（环境科学专业论文）新型人工强化土地渗滤系统工艺及技术研究.pdf

摘要 本研究开发出新型复合垂直流渗滤系统，研究表明，该系统出水效果稳定， 能承受较大的有机污染物负荷。 系统n h 3 - n 去除率受水力负荷的影响较大，t p 去除率受水力负荷的影响较 小。系统水力负荷控制在0 3 2m 3 m 2 d o 6m 3 m 2 d 为宜。 c o d e r 出水浓度与系统深度呈负指数相关关系。在复合垂直流渗滤系统上 行池中，系统对n h 3 - n 、t p 去除率较高，n h 3 - n 、t p 出水浓度与系统深度呈负 指数相关关系。下行池中，系统对n h 3 烈、t p 的去除效果较差。 c o d e r ，n i t 3 - n 的净化负荷与污水中c o d e r 、n h 3 n 有机负荷呈显著的线 性相关。 复合垂直流系统中添加球形填料后，系统的去除效果得到较大的提高。系 统对c o d e r 、n h 3 - n 、t n 和t p 的去除率分别提高了1 0 2 0 、1 1 3 0 、6 1 2 和8 7 6 。 关键词：人工强化快速渗滤系统，复合垂直流渗滤系统，微生物，反应动力学 生物强化 n a b s t r a e t a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs m a l lt o w n sa c c e l e r a t e se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d w a t e rs h o r t a g ei no u rc o u n t r y a p p r o p r i a t et r e a t m e n ta n dr e u s eo f w a s t e w a t e rb e c o m e ac o n c e r ni nr u r a lm o d e r n i z a t i o n i nt h i sp a p e r , l i t t e r - m a l ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t i ne a s ta r e aw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tb yu s i n gr a p i di n f i l t r a t i o nl a n dt r e a t m e n t s y s t e ma n di n t e g r a t e dv e r t i c a l - f l o wi n f i l t r a t i o ns y s t e mt or e s e a r c ht h ee f f e c to fl a n d i n f i l t r a t i o no ns a n i t a r yw a s t e w a t e ro fs m a l lt o w n s ，w h i c hs u p p o r e db yt h en a t u r a l k e y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m m e ( g r a n tn o 2 0 0 3 b a s o s a l 7 ) s t u d y o fc o n s t r u c t e d r a p i d i n f i l t r a t i o n s y s t e m ( c r da n di n t e g r a t e d v e r t i c a l f l o wi n f i l t r a t i o ns y s t e ma r ej u s ti nt h ei n i t i a ls t a g ei nc h i n a i nt h i ss t u d y , t h r o u g he x p e r i m e n t , o p t i m i z i n gt h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e ro ft h et w ol a n di n f i l t r a t i o n s y s t e m ) r u n n i n gi m p a c to fm i c r o o r g a n i s md i s t r i b u t i o ni nt h es y s t e m , p r e t r e a t m e n t s y s t e m w e r e a n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y ；r e a c t i o n k i n e t i c sa n dm e c h a n i s mo f c o n t a m i n a t i o nr e m o v a lw e r ee x p l o