验结果表明：l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 吸附方程均可较好地描述f a b 的吸附过程，f a b 对磷的最大理论饱和吸附量为2 1 2 7 7 m g k g ；通过x 射线荧 光分析，f a b 主要成分为s i 0 2 、c a o 、a 1 2 0 3 以及少量的f e 2 0 3 ，等温吸附反应 前后，主要矿物成分未发生较大变化，但基质中磷素的含量增幅较大；当其它 反应条件不变，吸附时间越长，f a b 对磷的去除率越高；f a b 粒径越小，对磷 的去除率越高；反应温度越高，f a b 对磷的去除率越高。 人工湿地模型处理模拟废水的试验结果表明，当进水含磷量为3 m g l 左右 时，人工湿地对模拟废水中磷的去除效果较好，模拟废水中磷酸盐几乎全部被 去除。运行前两级人工湿地研究水力负荷对除磷效果的影响，结果表明人工湿 地对模拟废水中磷的去除率随水力负荷的增大而下降。 以南湖排污口生活污水为原水，研究人工湿地对实际生活污水中各形态磷 的去除效果，试验结果表明：原水中总磷( t p ) 以可溶性总磷( t d p ) 为主， 可溶性活性磷( s r p ) 是t d p 的主要成分；f a b 基质强化除磷主要是对s r p 的强 化去除，人工湿地出水中s r p 浓度可降到0 0 3 m g l 以下；人工湿地对颗粒磷 ( p p ) 去除主要依靠基质的物理拦截作用完成，去除效果不太理想，去除率仅为 5 0 左右；t d p 中其它形态的磷如有机磷、缩合磷等，在原水中含量低于 0 0 5 m g l ，对磷的去除效果影响不大：f a b 人工湿地出水中t p 的主要成分为 p p ，出水中1 1 p 含量可达城镇污水处理厂污染物排放标准( a b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一 武汉理下大学硕士学位论文 级标准a 类标准。 南湖排污口和红霞村生活污水中磷形态对比分析结果表明：红霞村和南湖 排污口生活污水都以t d p 为主，且t d p 中又以s r p 为主要成分。f a b 人工湿 地对南湖排污口生活污水具有较好的处理效果，而红霞村与南湖排污口生活污 水磷形态具有相似性，因此，f a b 作为人工湿地强化除磷基质，用于处理与红 霞村水质类似的农村生活污水具有可行性。 关键词：农村污水；粉煤灰碎砖块；处理设施；人工湿地；除磷； 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t o w n i n gt ot h ep r e s e n te c o n o m i cs t a t e ，t h el i v i n gh a b i t so fp e o p l ea n dm a n y o t h e rf a c t o r si nr u r a la r e a si nc h i n a ，m o s tr u r a ld o m e s t i cs e w a g ei sd i s c h a r g e d w i t h o u ta n yt r e a t m e n t ，w h i c ha f f e c t st h ew a t e rr e s o u r c e sa n dd o e sg r e a th a r mt ot h e l i v i n gc o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt or e s o l v et h ep r o b l e m c o m p a r e dw i t h c i t i e s ，t h ee c o n o m yi nr u r a la r e a si sn o ts od e v e l o p e d ，a n dt h et e c h n i c a la n d m a n a g e r i a lp e r s o n n e la r en o ta d e q u a t e ，w h i c hs h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni n s e w a g et r e a t m e n t a f t e ra ni n v e s t i g a t i o no ft h er u r a ls e w a g et r e a t m e n tf a c i l i t i e si n s o u t h e r nd r a i n a g eb a s i n ，i ti sb e l i e v e dt h a tc o n s t r u c t e dw e t l a n di sp r a c t i c a la u st h e c o r ep r o c e s s i n gu n i t g e n e r a l l y , t h er e m o v a lr a t eo fo r g a n i cp o l l u t a n t sa n dn i t r o g e nb yc o n s t r u c t e d w e t l a n di sh i 曲，b u tt h a to fp h o s p h o r u si sn o ts os a t i s f a c t o r y f l ya s hb r i c kc a nb e u s e da st h es u b s t r a t ef o re n h a n c e dp h o s p h o r u sr e m o v a li nc o n s t r u c t e dw e t l a n d t h i s p a p e r s t u d i e spr e m o v a l e f f i c i e n c y o ff a bt h r o u g hi s o t h e r m a la d s o r p t i o n e x p e r i m e n t sa n dc o n s t r u c t e d - w e t l a n dm o d e le x p e r i m e n t s 1 r h epa d s o r p t i o nc a p a c i t yo ff a ba n dv a r i o u si n f l u e n c i n gf a c t o r sa r es t u d i e d t h r o u g hi s o t h e r m a la d s o r p t i o ne x p e r i m e n t s 1 1 1 er e s u l ts h o w s ：pa d s o r p t i o no ff a b c o u l db ew e l ls i m u l a t e db yl a n g m u i ra n df r e u n d l i c hi s o t h e r me q u a t i o n ，a n dt h e t h e o r e t i c a lm a x i m u mo fpa d s o r p t i o nb yf a bi st ob e212 7 7 m g k g ；t h em a i nc o n t e n t so ff a ba r es i 0 2 ，c a o ，a 1 2 0 3a n dal i t t l ef e 2 0 3 ，a n dt h e r ei s n tm u c hc h a n g ed u r i n g t h ee x p e r i m e n t ，b u tt h epc o n t e n ti nf a bi n c r e a s e di nl a r g ea m o u n ta f t e ra d s o r p t i o n i na c c o r d a n c ew i t hx - r a yf l u o r e s c e n c ea n a l y s i s w h e no t h e rr e a c t i o nc o n d i t i o n ss t a y t h es a m e ，t h el o n g e rt h er e a c t i o nt i m ei s ，t h es m a l l e rt h eg r a i nd i a m e t e ro ff a bi s ， a n dt h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r ei s ，t h eh i g h e rt h er e m o v a le f f i c i e n c yi s c o n s t r u c t e dw e t l a n dm o d e li sb u i l tt os t u d yt h epr e m o v a le f f i c i e n c yo f s t i m u l a n tw a s t e w a t e ra n dt h ed a t as h o w sw h e nt h epc o n c e n t r a t i o ni nr a ww a t e ri s a b o u t3 m g l ，n e a r l ya l lt h ep h o s p h a t ei sr e m o v e d t l l ef i r s tt w om o d e l sa r er u nt o s t u d yt h ei n f l u e n c eo fh y d r a u l i cl o a do np r e m o v a le f f i c i e n c y , a n di ti sf o u n dt h a tt h e pr e