（环境科学与工程专业论文）baf多级土壤渗滤系统组合工艺强化脱氮除磷试验研究.pdf

均能达到城镇污水厂污染物排放标准中的一级a 标准。 关键词：多级土壤渗滤：p b s ；水力负荷；脱氮除磷；生物滤池 m b a f - 多级土壤渗滤系统组合工艺强化脱氮除磷试验研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nan o v e ls o l i d - p h a s ed e n i t r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ， n a m e l y u t i l i z i n gw a t e ri n s o l u b l ea n db i o d e g r a d a b l ep o l y m e rp 0 1 yb u t y l e n es u c c i n a t e ( p b s ) a st h ec a r b o ns o u r c ea n db i o f i l mc a r r i e ro fd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a t h cr e s c a r c hu s e da n e wc o m b i n a t i o np r o c e s so fb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) + m u l t i s o i l l a y e r i n g ( m s l ) s y s t e m ，a n dat w o s t a g eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rb a s e do nc e r a m i ca n dp b s ， f o rd o m e s t i cw a s t e w a t e ra n dm u n i c i p a ls e c o n d a r ye m u e n tt r e a 切1 e n to fe n h a n c e d n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t h ec o m b i n e dp r o c e s so fb a f + m s lw a sd e s i g n e df o rp u r i f y i n gd o m e s t i c w a s t e w a t e r p b sa n ds a w d u s tw e r eu s e da sc a r b o ns o u r c ei nm s l 一1a n dm s l 2 ， r e s p e c t i v e l y c o m p a r a t i v es t u d i e so np e r f b r m a n c eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lb e t w e e nm s l 一1a n dm s l - 2w e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h ea v e r a g er e m o v a le m c i e n c yo fs sa n dc o dw e r e9 4 0 8 a n d8 0 ，r e s p e c t i v e l y ， a n dt h ec o dc o n c e n t r a t i o ni nt h ee m u e n tw a sb e l o w 2 0 m g l t h ei n f l u e n c eo fh l r o nd e n i t r i f i c a t i o no fm s lw a sm o r es i g n i f i c a n tt h a nt h a to nn i t r i 6 c a t i o no fb a f w h e nt h eh l ro fb a fw e r eo 5 ，1a n d2m 3 m 2 dr e s p e c t i v e l y ，t h er e m o v a l e f 行c i e n c yo f n h 4 + 一nw a sa b o v e9 0 ，a n dt h et nr e m o v a le f f i c i e n c yw e r e2 6 5 3 ， 1 1 0 9 a n d5 7 1 ，r e s p e c t i v e l y t h ec o r r e s p o n d i n gh l ro f m s lw e r e0 2 5 ，0 5a n d lm 3 m 2 d ，t h et nr e m o v