（市政工程专业论文）生态型土地毛管处理系统技术研究.pdf

摘要 摘要 土地毛管渗滤是一种人工强化的污水生态处理技术，建设和运行费用低， 管理简便，处理效果稳定而出色，适合于处理新城市化地区的分散性生活污水。 但是却不能解决占地过大这一土地处理工艺的普遍问题，国内对土地毛管渗滤 系统的研究和应用较少，对提高土地毛管渗滤系统的运行负荷，减少系统芒i 地 的研究更少。如果占地问题能解决，在亟待完善新城市化地区非点源污水处理 的上海，土地毛管渗滤系统将更具有适用性。本课题主要对土地毛管渗滤系统 的运行机理和提高负荷的措施进行研究和尝试。 天然土壤的渗透性能适中，但是在高负荷条件下，孔隙容易堵塞，通气性 能降低，水在其中下渗速度慢：而煤渣和河沙具有更好的渗透性能，在高负荷 条件下，持水性能不足，不利于污水在其中的横向均匀分布。因此，本课题研 究中采用煤渣加土壤和河沙加土壤的混合装填方式，和单独采用土壤的系统进 行对比，研究每种方式在不同的水力负荷下对污染物的去除性能，并对认戈少系 统占地的措施进行了尝试。 采用煤渣加土壤进行分层装填，可以同时保证系统内的好氧和厌氧环境， 显著改善系统的各项污染物出水指标，尤其对磷的去除效果有很明显的提升， 并且在高负荷条件( 2 0 c m l ) 也能保持高达8 4 4 2 的去除率。采用河沙装填的 装置3 能对氨氮的去除保持良好且稳定的水平，在高负荷下( 2 0 e m l ) 依然能 将去除率稳定在9 7 9 8 的水平。因此应用时可以根据不同的进水水质和排放要 求在两种装置问进行选择。 填料和结构改良后的土地毛管渗滤系统在进一步提高水力负荷和提高总氦 的去除率方面尚有一定的潜力。 关键词：毛管渗滤，填料，分层装填，水力负荷，脱氮除磷 a bs t r a c t s 0 1 lc 印i l l a r ys e e p a g es y s t e mi s an e wa r t i f i c i a l t e c h n o l o g yf o rw a s t e w a t e r e c o i 0 9 1 c a l 仃e a t m e n t ，w h i c hi sc o n v e n i e n tt oc o n s t r u c ta n do p e r a t e ，a l s oe a s vw i t h m a z l a g e m e n ta n dp r o v i d es t e a d ya n ds a t i s f y i n g r e m o v a lr a t et o m o s to ft h e c o n t a m i n a n t s i t ss u i t a b l ef o rt r e a t i n gd e c e n t r a l i z e dd o m e s t i cw a s t e w a t e ri nn e w l v u r b 锄z e da r e a s h o w e v e r , e x c e s s i v el a n do c c u p a t i o n ，w h i c h i sm a i np r o b l e mf h c e db v i 趴dt r e a t m e n ts y s t e m s o i lc a p i l l a r ys e e p a g es y s t e mh a s n o tb e e nw i d e l ys t u d i e di l l c m n a ，l e ta l o n em e a s u r c so fr e d u c i n gl a n do c c u p a t i o n i ft h ea r e ao f s y s t e mc a nb e r e d u c e d ，i tw i l lb em o r ea p p l i c a b l ef o rt h i s t e c h n o l o g yt ob eu s e dt od i s s o l v e n o n p 0 i n ts o u l c ep o l l u t i o ni ns h a n g h a i sn e w l yu r b a n i z e da r e a s t h e s i sf o c u s e so n m e c n 砌s mo fs o i lc a p i l l a r ys e e p a g es y s t e ma n dm e t h o d so f i n c r e a s ei t sh y d r a u l i c l o a d s 1 n c ep e r c o l a t i o nr a t eo f n a t u r a is o i li so b v i o u s l y r e d u c e dw i t hh i g h e rh y d r a u l i c l o a d , c l n d e ra n ds