（环境工程专业论文）cri系统cos降解试验及滤池有效高度模型构建.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 摘要 人工快速渗滤系统是在传统的污水土地处理技术基础上发展起来的一种崭新的污 水处理系统，是一种指将污水有控制地投配到具有良好渗滤性能的天然基质表面，污水 在受重力作用迅速向下渗透的过程中，由于氧化、硝化、反硝化、过滤、沉淀、氧化、 还原等一系列作用而得到净化的一种污水土地处理工艺类型。 本实验首先通过对几种常见、且经济上可行的人工快速渗滤系统基质( 河砂、木炭、 铁粉、石粉) 进行单因子实验，研究它们在静态条件下对有机物的吸附性能，试验表明， 河沙及木炭对有机物的去除效率最高( 表现为出水c o d 浓度最小) ，因此将这两种基质 作为试验模拟柱的主要填料。以河沙为例，研究它对c o d 的等温吸附特征，在m o n o d 动力学基础上研究比较c o d 降解的一级和准二级动力学模型，得出一级动力学方程更 能反映河沙对水溶液中c o d 的等温吸附动力学过程的结论。该结论在很大程度上丰富 和发展了c r i 系统污水处理工艺的控制与修复理论。 在试验室建立模拟c r i 系统模型，模型主体为3 根c r l 人工试验模拟柱，以河沙作 为模拟柱的主要填料。其中柱1 模拟传统c r i 渗滤池，滤料为河沙+ 5 的大理石砂，柱 2 是在传统c r i 渗滤池中添加1 0 的木炭，柱3 是在传统c r i 渗滤池中添加5 的铁粉。 通过3 根c r i 模拟柱的试验和对有机物去除效率( 以c o d 的含量表征出来) 进行比较， 最后得出添加木炭的模拟柱2 对有机物去除效率最佳，即添加适量木炭有助于提高c i r 系统去除有机物的效率，从而为实际工程设计和运行提供依据。 由于目前确定c r i 滤层高度一般都是根据特定的处理目标采用经验判断( 实际工程 设计) 的方法，缺乏科学、准确、逻辑的测算方法，本研究最后在不同进水c o d 浓度 和不同水力负荷条件下，分别对c o d 降解进行试验，推导并建立了计算c r i 系统滤池 有效高度的计算模型，为c r i 系统的构建提供了理论支撑。 关键词：c r i 系统；c o d ；基质；规律；滤池高度 西南交通大学硕士研究生学位论文 曼曼皇曼皇曼曼曼量皇曼曼皇曼量皇曼量曼曼曼量曼曼皇曼曼曼曼皇量皇曼皇曼曼i i1 皇曼量曼曼曼舅量鼍曼曼曼舅舅甍量量鼍鼍曼曼舅舅量皇一 a b s t r a c t c o n s t r u c t e d r a p i d i n f i t m t i o ns y s t c m ( c r i ) i sat o t a l l yn e ww a s t e w a t e rp r o c e s s s y s t e m ，w h i c hi s d e v e l o p e d o nt h eb a s eo ft r a d i t i o n a lw a s t e w a t e rl a n dt r e a t m e n t t e c h n o l o g y , a n di so nt h ep u r p o s eo fb a t c h i n gw a t e rc o n t r o l l yi n t ot h en a t u e rm e d i u ms u r f a c 宅 w i t hb e t t e rp e n e t r a t i n gq u a l i t y , a n dt h e ni nt h i sp r o c e s s ，w a s t o w a t e ri sp u r i f i e db e c a u s eo fa s e r i s eo ff u n c t i o i l s s u c ha sb i o l o g i c a lo x i d a t i o n 、n i t r a t i o n 、d e n t r i f i c a 矗o n 、i n f i l t r a t i o n 、 d e p o s i t i o n 、o x i d a t i o na n dd c o x i d a t i o n 【，w h e np e n e t r a t i n gr a p i d l yu n d e rg r a v i t y a c t i o n f i r s t l y , t h i se x p e r i m e n tc h o o s e ss e v e r a lc o m m o n ，a n de c o n o m i c a l l yf e a s i b l e ( t h er i v e r s a n d s ，c h a r c o a l ，i r o np o w d e r , a n ds t o n ep o w d e r ) e x p e r i m e n t s ，a n ds t u d i e st h e mi nas t a t i c c o n d i t i o n sf o ro r g a n i cm a t