a le f f i c i e n c yo f m s l 1w e r e8 7 3 9 ，6 5 0 9 a n d4 5 5 6 ， r e s p e c t i v e l y ，w h i l et h er e m o v a le m c i e n c yo fm s l 一2w e r e6 1 5 l ，4 2 5 2 a n d 31 3 2 ，r e s p e c t i v e l y a l t h o u g ht h et nr e m o v a le m c i e n c yo fm s l 一1w a sb e t t e rt h a n t h a to fm s l 一2 ，t h et pr e m o v a le m c i e n c yo fm s l 1w a ss i m i l a rt om s l 一2 a st h e h l ri n c r e a s e d ，t h et pr e m o v a le f 五c i e n c yr e d u c e d t h eh i g h e s ta v e r a g et pr e m o v a l e m c i e n c yo fm s l 一1w a s9 1 9 7 b a f + m s lc o m b i n e dp r o c e s sw a su s e di nd i f 诧r e n th y d r a u l i cl o a d i n gr a t e ( h l r )f o rm u n i c i p a i s e c o n d a r ye m u e n tt r e a t m e n t o fe n h a n c e d n i t r o g e na n d p h o s p h o r u s r e m o v a l c o m p a r a t i v e s t u d i e so n p e r f o r m a n c e o fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lb e t w e e nm s l - 1a n dm s l - 2w e r ea 1s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h et nc o n c e n t r a t i o no fe m u e n tf r o mm s l 1a n dm s l 2u n d e r d i f f e r e n th l rw a sb e l o w15m g l ，w h i c hc a nm e e tt h ef l r s tc l a s so fas t a n d a r d w i t ht h eh l ri n c r e a s e df o r m0 5m 3 m 2 dt o1m 3 m 2 da n d2m 3 m 2 d ，t h er e m o v a l r a t eo ft nd e c r e a s e dg r a d u a l l y d u r i n gt h et h r e es t a g e s ，t h et nr e m o v a le m c i e n c y o fm s l 1w e r e7 3 2 8 ， 6 3 2 0 ，3 9 9 7 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i l et h et nr e m o v a l 硕士学位论文 e f f i c i e n c yo fm s l 一2w e r e4 4 9 9 ，36 6 4 ，2 2 2 3 ，r e s p e c t i v e l y h o w e v e r ，t h e r e m o v a le f f l c i e n c yo fp h o s p h o r u sb e t w e e nm s l - 1a n dm s l 一2h a dl i t t l ed i f 诧r e n c e w h e nt h eh l ri sl e s st h a n1m 3 m 2 d ， t h ee f l u e n tc o n c e n t r a t i o no ft pw a sb e l o w1 m g l ，w h i c hc a nm e e tt h ef i r s tc l a s so fas t a n d a r d w i t ht h eh l ri n c r e a s e d ，t h et p r e m o v a le m c i e n c yo f m s l 1w e r e8 3 3 1 ，7 4 9 9 ，5 7 0 8 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i