a n d ，w h o s ep e r c o l a t i o nr a t e sa r eh i g h e r , a r ea d o p t e da n db l e 矗d e d w i t hs o i lb yl a y e r si nt h i st h e s i s c o n t a m i n a n tr e m o v a lm e c h a n i s m so f s o i lc a p i l l a r v s e 印a g es y s t e ma r es t u d i e dt h r o u g hm o n i t o r i n gt h e r ep a r a l l e lr e a c t o r s a t t e m p to f r e d u c i n gs y s t e m sl a n do c c u p a t i o ni sa l s oc o n d u c t e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ef i i l p a t t e r no fb l e n d i n gd i f f e r e n tm a t e r i a l sb v l a y e r sc a l lp r o v i d er e m a r k a b l ei m p r o v e m e n ti nr e m o v i n g m o s to ft t l ec o n t 锄i n a n t s c l n d e rl sp r o v e dt ob et h em o s te f f e c t i v ef o rr e m o v i n gt p , w i t h 凇n o v a lr a t eo f 8 4 4 2 u n d e rh i g hl o a d ( 2 0 c r r g l ) s a n d ( b l e n d e dw i t hs o i l ) i sp r o v e dt ob em o s t e f f e c t i v ei nn i - 1 3 一na n d p r o v i d e s9 7 9 8 o f r e m o v a lu n d e rh i g hl o a d ( 2 0 c m l 1 f o ri n t e r i o rs t r u c t u r ea n d 觚- i nm a t e r i a lh a v eb e e ni m p r o v e d ，t h es o i l c a p i l l a r y s e e p a g es y s t e ms t i l lh a sp o t e n t i a li nf u r t h e ri n c r e a s i n gh y d r a u l i cl o a da n dt n r e m o v a l r a t e k e yw o r d ：c a p i l l a r ys e e p a g e ；卸- i nm a t e r i a l ；l a y e r - b y - l a y e r b l e n d i n g ；h y d r a u l i cl o a d ； n i t r o g e na n dp h o s p h o r o u s i l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：丐彭 y i 2 夕矿易年弓月i 易日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在面年解密后适用 本授权书。 、 指导教师躲私泛 学位论文储躲寺艺 0 0 刍； a t 6 e l 佻乞年只f be t 杉 毫百 轹 一 獬 月 秘 亨一 作 年 论 肜 一 雠兰 学 引言 l - 1 课题背景 第一章引言 随着经济和社会的发展，城市规模不断扩大，人口高密度集中，城市污水 的水质和水量都发生了巨大的变化。污水水质的组成成分日趋复杂，水量急剧 增加。水环境的恶化和水资源的紧缺已成为制约城市发展的制约因素。 上海污水治理建设虽然已经取得了长足的进步，但不论与现代化国际大都 市相比，还是与发达国家的一般城市相比，尚存在很大的差距。其中一个主要 的问题就是污水治理设施的布局和设施量均不能满足需要。根据“上海市污水 系统专业规划”，目前上海郊区污水处理设施规模约为8 0 万m 3 d ，现有污水量 约1 1 4 万m 3 d ，郊区设施量不能满足污水排放量要求。城市内外环线之间及外 环线以外仍然有相当数量的地区为污水收集系统的空自区，这些地区的污水大 部分未经收集和处理而直接排放，成为黄浦江和苏州河的主要污染源。近年来 上海市郊新城市化地区面积的不断扩大，人口不断密集，污水排放量不断增加， 但绝大多数没有有效的处理设施，加上小城镇中心区面源污染、周边农业面源 污染，不仅造成小城镇本身环境污染日益严重，而且成为黄浦江、苏州河两岸 区域性水环境的重要污染源，是小城镇建设发展的制约瓶颈。 