（环境工程专业论文）地下渗滤系统改善园林景观水的研究.pdf

苏州科技学院硕士论文 摘要 摘要 地下渗滤系统是一种基于自然生态原理的污水净化技术，在我国有着良好的可 行性和发展前景。由于传统的地下渗滤系统具有水力负荷低、占地面积大、场地条 件要求严格和受气候条件影响等缺点，使其应用受到了限制。而本文介绍的地下渗 滤系统是一种人工强化的污水生态工程处理技术，将污水有控制地投配到一定构 造、距地面一定深度、良好扩散性的土层中，污水在土壤毛管浸润和渗滤作用下向周 围运动，在土壤微生物植物系统的综合净化功能作用下，达到处理利用要求的一 种土地处理系统。克服传统地下渗滤系统的缺点的同时，还具有建设费低，运行费 低、操作简单；净化效率高、处理出水水质好、可用于污水回用；不产生异味、不 影响地表景观、受外界影响小；综合效果很大程度上得到了提高。本文针对新型地 下渗滤系统的特点从理论和实践两个方面上对新型地下渗滤系统进行了实验研究， 具体进行以下几方面的工作：理论上，对涉及地下渗滤系统自吁一些作用机制进行了 系统地、详细地论述，增加了可行性几率。实践上，进行了前期实验。采用苏州科 技学院校内的河道水作为进入地下渗滤系统的污水( 相对苏州拙政园的园林景观水 污染要严重) 进行实验，从而筛选出最适合处理苏州拙政园的园林景观水的地下渗 滤系统，再次证明新型地下渗滤系统的可行性。对新型地下渗滤系统在苏州拙政园 的应用实验进行性能测试，从浊度、高锰酸盐指数、氮、磷等几个污染指标进行了 分析，结果表明，其性能的优越性。研究了地下渗滤系统在拙政园运行状况，分析 了运行效果，把这种新型的地下渗滤系统用在园林景观水质的改善上，是种新的尝 试，对地下渗滤系统的推广有着重要的意义。 关键词：地下渗滤；水体净化：园林景观水 ! ! 丝2 1 竺苎! 垡塑竺丝! 堕竺旦! 堡堡堕堕墼! 竺堡型旦塑! ! 望竺竺 a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo fn a t u 豫le c o l o g y , i ti saw a 翻嚣w a l e fp u r i f i e dm c h n o l o g y w h i c hi sf a v o r a b l ef e a s i b i l i t ya n dd e v e l o p m e n t a lf o r e g r o u n di nc h i n a a sar e s u l to f t h e t r a d i t i o n a ls u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e mh a ss o m ed e f e c t s ，s u c ha s ，h y d r a u l i cl o a d i n gi s l o w , u s i n gg r o u n d - a r e ai sl a r g e ，f i e l dc o n d i t i o ni ss t r i c t , c l i m a t ea f f e c ta n ds oo n , t h e a p p l i c a t i o no fs u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e mi sl i m i t e d 砌sp a p e ri n t r o d u c e ds u b s u r f a c e i n f i l t r a t i o ns y s t e mi saf a l s ei n t e n s i f i e dt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo nw a s t e w a t e re c o l o g i c a l 髓g i 玳蛐g ，w a s t c w a t c ra p p l i e dm a n i p u l a t v ei ns o f tw i t hs o m es t r u c t u r e ，s o m ed e p t h b e l o w g r o u n d , a n df a v o r a b l ed i f f u s i o n w a s t c w a t e rf l e wi n t or o u n du n d e rs o i ls o a k a g e c a p i l l a r ya n di n f i l t r a t i o n u n d e rs y n t h e s i z ep u r i f yb ys o i l - m i c r o o r g a n i s m - p l a n ts y s t e m , s u b s u r f a c ei n t i i l r a t i o ns y s t e mi sal a n dl n ：a t m e n ts y s t e mt h a tw a s t c w a t e ri st r e a t e dw i t h u s e dn e e d i tc o n q u e r e ds o m ed e f e