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生物生态组合技术处理农村生活污水研究 东南大学 硕士研究生：刘晋导师：吕锡武教授李先宁副教授 摘要 本文根据农村小型生活污水的特点和治理需求，提出了以“厌氧+ 跌水充氧接触氧化+ 人工湿地”工艺组成的生物生态组合技术，并通过一系列的实验研究，确定了跌水充氧接触 氧化池的优化工艺，并在此基础上研究了人工湿地的脱氮除磷效果以及组合工艺对污染物的 去除效果，开展了以下工作并取得下列成果： 1 对跌水充氧接触氧化池工艺研究，主要包括：比较了不同的填料及其装填密度对污 染物去除效率的影响；研究了影响跌水充氧效率的一些重要影响因素，如跌水高度、跌水板 形状、水力停留时间等。在对实验结果进行分析的基础上，确定了填料、跌水高度、跌水挡 板形状、池体高度、最佳水力停留时间和污染物负荷等关键工艺参数。 2 通过分析人工湿地在运行期间脱氮除磷的效果，得到稳定运行时人工湿地沿流程方 向上氮磷的变化规律和进出水磷形态的变化规律。这些规律同时说明了石膏除磷是本湿地除 磷的主要途径。 3 实验研究了厌氧一好氧组合工艺对污染物的去除效果。对装置连续的运行监测，通 过监测数据分析了组合工艺对c o d 、t p 、t n 的去除效果。工艺对c o d 、t p 、t n 的平均 去除效率可达6 0 4 、7 3 5 、8 3 1 9 ，出水平均浓度为3 7 8 8 m g l 、0 3 6 m g l 、5 ，2 8 m g l ， 均能达到甚至优于城镇污水处理厂污染物排放的一级标准的a 类标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 研究表明：由厌氧沼气、跌水充氧接触氧化和人工湿地技术组合的农村生活污水处理 技术是一种高效低耗的生物与生态处理相结合的新工艺。 关键词；生活污水跌水充氧接触氧化人工湿地脱氮除磷 农村生活污水处理技术及示范工程8 6 3 国家高技术研究发展计划资助项目 ( 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 一l a ) a b s t r a c t s t u d yo nt h ep r o c e s sc o m b i n e dw i t hb i o - e c o l o g i c a l t e c h n o l o g yf o rr u r a ls e w a g et r e a t m e n t s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a m eo f g r a d u a t el i u j i n s u p e r v i s o r p r o f l u x i - w ua s s o c i a t ep r o f l ix i a n - u i n g a b s 订a c t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s c h a r g es t a n d a r do fr u r a ls e w a g e ，w ed e s i g n e da t r e a t m e n td e v i c ew i t ha n a e r o b i c 、w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n gb i o - c o n t a e to x i d a t i o np r o c e s sa n d c o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h ed i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e st h ep r o c e s sb u i l d i n gu pt h ed e v i c eo f e x p e r i m e n to p t i m a lp r o c e s s e s , t h ee f f e c t s o ft h er e m o v a lo nn i 仃o g e na n dp h o s p h o r u si n c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，a n dt h ee f f e c t so ft h er e m o v a lo ft h ec o m b i n e dp r o c e s so ns o m ek i n d so f c o n t a m i n a t i o n s ，i n c l u d e st h ed e t a i l e dd e s e d p t i o n so nt h ef o l l o w i n gs u b j e c t s ： 1 t h ep r o c e s s e so f c o n t a c tb i o f i l ma r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d ，i n c l u d i n g ：t h er e m o v a le f f e c t s o ff i l l i n ga n dt h e i r d e n s i t y o nc o n t a m i n a t i o n s ，a n ds o m ei m p o r t a n ta f f e c t i n gf a c t o r so f w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n g , s u c ha st h eh e i g h to f w a t e r - d r o p p i n g , t h es h a p eo f w a t e r - d r o p p i n gb a f f l e a n dt h ew a t e rl o a d b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，o p t i m a lp r o c e s s e sa r ec h o s e n 2 b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nc o n s t r u c t e dw e t l a n di nf i v em o n t h s ，t h el a w so f c h a n g eo f t h en i t r o g e ni nt h ed i r e c t i o no f f l o wa n dt h et h ee f f l u e n tt p i na d d i t i o n ，t h el a w ss h o w t h ei n t e r a c t i o no fg y p s u ma n dp h o s p h o r u si ns e w a g e t h ed i s s e r t a t i o ng i v e ss o m es u g g e s t i o n st o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c o n s t r u c t e dw e t l a n da c c o r d i n gt ot h ej a w s 3 t h ee f f e c t so f t h er e m o v a lo f t h ec o m b i n e dp r o c e s so ns o m ek i n d so f c o n t a m i n a t i o n sa r e e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h ed e v i c ei sb ec o n t i n u o u s l ym o n i t o r e d a n dt h ee f i e c t so f t h er e m o v a l o f t h ec o m b i n e dp r o c e s so nc o d 、1 pa n dt na r eb ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t s t h i sd e v i c e p r e s e n t e dg o o dr e m o v a lr a t eo fc o n t a m i n a t i o nd u r i n go p e r a t i o np e r i o d , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t i o i s 6 0 4 ，7 3 5 、8 3 1 。t h e a v e r a g ec o n c e n t r a t i o no f c o d ，1 n 、t p w a s3 7 8 8 m g l 、5 2 8 m g r l 、 o 3 6r a g l a l lt l l e s ei n d e xw e r ei na c c c o r dw i t ht h ep o l l u t a n td i s c h a r g i n gs t a n d a r d f i n a l l y ，e x p e f m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o c e s sc o m b i n e dw i t hm e t h a n eg e n e r a t i n g p i t 、w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n gc o n t a c tb i o f l l r na n dc o m b i n e df l o ww e t l a n d s ，w h i c ht r e a tr u r a l w a s t e w a t e r , i san e wp r o c e s s ，b yu