（环境工程专业论文）土地处理技术净化分散型生活污水及新型填料对磷吸附研究.pdf

山东农业大学硕士学位论文 中文摘要 近年来，随着国民经济的快速发展和对环境质量要求的不断提高，在城市污 水和工业废水逐步得到处理解决的现在，农村和小城镇污水污染及控制问题日益 迫切。由于我国经济欠发达村镇无法效仿城市铺设污水管网将生活污水进行收集 处理，因此，采用生态工程技术对生活污水进行净化处理，去除其中部分营养盐， 对减少村镇周围水体污染负荷，改善水环境，保障居民用水安全有重大意义。本 文针对我国江淮地区经济欠发达村镇生活污水处理问题，通过构建生活污水化粪 池土地处理系统组合技术，对生活污水进行处理，研究对生活污水中营养盐的 去除效果；针对生活污水可溶解性磷酸盐( s r p ) 含量高的水质特征，重点研究 土地处理系统对磷的净化效果及表层土壤中磷的赋存形态及迁移转化过程：同 时，进行生态型填料稻壳活性炭对磷的吸附研究，解决传统填料易饱和的问题， 主要研究内容和取得的成果如下： ( 1 ) 两个土地处理系统运行期间理化指标方面，平均温度为2 6 1 ，p h 为 7 2 9 ，d o 为1 3 8m g l ，o r p 为5 1 4m v ，s s 为1 1 8m g l 。在c o d 和t n 指标 方面，人工湿地和亚表层渗滤系统对c o d 有较高的去除率，分别达8 2 9 和 6 4 o ，t n 的去除率分别为3 4 1 和2 8 9 。人工湿地和亚表层渗滤系统对生活 污水中的总磷均有较好去除效果，去除率分别达6 1 6 和4 8 2 ，总磷中p p 含 量很少，大部分组分为s r p ，易被植物吸收利用。 ( 2 ) 试验期间土地处理系统表层土壤全磷( t p ) 含量有所增加，平均含量 介于1 4 9 2 1 5 9 4m g k g 之间。在磷赋存形态方面，c a - p 占t p 含量百分比最高 ( 3 3 1 ) ，然后依次为e x p ( 2 6 1 ) 、o r g p ( 1 9 6 ) 、f e p ( 1 4 2 ) 、o c - p ( 7 ) ；从磷活性角度考虑，活性磷( e x p 与f e p 之和) 占t p 含量的百分比 较大，由运行前的3 8 0 增至4 0 3 ，可能是由惰性磷( o c p 、c a - p 和o r g p ) 转化而来，微生物矿化o r g - p 速率大于o r g p 累积速率。相关性分析表明：除 c a - p 外，其他形态的磷含量变化均与土壤p h 无关，o r g p 与e x p 、c a - p 和f e p 之间均存在响应关系。 ( 3 ) 利用农业废弃物稻壳经炭化、活化、酸洗、水洗、干燥等工艺制备出 土地处理技术净化分散型生活污水及新型填料对磷吸附研究 一种富含微孔和中孔结构的稻壳活性炭，b e t 比表面积达8 8 6 3r n 2 g 。通过正交 试验优化稻壳活性炭吸附磷试验条件，并在该条件下进行了等温吸附和吸附动力 学试验研究。结果表明，稻壳活性炭吸附磷等温曲线能较好符合l a n g m u i r 模型 和f r e u n d l i c h 模型，相关系数r 2 0 9 2 ，由l a n g m u i r 线性拟合方程可得稻壳活 性炭对磷饱和吸附量达6 9 3m g g ：稻壳活性炭对磷吸附过程可以用准二级动力 学方程描述，相关系数r 2 = o 9 9 6 8 ；吸附过程以较快的速度进行，颗粒内扩散阶 段为该吸附过程速率控制阶段。稻壳活性炭作为一种易得、廉价、高效的基质填 料，在农村分散型生活污水生态处理技术中，具有良好的应用前景。 关键词：分散型生活污水；土地处理系统；磷形态；稻壳活性炭 2 u s i n gl a n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g y t op u r i f yt h ed e c e n t r a l i z e d s e w a g ea n d t h ea d s o r p t i o nt op h o s p h o r u so fn e w f i l l e r l in a n d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gy u - j u na n dp r o f e s s o rs h a nb a o - q i n g ( c o l i e g eo fr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t ，s h a n d o n g a g r i c u l t u r eu n i v e r i s 劬t a i a n c h i n a ，2 7 1 0 1 8 ) a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n tr e c e n ty e a r s ，t h eg r o w i n gr e q u i r e m e n t so f t l l ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t y , t h eu r b