c t so f t r a d i t i o n a ls u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e m a n di t p o s s e s s e ds o r e a d v a n t a g e , s u c ha s ，b u i l dc h a r g ei sl o w , 册c o s ti sl o w , q 蛾眦i ss i m p l e , p i j r i 母i sh i g h , d r a i n a g eq u a l i t yi sw e l l ，r e c y c l e 碰；i n g ，a n dn ob r i n gp e c u l i a rs m e l l ，n o a f f e c ts u l f a e ：es i g h t , e f f e c ti sl i t t l eb yo u t s i g h t , a n ds y n t h e s i se f f e c tg a i n e di m p r o v ei na b i gw a y 艋a tt h ec h a r a c t e r i s t i co f n e ws u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e m , i ti si n v e s t i g a t e d b yt e s ti nt h e o r ya n d i np r a c t i c e m a i nr e s e a r c hw o r kh a sb e e nl i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h e o r y , s 呲a c t i o nm e c h a n i s mh a sb e e nd i s c u s s e dd e t a i l e dr e f e rt o s u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e m , s ot h a ti tc o u l di 1 1 a 愀i t sf e a s i b i l i t yp r o b a b i l i t y ( 2 ) i np r a n c e , p r o p h a s ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u tw i t hw a s t c w a t c ro f r i v e r w a yi ns u z h o uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c o n s e q u e n t l y , i tf i l w a 把 o p t i m u ms u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e mi tc o u l dd e a lw i t hg a r d e nw a t e ri nt h eh u m b l e a d m i n i s t r a t o r sg 孤d mt h i sp r o v e dn e ws u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e mi sf e a s i b i l i t y ( 3 ) p e r f o r m a n c et e 咖0 1 1g a r d e nw a t e rt r e a t m e n tw i t hs u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o n s y s t e mi nt h eh u m b l ea d m i n i s t r a t o r sg a r d e nh a sb e e nc a r r i e do u t s o m ep o l l u t ei n d e x e s , s u c h 娼t u r b i d i t y , c o i h n i t r o g e n , p h o s p h o r u s ，a n ds oo n , h a v eb e e na n a l y z e ds ot h a t i tc o u l dd i s p l a ys u p e r i n r i t yo f i t sp e r f o r m a n c e ( 4 ) i kw o r ks t a t u si nt h eh u m b l ea d m i n i s t r a t o r sg a r d e ni sc a r r i e do u tt o i n v e s t i g a t es u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e m s , t h ew o r ke f f e c ti sa a a l y z