r e di n i t i a l l y r e s u l t sa r et h ef o l l o w i n g s ： 1 c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e m ： t h e r ea r eg r e a te f f e c to fc r is y s t e mo no p e r a t i n g - d r y i n gs c h e d u l e s 、h y d r a u l i c l o a d 、f i l l i n gt h i c k n e s sa n do p e r a t i o nd u r a t i o n s w h e no p e r a t i n g - d r y i n gs c h e d u l ew a sl ：6 ，c r is y s t e mw a sr u n n i n gn o r m a l l ya n d s t a b l yw i t hh j g l lo u t l e tw a t e rq u a i l t ya n dh i g hc a p a b i l i t yo fb e a r i n gs h o c kl o a d t h e r e s u l ts h o w e dt h a ts e l e c t i n gh y d r a u l i c1 0 a di 1 17 5 m dw a ss u i t a b l e a f t e rt e c h n i c a l l y c o m p a r e ，s e d i m e n t a t i o np r o c e s sw a sa ni d e a lp r e t r e a t m e n tp r o c e s s ，w h i c hc a nb et h e t e c h n i c a lc o m b i n a t i o no f c r i o u t l e tc o n c e n t r a t i o no fc o d e r ，t n 、n h 3 - na n dt pi nc r i s y s t e ma l en e g a t i v e e x p o n e n tl i n e a rd e p e n d e n c er e l a t i o nw i t hf i l l i n gt h i c k n e s s a l lk i n d so f m i c r o o r g a n i s m sd i s t r i b u t e dw i d e l yi nt h ei n f i l t r a t i o nt a n k ，h o w e v e r , t h ea m o u n ta n d a c ed i s t r i b u t i o nw a sd i f f e r e n t i na m o u n t , a e r o b i cb a c t e r i aw a st w o c l a s s e sh i i g h e rt h a na c t i n o m y c e s ，f u n g ia n da n a e r o b i cb a c t e r i a i ns p a c ed i s t r i b u t i o n ， i n a b s t r a c t t h e ya l lr e d u c e di na m o u n tf r o mt h e 吼l f f h c el a y e rt ot h eb o t t o ml a y e rg r a d u a l l y , b u t w i t hd i f f e r e n tf o r m s c o n t a m i n a t i o nr e m o v a lw a sc a u s e d b y t h ec o m b i n a t i o nm e c h a n i s m so f b i o d e g r a d a t i o na n da b i o t i ci n t e r c e p t i o n b i o d e g r a d a t i o nw a st h em a i np r o c e s sw h i l e a b i o t i ei n t e r c e p t i o nw a st h es e c o n di m p o r t a n tp r o c e s si nr e m o v a lo ft o ca n d n i t r o g e n a b i o t i ei n t e r e e p t i o nw a st h em a i np r o c e s si np h o s p h o r u sr e m o v a l n i t r o g e n t r a n s f o r m a t i o