（环境工程专业论文）土壤渗滤系统处理污染河水的试验研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着城市建设与发展的需要，郑州市工业化进程加快，推动社会 进步，提高人民生活水平的同时，向河流中排放了大量的污水，造成了河流水 的严重污染。由于在黄淮流域一带的省份地区经济相对不发达，所以控制河流 水污染给地方政府造成巨大压力，我国城市和小城镇污水治理己渐成熟，但在 处理河流水污染的工程应用方面还在摸索阶段。因此，本研究针对污染河水治 理出现的问题，以郑州市贾鲁河水的治理为例，进行了实验研究和问题探讨。 强化土壤渗滤法对治理河流水进行了试验研究，通过单一填料和土壤填料 组合的两类动态试验，确定小试土壤渗滤法的反应区由土壤陶粒组合构成，考 虑到去除率及社会经济等因素，确定后续中试土壤渗滤法的反应区由土壤陶 粒、土壤沸石两类构成。动态吸附试验研究表明：( 1 ) 土壤渗滤法土壤介质对 于总磷和c o d 的去除效果明显高于单一填料的去除效果，对于氨氮的去除效 果，沸石、陶粒略优于土壤，土壤明显高于活性炭和碎石两种填料。( 2 ) 土壤 渗滤法单一介质实验数据表明：陶粒对于氨氮、总磷和c o d c ，的平均去除率分 别为7 9 8 4 、4 5 4 5 、3 7 6 ，总体去除效果明显优于沸石、活性炭和碎石三 种填料；沸石对氨氮的平均去除率8 1 7 0 ，但对总磷的平均去除率低于3 0 。 小试试验研究表明：土壤渗滤系统运行稳定后，氨氮出水浓度均小于5 0 m g l ， 可达到国家污水排放的一级a 标准；总磷的平均出水浓度为0 6 1 m g l ，平均的 去除率为9 2 2 1 。出水浓度总小于1 m l ，即可达到国家污水排放的一级b 标 准；c o d c ，平均出水浓度为3 8 3 3 m g l ，平均的去除率为8 8 5 3 ，出水可达到 国家污水排放的一级b 标准。 关键词：土壤渗滤；受河流污水；陶粒；沸石；活性炭；碎石 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t h t h eu r b a nc o n s t r u c t i o na n d d e v e l o p m e n t ，t h e i n d u s t r i a l i z a t i o np r o c e s so fz h e n g z h o uc i t yh a v es p e e d e du pt op r o m o t es o c i a l p r o g r e s sa n di m p r o v i n gp e o p l e sl i v i n gl e v e l al o to fs e w a g ef o r mt o w n s h i pa r e d i s c h a r g e dt of i v e ra se c o n o m i cd e v e l o p m e n t a si nt h eh u a n g - h u a ir i v e rr e g i o ni n t h ep r o v i n c eo fr e g i o n a le c o n o m yi sr e l a t i v e l yu n d e r d e v e l o p e d ，s ot h ec o n t r o lo f r i v e rw a t e rp o l l u t i o nc a u s e dg r e a tp r e s s u r eo nl o c a lg o v e r n m e n t s ，c i t i e sa n ds m a l l t o w n so ft h ew a v e s c a l es e w a g et r e a t m e n t ，b u ti n d e a l i n gw i t ht h ei s s u eo fr i v e r w a t e rp o l l u t i o np r o b l e m ss t i l l e x i s t t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ns e w a g et r e a t m e n t p r o b l e m s i nt h ef i v e r , ，c a r r i e do u te x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n d p r o b l e m s s o i l i n f i l t r a t i o ne x p e r i m e n t a ld e a l sw i t hj a l u h er i v e r s e w a g ea sa l le x a m p l e t r e a t m e n to fs o i ll e a c h i n gm e t h o du s i n gf i v e rw a t e rw e r es t