s i n gt h i sp r o c e s s ，h i g hb e n e f i ta n dl o wc o s tc a nb eg o l k e y w o r d s ： r u r a l s e w a g e c o n t a c to x i d a t i o n p r o c e s sw a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n g c o n s t r u c t e dw e t l a n d st h er 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 l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盔匾日期： 加口g 牛6 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生繇未i 首翩签名跣瓣 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 太湖地区的环境污染现状 第一章绪论 太湖位于长江三角洲南缘，湖水面积2 3 3 8 1 1 1 2 ，是我国五大淡水湖之一。太湖流域是全 国人口最稠密和经济发展最具活力的地区之一。近年来，随着经济的高度发展，水污染现象 日趋严重，全湖表现出明显的富营养化状态。每年暴发的水华给流域居民造成了巨大的损失。 中国环境监测总站2 0 0 5 年1 0 月的环境监测水质月报显示： 全湖高锰酸盐指数满足i 类水质标准，总磷满足类标准，总氦劣于v 类标准。主要 污染指标为总氮。与上月和去年同期相比，太湖水质无明显变化。 富营养状态评价表明，五里湖为重度富营养，其余湖区为中度富营养，全湖平均处于中 度富营养。 表1 12 0 0 5 年7 月太湖湖体水质状况 环湖主要河流及交界水体的8 6 个水质监测断面中，符合i i i 类水质标准的断面有1 4 个， 占1 7 ，劣v 类水质断面3 0 个，占3 5 。主要污染指标为石油类、溶解氧和氮氮等。 与上月和去年同期相比，环湖河流水质无明显变化。 由上述材料可以看出，虽然太湖流域水质污染加重的趋势已经有所缓解，但富营养化程 度仍较高，因此治理太湖富营养化，防止水华暴发仍是我国“十五”期间水污染防治的重点。 1 1 2 控制面源污染对改善富营养化现状的意义 大量的实地研究表明，富营养化的主要原因是过多的氮磷进入水体，超过了水体的自净 能力，因此，富营养化治理的根本在于减少来自流域的氮磷营养物质负荷。我国自1 9 7 5 年以 来，国家和企业投资了数百亿进行点源污染治理，但对湖泊水体富营养化状况的改善成效甚 微，并且富营养化的形势仍十分严重，原因之一就是农业非点源污染包括农业污染、分散的 养殖业污染、村镇生活污水污染、水土流失等等的治理没有跟上。据我国对许多湖泊水体的 调查，输入湖体的污染物约有一半以上来自非点源污染源，它们通过降雨径流等途径进入水 体 2 1 。经过多年的实践，对于工业废水和城市生活污水等点源污染的治理我国已有较为成熟 东南大学硕士学位论文 的控制技术体系，但对于面源污染的控制研究较少，同时面源污染与区域的降水过程密切相 关，表现为形成的随机性，影响的滞后性和影响因子的复杂性，研究和控制难度较大，当前， 我国对主要流域和区域的面源污染尚缺乏成套的控制技术和适合国情的管理方法。 因此加强农业非点源污染的研究，尤其是弄清雨季各种来源的面源污染对水体富营养化 的贡献和不同土地利用类型营养元素的定量迁移规律，对于农业非点源污染的治理将具有十 分重要的理论指导意义p j 。 1 1 3 太湖地区面源污染的现状 1 1 3 1 太湖地区面源污染的现状与特征 目前太湖环湖共有大小河道1 1 7 条直接与湖体相连。河弼受降雨、潮汐等影响，部分为 往复流，加上河道基本上处于无控制状况，使得污染物会随着四通八达的水网到处扩散，呈 现处污染，危及一片”的状况，河道之间污染相互影响， 河网水环境质量差，河道自净能力严重退化。主要污染因子为高锰酸盐指数、氨氮、生 化需氧量、挥发酚等。太湖流域河网水质总体上在近2 0 年中下降了两个等级左右，并且水 污染范围已经从原来的中心城镇及其附近河流扩散到几乎整个河网。 1 1 3 2 示范区面源污染影响因素分析 课题示范区大浦镇位于宣兴市东南部，东滨太湖。西部面源污染物通过径流流入河流， 最终汇入太湖，加之该地区雨水丰沛，加剧了面源污染的流失，促进了太湖富营养化的发展。 该地区经济发达，劳动力成本高，精耕细作程度低，水产养殖面积比例高：并且复种指数相 对较高，单产水平高，肥料投入量大。诸多原因导致污染面源呈现复杂化。 随着农村人们生活水平的逐步提高，水冲厕所推广使用比例的增高，生活污水的排放量 会逐年增加，由于当地环境基础设施建设严重滞后，农村生活引起的面源污染问题日益突出， 水网区农村生活引起的面源污染控制问题需要逐步得到加强。 2 0 世纪9 0 年代后期，太湖加大了工业企业污染源( 点源) 的治理和工业结构调整，取 得了一定的成效，使工业污染量大大下降，农业污染和生活污染便显现出来。太湖流域仅治 理了工业污染。而工业污染只是水污染的一小部分，大量来自生活和农业的及其他的污染还 没有得到很好治理，且治理难度和治理范围都比工业污染大得多。 