nw a sm a i n l yr e s u l to fn i t r i f i c a t i o n ，a n dd e n i t r i f i c a t i o nw a sr e l a t i v e l y w e a ki nt h ec i u s y s t e m 2 i n t e g r a t e dv e r t i c a l f l o wi n f i l t r a t i o ns y s t e m n l i sr e s e a r c hd e v e l o p p e dan e wi n t e g r a t e dv e r t i c a l f l o wi n f i l t r a t i o ns y s t e m i t s h o w e dt h es y s t e mc a l lb e a rh i g ho r g a n i cl o a da n dw a sr u n n i n gn o r m a l l ya n ds t a b l y w i mh i g ho u t l e tw a t e r q u a l i t y h y d r a u l i cl o a dh a dg r e a te f f e c to fr e m o v a lo fn l - h - nw h i l ew e a ke f f e c to f r e m o v a lo f t na n dt p t h er e s u l ts h o w e dt h a ts e l e c t i n go 3 2 m d 0 6 m dw a ss u i t a b l e o u t l e tc o n c e n t r a t i o no fc o d e ri ni n t e g r a t e dv e r t i c a l f l o wi n f i l t r a t i o ns y s t e m w a sn e g a t i v ee x p o n e n tl i n e a rd e p e n d e n c er e l a t i o i lw i mf i l l i n gt h i c k n e s s o u t l e t c o n c e n t r a t i o no fn h 3 一na n dt pi nu p - f l o wc h a m b e rw e r en e g a t i v ee x p o n e n tl i n e a r d e p e n d e n c er e l m i o n 、析t l lf i l l i n gt h i c k n e s s w h i l et h e r ew e r en or e l a t i o ni nd o w n - f l o w c h a m b e r r e m o v a lr a t eo fc o d e ra n dn h 3 - ns h o w e ds i g n i f i c a n tl i n e a rd e p e n d e n c e r e l a t i o nw i t hc o d e ra n dn h 3 - nl o a dr a t e p r a c t i c a lw o r ks h o w e dt h a tt h er e m o v a lr e s u l tc a l lb ee n h a n c e da f t e ra d d i n g s p h e r i cs h a p ef i l l i n g si ni n t e g r a t e dv e r t i c a l f l o wi n f i l t r a t i o ns y s t e m n er e m o v a lr a t e o f c o d e r 、n h r n 、t na n dt pi m p r o v e d1 0 2 0 、1 1 3 0 、6 1 2 a n d8 7 6 k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o nt r e a t m e n ts y s t e m ，i n t e g r a t e dv e r t i c a l f l o w i n f i l t r a t i o ns y s t e m ，m i c r o b e ，b i o l o g i cs t r e n g t h e n i n g i v 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。 学位论文作者签名： 脊柱赧 泐7 年1 月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月。