l e t h et pr e m o v a le f f i c i e n c yo fm s l 一2w e r e8 3 7 4 ， 7 2 4 0 ， 5 2 4 6 ，r e s p e c t i v e l y at w o s t a g eb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rb a s e do nc e r a m i ca n dp bs ，f o rd o m e s t j c w a s t e w a t e rt r e a t m e n to fe n h a n c e dn i t r o g e nr e m o v a lw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh y d r a u l i cr e s i d e n c et i m e ( h r t ) h a sg r e a t e re f 诧c to nt h et n r e m o v a le m c i e n c v w h e nt h eh r tw e r e12 0 m i na n d9 0 m i n ，t h et nr e m o v a l e f f i c i e n c vc o u l dr e a c ha b o v e8 0 ，w h i l et h eh r tw e r e6 0 m i na n d3 0 m i n ，t h et n r e m o v a le f f i c i e n c yr a p i d l yd e c r e a s e dt o5 0 6 0 w i t ht h eh r td e c r e a s e d ，t h e e m u e n tt nr e m o v a le f f i c i e n c yw e r e3 1 2 m g l ，8 6 2 m g l ，11 2 4 m g l ，r e s p e c t i v e i y ， w h i c hc a nm e e tt h ef i r s tc l a s so fas t a n d a r df r o m “d i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t s f o rm u i l 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 t k e yw o r d s ：m u l t i - s o i l - l a y e r i n g ； p b s ； h y d r a u l i cl o a d i n gr a t e ； r e m o v a lo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ；b i o l o g i c a lf i l t e r v 队f 一多级土壤渗滤系统组合工艺强化脱氮除磷试验研究 插图索引 1 1m s l 系统应用于家庭生活废水处理实例7 1 2m s l 系统结构示意图7 1 3b i o c a r b o n e 结构图1 3 1 4b i o s t y r 结构图1 4 1 5b i o f o r 结构图1 4 1 6 试验研究内容及工艺流程图1 7 2 1b a f + m s l 试验装置图2 0 2 2b a f + m s l 组合工艺平面图2 0 2 3s m l 配比及m s l 垒砌结构2 1 2 4 不同水力负荷对c o d 去除效果的影响2 2 2 5 不同阶段各取样口n 0 3 一一n 平均浓度比较2 4 2 6 不同水力负荷对t n 去除效果的影响2 5 2 7 不同水力负荷下m s l 段t n 沿程浓度变化2 6 2 8 不同水力负荷对t p 去除效果的影响一2 7 3 1 微曝气生物滤池+ m s l 组合工艺处理尾水流程示意图2 9 3 2 微曝气生物滤池+ m s l 组合工艺处理尾水试验装置图2 9 3 3 各阶段不同取样口氨氮浓度3 1 3 4 各阶段不同取样口硝氮浓度3 2 3 5 各阶段不同取样口硝氮去除率3 2 3 6 各阶段不同取样口总氮浓度3 3 3 7 各阶段不同取样口总氮去除率3 4 3 8 各阶段不同取样口总磷浓度3 5 3 9 各阶段不同取样口总磷去除率3 5 4 1 两级生物滤池试验装置图3 8 4 2 陶粒+ p b s 两级生物滤池工艺流程图一3 8 4 3 不同停留时间各取样口氨氮浓度变化4 0 4 4 不同运行阶段各反应器对氨氮去除率4 0 4 5 不同停留时问各取样口硝氮浓度变化4 1 4 6 不同运行阶段二级滤池对硝氮去除率4 1 4 7 不同停留时间各取样口t n 浓度变化一4 2 4 8 不同运行阶段两级滤池对t n 去除率4 3 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕士学位论文 附表索引 表1 1m s l 填料选择及配比1 l 表2 1 各阶段进水水质及水力负荷2 l 表3 1 各阶段进水水质及水力负荷3 0 表4 1 生活污水进水浓度平均值3 9 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 我国水资源及水污染概况 随着自然环境的逐渐恶化和自然资源的不断减少，人类社会的可持续发展正 面临着严峻的挑战，这迫使人类必须重视自然环境及资源的保护、利用与合理开 发。