c d a n di th a su s e di n i m p r o v eo f g a r d e nw a t e rq u a l i t y ，i ti sa n e wa t t e m p t 砸si sv e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i np o p u l a r i z a t i o no f s u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e m s k e y w o r d s ：s u b 蛐f a c oi n f i l t r a t i o n ，w a t e rp u r i f 3 d a g ，g a r d e nw a t e r 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注i t , i i 弓1 用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：基i ；盛日期：乏翌砗五月2 ，日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：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，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用 影印、缩印，数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 指导教师签名： 日期：迦2 年l 月日 日期：9 7 年多月扩日 苏州科技学院硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 地下渗滤系统的发展概况及特点 地下渗滤系统是一种基于自然生态原理的污水净化技术，在我国有着良好的可行 性和发展前景i l 。根据土壤渗透特性可以分为慢速渗滤系统、快速渗滤系统、地表 漫流系统、湿地处理系统，人工土层快速渗滤处理系统及地下渗滤系统等 3 1 。按基本 构造形式的不同，可分为3 种基本类型：地下土壤渗滤沟、地下土壤毛管渗滤系统、 地下土壤天然净化与人工净化相结合的复合工艺 4 1 。本文主要研究的是利用地下土壤 天然净化、人工净化及绿色植物净化的复合工艺处理园林景观水 地下渗滤系统是在农田灌溉的基础上演变和发展起来的。利用污水灌溉农田是一 项古老的技术，到了1 6 世纪以后逐渐发展形成了利用土地处理污水的方法。例如，1 6 世纪的德国，1 8 0 0 年的英国，1 8 7 0 年的美国，1 8 9 3 年的澳大利亚，都利用污水灌 溉，其目的主要是发展农业灌溉，取得农业收益，但不考虑或很少考虑污水中污染物 质对土壤、地下水和粮食作物及大气可能带来的危害和影响。 2 0 世纪7 0 年代，世界人口、资源、能源和环境问题日益引起人们的关注，污水 土地处理系统的研究被提到日程上来，结果形成7 污水二级处理、三级处理的技术 例如，美国环保总局1 9 7 5 年l o 月颁布的最佳实用废物处理规范中规定了土地处 理系统的技术要求，并把污水土地处理系统定为污水处理的“革新工艺”和“选择工 艺”。9 0 年代的美国已有2 0 0 0 多个污水土地处理系统，并对1 0 个系统进行过全面 技术研究。 前苏联在城市下永道排水系统设计规范中规定，在选择居民点、污水处理方法和 确定建筑物位置时，先考虑污水处理后用于农业的可能性和合理性1 9 8 7 年前苏联 各类型污水灌溉的农田已达3 0 万公顷主要分布在俄罗斯、乌克兰、白俄罗斯、乌 兹别克、哈萨克斯坦和拉脱维亚等地区。 在污水净化方面，前苏联要求利用城市污水灌溉前必须用生物净化法及其他方法 进行综合处理。如在机械净化、生物净化或三级净化的几个阶段添加药物；在物理净 化期对反应池或一级沉淀池添加活性物质等。吉尔吉斯共和国利用水葫芦净化猪场和 疗养院污水也取得显著效果，其悬浮物的净化率达到1 0 0 ，b o d 净化率达到9 5 水葫芦本身可用作家禽、鱼类饲料，并可做肥料，生产沼气等。 日本大阪府立研究所结果认为水生植物治理水体污染是最佳途径。在浅水湾、河 道两旁、水库周围及污水池塘中栽种满江红、芦苇、菖蒲、绿藻等水生植物，面积达 到水面的6 0 ，在一天时间里，水中的氮、磷、钾、钠含量可下降到5 5 ：3 天时间 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 可下降到2 8 ；9 天时间可下降到接近于零。净化后的污水再作灌溉、喷洒水源。 近年来，日本利用地下毛管渗滤法处理、利用污水取得明显效果。从6 0 年代开 始，日本新见正开始地下土壤净化污水新技术，最后形成了土壤毛管浸润法 污水净 化工艺，被称之为尼米( n i i m i ) 土壤净化沟i s 这种新技术是把污水通过有孔的管道 布入地下，管道周围为易透水的石砾，石砾后为土壤。污水籍助土壤毛细管作用在土 壤中扩散，经过土壤物理、物理化学和生物化学的综合作用得到净化。并能获得污水 二级处理甚至三级处理的效果。这一污水地下土地处理新工艺为获得污水深度处理提 供了有效措施 6 1 。 