e r i a lw i l lm a k eap e r f o r m a n c eo ft h er e m o v a lf o rc o dw h i c h ( t h e r i v e rs a n d sa n dt h ec h a r c o a l ) i se f f i c i e n c y , a n da c c o m p l i s h e st h em o d e l sf o rt h ef i l l e ra r t i f i c i a l m a t e r i a sc h o i c e s e c e n d l y , f o re x a m p l eo ft h ef i v e rs a n d s ，as t u d yo ni t sw a t e rs o l u t i o nt ot h e a v e r a g ec o d ，a n dw eu s et h ep m n a r ya n ds e c o n d a r yk i n e t i cm o d e lt oa n a l y s et h eo r g a n i c ， c n e r g e t t ot h eo r g a n i cl a w , t h er e s u l tc a nd c v d o pa n dp e r f o rt h ee f f l u e n td i s p o s a lp r o c e s so f w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n dr e s t o r a t i o no f t h e o r y a f t e rt h em a t e r i a l s c h o i c e ，w ec o m p l e t e dt oe s t a b l i s ht h r e es m a l ll a bm o d e l sw h i c h s i m u l a t et h ec r ic y s t e m t h ec o l u m n1i sat r a d i t i o n a lc r ic y s t e mp o o l ，w h o s em a t e r i a l sa d d f o r5 o ft h es t o n ep o w d e r , t h ec o l u m n2a d d10 o fc h a r c o a l s ，a n dt h ec o l u m n3a d d5 o f t h ei r o np o w d e r w er e p e a t e dt h ee x p e r i m e n to ft h et h r e es i m u l a t i o np i l l a r si no r d e rt of i n do u t t h ee f f i c i e n c yo fr e m o v a lt h ec o n c e n t r a t i o no fc o d ，s ow eu s et h ee x p e r i m e n td a t eo fc o l u m n 2 o nt h eb a s i so fm a n na t ss t u d y , w ee s t a b l i s h e dt h er e m o v i n gk i n e t i cm o d e lw h i c hi sr e l e x t ot h ei n - o u tw a t e rc o da n dt h eh e i g h to ft h ec o n t a m i n a n t s i tc a nb eu s e da st h e 百s t si nt h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g na n do p e r a t i o n b e c a u s eo ft h ec u r r e n td e t e r m i n et h el e v e lo ft h ec r ia r eu s u a l l yb a s e do ns p e c i f i ct a r g e t u s e dt od e t e r m i n et h ep r a c t i c a lw o r ke x p 9 1 i e n c e ( p r a e t i c a le n g i n e e r i n gd e b u g g i n g ) m e t h o d , w h i c hi sl a c ko fs c i e n c e , m a t h e m a t i c sa n dl o g i c ，t h i ss t u d yc a l c u l a t e da td i f f e r e n tl e v e l si nw a t e r c o da n du n d e rt h eh y d r a u l i cl o a