而这其中的重中之重是生命之源一水。水在自然资源中分布最广泛、应用最 普遍，且晟对人类生产生活最为重要的自然资源。长期以来，人类社会一味追求 经济发展，对自然环境破坏尤其是水的污染极为严重，随着社会的迅猛发展，人 们对水资源的意识和观念也不断在改变，已经清晰地认识到水资源并非取之不尽 用之不竭，尤其是干旱地区，水资源更加短缺，而这有限的水资源污染已然十分 严重，水资源保护形势极为严峻。 一方面水资源十分匮乏，另一方面，人类生产生活又排出了大量的污水，包 括生活污水、工业废水等，流入江河湖海等收纳水体，造成严重的水体污染。废 水处理及回用既可缓解水体污染，又能将处理出水回用于人类生产活动，是废水 合理处置一举两得的有效途径。尽管废水处理与回用相关研究与应用近年来得到 了长足的发展，但就当前形势而言，由于科学研究、技术发展、资金筹备、法规 体制等一系列的问题，水资源污染污染问题仍然十分严重。 根据国家环保局2 0 10 年中国环境状况公报统计，全国地表水污染依然较重。 公报显示，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河等七大水系总体为轻 度污染，2 0 4 条河流4 0 9 个国控断面中，i 至类、至v 类和劣v 类水质的断 面比例分别为5 9 9 、2 3 7 和1 6 4 。长江、珠江总体水质良好，松花江与淮 河属于轻度污染，而黄河、辽河属于中度污染，海河则为重度污染。湖泊( 水库) 富营养化问题依然突出，劣v 类水质占到了5 0 ，在监测营养状态的2 6 个湖泊 ( 水库) 中，富营养化状态的占4 2 3 【l 】。国控重点检测的2 6 个湖泊( 水库) ，满 足i i 类水质的有1 个，占到3 8 ；i i i 类的5 个，达1 9 2 ；v 类的有6 个，达 2 3 1 ；劣v 类的有1 0 个，占到3 8 5 。t n 和t p 是全国地表水主要污染指标。 其中滇池为仅有的1 个重度富营养湖泊，占总体的3 8 ；2 个为中度富营养化 状态，达7 7 ；1 1 个为轻度富营养，达4 2 3 ；其他4 6 2 的湖泊( 水库) 均 为中营养2 1 。 b a _ f 多级土壤渗滤系统组合工艺强化脱氨除磷试验研究 1 1 2 水体富营养化成因及其危害 1 1 2 1 富营养化 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指由于水体中氮磷等营养物超过一定浓度，从 而致使水生植物( 尤其是浮游藻类) 过量生长，降低大气与水环境的氧交换速率， 导致水体溶解氧浓度降低到一定限度，出现水环境质量急剧恶化、水生生物大量 死亡等现象，加速了水体衰老的过程【3 】。 富营养化的形成一般是由蓝藻本身的生理特点以及温度、光照、营养盐、其 它生物等诸多环境因素所引发【4 1 。造成水生生态系统的富营养化的主要化学物质 是洗涤用品、化肥生产使用产生的磷酸盐和硝酸盐及工业污水中的氮、磷等营养 物质。这些物质可以间接地以含磷和含氮有机污染形式排入到水生系统中，也可 以以磷酸盐和硝酸盐的形式直接排入。研究表明，对于湖泊、水库等封闭性水域， 当水体内无机态总氮含量大于o 2 m g ，l ，p 0 4 一p 的浓度达到o 0 2 m g l 时，就有 可能引起水华现象的发生1 5 j 。 随着营养物排放增加，湖泊富营养化发展迅猛。我国1 31 个主要湖泊中的绝 大多数都受到不同程度的污染，一半以上出现富营养化。大型湖泊( 水库) 和城市 湖泊水质普遍较差，7 5 以上的湖泊富营养化加剧，解决氮磷污染是长期艰巨的 任务。目前，已发生和具备富营养化发生条件的湖泊面积共达1 4 0 0 0 多平方公里。 湖泊富营养化污染已经从上世纪7 0 年代的1 3 5 平方公里，扩大到2 0 0 7 年初的 6 7 0 0 平方公里6 1 。 1 1 2 2 富营养化成因 目前公认的原因主要是水体中氮、磷等营养元素增加，给水生生物( 主要是 藻类) 大量繁殖提供了丰富的物质基础，导致浮游藻类( 或大型水生植物) 暴发 性增殖而造成多种用水障碍。湖泊富营养化问题是当今世界面临的最主要水污染 问题之一。我国湖泊富营养化污染，主要是大量未经处理的生活污水和工业废水 直接排入湖泊所致。 ( 1 ) 城市生活污水的大量排放增加湖泊中磷的含量 我国大部分湖泊流域内人口平均密度较大，生活污水的大量排放，导致湖泊 富营养化污染，其中洗涤剂所含的磷是造成湖泊富营养化的主要因素。