我国在利用城市污水灌溉方面，也有较长的历史它的发展大体上可分三个历史 时期： ( 一) 自发灌溉时期 1 9 5 7 年以前为自发灌溉时期，在这个时期中，人们只为了解决农业种植业中的 干旱为题，把城市污水引入农田灌溉，以满足作物对水分的要求，确保粮食产量。 没有从充分发挥污水的水、肥资源角度进行综合开发，其特点是规模小，分布零星， 更没有对污水灌溉对环境带来的影响予以重视。 ( 二) 迅速发展时期 1 9 5 7 1 9 7 2 年为迅速发展时期。1 9 5 7 年建工部联合农业部、卫生部把污水灌 溉列入国家科研计划，发动1 2 个城市开展研究，并开始大规模修建污水灌溉工程， 污水灌溉得到迅速发展。1 9 5 8 年底，在济南、北京召开全国第一次污水灌溉农田会 议，指出利用污水灌溉农田的可行性及对国民经济的重要意义。1 9 5 9 年秋，在武汉 召开全国工业废水处理和污水综合治理会议，确立了“变有害为无害”、充分利用城 市污水和工业废水的原则。当时主要的目的是为农业开辟水、肥资源，提高农作物 的产量，同时也处理了污水。在这一时期，北方一些大中城市如北京、天津、沈阳、 西安、石家庄以及成都等地引用工业污水、城市污水及混合水灌溉，发展了一批郊 区污水灌溉区。辽宁省修建了长6 0 k m 的沈阳抚顺污水灌溉区。1 9 6 1 年我国颁布 了污水灌溉农田卫生管理试行方法，1 9 6 3 年在长沙召开了全国污水灌溉学术讨 论会，研究了污水灌溉前处理、水质净化、环境卫生和终年利用问题。 ( - - ) 稳步发展时期 从1 9 7 2 年到9 0 年代中期是稳步发展时期。1 9 7 2 年农林部联合国家建设委员会 在石家庄召开全国污水灌溉会议。会上制定了“积极慎重”发展污水灌溉方针，同时 拟定了污水灌溉暂行水质标准，使我国污水灌溉进入注意环境保护的新的时期。 1 9 7 5 年召开第五次全国污溉会议，1 9 7 9 年1 2 月颁布、实行农田灌溉水质标准 ( t 砼4 7 9 ) 7 0 年代末全国污水灌溉面积为3 3 3 万公顷，1 9 8 2 年为1 3 9 8 7 万公 顷，1 9 9 2 年约为3 0 0 万公顷。 2 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 1 9 5 7 1 9 7 2 年灌区引进污水灌溉，粮食产量得到了明显提高。但当时这些污水 大多未经处理的原生污水或经一级处理的污水，水内含有大量污染物质，叉对灌溉 水缺乏水质监测，控制，结果给土壤和粮食带来了污染危害。例如，1 9 7 4 年北京东 南郊污水中三氯乙醛对小麦的危害，引起严重减产，面积达4 6 6 7 余公顷再如沈阳 市张士灌区7 0 年代连续灌溉污水，引起镉中毒，对灌区人体健康造成了严重的危害 保定地区出现铅污染、西安市污水灌区粮食品质下降等，都与污水灌溉有直接关系。 7 0 年代初，我国对污水灌溉对土壤、作物污染的影响就给予了高度重视。 近年来，我国注意利用土她处理系统来处理、利用污水。国务院环境保护委员 会于1 9 8 6 年颁布的关于防治水污染技术政策的若干规定中，明确指出把污水土 地处理系统作为各地优先考虑采用的技术嘲 传统的污水土地处理系统如快速渗滤系统、慢速渗滤系统等虽然具有低能耗、 低花费、易维护等优点【7 s l , 但也具有水力负荷低、占地面积大、场地条件要求严 格和受气候条件影响等缺点，从而使其应用受到了限制f 9 1 而新型地下渗滤系统是 一种人工强化的污水生态工程处理技术，是将污永有控翩地投配到具有一定构造、 距地面一定深度和具有良好扩散性能的土层中，污水在土壤毛管浸润和渗滤作用下 向周围运动，在土壤- 微生物植物系统的综合挣化功能作用下，达到处理利用要求 的一种土地处理系统【2 j 。因而这种新型地下渗滤系统有如下的特点： ( 1 ) 建设费低、运行费低、操作简单 新型地下渗滤系统所采用的材料为水泥、砾石、沸石及一些p v c 管所有动 力系统是台潜水泵，能够明显增大了其水力负荷。 ( 2 ) 净化效率高、处理出水水质好、可用于污永回用 新型地下渗滤系统既可去除有机污染物，又可去除造成水体富营养化的氮、磷 等污染物，出水各项指标均优于中水回用水质标准，使污水得到净化，重回大自然。 ( 3 ) 不产生异味、不影响地表景观、受外界影响小 新型地下渗滤系统的主要构筑物处于地表下，地表上种植吸收效果好的植物。异 味被土壤吸附，产生异味的物质被微生物分解成无味的物质，释放出来 ( 4 ) 综合效果很大程度上得到了提高 新型地下渗滤系统是把地下渗滤系统技术与绿地建设结合起来，在有效处理污 水的同时还可美化与改善环境和节约水资源的作用，有广阔的发展前景，运一系统 一旦形成，就不易被破坏，美化环境、增强了有利于人类生长的生态环境f 埘。该处 理系统主要应用于分散居住地区和城镇地区的污水处理。如今，把这种新型地下渗 滤系统用于园林景观水质的改善上，还是种新的尝试。 3 苏州科技学院顽士论文 第一章绪论 1 2 地下渗滤系统的研究现状及存在的问题 近年来，随着水资源短缺形势的日益严重和污水回用研究的广泛开展，地下渗滤 系统的研究和应用在国内外日益受到重视1 ”寻求低成本、高效率的新型城市污 水处理技术，一直是世界各国环保界关注的热点【1 2 ，1 3 h 阍。同时，在实现废水资源化 的过程中自始至终把环境效益和环境质量控制问题放在重要位置，在设计、运行和 管理方面，遵循现代生态学的三大原则：整体优化、循环再生、区域分异1 6 1 。 