根据2 0 0 0 年上海市污染源调查结果分析，上海市郊区污染源的特点是组团 式分布，每一组团是一个乡镇，镇与镇之间距离较远，如果将若干乡镇的污水 收集后进行集中处理，需要铺设长距离的管道，建设费用昂贵。另外，和中心 城区相比，郊区经济发展水平偏低( 人均收入仅为中心城区的1 2 ) ，基础设施 落后且不足，污水处理要求高，适用的工艺少，运行管理经验缺乏，郊区小型 污水处理厂的设计、建设和运行也就面临更多难题，如果完全照搬中心城区的 污水处理模式和技术，会导致工程造价和运行费用过高，管理维护过于复杂而 使当地无法承担。目前，上海郊区小型污水厂的建设己被列入“上海市2 0 0 3 2 0 0 5 年环保三年计划”的重点项目之一。因此，研究开发高效节能，操作方便， 因地制宜的小城镇污水处理技术以及分散居民点生活污水就地处理技术，对上 海黄浦江、苏州河水污染控制和水资源保护起着关键性作用，同时具有极大的 引言 市场需求。 1 2国内外污水就地处理技术研究进展 污水的就地处理工艺主要针对分散的少量污水而设计，适用于远离城市排 水管网的村落、宾馆、生活区等场合。系统的设计和建造简便，造价和能耗低， 可独立运行，管理方便，处理效果理想，能有效保护当地水环境，因此被越来 越广泛的使用于分散污水的处理，尤其在发达国家，就地处理技术对水资源和 公众健康的保护具有重大意义。 污水的就地处理技术根据系统的构造和运行机理可分为自然处理系统和人 工处理系统。 1 2 1 自然处理系统 该类系统利用或模拟土壤等自然环境的自净机理，通过系统内部形成的复 杂生态系统对污水中的污染物进行处理。因其环境友好和出色的处理效果在适 当的地区得到广泛的应用。自然处理系统包括土地处理系统和水生处理系统。 1 2 1 1 土地处理系统 作为一种古老的污水处理技术，土地处理系统在多年的应用中也得到了一 定的发展，在就地处理中，最常见的有美国的地下渗滤系统( s w i s ) 和r 本的 地沟式处理系统。 地下渗滤系统( s w i s ) s w i s 系统由配水装置和多条平行布置的快速渗滤沟道组成，沟道内用砂砾 等多孔介质填充( 粒径约0 9 1 5 c m ) ，多孔介质可以维持沟道的结构合容纳部 分污水容量，并把进水均匀的分布到渗透性的土壤表面，还能在洪峰流量时提 供暂时的贮存容量。经过预处理( 通常是化粪池) 的污水由间歇重力流或定时 的用泵或虹吸管定量的输送到渗滤系统内。污水在土壤一微生物一植被的复杂 环境中经过一系列的物理、化学和生物作用得到净化，出水直接渗透到地下水 或由底部管道收集后排放或回用。 人工土层快速渗滤土地处理系统【7 】是污水快速渗滤系统的一种改良工艺，通 过人工配制土壤的手段，改变土壤的组成和土壤本身的环境条件，从而强化土 2 引言 壤的净化功能。对于该系统的研究也比较多。刘汉湖等f 8 】通过室内土柱模拟 试验对人工土层快滤系统处理城市污水能力进行了研究。结果表明，系统具有 较高的水力负荷和较好的去除效果，其对b o d 5 、c o d 、s s 、n h 3 - n 和t p 的平 均去除率分别为7 4 5 、6 1 9 、7 6 4 8 、8 0 8 7 和7 0 7 9 。孙静【7 j 等在 实验室条件下研究不同介质配比、淹水时间、湿干比3 个因素组合对污水处理 的最优运行模式。试验结果显示：当砂土和石英砂介质配比为3 6 7 l ，湿干比 为0 4 ，系统可得到最优t n 去除率8 7 3 6 9 5 9 9 。当介质配比约在2 3 3 1 ， 淹水时间3 4 8 6 小时，湿干比为o 4 时，系统对t p 得去除可得到最优值9 4 5 0 。 出水中t p 浓度为0 1 6 2 0 2 1 7m g l 。 地沟式处理系统 地沟式处理系统也称尼米( n i i m i ) 系统，是由日本开发，利用土壤毛细管 浸润扩散原理研制成功的一种浅型土壤处理系统。 地沟式处理系统主要依靠天然土壤环境内动植物的协同作用对污水进行处 理，主要有土壤的吸附、过滤和沉淀作用，微生物的吸收和降解作用以及植物 的吸收作用。污水在依靠毛管浸润作用向上流动的时候是非饱和流动，因此系 统的上部适合好氧微生物的生长，在更深的土壤中则更利于厌氧微生物的繁殖， 硝化和反硝化反应在系统中都可以进行。污水上升方向和悬浮物沉降方向相反， 可以有效的防止系统上部的堵塞问题。在地沟的上方通常回填天然土壤并可种 植植被，因此占地问题并不是很突出，应用时可以配合绿地等设施的规划。 杨星宇、彭润芝【9 】对位于贵州的两处地沟式处理系统进行研究的结果显示， 地沟式处理系统具有出色的处理效果，b o d s 、c o d 、s s 、n l - 3 n 平均去除率 分别为8 4 0 、8 0 9 5 、9 0 1 、7 9 5 3 ，且连续运行约1 年时间后出水水 质仍然稳定。