m o v a le f f i c i e n c yi sd e c r e a s e da st h eh y d r a u l i cl o a di n c r e a s e s 1 1 1 eu r b a ns e w a g ea r o u n dt h es o u t hl a k ei su s e da sr a ww a t e rt ov e r i 矽t h ep r e m o v a le f f i c i e n c yo ff a bw e t l a n di nr e a ll i f e t h er e s u l ts h o w s ：t h epi nr a ww a t e r m a i n l yc o n s i s t so ft d p , w h o s el a r g e s tc o m p o n e n ti ss l 妒；t h es r pr e m o v a li s i i i 武汉理i ：人学硕士学位论文 a c c o m p l i s h e dw e l la n di t sc o n t e n ti ne f f l u e n ti sl e s st h a n0 0 3 m g l ；t h ep pr e m o v a l i s c o m p l e t e du n s a t i s f a c t o r i l yt h r o u g ht h ep h y s i c a lb u f f e rb ys u b s t r a t e ，a n dt h ep r e m o v a le f f i c i e n c yi sa b o u t5 0 ；t h ec o n c e n t r a t i o no fo t h e rf o r m so fpi nt d pl i k e d i s s o l v e do r g a n i cp h o s p h o r u sa n dc o n d e n s a t i o np h o s p h a t ei sl e s st h a n0 0 5 m g li n i n f l u e n t , a n dt h e i r sa r en o tr e m a r k a b l e t h em a i nc o m p o n e n to ft h er a ww a t e ri n f a bw e t l a n di sp pa n dt h ee f f l u e n tc a nm e e tias t a n d a r di nt pc o n t e n t a c c o r d i n g t o ”m u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tp o l l u t a n te m i s s i o ns t a n d a r d s ” ( g b 18 918 2 0 0 2 ) ，a n dt h ee f f l u e n ti so fs t a b l eq u a l i t y d i f f e r e n tf o r m so fpi nd o m e s t i cs e w a g ei nh o n g x i av i l l a g ea n ds o u t hl a k ea r e a n a l y z e dc o m p a r a t i v e l ya n dt h er e s u l ts h o w s ：t h e r ee x i s t ss o m es i m i l a r i t i e sb e t w e e n t h eh o n g x i av i l l a g es e w a g ea n ds o u t hl a k es e w a g e ，m o s t l yt d p , w h i c hm a i n l y c o n s i s t so fs r p f a bw e t l a n di se f f e c t i v ei nt h et r e a t m e n to fn a n h uu r b a ns e w a g e ， h e n c ei ti ss a f et oa s s u m et h a ti tw i l la l s ob ef e a s i b l ei ns e w a g et r e a t m e n ti nv i l l a g e s l i k eh o n g x i av i l l a g e k e yw o r d s ：r u r a ls e w a g e ；f l ya s hb r i c k b a t ；t r e a t m e n tf a c i l i t i e s ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d ； p h o s p h o r u sr e m o v a l ； i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 党的十六届五中全会通过了中共中央关于制定国民经济和社会发展第十 一个五年规划的建议，把建设社会主义新农村的目标和要求概括为：生产发展、 生活宽裕、乡风文明、村容整洁、管理民主。