1 2 1 地下渗滤系统的研究现状 1 ) 国外研究现状 污水土地处理作为“革新替代技术”正在国外得到复兴和发展，在日本、美国、 新西兰、法国、芬兰、丹麦、瑞士等国家，人工快渗系统的研究取得了一系列突破 性的进展，获得了丰富的实验资料，并相继建成了一些实用工程，其运行效果展现 出良好的发展前景，被认为是种简单，可靠、实用、低能耗、低花费的小型污水 处理系统。是解决小流量生活污水的最适合、最可靠的途径明。它也是土地处理系 统的一种，是将污水有控制地投放于人工构筑的渗滤介质表面，使其经毛管浸润和 土壤渗滤作用向周围和向下渗透过程中经历不同的物理、化学和生物作用，最终达 到污水净化的目的。经人工快渗系统处理的出水，可以通过集水管回收利用，既处理 了污水，又节约了水资源，具有很好的环境效益和经济效益。当然，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，仅靠文献资料不足以全 面认识人工快渗系统，许多方面还有待于进一步探索。 2 ) 国内研究现状 当前，我国水环境状况十分严峻，全国污水年排放量已达3 6 5 亿o 。城市污水 处理率仅7 ，大量污水未经处理直接排放造成承接水体的严重污染。据统计，全国 监测的1 2 0 0 多条河流中有8 5 0 条受到污染全国每年因水污染造成的经济损失达数 百亿元。中国为贫水国家，人均水资源占有量仅为世界平均值的1 4 ，水环境质量 不断恶化导致可利用水资源的进一步减少和供需矛盾加剧水资源短缺与水污染严 重成为影响我国工农业可持续发展的重要问题。我国的污水处理不仅在城市，而且 在乡镇也要求越来越高，鉴于地下渗滤系统的上述优点，2 0 世纪9 0 年代初，我国 开始对土壤地下渗透技术开始重视，并且也进行了深入的研究。我国政府环境保护 部门在充分吸收、总结国外发达国家水污染防治经验的基础上，提出了“人工处理 与自然处理并行”的水污染防治技术政策，为土地处理技术的发展提供了契机。“八 苏州科技学院硕士论文第一章绪论 五”、“九五”以来，土地处理技术得到了迅速的发展【l 埘。推行土地处理技术，开发 中水资源，是实现污水处理无害化、资源化的重要途径之一，是解决水资源危机的 重要技术政策。1 9 9 2 年，北京市环境保护科学研究院建造了一个实际模型的污水地 下毛管渗透处理系统。我国也通过“七五”、“八五 联合攻关，实现了从小试、中试 到实用规模的实验、示范研究。中国科学院沈阳应用生态研究所与北京市环境科学 研究院、天津市环境保护科学研究院等单位在中国科学院与国家环保局的支持与组 织下，针对我国水污染防治的情况，积极研究并吸收美、日、澳等国的先进经验， 提出了采用土地处理替代二级处理并同时去除污水中氮磷的技术路线，突破了国外 土地处理通常代三级处理的局限，而出水可达到三级水平与回用标准，经过多年的研 究与实践，已建立起具有鲜明特色的土地处理分类体系和辅助设计系统，在北起内 蒙古，南至云南的广大地区内，建成了包括慢渗、快渗、湿地与地下渗滤在内的土 地处理示范工程1 1 个，处理污水能力达1 6 x 1 0 4 m 3 d ，为这一技术的进一步应用奠 定了坚实的基础。 以沈阳应用生态研究所为主，建立了土壤地下渗滤处理工程，并提出了该工艺的 技术要点和工程参数，编制了城市污水土地处理利用设计手册2 0 0 0 年1 2 月，贵 州省环境科学研究设计院与日本国立环境研究所合作，引迸日本最新一代土壤地下渗 滤净化工艺技术，并建立贵州省体育局红枫湖水上运动训练基地生活污水处理示范工 程，2 0 0 1 年4 月该工程通过日本环境厅验收【l 卵，至今谚设施运行正常，净化效果良好。 贵州省环境科学研究设计院从2 0 0 0 年至今，一直在进行着地下渗滤净化系统的实验研 究，通过了多次的模型设计、小试、中试，逐步掌握了该项技术的脱磷、脱氮效果以 及影响因素。另外，针对该工艺设计中参数的选择目前依然没有详尽权威的标准，只 能依靠经验数据确定的这种现状，进行了模型实验，且取得了相对可靠的参数依据。 1 2 3 地下渗滤系统存在的问题 1 ) 堵塞 堵塞是污水渗滤土地处理系统必须研究的问题，因为它不仅影响到系统水力传导 性能，妨碍系统的通气传氧作用，严重影响地下渗滤系统的净化效果1 2 仉2 “乜2 孔，而且 也影响到系统寿命造成渗滤系统介质孔隙堵塞的原因主要有悬浮物截留吸附堵塞，化 学沉淀堵塞，土壤颗粒遇水膨胀崩解堵塞、微生物生长以及土壤中生化反应产生的气 体造成的堵塞等。 悬浮物产生的堵塞过程是一个比较迅速并且无法恢复的过程，有的学者认为悬浮 物的截留、吸附是造成系统堵塞得主要原因。何江涛，马振民等研究发现，由悬浮物 的截留、吸附所造成的堵塞主要发生在污水与土壤接触的浅层，并且随着深度的增加， 5 苏州科技学院硕士论文第一章绪论 过滤所造成的堵塞将大大减小。 微生物的生长、细胞以及其胞外分泌物的的积累也可能会堵塞土壤的孔隙，但是 却不如悬浮物所造成的堵塞严重，何江涛，马振民等从理论方面对微生物生长所造成 的堵塞进行了讨论，认为由微生物造成的堵塞与原水的组成和微生物的活性密切相 关，如果进水各污染组分浓度恒定，系统内的微生物量最终会达到动态平衡，即微生 物的增长量与微生物的衰减量相等，而总量不会增加。 