u d i e db yas i n g l e f i l la n ds o i l - f i l l e rc o m b i n a t i o n ，t h es o i l p e r c o l a t i o nt e s t t od e t e r m i n et h el a wo f s m a l lr e a c t i o nz o n ef r o mt h es o i l h a y d i t ec o m p o s i t es t r u c t u r e ，t a k i n gi n t oa c c o u n t t h er e m o v a lo fr a t e sa n ds o c i o e c o n o m i cf a c t o r s ，t od e t e r m i n et h es o i lp e r c o l a t i o n t e s tf o l l o w - u pm e t h o di nt h er e a c t i o nz o n eb yt h es o i l c e r a m i c sa n ds o i l z e o l i t e c o m p o s i t i o n s d y n a m i ca d s o r p t i o nt e s t st h a t ：( 1 ) s o i lf i l t r a t i o na s s a ym e d i u mf o r t o t a lp h o s p h o r u sa n ds o i lr e m o v a le f f e c to fc o dw a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h e s i n g l ef i l l e rr e m o v a l ，f o rr e m o v a lo fa m m o n i a ，z e o l i t e ，h a y d i t es l i g h t l yb e t t e rt h a n t h es o i lt h es o i lw a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h eo t h e rt w of i l l e r s ( 2 ) s o i lf i l t r a t i o n a s s a yf o rt h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a tas i n g l em e d i u m ：h a y d i t ef o ra m m o n i a n i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u s ，a n dt h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fc o d c r7 9 8 4 ，4 5 4 5 ， 3 7 6 t h eo v e r a l lr e m o v a le f f i c i e n c yw a ss i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nt h eo t h e rt h r e e t y p e so fp a c k i n g ；z e o l i t eo nt h ea m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c yo f81 7 0 o na v e r a g e ， b u tt h ea v e r a g er e m o v a lo ft o t a lp h o s p h o r u sb e l o w3 0 e x p e r i m e n t a ls t u d i e sh a v e s h o w nt h a ts m a l ls c a l e ：s o i li n f i l t r a t i o ns y s t e mi ss t a b l e ，t h ea m m o n i ae f f l u e n t c o n c e n t r a t i o n sw e r el e s st h a n5 0 m g l ，t om e e tn a t i o n a ls t a n d a r d sf o r s e w a g e d i s c h a r g ea na ；a v e r a g ee f f l u e n tt o t a lp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o no fo 6 1m g l ，t h e a v e r a g er e m o v a lr a t eo f9 2 21 t h et o t a le