d i n gc o n d i t i o n sc r is y s t e mf o rc o dd e g r a d a t i o nd y n a m i c s o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t s ，t h er e a s o n i n go ft h ec r ia r ee s t a b l i s h e df o rt h ee f f e c t i v es y s t e mo f m a t h e m a t i c a lm o d e l ，c r is y s t e mf o rt h ef a s tt h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fat h e o r e t i c a ls u p p o r t 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 ns y s t e m ：c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ；g r o u n d s u b s t a n c e ；d i s c i p l i n e ： f i l t e rh e i g h t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着工业化、城市化进程的不断加快，世界正面临着水资源短缺、污染严重的巨大 挑战。据报道，目前，我国约有5 0 0 0 万人口和4 0 0 0 万牲畜的安全饮水存在问题，约有 一半耕地经常受到干旱威胁。全国有三百多个城市缺水，一百多个城市供水贫缺，地下 水超采严重，部分水源受到污染，城市人口迅速增长和工业化给许多城市的水资源和环 境保护带来很大压力。 自1 9 8 5 年以来，我国废水年排放总量一直维持在3 5 0 - 4 0 0 亿m 3 a 左右。1 9 9 9 年 废水排放量达到最高值4 1 6 亿m 3 ，城市污水污染负荷首次超过了工业废水污染负荷，我 国水污染的重点已经从工业点源为主的控制，逐步转变为以以城市污水污染为主的控制。 其后废水排放量还在以每年5 的速率递增，到2 0 1 0 年已增加污水量7 0 0 亿m 3 ，达到 1 0 5 0 亿m 3 a 。其中经二级生化处理的仅占6 9 ，有7 7 4 的城市污水未经任何处理直接 排入水体。 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。因此因地制宜采用分散和集中相结合的污水处理技术，进行 污水处理无害化、资源化是至关重要的。现有的污水处理厂一般都采用传统的污水处理 技术，其建设、运行、管理费用高昂，对于我们发展中国家目前的经济实力来说具有较 大压力，且远远达不到污水处理的需要。因此，具有投资少、运行成本低等特点的土地 处理系统，日益受到全球的关注l l 3 j 。 污水土地处理系统是一种基于土壤生物作用的污水净化技术【4 】；它属于常年性污水 处理工程，由污水的沉淀预处理、贮水塘湖、灌溉系统、地下排水等系统组成。处理方 式一般为污水灌溉( 通过喷洒或自流将污水排放到土地上以促进植物的生长) 、渗滤( 将 污水排放到粗砂、土壤和砂壤土土地上竟渗滤处理并补充地下水) 和地表漫流。 污水土地处理的研究和应用在2 0 世纪初起步，5 0 - - 6 0 年代迅速发展，目前已有5 0 多个国家采用这项技术处理城镇污水和有机工业废水，我国有些城市也早在5 0 年代就展 开污水土地处理的研究，到2 0 世纪8 0 年代初，随着城市与工业生产的发展，我国先后 开辟了十多个大型污水灌区。 污水土地处理系统具有明显的优点：出水可用于农业灌溉，可以将污水的水肥资 源充分利用，实现污水资源最大化；基建投资低，可利用现有的旧河道，谷底，沼泽 地等，进行改建，从而实现污水的处理；经济管理简单，运行费用低廉，动力消耗低， 约为传统污水处理厂的五分之一到三分之一；可以再处理系统中养殖水生动物和植 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 物，组成多级食物链的复合生态系统。 当然污水土地处理系统也同样存在一些不可避免的缺点，如：占地面积较大，没 有空闲余地时不宜采用；处理效果受气候影响，如季节、气候、光照，降水等都有可 能影响处理效果；运行不当时可能会造成二次污染，如产生臭气、蚊蝇滋生，危害人 体健康等p j 。 土地处理系统是利用土壤一植物系统净化污水的功能，从而达到一定的处理目标。 对污染物的去除过程主要包括土壤的过滤截留、物化吸附、分解和沉淀、植物和微生物 摄取、微生物的氧化降解、蒸发等。 根据系统中水流运动的速率和流动轨迹的不同，污水土地处理系统可分为五种类 型：慢速渗滤系统( s r 系统) 、快速渗滤系统( r i 系统) 、地表漫流系统( o f 系统) 、人 工湿地( a r t i c i f i c i a lw e t l a n ds y s t e m ) 和地下渗滤处理系统( s w i 系统) 【5 ，6 】。 