（环境工程专业论文）黄壤处理生活污水的性能试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 a bs t r a c t c h i n ai ss h o r to fw a t e rr e s o u r c ea n dw a t e rp o l l u t i o ni s v e r ys e v e r ei n c h i n a s i c h u a ni sh a r dt oc o n s t r u c tw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tb e c a u s eo fi t so w n l a n d f o r m ，i t si n v e s t m e n tr e s t r i c t i o na n do t h e rr e a s o n s b u ts i c h u a nh a sv e r y a b u n d a n tl a n dr e s o u c e ，a n di ti sp r o p i t i o u st ou s el a n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y b e c a u s ey e l l o ws o i li ss i c h u a n sz o n a ls o i l - t h ey e l l o ws o i li su s e da st h e r e s e a r c ho b je c t t h r o u g hs i m u l a t i n gs l o wf i l t e r i n gl a n dt r e a t m e n t s y s t e ma n d f i n d i n gt h em o v e m e n tl a w ，t r a n s p o r t a t i o nl a wa n dd e g r a d a t i o nl a wo fc ，n ，pi n t h ew a s tw a t e r ，t h er e a c t i o nd y n a m i c se q u a t i o ni sf o u n do u t t h e ni no r d e rt oa p p l y t h es y s t e mt op r a c t i c a l i t y ，s l o wf i l t e r i n gl a n dt r e a t m e n ts y s t e mi sb u i l d e du s e d y e l l o ws o i la n du n d e rt h ec l i m a t ec o n d i t i o no fs i c h u a n ，h o p i n gt op r o v i d es o m e d a t af o u n d i t i o nt ol u t h e rr e s e a r c h t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：w h e nt h es y s t e mi ss t a b l e ，r e m o v a lr a t e so f c o d c r ，t na n dt pa r es t a b l ea n dh i g h ，t h e ya r ea b o u t8 3 、5 5 a n d9 0 s e p a r a t e l y t h eb e s th y d r a u l i cl o a do ft h i ss y s t e mi s0 0 6 m d u n d e rt h i sc o n d i t i o n ， t h ec h a n g eo fi n l e tp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nc a ni n f l u e n tt h er e m o v a lr a t eo fn ，p ； b u ti tc a nn o ti n f l u e n tt h ec o n c e n t r a t i o no fc o d e r 、t n t h er e m o v a lr a t eo f n h 4 + - nd e s c e n d sw i t ht h er i s eo fi n l e tn h 4 + - nc o n c e n t r a t i o n t h er e m o v a lr a t eo f t pi sa l w a y sa b o v e9 4 ，n om a t t e rw h e t h e rt h ei n l e tt pc o n c e n t 豫t i o nr i s e s i na l l 。 