f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fl e s st h a n lm l ，w h i c hm e e tt h en a t i o n a ls t a n d a r d sf o rs e w a g ed i s c h a r g el e v e lb ；c o d c ra v e r a g e a b s t r a c t e f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f3 8 3 3 m g l ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t ew a s8 8 5 3 ，a n dt h e e f f l u e n tc a nm e e tt h en a t i o n a ls t a n d a r d sf o rs e w a g ed i s c h a r g el e v e lb k e y w o r d s ：s o i l i n f i l t r a t i o n ；p o l l u t e d r i v e r w a t e r ；h a y d i t e ；z e o l i t e ； a c t i v a t e dc a r b o n ；g r a v e l 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源 随着我国经济的快速发展和城市化进程加速，我国城市区域内的河流段河 水污染问题愈来愈严重，其河水水质污染状况加剧，河流环境恶化，河流生态 平衡已逐渐失去。城市污染河流的水污染加剧状况直接影响着河流周围的城市 环境、城市社会经济的发展。 河流作为重要的自然资源和环境载体，在为城市发展提供优越条件的同时， 受人类活动的干扰也最强烈。据统计，到2 0 世纪初期，世界上几乎己没有一条 完整的自然河流。至今为止，全世界大约有6 0 的河流经过了人工改造，包括 筑坝、筑堤、自然河道渠道化等。城市河流的严重破坏与退化已被公认为一个 全球性的生态环境问题。所以解决污染河流水问题已刻不容缓。 贾鲁河系淮河的二级支流，贾鲁河流域面积仅占淮河流域面积的1 4 6 ，但 贾鲁河的污染负荷却占淮河流域总污染负荷的1 9 ，是淮河流域污染最为严重 的支流之一，水体功能区划为类水体。另外贾鲁河天然径流小、主要来水为 经过深度处理的城镇生活污水和工业废水，c o d 和氨氮的浓度远高于地表水v 类水质。据2 0 0 5 年环境统计，河南省辖淮河流域废水排放l1 7 0 0 0 万m 3 ，c o d 排放3 0 2 万t ，氨氮排放4 7 万t 。其中贾鲁河流域c o d 排放总量为3 8 3 5 3 4 t ( 占1 2 7 ) ，氨氮排放总量为7 1 0 0 6 t ( 占1 5 1 ) 。 我国沿海赤潮发生的次数和面积逐年增加，虽然贾鲁河没发生过赤潮，但 是河流水中的氮磷问题也已不容忽视。8 0 年代初开始，我国对脱氮除磷机理及 其工艺进行了大量研究，其中有的已经进入规模应用，并取得了满意的效果【1 1 。 9 0 年代以来，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。“八五 、“九五”以来，土地处理技术得到 了迅速的发展。 土地处理系统是一种污水处理的生态工程技术。根据处理目标、处理对象 的不同，土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、地下渗滤、湿地 系统等五种类型。地下渗滤系统具有处理出水水质好、没有臭味的优点，污水 l 绪论 流经地下渗滤系统通过物理截留、物化吸附、化学沉淀、微生物降解等被净化， 该系统具备投资少、管理简单、装置位于地下不破坏景观的优点逐渐成为国 内外日益重视的污水处理方法【2 3 。 根据美国统计局1 9 9 9 年的数据，全美国1 1 5 亿家庭中大约有2 3 的生活污 水由地下渗滤装置处理；在日本、新西兰和西欧等国家，地下渗滤系统的研究 和应用日益受到重视；在我国，1 9 9 2 年由北京市环境保护科学研究院建造了第 一个实际规模的污水地下毛管渗滤系统，七五、八五、九五期间沈阳生态所和 清华大学等单位对地下渗滤法做了比较系统的研究，近年来上海交大在北京钓 鱼台、温州雁荡山、温州大学、上海浦东开发区等地建了多个地下渗滤系统示 范工程，运行情况良好。 本课题来源于国家水体污染控制与治理科技重大专项“淮河流域水污染治 理技术研究与集成示范项目”，进行近自然人工滩地土壤侧渗的研究。 1 2 地下渗滤系统的国内外研究现状 美国、法国、德国、以色列等发达国家很早就开始大力推行土壤渗滤技术。 地下渗滤系统在工艺上归结起来可分为三种基本类型：( 1 ) 地下土壤渗滤沟槽， 美国和俄罗斯多采用；( 2 ) 地下土壤毛管浸润渗滤系统( 槽) ，也称n i i m i 系统， 同本多采用此工艺；( 3 ) 地下土壤天然净化与人工净化相结合及中水回用的复合 工艺技术，在我国多采用此项技术【4 。7 1 。 土壤渗滤系统是以补给地下水再生回用为主要目的的土地处理系统。