世界经济 合作与发展组织( o e c d ) 研究指出，在城市生活废水中有一半的磷来自合成洗 涤剂的使用。我国人均排入生活污水中的磷为1 1 1g 人天，其中使用合成洗涤 剂排放的磷约占4 0 ，随着人们生活水平的日益提高合成洗涤剂的用量将不断 增大【刀。 ( 2 ) 工业废水未经处理直接排放加重湖泊污染 现代工业的发展十分迅猛，但相应的环保配套设旋滞后。由于经济利益的驱 2 硕士学位论文 动，现有工厂兴建的污水处理厂往往流于形式，造成排污达标率低，大部分工业 废水未经处理直接排入湖泊，严重污染了湖泊水体。我国工业废水排放量约8 0 0 0 万吨天，其中未经处理直接排入地表水的约占7 0 以上，尽管江河湖泊有一定 的自净能力，而如此大量的污水排入地表水也以远远超过许多江河湖泊的水环境 容量。污水排放量呈现逐渐递增的趋势，年增约1 8 0 万立方米，而其中经过处理 的污水仅为l o 万立方米，污水处理率仍然较低，总体废水排放量仍然十分巨大。 据相关专家计算，黄河流域径流量约为为5 8 0 亿立方米，而排入黄河的废 水约占其中的7 。流入地表水的废水中的污染物主要包括有机物、n h 4 + _ n 、石 油等。黄河流域污染范围也在不断扩增，以往主要体现在支流污染，即兰州、包 头等河流段面，而如今已发展到干流污染。 伴随着城市工业的迅猛发展，而污水处理能力却跟不上废水的排放量，导致 国内大多数城市地表水受到严重污染。淮河流域富营养化问题是一个典型案例， 该流域多数水体出现蓝藻甚至发臭，使水体的使用价值急剧下降。由于流域水体 受到严重污染，流域内环境事故屡见不鲜。据相关报道，该流域水体1 5 年内发 生了1 6 0 起较大的水环境污染事件。如1 9 9 4 年7 月，淮河流域发生了有史以来 最大的水污染事件。导致安徽省及江苏省众多县市出现饮用水短缺、水生生物如 鱼类等大量死亡，造成多达上亿元的经济损失，并对该区域的群众生产生活带来 极大的不利影响【3 j 。 ( 3 ) 旅游业的蓬勃兴起加快了湖泊富营养化的进程 一般湖泊的风景优美，有利于发展旅游业。但发展旅游业往往在沿湖周边大 肆兴建宾馆、楼、度假村等设施，随之排放的生活污水对湖泊造成严重污染，加 快了湖泊富营养化的进程1 9 】。由于湖泊等富营养化水体氮磷等营养物浓度较高， 造成水生植物急剧生长，降低了水体透明度，使湖水变得混浊不堪，甚至还会散 发臭味，影响人们的感官感受，大大降低了以湖泊为主题的景观吸引力，严重丧 失其景观功能。 ( 4 ) 农田大量使用化肥导致氮磷污染输入湖泊 农业生产过程中大量施用化肥是造成湖泊富营养化的一个重要原因。化肥中 的氮磷投加并以径流等方式进入地表水是造成水体中氮浓度较高的重要因素。通 过农田径流流入湖泊的氮量占总量的7 2 一7 5 。随着经济的高速发展，现代农 业中越来越多的施用化肥，造成化肥不合理的投加。到2 0 0 0 年已达4 4 0 0 万吨， 但不科学的施肥有效利用率较低，约有3 3 3 一7 3 6 ( 均值约为6 0 ) 的氮磷 肥未被利用而损失。1 5 的富余氮磷随着农业生产过程中不合理的排水以及地表 径流，最终进入地表水，造成湖泊水体中氮磷浓度日益增高【1 0 】。 ( 5 ) 水产养殖业的发展造成湖泊富营养化 自然湖泊中藻类稀少渔业生产力低。在湖泊水域开展水产养殖生产时，一般 3 b f - 多级土壤渗滤系统组合工艺强化脱氮除磷试验研究 通过肥水来促进藻类的生长。水产养殖生产大量投放饲料，过量的饲料滞留在湖 水中也使湖泊的富营养化程度加剧。据报道，在某湖泊的湖底，饲料残渣及水生 动物排泄物淤积物竞达1m 深，即使停止水产养殖，其中积聚的氮磷等营养物至 少要等半个世纪才可完全消耗1 1 。 ( 6 ) 底泥释放的氮磷可加速湖泊富营养化 氮磷等营养盐进入湖泊水体后，通过一系列的物理、化学、生物化学作用， 其中一部分沉积到湖泊底部，积累成为湖泊营养盐的内负荷。在一定条件下，因 沉积物中营养盐内负荷的存在和释放，也会造成湖泊富营养化，这时湖泊底泥中 积累的营养盐就成为湖泊富营养化的主导因子，加速湖泊的富营养化进程 】2 1 。 1 1 2 3 富营养化危害 富营养化对地表水的危害主要包括以下4 个方面【l 列： ( 1 ) 水生植物大量生长繁殖造成水体透明度急剧降低。阳光对水层的穿透率 下降，致使水体内的植物的光合作用减弱，氧气释放量降低。另外，浮游水生生 物新陈代谢需要掠夺水体内较多的溶解氧，导致水体溶解氧浓度迅速下降。与此 同时大量浮游生物进行光合作用，会使得局部溶解氧过饱和。过饱和的溶解氧以 及水中较低浓度的溶解氧，皆会严重影响水生动物生长繁殖，导致鱼虾等生物的 死亡。 ( 2 ) 水体富营养化常常伴随着较高浓度的硝酸盐及亚硝酸盐积累，会严重影 响人体及牲畜的饮用水安全。 ( 3 ) 在缺氧环境中，富营养化的江河湖泊底部积聚的大量有机质会释放出有 毒气体，并且藻类等水生植物也会释放出毒素( 如石房蛤毒素) ，对水体动植物生 存环境造成威胁。 ( 4 ) 富营养化常常导致水体牛态系统处于紊乱状况，降低水体生物类别及生 物多样性。