快速渗滤系统( r a p i di n f i l t r a t i o ns y s m n ，简称r j 系统) 是污水土地处理系统的一种， 是污水资源化的重要手段，具有很高的环境效应、经济效应和社会效应。传统的r j 系统 占地面积大，水力负荷低，最高的日水力负荷也仅0 0 3 m ，这是由于传统的系统主要 是利用天然的砂土地进行渗滤，场地土层不均一而使得水力负荷无法提高。为此，中国 地质大学( 北京) 近年来致力于人工快速渗滤系统( 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 ns y s t e m ，简 称c r i 系统) 的研究，到目前已成功地从试验研究转向实际工程应用，并首先在我国南方 地区开始推广应用。c r i 系统的渗滤池基质为具有一定级配的天然河砂，并掺入一定量 的特殊填料，以保证既有较高的水力负荷，又能满足出水的处理要求。c r i 系统是利用 快速渗滤池内的人工基质和特殊填料进行的过滤、吸附以及微生物的降解等多种作用的 相互结合，使废水中的有机物进行分解去除，从而达到水质净化目的的一种生态学处理 方法，它适用于河流污水资源化和生活污水处理。c r i 系统不仅具有操作简单、运行管 理方便、能耗低、投资低和运行管理费用低等优点，同时也有水力负荷高和出水水质好 等特点。 由于c r i 系统独特的结构及进水方式，使得渗滤基质表面的微生物生长迅速，通过 调整进水周期，渗滤基质表面具有好氧、兼氧、厌氧的作用，从而进一步提高污水的处 理效果，其中好氧生物降解是c r i 系统去除有机污染物的主要机制。整个处理过程不需 投加药剂，也不需传统好氧处理方法中采用的机械曝气等高能耗设备，故投资和运转费 用较低。一般来说，c r i 系统具有以下特征【1 0 , 1 1 ( 1 ) 建设成本低，运行费用更低：c r i 系统中占建设成本最大的投资为填料，主要 为河沙。一般地，每吨水处理建设成本约为8 0 0 - 1 0 0 0 元人民币；如果能做到污水自流， 不需要提升，则运行成本低于0 2 元人民币吨。 ( 2 ) 抗冲击负荷强，系统稳定性好：c r i 系统1 m 3 的体积可以处理2 吨以上河流污 水，是一般传统人工湿地系统处理效率的6 倍，c o d 负荷范围可以在1 0 0 - - 9 0 0 m g l ，系 统仍能稳定运行。 ( 3 ) 应急处理和深度处理可以有机结合，出水效果好，不造成投资浪费：c r i 系统 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 中通过调整水力负荷，可以处理不同的水量，水力负荷在一定范围内变化，对出水效果 影响较小。水力负荷的大小，与选择滤料的级配有关，因此通过不同级配的滤料选择， 可以调整不同的水力负荷，达到不同的处理效果。对于深度处理，降低水力负荷，出水 优于二级处理，而且除磷效果佳，也有一定除氮功能，只要部分更换滤料即可达到深度 处理，其它设施可以不作任何变动，不造成投资浪费，做到应急与深度处理有机结合。 ( 4 ) 不造成二次污染，不对污泥作任何处理：c r i 系统不需投加药剂，主要通过生 化作用处理污水，不造成二次污染；污泥在填料中由细菌消化，不产生污泥。也不需要 对系统进行反冲洗，主要通过特殊滤料进行。 ( 5 ) 占地面积相对不大：c r i 系统滤层最佳深度为2 m 左右，l m 3 的体积可以处理2 m 3 以上污水，1 0 万m 3 污水需占地约5 万m 2 ，大大小于传统人工湿地，与一般的二级污水 处理工艺的占地要求相当。 目前，经过多项实际工程证明，c r i 系统在处理城市生活污水和受污染的地表水时 具有显著效果，处理出水大部分指标达到了城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中的一级标准中的a 标准。近年我国政府将投入巨资进行河流水污染 治理，以深圳市为例，将投入7 0 亿资金治理深圳辖区内的7 条河流，在近期又将增加 2 5 亿元进行珠江水系专项治理。三峡库区水污染治理、北京水系规划、上海水环境治理、 南水北调工程水环境综合整治等计划都在实施中，c r i 系统凭借其经济有效的处理优势， 在河流水污染治理领域有广泛的应用前景。此外，我国村镇级生活污水治理问题也成为 我国环境保护的重要内容，我国农村人口众多，经济综合实力差，低建设成本、易于管 理的污水处理技术，是村镇污水处理的主要模式，c r i 系统正好顺应了我国村镇污水处 理的基本国情，必将在该领域发挥重要作用。因此，c r i 技术在河流污水资源化和城镇 生活污水处理方面具有重要的经济效益、环境效益和社会效益。 1 2 国内外研究现状 国外许多学者从6 0 年代开始，对c r i 系统进行了大量的研究工作，8 0 年代以后， 该项技术在一些发达国家得到普及【7 j 。近十几年来，以美国为首的几十个国家对c r i 系 统进行了一系列试验，并将其运用到实际工程当中，取得良好效果。我国自8 0 年代初开 始，在吸收与改进发达国家污水人工处理技术的同时，积极推行人工快速渗滤技术，先 后开辟了十多个大型污水灌区。 目前我国已研究并投入使用的c r i 系统，基本工艺流程如下： 预沉池的功能主要是降低污水中的s s ，以便提高快速渗滤池的渗滤速度，防止堵塞。 