在国 外的相关研究主要用于污水深度处理和去除致病微生物等方面。d r e w e s t 8 】和p i t 9 】 等研究表明，土壤渗滤系统可以用于污水深度处理，能够有效地去除三级出水 中的有机物，并能改变废水中的有机物特征，出水的有机物与饮用水中的有机 物特征相似。o r o n i l o j 研究发现，市政二级出水和污水中的病原体等致病微生物， 经过土壤渗滤系统处理后，可以将污水回用于农业灌溉和水产养殖业。m i c h i o 】 的研究证实了o r o n 的研究，即土壤渗滤系统可有效去除污水中寄生虫以及病原 微生物，除此外，m i c h i o 的研究也表明了土壤渗滤系统也可以有效去除重金属。 土壤渗滤技术的研究在我国起步比较晚，但具有很好的适应性和可行性【3 】， 经过长期的研究与实践，污水土地处理系统已经发展成为一种建设与运行费用 低、适应范围广、次生环境影响小、再生水水质优良的新型水处理技术。根据 2 1 绪论 水力负荷、污水途径、布水方式、土壤一植物系统结构以及再生水收集方法，可 分为慢速、快速、漫流、湿地、地下渗滤等主要类型。 地下渗滤系统是城市污水土地处理工程技术之一，它是继慢速渗滤快速渗 滤和地表漫流系统之后，近年来迅速发展的一项土地处理工程技术。在我国近 年来对此项工程技术也开始重视，在一些地区已开始研究和建设实验工程，目 前尚处于初步研究阶段。 1 2 1 土壤渗滤对污染物的去除机理 土壤地下渗滤系统也叫土壤含水层处理。污染物经过表土层及下包气带时 产生一系列的物理、化学和生物作用，可分为生物和非生物机制。许多微生物 和化学物质通过非生物机制如沉淀分解、沉积、离子交换、氧化、还原及其他 化学反应在土壤表层被去除，一些污染物由于过滤吸附和沉淀而截流在土壤中， 使污染物浓度降低。土壤对污水的另一主要机制是生物降解。当污水通过土壤 时，土壤颗粒截留废水中的悬浮物质使微生物很快繁殖起来，这些微生物又进 一步吸附水中的悬浮物质、胶体和溶解状态的物质，逐渐形成生物膜。生物膜 主要由菌胶团和大量真菌菌丝组成。对于不同的废水、不同的气候情况和不同 的土壤层深度，生物膜上的微生物的种类和数量也不相同。生物膜有很大的表 面积，能够大量吸附废水中的有机物。在有机物被微生物降解的同时，土壤颗 粒表面的生物膜由于新陈代谢而不断更新，因此，能长期保持对污染物质的去 除作用【1 2 】。 有机污染物c o d 的去除一般认为是通过土壤的过滤、吸附、吸收以及微 生物分解等共同作用，主要通过好氧降解与厌氧降解完成，有机物经过土壤中 的微生物分解转化为无机物达到取出的效果。 土壤渗滤去除氨氮的机理复杂，涉及不同类型氮素间相互转化，这种转化 在植物、微生物、填料间完成，最后被植物吸收或者转化为氮气进入大气中。 硝化和反硝化需要不同的氧环境，所以土壤中应该有好氧和厌氧都存在的状态， 土壤不同深度的作用可以实现好氧和厌氧同时存在的状况。总体说来，在土壤 渗滤系统中，由填料的吸附作用、过滤作用和微生物的代谢作用等协同除氮效 果可以达到6 0 【i 川。 磷素的去除主要通过土壤和填料吸附及微生物固定和沉降实现。填料吸附 是土壤渗滤系统除磷的关键，磷吸附速率通常受到p h 、e h 、吸附表面积和温度 3 1 绪论 的影响。土壤渗滤系统中的填料种类很多，每种填料由于理化性质不同其吸附 过程符合一定的吸附模式。 1 2 2 土壤渗滤处理污水存在的问题 土壤渗滤法工艺在处理河流污水运行过程中面临的问题主要集中在介质堵 塞( 包括土壤堵塞和填料堵塞) 和氧气供应不足上【1 4 1 。最简便而有效的缓解措 施是在进入反应区之前增设预处理工艺，确保系统的正常运行。 良好的土壤渗滤处理系统能稳定运行2 0 年以上【1 5 】。造成土壤渗滤系统堵 塞的最主要原因是进水悬浮物浓度过高引起的，特别是含有较高的无机物悬浮 物，微生物的过度生长也会造成土壤堵塞【l 7 1 。悬浮物截留及吸附堵塞主要与 土壤层高度、进水悬浮颗粒物浓度和土壤特性系数有关。一般来说，污水中s s 浓度越高，土壤渗滤系统越容易堵塞，引起土壤堵塞的部分主要在土壤的表层， 由于河流水是持续性进水，无法用间歇性进水改善此类堵塞，可采用对污水进 行预处理的方法，降低土壤渗滤系统的进水s s 浓度。土壤特性系数越大，越 容易在土壤表层发生堵塞的情况，主要依靠选取粒径较大的土壤和填料来避免 此类情况发生。微生物生长所引起的堵塞主要包含两个方面：一方面是微生物 自身增长。和城市的污水处理相比较，土壤渗滤系统不存在排泥现象，微生物 的增长量与衰减量相等，当系统达到稳定后，这种由其自身增长所引起的堵塞 即停止。一般通过控制进水量和降低污染物浓度可以缓解这种堵塞。第二方面 是微生物胞外代谢。土壤中的微生物在胞外代谢过程中主要产生多聚糖类物质。 该物质降解周期较长，一般2 3 5 0 天，因而易在土壤间隙中聚集、引起堵塞【l8 1 。 向系统中加入生物或化学抑制剂可以防止这类堵塞，最好的解决方法是投入生 物抑制剂，此类抑制剂不会影响微生物对污染物的降解作用【l9 1 。 氧气供应不足是因为土壤渗滤靠自然复氧和植物提供的氧量很少，和人工 湿地相比较，土壤渗滤法中植物的参与作用很小。对于处理较高浓度的污水来 说，土壤渗滤系统中氧气往往不能够满足氧化有机物的要求。