以昆明滇池及武汉汉江富营养化为例，滇池流域在上世纪五十年代状 态属于贫营养阶段，但三十年后富营养化状态已变为富营养，到现在，滇池流域 已属于重度富营养化状态。该流域内大型的水生植物类型三十年问下降了近 6 0 ，水生动物如土著鱼类别下降了近8 0 。2 0 世纪9 0 年代，位于武汉的汉江 流域出现水华现象，导致浮游植物多样性迅速降低。富营养化导致水体功能受损 严重，使用价值急剧降低。出现了自来水厂净化及反冲洗困难，生产成本剧增， 甚至导致部分污水厂无奈关闭。与此同时，富营养化水体释放出明显的臭味，严 重威胁到水质安全，而水体内的亚硝酸盐及生物毒素更是严重威胁着人畜安伞。 1 1 3 废水深度处理技术分析 废水深度处理指的是城市生活污水或工业废水污水处理设施一级处理和二 级处理后，采取三级处理甚至多级处理的过程。目的是对二级出水进行进一步处 4 硕士学位论文 理使之达到废水回用标准，用于人类生产活动。通常深度处理主要是针对废水中 的微量化学需氧量和生物需氧量，以及有机物、固体悬浮物、氮磷等营养物【l 4 1 。 废水深度处理方法通常可分为三种类型：即生物处理法、物化处理法和膜处 理法( 1 引。其中生物处理方法较为常见，它包括曝气生物滤池技术、生物接触氧 化技术、人工湿地技术等。 曝气生物滤池工艺是指在滤池内添加曝气设施以达到废水净化目的的处理 技术。该技术可有效去除固体悬浮物、化学需氧量、生物需氧量、以及脱氮除磷 和去除有害物质等。曝气生物滤池工艺既可实现好氧生物氧化同时滤池滤料可以 实现物理截留作用，这样可以省去二沉池。该工艺具有抗水力负荷及有机负荷， 可用较小的水力停留时间以及投资成本实现较高的出水水质。污水经曝气生物滤 池技术处理后能基本达到杂用水水质要求【l6 l 。 生物接触氧化法指的是通过在曝气条件让飞废水池内的滤料形成生物膜，废 水淹没滤料以一定流速流出废水池，通过滤料表面的微生物实现废水的净化效果 的废水深度处理技术。该技术已广泛应用于工农业生产生活废水，如生活污水、 医药废水、石油类废水、食品制造废水、酿酒等水处理领域，能实现较好的废水 净化效果j 。 人工湿地深度处理技术是一种以土地处理为核心的技术，多用于深度处理农 村废水、工业废水与污水厂二级尾水。传统的污水处理厂对有机物去除效果较好， 但脱氮除磷效果不佳，出水总磷浓度为6 1 0m g l ，而出水总氮浓度在3 0m g l 以上。若不经过处理，可能会造成水体富营养化。人工湿地技术深度采用景观植 物如美人蕉、凤眼莲、黄菖蒲、富贵竹等处理废水，出水水质既能得到有效改善， 又具有景观性引。 膜处理法和物化处理法也属于废水深度处理技术。其中包括活性炭物理吸附 截留、混凝沉淀、高级氧化、膜分离、臭氧消毒等技术方法。以上的废水深度处 理方式特点不一，各有其优缺点，使用对象也不同。因此，在实际废水深度处理 过程中，要针对特定水质特征以及各种技术特点采取适宜的技术方法。这样既能 减轻废水对环境造成的污染，废水深度处理后回用又具有良好的社会经济效益。 针对现阶段我国水资源状况及废水深度处理现状，我国政府对废水深度处理 制定了一些列的政策、方针，并制定了相应的标准规范，大力鼓励废水深度处理 事业的发展，并积极为污水处理厂改拓建用于废水深度处理筹措建设资金，设立 了一系列的废水深度处理项目研究。另外国家环保部、水利部、财政部、税务局 等相关部门都对废水深度处理给予了政策支持和优惠措施，对促进废水深度处理 技术的推广和应用营造了良好的氛围，因此，废水深度处理发展前景极为可观。 5 b a f 多级土壤渗滤系统组合工艺强化脱氮除磷试验研究 1 - 2 多级土壤渗滤系统概述 土地处理系统( l a n dp r o c e s s i n gs y s t e m ) 是指利用土地及其中的微生物与植 物根系对废水进行处理，与此同时，废水中的水分及有机物等养分又可促进微生 物及植物的生长。土地处理系统通常用于对城市污水处理厂二级尾水的深度处 理，系统结构主要由预处理( 沉淀) 、储水塘( 湖) 、污水灌溉、排水系统等组 成。土地处理系统根据处理方式可分为废水灌溉、土壤渗滤和地表漫流。其中， 灌溉主要是指将废水喷洒到农作物上促进其生长，渗滤根据渗滤速度及空间结构 分为快速渗滤、慢速渗滤以及地下渗滤i l 圳。 利用土地处理系统处理废水近年来已得到广泛应用。处理对象包括生活污 水、湖泊河流以及面源污染等方面。土地处理系统对废水具有良好的净化效果， 其优势在于运行成本较低、易于操作和管理等，但仍存在许多不足之处，如脱氮 除磷效果较差、占地面积较大和易堵塞等1 2 。 2 0 世纪9 0 年代，一种新型的土地处理系统在日本诞生，即多级土壤渗滤系 统( m u l t i s o i l l a y e r i n gt r e a t m e n t ，m s l ) 2 1 1 。该系统在空间上以模块化、砖块 垒砌结构为特点，采用分层分区的方式，将土壤与其他材料如沸石、玉米穗、树 叶等混合在一起，按照一定的配比填充到“砖块 户，避免了传统上地处理系统易 堵塞的缺陷，且因其添加了一定的固体碳源及铁屑等物质，具有较强的脱氮除磷 效果。 