污水通过快速渗滤池的过程中产生综合的物理、化学和生物反应使污染物得以去除，其 中主要是生物化学反应，使有机污染物通过生物降解而去除。地下集水系统的功能是收 集净化水，净化水进入清水池贮存以供回用。快速渗滤法的主体是快速渗滤池，该系统 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 贾 由至少两个装填有一定厚度砂石填料滤池组成，采用干湿交替的运转方式，通过滤池内 的好氧、厌氧及兼氧性微生物降解污染物。落干期快速渗滤池大部分为好氧环境，淹水 期快速渗滤池为厌氧环境，所以快速渗滤池内经常是好氧和厌氧相互交替，有利于微生 物发挥综合处理作用，去除有机物。就氮的去除而言，落干时产生铵化和硝化作用，淹 水期产生反硝化作用，氮通过上述转化过程而被去除；悬浮固体经过过滤去除；重金属 经吸附和沉淀去除；磷经吸附和与快速渗滤池内的特殊填料形成羟基磷酸钙沉淀而去除； 病原体经过滤、吸附、干燥、辐射和吞噬而去除；有机物经挥发、生物和化学降解等作 用而分别被去除。 针对c 砌系统的研究主要体现在以下几个方面： 1 c r i 系统复氧问题的研究 c r i 系统也属于污水土地处理，复氧方式主要靠大气复氧。各国学者们为提高复氧 效率，研究得出以下三种方法：采用周期性干湿交替的工作方式加强系统复氧【1 2 - 1 4 ； 对于植物本身可以利用根系进行复氧，据报告，植物根系对氧的传输率可达 2 0 耐d 【i 川，效果显著；安装通风管，主要应用于地埋式砂滤系统。此外，近期研究 出来的微曝气生物滤池，可以大大增加复氧效率，缩短生化反应时间，降低设备投资， 简化操作工艺，复氧效果显著【1 睨1 1 。 2 c r i 系统渗滤基质研究 对于c r i 系统的渗滤基质的基本要求是具有良好的渗透性能。基质的渗透性能越好， 其水力负荷越高。但水力负荷过高，系统的出水水质就难以保证。所以，应用于c i r 系 统的渗滤基质既要保证有很好的渗透性能，又要含有一定量的粘土矿物和有机质 2 2 - 2 3 1 。 目前，实际工程中应用的主要基质为天然砂，它的优点在于：获取方便、价格低廉、渗 滤性能优良l 件驯。 3 c l t j 系统系统堵塞问题研究 堵塞问题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l z 掣川。 目前解决这一问题主要有两种方法：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基质。 4 c 砒系统运行方式研究 运行方式直接影响砂滤系统的复氧效率。不同的运行方式直接影响水在渗滤系统中 的动力学行为。在相同的水力负荷条件下，缩短淹水期，增加污水在单位时间的投配次 数，会直接影响地埋式渗滤系统的污染物去除效果【1 1 , 2 8 j 。 5 c r i 系统水力负荷研究 水力负荷是单位体积滤料或单位面积每天可以处理的废水水量( 如果采用回流 系统，则包括回流水量) 。合理的水力负荷值应满足以下条件：保证良好的出水水质； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 系统能够稳定运行，不能因为污染物超负荷而被堵塞。在保证出水水质前提下，提高 系统水力负荷是c r i 系统的主要目标之一。目前，在c r i 工程设计中，水力负荷的典型 值是：对于河流污水采用1 5 m d ，对于生活污水采用1 0m d 。c r i 的水力负荷值比 的水力负荷上限高出3 5 倍。因此，在设计水力负荷时，需要将系统的渗透能力、系统 对污染物的处理能力和进水的污染物浓度综合考虑。 6 c r i 系统水力负荷周期及湿干比研究 水力负荷周期是指系统一次淹水和一次落干构成的循环。一般把干、湿延续的时间 比称为干湿比。一旦确定了配水时间和湿干比，也就确定了水力负荷周期。适宜的配水 周期与湿干比的确定，是c r i 系统运行的技术关键，影响着c r i 系统的水力负荷和处理 效果。 目前，人工快速渗滤系统工程大多采用短水力负荷周期的方式布水，典型的方式是 每天投配4 次，每隔6 l l 投配一次的方式。这与砒系统所采用的水力负荷周期有很大的 差别2 ”3 1 。大量研究表明对于生活污水，采用每天投配4 次，每隔6 h 投配一次的方式较 为合适。 1 3 研究内容、方法及技术路线 c r i 系统通常采用干湿交替的运转方式，即频繁淹水频繁落干，使快速渗滤池淹没， 而后停止投放，使快速渗滤池表面暴露于空气中，经历干燥和氧化作用。这样一方面可 以防止系统中生物生长过快和悬浮物沉积引起的系统堵塞，保证系统的渗透性能及时恢 复；另一方面可在系统内部的浅层剖面上交替形成氧化还原环境，从而使c r i 系统具有 独特的净化污染物功能。c r i 系统机理仍然还处于探索阶段，尚未完全清楚，但普遍 认为它是在过滤、截留、吸附和生物降解的协同作用下去除污染物的【3 5 3 6 。 目前国内外对c r i 系统研究较多，但研究的主体倾向于污染物去除机理以及去除效 果，而从污染物去除动力学角度的研究还相对较少。