对于n 、p 的去除效果，关小满【io 】的研究表明，地沟式处理系统内 部的氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌的数量都处于较高的水平， 因此该系统具有硝化一反硝化脱氮的良好的基础和很大潜力。史莉【对地沟式 处理系统除磷效果的研究表明，该系统对磷有很高的去除率，出水t p 平均浓度 为0 3 0 5 m g l ，平均去除率为9 6 6 0 ，季节变化不会影响系统对磷的去除，处 理低浓度生活污水时，进水中的c o d c r p 和b o d g p 值也对去除的影响不大。系 统对磷的去除具有一定的抗冲击负荷能力。 1 2 1 2 人工湿地系统 人上湿地系统通过模拟自然水生动植物生念系统的功能，优化组合及协同 引言 自然生态系统中的物理、化学及生物作用，实现对污水的处理。 用于就地处理的人工湿地系统主要有表面流人工湿地、水平潜流式植被床 和垂直流人工湿地，该类系统更多地利用水生植物的功能。和稳定塘一样需要 占用较大的土地面积，但是由于种植有大量的水生植物，外观上更容易被公众 接受，在土地资源相对丰富的地区是一个很好的选择。 表面流人工湿地 表面流人工湿地系统作为二级处理工艺，具有出色的处理效果，尤其是对 氮的去除。出水经过消毒后可以直接向环境排放，同时由于出色的t s s 去除能 力，且没有稳定塘出水中的藻类等问题，被大量用作地下渗滤系统的前处理工 艺。出水b o d 和t s s 浓度可以控制在2 0 3 0 m g l ，磷的去除效果类似稳定塘， 对粪大肠杆菌的去除率可以达到9 9 9 9 9 t 。 水平潜流式植被床 潜流式植被床属于具有高比表面积的厌氧反应器，表面种植有大型植物。 经过初级处理( 如化粪池) 的污水在其中作水平流动，经过填料植物一微生物的 协同作用得到净化，由于内部多为厌氧环境，在较长的停留时间内，能达到较 好的b o d 和氨氮去除效果，对悬浮固体的截流彻底，出水中t s s 值可以保持在 2 0 m g l 以下，出水消毒后可以直接排放。l u i sp h i l i p p i 和r e j a n er 2 1 等用化粪池 加潜流式植被床处理位于巴西s a n t ac a t a r i n a 省的农业部培训中心排出的生活污 水，服务人口为6 6 人，系统占地4 5 0 m 2 ，在0 7 m 的深度内用沙、麦秆和粘土 交替铺设，底部用防水材料防止出水直接进入地下水。在两年的运行时间内， 对b o d 、t s s 、t n 和t p 的去除率稳定在6 9 、7 5 、7 8 和7 2 ，并且发生 了明显的反硝化反应，对硝酸盐氮的去除率达到8 0 。 垂直流人工湿地 垂直流人工湿地尚在研究中。石副1 2 】等在垂直流人工模拟小试中考察9 种 植物的长势、生物量及对污染物的去除能力，结果表明，在深圳的气候条件下， 植物生长可贯穿全年，但是长势受季节等影响非常明显。植物茎叶的生物量受 收割季节和周期的影响较大，根系的生物量及根区范围随植物收割呈周期性变 化。贺锋【1 3 】等研究了复合垂直流人工湿地各基质层的硝化与反硝化菌数量以及 硝化与反硝化作用强度。结果表明，沿水流方向硝化菌数量和硝化作用强度明 显降低，其变化趋势呈正相关，反硝化菌数量和反硝化作用强度比较稳定，沿 水流方向略有上升，其变化趋势呈显著正相关。因此证明复合垂直流人工湿地 4 引言 独特的结构和水流方式有利于湿地系统的除氮作用。 1 2 2 人工处理系统 和自然处理系统相比，人工处理系统引入了更多的机械和自动化设备，能 对污水的处理过程进行更灵活的控制和调节，强化污染物的降解进程。人工处 理系统主要包括砂滤池系统和一体化处理系统。 砂滤池系统 用于小水量污水就地处理的砂滤池系统主要有间歇循环式生物滤池。该类 滤池可以就地取材，用粒径统一的砾石，沙或其他粒状材料作为滤料，滤料底 层铺设集水管道，污水通过配水管道均匀的投加到滤料表面，在重力作用下通 过滤料层，经过底部的集水管道收集后回流到循环配水池进行排放或迸一步处 理。 污水在间歇循环式生物滤池内通过物理、化学和生物途径被净化，包括滤 料的截流和沉降作用去除进水中的悬浮固体( s s ) ，滤料对污染物的化学吸附( 比 如p 等) 。微生物在滤料的表面形成生物软泥，在污水经过滤料表面时能吸附其 中的悬浮固体和胶体并在好氧条件下将其降解或吸收利用。 和间歇式生物滤池相比，循环式生物滤池可以采用更大粒径的滤料、较大 的水力负荷和更小的滤池面积来达到同样的处理效果。污水回流比可以根据不 同的进水水质和出水标准进行调整，设计运行和管理更为灵活。另外，回流水 的稀释作用也很好的解决了进水发臭和表面滤料堵塞的问题。但是，由于滤料 的粒释较大，循环式生物滤池对粪大肠杆菌的去除不够彻底：回流所增加的管 道和电控系统对运行和管理要求也更高。 由于该类滤池构造简单，造价低廉，可以用于化粪池出水的二级处理，出 水可直接排放或进入地下渗滤系统进行后续处理，因此在北美各地被广泛使用， a y r c sa s s o c 1i 等用循环式生物滤池处理餐馆污水，滤料采用o 9 5 c m 的砾石，水 力负荷为0 , 7 3 m d ，回流比取3 ：1 5 ：1 ，每天配水7 2 次，b o d 、t s s 、t k n 、t n 和粪大肠杆菌的去除率分别为9 8 3 4 ，9 8 3 5 ，9 5 4 5 ，7 5 7 2 和9 8 。