表1 2 太湖地区主要污染源在排污总量中的比例( ) 4 1 表1 2 为太湖地区主要污染源在排污总量中的比例，从表中看出，在太湖水体污染中， 从全流域总氮排放负荷来看，生活污水占2 5 ；从总磷排放负荷来看，生活污水占6 0 0 。 1 1 4 太湖地区农村生活污水的性质和排放特征 一般来说，农村生活污水具有与城市污水不同的特点。农村生活污水主要是洗涤、沐浴 2 第一章绪论 和部分卫生洁具排水。其特征是有机物和氮、磷等营养物含量较高，一般不含有有毒物质， 污水中还含有的合成洗涤剂以及细菌，病毒、寄生虫卵等等。农村生活污水的排放为不均匀 排放，瞬时变化较大，日变化系数一般在3 0 5 0 之间，同时农村生活污水还具有早、中、 晚不同时段相对集中排放等特点p 1 。 课题组采取定点监测、资料收集与专人问卷调查的方法，调查了林庄村农民的用水及 排水现状及特征、地理和地貌特征( 地形图测绘) 、初期地表径流污染状况等。经过系统的 统计和分析，归纳总结出村内生活污水具有以下特征： 1 1 4 1 水质水量特征 水量方面，通过调查和定点实测林庄自然村农户用水及排水情况，发现生活水平较高 的农户平均每户用水量可达1 0 - - 1 4 吨，月，即约8 0 l 人r 日。而生活水平较低的农户平均每户 用水量仅为3 5 吨月，约在3 0 4 0l 人日之间。 水质方面，生活水平较高的农户的污水c o d 日平均在3 5 0 4 5 0 m e ：- 之间，而生活 水平较低的农户平均可达7 8 0 - 1 3 4 9 n l g l ，后者是前者的2 4 倍，这与后者用水反复使用有 关。在氮磷浓度上，两者相差不大，t n 浓度最高为7 0 8 0m 观，平均为3 6m g t , ，t p 最 大在4 5 6 5 m g l 之间，平均在2 8m g l 。污水b o d c o d 约为0 5 适合生物处理，但部分 污水氮碳比失调，不利于生物脱氮。 林庄村生活水平较低的农户占了约6 0 ，综合上述调查结果，以4 5 户每户3 人计，排 水量6 0 l 人- 日，则该村的排水量约为7 5 吨日，c o d 浓度约为6 5 0 m g l ，t n 浓度约为 3 0 m g l ，t p 浓度约为2 8 m g l 。可以看出，该村生活污水水量不大，但污染物浓度较高。 1 1 4 2 污水擂放和收集特征 目前所有农户生活污水均未处理，基本通过村内小沟渠直接排入水体，造成水体污染严 重恶化。村内主要入湖河流林庄港的水质为劣v 类，氮、磷严重超标，农村生活污水和村 落地表径流中氮、磷对示范区水体污染的贡献率分别为2 9 和3 4 ，为水环境污染的主要 污染源。 村落地表径流污染严重，绝大部分农户的庭院、场地采用混凝土铺装硬化率较高，雨水 的自然地下渗入率低。同时由于农户在庭院内进行家禽养殖，加之卫生习惯较差垃圾堆积及 粪坑溢流，造成在降雨初期大量污染物通过村落内小沟渠直接进入河道。且地下水及河流水 位较高，基本无法进行污水自流收集、处理和排放。 l a 课题来源 “厌氧+ 跌水充氧接触氧化+ 人工湿地”农村污水处理技术，是国家8 6 3 “十五”重大科技 专项太湖水污染控制与水体修复技术与示范工程的第二个子课题“河网区面源污染控制 成套技术( 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 ) ”中，由东南大学承担的专题“农村生活污水处理技术及示范工 程( 试区i ) ”的研究内容。 子课题“河网区面源污染控制成套技术( 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 ) ”对农村生活污水处理提出了 具体要求，即通过试验研究和示范工程，开发出在太湖流域农村地区具有广泛推广应用价值 的生活污水处理实用技术。具体的技术经济考核指标为，t n 去除率大于7 0 ，t p 去除率 大于8 0 ；吨水建设投资集中型不超过1 3 0 0 元( 不包括污水收集系统) ，分散型不超过1 0 0 0 东南大学硕士学位论文 元( 不包括污水收集系统) ；吨水直接运行成本集中型低于o 6 元，分散型低于o 3 元。 l 3 国内外农村生活污水处理技术的发展现状 1 3 1 高效藻类塘系统 在欧洲和北美有2 0 3 0 的农村人口利用小型污水处理系统处理农村生活污水。特别是 稳定塘系统在1 9 8 3 年数量就达至t j 7 0 0 0 座以上，其中9 0 建在人口少于5 0 0 0 的小城镇，但是稳 定塘基本不具备除磷脱氮功能。 美国加州大学伯克利分校的o s w a l d 提出并发展的高效藻类塘是对传统稳定塘的改进，其 充分利用菌藻共生关系，对污染物进行处理。因其最大限度地利用了藻类产生的氧气，塘内 的一级降解动力学常数值比较大，故称之为高效藻类塘1 6 】。高效藻类塘较传统的稳定塘停留 时间短，占地面积少；建设容易，维护简便，基建投资少，运行费用低；b o d 5 、n h 4 * - n 、 p 0 4 - p 、病原体去除效率高；但宜受温度、p h 等环境因素影响明显。 1 3 2 日本农村生活污水处理系统 日本从1 9 7 7 年开始实行农村污水处理计划，日本采用的小型污水处理系统多为日本农村 污水处理协会研制的j a r u s 模式，共有1 5 种不同型号装置，主要采用物理、化学与生物措施 相结合的处理过程，取得了很好效果。