a ns e w a g ea n di n d u s t r i a l w a s t ew a t e rh a sb e e n 黟础“1 ys o l v i n gn o w , w h i l e r u r a la n ds m a l lt o w n ss e w a g ep o l l u t i o np r o b l e mb e c o 眦 m o r ei m p e r a t i v e b e c a u s eo fo u rc o u n t r ye c o n o m yd e v e l o p s ，t h et o w n sc a n t l a i d s e w a g ep i p en e t w o r ka n dc o l l e c ts e w a g et r e a t m e n t l i k ec i t y , t h e r e f o r e ，u s i n gt h e e c o l o g i c a le n g i n e e r i n gt e c h n i q u et os e w a g ep u r i f y i n g a n dg e tr i do ft h en u t r i e n t ， w l l i c hc 觚r e d 【u c ew a t e rp o l l u t i o na r o u n dt o w n s ，i m p r o v i n gw a t e re n v i r o n m e n ta n d e n s 嘶n gw a t e rs a f e t yw i t hg r e a ts i g n i f i c a n c e b a s e dl e s sd e v e l o p e dt o w n ss e w a g e 仃e a 恤e n tp r o b l e mi ny a n g t z e h u a i h er e g i o n , s t u d yo ns e w a g er e m o v a le f f i c i e n c yo f n u t r i e n tb yb u i l d i n gt h es e w a g es e p t i c t a n k l a n dt r e a t m e n ts y s t e mc o m b l n a t l o n t e c b a f i q u e f o c u so nl a n dt r e a t m e n ts y s t e mo f p h o s p h o r u sp u r i f y i n ge f f e c ta n d s u r f a c e s o i lp h o s p h o r u sc o m b i n e df o r m sa n dm i g r a t i o nt r a n s f o r m a t i o np r o c e s s s t u d yo nl a n d 仃e a 锄e n ts y s t e mo fp h o s p h o r u sp u r i f y i n g e f f e c ta n ds u r f a c es o i lp h o s p h o r u s c o m b i n e df o n n sa n dm i g r a t i o nt r a n s f o r m a t i o np r o c e s s ，b a s e do ns e w a g eh i g hl e v e l s o ft h ew a t e rq u a l i t ys r pc h a r a c t e r i s t i c s a tt h e s a n l et i m e ，s t u d yo nf l e eh u s k a c t i v a l c e dc a r b o ne c o a g r i c u l t u r a lo fp h o s p h o r u sa d s o r p t i o n , s o l v et h ep r o b l e mo f t r a d i f i o n a lp a c k i n ge a s ys a t u r a t e d ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d a c h i e v e m e n t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a li n d e x e so ft h et w ol a n dt r e a t m e n ts y s t e md u r i n g 土地处理技术净化分散型生活污水及新型填料对磷吸附研究 o p e r a t i o n , t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ew a s2 6 1 ，p hw a s7 2 9 ，d ow a s1 3 8m g l ， o r pw a s51 4m va n ds sw a s118m g l i n d e xo fc o da n dt n ，t h ea r t i f i c i a lw e t l a n d a n dt h es u r f a c ef i l t r a t i o ns y s t e mh a dh i g h e rc o dr e m o v a lr a t eo f8 2 9 a n d6 4 r e s p e c t i v e l y , t h er e m o v a lr a t eo ft nw a s3 4 1 a n d2 8 9 r e s p e c t i v e l y , b o t ho ft h e t o ws y s t e m sh a dg o o dr e m o v a le f f i c i e n c yo nt o t a lp h o s p h o r u so fs e w a g e ，t h er e m o v a l r a t ew a s61 6 a n d4 8 2 r e s p e c t i v e l y , a n dt h ep e r c e n t a g eo fp pi nt o t a lp h o s p h o r u s c o n t e n tw a sl o w , m o s tg r o u po ft pw a ss r p , w h i c he a s i l yt ob ea b s o r b e db yt h ep l a n t u t i l i z a t i o n ( 2 ) s p a t i a la n dv e r t i c a lv a r i a t i o no ft o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) c o n c e n t r a t i o nw a s b e t w e e n14 9 2 15 9 4m g & g t h ec o n s i d e r a t i o no fp h o s p h o r u sf o r m s ，t h em a i nf o r m s o f p h o s p h o r u so f s u r f a c es o i lw a sc a p ，w h i c ha c c o u n t e df o r3 3 1 o f t p , f o l l o w e di n o r d e rb ye x 只o r g - p ，f e pa n do c p ，w h i c ha c c o u n t e d2 6 1 ，19 6 ，14 2 a n d7 o ft pr e s p e c t i v e l y t h ec o n s i d e r a t i o no fb i o - a v a i l a b l ep h o s p h o r u s ( t h es u mo fe x p a n df e p ) ，w h i c ha c c o u n t e dl a r g e rp e r c e n t a g eo ft p , i n c r e a s e df r o m3 8 o t o 4 0 3 i n e r tp h o s p h o r u s ( o c p ，c a - pa n do r g p ) m a yb ec o n v e r t e dt ob i o a v a i l a b l e p h o s p h o r u s m i n e r a l i z a t i o no fo r g pr a t ew a sg r e a t e rt h a nt h ec u m u l a t i v er a t eb y m i c r o b i a l t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tc o n c e n t r a t i o no fd i f f e r e n tf o r m s p h o s p h o r u sa n dp hi si r r e l e v a n te x c e p tc a - p o r g ph a dr e s p o n s er e l a t i o nb e t w e e n t h r e eo t h e rf o r m so fp h o s p h o r u s ( e x - p ，c a - pa n df e p ) ( 3 ) r i c eh u s ka c t i v a t e dc a r b o n 砸t hr i c hm i c r o p o r o u s ，m e s o p o r o u sw a sm a d e f r o ma g r i c u l t u r a lw a s t er i c eh u s kb yc a r b o n i z a t i o n ，a c t i v a t i o n ，p