（环境工程专业论文）黄壤土粘土双层土处理生活污水的性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t p a p e rb a s e do nt h er e s e a r c ho fap r o je c to fl a n dt r e a t m e n ts y s t e m w h i c hi s u s e d t ot r e a tt h e w e w a g ew a t e r i nh e n gf ac h u e nn o n g ji a l eo f l o n g q u a n a c c o r d i n gt ot h ec l i m a t i cc o n d i t i o n s ，s o i l ，v e g e t a t i o nd i s t r i b u t i o na n d w a t e rf e a t u r e s ，w eb u i l day e l l o ws o i l c l a ys o i ld o u b l el a y e r sl a n dt r e a t m e n t s y s t e m i nt h es t a r t - u pp e r i o d ，w er e s e a r c h e dt h ev a r i v a t i o na b o u tc o n c e n t r a t i o n o ft h ep o l l u t a n t si nw a t e ra n dr e m o v a le f f i c i e n c yc u r v e a n db yc h a n g i n gt h e i n f l u e n th y d r a u l i cl o a d i n g e x p l o r et h ea f f e c t i o no nt h ep o l l u t a n tr e m o v a lr a t e a n dt h ed e p t ho fp e n e t r a t i o n ；f i n a l l y ，b yc o m p a r i n gt h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o na n d a c c u m u l a t i o ni nb l a n ka n dp l a n te q u i p m e n t ，a n a l y s i st h ep u r i f i c a t i o na b i l i t yo f t h eja p o n i c u so nr e m o v e m e n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s a tt h ef i r s tc y c l ei ns t a r t u pp e r i o d t h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t si nt h e w a t e ri si u m p e da n dl a r g e r ；a tt h es e c o n dc y c l e ，a l t h o u g hs h o w i n gad o w n w a r d t r e n d c y , t h ed e c l i n ew a sn o to b v i o u s ；a tt h et h i r da n dt h ef o u r t hc y c l e ，t h e c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sa n dt h et r e n d c yo ft h ep o l l u t a n t sc u r v eh a sb e e n b a s i c a l l yt h es a m e f i n a l l y ，t h er e m o v a lr a t e so fc o d ，n h 3 一n ，t n ，t pi np l a n t a r e ac a nr e a c h e e d7 9 1 6 ，9 6 0 1 ，9 0 8 3 ，8 9 4 7 ：a n db l a n ka r e ac a nr e a c h e d 7 7 2 2 ，9 5 4 6 ，8 4 4 2 ，8 2 8 9 b yc o m p a r i n gw i t hp o l l u t a n tr e m o v a lc u r v e s n e a rt h e2 拌a n d 3 撑o u t l e ti nt h ep l a n ta n dt h eb l a n ka r e a r w ef o u n dt h a tt h e r e u s u a l l yh a v eai n f l e c t i o np o i n tb e t w e e nt ey e l l o ws o i ll