这1 5 种不同型号的处理装置可分为两大类。( 1 ) 生物膜 处理。在自然界中存在着大量依赖有机物生活的微生物，它们具有氧化分解有机物并将其转 化为无机物的功能。生物膜处理就是利用微生物的这一功能，采取人工措施来创造更有利于 微生物生长和繁殖的环境，使其大量繁殖，从而提高对污水中有机物氧化降解效率，达到净 化污水的作用。通过生物膜后可使污水中的b o d 下降盈j 2 0 m g l 以下，s s 下降n 5 0 m g l 以下。 t n 含量在2 0 m g l 以下。生物膜法装置，多采用净化槽，即淹没式生物滤池，污水处理装置 体积小、成本低、操作运行简单，十分适用于农村，处理后的污水水质稳定。从污水中分离 出来的污泥经脱水、浓缩和改良后，运至农田以作肥料。目前，全国大约有7 0 0 万套净化槽在 使用中，从1 9 9 9 年开始，日本国立环境研究所开发的土地处理净化槽和膜生物反应器净化 槽具有很好的除磷效果，但净化槽的制造成本较高。( 2 ) 浮游生物处理。通过漂浮在污水中 的浮游生物的作用净化污水，可使b o d 下降到1 0 2 0 m g r l ，s s 下降到1 5 5 0 m 叽，c o d 下 降到1 5 m g l 以下，t n 下降到l o 1 5 m g l 以下，口下降到l 3 m 叽以下i ”。 1 3 3 韩国湿地污水处理系统 韩国的农业用水是最大用水户，占总用水量的5 3 。韩国农村的居民分散居住，因此， 研究了一种湿地污水处理系统，使污水中的污染物质经湿地过滤后或被土壤吸收，或被微生 物转变成无害物。这种方法需要的能源少，维护的成本低。这种湿地污水处理系统实质上也 是一种土地一植物系统，至今已广泛用于欧洲、北美、澳大利亚和新西兰等。湿地上多种植 芦苇、香蒲和灯心草等，对病原体的去除效果好。但其缺点是需要大量土地，并要解决土壤 和水中的充分供氧问题及受气温和植物生长季节的影响等。一般来说，利用湿地处理后的污 水灌溉水稻，可取得更好的净化效果【8 j 。 1 3 4 澳大利亚“f i l t e r ”污水处理系统 澳大利亚科学和工业研究组织( c s i r o ) 的专家于最近开发出一种“过滤、土地处理与暗管 4 第一章绪论 排水相结合的污水再利用系统”，称之为“f i l t e r ”高效、持续性污水灌溉新技术，它利用污 水进行作物灌溉，通过灌溉土地处理后，再利用地下暗管将其汇集和排出。该系统可以满足 作物对水分和养分的要求，同时降低污水中的氮、磷含量。 f i l t e r 系统一般适用于土地 资源丰富、可以轮作休耕的地区；存在暗管排水系统造价较高，且在地下水位较高的地区应 用有困难的缺点【7 】 1 4 “厌氧+ 跌水充氧接触氧化+ 人工湿地”工艺提出的思路 在土地资源稀缺的太湖流域河网区单纯采用生态工程的方法处理农村生活污水，存在 着占地面积大的缺点。另外太湖流域有3 个月的低温期，生态工程的净化效果在此期间会 有所降低，因此在太湖流域不宜单独采用生态工程的方法处理生活污水，而单纯采取生物处 理的方法也存在除磷工艺复杂，运行成本过高的缺点。因此，在本项目运用了“生物+ 生态” 的技术思路，生物技术有效去除有机物和部分氮磷，保证出水c o d 达标；生态技术的主要 功能为去除n 、p ，并进一步改善处理效果，出水c o d 、n 、p 全面达标。这样将生物技术 与生态工程有机结合，充分发挥各自的优势，达到既节省成本和运行费用，又能取得稳定的 除磷脱氮效果的目的。 考虑到在农村地区，建造和运行费用不能太高，故生物部分选择了以跌水充氧接触氧化 工艺，本工艺利用池与池之间的高度差，伎水在跌落的过程中与空气接触进行充氧，省去了 曝气所需的鼓风机动力消耗，因而大大的降低了运行的费用。但根据对农村生活污水水量水 质的调查，发现该地区自然树落内的农村生活污水水量不是很大但有机污染物浓度较高，因 此在接触氧化法之前添加了厌氧处理工艺。厌氧池内的设计停留时间高达3 0 h ，经过厌氧池 大部分的有机污染物能被去除，有效的降低了接触氧化池的有机负荷。生态部分采用了近年 来得到普遍运用的人工湿地，能进一步的对污染物进行去除。 “厌氧+ 跌水充氧接触氧化+ 人工湿地”生物生态组合型农村污水处理技术的工艺流程如 下图所示： 污水回流 图1 1 组合技术的工艺流程图 流程说明：污水首先进入厌氧发酵池，进行厌氧发酵，以降低后续接触氧化反应的有 机负荷，同时进行硝化液回流脱氮处理；经过厌氧处理的污水经泵提升进入接触氧化池，接 触氧化池共分五格串联，充分利用污水提升后的部分水头，采用跌水充氧技术提供好氧反应 的需氧量，以降低运行成本，实现低能耗污水处理。在接触氧化池内，对有机污染物进行好 氧降解和充分硝化；接触氧化池出水部分回流到前端厌氧沲进行脱氮，部分进入后续潜流式 人工湿地或生态净化塘，进一步去除氮、磷等营养物质。 东南大学硕士学位论文 第二章技术原理及研究进展 2 1 生物接触氧化技术的来由与演变过程 生物接触氧化法是生物膜的一种形式，是在生物滤池的基础上，从接触曝气法改良演 变而来的，早在1 9 世纪末韦林( w a r i n g ) 、迪特( d i n e r ) 等人就试验研究了生物接触氧化处理 污水。1 9 1 2 年克洛斯( c l o s s ) 获得了德国的专利登记。