这2 0 个字，内容丰富，涵义深刻， 全面体现了新形势下农村经济、政治、文化的发展要求。农村污水处理工程设 施建设是新农村建设的重要基础，建设新农村，水环境保护必须同步。 本课题来源于建设部科技攻关项目一南方水网地区农村污水处理技术研 究。农村生活污水包括洗衣、洗菜、洗浴等生活洗涤水以及厕所冲洗水。由于 我国农村的经济发展状况和居民生活习惯等原因，多数农村生活污水未经处理 就任意排放，这不仅影响地表水和地下水资源，还给村民的生活环境带来极大 的破坏。随着乡镇农村的迅速发展和广大农村人民生活水平的提高以及生活条 件的明显改善，解决农村水污染问题已提到议事日程。 1 2 农村污水处理模式 农村地区居住相对分散，自然和经济条件千差万别，采取一种统二的污水 治理模式十分困难，应该因地制宜，根据村庄的具体实际来确定污水治理模式。 具体可分以下三种模式： 1 2 1 分散处理模式 该模式具有布局灵活、施工简单、管理方便等优点，适用于村庄布局分散、 地形复杂、规模较小、污水不易收集的农村地区。农村分散式污水的处理应因 地制宜，根据人口规模、农户分布格局、村庄地形等实际情况进行规划。 1 2 2 集中处理模式 该模式是对农村污水进行收集， 然处理和常规生物处理等工艺形式。 统一修建污水处理设施。污水处理采用自 该模式具有占地面积小、抗冲击能力强、 武汉理工大学硕士学位论文 运行安全可靠、出水水质好等优点，适用于村庄布局相对密集、规模较大、经 济条件较好的村落。 1 2 3 接入市政管网处理模式 所有农户污水经管道收集后，统一接入邻近市政污水管网，利用城镇污水 处理厂统一处理。该处理模式具有投资省、施工周期短、见效快、管理方便等 特点，适用于城市近郊的农村地区。 1 3 农村污水处理技术 1 3 1 人工湿地技术 人工湿地是由人工建造和控制的，主要依靠植物、微生物以及基质所具有 的物理、化学特性来处理污水。按照系统布水方式或污水在系统中的流动方式， 人工湿地一般可分为自由表面流人工湿地和潜流人工湿地，潜流湿地又分为水 平潜流和垂直潜流两种类型1 2 1 。 1 ) 自由表面流人工湿地 自由表面流人工湿地类似于沼泽，污水在基质表面缓慢流动，水深较浅， 在0 1 0 9 m 之间。生活污水进入湿地系统后，大部分有机物的去除是由水下植 物茎、杆上的微生物来完成，因而这种湿地系统难以充分利用基质和植物根系 对污染物的降解作用，处理效果不太好。 2 ) 水平潜流型人工湿地 水平潜流型人工湿地是在湿地床体中充填一些填料，污水在填料表面以下 流动，可以充分利用基质表面及植物根系上的微生物来净化污水，水力负荷比 表面流人工湿地大。由于水在基质中呈饱和状态，因而湿地基质一般呈缺氧状 态，但由于水生植物可传输较多的氧进入根系，根区附近呈好氧状态，所以在 系统中形成了连续的好氧、缺氧及厌氧状态，这对于污染物的去除，特别是脱 氮具有重要意义。 3 ) 垂直潜流型人工湿地 垂直潜流型人工湿地是污水在基质中自上而下或自下而上做竖向流动，污 染物去除机理与水平潜流型人工湿地相同。与表面流人工湿地相比，垂直潜流 人工湿地的床体般处于不饱和状态，氧气可通过大气扩散和植物传输进入人 2 武汉理工大学硕士学位论文 工湿地系统，其硝化能力高于水平潜流人工湿地，对污水中氮磷有较好的处理 能力。 对于土地资源丰富的农村地区来说，可利用农村现有的荒地、洼地、沼泽 地修建人工湿地。人工湿地建造和运行费用低、操作管理简单，其缺点是占地 面积大、处理负荷不高、冬季温度过低处理效果下降。 1 3 2 土地渗滤技术 土地渗滤技术是将污水投配到天然土壤或种有植物的天然土壤表面，污水 垂直入渗地下，因土壤植物微生物系统包含了过滤、吸附和生物降解等综合过 程，使得污水得以净化。根据土地渗透能力不同，土地渗滤分为慢速渗滤、快 速渗滤、地下渗滤等类型。 1 ) 慢速渗滤系统 慢速渗滤是将污水投配到种有植物的土壤表面，污水在流经土壤表面以及 在土壤植物系统内部垂直渗滤时得以净化的处理技术。向土壤布水可采用表面 布水和喷灌布水两种。污水的投配负荷低，污水土壤层的渗滤速度慢，在含有 大量微生物的表层土壤中停留时间较长，处理效果好。 2 ) 快速渗滤系统 快速渗滤系统是有控制地将污水投配到具有良好渗滤性的土地表面，在污 水渗滤过程中，通过过滤、沉淀以及生物氧化、硝化、反硝化等一系列物理、 化学的作用，使污水得到净化处理的一种污水处理技术。在快速渗滤系统运行 中，周期性地向渗滤田灌水和休灌，使表层土壤处于淹水干燥，即厌氧、好氧 交替状态。在休灌期，表层土壤恢复好氧状态，产生较强的好氧降解反应，被 土壤层截留的有机物为微生物所降解，休灌期土壤层脱水干化，有利于下一个 灌水周期的运行。