a y e ra n dc a y ls o i ll a y e r a f t e rt h es y s t e mi ss t a b l e u n d e rt h ec o n d i t i o n so fr a t i oo f2 ：1f o rt h ew e t a n dd r ya n df o u rh y d r a u l i cl o a d i n g s ，s u c ha s0 0 4 m m z d 0 0 6 m m z d ， 0 0 8 m m 二da n d0 1o m m d t h es t u d yf o u n dt h a ta tt h eh y d r a u l i cl o a d i n g o f0 0 8 m 。m 二d ，t h er e m o v a lo fp o l l u t a n t si sb e s t a n dt h ep e n e t r a t i o nd e p t hi s m i n i m u m i t sr a n g eb e t w e e n2 4 c m 一4 0 c m i nt h ec o n t r a s tp a r to ft h ee x p e r i m e n t ，f o c u so nt h ep u r i f i c a t i o no fs e w a g e e f f e c ta b o u ti a p o n i c u s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n w a s t e w a t e rw h i c hw a sa s s i m i l a t e db yj a p o n i c a sw a s1 6 8 a n d2 1 1 o f t h et o t a l r e m o v a li nt h el a n dt r e a t m e n ts y s t e m ，w h i l et h ea s s i m i l a t i o no fc o di sl e s st h a n 1 s op u r i f i c a t i o no ft n ，t po fi a p o n i c u si sm o r ee f f e c t e dt h a nc o d i nt h i ss t u d y ，b a s e do nt h ec l a s s i cak i n e t i ce q u a t i o no fe c k e n f e l d e r ，w eh a v e b u i l ts o m em o d e l s a f t e rv e r i f i e db yt h ef i t t i n g 。t h e r eh a v el i t t l ed e v i a t i o n b e t w e e nt h ea n a l o gv a l u ea n dt h er e a lv a l u e ，a n dt h ev a l u eo fc o d ，n h 3 n ，t n ， t pc o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t a n t sa r el e s st h a nt h eat a r g e tr e q u i r e m e n t s i n ”m u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n te m i s s i o ns t a n d a r d s ”f g b19 9l8 2 0 0 2 ) k e yw o r d s ：d o u b l el a y e r sl a n dt r e a t m e n ts y s t e m ；r e m o v a l ；p e n e t r a t i o nd e p t h ； h y d r a u l i cl o a d i n g ，镌 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 量i i i i i 一 i ,i i i 鼍曼皇曼曼曼 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 问题的提出 本论文研究是以龙泉山杏花村农家乐利用土地处理系统处理生活污水系统工程 特性为研究课题，根据龙泉山地区的气候条件、土壤环境、植被分布及被处理水的特 性，建立了黄壤土一粘土双层土处理生活污水的实验装置，通过研究该土地处理系统 在实验设定条件下处理生活污水中的污染物c o d 、t n 、n h 3 - n 、t p 去除率、最佳运 行条件、穿透深度等基本性能，为农家乐的土地处理系统提供一定实施数据。 1 杏花村概况 福洪乡杏花村，地处成都平原东北部边缘，福洪乡东南方，距成都市区1 8 4 公 里，距青白江区清泉镇约4 公里，距龙泉驿区洪安镇约3 公里，属成都市总体规划都 市区范围，是成都经城南高速出入 f i l l 、川东北的要道。