i c k l i n g ，w a s h i n g ， d r y i n gp r o c e s s b e ts p e c i f i cs u r f a c e a r e ar e a c h e d8 8 6 3 m z g t h ea d s o r p t i o n p h o s p h o r u sc o n d i t i o n so fr i c eh u s ka c t i v a t e dc a r b o nw e r eo p t i m i z e db yo r t h o g o n a i t e s t ，a n di s o t h e r m a la d s o r p t i o n , a d s o r p t i o nk i n e t i c sw e r ei n v e s t i g a t i v es i m u l t a n e o u s l y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea d s o r p t i o ni s o t h e r mo fp h o s p h o r u sb e t t e rm e tt h e l a n g m u i rm o d e la n df r e u n d l i c hm o d e l ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tr 0 9 2 ；r i c e h u s ka c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o nc a p a c i t yf o rp h o s p h o r u sr e a c h e d6 9 3m g g ，b yt h e l a n g m u i rl i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o n ；r i c eh u s ka c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o np r o c e s s 4 f o rp h o s p h o r u sc a nb ed e s c r i b e dw i t hap s e u d os e c o n d o r d e rk i n e t i ce q u a t i o n ，t h e c o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n tr 2 = 0 9 9 6 8 a d s o r p t i o np r o c e s s a taf a s t e r p a c e ，t h e p r o l i f e r a t i o np h a s eo f t h ep a r t i c l ea d s o r p t i o nr a t ec o n t r o ls t a g e r i c eh u s ka c t i v a t e d c a r b o nh a sg o o dp r o s p e c t sa sar e a d i l ya v a i l a b l e ，i n e x p e n s i v e ，a n d e f f i c i e n tm a t r i x f i l l i n g ，i nr u r a ld e c e n t r a l i z e ds e w a g ee c o l o g i c a l t r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s k e 州o r d s ：d e c e n t r a l i z e ds e w a g e ，l a n dt r e a t m e n ts y s t e m ，p h o s p h o r u sf o 珊s r i c eh u s ka e t i v a t e dc a r b o n 山东农业大学硕士学位论文 英文缩略表 缩写英文 中文说明 b o d c o d d 0 d t p n h 4 + - n n 0 3 。- n o r p s r p s s t n b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d 生化需氧量 c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d d i s s o l v e do x y g e n d i s s o l v a b i l i t y t 0 t a lp h o s p h o r u s a m m o n i an i t r o g e n n i t r a t en i t r o g e n o x i d a t i o n r e d u c t i o np o t e n t i a l s o l u b l er e a c t i v ep h o s p h a t e s u s p e n d e ds o l i d t o t a ln i t r o g e n t p t o t a lp h o s p h o i u s 化学需氧量 溶解氧 溶解性总磷 铵态氮 硝酸盐氮 氧化还原电位 溶解性正磷酸盐 悬浮物 总氮 总磷 吣7m 6 9叭6m m m 帅_ - 呲叭2y 土地处理技术净化分散型生活污水及新型填料对磷吸附研究 - j 山- l 刖吾 1 1 研究意义与目标 1 1 1 研究意义 水是生命之源，是人类最宝贵的资源。