在土壤层中形成的厌氧、好氧交替运行状态，对氮磷的去除 意义重大1 3 1 。 3 ) 地下渗滤处理系统 采用在土壤亚表面布水的方式投配污水，将污水投配到扩散性能良好的土 壤层中，使污水中的污染物在生态系统的物质循环中进行降解，污水中的能量 通过生态系统的能量流动逐级充分利用，以达到净化水质的目的1 3 | o 在处理过 程中，污水在土壤中扩散时得到净化，大部分水量被植物吸收或经蒸散作用损 失掉，小部分渗入地下。 3 武汉理i ：人学硕七学位论文 土壤渗透性能良好的农村地区，可采用土地渗滤技术。土地渗滤技术基建 投资低、不影响周围环境、出水水质稳定，其缺点是处理负荷低、设计参数复 杂、运行不当极易导致堵塞。 1 3 3 氧化塘技术 氧化塘是利用天然水中存在的微生物、藻类等对废水进行好氧、厌氧生物 处理的天然或人工池塘，通过天然的生化自净作用完成对废水的生物处理。 目前稳定塘的研究主要集中在两个方面：筛选、培育高效水生净化植物( 营 建诸如水葫芦塘、芦苇塘等水尘植物塘) ；组合曝气、水生植物、水产养殖多个 生物处理单元的功能，营造一体化水生动植物复合生态体系 4 1 0 氧化塘基建投资低，可利用农村现有的旧河道、沼泽地等修建氧化塘，并 可综合利用，实现污水资源化，如将氧化塘出水用于农业灌溉，充分利用污水 的水肥资源，养殖水生动物和植物，组成多级食物链的复合生态系统。其缺点 是处理负荷低、占地面积大、处理效果受气候影响，若设计运行不当，可能造 成二次污染，如污染地下水、产生臭气和滋生蚊蝇等。 1 3 4 三格式化粪池 目前农村很大一部分厕所卫生情况差，敞开的( 粪缸) 厕所，既臭又会滋生 苍蝇、蚊子等，对周围环境产生极大的影响，与建立生态型农村不协调。结合 农村改厕进行污水处理，既可解决农村生活污水污染环境的问题，又能改善农 村家庭厕所卫生状况差，对村庄环境质量的提高有非常重要的作用。具体来说， 可将厕所改为三格式化粪池1 5 1 。 三格式化粪池一般有钢筋混凝土和砖砌2 种结构，主要由便池蹲位、连通 管和分成3 个相互连通的密封粪池组成。其中，第l 池主要起截留粪渣、发酵 和沉淀虫卵作用；第2 池起继续发酵作用；第3 池主要起贮存发酵后粪液作用。 在排水系统尚不健全的广大农村地区，化粪池可作为农村污水处理的预处 理设施。三格式化粪池是一种简单的粪便沉淀预处理装置，具有施工工程量小、 投资省、易于推广、不耗能、日常管理方便等优点。 1 3 5 生物膜法 生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物进行污水处理的一种 4 武汉理t 人学硕十学位论文 方法。这种方法的实质是使微生物附着在滤料或某些载体上生长繁育，并在其 上形成膜状生物污泥一生物膜。污水与生物膜接触，污水中的有机污染物作为 营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，使污水得到净化，微生物自身也得以 繁衍增值t 6 l 。生物膜法主要有生物接触氧化、生物转盘、生物滤池等。 对于人口比较密集、土地面积比较紧张的村镇，若处理水量比较大，可采 用生物处理方法，尤其是生物膜法。生物膜法占地面积小、处理负荷高、处理 效果好、抗冲击负荷能力强，其缺点是投资和运行费用比较高。 我国是在经济基础相对落后的情况下实现经济快速发展的。人口基数大、 人均资源少、环境污染和生态破坏的防治将是一项长期的战略任务，特别是水 环境污染问题的解决不可能一蹴而就，需要经过一个长远的治理过程。相对城 市来说，农村经济不发达，缺乏技术人才与管理人员，在迸行污水处理时应考 虑农村实际情况。农村污水处理技术主要有人工湿地、氧化塘、土壤毛管渗滤、 生物膜法等。通过对南方水网地区农村污水处理设施的现场调查( 详见第2 章) 可知，人工湿地在农村污水处理中应用较为广泛。人工湿地操作管理简单，运 行费用低、对于广大的南方农村地区来说，可利用农村现有的荒地、洼地、沼 泽地修建人工湿地。 通常人工湿地对有机物和氮的去除效率较高，对磷素的去除效果不佳，因 此有必要对人工湿地强化除磷技术进行研究。 1 4 人工湿地除磷相关研究 1 4 1 农村污水除磷的必要性 随着农村经济的发展和农民生活水平的不断提高，化学洗涤剂、农药、化 肥的大量使用，使污水中氮磷含量较高。氮和磷能刺激藻类的生长，最终导致 水体富营养化，而磷则被认为是产生水华的最主要因素t 7 1 。磷是湖泊富营养化 的限制因子，藻类的生长首先受到磷元素含量的限制，在磷供给充足的情况下， 氮才成为藻类生长的限制因子t 8 1 , 磷在富营养化过程中的地位要高于氮。如果 农村生活污水中的磷不经任何处理就排放，一旦磷大量进入水体，往往引起藻 类的迅猛生长，进而使水体呈现富营养化。因此农村生活污水必须除磷后才能 排放。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 污水中磷的形态 在水体中，磷几乎都以各种磷酸盐的形式存在。可溶性磷可以被植物吸收， 转化为植物组织中的磷或者吸附在湿地土壤中沉淀而去除。