s h o c kr e s i s t a n c eo ft h es y s t e mi sg o o d a b o u t2 0 3 0 c m ，b e l o wt h ey e l l o ws o i ls u r f a c e ，c o d ，n h 4 4 - nh a v e b e e n a l m o s tr e m o v e d i nt h eb o t t o m ，t h er e m o v a lr a t eo ft ni st h e h i g h e s t t h er e m o v a l r a t eo ft pv a r i e sd i r e c t l yw i t ht h ed e e p t ho fy e l l o ws o i l a b o u t5 0 c m ，b e l o wt h e y e l l o ws o i ls u r f a c e ，pc a nb er e m o v e dt o t a l l y t h ey e l l o ws o i lw h i c hh a s5 0 c m d e e p t hc a nr e m o v ec ，n ，pe f f e c t i v e l y t h er e m o v e m e n te f f e c to fc o db yr e i n e c k e ac a r n e a ( a n d r ) k u n t hi s o b v i o u s ，a n dt h er e m o v e m e n te f f e c to fn ，pb yr e i n e c k e ac a r n e a ( a n d r ) k u n t hi s o b v i o u s 2 8 8 o fr e m o v e dni si nt h eb o d yo fr e i n e c k e ac a r n e a ( a n d r ) k u n t h 13 8 o fr e m o v e dpi si nt h eb o d yo fr e i n e c k e ac a r n e a ( a n d r ) k u n t h w h e nh y d r a u l i cl o a di so 0 6 m d ，w e ta n dd r yr a t i oi s5 ：1 ，t h es y s t e mw i t h y e l l o ws o i lw h o s ed e e p t hi s5 0 c ma n dr e i n e c k e ac a r n e a ( a n d r ) k u n t hh a st h eb e s t p u r l f y i n gc a p a c i t yt op u r i f yt h ed o m e s t i cs e w a g ew h o s ec o dc o n c e n t r a t i o ni s 3 0 0 m g l ，t h eo u t l e tc o n c e n t r a t i o no fc o d ，t na n dt pr e a c ht h es t a n d a r do fg b 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 t h r o u g ht h es i m u l a t i n gt e s ta n dr e s u l ta n a l y s i s ，i ti sg o o df o ro t h e rr e s e a c h e r s t ou s el a n dt r e a t m e n ts y s t e me f f e c t i v e l ya n di t i sv e r ys i g n i f i c a n tt od e v e l o pl a n d t r e a t m e n tt e c h n o l o g yt op u r i f yd o m e s t i cs e w a g e k e y w o r d s ：y e l l o ws o i l ；l a n dt r e a t m e n ts y s t e m ；d o m e s t i cs e w a g e ；p e r f o r m a n c e 西南交通大学曲南父逋大罕 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q 鑫用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学篙驾 同期：己d fo 飞7 指导老师签名：e 少彳 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 通过测定黄壤慢速渗滤处理系统中不同工况下出水c o d 、氨氮、总氮及 总磷等指标的浓度值，得到了黄壤对生活污水处理性能的变化规律，阐明了系 统中污染物降解的机理，丰富了慢速渗滤系统的理论基础。 为了准确取得分层黄壤处理水样，采用u 型管取水的改进措施，改善了 以往取水困难的问题。 试验得出黄壤的最佳降解性能：在5 0 c m 高黄壤上种植松寿兰的土地慢速 渗滤处理系统，在水力负荷为0 0 6 m d 及干湿比5 ：1 的条件下，对c o d 浓度为 3 0 0 m g l 的生活污水处理性能最佳，c o d 、t n 及t p 出水浓度达到城镇污水 处理厂污水排放标准( g b l 8 9 18 2 0 0 ：2 ) 中一级b 标要求。 