1 2 1m s l 系统结构和材料组成 图1 1 是m s l 系统在家庭生活污水处理应用中的实例示意图。图1 2 是 m s l 系统结构的剖面图。m s l 系统由土壤模块层( s o i lm i x t u r el a y e r i n g ，s m l ) 和渗滤层( p e r m e a b l el a y e r i n g ，p l ) 以砖块垒砌结构组成。m s l 既能像图1 1 所示安置于地下也能安置于地上，相较于人工湿地，占地面积较小。考虑到部分 地区温度对系统生物脱氮除磷的影响，将m s l 建于地下可以避免低温对系统的 不利影响【2 2 1 。s m l 层由2 0 3 0 的其他材料如木炭、锯木屑、铁屑等组成。s m l 模块中添加的碳源能增强系统的生物脱氮能力。有机碳源如锯木屑、稻秸、玉米 棒等添加到s m l 模块中，既可作为微生物的生存载体，又可作为反硝化过程的 供氢体。土壤成分中的铁盒铝对废水中的磷具有一定的吸附去除效果。而s m l 模块中添加的铁屑能进一步提高系统的除磷能力。总之，s m l 模块由各种材料 按一定质量比例混合而成，可通过黄麻袋固定于p l 层中。 p l 层由沙砾、浮石、珍珠岩、沸石等粒径较大的物质组成，通常粒径在1 5m m ，较大粒径的p l 层有利于系统的水流传递过程，起到防止堵塞的作用， 并形成好氧微环境，能促进有机物的好氧分解和硝化反应1 2 川。 6 硕士学位论文 图1 1m s l 系统应用于家庭生活废水处理实例 图1 2m s l 系统结构示意图 1 2 2m s l 污水净化效率及机理 ( 1 ) m s l 对有机物的去除效率及机理 m s l 系统中有机物去除可通过土壤及填料过滤、表面吸附及生物降解作用 去除，其中生物降解作用占主导地位。在污水土地处理系统中，大多数b o d 的 去除反应都发生在地表或是靠近地表的地方，这一区域中土壤微生物的活性极强 2 4 1 。k u n i a l i 等研究得出m s l 系统对有机物( b o d 5 ) 的去除同样主要发生在系 统上层，m s l 系统在不同的曝气条件时上层对c o d 的去除率依次为8 0 6 和 7 4 - 3 ，系统出水c o d 的去除率分别达到9 2 1 和9 0 6 【2 5 1 。 b a f - 多级土壤渗滤系统组合工艺强化脱氨除磷试验研究 已有研究表明，曝气的控制的和温度的高低是直接影响m s l 系统对有机物 去除效果的关键因素。曝气能增强好氧微生物的活性，进而提高对有机物如 c o d 、b o d 等的去除效果2 6 h 27 1 。此外，温度同样会影响m s l 系统对有机物的 去除效果。c h o i 等研究发现，当试验环境的温度从5 升高到2 0 ，系统对有 机物的去除率会增加1 0 【2 引。另外，研究发现水力负荷( h y d r a u l i cl o a dr a t e ，h l r ) 与水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，h r t ) 对m s l 系统对有机物的去除 效果影响较小，这是因为土壤主要是通过物理及化学截留作用后通过微生物进行 进一步降解作用去除，这个过程受h r t 及h l r 影响较小1 2 引。 研究表明，m s l 系统对有机物的去除主要集中在系统表层，同时可通过控 制合适的曝气量及温度来促进系统c 0 d 的去除效过。总体来讲，m s l 系统对 c o d 具有良好的去除效果。 ( 2 ) m s l 对氮的去除效果及机理 废水中的有机氮主要通过m s l 中的土壤及沸石进行表面吸附作用去除，此 外沸石也可将有机氮矿化为氨氮，与废水中的氨氮一起在沸石表面发生硝化作用 转化为硝酸盐氮。硝氮通过m s l 中的s m l 混合添加的土壤及碳源表面附着的反 硝化微生物进行反硝化作用转化为氮气，从而实现系统对氮的去除。 k u n i a l i 等对硝氮在m s l 内沿程浓度变化进行了试验考察，研究结果表明硝 氮的产生主要在系统上层，且随着深度增加浓度不断升高直到中间段；在m s l 系统的中间段和底层之间，硝氮浓度基本保持不变，且硝氮浓度在底层略微降低； p l 层的硝氮浓度明显高于s m b 层【3 0 1 。说明m s l 系统硝化反应发生在系统中上 层，且主要发生在p l 层；这是因为p l 层由孔隙及粒径相对较大的材料组成，相 比于s m b 层，p l 层较高的溶解氧浓度更有利于进行硝化反应。与此同时，由土 壤及其他粒径较小物质组成的s m b 层溶解氧浓度较低，有利于进行反硝化脱氮， 因此，反硝化作用主要发生在s m b 层。 l u a n m a n e e 等将m s l 系统应用于餐厨废水的净化领域，研究碳氮比及温度 会影响表面系统脱氮效率【2 3 1 。尽管曝气量的增加可增强系统的硝化作用，从而 使氨氮的去除率升高，但曝气过量造成较高浓度的硝氮同时会抑制系统对总氮的 去除效果。研究表明，当系统的曝气量为4 0 0 0m 3 d m 。