有机磷被氧化会以 溶解磷的形式释放出来。在某些环境条件下，非溶解性的磷可以沉积下来，但 是在条件改变时又可以溶解，水溶液中的磷按照不同的分类方法有如下形态9 1 ： 总磷( t o t a lp h o s p h o r u s ，t p ) ：指污水中各种形式的磷素的总和。 颗粒磷( p a r t i c u l a t ep h o s p h o r u s ，p p ) ：悬浮物中所有形态磷的总和，包括 颗粒态无机磷和颗粒态有机磷。颗粒态无机磷主要有c a l o ( p 0 4 ) 6 2 h 2 0 、f ep 0 4 等，颗粒态有机磷主要指存在于生物体组织内的各种磷化合物。 可溶性总磷( t o t a ld i s s o l v e dp h o s p h o r u s ，t d p ) ：指溶解在水中所有形态磷 的总和，可分为正磷酸盐、缩合磷、可溶性有机磷等。 可溶性正磷酸盐( d i s s o l v e do r t h o p h o s p h a t e ) ：最常见的磷的离子形式，主 要包括h 2 p 0 4 。、h p 0 4 2 、p 0 4 3 - 等形态。 缩合磷酸盐( c o n d e n s a t i o np h o s p h a t e ) ：是某些洗涤剂、去污粉的主要添加 成分，主要包括焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐等。 可溶性有机磷( d i s s o l v e do r g a n i cp h o s p h o r u s ) ：溶解在水中有机结合的磷酸 盐，如磷蛋白、核蛋白、磷脂和糖类磷酸盐等。 可溶性活性磷( s o l u b l er e a c t i v ep h o s p h o r u s ，s r p ) ：可溶性总磷中能与酸 性钼酸盐作用形成磷钼蓝的磷，主要指正磷酸盐及少量易水解为正磷酸盐的其 它磷酸盐，如p 3 0 i o 孓、p 2 鲈，水解形式如下： p 3 0 l o - + h 2 0 p 2 0 7 4 + p 0 4 + 2 h + 、p 2 0 7 4 + h 2 0 专2 h p 0 4 z 。 1 4 3 人工湿地除磷机理 人工湿地除磷是一种简单经济的污水处理技术，其主要除磷机理是通过湿 地中基质的吸附沉积、植物的吸收和微生物的作用共同完成。 1 ) 基质对磷的吸附沉积 基质在湿地构造所占体积最大，它为湿地植物和微生物提供生存环境。富 含磷的污水流经人工湿地后，磷大部分被吸附、沉积于基质中。r e d d y 1 0 1 在研 究中发现人工湿地系统中大部分的磷是通过基质的吸附沉淀作用而被去除的。 基质对磷的吸附沉积主要通过物理吸附、化学沉积、电吸附等途径完成。 物理吸附：在固液混合体系中，固体对溶液中的溶质都有一定的吸附作 6 武汉理工大学硕士学位论文 用。污水流经人工湿地后，其中的磷酸盐通过扩散而被吸附到基质表面，并可 沿表面孔道进一步向其内部迁移。这种吸附作用是可逆的，当污水中磷的浓度 较低时，就会有部分磷被重新释放到水中。因此，基质在某种程度上是作为一 个“磷缓冲器 来调节污水中磷浓度的，那些吸附磷较少的基质也最容易释放 磷t i l l 。 化学沉积：富含c a 、a 1 和f e 的基质，可通过金属离子与磷酸根发生化 学反应生成沉淀沉积于基质表面。 电吸附：在基质表面存在电荷和表面电势，使基质表面具有静电作用， 故而能吸附水中的一些离子1 1 2 1 。水溶液中磷酸根受到基质表面所带的j 下电荷的 吸引，可被吸附到基质表面。 2 ) 植物吸收 植物在人工湿地除磷中起着十分重要的作用。湿地植物根系复杂，不断向 深处生长，并形成一个网状结构，根系直接吸收同化水中可溶性磷酸盐，并将 其变成自身体内的有机成分( 如a t p 、磷脂、辅酶、r n a 和d n a 等) ，通过收 割得以去除。b r i x 3 1 认为，一些水生植物对磷的蓄积能力每年可达3 5 m 2 。 另有研究表明：植物吸收的磷占总磷去除量的1 0 左右，但5 0 的植物体是生 长在土壤下面的，所以通过收获植物去除的磷不超过总磷去除量的5 1 4 1 ，且 在收割后一定时期内出水中磷浓度会升高。 3 ) 微生物作用 微生物对污水中磷的作用，主要是微生物对磷的同化吸收和聚磷菌对磷的 过量积累两种方式。无机磷化合物的溶解性改变、有机磷化合物的分解和无机 磷的氧化和还原都需要微生物的生化反应及酶的催化作用来完成1 1 5 1 。然而，微 生物的活动对污水中总磷的去除贡献并不大。 1 4 4 人工湿地除磷影响因素 基质的理化性质、植物、工艺条件、进水磷负荷、p h 值、温度、水力停留 时间等条件的变化都会影响人工湿地对磷的去除效果。 1 ) 基质的理化性质 人工湿地除磷以基质对磷的吸附沉积为主，基质自身的理化性质影响基质 除磷能力6 1 7 1 。首先，基质中钙、铁、铝、镁等活性物质的含量是决定其除磷 能力的关键，它们通过配位体的交换与污水中的磷酸根发生吸附和沉淀反应， 7 武汉理i ：人学硕士学位论文 因此，这些矿物质含量越高，除磷效果越好。