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，均己在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 一虢一黔t 。 日期：0 0f o j 哆j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国水资源的现状 我国是一个人均水资源缺乏的国家，属1 3 个世界最贫水国家之一，人均 水资源占有只有全球平均值的i 4 ，约2 3 0 0 m 3 。据调查研究，到2 0 3 0 年， 预计这一数字将会减少到17 0 0 m 3 以下。在全国6 0 0 多个城市中，缺水城市达 3 0 0 多个，其中严重缺水城市1 1 4 个，每年因缺水造成的直接经济损失达2 0 0 0 亿元。 随着国民经济的发展，城市化进程的加快以及人民生活水平的提高，我国 总用水量逐年增加的同时也造成了污水排放逐年增加，从而导致水资源的污染 日益严重。据中国水利部调查【2 j ，我国总体水体水质情况如下： 1 1 1 1 地表水水质 2 0 0 7 年，我国i 类水河长占4 1 ，i i 类水河长占2 8 2 ，类水河长占 2 7 2 ，i v 类水河长占1 3 5 ，v 类水河长占5 3 ，劣v 类水河长占2 1 7 。 全国2 9 4 个省界断面的水质符合和优于地表水类标准的断面数占总评价断面 数的4 2 2 ，水污染严重的劣v 类占2 9 9 。省界断面的主要超标项目是化学 需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、五日生化需氧量和挥发酚等。全国4 4 个湖泊 水质符合和优于类水的面积占4 8 9 ，i v 类和v 类水的面积共占2 1 6 ，劣 v 类水的面积占2 9 5 。对全国4 3 个湖泊的营养状态进行评价，1 个湖泊为贫 营养，中营养湖泊和轻度富营养湖泊各有15 个，中度富营养湖泊有1 2 个。 1 1 1 2 地下水水质 2 0 0 7 年，根据7 5 8 眼监测井的水质监测资料，北京、辽宁、吉林、黑龙 江、上海、江苏、海南、宁夏、广东9 个省( 自治区、直辖市) 对地下水水质 进行了分类评价。水质适合于各种使用用途的i i i 类井占监测井总数的 9 4 ，适合集中式生活饮用水水源及工农业用水的类井占2 8 1 ，适合除饮 用外其它用途的v 类井占6 2 5 。 1 1 1 3 水功能区水质达标状况 2 0 0 7 年全国监测评价水功能区3 3 5 5 个，按水功能区水质管理目标评价， 全年水功能区达标率为4 1 6 ，其中一级水功能区( 不包括开发利用区) 达标 率为4 8 1 ，二级水功能区达标率3 8 o 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 皇! 曼曼! 曼曼曼曼鼍皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼寰曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼鼍曼皇曼i i i i 皇 由于大量未经处理的生产和生活污水直接排入水体中，因此水体中暗藏着 许多有害病菌与有毒有害元素，如氰化物、铅、福、汞等重金属以及使水体产 生富营养化的氮、磷等，这些污染物使江、河、湖等颜色变浊、气味变臭，甚 至鱼虾绝迹，并且对人类的健康构成了严重威胁【3 】。 调查表明，2 0 0 7 年全国总用水量5 81 9 亿m3 【2 1 ，而当年全国废水排放总量 已高达2 0 9 2 8 1 亿m 31 4 】，可见，由于城市化、人口剧增，加之我国水资源紧缺， 水资源开发利用不平衡，且水资源污染严重，已造成我国水资源现状叶分严峻， 该问题已成为制约我国可持续发展的重要因素。 1 1 2 我国生活污水治理现状 近年来我国生活污水处理行业发展迅速，主要以集中处理为主，通过兴建 污水处理厂集中处理城市生活污水。截至2 0 0 9 年9 月底，全国设市城市、县 及部分重点建制镇共建成污水处理厂17 9 2 座，处理能力达9 9 0 4 万立方米日； 在建城镇污水处理项目1 9 7 7 个，设计能力约5 5 2 7 万立方米日。国家总理温 家宝在2 0 1o 年3 月5 日召开的十一届全国人大三次会议上作政府工作报告时 指出，2 0 lo 年要改革污水处理、垃圾处理收费制度，扩大排污权交易试点， 表明污水处理将成为2 0 l o 年政府工作的重中之重。 目前，城市污水处理厂采用的常规技术己趋于成熟，主要采用二级生物处 理法活性污泥法和生物膜法。活性污泥法是在污水自净作用的原理下发展 而来的。它是以含于废水中的有机污染物为培养基，在有溶解氧的条件下，连 续地培养活性污泥，再利用其吸附凝聚和氧化分解作用净化废水中的有机污染 物1 6 】，主要包括a b 工艺( 吸附生物降解工艺) 、s b r 工艺( 序批式或间歇式活 性污泥法) 、o d 工艺( 氧化沟) 等。生物膜法是与活性污泥法并列的两个方法， 是污水灌溉和土地处理的人工化和强化。其特点是微生物附着在介质表面，形 成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解的污染物被微生物吸附转化为h 0 2 、c 0 2 、 n h 3 和微生物细胞物质，污水得到净化，主要包括生物滤池、生物接触氧化设备、 生物转盘和生物流化床等【7 1 。