o w c n 和b o b b 1 l 等用循环式生物滤池处理美国威斯康辛州一处小型住宅区的生活污 水，每天处理水量约为7 0 m 3 ，采用粒径1 5 r a m ，不均匀细数4 5 的沙作为滤料， 水力负荷为0 1 3 m d ，回流比采用l ：1 - 4 ：1 ，全年运行，b o d 、t s s 和t k n 的去 5 引言 除率 分别达到9 0 、8 3 3 3 、9 5 。c a g l e 和j o h n s o n 】等在加利福尼亚州用间歇 式生物滤池处理单户家庭的生活污水，每天处理水量约为7 0 0 l ，采用粒径 0 2 5 o 6 5 m m ，不均匀细数3 4 的沙作为滤料，水力负荷为0 6 m d ，b o d 、t s s 、 1 l 、t n 和大肠杆菌的去除率分别为9 8 7 5 、7 0 0 8 、9 0 4 5 、3 9 4 8 和 9 9 9 0 。然而，在沙和砾石并不丰富的地区，滤料的价格和运输费用会限制该 类滤池的应用，c h r i s t i a n er o y 和r i c h a r da u g e r 3 】等用轻质易压缩的非织造合成 材料代替沙和砾石进行研究，在9 0 c m 高的滤层内，分别采用0 2 m d ( 间歇式) 和0 6 r n d ( 循环式) 的水力负荷稳定运行6 个月，出水b o d 和t s s 均保持在 1 0 m g l 以下，并且没有发生堵塞现象。 一体化处理系统 由于传统化粪池加地下渗滤的系统经常会受到占地，地下水水位，进水悬 浮固体浓度，等条件的制约，近年来一体化处理系统逐渐受到关注。一体化处 理系统在传统化粪池的基础上，增加后续的好氧( 和厌氧) 工艺，并全部集成 在一个构筑物内，通常还包括了消毒设备，结构紧凑，占地省，运行稳定且出 水水质良好，适合小水量污水的就地处理，出水可以直接排放或回用。 一体化好氧处理系统 一体化好氧处理系统近4 0 年来在美国佛吉尼亚州被广泛用于代替传统的化 粪池加地下渗滤系统。一体化好氧处理系统中，初沉、曝气、二沉、过滤和消 毒都集成在一个构筑物内，且可以实现完全地埋式运行，节省占地且不受地下 水水位和进水水质的影响，但是近年来的报道指出，该类系统的出水水质不理 想( b o d = 6 9 4 m g l ，t s s - - 9 9 m g l ，t k n = 1 8 3 r a g l ) 。某些时候不能满足直接 地表水体的排放标准。kh a n n a 和jk e l l a m 4 】等对该州西南部5 座运行中的体 化好氧处理系统进行现场和实验室研究后建议，将曝气池的水力停留时间从原 来的3 天缩短到o 5 2 天，且加强进水的混合以均匀水质等措施可以改善系统运 行效果( b o d = 1 9 m g l ，t s s = 2 9 m g l ，。t k n = 0 7 m g l ) 。 净化槽 净化槽是日本独立开发的一种生活污水就地处理工艺，由厌氧池、接触氧 化池、沉淀池和消毒池组成，在厌氧池和接触氧化池内都加有填料。利用微生 物降解、物理沉淀和化学絮凝等作用去除污水中的污染物。尤其适用于分散污 染源，如别墅、景点和无污水收集管道的边远农村地区。在淡水和土地资源十 6 分宝贵的日本得到了广泛应用。 为了帮助污泥分离，通常将厌氧池分为两格，不但能有效的去除进水中的 悬浮物，还能降低后续处理的有机负荷。净化槽的出水b o d 浓度可以保持在 2 0 m g l 以下，如果将接触氧化池出水回流到厌氧池，将能提高对t n 的处理能 力，出水t n 浓度可以达到2 0 m g l 以下【6 j 。 2 0 0 1 年3 月份原贵州省环境保护科学研究所( 现贵州省环境科学研究设计院) 与日本国立环境研究所合作，从日本引进了两台“小型合并处理净化槽”，使用结 果发现，该装置有一定脱氮除磷效果，适合与些污水排放量较小的小型旅游 建筑、公厕等l l4 1 。 和普通的生物处理系统类似，微小悬浮颗粒在净化槽中不易沉淀，因此， 最近开发出了使用膜分离技术的净化槽( 膜分离净化槽) 并已经得到了实际应 用。该净化槽可以用于b o d 和n 的深度处理，膜分离净化槽采用间歇式活性污 泥系统和板式( 或框式) 膜块，膜块由孔径为0 3l am 的聚乙烯制成。o h m o r i 和y a h a s h i e 5 】等对该新型的膜分离净化槽进行了研究，结果显示其出水的效果相 当出色，b o d 、t n 浓度分别为2 3 m g l 和7 9 m g l ，t s s 和大肠杆菌个数也普 遍低于5 m g l 和1 0 0 个m l ，只需每3 个月维护一次设备，6 个月清理一次污泥 并用次氯酸钠、硫代硫酸钠溶液清洗膜组件就能保证系统的长期稳定运行。膜 分离净化槽的出水可以用于浇花、洗车、冲厕以及消防等，这种新型的净化槽 将是用水受到限制或污水必须回用的地区的一个不错的选择。 另外，一些在大型污水处理厂使用的先进技术也已经被应用到净化槽中。 