因此，论文着重研究c r i 系统中的 降解动力学模型( 通过对一级和准二级模型的比较，得出最优降解模型) ，并通过实验数 据的计算结果进行分析，以推导出“理论上滤池有效高度计算模型”，对以下几方面进行 研究： ( 1 ) 针对选择的几种常见的、且经济上可行的c i r 系统基质( 天然河砂、木炭、铁 粉、石粉) ，研究它们在静态条件下对有机物的吸附性能。 ( 2 ) 对c i r 系统进行室内模拟研究，有机物的降解规律符合m o n o d 方程，在m o n o d 动力学基础上研究比较c o d 的一级和准二级降解动力学模型，选出更能反映有机物降解 的的模型。 ( 3 ) 通过实验计算和反演，对理论上滤池有效高度计算模型进行推导。 论文主要采用室内模拟试验以与理论分析的相结合的方法，运用吸附作用、水污染 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 控制、m o n o d 动力学基础等理论进行研究，论文主要技术路线见图1 - i 。 厂c l u 系统c o d 降解试验、 、及滤池有效高度的计算模型， c r i 系统基质的选择 c r i 系统滤池高度模型 常见基质比较 最优基质的动力学研究 c o d 降解室内试验滤池高度模型 - | 4 ： - _ 。_ _ ， c r i 系统基质的选择 l 常见基质比较最优基质的动力学研究、比较 静态条件下对滤料的去除效果进行比较 选出最优动力学模型 i c o d 去除动力学模型的研究 l 一 l 一一一一一一 j 一一一一一一一一一 i ；一一 一一一一 ， 一一一+ 一，一一一一一 上一一一 一一一一一一，。一一 c r i 系统滤池有效高度计算模型研究 l 不同的污染负荷测试c o d 含量不同的水力负荷测试c o d 含量 l + 计算滤池有效高度 l一一一一一 _ 一上一 一 建立滤池有效高度计算模型 图i - i 论文技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 1 4 论文创新点 目前国内外对c r i 系统研究较多，但研究的主体倾向于污染物去除机理以及去除效 果，而从污染物去除动力学角度的研究还相对较少。本研究采用实验室c r i 模拟柱进行 生活污水试验，并在m a n na t 等研究的基础上【3 7 1 ，建立比较与进出水c o d 浓度和反应器 高度有关的一级和准二级污染物去除动力学模型，选出更能反映有机物降解的的模型。 在此基础上推算出c r i 系统有效滤池高度的计算模型，从而为实际工程设计和运行提供 依据。 c r i 系统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。 论文着重研究c r i 系统中c o d 的降解规律，在研究比较一级和准二级动力学模型 的基础上对理论上滤池有效高度计算模型进行推导，论文创新性主要有以下三方面： ( 1 ) 以往的实验研究，大都直接将基质添加到模拟柱中，进行污染物去除率的研 究，而本实验则先将几种常见的、且经济上可行的c l d 系统基质( 天然河砂、木炭、铁 粉、石粉) ，在静态条件下研究它们对有机物吸附性能的差异。其后再添加至模拟柱进行 试验。 ( 2 ) 在m o n o d 动力学基础上，比较c o d 降解的一级和准二级动力学模型。以往的 研究和文献大都只从标准偏差值1 2 来判断模型的精确性，缺乏可靠性，本实验通过 l a a g m u i r 方程相关参数以及相关实验数据经过校对得出结论，即在本条件下，一级动力 学方程q t - - - w ( 1 1 t ) 更能反映河沙对水溶液中c o d 的等温吸附动力学过程，而准二级动 力学模型相关误差较大。研究方法科学严谨，结论更加可靠。 ( 3 ) 当前确定c r i 滤层高度的方法一般都是根据特定的处理目标采用实际工程设 计的方法，缺乏科学、严格、逻辑的测算，本实验通过计算，对理论上滤池有效高度计 算模型日= = i 未糌进行推导。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章c r i 系统基质的选择及基质对污水中有 机物吸附动力学 2 1c 砒系统基质的选择 2 1 1 试验的目的及意义 人工快速渗滤( c r i ) 系统是一种高效低耗、具有广泛应用前景的污水生态处理系 统，具有操作简单、运行管理方便、低能耗、低投资和较低的运行管理费用等优点，已 成功地在我国多个地区进行工程应用，取得了较好的生态效益。c r i 系统的工艺原理为： 在快速渗滤池中填充一定量粒径比较小的滤料，当污水流经时，利用滤料的吸附作用截 留和吸附污水中的悬浮物和溶解性物质，再利用滤料的降解能力对吸附的污染物快速净 化。c r i 对污染物的去除主要源于过滤截留、吸附和降解作用共同完成。滤料的吸附性 能对c r i 系统处理污染物起决定性作用。 本章实验通过对几种常见的、且经济上可行的基质( 河砂、木炭、铁粉、石粉) 进 行单因子实验，研究它们在静态条件下对有机物吸附性能的差异，从中比较出对c o d 去除效率最高的基质，从而完成对人工试验模拟柱填料的选择。 2 1 2 试验设计 2 1 2 1 材料与方法 ( 1 ) 材料来源与性质 河砂、木炭、铁粉、石粉均来源于生资市场。