上述方法可以有效地去除s s 和b o d 5 、c o d 等， 但对n 、p 等营养物质的去除率较低 s l 。并且，污水处理厂占地面积大，投资 较大，运行费用较高，还需要配套的市政管网设施，受诸多因素限制。在四川 省，山区众多，小城镇、旅游景点以及广大农村地区大多没有配套的污水处理 设施，污水常就地排放，由于受地形、管网及投资限制，在上述地区建立污水 处理厂的难度较大。 2 0 0 1 年1 1 月，国家建设部、环保局、科技部联合颁布实施的城市污水 处理及污染防治技术政策中明确指出：“因地制宜，在有条件的地方采用各 种类型的土地处理和稳定塘等自然净化技术，将城镇污水与生态工程有机结合 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 起来【9 】。”因此，研究开发基建投资低，运行费用低，处理效果佳的就地污水 土地处理技术，是根据我国国情，因地制宜，实现污水无害化、资源化的有效 途径，具有很强现实意义。 四川属于亚热带气候，地带性土壤为亚热常绿阔叶林下形成的黄壤，广泛 分布在四川盆地四周的山地，盆地内沿江两岸及川西平原的阶地和丘陵上，海 拔10 0 0 1 2 0 0 m ，故在四川盆地开展以黄壤为填料的污水土地处理系统具有广 阔的发展前景。 1 1 3 黄壤的特性 黄壤在四川省广泛分布，属于四川的地带性土壤。黄壤主要位于中国北纬 3 0 。附近亚热带、热带山地、高原，总面积2 3 2 4 7 3 万，而四川占全国黄壤总 面积的1 9 4 5 1 2 1 j 。 黄壤区年平均气温为1 4 , - - 1 6 ，年降水量为2 0 0 0 m m 左右，年降水日数长 达18 0 - - , 3 0 0 d ，日照少( 仅10 0 0 一14 0 0 h a ) ，云雾大，相对湿度7 0 - - 8 0 ， 属暖热阴湿季风气候。成土母质为酸性结晶岩、砂岩等风化物及部分第四纪红 色粘土。植被主要为亚热带湿润常绿阔叶林与湿润常绿落叶阔叶混交林。在 生境湿润之处，林内苔藓类与水竹类生长繁茂。主要树种有小叶青冈、小叶栲 等各种栲类、樟科、茶科、冬青、山矾科、木兰科等构成，此外尚有竹类、藤 本、蕨类植物。此区大面积均为次生植被，一般为马尾松、杉木、栓皮栎和麻 栎等【2 1 1 。 酸、瘦、粘、冷是黄壤类土壤共有的障碍因素。黄壤地区，高温多雨，风 化淋溶作用强( 燥红土地区例外) ，土壤有机质矿化速度快，当自然植被破坏 后，在耕种的条件下忽视有机肥的投入与精耕细作，土壤有机质明显下降，有 效磷的铁铝固结明显加强，大多数微量元素进一步贫乏，因而质地粘重，物理 性状恶化，耕性变差等进一步明显化。通过增施有机肥料、合理施用磷肥、氮 肥以及其它化学措施，配合其它农业、水利措施以逐步转化这些障碍因素，并 增加物质与人力投入，以得到综合治理的效果【2 。而污水中有机物及氮磷含量 丰富，弥补了黄壤耕植后的缺点，故将黄壤运用于土地处理系统，预期污水治 理效果较佳。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 土地处理系统研究现状 污水土地处理系统是指污水有节制地投配到土地上，通过土壤一植物系统 的物理的、化学的、生物的吸附、过滤与净化作用和自我调控功能，使污水中 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 可生物降解的污染物得以降解、净化，其氮、磷等营养物质和水分得以再利用， 促进绿色植物生长并获得增产l 引。主要包括：物理过程中的过滤、吸附；化学反 应与化学沉淀以及微生物的代谢作用下的有机物分解等。 1 2 1 1 污水灌溉与土地处理系统的区别 土地处理系统的前身是污水灌溉，但是不等于污水灌溉。二者的区别如下 【l o 5 l 】： ( 1 ) 污水灌溉是一项农田水利工程，其主要目的是利用污水提高作物产量， 很少考虑系统的连续运行，用水则灌，不用则放。依作物不同物候期对水的需 要而确定灌水时间和灌溉定额，而土地处理则强调处理与利用的结合，是一项 污水处理工程，实行污水处理的终年连续运行。 ( 2 ) 土地处理系统的设计目标不是把对作物产量的影响作为主要考虑因素， 而是寻求在不造成对周围水域污染的前提下，充分利用系统对污染物的降解能 力，最大量地处理污水，以减少土地及运行费用。 ( 3 ) 土地处理工艺要求污水在进入土壤植物系统之前，必须经过预处理， 并配备相应的缓冲或调控措施、进出水水质监测系统。 1 2 1 2 土地处理系统类型 目前土地处理系统可分为五种：慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流、湿地系 统及地下渗滤。不同的土地处理类型具有不同的工艺条件，工程参数和场地信 息要求，其主要特征如表1 1 所示9 1 0 】： 表1 1 土地处理系统的工艺条件与工程参数 ( 1 ) 慢速渗滤处理系统( s l o wf i l t e r i n gl a n dt r e a t m e n ts y s t e m ，s f l t s ) 将污水投配到植物的土壤表面，污水在流经地表土壤一植物系统时得到充 分净化的处理工艺类型。针对不同地区的土壤、植被、气候以及社会经济条件， 因地制宜将污水处理与当地生态建设结合起来，工程投资、运行成本低于常规 二级处理，效果达到三级处理水平。 