国内外的研究主 要是通过干湿交替布水和曝气两种方式对土壤渗滤系统进行供氧，以恢复土壤 的天然净化能力。总体说来，对进入土壤渗滤系统的水质进行筛选，减小进水 时间、增大土壤渗滤系统的落干时间等方法对于加强供氧有明显效果，同时也 可以改善出水水质。但在实际的污水处理工程中都希望在较高的水力负荷下运 行以减少用地面积，因此在土壤渗滤系统的运行过程中必须确定合适的干湿比。 4 l 绪论 除了土壤堵塞和氧气供应不足，在土壤渗滤系统运行前，为了使污水在系 统内稳定流动，必须对系统的水位加以控制，避免发生表面流，即需要对土壤 渗滤系统所在地常年地下水位进行了解并模拟。当系统接纳最小设计流量或最 大设计水量时，保证填料表面不会雍水。贾鲁河流域靠近滩地的两边为农田和 鱼塘，虽然一般情况下土壤渗滤系统不会造成地下水污染，但是在系统设计过 程中，必须考虑到污水对于地下水的污染问题。出于安全问题的考虑，应尽量 不破坏原土层，也可在土壤渗滤系统的测渗沟靠近农田和鱼塘的一侧采用防渗 材料，例如高密度聚乙烯树脂薄膜塑料等。 土壤地下渗滤系统中，为了发挥最大的污染物去除效果，在系统中添加人 工填料，而这填料土体是土壤地下渗滤系统的基质与载体，成功截留污染物为 后续植物吸收创造良好条件，是出水水质的重要保证。因此本课题将土壤地下 渗滤的填料作为主要研究对象。 1 3 地下渗滤系统填料的国内外研究现状 土壤地下渗滤系统中应用较多的填料，主要有活性炭填料、炉渣填料、陶 瓷填料、自然岩石材料等。为了达到更佳的处理效果，目前我国很多学者致力 于现有填料的表面改性研究。为了充分发挥填料的作用，应根据原污水的水质 情况和经济分析结论进行选择【2 l 】，主要参考多孔惰性载体，化学稳定性良好， 吸附能力强；水力负荷高，工作周期长，产水水质好等几个方便。 为了综合发挥各填料优势，填料土体往往由多种填料组成。填料级配十分 重要，以有效去除各种污染物质，同时有效避免堵塞，提高运行周期【2 引。不同 的土壤其去除污染物能力是不同的，通过改良土壤可增加其对污染物的去除能 力。土壤对于污水的净化能力与土壤性质和土壤胶体的种类、数量有关。土壤 质地会影响土壤水分的运动状况，进而影响污染物在土壤中迁移转化。土壤含 有胶体物质特别是有机胶体越多，其净化能力就越强。填料p h 值对于污水中 磷的去除最为重要，在影响填料的吸附特性，也决定磷沉淀物的生成【2 3 】，其矿 物吸附磷大于有机土壤对磷的吸刚2 4 。在当地土壤适宜的情况下加入一些有机 质，如碎石等或在土壤中掺和一定比例炉渣等，可为微生物提供良好生存环境， 提高土壤渗滤系统对于污染物的去除效果。也可在土壤中加入石灰石增加土壤 p h 值，这对于磷的去除有很大作用。 i 绪论 1 4 土壤渗滤系统的参数确定 1 - 4 1 填料粒径 填料粒径的大小是影响土壤渗滤系统水力传导性的主要因素，直接关系到 污染物在土壤渗滤系统中的停留时间和系统的孔隙度。流经土壤渗滤系统的河 流水在系统反应区停留的时间越长，其中的污染物被吸附和吸收的量就越大， 粒径大的填料，孔隙率大，所能容纳的污水量也大，相对粒径较大的填料更有 利于污水净化。目前关于土壤渗滤系统中填料粒径研究的资料比较缺乏，参考 已稳定运行的人工湿地系统，确定土壤渗滤系统中的填料粒径。在人工湿地系 统【2 5 2 6 】中，基质粒径范围在0 - - 3 0 m m 之间，最常选用的粒径范围是4 1 6 m m 。 由成功运行的实践证明，粒径为8 1 6 m m 的基质。由于人工湿地中有植物的作 用，它的根系遍布人工湿地的反应区，富氧作用明显，而土壤渗滤系统中，不 考虑植物作用，则小中试验填料粒径选择范围为3 m m 6 m m ，实地试验粒径选择 1 6 m m 。 1 4 2 水力负荷 采用土壤渗滤系统处理河流污水时，影响该土壤渗滤处理工程水力负荷的 主要因素主要是河流的水位，一般说来，当河流水位低的时候，有助于增加土 壤渗滤系统的水力负荷。进行水力学设计负荷时，应考虑气候、土壤状况、渗 透系数和植被类型等场地条件。目前，国内外已投入运行的土壤渗滤系统的典 型水力负荷为1 o 1 0 之 - - 5 o 1 0 。2 m 3 m 之d - 1 【2 6 】。复旦大学张之釜对土壤渗滤 工艺同水力负荷下去除c o d 、总磷、总氮和氨氮的实验数据表明，随着水力负 荷的逐步升高，四种水质指标的去除率均缓慢下降。为了控制出水n o j n 浓度 指标，最佳土壤渗滤水力负荷选为8 1 0 。2m 3 m 。2 d - 1 。由于本试验的土壤渗滤系 统受到河流的水位影响较大，贾鲁河的主河床水位在改造前后差别较大，实际 进行中试试验时，最佳的土壤渗滤水力负荷可适当调整。 1 4 3 土壤层的有效高度 根据国内外研究资料【2 8 1 ，土壤渗滤系统的土壤层有效高度的典型设计大于 0 6 0 m ，一般为0 6 0 m - - - 1 2 0 m ，对于氨氮、总磷和c o d 等水质指标的去除效果 中，吸附和生物降解为主要作用，生物降解作用主要活跃于距地表0 5 m 以内 6 l 绪论 的渗滤层或0 3 0 m 以内的表土层，吸附一般来所，对于土壤层的有效高度无明 显要求。