该村东与清泉镇、人和乡相 邻，南与龙泉山区的文安镇交界。 。 杏花村座落于龙泉山山脉，山上面积约2 7 8 平方公里，山下面积约3 1 7 平方公 里，种植有多种果树。全区地处内陆亚热带湿润季风气候带，四季分明。年平均气温 1 4 9 1 6 7 ，全年无霜期2 7 3 2 7 9 天，年平均降水量为9 2 5 4 毫米，年平均日照 1 2 3 9 1 小时。杏花村东南部为龙泉山的低山区，海拔5 4 6 , - - 9 1 5 米，最高点在仁和乡， 海拔9 1 5 米。 2 杏花村水污染现状 2 0 1 0 年杏花村建成区现状人口4 0 9 6 人，按照人均每天使用1 3 0 l 水来计算，全 村生活污水产生量约5 3 2 f f d ，现状村区没有铺设污水管网，也未建设污水处理设施， 污水产生后未能集中处理，最终直接排入当地地表水体。同时，随着杏花村旅游产业 的快速发展，小型餐饮店农家乐逐渐增多，目前已有农家乐餐饮店1 2 家，可产生餐 饮废水和生活污水4 0 t d ，污水未经化粪池或沼气池等简单处理，任由其分散排放， 造成了地表水和地下水污染、土壤植物污染以及传染病的流行。 杏花村属都江堰自流灌溉区，东风渠除了是全村的灌溉之渠外，也是杏花村的人 畜饮用水水源。由于对杏花村生活污水等污染物的处置不当，东风渠的水源也一直受 着不同程度的污染。 3 杏花村生活污水采用土地处理系统的优势 从工程建设方面讲，杏花村因地处山区不适于大型机械作业，也不适于建造大型 污水处理构筑物，故采用现有的土地、山林作为污水处理设施就显得简单的多，省钱 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的多；另外杏花村拥有大量的果林面积，对污染物有着充足消纳能力，对污染物的去 除效果良好。从设施管理及经济利益方面讲，村民普遍受教育程度不高，对该系统的 管理无需大量专业知识，管理起来简单方便：其次生活污水中的氮磷等元素可为果树 的生长提供了大量的营养元素，减少化学肥料投入量，使得结果实更加绿色环保，增 加销量及收入。 1 1 2 土地处理系统的原理及分类特点 土地处理系统是种技术日趋成熟，处理原理简单，管理方便，成本低的污水处 理系统，也是一项污水处理的生态技术。其可以简要定义为：污水经过一定程度的预 处理，然后有控制地投配到土地上，利用土壤一微生物一植物生态系统的自净功能和自 我调控机制，通过一系列物理、化学和生物化学等过程，使污水达到预定处理效果， 并对污水中的氮、磷等资源加以利用，使其成为植物自身营养成分的一种污水处理技 术【1 2 1 。 土壤作为土地处理系统的核心其主要是由有机物、无机物及微生物组成。土壤中 的无机物的组成包括氢氧化铝和氢氧化铁等成分，可以吸附和降解污染物质；有机物 主要包含了土壤中的腐殖质和其他生物分解物，可以吸附污水中的污染物质；另外这 些有机物和无机物形成了大量微生物生息的固体粒子。除此之外土壤中还存在有大量 特殊的团粒体，它的存在大大提高了土壤对污水的净化能力【3 】。 根据土壤性质、透水性、地形、植物种类、气候条件和对污水处理程度的不同， 土地处理系统可以分为慢速渗滤( s r ) 、快速渗滤( m ) 、地表漫流( o f ) 和湿地系 统( w l ) 和地下渗流( u g ) 5 种工艺类型1 4 j 。 一慢速渗滤系统( s l o wf i l t e r i n ge e o t r e a t m e n ts y s t e m ，s f e t s ) 是将污水直接投配 到土壤表面或种植有植被的土壤表面，从而形成地表径流，在污水的流动过程中污水 逐步渗入表层土壤及土壤一植被系统中，进行垂直渗滤并使得污水得到净化的处理工 艺。 快速渗滤系统( r a p i df i l t e r i n ge e o t r e a t m e n ts y s t e m ，r f e t s ) 是将污水有控制 地投配到渗滤性能良好的土壤或种植有植被的土壤表面，污水在重力作用下下穿土 壤，在穿透过程中，通过吸附及截留物理过程，氧化还原等化学反应以及生物氧化、 硝化、反硝化等生物化学作用后使得污水得以进化的水处理工艺。 地表漫流系统( o v e r l a n df l o we c o - t r e a t m e n ts y s t e m ，o f e t s ) 是将污水定量投 配到生长着茂密植物，具有和缓坡度且土壤渗透性较低的土地表面上，污水呈薄层缓 慢均匀地在地表上流动，在流动过程中土壤一植物一水整个体系会对污染物有巨大的容 纳、缓冲及降解和再生作用，经过一段距离的流动后污水最终得到净化的水处理工艺。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 污水湿地处理系统( w e t l a n de c o t r e a t m e n ts y s t e m ，w - e t s ) 是将污水有控制地 投配到土壤一植物一微生物一水复合生态系统中，并使土壤的水分含量保持一个饱和状 态，污水沿一定的植被分区或功能分区方向流动，污水中的污染物质在土壤一耐水植 物一微生物的联合作用下被净化的处理工艺。 