3 时，系统出水硝氮浓度 高达4 8 3m g l ，系统对t n 的去除率降至一2 6 7 。这是因为曝气量过大，系统 硝化作用过强，将废水中的氨氮及系统内原有氨氮充分转化成硝氮，促使系统出 水硝氮浓度大大升高。但是，若系统长期处于非曝气条件，硝化作用又会受到抑 制，这也会会降低系统对总氢的去除效果。总而言之，曝气量的控制是影响系统 内硝化、反硝化过程的重要因素，会直接影响系统对氮的去除效果。 废水的碳氮比同样会影响m s l 系统的脱氮效果。进水碳源不足会抑制反硝 化作用。l u a n m a n e e 等研究发现当进水b o d 5 和c o d 分别从1 4m g - l 以和1 8 5 坝士学位论文 m g l 以分别增至2 8 8m g l 。1 和6 0 2m g l d 时，系统进水的碳氮比达到1 4 ，系统 对t n 的去除率升至8 1 o 【2 3 1 。m e i n h o l d 等研究指出，m s l 系统进水碳氮比范 围在4 5 ：1 时，较符合反硝化作用对碳源的需求 3 1 1 。 综上所述，m s l 系统以其独特的砖块垒砌模块化结构，能形成交替的好氧 厌氧环境从而实现硝化、反硝化作用对氮的去除。但若进水碳氮比较低或曝气量 过大时，系统反硝化作用不足会抑制系统对总氮的去除效果。为解决m s l 反硝 化不足，如何定量调节适宜的曝气量及曝气时间，仍待深入研究。 ( 3 ) m s l 对磷的去除效果及机理 s a t o 等考察了m s l 对总磷的去除效果，试验考察m s l 系统内部不同空间 处对总磷去除率，研究表明s m b 中总磷浓度低于p l 层，且废水进入m s l 后， 总磷浓度在s m b 上迅速降低；另外，系统进水由上至下，总磷浓度也逐渐降低。 这说明m s l 系统对总磷的去除主要发生在s m b 中，且除磷过程主要发生在系 统上层拉5 | 。这是因为m s l 系统对总磷的去除主要是通过s m b 中添加的铁屑与 总磷形成聚磷酸盐沉淀去除，另外，p l 层添加的填料对总磷也有一定的物理化 学吸附作用。 适度曝气可促进系统对总磷的去除。在一定的曝气条件下，s m b 中添加的 铁屑会被氧化为亚铁离子，在s m b 周围进一步氧化为铁离子，与废水中的磷形 成聚磷酸盐沉淀。l u a n m a n e e 等2 3 1 研究表明，在曝气量为4 0 0 0m 3 d m 一2 时，m s l 系统对溶解性正磷酸盐与总磷的去除率依次为8 0 3 、7 2 4 ：而在不曝气的条 件下，系统对溶解性正磷酸盐与总磷的去除率骤减至5 1 3 、4 6 2 。值得注意 的是，曝气过量则会使铁离子形成活性较大的氧化铁膜层，这既减少了铁离子向 s m b 周围的传递，同时也降低了对总磷的去除率【3 2 】 【33 1 。因此，如何定量控制 曝气量的大小以促进m s l 对总磷的去除效果，仍有待进一步研究。 此外，因为m s l 系统主要通过物理吸附及化学过程实现对磷的去除，所以 废水与s m b 的接触效率也成为影响系统对磷去除效果的重要因素。c h e nx 等【3 4 研究了不同s m b 体积及s m b 数量对系统除磷效果的影响，发现同等空间下， s m b 体积越小，数量越多，与废水接触效率越高，对磷的去除效果越好。 综上所述，m s l 系统主要通过物理截留及化学沉淀作用实现对废水的除磷， 另外，系统填料对总磷也有一定的物理截留作用。 l - 2 3m s l 系统污水净化特征 m s l 系统以其独特的结构和组成，具备以下特点： ( 1 ) p l 由于填充物粒径较大，能显著提升系统的渗水性并有效避免系统堵 塞： ( 2 ) s m l 模块土壤中添加的有机材料能有效提升系统的脱氮效率； 9 b a f 多级土壤渗滤系统组合工艺强化脱氮除磷试验研究 ( 3 ) 系统的曝气状态可以通过调节曝气管的开关来控制； ( 4 ) 系统具有较强的抗水力负荷冲击能力； ( 5 ) 系统占地面积较小，适用于分散型面源污染水处理； 1 2 4m s l 系统的优化设计 ( 1 ) 填料选择与配比 m s l 填料包括p l 、s m l 填料，相对于传统的土地处理方法，m s l 填料选 择范围更为广泛。m s l 填料选择可根据当地实际情况进行筛选。国内外对于m s l 填料的研究主要集中在自然资源上，如向s m b 中混合投加锯木屑、洋麻、树叶 等成本低、来源广的材料作为反硝化的碳源，通过混合投加铁屑、铁粒等强化除 磷。表1 1 系统归纳了国外对于m s l 填料的选择与配比研究情况。 a t t a n a n d a n a 等分别在s m b 中应用锯屑和洋麻+ 玉米穗两个系统，考察两种 系统的脱氮效果【35 1 。研究表明，当系统在不曝气的条件时，二者对废水的净化 效果差别不明显。在对系统进行曝气时，s m b 中混有锯木屑的m s l 污水净化效 果显著高于添加洋麻+ 玉米屑的系统。 l u a n m a n e e 等研究发现，在s m b 中添加锯木屑( s a w d u s t ) 比麦秆( r i c es t r a w ) 、洋 麻( k e