n h ：n 去除率沿水流流向逐渐下降，其中硝化作用主要在土壤表层 0 5 m 完成，反硝化作用对于土壤层有效高度的要求属非限制性因素，根据现阶 段已有实验数据表明，多数土壤在距地表0 5 0 m - - 0 6 0 m 或0 3 0 m - - 0 6 0 m ，土 层范围内能将磷全部除去【2 9 3 3 1 。实验室试验选取土壤渗滤系统反应柱高8 0 m m ， 土壤填料反应柱高8 0 m m ，其中土壤占一半。低的土壤层高度可以减少投资成 本和保护地下水源，研究土壤层有效高度具有重要的现实意义。 1 4 4 不同的土壤处理方法参数 土壤处理污水根据污水投配到土地上以后在土壤中的流经途径，可以将其 分为地表漫流、湿地处理、地下渗滤慢速渗滤、和快速渗滤等五种处理类型。 不同的处理方式具有不同的工艺条件和参数，各处理类型的参数表1 1 t 3 3 。3 6 】。 表1 1 土壤处理系统的工艺条件和参数 t a b l e 1 1t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e ro fs o i lt r e a t m e n ts y s t e m 由于受到气温、降雨等气候条件影响，所以在土壤渗滤系统在不同地区对 于各个水质指标的去除效果存在很大差异，因各地要求的出水标准不一样，所 以在针对不同地区的土壤类型、土壤渗透系数、当地的自然地势和地下水水位 等因素考虑各工艺参数的同时，还要结合当地实际，采用最佳的土地处理方式， 一般来说，尽量采用已有的工艺参数进行实验以确保实际应用工程能够达到预 期的环境治理目的。 7 l 绪论 1 5 论文的主要内容 ( 1 ) 掌握滩地土壤特性与净化能力 在郑州贾鲁河的花园口黄河公路大桥段先行考查与取样分析，野外采其土 壤样品，室内处理后研究其理化性质等( 土样分析实验) ，实验研究其渗透系数、 吸附系数、孔隙度等参数指标。为土壤的静态和动态吸附试验，以及构建净化 系统提供基础数据。 ( 2 ) 确定填料的选取 填料的选择对于土壤地下渗滤污水处理系统的运行效果有着重要的意义。 对选取的介质( 活性炭、沸石、碎石、陶粒) ，室内研究其吸附性能，研究它们 对氨氮、总磷和c o d 等主要污染物的去除能力( 吸附实验) 。填料是土壤渗滤 系统的基质与载体，填料的所有理化性状都可能影响到它对污水的处理效果。 根据填料静态及动态吸附试验数据，为模拟土壤渗滤系统的小试试验提供合适 最佳介质。 ( 3 ) 模拟土壤渗滤系统处理贾鲁河水的试验 土壤渗滤系统采用最佳填料填充反应区，研究该系统对氨氮、总磷和c o d 等水质指标的去除能力，并将土壤渗滤系统与单一介质动态试验进行比较和分 析，研究土壤和填料两种介质对于去除氨氮、总磷和c o d 的作用效果。 1 6 论文研究的意义 本课题拟结合国家水体污染控制与治理科技重大专项的淮河流域水污染治 理技术研究与集成示范项目，研究的是贾鲁河流域的废水处理，采用经济与景 观兼顾的土壤渗滤系统。贾鲁河滩地比较宽阔、天然植被发育、土壤厚度较大， 土壤作为土壤一植物一微生物生态系统组成的基质，对污水的净化起着物理截 留、化学沉淀、吸附、氧化还原、络合及离子交换等作用，同时为土壤微生物 的分解者提供了必要的环境条件，使污水得到良好的生态净化。 2 土壤渗滤系统填料静态吸附试验 2 土壤渗滤系统填料静态吸附试验 静态吸附是被处理液与吸附剂搅拌混合，而被处理液没有自上而下流过吸 附剂的流动的吸附操作。土壤渗滤系统填料静态吸附试验目的主要是检测各种 填料对于河流水中污染物吸附能力的大小及其影响因素，从而确定各种填料的 吸附类型。操作方法是将一定浓度和体积的试验污水，与一定质量的填料混合 于锥形瓶中，放置到恒温振荡器中振荡一段时间，让填料充分发挥吸附功能， 振荡后，取其上清液。 测定净化能力：测定进出水污染物浓度，主要指标c o d 、氨氮和总磷等， 计算填料的吸附容量；确定填料对污染物的吸附类型。 吸附的过程主要分为三个阶段：颗粒外部扩散阶段、颗粒内部扩散阶段、 吸附反应阶段。一般说来，吸附质粒径越小，吸附速率越快，打到吸附平衡时 间越短。 2 1 试验材料与方法 2 1 1 试验材料 ( 1 ) 试验用水 试验用水主要是来自于索须河第七标段的河水，即郑州市的花园口黄河公 路大桥东侧1 0 0 - - 2 0 0 m 范围内的河水。贾鲁河系淮河的二级支流，是淮河流域 污染最为严重的支流之一，水体功能区划为类水体。 确定实验水质为表2 1 ： 表2 1 试验用水水质 t a b l e 2 1w a t e rq u a l i t yo f t e s t 水质指标范闱 c o d c r n h 3 - n t p p h 1 5 0 6 0 0m g l 2 8 8 0m g l 2 1 0m g l 7 8 9 2 土壤渗滤系统项科静态吸附试验 由于贾鲁河天然径流小、主要来水为经过深度处理的城镇生活污水和工业 废水，c o d 和氨氮的浓度远高于地表水v 类水质。其受到工业废水、生活污水 及雨水等影响比较大，所以试验用水水质的范围跨度相对较大。 ( 2 ) 试验填料 本论文针对土壤渗滤系统处理河流水中氨氮和总磷指标不稳定难达标的问 题，结合选取质量、比表面积、化学稳定性、吸附能力、产水水质等方面的要 求，查阅文献资料，确定活性炭、碎石、沸石和陶粒这四种填料进行试验，填 料规格见表2 2 。 