地下渗滤系统( s u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ne c o - t r e a t m e n ts y s t e m ，s i - e t s ) 是利用并 强化了土壤微生物及土壤一植物稳定生态系统净化功能的处理系统，污水在土层中投 配后，污水中的污染物的去除主要是利用了一定构造和扩散性能良好的地下土层的物 理、化学及生物化学的综合作用，污水中的污染物会经过毛管浸润及土壤渗滤等物理 作用被截留，之后在植物对污染物的吸收及微生物的分解等作用下，污水中的污染物 进入生态系统的物质循环进行降解，净化水质，使污水中能量通过生态系统的能量流 动逐级利用，以维持生态系统发挥的中小规模的自然生态处理过程【5 1 。 1 1 3 国内外土地处理系统处理生活污水应用现状 污水土地处理系统原是污水净化的一种古老技术，但是其真正作为一项科学而高 效的污水处理工艺，仅在最近的2 旺3 0 年才得到发展。该系统以经济合算，可充分 利用水资源，节省能源消耗，减轻环境污染等优点而受到世界各国的普遍重视。 目前利用土地处理系统处理生活污水的应用也很多。其中国外利用土地处理系统 处理生活污水的工艺最成熟，应用也较为普遍。美国应用于城市生活污水的土地处理 系统有三种类型，即：慢速过滤田、快速渗滤场及地表径流场，其中在1 1 8 0 个土地 处理系统中，慢速过滤田可占7 0 以上。美国于1 9 7 4 年在密执安州m u s k e g o n 城建 立了最大慢速过滤田，1 9 8 1 年又在格尔基阿州的c l a y t o n 城建成一座森林区污水土地 处理系统，而且还在加利福尼亚州的d a v i s 城建立了地表径流系统【6 】。目前，在美国 约有3 6 的农村及散住家庭用了土地处理系统处理生活污水，在瑞典、芬兰和挪威等 北欧国家，约有1 0 0 多万散居住户采用了土地处理系统处理生活污水【7 、8 】。并且，人 工湿地在气温比较低的丹麦、加拿大、韩国、美国等国家被用来处理生活污水，都取 得了比较好的运行效果。在加拿大、美国等低温的农村地区用稳定塘处理生活污水的 情况仍然较多1 9 1 。 我国在引用国外土地渗滤系统工艺的基础上革新研究也得到快速发展。如我国沈 阳西部的滞洪区就有慢速渗滤土地污水处理系统处理农村污水的应用【1 0 、1 1 1 。邢台市、 北京通州区小堡村、东莞华兴电器厂【1 3 】先后用快速渗滤系统处理生活污水，且效果 显著；在贵州省红枫湖国家亚高原水上运动训练基地采用了2 套生活污水的地沟式土 地处理工程【1 4 1 。在有水塘的北方农村地区，也可通过适当改造水塘为稳定塘，将稳定 塘与人工湿地或土地渗滤等技术结合起来，用于处理农村生活污水1 9 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 1 4 土地处理系统各性能的研究进展 目前土地处理系统中对污染物质迁移转化过程及原理研究较多。如王红旗，舒艳， 王亚男根据磷在土壤中的迁移转化机理，进行了土柱实验，总结出污水中磷在土壤中 迁移转化的规律，提出了定量模拟这一规律的迁移转化联合模型【1 s 】。陈喜峰也对废水 中氨氮在土地处理系统中的迁移转化进行了模拟研究。宝哲，杨培岭，任树梅，许廷 武等人对再生水灌溉下污灌土壤中盐分离子交换转运的模拟研究实验，并且结果表明 不同土壤在低n a + 配制液淋洗下的穿透曲线出现凹现象，且n a + 在土壤中的富集作用 并不显著等1 1 6 j 。何江涛，段光杰，张金炳，汤鸣皋等人通过研究发现污水渗滤土地处 理系统中水力停留时间与出水效果之间的关系不是简单的指数关系，而实际是一条直 线和一条负指数曲线叠加而成的相关理论旧。王德春，孙凌帆研究了氨氮在土地处理 系统中去除率的影响因素，研究表明缩短水力负荷周期、延长干化时间，可提高污水 土地处理系统中氨氮的去除率及土壤复氧效率，稳定出水水质【1 8 1 。甘磊，刘春平，谭 波等人做了土地处理系统中溶解氧变化特征同c o d 去除率的关系实验研究，研究发 现o p r 的变化与系统通气性和c o d 去除率密切相关，通气性越好，c o d 去除率越 高【1 9 1 。郝火凡利用甘肃西部荒漠地区的土样，经行研究实验，总结出了该土质的土地 处理系统较为适宜的干湿比为7 ：7 ，并且表明只要控制好运行条件，充分发挥砂层对 污水的渗透能力，就可以满足省市污水的自然处理和再利用的要求【2 0 1 。沈晓清，王卫 琴等人对地下土壤渗滤系统处理农村生活污水的应用做了研究，研究指出随着土地处 理系统的面积增大水处理效果也相应变好，并且推荐采用收集生活污水集中处理系统 的适宜面积在9 0 m 2 3 0 0 m 2 之间【2 1 1 。张刚，张乃明对农村生活污水土地处理系统技术 研究表明土地处理系统是比较适合农村环境的生活污水处理系统，并通过研究发现新 型改良后的快速土地渗滤系统处理效果更好，实验证明了人工土壤快渗土地处理系统 处理效果与土壤介质配比、水力停留时间、干湿比有关，t n 的最优去除率可达到 8 7 3 6 一9 5 5 9 、t p 的最优去除率可达9 4 5 左右【2 2 】。 