该系统适用于轻质土壤，如砂土、砂壤土、壤土，一般是间歇性投配污水， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 以保持较高的渗透率。在干旱地区，用污水代替清洁水进行灌溉，可以开发荒 地，发展草地和林区。值得注意的是，该系统对水质预处理的要求较高。 ( 2 ) 快速渗滤处理系统( r a p i df i l t e r i n gl a n dt r e a t m e n ts y s t e m ，r f l t s ) 将污水有控制地投配到具有良好渗滤性能的土壤表面，污水通过重力作用 在向下渗滤过程中经过生物氧化、硝化、反硝化、过滤、沉淀和还原等一系列 作用而得到净化的污水处理工艺类型。投资省，处理费用低，系统耐冲击负荷 大，渗透率可达15 2 m a 。出水水质好，回收率高，效果达三级处理水平。 该系统以处理污水和回用利用污水为目标。适用于土层较厚( 大于1 5 m ) ， 渗透性能良好的粗质地土层，如亚砂土、砂质土等。要求地面有一定的坡度， 距离人口密集区有一定的距离。 ( 3 ) 地表漫流处理系统( o v e r l a n df l o wl a n dt r e a t m e n ts y s t e m ，o f l t s ) 将污水有控制地投配到生长多年植物、坡度和缓、土壤渗透性较差的坡面， 污水在地表以薄层沿坡面流动过程中得到净化的一种污水处理工艺类型。适用 于透水性较差的粘重土壤，地表平坦并有均匀且适宜的坡度( 去除率 234567 周期 图3 15不同进水t p 浓度下t p 去除率图 2 l 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l o j 目v m q 茹* 厶卜 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 ! ii 皇! 曼曼皇曼! 曼曼璺皇曼 3 2 1 3t p 浓度的影响 系统改变c o d c ，的同时，t p 浓度也随之改变，在不同的t p 进水浓度条件 下，系统的除磷效果见图3 1 4 图3 15 。由图可见，系统对t p 的去除率一直 保持在9 4 以上，不因进水t p 浓度的增加而改变，且出水t p 浓度可以达到 城镇污水处理厂污染物排放标准一级a 标准，系统抗t p 冲击能力较强。 但是根据研究表明，土地处理系统对磷的去除主要是依靠土壤对磷的吸附固定 作用，通过这种途径可以使污水中9 0 的磷得到去除【3 引。故土地处理系统运 行初期，系统除磷效果非常好，但当系统对磷的吸附达到饱和状态时，将发生 磷穿透事件 4 2 - 4 3 】。 3 2 2 土壤层高度影响 保持水力负荷为o 0 3 m d ，c o d 浓度为2 9 5 m g l 左右的条件不变，在距系 统顶部1 0 c m ，2 0 c m ，3 0 c m ，4 0 c m 分别用u 型管取水样，分析水质随土壤层 厚度变化情况，得出数据见图3 16 图3 18 。 由图3 1 6 可看出，在黄壤表层3 0 c m ，c o d 已大部分被氧化，其后c o d 浓度变化较小，这是由于松寿兰根系主要分布在表层3 0 c m 内，植物对c o d 的去除起了很大作用；而图3 17 表明，t n 在黄壤表层2 0 c m 有一定变化，在 5 0 c m 处，t n 亏损最大，而n h 4 + - n 在表层2 0 c m 已基本被氧化，其后n h 4 + - n 去除效果不明显，这与前人的研究结果相似【4 4 1 。 在表层2 0 c m ，由于氧气充足，t n 氧化较快，在2 0 c m 4 0 c m 处t n 及n h 4 + - n 的变化不大，这是由于出现了厌氧反硝化情况，而在底部，t n 突然亏损，理 论上反硝化需要大量c o d 提供碳源，由于c o d 在底部的浓度很低，碳源不足， 故排除厌氧反硝化作用，推测其可能发生了厌氧氨氧化情况。目前在土地处理 中几乎没有相关报道与研究，但在农业和其他生物处理中厌氧氨氧化的研究很 多，这为土地处理中发生厌氧氨氧化提供了一定的理论依据p 。 图3 18 表明，t p 的去除是与黄壤深度成正比，在距地表5 0 c m 范围内可 基本将磷去除，前人在实验中对其他类型土壤进行研究也得出了类似结论 4 5 - 4 6 】，再次印证了土地处理系统对磷的去除主要是依靠土壤对磷的吸附固定作 用，通过这种途径可以使污水中9 0 的磷得到去除【3 8 】。 综上，5 0 c m 厚的黄壤层可实现对碳、氮、磷等污染物的有效去除，这与 实验室采用其他填料的人工土柱实验得出的结论相似【4 7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 o1 02 03 04 05 0 土层厚度( c m ) 图3 1 6土层厚度对c o d 去除效果的影响 5 0 4 5 4 0 3 5 1 5 1 0 5 o l o2 03 04 05 0 土层厚度( c - ) 图3 1 7 土层厚度对t n 及氨氮去除效果的影响 1 0 9 8 ：7 奎目 。