由于受我国经济高速发展、人口数量 急剧增加、工农业生产规模不断扩大等诸多因素的影响，我国水资源短缺和水环 境恶化问题日益突出。根据2 0 0 3 年世界水资源开发报告对全世界l8 0 多个 国家和地区水资源状况排名，我国以人均每年拥有近2 2 6 0m 3 用水量仅排在1 2 8 位。此外，我国不仅水资源短缺，水环境破坏现象也十分普遍，“三河和“三 湖 ( 淮河、海河、辽河、太湖、巢湖、滇池) 流域水环境质量急剧下降( 金相 灿，2 0 0 3 ；马经安，2 0 0 2 ) 。随着国民经济的快速发展和对环境质量要求的不断 提高，在城市污水和工业废水逐步得到处理解决的现在，农村和小城镇污水污染 及控制问题日益迫切。目前，我国村镇污水处理率非常低( 嵇欣，2 0 1 0 ) ，许多 村镇污水未经任何处理而直接排放，易造成周围环境污染，同时也是潜在传染病 源。另一方面，村镇排放的污水也是水体污染和富营养化的重要污染源( 郭永龙， 2 0 0 4 ) 。 村镇分散型生活污水具有分散、排放无规律、日变化系数大等特点( 张刚， 2 0 1 0 ) ，传统的生物处理技术显然难发挥其作用，而生态处理技术以其投资少、 能耗低、处理效果好和管理维护方便等特点( 卢建，2 0 1 0 ；r a m o s ，2 0 0 7 ；d a r w i s h ， 2 0 0 7 ：t z a n a k a k i s ，2 0 0 9 ) ，在村镇分散型生活污水处理领域，具有良好的应用前 景。 磷是导致水体富营养化的最主要元素之一( s c h i n d l e r ，1 9 7 7 ) ，也是较难被 工程技术净化去除的污染物。磷在生态工程技术中的去除机理目前还尚不明确， 普遍认为，生活污水中的磷的去除是通过基质的吸附、络合和沉淀作用，植物的 积累与吸收作用以及微生物的生物化学作用共同完成的( r a m o $ ，2 0 0 7 ； t z a n a k a k i s ，2 0 0 9 ) 。 鉴于江淮地区经济欠发达村镇无法效仿城市铺设污水管网将生活污水进行 收集处理，因此，采用生态工程技术对生活污水进行净化处理，去除其中部分营 养盐，对减少村镇周围水体污染负荷，改善水环境，保障居民用水安全有重大意 6 山东农业大学硕士学位论文 义。 1 1 2 研究目标 论文针对我国江淮地区经济欠发达村镇生活污水处理问题，展开适宜生态工 程技术的研究。通过构建生活污水化粪池土地处理系统组合技术，对生活污水 进行处理，从而改善村镇周围水环境以及保障居民用水安全；针对生活污水可溶 解性磷酸盐( s r p ) 含量高的水质特征，重点研究土地处理系统对磷的净化效果 及表层土壤中磷的赋存形态及迁移转化过程；同时，进行生态型填料稻壳活性炭 对磷的吸附研究，解决传统填料易饱和的问题：综合上述研究成果，最终形成江 淮地区村镇生活污水处理工程示范。 1 2 文献综述 1 2 1 我国水环境现状 近年来，随着我国经济快速发展，农业、工业和第三产业用水量大幅增加造 成水资源紧张，此外，我国废水排放量呈逐年上升趋势，水环境污染现象十分普 遍，根据我国2 0 1 0 年环境状况公报，整体而言，全国地表水污染依然较重。七 大水系总体为轻度污染，浙闽区河流和西南诸河水质良好，西北诸河水质为优， 湖泊( 水库) 富营养化问题突出。 1 ) 河流方面 长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系总体为轻度污染。 2 0 4 条河流4 0 9 个地表水国控监测断面中，i 类、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 。主要污染指标为高锰酸盐指数、五日 生化需氧量和氨氮。其中，长江、珠江水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄 河、辽河为中度污染，海河为重度污染。 2 ) 湖泊和水库方面 2 6 个国控重点湖泊( 水库) 中，满足i i 类水质的1 个，占3 8 ；类的5 个，占1 9 2 ；i v 类的4 个，占1 5 4 ；v 类的6 个，占2 3 1 ；劣v 类的1 0 个，占3 8 5 。主要污染指标是总氮和总磷。大型水库水质好于大型淡水湖泊和 城市内湖。2 6 个国控重点湖泊( 水库) 中，营养状态为重度富营养的1 个，占 7 土地处理技术净化分散型生活污水及新型填料对磷吸附研究 3 8 ；中度富营养的2 个，占7 7 ；轻度富营养的1 1 个，占4 2 3 ；其他均为 中营养，占4 6 2 。 