1 2 主要研究内容与方法 1 2 1 研究内容 根据国内外研究现状及前期人员的各项研究成果，结合龙泉山杏花村农家乐利用 土地处理系统处理生活污水系统工程特性，本研究从双层土土地处理系统对生活污水 中的c o d 、t n 、n h 3 n 、t p 等污染物质去除效果的影响因素展开，通过调整土地系 统运行变量，提高污水进水强度，从而对黄壤土一粘土双层土土地处理系统的污染物 去除特性进行研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 主要通过对系统间歇配水，使系统到达稳定状态，从而得出系统启动期的污染 物去除规律及土层分界处的污染物浓度变化规律，从而掌握最佳运行条件、配水时间 及出水浓度等。 2 系统达到稳定后，通过改变水力负荷，研究污水强度变化对污染物降解效果与 穿透深度的影响，主要通过调整单位时间内进水水量、观察和研究系统中污染物去除 效果，从而寻求最佳水力负荷下的穿透深度。 3 植物对污水中有机物、氮、磷的去除影响，在植被区拟种植常见植物麦冬草， 通过与空白区出水水质作对比，进一步观察和研究该植物对进水污染物的去除效果。 1 2 2 研究目的 探索黄壤土- 粘土双层土壤对c o d 、t n 、n h 3 - n 、t p 等污染物质的去除机理；对 双层土壤分界线处的污染物浓度变化进行研究；最终探索该处理系统的最佳运行条件 下的去除效果及穿透深度，并得出该系统的污染物降解动力学模型。 1 2 - 3 研究方法 、本研究主要采用的是实验模拟与理论分析相结合的研究方法，实验条件与龙泉山 杏花村农家乐利用土地处理系统处理生活污水系统工程特性相吻合，已最大限度地接 近工程实际，实验以c o d 、t n 、n h 3 n 、t p 的去除率监测为核心，在不同实验方案 的设定条件下，研究黄壤土与粘土双层土壤对污水中污染物质的去除效果及机理，最 终得出反应动力学模型，确定出该系统的最佳运行条件，为龙泉山杏花村农家乐利用 土地处理系统处理生活污水系统工程提供一定的数据基础。 1 2 4 技术路线 本研究以不同水力负荷为依托，以污水中c o d 、t n 、n h 3 - n 、t p 等污染物质的 去除率为监测核心，确定了本研究的基本技术路线，如下图1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 搜集及查阅相关资料 上 1 分析所要模拟工程所具有的土壤、气候、植被的特性 图1 - 1 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章实验装置设计及实验方法 2 1 实验目的 本实验根据龙泉山地区的气候条件、土壤环境、植被分布及被处理污水特性，建 立了黄壤土- 粘土双层土处理生活污水的实验装置，通过研究该土地处理系统在实验 设定条件下处理牛活污水中的污染物c o d 、t n 、n h 3 n 、t p 污染物浓度变化规律、去 除效率及穿透深度，可为龙泉山杏花村农家乐的土地处理系统处理生活污水提供一定 理论数据。同时，突破了以往对单一土壤结构的研究，采用双层土壤，为双层土壤的 快速渗滤系统进一步研究提供了一定数据基础。 2 。2 实验装置设计 2 2 1 实验装置的组成及结构 本实验装置主要由玻璃缸体、填料、布水系统、采样口及植被组成。实验装置实 物照片见图2 1 所示，实验装置结构总图见图2 2 所示。 一 图2 - 1 实验装置实物照片 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 沉淀水池 q 小水泵 转子流量计 | j 扩：一：ji 一 。9 i - 7 鼍 善哥i j 。 ue ue 2 # u i n o 卜 3 # 彰， 4 鼻 黄壤土层y 黏土层 习 鬻羧瀵攀壤题 鞠 r 。p ；_ 一二一# d 、4 ，：矗一 飞 5 ：h 己s c n 图2 - 2 实验装置总结构图 1 玻璃缸体 实验设备主体采用有机玻璃，其结构见表2 1 所示，玻璃缸体结构图见图2 3 所 示。 表2 - 1 玻璃缸体的结构 募譬 材料 乏硼，度 兰! ：兰! ：兰! ： 竺竺! ：主茎：雯 7 5 5 07 00 2 4 50 3 7 5 植被区 有机玻璃 1 5 0 5 0 7 00 1 5 0 2 5 空白区 有机玻璃 i 22 5 5 0 7 0 0 0 7 5 0 1 2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 图2 - 3 玻璃缸体结构图 2 填料 实验装置的填料分为三层铺设，最底层为1 0 c m 厚的鹅卵石层，上边为3 0 c m 厚 的粘土层，最上边为2 0 e r a 厚的黄壤土图层，其填料结构图如下图2 - 4 所示。在填充 过程中，边填充边压实，尤其是在黄壤土土层的填充，以防止产生大的空隙而形成渗 水流水通道。 i 2 0 c m l 3 0 c m l o c m 黄壤土层 。 。 j 。 一 一- 一 。 一粘土层 一一一 澍磊磊 图2 - 4 填料结构图 3 布水系统 本实验所采用的布水系统是由直径为l c m 的p v c 管制成，由1 根横向总配水管和 4 根纵向配水支管组成。每根管底侧间隔3 e r a 处钻直径2 r n m 的小孔一个，管道连接 处用密封带密封。