其次，基质的比表面积、粒度分 布和孔隙率也是影响其吸附能力大小的因素，比表面积越大、粒径越小、孔隙 率越高、对磷的吸附作用越强。 2 ) 植物 吴振斌等1 耵建立了亚热带湿生、水生植物为主的下行流一上行流人工湿地 系统，试验表明有无植物除磷效果差别很大，有植物的系统与无植物的对照系 统相比磷的去除效率更高，且随着时间的推移，人工湿地的处理效果逐渐趋于 稳定。鲁敏等鲫研究香蒲、美人蕉、芦苇、灯芯草、菱白、菖蒲和黄花莺尾等 7 种湿地植物对生活污水的处理效果，结果表明水力停留时间为l d 时，种植黄 花莺尾、灯心草的人工湿地对t p 处理效果较好，去除率在8 0 左右。赵丽娜2 0 l 以芦苇、香蒲、菖蒲、风眼莲、美人蕉和伊乐藻等六种人工湿地植物为研究对 象，研究季节变化对主要污染物的去除效果，结果显示：在春季菖蒲和香蒲对 氮磷的去除效果较好；在夏季美人蕉和香蒲对磷的去除效果较好；在冬季美人 蕉对氮磷的去除效果较好。在植物组合的研究中，刘超翔等2 的研究表明，芦 苇具有较强的输氧能力，茭白具有较强的吸收氮磷的能力，将芦苇与茭白混合 种植是一种较好的方式。高吉喜等坨2 1 研究慈菇、茭白、水花生、菹草、金鱼藻、 满江红和菱角7 种水生植物对污水的净化效果，结果表明不同植物相互配合， 可提高植物对水体氮磷的综合净化率。在植物优选时，应选择耐污能力强、处 理效果好、根系发达、生长周期长、对环境适应性强的植物。 3 ) 工艺条件 工艺条件包括池型的选择、强制曝气、多点进水、出水回流等措施，在实 际应用中都能提高处理效果。同济大学沈昌明眩 采用往复流人工湿地，使污水 周期性地往复流过水平潜流湿地，这种人工湿地对城市污水中磷的处理效果达 7 6 3 。扬州大学谈玲2 4 1 采用波形潜流湿地，在湿地内部增设导流板，增大了 水流的曲折性，使污水以波形的流态多次经过湿地内部基质。东南大学钟秋爽2 5 1 研究不同的曝气强度、回流比、进水位置等条件对总磷去除效果的影响，结果 表明强制曝气在气水比为6 时，对总磷去除率达到最大值；当回流比为1 时， 比不回流增加4 2 ；采用多点进水，在湿地前端、湿地1 3 位置、湿地2 3 位置 三个位置同时进水，当三个位置的进水比例为l ：2 ：l 时，对磷的去除效果最 好，比只采用前端进水除磷率增幅超过lo 。 4 ) 进水磷负荷 进水中磷负荷对湿地中磷的吸附和沉淀过程均有影响。研究表明在达到吸 武汉理工大学硕十学位论文 附沉淀平衡之前，高浓度的含磷污水有利于磷的去除，而低浓度的进水则会导 致磷的释放心6 2 7 1 。若进水中磷负荷过高，则易导致基质过快饱和，从而缩短基 质的使用寿命，在实际中应以低负荷为主。 5 ) p h 值 一般认为在碱性条件下，磷酸盐易与含c a 基质发生反应，在酸性条件下易 与含f e 、a l 基质发生反应。基质对磷素的吸附沉积过程可分为两个体系，以钙 为主的体系和以铁铝为主的体系。研究表明在湿地中施入的磷酸一钙( 磷肥) ， 在碱性湿地中可生成一系列的磷酸盐钙( c a 2 p 、c a 8 p 、c a l o p ) ，在酸性湿地中， 可形成无定形磷酸铁铝，并逐渐向结晶的粉红磷铁矿和磷铝矿石转化1 2 8 1 。 6 ) 温度 雒维国等2 9 1 研究指出湿地除磷效果受季节和气温影响较大。各种形态磷的 去除变化趋势与气温的变化是一致的，两者在冬季同时降到最低点，在春夏季 节则有较大幅度上升。当温度升高时，植物根系活动加剧，附近微生物代谢功 能增强，而根系和微生物组成的复杂介质，整体环境使得填料吸附拦截作用增 强，从而提高除磷效率。所以温度季节性的变化会对湿地的除磷能力产生影响， 使磷的去除率发生周期性的波动。 7 ) 水力停留时间 b r i xh 3 0 1 研究表明：水力停留时间会影响污水中磷素向基质微孔表面扩散 和向吸附点位靠近，h r t 长可提高除磷效率，但h r t 又会造成厌氧释磷。h r t 过短，无法满足微生物降解有机磷所需要的时间，导致反应不充分。因此，在 实际中需选择合理的水力停留时间。 1 4 5 强化除磷措施 要提高人工湿地的除磷效率，必须采取强化措施，包括对植物、工艺及基 质的强化。因植物对除磷的贡献率较低，相关的强化研究较少。对于工艺的强 化包括人工湿地池型的优化，使污水与基质和植物充分接触：多点进水可以充 分发挥湿地中后部对磷的截留能力；通过曝气充氧，可加大聚磷菌对磷的摄取； 出水回流可以加大水力负荷，提高水利传导性，改善传质条件。这些措施都能 或多或少地提高人工湿地的除磷率。由于污水中的大部分磷是被基质吸附沉积 去除的，因此，选择合适的基质材料是提高人工湿地除磷的关键措施。在选用 基质时，应选择吸附效率高、截留效果好和性能持久的材料。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 6 基质除磷的研究现状 人工湿地7 0 , - - 8 7 的磷是通过基质的作用完成的1 0 1 ，可见，基质在人工湿 地除磷过程中意义重大。