5 蓑t = 3 2 l o l o2 0 3 0 4 0 5 0 土层厚度( c - ) 图3 1 8 土层厚度对t p 去除效果的影响 o o o o o 0 o o 踮 鲫 药 i 三 m o (1窨5毯爱8u 拍加 一1i)趟i雌 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 3 2 3 水力负荷的影响 本阶段研究保持进水c o d 浓度稳定在3 0 0 m g l 左右的条件下，控制其余 水质指标在小范围内波动( t n ：3 0 5 0 m g l ，n h 4 + - n ：2 0 4 0m g l ，t p ：5 10 m g l ) ，将水力负荷从0 0 3 m d 逐步提高到0 1 2 m d ，观察系统出水水质指标去 除率变化情况。 母 褥 笾 稍 0 ：30 0 60 0 90 1 2 水力负荷( m d ) 图3 1 9 不同水力负荷对系统水质指标去除率的影响 图3 19 表明，随着水力负荷的逐渐升高，c o d 去除率与t n 、n h 4 + - n 去 除率均缓慢下降，其中c o d 去除率在水力负荷为0 0 6 m d 时达到最高值9 6 5 ， 随后去除率下降：t n 去除率下降速度缓慢，n h 4 + - n 去除率从8 3 下降到7 8 ， 下降了5 ；t p 去除率随着水力负荷的增加而增加，证明黄壤吸附磷的能力还 存在上升空间。水力负荷增加到0 12 m d 时，系统出水仅满足城镇污水处理 厂污染物排放标准一级b 标准。 为了弥补土地处理系统占地面积大的缺点，在保证出水水质达标的前提 下，应尽可能增大水力负荷，增加系统处理能力。在综合考虑各种出水水质指 标及去除率的前提下，黄壤对生活污水去除效果最佳的水力负荷为0 0 6 m d 。 鸲舛眈船踮双眈叭叫他伯弘记加鹋以眈0 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 3 2 4 植物影响 本阶段研究分两个方面，一方面研究有无植物对污水去除效果的影响，另 一方面研究植物体内氮磷的积累量，为工程上有针对性地选择植物提供依据。 3 2 4 1 植物系统与空白系统对比试验 试验装置分为两部分，种植松寿兰的系统面积为0 2 5 m 2 ，未种植植物的系 统( 空白系统) 面积为0 1m 2 ，两系统同时运行，水力负荷均为o 0 6 m d 。本 阶段研究共运行了7 个周期，其出水效果见图3 2 0 图3 2 3 。 ( 1 ) 植物对c o d 的去除影响 图3 2 0 表明，植物系统和空白系统c o d 出水浓度均能达到城镇污水处 理厂污染物排放标准一级a 标准，两系统的去除效率之间的差异明显，植物 系统c o d 平均去除率为9 1 4 ，而空白系统c o d 平均去除率为8 6 o ，二者 差异为5 4 ，该结果表明，松寿兰在去除污水中的c o d 上作用很大，这与土 壤层高度试验结论相符。 ( 2 ) 植物对磷的去除影响 在运行过程中，两系统对磷的去除效果均较好，从图3 2 1 可看出，植物系 统出水总磷可达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级a 标准，空白系统 出水磷能达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级b 标准。图2 2 6 的曲 线表明，随着运行时间的增长，植物对磷的去除效果愈加明显，在第7 周，两 系统出水t p 浓度已相差0 8 9 m g l 。 图3 2 l 表明，植物系统对t p 的平均去除效率为9 8 2 ，空白系统对t p 的平均去除效率为9 2 4 ，二者相差5 8 。松寿兰对t p 的去除起了很重要的 作用。 ( 3 ) 植物对氮的去除影响 由图3 - 2 2 - - 图3 2 3 可以看出，植物系统和空白系统n h 4 + - n 的出水浓度均 随着时间推移而增加，但是植物系统n h 4 + - n 及t n 出水浓度一直低于空白系 统出水浓度，且两系统n h 4 + - n 出水浓度之间的差值随时间推移而增大，t n 出水浓度之差亦然。植物系统出水总氮及氨氮可达到城镇污水处理厂污染物 排放标准一级b 标准，空白系统出水总氮及氨氮仅能达到城镇污水处理厂 污染物排放标准二级标准。 植物系统对t n 的平均去除效率为6 6 5 ，空白系统对t n 的平均去除效 率为5 6 4 ，二者相差1 0 1 ；植物系统对n h 4 + - n 的平均去除效率为8 1 6 ， 空白系统对n h 4 + - n 的平均去除效率为7 5 0 ，二者相差6 6 。 以上结果表明松寿兰去除污水中的氮效果显著，但是相对其他水质指标去 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 除率而言，土地处理系统对氮的去除效率不高。 3 5 0 3 0 0 。2 5 0 ： 、，2 0 0 墓1 5 0 1 0 0 5 0 o l o 9 8 7 6 6 0 5 0 ：4 0 蟊3 0 l o o l 帅 舯 7 0 兰6 0 1 1 5 0 慧4 0 3 0 2 0 1 0 0 图3 2 0植物系统与空白系统对c o d 的去除效果及去除率 周期 图3 2 1植物系统与空白系统对t p 的去除效果及去除率 l 蜘 7 0 一6 0 一 静5 0 盘4 0 犏 3 0 2 0 l o 0 霎蹙霪霪雾冀蓁 2345g 舟期 图3 2 2植物系统与空白系统对t n 的去除效果及去除率 如跚加加m 0 ，一静笾永l_ 当 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 1234567 j 一进水氨氮浓度 一植物系统出水氨氮浓度一空白系统出水氦氮浓度j 1 0 0 9 0 8 0 ：7 0 静6 0 遴5 0 稍4 0 嚣嚣 1 0 0 1 2 3 4 周期 5 67 图3 2 3植物系统与空白系统对n h 4 + - n 的去除效果及去除率 综上所述，土地处理系统运行过程中，松寿兰系统对c o d 的去除效果不 明显，对氮磷的去除效果明显，尤其对磷的去除效果很好，可达到9 8 2 。 