日年月日 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，均己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：杠诹教 硼年1 月彤日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 概述 水是人类赖以生存的基本条件，随着社会进步与人类文明的不断发展，一 方面，人类对水的需求量和品质要求越来越高，水在人类社会生活中的意义日 益突出，从社会科学和自然科学两个方面，赋予水的内涵更加全面：( 1 ) 随着 人类生活质量的提高，人们不单单要求丰富的物质生活，而且要求有美好的自 然环境与清新的生活空间。水作为人类环境要素的重要意义已经日益突出。“亲 水文化”、“水边环境”已经成为人们修饰环境的重要内容。( 2 ) 水作为人类赖 以生存、社会赖以发展的要素，已经不再是天然水的内涵。水作为重要资源， 由于参与社会的工农业生产活动而变得十分珍贵。另一方面，世界范围内的水 污染问题日趋严重，据世界银行最新提供的报告警告：世界上近4 0 的人口难 保有足够的洁净用水。水资源不足，水环境污染己经成为某些国家和地区社会 与经济发展的限制因素。 我国是一个人均水资源占有量匾乏的国家，仅为世界人均值的四分之一， 而且时空分布不均，开发利用难度大，许多地区和城市严重缺水。根据调查， 全国6 6 6 个城市中，有4 0 0 多个城市供水不足，其中4 0 个城市存在供水危机， 日缺水量1 6 0 0 万立方米，年缺水量约6 0 亿立方米，平均每年因缺水影响工业 产值2 0 0 0 多亿元l l 】。2 0 0 3 年缺水比较严重的城市达到1 5 7 个，全国城市缺水年 总量达6 0 亿m ，。专家预测，中国人口在2 0 3 0 年将达到1 6 亿的高峰，届时 人均水资源量仅有1 7 5 0 m 3 ，可利用资源量不足7 0 0 m 3 ，中国将成为严重缺水的 国家。 与此同时，全国性的水环境污染日趋严重，水污染防治的迫切性日益突出。 由于人口增长和社会经济的飞速发展，目前我国人均需水量和总需水量不断增 加，城市污水总排放量也随之相应逐年增加。2 0 0 4 年我国污水排放量达4 8 2 4 xl o s m 3 ，其中工业废水排放量为2 2 1 1x1 0 8 m s ，生活污水排放量为2 6 1 3 l o s m 3 ，我国水污染控制的重点已经从工业点源为主的控制，逐渐转变到以城市 生活污水为主的控制【2 1 。据估计，到2 0 1 0 年，我国城市生活污水排放总量为1 0 5 0 1 0 s m 3 ，其中村镇污水排放量可达2 7 0 x1 0 s m 3 。然而，我国目前城市生活污水 第l 章引言 处理率很低，大量的污水未经处理直接排入河流、水库和湖泊，导致河流发黑 发臭，湖库富营养化问题突出，自然环境、生态环境以及饮用水安全遭到严重 的破坏。城市污水处理及污染防治技术政策提出2 0 1 0 年我国城市和建制镇 的污水平均处理率不低于5 0 ，城市污水处理率不低于6 0 ，重点城市的污水 处理率不低于7 0 p 】。按照这一要求，一方面要开发经济、高效的水处理技术提 高污水的处理率，另一方面也要采用适当的措施和技术处理受污染河水，在短 时间内恢复河流、湖库正常生态、景观、饮用水供应等功能。 同时，随着农村城镇化和卫星城镇的发展，今后我国8 0 以上的生活污水 将来自小城镇、小区。而目前我国的小城镇基本上没有污水集中处理设施。对 于绝大多数的小城镇，污水集中处理将会给地方政府和人民增加一定的负担。 所以小城镇、小区的污水能否处理好，能否找到高效、低投入的城镇污水处理 新技术，将直接关系到我国人民生活水平的提高，关系到我国环境状况和可持 续发展的战略 4 1 。在这种条件下大力倡导节约用水的同时，污水资源化成为解决 我国水资源短缺的必由之路，这对生活污水以及受污染河水处理技术提出了挑 战【5 1 。 虽然水污染严重和水资源短缺已经成为制约我国经济发展，危害生态环境， 影响人民生活和身体健康的突出问题。这个问题迫切需要加以解决。但是，一 方面因为社会公众，地方政府对此重视不够；另一方面，在水污染治理领域， 传统的污水处理工艺基建投资大，处理效率低，能耗高，不能满足高效低能的 要求。因此，近十几年来，各种废水处理新技术不断涌现。就目前来说，生物 处理是经济有效的废水处理方法，好氧生物处理应用更为广泛。 目前，城镇生活污水二级处理方法主要采用生物处理方法。生物处理方法 主要有活性污泥法和生物膜法两大类。活性污泥法的工艺类型很多，最早应用 的是普通活性污泥法，之后人们为了提高处理效果，在工艺方面进行了改革， 发展出了其他工艺，如s b r 法、u n i t a n k 法、氧化沟法、a b 法、a o 法、 a a o 法等。生物膜法的类型也很多，主要有生物滤池法、生物转盘法、生物 接触氧化法、生物流化床法等1 6 】。生物滤池的发展经历了由最初的滴滤池到高负 荷生物滤池、塔式生物滤池和最近发展起来的曝气生物滤池几个阶段。高负荷 生物滤池和生物滤塔尽管水力负荷和生物膜活性均较高。但不能适应大的冲击 负荷，且容易发生堵塞( ”。具有截留悬浮物和利用反冲洗的方式更新生物膜，解 决堵塞问题的曝气生物滤池是生物滤池工艺成熟的标志【8 1 。