d r i z o 等n 6 1 通过对砾石、高炉灰、炉渣、膨润土、白 云石、铁矾土、页岩、矾土、石灰石、沸石、钙硅石、方解石、大理石、蛭石、 钢渣等基质的磷吸附能力的研究，建议以除磷为目的的人工湿地最好选择高炉 灰、页岩或钢矿渣等为基质。胡小琴u 通过比较高炉渣、粉煤灰砖、炉渣、页 岩、蛭石和碎石六种填料的吸附能力，得出粉煤灰砖对磷的理论吸附量较大。 中国矿业大学黄玲等3 2 1 以首钢钢渣为研究对象，考察了基质用量、吸附时间、 磷溶液浓度以及p h 值对钢渣吸附除磷效果的影响，结果表明钢渣对污水中的磷 有很强的吸附去除能力，出水磷浓度可达到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 ) 一级a 排放标准。华南农业大学朱夕珍等玎”以石英砂、煤灰渣 和高炉渣为基质构建人工湿地，研究不同基质人工湿地对城市污水的处理效果， 就除磷效果而言，高炉渣人工湿地的效果最好，总磷去除率达8 3 9 0 ；煤灰渣 次之，总磷去除率为7 5 8 3 ；石英砂最差，总磷去除率仅为4 5 5 5 。同济大 学谭洪欣等d 4 1 采用现场采样及室内试验方法，研究了钢渣、页岩、砾石和棕色 土壤等湿地填料对磷的吸附特性，结果表明钢渣、页岩、棕色土壤和砾石的磷 最大吸附量分别为2 5 0 0 m g k g 、6 6 7m g k g 、2 5 5 m g k g 和0 5 4 m g k g ；由页岩和 钢渣构建的潜流湿地，当水力停留时间为o 9 5d 运行时，平均磷去除率为9 1 5 2 。 华中科技大学毛艳丽等3 设计人工湿地试验装置填料层厚度5 5 c m ( 其中粉煤 灰厚4 0 c m ) 的人工湿地模型，以连续配水1 0 h ，湿干比l ：4 方式运行。供试污 水取自公厕化粪池出水，t p 在3 m g l , - , 2 5 5 m g l 范围内，试验历时1 4 个月， 总磷大部分通过粉煤灰基质吸附去除，去除率可达7 9 1 - - - 8 9 7 。z h a o 等”6 1 采 用脱水污泥作为基质对芦苇湿地床进行试验研究，进水是农家生活污水，研究 表明脱水污泥作为基质对磷的去除率超过9 0 ，这使得脱水污泥作为一种廉价 的人工湿地基质有了可能，但是要进一步研究污泥对湿地的堵塞以及污泥释放 的物质对湿地处理效果的影响。h e a l 等玎刀利用矿井里面的赭石进行吸附试验， 研究表明经过1 5 分钟的摇动，粗砂赭石对污水中磷的去除达到9 0 ；进一步以 赭石为基质对现有人工湿地部分填料进行更换，历经长达1 5 个月的运行，对磷 的去除率提高了2 7 - - 2 8 。吉林大学权新军 跗以长春天然沸石为原料，改性 后对磷的去除率达7 9 以上，通过改性大大增加了对磷的吸附能力。同济大学 赵桂瑜 们对沸石、白云石、页岩陶粒进行改性研究，沸石经m g c l 2 和a 1 c 1 3 l o 武汉理一t = 大学硕士学位论文 改性、白云石经6 0 0 高温焙烧、页岩陶粒经a 1 c 1 3 改性后，对磷的吸附能力均 得到显著提高，磷理论饱和吸附量分别由原来的2 4 3 9 0m g k g 、8 6 2 1 m g k g 、 2 5 6 4 1 m g k g 提高到1 6 7 0m g k g 、7 1 4 2 9 m g k g 和1 0 0 0 0 m g k g 。 综上所述，国内外对基质除磷的研究可概括为三个方面：通过等温吸附 试验来研究不同基质吸附磷的性能；通过构建人工湿地系统来研究基质对生 活污水中的磷的去除效果；通过对基质改性来提高基质对磷的吸附能力等。 1 5 课题研究的目的及意义 农村生活污水中氮磷含量过高会导致附近水体富营养化，人工湿地对有机 污染物和氮素的去除率较高，对磷素的去除往往因为基质的吸附能力有限导致 去除效果欠佳。工业副产物如钢渣、粉煤灰等被认为是吸附磷性能较好的物质， 但这些基质本身也存在不足之处，比如钢渣作为基质会导致出水p h 过高，粉煤 灰粒径太小会导致湿地系统堵塞。对于基质的改性，固然可以取得较好的效果， 但其经济可行性值得探讨。目前有关人工湿地处理生活污水方面的研究，主要 集中在总磷的去除效果，而对各种形态的磷( 如颗粒磷、可溶性总磷、无机磷、 有机磷等) 的去除研究较少，尚需深入。 粉煤灰粒径小不适合做基质，而以粉煤灰为主要原料的粉煤灰砖是块状， 通过简单加工，可作为人工湿地基质。本课题以粉煤灰碎砖块( f l y a s hb r i c k b a t ， f a b ) 为主要研究对象，本着变废为宝的思想，通过静态摇床试验研究f a b 的 除磷性能及影响因素，通过人工湿地系统试验研究f a b 对实际污水中各形态磷 的去除效果，为f a b 用于农村污水处理奠定理论基础，对解决农村环境污染及 水体富营养化问题具有一定的现实意义。 1 6 研究内容 对南方水网地区( 苏、浙、鄂) 的农村污水农村污水处理设施进行现场调 查，分析南方水网地区农村污水处理现状，并在此基础上确定人工湿地作为农 村污水处理工艺的核心处理单元。通过静态摇床试验和人工湿地模型试验研究 f a b 的除磷效果，具体包括以下几个方面： 1 ) 通过实地走访考察，对南方水网地区( 江