例如吸附和电解絮凝技术已被引入到净化槽对磷的去除试验中【o j 。 1 3研究工艺 上海市位于长江三角洲平原感潮河网地区，地势平坦、降水量大、地下水 埋深浅、土质以粘土为主，本课题研究所服务地区的经济技术水平有限，实际 应用时经常可能要面临场地电力供应不足( 或仅有照明用电) 和缺乏技术管理 人员等问题，因此要求采用污水就地处理系统具有构造简单，能耗低，日常管 理简便，对环境影响( 尤其是对地下水的污染) 小的特点，故选用土地毛管渗 滤系统( 地沟式污水处理系统) 作为本课题的研究对象，对其运行机理和技术 改良进行小试研究。 7 引言 1 4 土地毛管渗滤系统的工艺原理 土地毛管渗滤系统的构成如图1 - 6 所示。 图1 1 土地毛管渗滤系统的结构 管 污水在经过预处理后，进入埋设在土壤中的穿孔配水管道内，依靠穿孔配 水管周围孔隙结构发达的填料进行配水，配水管下部铺设不透水的布水槽，污 水下降到槽底后形成积水，然后借助其在填料孔隙中的毛细作用向上运动，并 均匀分内部到布水槽以外的土壤和填料中，依靠土壤、填料、微生物群落和植 物根系对污水中的污染物进行降解和吸收利用，处理后的污水通过铺设在底部 的穿孔集水管收集，进行排放或会回用。系统上层可以加盖改良土壤，布置完 毕后的表层土地与先前相同，不影响土地的种植作业。 1 4 1 土地毛管渗滤系统的特点 土地毛管渗滤系统是一种人工强化的污水生态处理技术，可以充分满足技 术选择条件和要求。它基于自然生态原理，以节能降耗为指导思想，利用土壤 一植物一微生物系统的物理、化学和生化作用对污水进行综合的净化治理。与 其他污水处理系统相比，土地毛管渗滤系统具有以下优点： ( 1 ) 可以处理低负荷进水，且对进水负荷的变化适应性较强，耐冲击负荷； ( 2 ) 对有机物、氮和磷具有很高的去除率，且出水水质稳定，可以用于农 业灌溉或冲厕等用途； ( 3 ) 不产生污泥，无需配套相应的污泥处置措施l l 习； ( 4 ) 系统完全置于地下，没有臭气，蚊虫滋生等环境问题； ( 5 ) 系统建成后可以在上层种植草坪，对地表景观影响小； 8 引言 ( 6 ) 基建费用低廉，运行维护费用更省； ( 7 ) 若维护得当，不易发生堵塞和污染物穿透等事故【1 6 】： ( 8 ) 受气温等环境因素影响小，冬季运行稳定【1 7 】： ( 9 ) 埋深浅，经过防渗处理后可以免除对地下水影响 1 4 2 预处理方法的选择 土地毛管渗滤系统的预处理是整个污水处理系统的重要组成部分，预处理 的程度和方式取决于污水水质、处理后污水的去向以及系统周边的环境条件等。 预处理的主要目的有： ( 1 ) 去除悬浮物质，避免损害管道、机械和堵塞土壤； ( 2 ) 降解部分有机污染物质，减轻渗滤系统的污染物负荷，提高最终的出 水水质； ( 3 ) 使处理系统对周边环境和人体健康的危害最小j 土地毛管渗滤系统采用的预处理方式主要有沉淀池、化粪池、酸化水解池 和沼气发酵池等。考虑到处理效果、操作管理和基建费用等问题，本课题首选 化粪池作为土地毛管渗滤系统的预处理工艺。 1 4 3 系统中的土壤 作为土地毛管渗滤系统组成的基质，土壤在污水净化过程中起着物理截留、 化学沉淀、吸附、氧化还原、络合及离子交换等作用，同时为污染物质的分解 者土壤微生物提供了必要的环境条件，充分去除污水中的污染物质。土壤 的颗粒组成、结构等性质和渗滤土层的厚度从一定程度上决定了土地毛管渗滤 系统的处理能力和净化效果。土壤性质的主要参照指标有：土壤团粒结构、土 壤颗粒组成和土壤有机质1 20 引j 。 土壤团粒结构指土壤所含的不同大小、形状、空隙度、机械稳定性和水稳 性的团聚体的总和，它由通过胶体的凝聚、胶结和粘结作用而相互联结的土壤 原生颗粒组成。具有良好团粒结构的土壤，具有高度的孔隙度和持水性，同时 具有良好的透水性，水分可以沿大孔隙无阻碍的渗透。由于团聚体内存在毛细 孔隙，各团聚体之间又存在通气的大孔隙，所以土壤微生物的好氧和厌氧过程 可以同时存在。这不仅有利于微生物的活动，而且外界对土壤环境的冲击也可 9 引言 以得到很好的调节和缓冲。 土壤的颗粒组成( 也称土壤质地) 是指土壤中各粒径土粒含量的相对比例 或质量百分数。土壤质地与土壤的物理性质有着密切的关系，并且影响到土壤 的孔隙状况，从而对土壤水分、气体、热量的运动和养分的转化产生很大的影 响。质地不同的土壤边线出不同的性状。壤质土壤一般具有良好的孔性、适中 的导水率、良好的毛管浸润性能，适合土地毛管渗滤系统所要求的土质。 土壤有机质既是植物矿物营养和有机营养的源泉( 本身含有氮、磷、钟、 钙、有机碳、硫和其他微量元素，以及各种那个简单的有机化合物) ，又是土壤 中异养微生物的能源物质，同时也是形成土壤团粒结构的重要因素。在污水自 然净化过程中，有机质直接影响着土壤系统的通气状况、土壤湿度、抗冲击负 荷能力等。所以土地毛管渗滤系统对土壤的有机质有着特殊的要求。 1 4 4 环境影晌 污水中的氮、磷、微量有机物、微生物、溶解性固体和微量金属是影响环 境和卫生的主要成份。利用土地毛管渗滤系统处理无管网地区的分散生活污水， 可以去除其中的各种污染物，净化污水，改善地表水的环境质量。