总配水管与沉淀池连接，由安装在沉淀池底的小水泵进行抽水，之 后通过转子流量计计量配水水量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 4 采样口 本实验装置共设置1 0 个采样口，即植物区5 个和空白区5 个，其中8 个采样口 采用了两组长短不一的玻璃漏斗u 型管，每个区填埋有一组u 型管，每组玻璃u 形 管管长分别为2 0 e r a ，3 0 e m ，4 0 c m ，5 0 e m ，依次填埋在各分区装置中，分别表示1 ， 钟，3 拌，群采样口，剩余的两个采样口即每组区域的5 舟采样口为相应区域的出水口。 采样口布设结构图如下图2 5 所示。 出水口 图2 5 采样口布设结构图 2 2 2 实验填料的来源及成分 1 实验填料的来源 本实验所用的鹅卵石来自于建筑工地，黄壤土及粘土采集于龙泉山杏花村农家乐 附近。 2 填料成分 本实验所用的填料主要有三种，分别为鹅卵石、黄壤土及粘土，其理化性质见表 2 2 所示。 表2 2 实验黄壤土、粘土的基本理化性质 2 2 3 实验污水的来源及成分 1 实验污水来源 本实验污水来源于西南交通大学老校区1 0 号宿舍楼下的污水管网。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 曼曼舞曼曼皇量曼曼鲁曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇1 1 , i ii i i 曼曼! 曼曼舅曼曼鼍曼舅皇皇! 量曼曼曼皇曼曼孽量苎曼曼曼曼舅曼曼曼曼量曼曼鼍曼鼍 2 实验污水成分 本实验污水属生活污水，经过多次测定其p h 值在6 5 7 6 之间，s s 浓度在 2 8 1 2 0 r a g 1 之间，c o d 浓度在9 5 - 2 8 0 m g 1 之间，n i - - 1 3 - n 浓度在2 6 3 9 m g 1 之间，t n 浓度在3 5 - 5 0 t o g a 之间，1 1 p 浓度在1 2 2 3 m l 之间。 2 2 4 实验植被的选取 本实验以龙泉山的自然环境、黄壤土性质、植被分布及植物对废水吸收能力为依 据，最终选用麦冬革为实验植被。由于植被对氮磷的吸收一般是在成熟阶段，且为了 缩短实验时间，本实验采用成熟的麦冬草植株，从金科花卉市场购置数株。 麦冬草o p h i o p o g o g o n j a p o n i c u s ( l f ) k e r - g a w l 。是百合科植物，既是中医药 用植物，以块根供药用。麦冬草习性喜温暖、湿润环境。雨量充沛，无霜期长，麦冬 生长良好。较耐寒，在1 0 0 c 气温下不致冻死，在南方能露地越冬。对土壤要求疏松 肥沃、排水良好、土层深厚的砂质壤土。过砂或过粘以及低洼积水的地方均不宜种植。 2 3 实验方法 本论文研究主要报括两个方面：分别是黄壤土粘土双层土快速渗滤土地处理系 统启动期的污染物浓度变化研究和该土地处理系统稳定期的基本性能研究。 1 土地处理系统启动期的性能的研究的实验方法 取用4 m 3 的预处理生活污水，在控制系统布水量的前提下，间歇布水4 8 小时， 布水前测定进水污染物浓度，进水后每隔1 2 小时测定一次各取水口出水污染物浓度。 2 土地处理系统基本性能的研究 以2 ：1 的干湿比( 布水8 小时，落干4 小时) 分别按照o 0 4 m 3 m 2 日、0 0 6 m 3 m 2 - d 、 0 0 8 m 3 m 2 d 、0 1 0 m 3 m 2 d 的水力负荷对系统配水4 个周期，配水同时，每个周期 完毕后分别对出水口1 j 5 、2 6 、3 群、4 撑、5 存的出水口污染物浓度进行测定。 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 4 实验器材与测定方法 2 4 1 主要仪器与设备 本研究用到的主要仪器如下表2 3 所示。 表2 3 实验主要仪器 ：= = - = = 一 1 潜水泵5 0 w 2 可见分光光度计 7 2 2 s 3 紫外分光光度计 u v 一2 1 0 2 p c s 4 电炉一 5 电子天平 f a 2 0 0 4 型 6 c o d 消解仪h - 1 2 型c o d 恒温加热器 7 烘箱 b p g 一9 0 7 0 a 电热鼓风干燥箱 8 ph计phs一3c型 9 高压灭菌锅 y x q - l s 一5 0 s i 立式压力蒸汽灭菌锅 1 0 小型粉碎机 一 2 4 2 测定方法 本实验所测定的水质指标主要c o d 、n h 3 - n 、t n 、t p 等，土壤样品测定指标主 要有含水率、有机质、总磷、总氮等，植物样品测定指标主要有总磷及总氮，其测定 方法是参照中华人民共和国国家标准法测定。监测指标及分析方法见下表2 - 4 所示。 表2 - 4 监测指标及分析方法 _ ：= = - = ：= 一 样品种类监测指标 分析方法 一 = _ 一 p h 玻璃电极法 c o d 重铬酸钾法 水样 土壤样品 n l i 3 一n t n t p 含水率 总氮 总磷 有机质 蒸馏滴定法 碱性过硫酸钾消解一紫外分光光度法 过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法 重量法 半微量凯氏法消解硼酸吸收滴定法 半微量凯氏法消解一钼锑抗分光光度法 重量法 2 5 数据处理 c o d 、n h 3 - n 、t n 、t p 的去除率用式2 1 计算： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 = 警枷泓 船1 式中：c o d 、n h s - n 、t n 、t p 的去除率， c o c o d 、n h 3 一n 、t n 、t p 的进水浓度，m g l ： g _ o d 、n i - - 1 3 - n 、t n 、t p 的出水浓度，m g l 。 