生物接触氧化法具有 2 第1 章引言 。 活性污泥法和生物膜法二者的优点，其特点是填料表面全为生物膜所布满，由 于丝状菌的大量繁殖，有可能形成一个立体结构的生物网，污水在其中通过时， 类似于过滤作用，能够有效的提高净化效果。同时，由于曝气的作用，生物膜 可以保持较高的活性，抑制厌氧膜的增生，可保持较高浓度的活性生物量。据 报道，每平方米填料表面上的活性生物膜可达1 2 5 9 g j 。生物流化床具有很高的 处理负荷，占地面积小，生物浓度和生物活性均较高等。 上述废水生物处理方法尽管有很多优点，但同时也存在一些难以克服的缺 点，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 操作复杂，难以管理。如活性污泥法启动慢，且经常出现污泥膨胀， 一旦发生，需停止运行，再重新启动，会造成很大损失等。据报道，在法国平 均有四分之一的应用活性污泥法污水处理厂中存在污泥膨胀问题f j e l 。生物流化 床当池体较大时，如一旦停止运行，再启动很困难，运彳于中的水力条件也难以 控制。 ( 2 ) 基建投资和运行管理费用高。如按目前城市污水活性污泥传统技术的 基建标准1 5 0 0 元，( m 3 d ) 计，建一个日处理量为1 0 万方( 相当于中等城市日排污 水量1 的常规二级污水处理厂，则其污水处理设施基建费约1 5 亿，年运转费约 为基建投资的1 0 2 0 。如此投资强度，普通城市难以承担。尤其是当处理分 散居民点的小流量生活污水或工业废水时，其处理单位水量所需的费用会更高。 ( 3 ) 产生大量的污泥，给环境重新造成潜在的危害。污泥处理与处置的成 本很高，但即使进行处理后，对环境潜在的危害仍然不能得到根本的解决。 ( 4 ) 传统的污水二级生物处理方法可有效的去除s s 和b o d 5 等，但对n 、 p 等营养物质的去除率较低( 3 0 5 0 ) ，经处理后的出水排入自然水体将引起“富 营养化”等环境问题。一般来说，二级出水仅能用于灌溉及工业冷却水。因此， 从改善生态环境而论，城市污水二级处理只能减轻污染，不能彻底消除污染， 也不能使污水完全资源化。此外，上述废水生物处理方法一般动力消耗较大。 污水土地处理也是一种生物处理方法，其历史可以追溯到几十乃至一百多 年以前，如美国的c a l u m e t 快渗系统建于1 8 8 7 年，g e o r g el a k e 快渗系统建于 1 9 3 9 年，这些系统目前仍在运转。早期营建土地处理系统的主要目的是为了避 免地表水体遭受直接污染，并未认识到土壤一含水层系统所具有的潜在天然净 化功能。进入二十世纪，由于工业迅速发展，城市人口膨胀，污水和各种化学 工业物质的数量与日俱增，人们开始对土地处理这种形似简单的污水处理方法 3 第1 章引言 的科学性产生了怀疑：另一方面，由于生化处理技术不断获得突破，二级生化 处理工艺日趋成熟，人们把污水处理的重心逐渐转向常规的二级生化人工处理 系统。但是，由于活性污泥法等常规二级生物处理方法存在难以克服的缺点， 自二十世纪8 0 年代以来，越来越多的国家鼓励研制和发展污水处理的“革新技 术”和“代用技术”，促使污水处理技术向污水资源化方向发展。在这种新的形 式下，污水土地处理系统再次得到重视。污水土地处理是一项自然处理技术， 其突出特点是设备简单，操作管理方便，能耗低，费用仅为常规二级生物处理 的1 2 1 1 0 ，而且净化效果良好，净化水质可达二级以上处理水平【l j 】。近十几年 来，世界上许多国家都在积极研究和大力推广污水土地处理与利用1 1 2 j 。如在美 国，1 9 8 1 - 1 9 8 7 年就建设了近7 0 0 个土地处理场，现在共有1 0 0 0 多个土地处 理场在正常运行。原苏联在其国家污水设计规范中特别规定，在中小城市一般 不采用人工生物处理方法，鼓励污水土地处理系统的发展【i3 1 。在以色列，几乎 所有经二级或一级处理后的污水都进入土地处理系统，经一定距离后去除再用。 这种出水除做饮用水水源需要进一步处理外，可广泛用于各种工农业用水。澳 大利亚维多利亚州大力倡导污水的资源化，他们把具有九十多年历史的w e r i b e 牧场污水土地处理系统，建设成一个超大型的污水复合处理系统，被公认为是 一个成功的典型。 我国政府自1 9 8 0 年以后，确立了根据我国国情与各地区的自然和社会经 济状况，实行人工处理与自然处理并行的技术政策，在吸收与改进发达国家传 统污水人工处理技术的同时，积极推行替代二级处理的氧化塘、氧化沟和土地 处理等自然处理技术。土地处理技术经过“七五”、“八五”联合科技攻关，实 现了从小试、中试到实用规模的试验、示范研究，确立了完整的技术分类系统， 明确了各种类型的工艺特征、技术要点和工程参数，为在我国推行这项技术提 供了有力保证。 1 2 土地处理系统 土地处理系统是利用土壤一植物系统净化污水的功能，达到一定的处理目 标。土地处理系统对污染物的去除过程包括土壤的过滤截留、物理和化学吸附、 化学分解和沉淀、植物和微生物摄取、微生物的氧化降解、蒸发等”。 