只要设计和 运行得当并采取适当的防护措施，污水经过系统处理后都能达到相应的排放标 准，不会对附近的河道、土壤、农作物、环境卫生和公众健康造成威胁。 l o 研究内容和试验专法 2 1 研究内容 第二章研究内容和试验方法 运行水力负荷过低，占地较大是毛管渗滤土地处理系统在实际运用中面临 的最大问题。本论文研究过程中尝试采用不同的介质代替土壤填充系统的反应 区，以改善其透水性能和充氧能力等，提高进水负荷，比较改良前后两种系统 的运行效果。对各个系统在不同的运行方式条件下的处理性能和污染物在其中 的迁移转化规律进行对比研究。 根据以上的研究方向，本论文的研究内容主要包括： ( 1 ) 采用不同材料( 天然土壤、煤渣和河沙) 填充土地毛管渗滤系统的反应 区，考察不同填料对污水中的有机物、氮和磷等污染物的去除情况，主 要为常规水质分析： ( 2 ) 考察氮、磷元素在不同填料中的吸附效果； ( 3 ) 提高水力负荷的研究，将改进填料后的小试装置的进水负荷逐步提高， 并将其处理效果和采用土壤填料和较低负荷的装置进行比较分析； ( 4 ) 为了进一步节省应用时的占地，尝试缩短土地毛管渗滤系统内配水管间 距以缩小系统所需的占地面积，在小试装置上开设不同距离的出水口对 这一措施进行模拟，并对不同出水口的出水水质进行对比分析： 2 2 试验设备与方法 2 2 1 试验用水 本论文研究采用的进水取自上海市曲阳水质净化厂的曝气沉沙池出水，主 要的水质指标如表2 1 所示，同时列出常见的化粪池出水水质以供比较： 研究内容和试验方法 表2 i 进水中污染物指标( 单位：m g n 。) 表中最后一列给出的是对粪便污水进行单独处理的化粪池出水水质，生活 杂排水和粪便污水合流后会将其中的污染物浓度稀释将近一倍，因此仅具有参 考意义。 2 2 2 填料的选择 选择填料时主要考虑的因素有： ( 1 ) 孔隙度高，透水性能好，能有效改善系统的透水和通气性能且不容易 发生堵塞； ( 2 ) 结构稳固，能维持系统内部的填料结构； ( 3 ) 化学稳定性好，不易降解，不会和污水中污染物反应而生成有毒有害 的副产物； ( 4 ) 价格低，且容易获得，不会明显增加系统的造价和维护费用； ( 5 ) 对污水中的某些污染物( 比如氮、磷等) 的去除有促进作用。 根据上述标准对多种可选填料进行比较后选定煤渣和河沙。 2 2 3 填料性质 考察的填料性质主要包括渗透性能和填料粒径分布情况 1 2 研究内容和试验方法 2 2 3 1 填料的渗透系数 填料渗透性能是反映填料允许水透过的性能，而渗透性能的好坏主要与孔 隙大小和孔隙量，孔隙的形状和孔隙分布等因素有关。渗透系数作为渗透性能 的定量指标，渗透系数值愈大，表示填料的透水能力愈强。渗透是水在多孔介 质中运动的现象，若水在其中呈流线状流过，则渗透速度与水力坡度成正比。 三种填料的渗透系数值见表2 2 ( 测定方法参见附录a ) 表2 2 三种填料的渗透系数值( c m s ) 2 2 3 2 填料的粒径级配【2 2 】 填料的粒径级配是指填料中各种粒径的颗粒所占的重量比例。粒径是指正 好可以通过某一筛孔的孔径。粒径级配通常采用以下两种方法表示：a ) 有效粒 径和不均匀系数法：b ) 最大粒径、最小粒径和不均匀系数法，本论文中采用有 效粒径和不均匀系数法：以填料的有效粒径d i o 和不均匀系数i ( 8 0 表示填料的粒 径级配( 式2 1 ) 。 蚝。= 薏 旺。 式中：d i o _ 通过填料重量1 0 的筛孔孔径： d 8 0 一通过填料重量8 0 的筛孔孔径： 磁广填料的不均匀系数。 其中，d l o 反映细颗粒的尺寸：d 8 0 反映粗颗粒的尺寸。i ( 8 0 越大，说明粗细 颗粒的尺寸相差越大，颗粒越不均匀，不利于污水在系统内部的均匀分布和过 流。d l o 和d 8 0 可以用填料筛分的方法求得。 ( 2 ) 填料的筛分方法 对三种不同的填料进行筛分实验( 具体方法和记录参见附件b ) ，最终得到 的d 1 0 、d 8 0 和磁。值列入下表： 1 3 研究内容和试验方法 表2 3 不同填料的不均匀系数 塑型_ 一 垒! 丛婴! 亟s q f 婴啦鉴毂 土壤 o 2 51 6 6 4 煤渣0 3 5 2 77 7 河沙025 1 2 55 0 不均匀系数约大，说明填料的粒径分布越不均匀。根据上表数据，三种填 料颗粒均匀性的排序为：河沙 土壤 煤渣。 2 2 4 试验装置 小试研究共采用三套装置进行平行试验，装置的具体构造如图2 1 和2 2 所 不。 毛管渗透装置 图2 1 小试装置示意图 污水在进入毛管渗滤系统之前停留在进水调节池内以均衡进水的流量和水 质，池内设置曝气头对污水进行曝气搅拌，在保持进水水质均匀的同时对污水 进行充氧，保证后续毛管渗滤系统中的有机物降解和硝化反应等能顺利进行。 进水调节池内的污水由一可调流量的蠕动泵输送到毛管渗透装置，蠕动泵出水 管的末端用尼龙网包裹后放置在毛管渗透装置的进水斗内，进水中的大颗粒悬 浮物质尼龙网截流，尼龙网定时进行清洗以保证系统的稳定运行。 