2 6 本章小结 本章介绍了本研究的实验目的，实验装置设计，实验方法，实验器材与测定方法 及数据处理方法。本实验在室外模拟龙泉山杏花村农家乐土地处理系统，以黄壤土 粘土双层土为研究对象，寻找其有机物( c o d ) 及氮磷的迁移、转化及降解规律，掌 握其反应机理的同时寻找其最佳运行条件，最终建立数学模型得出其反应动力学方 程，为以后双层土土地处理系统进一步研究提供一定的数据基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第3 章双层土地处理系统启动期的性能的研究 黄壤土- 粘土双层土地处理系统其实也是一个完整的生态系统，通过植物土壤 微生物的相互联系有相互制约作用的复杂的土地处理系统，是一种基于自然地生态原 理，以节能、再生资源、环保作为指导思想，予以工程实用化而创造出的一种污水净 化工艺。 本实验主要包括黄壤土粘土双层土快速渗滤土地处理系统启动期的性能研究与 该土地处理系统稳定期基本性能的研究两个方面。首先通过对该土地处理系统进行固 定水量的4 8 小时间歇滴灌进行启动实验，完成系统启动期的污染物去除效果的基础 研究，为下一步稳定期污染物在进水水力负荷的变化下去除效率及穿透深度的研究奠 定基础。 3 1 土地处理系统的启动 污水土地处理系统启动指的是在一定时段内，通过少量的稳定配水使土地系统逐 渐适应污水环境，系统内的水含量达到一定饱和程度，且微生物种类及数量达到稳定， 最终对污水中污染物的处理效果达到稳定。本实验认为，当各出水口出水浓度与上一 周期的测定浓度相比，相差不到1 0 就认为该处理系统已达到稳定。 3 2 实验条件及参数 1 运行方式 有研究表明，土地处理系统运行方式直接影响着系统的复氧途径和复氧效率【2 3 1 ， 对土壤中微生物的氧化还原反应起重要作用。而且不同的运行方式还直接影响着系统 中的动力学行为，在同一水力负荷条件下，缩短淹水期，增加单位时间内污水的投配 次数，会直接影响地埋式砂滤系统中污染物的去除效果 2 4 1 。并且传统的对系统，一 般都采用1 d 3 d 淹水和4 d 1 0 d 落干的运行方式【2 5 1 。 本实验在前人研究的基础上采用如下运行方式：取用4 m 3 的预处理生活污水，控 制系统布水量，间歇布水4 8 小时，布水前测定进水污染物浓度，为满足水样的采集 量，故每隔1 2 小时( 其中8 小时连续布水时间，4 小时落干时间) 取水测定一次各 取水口出水污染物浓度。 2 进水的情况 实验用水的基本情况见下表3 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 表3 - 1 实验用水的基本情况 3 3 实验数据及分析 经过四个周期的测定，对所得数据进行归纳总结分后，最终得到各取样口各阶段 的染物浓度的变化规律。各取样口各污染物浓度分布如图3 1 、图3 2 、图3 - 3 和图3 4 所示。 3 3 。1 实验装置启动阶段污水c o d 的浓度变化规律 2 兽 、一 憾 装 鲁 8 o 18 0 。0 s = 二二二 嚣6 0 毫一 喜k _ 一、+ i _ u 4 0l 二一 ： 取样口名称 ( b ) 图3 - 1 实验装置启动阶段污水c o d 的浓度变化规律 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 实验启动期进水中含c o d 量1 8 0 7 5 m g 1 ，实验所用黄壤土含有机质量 1 5 7 2 3 m g k g ，粘土含有机质量为o 2 0 m g k g 。根据以上数据图3 1 显示可知，该土地处 理系统在第一周期内的c o d 处理效果已经很明显，植物区污水最后取样口的c o d 浓 度为4 7 5 6 m g 1 ，去除效率可达到7 9 1 6 ，空白区污水最后取样口的c o d 浓度为 5 2 1 0 m g l ，去除效率也达到7 7 2 2 左右。通过连续几个周期的布水及数据检测可发 现，系统处理污染物的能力在不段增强，最终维持在一个恒定水平，即植物区污水终 端取样口的c o d 浓度为2 8 7 5 m g 1 ，去除率可达到8 7 4 ；空白区污水终端取样口的 c o d 浓度为2 9 9 9 m g l ，去除率可达到8 6 8 6 ，污染物去除效果明显。 经过空白区与植被区的对比可以发现，两个区域对污水中污染物c o d 的去除效 率相近，曲线变化规律也相近，说明麦冬草植被没有对污水中污染物c o d 的去除起 到主要作用。 另外系统启动期间污染物浓度数值出现跳跃的情况，是因为由于系统内填料分布 未完全均匀，部分地方出现水通道，污水未经土壤过滤作用而被直接收集。待到长时 间布水过后，系统内沙土在各层面上基本达到均匀，水通道消失，污染物去除效果越 来越好，系统也慢慢趋于稳定状态。