土壤中微生物好氧反应过程中会产生c 0 2 ，厌氧反应过程中会产生c i - h 、s 0 2 、 n 2 、n 2 0 等气体，这些气体如果不能从土层中及时排出的话，也会造成土壤孔隙的堵 塞。通过干湿交替、间歇投配的操作方式，可以有效地防止微生物新陈代谢产生的气 体对土嚷孔隙的堵塞过程【2 1 。强刎。 2 ) 生态毒性 污水渗滤土地处理系统对土壤理化以及毒理状况影响的研究必须优先进行，在 “七五”、“八五”期间对土地处理系统长期攻关研究的过程中，将污水对水环境、土壤 环境、种植植物的影响作为重要研究内容，原因是污水渗滤土地处理系统是以土壤为 处理主体，是否引起土壤的污染尤为重要，故对其进行生态毒性分析是必不可少的旧。 污染物对土壤的污染主要集中表现在植物毒性、动物毒性两个方面，分析土壤地 下渗透处理系统对土壤的生态毒性应从这两个方面出发。高拯民，李宪法等对于土壤 地下渗透处理系统的毒理效应的研究中发现，利用蚕豆根尖微核技术，可以迅速有效 地对土地处理系统进行毒性分析。当然地下渗滤处理系统对于土壤的生态毒性影响是 一个缓慢的、积累的过程 通过种植吸收能力较强的植物吸收污染物中有害物质，再通过植物的集中收割来 去除毒害物质。以达到消除土壤地下渗滤系统对土壤的生态毒性。 1 2 3 地下渗滤系统的研究意义 虽然地下渗滤系统无论在工程应用方面，还是在理论研究方面，都取得了显著的成 就，并形成了较为先进的理论体系“土壤- 微生物植物相结合的生态平衡理论但是，理 论上，还有许多不足之处，还需深入研究。应用上，还有许多方面没有涉及。 在处理园林景观水方面，所采用的处理工艺有许多种，但将地下渗滤系统用于园 林景观水质处理的研究国内外尚未报道。对地下渗滤系统处理园林景观水的运行效果 进行研究，其结果对地下渗滤系统处理类似水体有一定的指导价值和理论意义。同时， 将植物与地下渗滤装置有效地结合，既去除污染物，又改善了环境，达到了生态建设 的目的，为地下渗滤系统应用于其他用途提供有力的指导价值。 6 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 1 3 本文研究的主要内容和研究方法 本文通过查阅、收集和分析所能获得的有关资料，对地下渗滤系统的组成成分、 各个组成部分的各自作用及相互之间的联系，对园林水质及对水质的影响因素、研 究的建设进程等各方面进行综合评述，以期对园林水水质改善和地下渗滤系统有一 个全面的、深入的了解，同时在苏州科技学院校内建立前期实验基地，进行一系列 的模拟实验，积累经验，在此基础上，充分考虑各方面因素的影响。以苏州拙政园 水系为背景，依托国家“十五”重大科技专项“8 6 3 ”苏州城市水环境综合治理示范工 程和拙政园水体水质净化与生态修复研究与示范( b s 2 0 0 4 0 4 8 ) ) ，提出园林水 地下渗滤系统，并提出具体的研究方案，为今后在苏州拙政园中地下渗滤系统的构 筑物的设计提供有效的条件和实用的经验本文的主要内容有以下几点： 1 ) 地下渗滤系统处理园林景观水的可行性 ( 1 ) 了解地下渗滤系统的组成部分和各自作用及其作用机理 ( 2 ) 对苏州古典园林景观水体的污染现状及其景观的特点做深入的了解 ( 3 ) 建立前期实验基地，进行一系列的前期模拟实验，积累经验，验证在苏州 园林内运用地下渗滤系统的可靠性 2 ) 地下渗滤系统处理园林景观水的实验研究 ( i ) 观察地下渗滤系统处理园林景观水的实验运行规律，描述并总结实验现象 ( 2 ) 对地下渗滤系统处理园林景观水的实验运行效果与运行时间建立曲线关 系，进行分析 ( 3 ) 对实验运行数据，进行整理分析，对地下渗滤系统处理园林景观水的几种 主要污染物的去除效果，进行分析 ( 4 ) 总结实验运行效果，得出地下渗滤系统处理园林景观水的实验运行规律 3 ) 地下渗滤系统处理园林景观水的社会效用 根据实验结果的分析，地下渗滤系统处理园林景观水的实验得出的规律，对 地下渗滤系统理论体系的完善有一定的借鉴作用，对处理其他类似水体有一定的指 导作用，将其用于其它用途也有一定的指导作用。 7 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 1 4 本实验所采取的技术路线 园林水质调查资料和| l| 污染分析i 地下渗滤系 调查拙政 统前期试 掌握地下渗滤系统的基本 园水体现 验、数据有 理论知识及相关的作用机 状与分析 效分析和积 理 污染成因 累经验 i i 1 l j 确定拙政园中地下渗 1 滤系统整体设计思路 p ， 拙政园中地下渗滤系 统整体设计与施工 试验监 l 感官性 测结果物理监测 拙政园中地下渗滤系 感官 状情况 和数据 化学监测 统试验运行 监测 分析 的分析、 整理 j ，i 评价，分析拙政园中地下渗滤系统试验 1 5 本文研究的主要理论基础 1 5 1 地下渗溶系统涉及的相关作用 1 ) 物理过滤 由于原水中含有较大的固体颗粒，进入地下渗滤系统会造成堵塞，故先由罩在 潜水泵外的筛网进行初步过滤后，处理后的污水才地下渗滤系统中 2 ) 物理吸附 原水进入地下渗滤池，通过地下渗滤池中调整土壤颗粒间隙产生的毛细作用将 3 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 原水中的污染物吸附在土壤颗粒上。 3 ) 物理沉积 进入地下渗滤系统的原水中的较大固体颗粒会沉积在微生物膜上，通过微生物 作用达到消解去除。 