1 2 1 土地处理系统的分类 4 第1 章引言 据“七五”国家重点科技攻关项目成果城市污水土地处理利用设计手 册【1 4 l ，污水土地处理系统分为六类： ( 1 ) 慢速渗滤处理系统( s r ) ； ( 2 ) 快速渗滤处理系统( i u ) ； ( 3 ) 地表漫流处理系统( o f ) ； ( 4 ) 污水湿地处理系统( w l ) ； ( 5 ) 地下渗滤土地处理系统( u g ) ； ( 6 ) 人工土层快速渗滤处理系统( a r j ) 。 1 2 2 土地处理系统的特点 与其他污水处理方法相比，土地处理系统具有以下优点【l5 】： 1 1 工艺类型灵活多样，工程简易，基建投资省 土地处理系统的基建费用主要决定于土地价格和污水输送距离的远近及预 处理费用。由于土地处理系统类型多样，可充分利用当地地形，选择那些征地 费用低，不适于农业开发的土坡、荒山、废弃河道、废矿坑、矿山塌陷和坑口 电厂的粉煤灰场等作为处理场地，一般来说，其投资只有常规处理的1 3 1 2 。 且在处理污水的同时，还兼有国土整治、绿化环境的作用。 2 ) 管理简单方便，运行费用低，处理效果稳定 由于工程构造简单，其运行维护也方便，所以土地处理不需要投加化学药 品和复杂的机械设备，不产生大量污泥，运转和维护费用低，可以节省人力物 力，这对于我国那些缺乏资金和专业技术人员的中小城市和乡镇非常适合。实 践证明，设计合理、运行和维护良好的土地处理系统，其出水水质能达到甚至 优于其他资源化技术，尤其是在去除氮、磷、可溶性有机物、细菌等方面，都 远远优于其他常规资源化技术，而运行维护费用只有常规处理的1 5 1 3 。 3 ) 能充分利用水、肥资源 土地处理系统实现污水的充分净化的同时，能使水、肥资源的循环再生和 有效利用，达到污水的处理与利用相结合的目的。经处理后的水可相应作为城 市供水水源、杂用水及工农业用水等。这对水资源短缺的地区更为重要。 不过，污水土地处理系统也存在难以克服的缺陷： 1 ) 水力负荷低，占地面积大 5 第1 章引言 由于传统土地处理系统的核心是利用天然土层作为渗滤介质，因此土地处 理系统水力负荷低，占地较突出，制约了其在我国的推广应用，尤其在土地资 源较紧张的城市地区。如何解决土地利用矛盾，是土地处理技术在土地资源紧 张的大中城市推广使用的关键。 2 1 在寒冷地区的季节性问题 北方一些比较寒冷的地区，土地处理系统在冬季往往无法运行。系统运行 的季节性与废水排放的连续性矛盾，在一定程度上限制了土地处理系统在北方 地区的应用。 3 1 公共卫生问题 土地处理系统在运行过程中产生的气溶胶、散发的臭气等会对周边地区造 成环境卫生问题。此外，如果设计或者运行不当，可能对场外径流、地下水造 成污染i t , i t , 1 4 。 1 3 人工快速渗滤系统研究进展 针对上述问题，中国地质大学( 北京) 钟佐粲等a t 1 6 1 提出了采用渗透性能较好 的天然砂等代替天然土层营建污水处理系统的研究方案，并将这种处理系统命 名为人工快速渗滤系统( c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o n ，简称c m ) 。c r i 系统是在 传统黜系统基础上发展起来的一种崭新的污水处理系统。 1 3 1 人工快速渗滤系统的主要特征 c r i 系统的工艺原理为，在快渗池中填一定量粒径较小的滤料，在正常运行 过程中，滤料表面生长着生物膜。当污水流经时，因滤料呈压实状态，利用滤 料粒径较小的特点、滤料中粘土矿物和有机质的吸附作用及生物膜的生物絮凝 作用【1 7 1 ，截留和吸附污水中的悬浮性物质和溶解性物质，且保证脱落的生物膜 不会大量随水漂出，从而保证系统出水水质，此过程为机械过滤和吸附作用； 同时，因滤料表面( 特别是渗池上部滤料表面) 生长着丰富的生物膜，当污水流经 时，利用滤料的高比表面积带来的高浓度生物膜的降解能力对污水进行快速净 化，此过程为生物降解作用；当运行一定时间后，由于系统中有机物的积累和 生物膜的快速生长，系统的渗透速率会有所下降，需进行落干，以分解积累的 有机物质，恢复介质的吸附性能，以及更新生物膜，此过程为落干恢复。由此 6 第l 章引言 可见，c r i 对有机污染物的去除主要由过滤截留、吸附和生物降解作用共同完成。 过滤截留和吸附作用在c r i 系统中主要起调节机制，而有机污染物的真正去除 主要靠生物降解。生物降解包括好氧生物降解和厌氧生物降解，其中发生在好 氧一厌氧交替带的好氧生物降解是c p d 系统去除有机污染物的主要机制。一般 说来c r i 具有如下特征p 8 1 ： ( 1 ) 渗滤介质一般选择既具有一定的渗透性能，又具有一定阳离子交换容 量的粉砂，细砂、中砂或砾石等天然砂砾石。 ( 2 ) 滤层厚度一般为l - 2 m 。 ( 3 ) 水力途径一般是垂直流，污水自上而下自流通过渗滤介质。 ( 4 ) 快滤池之后不需再设二次沉淀池。 ( 5 ) 一般不需躁气和反冲洗。 ( 6 ) 由于采用人工建造，机动灵活，不受场地条件限制，不会因渗漏而造 成对地下水环境的影响。 ( 7 ) 系统的主体结构可以置于地上，也可以埋于地下。因此，受气候条件 影响较少，一年四季都能保证稳定、正常的运行。特别是在北方寒冷地区，更 能突出c r i 的实用性1 1 9 j 。 ( 8 ) 采用人工介质回填，系统水力负荷高( 一般大于l n v d ) ，占地面积小。 ( 9 ) 渗滤介质的可选性，使得系统可以根据不同进水浓度和出水水质要求 调整设计参数，机动灵活。 1 3 2 人工快速渗滤系统的研究现状 污水、受污染地表水土地处理系统研究在西方发达国家是环境科学工作者 研究的重点课题。从8 0 年代开始，污水土地处理作为“革新一替代技术”在国 外得到复兴和发展，世界上许多国家都在积极研究和大力推广城市污水土地处 理与利用。如在美国，快速渗滤( r a p i di n f i l t r a t i o n ，简称砧系统) 土地处理场 地于1 9 8 1 年达3 2 0 个，1 9 8 7 年进一步发展到1 0 0 0 多个，各种不同形式的污水 土地处理系统的总数高达3 4 0 0 多个，占全部污水处理系统的1 0 冶一2 0 。美国 环保局于1 9 8 1 年和1 9 8 4 年正式出版了城市污水土地处理工艺设计指南 ( u s e p a ，1 9 8 1 ) 及其续补本( u s e p a ，1 9 8 4 ) ，有效地促进了污水土地处理系 统的研究和发展。在丹麦，对处理相当于2 0 一1 0 0 0 人口所产生的生活污水的砂 7 第1 章引言 滤系统调查了5 0 个，结果发现，这些砂滤系统基本上都建于八十年代。调查还 表明，从1 9 8 6 年1 9 9 0 年，其砂滤系统的建设以每年7 个的速度发展。在以色 列，几乎所有经二级或一级处理后的污水都进入土地处理系统，经一定距离后， 取出再用。这种水除做饮用水水源要进一步处理外，可广泛用于各种工农业用 水。土地处理不仅是污水资源化( 污水回用) 的经济有效方法，而且也常用于地表 供水水源的预处理。在荷兰的阿姆斯特丹市，一个利用莱茵河水作为供水水源 的预处理程序为，把莱茵河水送到沙丘渗滤池内，经过地下含水层8 0 米的渗流 距离和9 0 天的水力停留时间后，再经取水管进入水厂。其监测结果表明，通过 地下含水层渗滤，不仅悬浮物得以去除，河水中的有机物亦降低了8 0 。此外， 其他国家也有很大的发展，原苏联甚至在其国家污水设计规范中特别规定，在 中小城市一般不采用人工生物处理方法，鼓励污水土地处理系统的发展。 我国政府自8 0 年代初开始，确立了根据我国国情与各地区的自然和社会经 济状况，实行人工处理与自然处理并行的技术政策。在吸收与改进发达国家传 统的污水人工处理技术的同时，积极推行替代二级处理的土地处理、稳定塘等 自然处理技术。土地处理技术经过“七五”、“八五”联合科技攻关，实现了从 小试、中试到实用规模的试验、示范研究；确立了完整的技术分类系统；明确了 各种类型的工艺特征、技术要点与工程参数，为在我国推行这一技术奠定了坚 实的基础。 综合国内外的研究成果，污水土地处理系统的新进展主要集中在以下几个 方面： ( 1 ) 系统复氧问题的研究。 污水土地处理是种自然处理技术，一般不采用人工曝气，其复氧过程主 要靠大气复氧。为提高系统的复氧效率，目前采用的途径主要有三种：一是采 用周期性干湿交替的工作方式加强系统复氧 2 02 2 】；二是利用植物的根系对系统 内部进行复氧，据文献报告，植物根系对氧的传输率可达2 0g m 2 d ，对系统复 氧有明显效果【2 3 】；三是安装通风管，主要应用于地埋式砂滤系统【2 4 - 2 9 。此外， 最新研究表明，采用微曝气的方式给土地处理系统复氧，效果明显。 ( 2 ) 多层系统研究 土地处理系统的最大缺陷是水力负荷低，占地面积大。多层系统的提出， 主要是为了提高系统的水力负荷，其理论依据是：融系统、s r 系统等土地处理 系统对污水中有机污染物的去除及硝化作用，主要发生在渗滤介质上部o 1 5 m 8 第1 章引言 范围内【2 s 1 。因此，一个滤层厚度为1 5 m 的快渗系统可以分为多层，各层单独配 水，以充分发挥系统的污染物去除潜力，提高系统水力负荷，减小系统的占地 面积，增强其实用性1 2 外。此项研究目前主要处于室内试验阶段。 ( 3 ) 地埋式砂滤系统研究 这方面的实际运行工程在丹麦、瑞士、芬兰、法国等国家较多。其主要是 用于处理农村、酒店、旅游景点等分散居民点小流量生活污水的处理【3 0 - 3 3 1 。地 埋式砂滤系统主要有四个方面的优点：( i ) 由于其隐蔽性，不论是在大都市，还是 在市郊，城镇，乡村等都能与周围环境协调一致。在其运行过程中，只要加强 管理，不会有蚊蝇滋生、异昧等，不会对人类生活环境产生不利影响。( 2 ) 占地 面积小或基本上不占地表面积，营建地埋式砂滤系统的场地条件容易满足，特 别是在城市，不会占据人类宝贵的活动空间。在系统的运行过程中，其地表部 分仍可种植花草，美化环境。( 3 ) 经系统处理出水，可通过集水管回收利用，如 浇花、洗车等，在有条件的情况下，甚至可用于冲厕。既处理了污水，又节约 了水资源。( 4 ) 由于其主体结构埋于地下，受气候条件影响小，一年四季都能保 证稳定、正常运行。特别是在北方寒冷地区，更能突出地埋式砂滤系统的实用 性。 ( 4 ) 序贯式系统研究 其工艺流程主要有两种： 一是p u c k 系统 3 4 1 ，其主要特征是先厌氧处理，然后是好氧处理，最后是厌 氧处理。 