3 2 4 2 植物体内氨磷积累量 试验结束后，统计松寿兰株高、数目等生长情况，并随机取3 株。将每株 样品分为地上和地下部，在8 0 烘箱中烘至恒重后称重。计算单株平均生物量 和单位面积的生物量。植物样品用h 2 s 0 4 h 2 0 2 消煮制备成溶液，总氮含量用 过硫酸钾氧化吸光光度法测定 4 9 1 ，总磷用钒钼蓝法测定f 4 引。植物氮磷积累量 ( p a ) 的计算公式为： p a = p c p b ( 3 - 1 ) 式中，p c 为植物氮磷浓度，p b 为植物生物量。系统氮磷负荷( l ) 和系统氮 磷总去除量( r ) 的计算公式分别为： 三= ( ex q i ) ( 3 - 2 ) r = 【( 圮，一0 c ，) x q 】 ( 3 - 3 ) 式中i c i 一第i 月进水的氮磷浓度 o c i 一第i 月出水的氮磷浓度 q i 一第i 月的累计进水量 试验从2 0 0 9 年3 月2 日开始，2 0 0 9 年7 月底结束，共运行了15 2 天，氮 磷总负荷分别为7 6 3 k g 和1 2 6 k g ，即每平方米的氮磷负荷分别为3 0 5 9 m 2 和 5 0 4g m 2 。植物体内对氮磷的积累量见下表3 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 r o l l ! 毫! ! 曼! 曼蔓曼曼曼曼舅曼舅曼曼曼曼曼曼量璺皇曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼 表3 4 植物体内对氮磷的积累量表 注：生物量是生态学术语或对植物专称植物量( p h y t o m a s s ) ，是指某一时刻单位面积内 实存生活的有机物质( 干重) ( 包括生物体内所存食物的重量) 总量，用k g m 2 或g m 2 表示。 由上表得知，松寿兰体内氮积累量占土地慢速渗滤处理系统总去除率的 2 8 8 ，对氮的去除效果很好。而松寿兰体内磷积累量占土地慢速渗滤处理系 统总去除率的13 8 ，对磷的去除效果相对较差。 3 3 本章小结 c o d ：进水c o d c ，浓度的变化对系统出水c o d c ，浓度的影响不大，系统出 水c o d c ，浓度始终能达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级a 标准，系 统抗c o d c ，冲击能力较强。当进水c o d c ，浓度在3 0 0 m g l 左右时，系统对c o d c ，的去除率最高，此时0 5 m 的黄壤层完全可以达到有效去除c o d 的目的。但 是随着水力负荷的逐渐升高，c o d 去除率缓慢下降。 氮：系统进水t n 浓度对系统出水t n 浓度影响不大，而出水n h 4 + - n 浓度 占出水t n 浓度的比例随时间增加而增加。t n 在黄壤表层2 0 c m 有一定变化， 在5 0 c m 处，t n 亏损最大，而n h 4 + - n 在表层2 0 c m 已基本被氧化，其后n h 4 + - n 去除效果不明显。随着水力负荷的逐渐升高，t n 去除率受水力负荷的变化影 响不大，而n h 4 + - n 去除率缓慢下降。 t p ：系统对t p 的去除率一直保持在9 4 以上，不因进水t p 浓度的增加 而改变，且出水t p 浓度可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级a 标准，系统抗t p 冲击能力较强。t p 的去除是与黄壤深度成正比，在距地表5 0 c m 范围内可基本将磷去除。t p 去除率随着水力负荷的增加而增加，证明黄壤吸 附磷的能力还存在上升空间。 在综合考虑各种出水水质指标及去除率的前提下，黄壤的最佳降解性能 为：在5 0 c m 高黄壤上种植松寿兰的土地慢速渗滤处理系统，在水力负荷为 0 0 6 m d 及干湿比5 ：1 的条件下，对c o d 浓度为3 0 0 m g l 的生活污水处理性能 最佳。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 第4 章降解机理研究 污水经过表土层及包气带时产生一系列的物理、化学和生物作用，可分为 生物机制和非生物机制。系统成熟后，土壤中将繁殖大量的微生物以及蚯蚓等， 生物机制占主导作用，同时植物向土壤环境中释放大量分泌物( 糖类、醇类和 酸类、氨基酸类等) ，促进了微生物( 硝化细菌、反硝化细菌、磷细菌，纤维素 分解菌等) 的生长捧川。 4 1 氮的降解机理与试验的印证 4 1 1 氮的基本转化过程 自然界蕴藏着丰富的氮素物质，其主要形态有三种：分子态氮，存在于空气 中，数量最大，约占空气容量的4 5 ，无机氮化合物如按盐及硝酸盐等；各种有 机氮化合物如生物体中的蛋白质、核酸以及由死亡的生物残体进入土壤后转变 成腐殖质等。有机氮是土壤积累的活性氮的最主要形态，一般占土壤氮的9 5 以上。土壤保持有机氮的能力远远于大保持无机氮的能力。由于植物一般只能 吸收利用土壤中的无机氮，故有机氮只有通过矿化转化成为无机氮以后才能被 植物吸收。