但是，发展为正规的污水处理法，还是 德国的贝奇( b a c h ) 和美国的布斯维尔( b u s w e l l ) 分别在埃姆兴( e m s e h er ) 、阿尔巴纳( a i b a n a ) 处理场实现的。这一方法不仅用于生活污水处理，而且还用于除酚、去除洗毛废水中的油 脂和制浆废水处理。1 9 3 8 年，在日本的岐阜市亦进行过试验研究 9 1 。 但那时候的按触氧化处理效果都不大理想，b o d 去除率低。主要原因是： ( 1 ) 停留时间短，一般只有0 5 h 左右。这样，有机物质氧化分解不彻底，致使b o d 去 除率低，出水b o d 值高。 ( 2 ) 填料表面积过小，固定生物膜量不大，使b o l l ) 负荷过高。 ( 3 ) 填料构造不尽合理，易于堵塞，清扫困难，管理不方便。 由于接触氧化技术存在着上述问题，尽管在二、二十年代已经形成为正规的污水处理 方法，却未能进一步推广应用。 2 1 1 国外生物接触氧化技术的进展 国外，生物接触氧化技术经历了初期的试验研究和实际应用后，降低了b o d 负荷值， 取得了较好的b o d 的降解效果。但是，由于填料表面积小，b o d 负荷过低，增大了氧化池 体积，经济上不合理。 7 0 年代初，日本的小岛贞男从河流白净作用出发，设想了蜂窝管式接触填科。这种填 料的比表面和孔隙率较大，重量轻，强度大，脱膜容易，东京都玉川给水厂采用这种填料 的接触氧化装置用以处理受污染的给水水源，处理效果良好。 苏联7 0 年代中期在接触曝气池的基础上，研究以砂为填料的接触氧化池( 曝气颗粒滤 池1 ，用于污水的深度处理。为强化生化过程，最有效地去除低浓度污水中胶体有机物和己 溶解的有机物，使处理水最终被氧所饱和，在滤料层内通人压缩空气，这种氧化池采用了 颗粒填料，故有较大的接触面积( 比通常生物滤池大5 0 倍) 和表面生物活性，促进了生物吸 附过程。处理效果良好。 美国应用接触氧化技术处理污水，用于降解b o d 和氨氮。例如西斯万浦河污水处理 厂所采用的接触氧化池。整个系统用两段法处理，即由一段接触氧化池、中间沉淀池、二 段接触氧化池和二次沉淀池组成。接触氧化池内装有垂直的浸没在水中的生物板。这种生 物板提供了菌体生长所需要的固定表面积。生物氧化所需的空气，通过生物板下面的多孔 陶土管扩散成细小气泡。整个系统的b o d 去除率达到9 5 ，生物硝化程度亦很高，处理水 中的大部分氨氮己转化为硝酸盐。 近二十多年来，国外特别是日本，生物接触氧化技术得到了迅速的发展。广泛地用于 生活污水、生活杂排水和食品加工、水果蔬菜罐头、鱼肉制品、酿造等工业废水处理中。 1 9 8 0 年，日本政府建设省发表通告，将接触氧化法列入在小型污水处理中首先推荐采用的 处理工艺。据调查，1 9 8 1 1 9 8 5 年的5 年间，日本新设置的小型污水处理槽为1 5 4 万台左右， 而接触氧化法处理槽为8 1 万余台，占全部装置的5 2 5 ，由此可见，接触氧化处理技术在 6 第二章技术原理与研究进展 日本的污水处理领域中应用的广泛性。 近年来，随着城市的进一步发展，为了保护东京湾、伊势湾、濑户内海等主要水域， 保证这些水域的水质不至于恶化并且有所改善，要求削减由于生活活水的排入而引起的污 染负荷，1 9 8 8 年3 月，日本政府建设省又发出补充通告，在原有的基础上提出了加以改进 与完善的接触氧化处理污水工艺，例如分离式接触氧化综合处理方法和厌氧一接触氧化处 理方法，使之能进一步适应除氮和减少污泥生成量的要求。 2 1 2 国内生物接触氧化技术的迸展 国内，1 9 7 5 年北京市环境保护科学研究所首先进行了生物接触氧化法处理城市污水试 验，采用二段法生物接触氧化，取得了良好的效果。 1 9 7 7 年后。国内在接触氧化技术的各项试验研究和实际应用方面达到了个新的水 平。主要表现在以下几个方面。 1 ) 生物接触氧化处理废水技术的使用领域更加拓宽，除了用于生活污水处理外，更多 的是应用在工业废水处理中。目前，接触氧化技术广泛地用于石油化工、农药、棉纺印染、 毛纺针织染色、丝绸、绢纺、芋藤脱胶、轻工造纸、食品加工、发酵酿造等工业废水处理 小。在处理水质方面，不仅用于一般的进承水质( c o d 为数百毫克升的废水) ，而且还用于 高浓度度水处理。同时这种处理方法对废水中毒物的冲击适应能力较强，能较好地保证处 理装置连续稳定进行。 2 ) 接触填料的研究和开发工作十分活跃。接触填料是生物膜赖以栖息的场所，是生物 膜的载体。填料的性能直接影响着生物接触氧化技术的效能和经济上的合理性，因此是接 触氧化技术的的关键。由日本小岛贞男开发的蜂窝管式填料，虽然具有表面均匀、规则， 对气泡有切割作用，在一定程度上能提高氧的转移效率等优点，但是，实际使用中往往容 易产生不同程度填料的堵塞，影响处理效果。为此，8 0 年代切，上海石油化工总厂环保研 究所等单位先后研制了维纶纤维填料( 或称软性填料) 。实践表明，软性填料具有质轻，比表 面积大，易于加工与安装，不易堵塞，价格便宜等优点。软性填料同蜂窝填料一样，均可 取得良好的处理效果。因比软性填料是一种有前途的新型填科，目前国内仍然广泛采用。 但是，在实际使用中亦发现软性填料的纤维易被生物膜粘结在一起，产生结球现象，使其 比表面积大为减少，进而在接球的内部产生厌氧作用，影响处理效果。