4 ) 物理化学吸附 原水中的一些污染物通过离子交换方式被地下渗滤池中的土壤、砂石等构筑物 截留下来，还有一些污染物是通过络合和鳌合作用被截留的。 5 ) 化学反应和化学沉淀 磷会通过土壤中的钙、铝、铁等离子形成难溶的磷酸盐。 6 ) 植物作用 本实验采用地下渗滤池上地表种植草坪的生态方法进行处理原水，种植的植物 为一些根系发达的草，这些草通过发达根系对进入地下渗滤池的原水中氮磷等。 7 ) 微生物作用 当原水通过地下渗滤池时，原水中的微生物被土壤、砂石等颗粒吸附在表面， 形成微观的微生物膜，原水经过此膜时，水中无机物、有机物被分解成小分子无机 物，或被植物吸收，或沉淀下来，达到去除效果。 1 5 2 地下渗滤系统的作用机理 由地下渗滤系统涉及的相关作用可知，地下渗滤系统中的净化是一个综合净化 过程，本实验着重对浊度、高锰酸盐指数、氮、磷等几个重点指标进行了追踪检测， 现将这几种主要污染物的去除机理介绍如下： 1 ) 浊度 浊度与污水中悬浮物的多少有关系，悬浮物多，浊度就大；反之，就减小。而 污水中含有大量污染物，例如有机物、氮磷、重金属和病原菌等，因此，去除悬浮 物就可以提高污水的去除效率。通过土壤颗粒、滤料颗粒之间的孔隙快速截留去除 可沉降性污染物，悬浮性固体则通过微生物生长、地下渗滤池表面植物吸附吸收等 机理去除。土壤颗粒和滤料颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状、大小、分布和水流通 道，以及悬浮物的性质、大小和浓度等都影响对悬浮物的截流过滤沉淀效果。若悬 浮物浓度太高、颗粒太大会引起地下渗滤系统堵塞。 2 ) 高锰酸盐指数 高锰酸盐指数是在酸性或碱性介质中，以高锰酸钾为氧化剂，处理水样时所消 耗的量以氧的浓度来表示，水中的亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等还原性无机物和在 此条件下可被氧化的有机物，均可消耗高锰酸钾。高锰酸盐指数越高，说明污染就 9 苏州科技学院硕士论文第一章绪论 越严重，反之，亦然。 3 ) 氮 污水中含有无机氮和有机氮，主要以n h 3 - n 以及n 0 3 - 埘和n 2 n 形式存 在。它的去除途径主要有生物脱氮、作物的吸收以及氨氮的挥发。在地下渗滤系统 中，通过植物吸收，人工收割或者修剪枝叶也能去除一部分的氮，氨氮的吸收则更 是微乎其微，一般情况下可以忽略氨氮的挥发损失，所以说通过生物硝化反硝化是 地下渗滤系统脱氮的主要途径。生物脱氮的作用机制主要是好氧带硝化细菌的硝化 作用将氨氮和有机氦转化为硝态氮，而后在厌氧带反硝化细菌的反硝化作用将硝态 氮转化为气体n 2 0 、n 2 等，最终排出系统，达到去除的目的。也就是说，氮去除的效 果好坏主要取决于系统的硝化以及反硝化的程度。而参与脱氮的细菌主要有三个类 群：氨化细菌，进行有机氮化合物的脱氮基作用，生成n h 3 ) 亚硝化和硝化细菌， 将n h 3 转化为n 0 2 - 和n 0 3 ；反硝化细菌，将n 0 2 、n 0 3 转化为n 2 。出水进入河道 后，就会从水中逸出，达到脱氮的目的。 ( 1 ) 氨化作用 氨化作用只发生在p h 值偏碱的环境下，因有机物含不同氨基酸、在不同条件 和不同微生物的作用下而以不同的方式产生不同的产物，例如： 氧化脱氨：有氧条件，好氧微生物作用下，生成酮酸和氨气，反应式如下： 2 r c 删h 0 0 h - t o l 2 r c 0 。0 饵+ 聃l 水解脱氨： 还原脱氨： 好氧微生物和酵母菌作用下，生成羧酸和氨气，反应式如下： r c h 珊o 砸+ h | 0 + r 翻o h c 0 。h + n h ， 无氧条件，厌氧微生物作用下，生成饱和脂肪酸，反应式如下： h 0 0 c r c 肼h z c h l l h 0 0 c r o 。o i 洲i k 直接脱氨：氨基酸直接脱氨生成不饱和脂肪酸，反应式如下： h 0 0 c r c h ：c h n h l ) 0 0 h h o c c r c h = c h 0 0 0 h 哪， s t i c k l a n d 反应：两种氨基酸参与反应，其中一种氧化脱氨，脱下的氢去还原另 一种氨基酸使之发生还原脱氨，二者偶联进行氧化还原脱氨作用，仅在某些梭菌中 发生，反应式如下： rc 删h 0 0 h 斗rc i 硼舶伽呻rc 0 c o o h + r 伽2 c o o h + 2 n i b ( 2 ) 硝化作用 硝化反应是在好氧条件下，将n h 3 转化为n 0 2 。和n 0 3 的过程，是由亚硝酸菌 和硝酸菌共同完成，硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化敏感。硝 化反应在5 c 4 0 之间反应，对溶解氧有较高的要求，晟好保持在2 m 鲤l 以上， 硝化反应中释放i r ，使p h 值下降，而硝化反应一般p h 在7 8 之间作用，其反应 1 0 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 式如下： 在亚硝酸菌作用下， 2 n i d + + 3 q + 2 n 0 2 一+ 4 h + + 2 h 2 0 在硝酸菌作用下， 2 n 0 2 - + + 2 n 岛 总反应式为： n h + + 2 0 i 啼n o i - + 2 i i + h 2 0 ( 3 ) 反硝化作用 反硝化反应是在无氧条件下，反硝化菌将n 0 3 匍n 0 2 还原为n 2 的过程，反硝 化菌是异养型兼性厌氧菌，有氧时以0 2 为电子受体进行有氧呼吸；无氧而有n 0 3 和n 0 2 时，则以n 0 3 。