3 ) 废水和主要污染物排放量方面 2 0 1 0 年，全国废水排放总量为6 1 7 3 亿吨，比上年增加4 7 ；化学需氧量 排放量为1 2 3 8 1 万吨，比上年下降3 1 ；氨氮排放量为1 2 0 3 万吨，比上年下 降1 9 ，废水和主要污染物排放量年际变化详见表1 1 ( 中国环境公报，2 0 1 0 ) 。 表1 1 全国废水和主要污染物排放量年际变化 t a b l e1 - lt h ea m o u n to f i n t e r - a n n u a lc h a n g e so f n a t i o n a lw a s t ew a t e ra n dd i s c h a r g eo f m a j o rp o l l u t a n t s 中国国家环保总局对太湖、巢湖、滇池以及三峡库区等流域的调查发现，工 业废水等点源对总氮、总磷的贡献率仅为1 0 1 6 ，而生活污水和农田的氮、 磷肥料的流失则是水体富营养化的主要因素，其中村镇面源和农业面源占我国太 湖主要污染物氨氮排放总量的7 7 ，占总磷排放总量的6 6 ( 国家环境保护总 局，2 0 0 0 ) 。据估计，我国约有5 0 的面源污染来自村镇生活污水的排放( 柴世 伟，2 0 0 6 ) 。 1 2 2 分散型生活污水概述 城市发展过程中，完善的给排水管网建设十分必要。但目前我国各城市发展 过程中，部分城市尚不能建设完善的排水机制，部分地区无任何排水设施。因此， 将城市管网收集不到或是处理不经济的生活污水称为分散型生活污水( 钱文敏， 2 0 0 5 ) 。 分散型生活污水有4 种水质特征( 郭永龙，2 0 0 4 ) ： 1 ) 种类繁多，分布范围不确定 8 山东农业大学硕士学位论文 除了不能纳入城市污水系统的居民区旅游风景点、度假村、疗养院、机场、 铁路车站、经济开发小区等分散的人群聚居地排放的污水和独立工矿区的工业废 水之外，还包括单独经营的商品、餐馆等。由于各污染源产生原因不同，产生地 点不一，于是构成了一个无序的污染体系。 2 ) 给水和排水系统同源 很多地区不但没有建设完善的排水系统，甚至没有一套标准完善的给水、配 水系统。因此，大部分建设于水体周边的村落甚至取水和排水均利用同一水体， 直接影响了水体水质及取水水源的水质保障。 3 ) 水质和水量的变化范围的不确定性 分散生活污水具有其自身的特殊性，排水量方面被许多不确定性影响。例如： 由于受人们作息时间、节假日等生活方式的影响和制约，有些旅游区污染源的排 水量在不同的时间段，因客流量的不同而不同。水质方面主要根据其污染源性质 所影响，例如餐饮废水排放浓度普遍比小区污水要高。 4 ) 可生化性好 该类污水的可生化性较好，其b o d 与c o d 比值一般在0 3 o 7 之间，具有 较好的可生化性，可以适用或采用各类生物化学和生态方法进行处理。 综上所述，由于分散型生活污水具有上述特点，故无法对其进行分离收集。 因此，处理混合程度较高，成分变化较为复杂，此类污水的处理具有较大难度。 1 2 3 村镇生活污水特征 村镇生活污水是指在居民在日常生活活动中产生的废水，主要是生活废料和 人的排泄物，其中包括厨房洗涤、淋浴、洗衣等的废水以及冲洗厕所等的污水。 厨房污水是指在洗菜、烧饭、刷锅和洗碗等过程中排放的污水。一般认为厨 房污水中油和有机物含量较高。 洗浴污水是指在洗澡、洗衣和洗涤等过程中排放的污水。洗浴污水含有洗涤 剂。 厕所污水即冲厕污水，包括粪便和尿液，除含有高浓度的有机物、氮和磷外， 还可能含有致病微生物和残余药物，给人体健康带来一定的风险。 由于村镇人口密度低、居住分散、日常活动独立，因此生活污水具有水量小、 土地处理技术净化分散型生活污水及新型填料对磷吸附研究 分散、排放无规律、水质水量变化系数大等特点。 1 2 4 村镇生活污水处理技术 村镇污水处理技术按原理可以分为物化处理技术、生物处理技术和土地处理 技术( 刘俊新，2 0 1 0 ) 。 1 ) 物化处理技术 物化处理技术包括物理处理技术和化学处理技术。物理处理技术是指利用物 理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物；化学处理技术是指利用化学反应的 作用处理污水中各种形态的污染物。物化处理技术的特点是处理效果好、运行稳 定、受温度等外界环境影响小等。适合村镇污水处理的物化技术有沉淀、过滤、 混凝、吸附和消毒技术等。 2 ) 生物处理技术 生物处理技术是利用微生物的代谢作用，使污水中呈溶解态或胶体态的有机 污染物转化为稳定的无害物质。生物处理技术的特点是维护成本低、操作简便、 应用范围广等。适合村镇污水处理的生物技术有化粪池、沼气池、氧化沟、生物 接触氧化池、生物滤池等。 3 ) 土地处理技术 土地处理技术是指利用土壤等介质过滤、植物吸收和微生物分解的原理，去 除污水中有机物、氮和磷等营养物质。土地处理系统的特点是投资省、维护成本 低、能耗少、美化环境等。适合村镇污水处理的生态技术有生态滤池、人工湿地、 稳定塘、亚表层渗滤等。 1 2 4 1 人工湿地 人工湿地是一种通过人工设计、改造而成的半生态型污水土地处理系统，主 要由土壤基质、水生植物和微生物三部分组成。 1 ) 人工湿地的优点 投资费用省，运行费用低，维护管理简便，水生植物可以美化环境，调节气 候，增加生物多样性。 