表2 2 试验填料 t a b l e 2 2p a c k i n go f t e s t 试验填料 规格n l n l 活性炭 沸石 碎石 陶粒 = l ，h = 2 - 3 巾= 3 6 = 3 - - 6 o = 3 6 沸石是一族多孔的铝硅酸盐晶体总称。本试验时候的沸石，外观呈灰白色， 粒径为3 - 6 m m 。沸石的去污机理主要体现在吸附作用、离子交换作用和化学反 应三种。在沸石晶体内有很多大小均一的孔穴和通道，沸石的表面具有强大的 色散力和静电力作用，因而具有很强的吸附性。同时，沸石对分子的吸附具有 筛选作用，只有物质分子直径小于沸石孔穴通道直径的才能够被吸附。在与水 样接触中，沸石晶格中的阳离子能与水样中的铵离子之间发生交换，使水样中 的铵离子减少。发生交换的离子也可以与污水中的磷酸根离子发生化学反应生 成沉淀【4 1 4 引。 活性炭是由含碳的物质碳化和活化而成。试验采用的是外观呈现黑色，直 径3 m m ，高2 - 3 c m 的柱体活性炭。活性炭的吸附量与比表面积和孔隙的孔径分 布有关。活性炭的吸附能力以物理吸附为主，并具有一定的极性【4 6 1 ，这种极性 来自于制造过程中形成了部分表面氧化基团。 陶粒品种很多，本试验使用的是轻质陶粒。轻质性是陶粒许多优良性能中 最重要的一点，也是它能够取代重质砂石的主要原因。陶粒的内部结构特征呈 细密蜂窝状微孔。这些微孔都是封闭型的，而不是连通型的。它是由于气体被 l o 2 十壤渗滤系统填料静态吸附试验 表2 3 渗透实验结果 t a b l e 2 3p e r m e a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t s 野外十样 取土样的第一个剖面位置 取土样的第二个剖面位置 编号l23 456l23456 取七深度 ( m ) 原状十的 含水率 w ( ) 密度 ( g c m 3 ) 水平渗透 系数 k ( c m s ) 十壤质地 0 8 。l 0 8 10 8 一l1 2 1 41 2 1 41 2 1 40 8 l0 8 10 8 11 2 1 4 1 2 1 41 2 1 4 41 34 2 43 7 42 7 7 2 6 92 6 73 4 13 9 43 6 82 4 52 2 92 6 9 1 7 81 7 8 1 8 41 7 41 6 31 6 31 8 91 8 41 8 81 9 0i 7 91 7 8 8 8 7 e 4 8 3 e 01 4 7 e 04 6 5 e 06 1 4 e - o3 18 e 一0 0 665 444 粉质 粘十 粉质 粘十 粉质 粉士粉十粉士粉士粉十粉士 粘十 1 2 7 e 1 15 e 7 0 4 e o5 4 6 e 06 4 7 e - 0 1 3 l e 0 5 0 50 5444 粉质 粘十 粉质粉质 粉土粉土粉士粉土粉土粉士 粘十粘十 注：本表数据为外送河南上业人学分析测试获得 2 土壤渗滤系统填料静态吸附试验 包裹进壳内而形成的，这是陶粒质轻的主要原因。 ( 3 ) 试验土壤 试验所用的土壤是采于索须河第七标段滩地，即郑州市的花园口黄河公路 大桥东侧1 0 0 2 0 0 m 范围内的南岸滩地。根据实地考察结果，如表2 3 ，土壤 为取土深度分上下两层。 ( 4 ) 气候条件 实验时间为夏秋两季，郑州市区多年平均降水量6 2 9 7 m m ，降水量年内分 配不均，降水最少的是1 月份，为5 - - - g m m ，最多的是7 月份，一般1 4 0 , 1 6 0 r a m 。 夏季由于强盛的季风控制，高温、高湿雨量集中，降水量为2 9 0 - - 一3 9 0 m m ，占 全年总雨量的4 5 - - - 6 0 ，实验装置设置在室内，不受降雨量的影响。 ( 5 ) 试验装置 填料的静态吸附试验采用的装置为s h a c 型的水浴恒温振荡器。 2 1 2 主要水质指标测试方法 ( 1 ) 试验方案 取一定量的填料投入5 0 0 m l 的锥形瓶，加入1 0 0 m l 一定浓度的污水，瓶 口封住，在恒温振荡器上振荡一定的时间，静止1 5 分钟后，取上清液，分析其 中氨氮和总磷的含量。由实验结果求得填料对污染物的吸附量。 ( 2 ) 分析方法 水质分析指标主要有c o d c r 、氨氮和总磷，按照水和废水监测分析方法 中的方法分析。主要分析项目及方法见表2 4 表2 4 主要分析项目及方法 t a b l e 2 4m a i na n a l y z i n gi t e m sa n dm e t h o d s 2 十壤渗滤系统填料静态吸附试验 2 2 试验结果与分析 以吸附时间对吸附效果的影响作为本次静态试验的主要研究内容。 反应条件：氨氮进水浓度为6 0 8 6 m g l ，总磷进水浓度为8 4 0 m g l ，活性 炭、碎石、沸石和陶粒的剂量均为3 9 ，转速2 0 0 r m i n ，温度2 7 。c 。 2 2 1 去除氨氮的试验 不同吸附时间后氨氮的出水浓度见表2 5 。 