同时第一周期的污染物曲线与稳定后的污染物曲 线偏差较远，这主要是由于现采的填料土壤中包含有一定量的有机质，布水初期在污 水的冲刷和淋溶下，有机质融入污水中，使得对生活污水中有机物的去除效果不明显， 另外由于一般地表下3 0 c m - 5 0 c m 深度的土壤层中聚集着大量的微生物及微型动物， 在微生物的作用下，污水中的有机污染物可以被吸附、降解；原生动物及后生动物又 以微生物为食，一定程度上维持着系统内的内部清洁，避免了生物堵塞，使得稳定后 的系统出水水质较好。 3 3 2 实验装置启动阶段污水t p 的浓度变化规律 扩一 卜2l ! 二= 冬弋一 i 1 p = 泛二_ 12345 取样口名称 ( a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 空白装置 6 一 蓍3 i 譬 、 咏v v ( b ) 45 取样口名称 图3 2 实验装置启动阶段污水t p 的浓度变化规律 土壤对磷有较强的吸附特性，一般可以确定为2 0 0 0 m g l o o g ( 磷土壤) 。伸入土 层中的麦冬草根系可吸收污水矿化产牛的含磷养分，作为其生长的必需营养物质。由 磷在土壤中的化学转化机理可知，磷在土壤中的迁移过程中存在3 种形态，即可溶态 磷、吸附态磷及沉淀态磷。其在土壤中的迁移规律一般为：可溶态磷是迁移转化的起 点，在进入土壤后，可溶态磷丰要以水分做溶质迁移，在迁移的同时，会不断转化为 吸附态磷及多种沉淀态磷；吸附态磷是由可溶态磷生成，并可与可溶态磷一起发牛沉 淀反应而生成沉淀态磷，之后固着于土壤颗粒上，不发生迁移；沉淀态磷可由可溶态 磷和吸附态磷经化学转化而形成，在土壤中也有部分迁移现象。磷在土壤中不仅发生 迁移，而且有自身的化学转化：可溶态磷在土壤中的化学转化丰要有吸附反应和沉淀 反应；中间态钙磷、沉淀态钙磷和沉淀态铝一铁磷以类似悬移质的不平衡输送形式在 土壤中迁移。在灌水初期，溶解态磷会在土壤表层富集，并随时间的推移逐渐向下迁 移，其浓度也逐渐降低【1 5 】。 实验启动期进水中含磷量1 7 m g 1 ，实验所用黄壤土含磷量6 2 8 m g k g ，粘土含磷量 为o 0 1 m g k g 。根据以上数据图3 2 显示可知，该土地处理系统在第一周期内的多个 水样t p 的浓度远远大于进水水质的初始浓度，这丰要是由于黄壤土填料层的含磷量 较高，在初期布水时，土壤中的磷被冲刷和融淋，随着污水流动向下迁移，并在迁移 过程中不断被植被吸收和微牛物降解。同时，第一周期内空白区的水样含磷量略小于 植被区含磷量，主要是由于植被区麦冬草移栽后，由于根系和土壤接触不紧密，留有 很多大的空隙，土壤较空白区松散很多，污水的冲刷和淋融作用也较强，土壤过滤吸 附作用较弱。在经过长期周期性的布水过后，系统慢慢趋于稳定，第三周期与第四周 期的水样检测值趋于一致。污水植被区终端取样口的t p 浓度为0 1 7 9 m g 1 ，去除率可 达到8 9 4 7 ；空白区污水终端取样口的t p 浓度为0 3 0 8 m g 1 ，去除率可达到8 2 8 9 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 污染物去除效果明显。 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【2 酬。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【2 7 2 8 1 。 3 3 3 实验装置启动阶段污水t n 的浓度变化规律 ： 誉 v 魁 袋 z 卜 ： 詈 v 越 袋 z 卜 植被装置 23 4 5取样l j 名称 ( a ) 12345 取样口名称 ( b ) 图3 - 3 实验装置启动阶段污水t n 的浓度变化规律 存在于土壤表层的氮主要有五种形式存在，即大气尘埃的固体沉降、矿物肥料、 污水的排放、动植物残余及微生物的孤单作用。在土壤的表层和地下水位之间的土层 中，主要存在以下n 形态的转化：氨氮通过硝化作用转化为硝态氮、有机氮通过氨化 作用转化为氨氮、氨氮和硝态氮还可重新合成有机氮、硝态氮则可通过反硝化作用形 成n 2 重新回归到大气中间。土壤中存在的有机氮一般不随污水渗入地下水，也不出 现在刚系统的处理出水中。土壤可吸附一定量的氨氮和少量硝态氮，同时部分的氨 钻如如筋趵坫加5 o 钻如撕加坫加5 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 氮和硝态氮会随刚系统的处理出水进入地下水【2 9 】。 生活污水中的氮一般是以有机氮和氨( 或铵离子) 的形式进入土壤，氮是渗滤系 统中最难去除的物质，氮的去除主要就是靠生物的硝化和反硝化两个过程来完成，其 去除率变化一般在1 0 8 0 之间。植物生长过程中可以吸附土壤中的氮，通过修剪可 以将氮去除，然而一般植物吸收形成的总氮去除率一般也不超过2 0 。不过虽然植被 的单独作用对氮的去除效果不很明显，在同土壤中微牛物的协同作用下，通过影响土 壤的供养能力、渗滤水运输方式和氮素的赋存形态等，从而可以有效促进氮素的去除 【3 0 】 o 实验启动期进水含t n 量4 9 m g 1 ，实验所用黄壤土含t n 量0 1lm g k g ，粘土含t n 量为0 0 7m g k g