2 ) 人工湿地的不足 1 0 山东农业大学硕上学位论文 污染负荷低，占地面积大，设计不当容易堵塞，处理效果受季节影响，随着 运行时间延长除磷能力逐渐下降。 3 ) 人工湿地的适用范围 适用于资金短缺、土地面积相对丰富的村镇地区，不仅可以治理村镇水污染、 保护水环境，而且可以美化环境，节约水资源。 人工湿地按水流特征，可分为表面流人工湿地( 图1 1 ) 、潜流人工湿地( 图 1 2 ) 、垂直流人工湿地( 图1 3 ) 。表流人工湿地建造费用较省，但占地面积大于 潜流和垂直流人工湿地，且冬季表面易结冰，夏季易繁殖蚊虫，并有臭味。 图l - l 表流人工湿地示意图 f i gl - is c h e m a t i co f s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d 图1 2 潜流人工湿地示意图 f i g1 - 2s c h e m a t i co fs u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d s 土地处理技术净化分散型生活污水及新型填料对磷吸附研究 水 图1 3 垂直流人工湿地水意图 f i g1 - 3s c h e m a t i co fv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d 1 2 4 2 亚表层渗滤 亚表层渗滤净化技术( 图1 - 4 ) 作为新型的污水土地处理系统，不仅可以很 好的处理污水，而且因为系统在地下运行，所以能维护景观效应，而且能很好地 防止污水臭味的散发，还克服了冬季气温的影响。另外该系统还具有投资低( 主 要是电费) 、管理方便( 日常开关水泵) 等特点。 该技术主要通过亚表层土壤的渗滤净化作用，为了提高其促渗能力，及更进 一步提高污染物的去除率，促渗系统常常以填埋滤料( 通常有卵石、钢渣、碎石 等) 来代替土壤，是土地渗滤系统的改进。该系统通常由前处理结构、导流管网、 分流面组成。水流首先经过一个前处理结构( 前处理结构可以是化粪池、沉砂池、 蓄水池、油砂分离器等) ，由管网系统进入分流促渗区。导流管网由多孔管组成， 将径流均匀分布流入促渗区，然后通过沙层和土工布渗入土壤。比较适合气候湿 润区域，风沙较大的地区且地下水层单一且近地表的区域，不适合应用此项技术。 还有其它限制因素：维护要求高；设计严格、需要开挖土方、填料和预处理系统； 维护不好，寿命较短；黏土地区不适合；地下水开采区不适合；排水不及时易降 低土壤功能。潜在的负效应是污染地下水。但是通过适当的改造设计，地下水污 染的风险可以降至最低，甚至没有污染。 1 2 山东农业大学硕士学位论文 出水 图1 4 亚表层渗滤基质材料组成剖面图 f i g1 - 4p r o f i l e so fs u b s u r f a c ei e a c h a t em a t r i xm a t e r i a lc o m p o s i t i o n 1 2 5 村镇生活污水中污染物去除机理 污水土地处理是污水资源化的重要途径，即在人工控制下将污水适配到土地 上，利用土壤一植物一微生物陆地生态系统的自我调控机制和对污染物的综合净 化功能处理城市生活污水及某些工业废水，使水质得到不同程度改善，实现废水 资源化与无害化的常年性生态系统工程( 冀瑞锋，2 0 1 0 ) 。土地处理作为生态学 处理方法，是一种以土壤及生存其中的生物为作用主体的净化污水的方法。污水 进入土壤后，部分水分被蒸发，余下的水分不断扩散，下渗。土壤颗粒间的孔隙 具有截留、滤除水中悬浮颗粒的性能。污水中部分重金属离子在土壤胶体表面， 因阳离子交换作用而被置换吸附并生成难溶性物质，金属离子还可与土壤中胶体 颗粒鳌合而生成复合物。重金属离子与土壤某些组分进行化学反应生成难溶性化 合物而沉积于土壤中。污水中的有机物被土粒所吸附而截留。由于土壤是自然界 中微生物理想的栖息地，如1 克肥沃的菜园土中微生物总数可以超过目前全世界 人口的总和，土粒上的有机物迅速被微生物所氧化、分解，转化成二氧化碳及无 机盐类，并不断被植物作为营养而吸收。土地处理法实际上是一种利用土壤及生 存于该环境中的植物、动物、尤其是微生物的相互依赖共同作用的生态学方法， 以同时实现对污水中污染物“处理”与“利用”的两大个功能，达到污水的充分 净化以及水、肥资源的循环再生和有效利用。近年来，土地处理系统作为污水处 理工艺的二级处理或深度处理的代用技术得到迅速发展。 1 3 土地处理技术净化分散型生活污水及新型填料对磷吸附研究 在慢渗、快渗和地下渗滤系统中，s s 的去除机理主要是污水通过土壤孔隙 时的过滤和吸附作用，而地表漫流和湿地则主要靠沉淀作用和植物、生物的截留 ( 马世骏，1 9 8 6 ) 。b o d 的去除机理包括过滤、吸附和生物氧化作用，在运行良 好的土地处理系统中，好氧生物通常占优势，同时也存在能够去除较难降解有机 物和反硝化脱氮的厌氧区( k a d l e c ，2 0 0 5 ) 。硝化反硝化脱氮作用、氮素挥发和 作物吸收是土壤一植物系统中氮的主要去除途径( h u e t t ，2 0 0 5 ) 。污水中病原体 的去除和灭活，是通过吸附作用、干燥作用、过滤作用、生物性吞噬及其他不利 于病原体生存的条件完成。