另外，还观察到， 软性填料中的水流流态并不理想，在填料中容易产生大气泡，从而影响氧的利用率。为此， 8 0 年代中期，北京市纺织科学研究所开发研制了所谓半软性填料。这种填料由变性聚乙烯 塑料制成，具有特殊的结构性能和水力性能。当水流通过时可产生明显的湍流流态，传质 效率较高。它兼具硬性填料的刚性和软性填料的柔性，因此是目前采用的性能量好的填料。 3 ) 围绕着提高氧的转移率，节省动力，防止堵塞短路和降低造价等方面开发研制了一 些新的曝气充氧设备。1 9 8 4 年，浙江省玉环县楚门环保装备厂同化工部第一设计院、北京 建筑工程学院共同协作，联合研制成功了散流式曝气器，散流曝气器具有布气均匀，流态 好，氧利用率和动力效率较高，以及构造比较简单，安装方便，耐腐蚀等优点，目前已经 比较广泛地采用在生物接触氧化处理废水技术中。为了进一步节省能源，8 0 年代中期国内 一些单位在借鉴国外同类产品经验的基础上，研制了几种型号的微孔曝气器，填补了国内 空白。这种曝气器比目前采用的曝气设备可节能3 0 - - 5 0 ，但是供给微孔曝气器的空气必须 经过除油等预处理，且价格较高，因此目前在接触氧化技术中尚未得以普遍应用。近年来， 上海石化环保器材厂构思了微孔曝气的可变孔原理，薄壁原理及狭缝气孔原理，研制新型 可变7 l 曝气软管。它的气孔可随气量的增减而变化，从而後曝气均匀，同时打效地防止了 填料堵塞，产品价格低于其它微孔曝气器。 4 ) 接触氧化池的型式有所创新。随着处理水量的增大和要求处理程度的提高，接触氧 7 东南大学硕士学位论文 化池的型式由单格完全混合型演变为多格完全混合式与推流式相结合的型式，这种池型往 往应用于处理水量较大和原水有机污染物浓度较高的场合。 5 ) 引入废水厌氧处理原理，发展生物接触氧化技术处理系统。8 0 年代中期以来，随着 环境保护对废水处理程度的要求不断提高和厌氧技术的发展，国内一些单位在接触氧化处 理废水技术中引入了厌氧处理工艺原理，在完善生物接触氧化处理系统和提高处理效能力 面取得了良好的效果。 2 1 3 生物接触氧化法的特点 生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池两者之间的生物处理方法，池内设有 填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定的流速流经填料，填料上布满生物膜，污水 与生物膜广泛接触，在生物膜上微生物的新陈代谢功能的作用下，污水中有机污染物得到去 除，污水得到净化，因此，生物接触氧化处理技术又被称为- 俺没式生物滤池，【l o l 。 载 每f 肛承 茸机酸| l b o d 踅 _ 0 2 l 1 j c 0 2 l， 厌氯屡好氧盛 熬 水 图2 1 生物膜净化机理 它具有如下特点： i ) 填料比表面积大，提供了巨大的生物栖息空间，使大量的生物得以附着生长，可形 成稳定性较好的高密度生态体系。挂膜局期相对缩短，在处理相同水量的情况下，水力停留 时间短，所需设备体积小，场地占用面积小。表2 1 为几种好氧生物膜法比表面积的对照。 从表中可看出，生物接触氧化法的比表面积要高于生物滤池、生物转盘，而只低于生物流化 床，但它不存在生物流化床运行时能耗高、操作较为复杂的缺点，并由于它的流速相对低， 更容易使微生物在填料表面附着生长。 表2 i 好氧生物膜法比表面积f 9 1 处理工艺比表面积m 2 m 3 生物滤池 生物转盘 接触氧化法 生物流化床 4 0 1 2 0 1 2 肌1 8 0 1 3 1 6 0 0 3 0 0 0 - - 5 0 0 0 2 ) 污泥浓度高，系统耐冲击负荷能力强。在一般情况下，生物接触氧化法的容积负荷 为3 1 0 k g b o d 5 m 3 d ，是普通活性污泥法的3 5 倍，c o d 去除率为传统生物法的2 3 倍。 3 ) 污泥产量少，在操作过程中一股不会产生污泥膨胀，不需采用污泥回流装置。 8 第二章技术原理与研究进展 4 ) 氧利用率高，动力消耗低。生物接触氧化法对氧的利用率比活性污泥法高3 8 倍，动 力消耗比活性污泥法减少约3 0 【1 2 l 。 5 ) 操作简单，维护方便，可间歇运行，运行费用低，综合能耗低。 2 2 人工湿地 2 _ 2 1 人工湿地的由来与发展 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是指依据土地处理系统及水生植物处理污水的原理，由 人工建立的具有湿地性质的污水处理生态系统。人工湿地由五部分组成：水，基质，植物， 水生动物及其微生物群落。 根据水流性质及基质的不同，可将人工湿地分为三种类型：自由表面流湿地( s u r f a c e f l o ww e t l a n d s ，s f w ) ，地下潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ，s w ) 及立式流湿地( v e r t i c a l f l o ww e t l a n d s ，v f 、) 。s f w 型湿地类似于自然湿地，水在床体表面流动，由于这种湿地不 能充分利用植物根系的作用，而且发出难闻气味和易滋生蚊虫，传播疾病，但造价在三种湿 地中最便宜，且在除p 方面有其独特的作用，在北美应用较多，但我国及其它国家大都不采 用。