和n 0 2 为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝 化反应，反应在5 c 4 0 c ，p h 在6 5 7 5 之间进行，本实验提供的碳源为原水中 含有的有机碳或内源呼吸碳源细菌体内的原生质及其贮存的有机物，其反应式 如下： 在硝酸还原菌作用下6 n 0 m 伽娜6 n 侥均c 0 4 l i 扣 在亚硝酸还原菌作用下6 n o z - + 3 c b 0 h 嘶辅r 巧o l r + 3 琏o 总反应式为：6 n 0 3 - + 5 c h 3 0 f f 5 c o z + 3 n z + 7 鼢6 0 h 。 此过程中约有9 6 的n 0 3 - - n 经异化过程还原，4 经同化过程合成微生物。 生物脱氮的总反应式为： 2 r c 硼h h + o l 2 r c 0 0 0 册+ 唧l 重黜转化 在污水中，有很多细菌都能进行反硝化作用，其中绝大多数是异养的兼性厌氧 细菌。包括有无色杆菌属( a c h r o m o b a c t e r ) 、气杆菌属( a e r o b a c t e r ) ，产碱杆菌属 苏州科技学院硬士论文 第一章绪论 ( a l c a l i g e n e s ) ，黄杆菌属( f l a v b a c t e r i u m ) 、变形杆菌属( p r o t e u s ) 、假单胞菌属 ( p s e u d o m o n a s ) 等嗍 氨氮捧入水体会造成接受水体的富营养化污染【3 “3 2 1 ，氨氮还会使给水消毒和工 业循环水杀菌处理过程中增大用氯量；对某些金属，特别是铜具有腐蚀性；当污水回用 时，再生水中氨氮可以促进输入管道和用水设备中微生物的繁殖，形成生物垢，堵塞管 道和用水设备，并影响换热效率0 2 1 。氨氮的脱除方法很多，但还没有一种方案能高效、 经率【3 2 】、稳定地处理氨氮废水。操作简便，处理性能稳定高效，运行费用低廉，能实现 氨氮回收利用的处理技术是今后发展的方向1 3 l j ，而利用土壤的处理能力，可以把浓度 低于5 0 m g l 。的氨氮废水进行有效处理。 4 ) 磷 污水中的磷化物极少部分用于生物合成，大部分不能去除，以磷酸盐的形式随水 排出地下渗滤系统中磷的去除主要是通过以下几个过程完成的：土壤颗粒的吸附作 用、化学沉淀反应、微生物同化作用和植物吸收作用。同氮的去除相同，通过植物吸 收、人工收割或者修剪枝叶除磷效果并不显著，并且潜力不大。大量的研究和实践表 明，地下渗滤系统运行初期，吸附对磷的去除有重要的意义。史莉、张笑一等在地沟 式污水生态处理系统中土壤及填料吸磷机理的研究中发现，吸附反应前期，土壤及填 料对磷溶液的吸附速率和吸附量都随时间增加而迅速增大；吸附反应中后期，土壤及 填料对磷溶液的吸附速率和吸附量随时间增加变化趋于平缓。对于磷的进一步去除而 言，有研究表明吸附不是主要作用，土层中对磷的去除过程主要是由化学沉淀反应来 控制的，这种磷去除作用的土壤同化容量远比吸附容量大的多。而自然界中有很多细 菌，能从外界环境中吸收可溶性的磷酸盐，并在体内转化合成多聚磷酸盐积累起来， 作为贮存物质。在处理污水中会产生所谓“聚磷菌”聚磷菌在好氧条件下可超出生 理需求过量摄取磷，形成多聚磷酸盐作为贮存物质，同时在细胞分裂繁殖过程中利用 大量磷合成核酸，即 a d p + 丑，0 l + 能量a t p + h 妇 在厌氧条件下，聚磷菌为获得较多的能量，将积累于体内的多聚磷酸盐水解， 产生大量能量，同时将磷酸盐释放于环境中即 a t p + h = o 叫a d p + h | f u + 能量 生物除磷原理就是利用所谓聚磷菌在好氧条件下可过量吸磷，即水中磷富集于 活性污泥中：而在厌氧条件下活性污泥中磷可释放。即磷主要存在于上清液中，从 而分别通过聚磷剩余活性污泥排放和含磷上清液排放使磷脱离处理系统，达到生物 除磷的目的。 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 磷 厌氧生境 薯 叶 j 一 聚磷菌 在厌氧条件下，污水中的有机物经产酸菌作用形成乙酸。而聚磷菌在此条件下将 聚磷物分解，释放出的能量一部分供自身生存需要，另一部分用于吸收乙酸、旷和电 子，使之以p h b 形式贮藏于细胞内，无机磷捧放胞外。在好氧条件下，聚磷菌分解p 髓 释放出能量，一部分用于自身的生长繁殖，另一部分用于无机磷的吸收，形成聚磷物 贮藏在细胞内嗍 1 3 苏州科技学院硕士论文第二章地下渗滤系统改善园林景观水质的前期实验 第二章地下渗滤系统改善园林景观水质的前期实验 2 1 概述 为了地下渗滤系统能够改善园林景观水，必须了解地下渗滤系统的基本构造， 掌握其各个组成部分所发挥的作用，以及与地下渗滤系统和园林景观水相关的一切 信息，同时必须进行地下渗滤系统的前期实验，掌握第一手的材料，为以后地下渗 滤系统处理园林景观水做足充分的准备 2 2 地下渗滤系统的前期实