其工艺流程图为： 图1 1p u c k 系统工艺流 二是循环砂滤系统【3 5 】，其主要特征是先厌氧处理，后好氧，处理出水再部 分回流。 其工艺流程图为： 9 第1 章引言 图1 2 循环砂滤系统工艺 两种处理工艺的目的主要是提高系统对n 和难降解物的去除，从丽提高系 统的污染物去除效果。 ( 5 ) 复合系统研究。 污水土地处理与常规二级生化处理方法相比，其有机负荷较低，采用复合 系统，实质上是加强了系统的预处理，降低系统的有机负荷，从而提高系统的 水力负荷和净化效果【1 8 】【3 6 1 。 ( 6 ) 渗滤介质研究。 融系统，特别是c r i 系统，其水力负荷高，水与微生物接触的时阔短，且 所采用的渗滤介质与天然土层相比，其对n 、p 的去除率相对较低。因此，目前 这方面的研究主要是在渗滤介质中添加一定量的磷吸附材料或增加定量的石 灰石等，以弥补因硝化作用而消耗的碱等 3 7 - 3 8 】。 ( 7 ) 运行方式的研究。 选择合适的水力负荷周期，使系统的水力负荷最大，污染物去除效果最佳 是这一方面研究的重点内容。目前，这方面的研究主要集中在采用短水力负荷 周期的试验研究阶段，国外可见少量实际工程1 2 6 f 3 5 】【3 9 】。 ( 8 ) 系统堵塞问题研究 堵塞问题是污水土地处理系统研究的重要内容之一。它不仅影响系统的水 力负荷，而且也会大大缩短系统的使用寿命。一般认为，造成系统堵塞的原因 主要有悬浮物的截留、吸附、化学沉淀以及微生物膜的增长等【2 9 4 0 - 4 1 。目前解 决这一问题的途径主要有两种：一是加强预处理，降低系统的有机负荷；二是 根据进水浓度和系统处理出水水质要求，选择渗透性能适中的渗滤介质。 ( 9 ) 微生物研究 土地处理技术是应用生态学原理加工程学方法而形成的生态工程水处理技 术。其对有机污染物的去除，最终是靠微生物的作用。目前，这方面的研究主 l o 第1 章引言 要是集中在对微生物的培养、微生物在系统中的分布、微生物量，微生物活性 以及对具体的菌种( 如硝化菌、反硝化菌) 等的研究4 2 - 4 3 。 上述诸多方面的研究都是主要围绕如何充分发挥系统的污染物去除潜力， 提高系统的水力负荷，增加其实用性。 1 3 3 人工快速渗滤系统的工程实践及处理效果 近十几年来，尽管美国、法国、芬兰、丹麦、瑞士等国家对污水土地处理 进行了详细的研究，获得了丰富的试验资料，并相继建成了一些实用工程，且 运行效果良好。污水士地处理系统被认为是一种简单、可靠、实用、低能耗、 低花费的小型污水处理系统，是解决中小城市、城镇、农村等小流量生活污水 的最适合、最可靠的途径。但是，由于渗滤技术的多样性，污水成分的差异性 及微生物培养过程的复杂性等，许多方面还有待于进一步探索。特别是对c r i 的研究，国外未见报道。近十几年来，国外许多国家对地埋式砂滤系统的研究 发展很快，其与c r 很类似，但地埋式砂滤系统的水力负荷较低( 一般小于 0 2 m d ) ，不能称之为c r j 。 由于传统的土地处理系统本身的局限性及我国的实际情况，其在我国的推 广进程极其缓慢，到目前为止主要还是停留在试验研究阶段，实际运行的工程 很少。对c r 的研究也基本上还是处于起步阶段。自2 0 0 1 年开始，中国地质 大学( 北京) 与北京大学进行合作。2 0 0 1 年9 月首先在深圳市宝安区茅洲河进 行c i u 系统的中试研究，该研究获得了两项重大突破：一是确定c r i 系统的水 力负荷值，一是确定c r l 系统最佳的淹水和落干的水力负荷周期，其成果为后 续污水资源化实用工程的工艺设计提供了科学依据。2 0 0 1 年1 1 月在广东省东 莞市华兴电器有限公司建成了第一个实用工程，开始了c r i 系统在生活污水处 理领域的实际应用，它为c r j 系统的推广应用积累了实际运行的经验。河北省 琢州人工构建快速渗滤系统的试验研究结果表明，c r i 系统在较高的水力负荷条 件下，具有较好的净化效果1 16 】m 州，因此，具有很强的实用性。但在琢州现场 试验运行过程中，系统进水的污染物浓度较低 4 4 1 。对在较高的污染物负荷条件 下，c i u 系统的水力负荷、净化效果和系统的稳定性等都有待于进一步研究。 此后，对c r i 系统进行了更深入研究，探索c i u 系统对各种污染物的去 除机理，拓宽了该系统的实际应用范围。目前已建成的工程有：东莞华兴电器 第1 章引言 厂、深圳白花洞、深圳官澜高尔夫牛湖河、深圳绿色高尔夫、深圳同兴塑胶厂、 深圳天基等c r i 工程“】【4 7 4 8 】。 实践证明，该技术在处理城市生活污水和受污染的地表水时具有明显效果。 而且，该技术具有工艺过程简单，工程投资低，运行成本少的特点，对我国中 小城镇污水处理具有重要应用价值。快速渗滤技术处理白花村生活污水工程成 为2 0 0 4 年国家重点环境保护实用技术示范工程。人工快渗技术成为2 0 0 5 年国 家重点环境保护实用技术。 1 4 复合垂直流渗滤系统研究进展 1 4 1 复合垂直流渗滤系统的主要特征 复合垂直流渗滤土地处理系统是一种人工湿地处理技术为基础的新型复合 生态处理技术。最早是由中科院水生所与德国科隆大学、奥地