s w 型湿地是在床体中充填一些填料( 如砾石，煤渣等) ，水在填料中流动，不直接暴露 于空气中，它不仅充分利用了植物根系和微生物的作用使得处理效果好，而且由于水不直接 暴露于空气中，卫生条件较好，目前在我国和欧洲应用较多。v f w 型湿地综合了上述两种 湿地的特点，出水效果是最好的，但造价太高，水在床体表面流动易滋生蚊虫，除欧美有少 数投入使用外，目前我国还处于实验阶段，实际应用不多“。 随着工矿企业的发展和人口的剧增，工业废水和生活污水严重污染了水体和土地资源， 并加速了己经存在的水危机，废水处理是全球所面临的重要问题。随着人们对高等水生植物 废水处理效能的认识，自然或人工湿地在近三十年来迅速发展成为新型的污水处理技术。 人工湿地系统于7 0 年代最早在德国出现，8 0 年代在欧美发达国家得到推广应用，现今北 美有6 5 0 座湿地用于污水处理。欧洲有5 0 0 0 多座潜流人工湿地运行。8 0 年代末和9 0 年代初， 在美国和英国相继召开了人工湿地研讨会，提出了人工湿地的有关机理和一些可供参考的设 计规范和数据。标志着人工湿地系统作为一种独具特色的污水处理技术方式进入环境科学领 域。 我国的人工湿地研究开始于“七五”和“八五”期间。如天津市环保所在1 9 8 7 年建成了我国 第一个占地6 脚2 、处理规模为1 4 0 0 m 3 d 的芦苇湿地工程；北京市环保所在北京昌平县建成 了处理规模为5 0 0 m 2 的芦苇湿地处理系统示范工程；华南环科所1 9 9 0 年在深圳建立了白泥坑 人工湿地示范工程，占地1 2 6 h m 2 ，处理规模为3 1 0 0 m 3 d 。中国环境科学研究所刘文祥在 1 9 9 4 - - 1 9 9 6 年采用由漂浮植物、沉水植物、挺水植物及草滤带组成的人工湿地对控制农田污 染进行了研究，占地面积1 2 5 7n 1 2 ，利用低洼弃耕地改造而成，设计停留时间l 一5 d 。山东胶 南市在建一日处理6 万吨人工湿地系统，占地1 0 0 0 亩，工艺为：格栅一沉砂池调节池一人 工湿地一排海。1 9 9 7 年底除沉砂调节池外，都己建成，此系统利用海边盐碱地，投资三千万 元【”i 。 人工湿地的应用范围很广，如生活污水处理、矿区重金属污水处理、农业污水处理、城 市暴雨处理，出水一般都优于常规二级处理效果 1 4 1 。人工湿地可作高级处理，如进一步净 化常规污水处理厂的出水，以补充淡水资源以及用于大面积富营养化的湖泊水处理和用于 自然资源的保护。目前人工湿地主要用来处理城市生活污水，去除污水中富营养化，降低 c o d 。 9 东南大学硕士学位论文 2 2 2 人工湿地的净化机理 人工基质、水生植物和微生物是人工湿地的主要组成部分。人工基质为微生物的生长提 供稳定的依附表面，为水生植物提供载体和营养物质，并通过一些物理和化学途径净化污水； 水生植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外，还有输送氧 气到根区和维持水力传输的作用；微生物的代谢作用是污水中有机污染物降解的主要机制。 同时他们相互联系，互为因果，形成一个系统。污水可以在人工基质缝隙中流动或在床体的 表面流动，并在床的表面种植具有污水的表面流动，并在床的表面种植具有污水处理机能好、 成活率高、抗水性能强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物。当废水流经时，固 体物被人工基质及植物根系阻拦截留，有机质通过生物膜的吸附，同化及异化作用而得以去 除。因湿地植物根系对氧的传递释放，湿地床层及其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧 和厌氧状态，有利于硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用，达到除氮磷的效果， 最后通过湿地基质的定期更换或植物收割使污染物质最终从系统中去除。一般地污水中不溶 性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用；污水中可溶性有 机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解去除。 1 ) 人工基质目前广泛应用的人工湿地主要以沙粒、沙土、土壤、石块为基质，这些基 质一方面为微生物的生长提供稳定依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质。当 污水流经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学的途径( 如吸收、吸附、过滤、离子交换、 络合反应等) 来净化去除污水中的n 、p 等营养物质 1 5 j 。研究发现加入人工湿地系统中的磷 7 0 8 0 通过沉淀或吸附作用存留在土壤中，留存于植物体和调落叶中的很少，基质对无 机磷的去除作用因填料不同两存在差异，若壤中含有较多的铁、铝氧化物，有利于生成溶 解度很低的磷酸铁或磷酸铝，使土壤固磷作用大大增加：若以砾石为填料的湿地，砾石中的 钙可以生成不溶性磷酸钙而在废水中沉淀。花岗石和粘性土壤为主要介质的人工湿地对污水 中磷的去除率达9 0 以上