土壤中氮的转化和去除过程见图4 1 【5 0 5 。 图4 1 氮元素的转化和去除过程【8 4 】 4 1 1 1 氨化作用( 矿化作用) 氨化作用是指土壤有机氮素( 包括蛋白质、核酸、尿素等) ，在蛋白酶溶菌 酶、核酸酶、尿素酶作用下，由难以被植物利用的有机态转化为可被植物利用 的无机态( 主要为氨态氮) 的过程。反应方程为： r c h n h 2 c 0 0 h + 0 2 _ r c o o h + c 0 2 + n h 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 皇量葛i i =i=, ii 一 1 l i 皇曼曼曼曼曼曼皇曼! 鼍曼皇曼曼曼曼量曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼 氨化作用在好氧、厌氧和兼性厌氧的环境下均可发生，通常在好氧条件下， 氢化作用更容易进行5 2 1 。 4 1 1 2 硝化作用 一般认为生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化反 应分别由硝化菌和反硝化菌作用完成。 程不能同时发生，而只能序列式进行， 反应发生在缺氧或厌氧条件下。 由于对环境条件的要求不同，这两个过 即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化 硝化作用是微生物将铵转化为硝酸盐的过程，占优势的菌种是好氧自养 菌。反应方程如下： 0 2 + 2 h + + n h 4 + - - - * n 0 2 + 5 h + ( 或：2 3 0 2 + n h 4 + - n 0 2 。+ 3 h 2 0 + 2 h + ) n 0 2 。+ o 5 0 2 _ n 0 3 硝化作用下只是改变了氮在水中的化合态，并没有降低水中氮的含量，这 对于防止氮的去除并没有解决根本问题。前人试验研究4 4 】表明：土壤中硝化作 用主要是在表层3 0 c m 内发生的，硝态氮浓度在3 0 c m 左右达到峰值，随后迅 速下降。 4 1 1 3 反硝化作用 硝化作用只是氮素转化的一个中间作用，反硝化作用才能达到脱氮的目 的。反硝化作用是以硝酸盐为电子受体，以其它有机物( 碳源) 为电子供体，使硝 酸盐中的氮形成气态氮( n 2 和n 2 0 ) 从废水中释放出来【6 4 1 。转化途径为： n 0 3 。_ n 0 2 _ n o _ n 2 0 n 2 反硝化作用的总反应： n 0 3 + 5 h 2 + 2 h + 一n 2 + 6 h 2 0 反硝化细菌一般是兼性厌氧异养菌，它们从有机质中获得能量和碳源。在 碳源不受限制、电子受体丰富的环境中反硝化作用将成为优先过程。王晓娟【5 9 】 认为，几乎所有的微生物在好氧环境改变成缺氧或厌氧环境后均可以参与反硝 化过程。那么在碳源不受限制的情况下，当土地系统具有良好的缺氧厌氧环境 时微生物即可进行充分的反硝化脱氮。 4 1 1 4 厌氧氨氧化 m u l d e r 等6 93 在研究脱氮流化床反应器时发现，氨可直接作为电子供体进 行反硝化反应，并称之为厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 。v a nd e rg r a a f 等7 0 3 则进 一步证实a n a m m o x 是一个微生物学的过程。他们的发现为研究厌氧氨氧化 技术提供了事实依据。v a nd e rg r a a f 等指出，在厌氧分批培养中，氨与硝酸盐 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 曼皇曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼邕曼曼皇皇曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼孽! 曼皇曼曼曼曼曼鼍曼舅曼曼曼璺曼量鼍oi i i 蔓曼曼寰曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼鼍曼曼量曼曼曼曼曼鼍曼基 被同时转化，仅有微量的亚硝酸盐积累。一旦硝酸盐耗尽，氨的转化也停止。 补加硝酸盐后，氨的氧化马上恢复。他们用同位素示踪证明：厌氧氨氧化的主 要产物为n 2 。汪慧贞等人r 7 13 通过分析s h a r o n 和a n a m m o x 工艺的反应 机理，将二者结合起来，提出了半硝化一厌氧氨氧化脱氮的新工艺。 目前推测厌氧氨氧化有多种途径。其中一种包括羟氨和亚硝酸盐生成n 2 0 的反应，而n 2 0 可以进一步转化为n 2 ，氨被氧化为羟氨。另一种是氨和羟氨 反应生成联氨，联氨被转化成n 2 并生成4 个还原性【h 】，还原性 h 】祓传递到 亚硝酸后还原系统形成羟氨【7 2 】。第三种是：一方面亚硝酸被还原为n o ，n o 被还原为n 2 0 ，n 2 0 再被还原成n 2 ；另一方面，n h 4 + - n 被氧化为n h 2 0 h ， n h 2 0 h 经n 2 h 4 、n 2 h 2 被转化为n 2 1 7 3 j 。三种可能的代谢途径如图4 2 。 图4 2 厌氧氨氧化代谢途径【7 3 】 厌氧氨氧化由于能同时去除n h 4 + - n 和n 0 2 - n 两种氮素，可大大降低污 水处理的成本，作为一种新型的生物脱氮技术，目前受到广泛的