另外紫外线也能够杀灭大部分暴露在土壤表面的病原 体。污水中金属成分在土壤中的去除包括吸附、沉淀、离子交换等作用。研究结 果表明( t a n n e r ，2 0 0 1 ) ，金属进入土壤一植物系统后绝大部分存在于土壤中， 而被植物吸收的量占极少部分。因此，土壤对重金属的环境同化容量以及土地处 理系统的金属污染负荷是必须考虑的两个问题。近年来，痕量有机物在环境中的 归宿问题及其对人体健康的影响开始受到注意。美国环保署提出的优先监测污染 物中，有机物占了8 8 ，我国也十分重视有机污染物对土壤一植物系统的影响。 磷的去除机理：磷按其化学组成可分为有机磷和无机磷。一般认为，只有以 磷酸盐形态存在的溶解态无机磷才能被植物和微生物直接吸收，还有一部分无机 磷以焦磷酸盐、偏磷酸盐和多聚磷酸盐的形态存在，在一定情况下可转化为磷酸 盐。有机磷则包括磷脂、核酸、核蛋白等( v y m a z a l ，2 0 0 7 ) 。 土地处理系统中，不同的空间位置中溶解氧、水力条件、生物活性等情况大 不相同，使各种磷形态得以相互迁移转化，如磷酸盐被植物吸收转化成有机磷或 者被基质吸附；有机磷又随着有机体衰亡，分解释放成其他磷形态；基质吸附沉 淀的磷也会在厌氧等环境中重新释放。磷在土地处理系统中的迁移转化行为主要 有：基质吸附解吸、沉淀溶解、矿化、植物微生物吸收以及基质层沉积( v y m a z a l ， 2 0 0 7 ) 。 1 ) 基质吸附解吸与沉淀溶解 吸附作用指磷从水体迁移到基质上。基质对磷的吸附作用与其化学组成密切 相关，尤其是舢、f e 、c a 等元素，无定形态金属元素越多，基质的理论磷吸附 效果往往越大( r i c h a r d s o n ，1 9 8 5 ) 。基质对磷的实际吸附效果受到多因素的影响， 1 4 ， 山东农业大学硕上学位论文 如环境温度、p h 值、溶解氧、进水磷浓度等( o g u z ，2 0 0 3 ) 。 基质吸附也分为物理吸附和化学吸附。物理吸附指的是磷迁移在基质表面， 依靠分子力暂时附着在基质上。化学吸附则指基质表面的磷与基质中的无定形态 金属元素发生化学键交换或螯合等，从而成为基质组成的一部分。可以看出，物 理吸附的磷极不稳定，很容易重新进入水体，而化学吸附则较稳定，只有在特殊 环境下，发生化学键断裂或分解等情况，解吸才会发生。也有学者将这两种不同 的吸附现象定义为磷吸附的两个过程，即首先是物理吸附在基质表面，然后化学 吸附进入基质内部( d u n n e ，2 0 0 5 ) 。 沉淀作用同样与基质中的的f e 、灿、c a 、m g 等金属元素相关，与吸附不同 的是，磷与这些物质的结合是通过化学反应，生成沉淀物。一些在土地处理系统 除磷中常见的沉淀物有( r e d d y ，1 9 9 4 ) ：磷灰石c a s ( c 1 f ) ( p 0 4 ) 3 、羟基磷灰石 c a 5 ( o h ) ( p 0 4 ) 3 、磷铝石a i ( p 0 4 ) 2 i - t 2 0 、银星石a 1 3 ( p 0 4 ) 2 ( o h ) 3 5 h 2 0 、磷酸铁 f e ( p 0 4 ) 2 h 2 0 以及蓝铁矿f e 3 ( p 0 4 ) 2 8 h 2 0 等。 当基质表面已经吸附了较多的磷，而此时湿地水体磷含量较低时，磷便会从 基质迁移到水体中，解吸附便占主导。基质的解吸作用最常发生的原因是厌氧条 件下f e ( ) 和m n ( i v ) 的还原，导致这些金属吸附或沉淀的磷释放( p a t r i c k ， 1 9 7 3 ) 。需要注意的是，解吸附现象一直在发生，与吸附现象是同时的，吸附与 解吸附的平衡决定了水体与基质中磷的各自含量。 2 ) 微生物吸收 土地处理系统中的微生物种类众多，包括细菌、真菌、藻类以及一些原生动 物。由于微生物生长、繁衍速度快、周期短，对磷的吸收速度十分快，但总吸收 量不高。热带地区的土地处理系统系统由于微生物群落十分活跃，吸收作用大一 些。此外，贫营养化水域中微生物对磷的吸收作用也要高于富营养化水域 ( r i c h a r d s o n ，1 9 9 7 ) 。 微生物通过分解胞外酶，将有机磷和其他形态的磷分解成可吸收的磷酸盐， 对磷的形态转化意义重大。此外，微生物衰亡后沉积于基质层底部，一部分被上 层沉积物掩埋，从而从系统中去除。 3 ) 植物吸收 土地处理技术净化分散型生活污水及新型填料对磷吸附研究 植物通过根系从湿地土壤和水体中吸收磷，供给植物生长，并存储于植物体 中。因此，植物对磷的吸收作用具有明显的季节性。在春季和夏季中吸收效果最 强，而秋季植物生长缓慢，吸收效果明显下降。随着植物死亡，若不及时收割或 清除死亡的植物体，原先存储在植物体内的磷反而会经过生物分解重新回到土地 处理系统系统中。 4 ) 基质层沉积 在自然湿地系统中，由于缺乏人类对植物的收割管理，基质层沉积便成为了 唯一的磷去除途径，并最终形成泥炭层。r i c h a r d s o n 研究认为，自然湿地系统中， 9 5 以上的磷均储存在基质的沉积层中，另外不到5 的磷暂时存在于植物、土 壤和水体中。 湿地泥炭层的沉积形成速率非常慢，每年平均仅为1 2m m 。伴随着泥炭层 的形成，磷的沉积量因湿地水体的含磷量而相差甚远。在水体营养盐含量高的湿 地中，磷的年