为了保证实验中所有样品性质均一、 有代表性，将河沙、木炭样品洗净、干燥后，研磨成6 0 目备用( 铁粉，石粉已为细小粉 末，无需再做预处理) 。 ( 2 ) 吸附动力学实验 称取6 0 目的河沙、木炭、铁粉、石粉各2 0g ，分别置于2 5 0m l 具塞锥形瓶中，加 入1 0 0m l 生活污水配制的溶液，经测定其c o d 浓度为4 7 7 8m g l ，在恒温摇床中，以 1 2 0r m i n 、( 2 5 士1 ) 振荡，分别在时间间隔为1 h ，2 h ，4 h ，8 h ，1 5 h ，2 4 h 取出，离心， 测定上清液中c o d 浓度的变化，每种基质做五组平行试验。 2 1 2 2 结果与分析 在外部环境基本不变的试验条件下，分别对河沙、木炭、铁粉、石粉进行静态试验， 每种基质做五组平行试验，对c o d 的吸附动力学实验结果见表2 1 表2 _ 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 经过表2 1 2 4 的数据整合，取其平均值后，推算出各种基质对c o d 的去除率效果， 见表2 5 ；通过科学比较绘制出c o d 的去除效果对比图，如图2 1 所示。 表2 - 5 各种基质对c o d 的去除率( ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 8 0 7 0 6 0 釜5 0 v 槲4 0 案3 0 2 0 1 0 0 一 杉厂 , 1 j 、r v 一 x “ 舻“， ，。， 05l o1 52 0 2 5 3 0 震荡时间( h ) 图2 1不同基质去除率比对比图 由上图可以看出，在实验条件完全相同的情况下，河沙以及木炭对c o d 的去除效 果明显优于铁粉和石粉，2 4 小时内的去除率就达到了6 0 7 0 。并且基质对c o d 的去 除率随时间的延长而增加，到最后逐渐趋于稳定。 2 2 基质对污水中有机物的吸附作用与动力学研究 由上述研究初步断定，河沙以及木炭是最为理想的试验模拟柱填料。因此本节以最 为常见的河沙为例，研究河沙对水溶液中c o d 的等温吸附特征，并运用一级和准二级 动力学模型分析了河沙吸附有机物动力学过程，旨在考察河沙吸附有机物规律和性能， 比较出最优动力学模型。 2 2 1 试验方法 ( 1 ) 吸附等温线实验 称取上述6 0 目河沙2 0g 置于2 5 0m l 具塞锥形瓶中，分别加入1 0 0m l 不同浓度的 c o d 生活污水，置于恒温摇床中，以1 2 0 r m i n 、( 2 5 士1 ) 振荡2 4h 后，沉淀、过滤，测定 滤液的c o d 浓度，根据浓度变化，计算河沙对有机物的吸附量。 ( 2 ) 吸附动力学实验 称取6 0 目河沙2 0g 置于2 5 0m l 的具塞锥形瓶中，加入1 0 0m l 生活污水配制的溶 液，经测定其c o d 浓度为4 7 7 8m g l ，在恒温摇床中，以1 2 0r r a i n 、( 2 5 士1 ) 振荡，一 定时间间隔后取出，离心，测定上清液中c o d 浓度的变化。 ( 3 ) 计算方法 河沙对污水中c o d 的吸附量q t ( m g k g ) 按式( 1 ) 计算。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 铲警矿 式中：c o 为污水溶液中c o d 的初始质量浓度，m g l ；c 。为离心后上清液中c o d 的质量浓度，m g l ；v 为溶液体积，l ；m 为河沙用量，g 。 2 2 2 试验结果 ( 1 ) 吸附等温线 日前用于水处理中污染物吸附过程的等温吸附公式主要有l a n g m u i r 公式， f r e u n d l i c h 公式。 上世纪l a a g m u i r 研究固体对气体吸附过程时，通过假定提出l a n g m u i r 方程： q e = k l q o c c ( i + k 1 c e ) ，因为该方程可以得到介质吸附污染物的重要参数：介质对污染物 的最大吸附量( q o ) 、吸附强度因子0 4 1 ) 和吸附量( q e ) ，该方程在描述污水中污染物吸附过 程中得到广泛应用。f r c u n d l i c h 方程为q e _ k n ，该方程为经验方程，其中k 是与温度、 吸附剂比表面积等因素有关的常数，n 是与温度等因素有关的常数，1 1 值通常大于l ，但 k 与1 1 并没有确定的含义。两方程均建立在一定的假设基础上，因此究竟选择何种公式 描述的吸附过程需要以试验数据拟合后确定【3 8 】。 ( 2 ) 吸附等温线分析 本实验条件下，河沙对c o d 的等温吸附实验结果见表2 - 6 ，并借助于数据分析与科 学绘图软件m i c r o c a lo r i g i n 绘制和拟合吸附等温线，如图2 - 2 所示。 表2 6 河沙对c o d 的等温吸附实验结果 - 2 002 04 06 0 8 0 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 c o d 平衡质量浓度c em g l 图2 - 2 吸附等温线 o 8 0 4 2 o 8 8 4 2 2 1 1 1 1 1 95u，9b一莲螯口o。