装置内分别装填土壤、煤渣和河沙，考虑到煤渣和河沙的渗透性能明显优 1 4 研究内容和试验方法 于土壤，单纯使用两者会导致污水在系统内部的停留时间不足和配水不均匀而 影响处理效果，所以除了全部采用土壤装填的装置i 外，装置2 和3 采用土壤 和煤渣( 或河沙) 分层混合装填的方式，充分利用煤渣和河沙良好透水通气性 能的同时，用中间的土壤层保证污水在系统内部的均匀分布和足够的停留时间。 具体装填方式见图2 2 和图2 。3 。 图2 2 装置l ( 土壤) 的装填和结构 由于天然土壤比较疏松，装填过程要分层进行，每装填l o c m 左右将土壤适 当压实，以保证内部孔隙结构和过水能力的均匀分布。 曰填土壤_ 1 0 c n 媒渣( 斌：河涉) - 3 0 c m 目填土壤1 0 0 m 媒渣( 或河沙) - i 0 c n 固填土壤一1 0 c n 集水砾石 图2 3 装置2 ( 煤渣) 和装置3 ( 河沙) 的装填和结构 在进行装置2 和3 的装填时，由于煤渣和河沙的孔隙大于土壤，为了避免 细小的土壤颗粒进入煤渣和河沙层堵塞其孔隙造成渗透性能的下降，在煤渣河 沙和土壤层交界处用1 0 0 目的尼龙网隔开，阻止不同性质填料颗粒的相互混合。 1 5 研究内容和试验方法 2 3 5 水力负荷 三个装置配水的初始水力负荷根据现行的土地毛管渗滤系统负荷( 3 4 c r n d ) 选取【2 3 1 ，取5 e r n d ，每个装置的表面积为：o 1 5 1 0 = o 1 5 m 2 ，所需的水量为： o 0 5 0 1 5 = 0 0 0 7 5 m 3 ；7 。5 l ，三个装置每天能处理的总水量为：7 5 3 = 2 2 5 l 。 采用间歇配水的方式，每天配水4 次，6 小时配水一次，每次配水历时4 5 m i n ， 配水量为：7 5 4 = 1 8 7 5 l 。 常规负荷运行稳定后，将进水的水力负荷逐步增加到l o c r n d 和2 0 c m d 继 续进行研究，每天配水8 次，每3 小时配水一次，每次配水历时4 5 m i n ，配水量 为1 8 7 5 l 和3 7 5 l 。 2 3 6 分析项目及测定方法 本论文研究中所涉及的水质分析项目以及采用的测定方法见表2 3 。 表2 4 分析项目和测定方法4 5 4 目 测试项目测试方法 参考文献 c o d c ， m e r c kc o o c r 测试仪 陈若敦等环境监测试验，同济 b o 眈 m e r c kb o 胍测试仪大学出版社，1 9 9 3 5 。 s s重晕法( 1 0 5 烘干2 h ) nh ：t n 纳氏试剂分光光度法 中华人民共和国国家标准g b n 如”n紫外分光光度法 1 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 城镇污水处理j 污 n m n q 一萘肢分光光度法 染物排放标准。2 0 0 3 0 7 一0 1 t n碱性过硫酸钾紫外分光光度法 实施引 t p钼锑抗比色法 p hp h s 一2 5 温度 水银温度计 1 6 污染物的去除研究 第三章污染物的去除研究 3 1 有机物的去除 结构良好的土地渗滤系统本身是一个活的“过滤器”，内部存在物质和能量 的循环，能不断去除进水中能够的污染物。其中，土壤胶体和土壤微生物是系 统容纳、分解和同化多种污染物的关键因烈2 4 】。而土地处理系统中的土壤可分 为两部分。一部分为表层土壤，在这层土壤中存在着固、液、气三相( 见图3 1 ) 【2 5 1 。另一部分为深层土壤，内部的空气已经十分稀少，土壤内的好氧条件较差， 且处于厌氧状态。 图3 i 表层土壤三相组分图 一壤 生活污水中的有机污染物绝大多数为易生物降解的脂肪类有机物。有机物 在其中的去除机理包括过滤、吸附和生物降解作用。污水中的悬浮固体和胶体 等难溶污染物进入土地毛管处理系统后，首先被其中填料和微生物通过过滤、 吸附作用截留下来，然后通过微生物将其最后降解。土地毛管渗滤系统中大多 数有机物的去除都发生在系统表面和靠近表面的浅层土壤填料中，这一区域由 于供氧比较充分，生长着大量的细菌、真菌、原生动物甚至后生动物，具有复 1 7 污染物的去除研究 杂的生物链，能对污水中的有机物进行较为彻底的处理。 土壤中微生物多数集中在表层以下5 0 c m 的深度内【4 i 】。土壤中微生物群体是 维持土壤生态系统和实现对污水中有机物降解，完成系统内部能量和物质转化 的重要因素，它们是土地毛管生态系统中的物质分解者和能量转化者。它们不 仅参加有机物的降解和腐殖质的合成，还参与了矿物质的分解和合成。土壤中 的物质循环和能量流动过程，都受到微生物活动的影响，污水中有机物的去除 中有6 0 8 0 都是依靠微生物的活性( 包括酶活性) 来完成的【4 2 1 。可见，由于 好氧微生物的世代时间明显短于厌氧微生物且系统上层的有机物和氧气浓度较 高，利于好氧微生物的大量繁殖，因此在土地毛管渗滤系统中，好氧微生物在 有机物的去除过程中占有主导地位，不过厌氧微生物同样有助于降解好氧处理 无法分解的难降解有机物的去除。 由于卜述原因，影响污水中有机物在土地毛管渗