表2 5 不同吸附时间后氨氮的出水浓度( m g l ) t a b l e2 5t h ec o n c e n t r a t i o n s ( r a g l ) o f n h 4 + - na f t e rt h ed i f f e r e n ta d s o r p t i o nt i m e 填料类型 i 对、f u - j ( m i n ) 51 52 06 09 01 2 0 1 5 0 填料类型 活性炭 4 1 164 0 3 74 0 3 73 9 3 23 7 7 53 6 4 33 6 4 0 碎石 4 3 5 34 0 3 74 0 3 73 8 8 03 7 2 23 5 9 13 5 8 2 沸石4 0 1l3 8 8 03 8 8 03 9 5 83 6 9 63 6 4 33 6 4 0 陶粒 4 1 6 93 9 0 63 9 8 53 9 0 63 7 7 53 6 4 33 6 4 1 由表2 5 可知：活性炭、碎石和沸石三种填料的氨氮出水浓度在起初的 1 5 m i n 内迅速降低，在1 5 6 0 m i n 之间除了沸石的出水浓度逐渐稳步回升，其他 2 种填料的出水浓度逐渐降低。吸附时间为2 0 m i n 时，陶粒对氨氮的去除率达 到最高，之后又有回升。四种填料在6 0 - - 1 2 0 m i n 之间，对于氨氮的去除率随着 时间呈现正比例关系，在1 2 0 - - 1 5 0 m i n ，活性炭、碎石、陶粒和沸石四种填料的 吸附达到饱和状态。 由吸附量的定义得出吸附量与吸附时间的关系图，见图2 1 。 由图2 1 可知，碎石的吸附量最大，但与其他三种填料相比较，没有明显 优势，四种填料的吸附量差别不大；四种填料的吸附量随着时间变化的规律相 似。由于活性炭为非极性分子，因而溶解度小的非极性物质容易被吸附，沸石、 陶粒与活性炭统属于比表面积大的一类吸附材料，三者与碎石吸附氨氮效果比 较没明显优势的原因，考虑的原因是由于污水中存在溶解度大的极性物质，影 2 土壤渗滤系统填料静态吸附试验 响了三种填料的吸附能力。 o 0 1 3 0 0 1 2 5 o 0 1 2 o 0 1 15 0 0 l1 掣0 0 1 0 5 童描： 善0 0 0 9 曾0 0 0 8 5 0 0 0 8 7 j 蛹 ，) 。 k 一一，兰；y 7 - - j 弋| | 一 05 01 0 01 5 02 0 0 吸附时间m i n 图2 1 吸附时间对四种填料吸附氨氮效果的影响图 + 活性炭 斗一碎石 沸石 _ 卜陶粒 f i g u r e2 1t h ef o u rt y p e so fa d s o r p t i o nt i m eo na d s o r p t i o no fn i t r o g e ne f f e c tf i l l e r s 2 2 2 去除总磷的试验 不同吸附时间后总磷的出水浓度见表2 6 。 表2 6 不同吸附时间后总磷的出水浓度c r a g l ) ：沁= 51 52 06 09 01 2 01 5 0 填料类型 活性炭6 7 96 4 9 6 4 96 3 86 2 8 6 0 8 6 0 7 碎石7 4 97 2 97 0 96 6 96 6 96 4 96 5 4 沸石7 7 07 67 - 3 97 2 97 1 96 9 96 9 3 陶粒6 7 9 6 7 96 7 96 7 96 4 96 4 96 4 9 t a b l e2 6t h ec o n c e n t r a t i o n s ( m g l ) o f t pa f t e rt h ed i f f e r e n ta d s o r p t i o nt i m e 由表2 6 可知：在起初的1 5 m i n 内，活性炭的总磷出水浓度迅速降低，在 1 5 6 0 m i n 间总磷的出水浓度逐渐降低。碎石和沸石的总磷出水浓度在前2 0 m i n 1 4 2 土壤渗滤系统填科静态吸附试验 内迅速降低。吸附时间为9 0 m i n 时，陶粒对氨氮的去除率达到最高，0 - - 9 0 m i n 之间，陶粒对于氨氮的去除率不随时间的变化而变化，在6 0 9 0 m i n 之间，陶 粒的总磷出水浓度迅速降低，在9 0 1 5 0 m i n 内，陶粒总磷的出水浓度达到稳定。 由吸附量的定义得出吸附量与吸附时间的关系图，见图2 2 。 由图2 2 可知，活性炭的吸附量最大，陶粒碎石的吸附量次之，沸石的吸 附量最小。活性炭和沸石的吸附量随着时间变化的规律相似，吸附量迅速升高 之后，在其后的时间里，吸附量随着时间的变化稳定升高。陶粒在起初的6 0 m i n 内吸附量没明显变化，6 0 , - , 9 0 m i n 内迅速升高，9 0 m i n 后无明显变化。碎石吸附 量在6 0 m i n 内呈稳定升高状态，其后半小时吸附量有稳定降低，1 2 0 , , - 1 5 0 m i n 基本达到稳定状态 r h 厂7 一 ，二，7 ”唯 加“- 一 i ? ， o 吸附时间m i n 2 0 0 + 活性炭 卜碎石 沸石 呻卜陶粒 图2 2 吸附时间对四种填料吸附总磷效果的影响图 f i g u r e2 2t h e f o u rt y p e so fa