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 由表2 - 6 和图2 - 2 可见，在吸附作用的初始阶段，随着溶液中c o d 平衡质量浓度的 增加，河沙对c o d 的吸附量显著增大，当平衡质量浓度达到4 5 9 m g l 时，河沙对c o d 的吸附量约为1 2 1 0m g k g 之后，由于河沙表面活性吸附位的减少，吸附作用逐渐减弱， 进一步增加平衡浓度，河沙对c o d 吸附量增长缓慢，吸附作用趋于平衡。相应的吸附 等温方程及其相关参数见表2 7 。 表2 7 河沙对c o d 吸附等温方程的相关参数 根据o r i g i i l 软件拟合的数据及表2 7 可以得出河沙对c o dl a n g m u i r 吸附等温方程 见式( 2 ) 和f r e u a d l i c h 吸附等温方程见式( 3 ) ： 口：茎! 堡! 里! ：0 0 2 7 2 x18937065c + ( 2 ) “ 1 + k ，c 1 + 0 0 2 7 2c q 。= k 2 c ，4 = 2 0 1 5 1 4 2 c 。o 删 ( 3 ) 从相关系数看，f r e u n d l i c h 方程的标准偏差值r 2 偏小，只有0 8 6 2 6 7 ，同等实验条件 下l a n g m u i r 方程的标准偏差值r 2 较大，为0 9 7 0 3 6 ，故相比而言l a n g m u i r 方程能较准确 地描述河沙对c o d 的吸附等温特征。运用l a n g m u i r 方程可以计算出河沙对c o d 的理 论最大吸附量为1 8 9 3 7 0 6 5m g k g 。 ( 3 ) 吸附动力学分析 固体吸附剂对溶液中溶质的吸附动力学过程可用一级和准二级动力学模型进行描 斟3 9 h 4 。 当考虑一级动力学模型时，其微分形式为：罢 _ ：一k ，c 其常用表达式为：q ，= w ( 1 一e 。) ( 4 ) 对于准二级动力学模型，其微分表达式为：! 警= 也( 吼一g ，) z 积分后其线性表达式为：一t ：l + 一t ( 5 ) g f 七2 9 。 g 。 式中：q t 为河沙对污水中c o d 的吸附量，m g k g ；t 为吸附作用时间，h ；k l 为一级 动力学速率常数，h - 1 ；w 为与c o d 初始浓度有关的常数；k 2 为准二级动力学速率常数， k g ( m g h ) ；q c 为河沙对污水中c o d 的平衡吸附量，m g k g 。 本实验条件下，河沙对c o d 的等温吸附实验结果见表2 8 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表2 8 河沙对c o d 的吸附时间与吸附量的关系 河沙对c o d 的吸附实验 吸附时间 o2468l o1 21 41 61 82 02 22 4 ( 讹) 吸附量 一 一 ，。，0 3 1 3 6 4 18 0 4 9 0 5 1 1 9 9 1 3 1 01 4 3 51 5 2 61 5 3 6 1 5 4 91 5 5 31 5 5 5 实验结果显示，在实验初始阶段，河沙对溶液中c o d 吸附量急剧上升，1 4 小时以 后，河沙对c o d 吸附量的上升趋势趋于缓和，这是由于刚开始河沙表面具有较多的吸 附点位，对c o d 进行大量的吸附，经过1 4 个小时的吸附后，河沙表面的吸附点位大量 减少，且溶液中c o d 浓度也大大降低，导致河沙对溶液中c o d 吸附由快趋于缓和。 采用一级和准二级动力学模型，运用m i e r o e a lo r i g i n 软件对河沙吸附污水中c o d 动力学过程进行模拟分析，结果见图2 3 ，相应的参数见表2 9 。 2024681 01 21 41 61 82 02 22 42 6 t h 图2 - 3 动力学模型 表2 - 9 河沙吸附有机物一级和准二级动力学方程相关参数 根据表2 - 9 中相关参数得出河沙吸附有机物( 表现为c o d 浓度的变化) 一级动力学 方程( 式6 ) 和准二级动力学方程( 式7 ) ： 帅 o 侣 伯 伸 住 伯 酬 6 4 2 国 9毒u，1b 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 q 。= w ( 1 一p 一，) = 1 7 5 0 3 3 5 5 x ( 1 一p 卸1 0 9 4 ) t1t1t 一= = 一- 一= = 一1 一 q ， k 2 q 。2 q 。 3 7 0 1 2 x1 0 5 2 4 2 4 7 6 4 6 2 2 4 2 4 7 6 4 6 ( 6 ) ( 7 ) 从图2 3 和表2 - 9 可以看出，一级和准二级动力学模型标准偏差值产都较大，只从 标准偏差值f 来判断这两种模型都能较好地反映河沙对水溶液中c o d 的吸附动力学过 程，相比较而言，一级动力学对该过程的描述更为准确。 2 3 实验分析 由一级动力学方程( 4 ) 可知，当时间h 佃时，q 。- w ，因此w 反映河沙对溶液中 c o d 的吸附能力及w 近似于河沙对溶液中c o d 的最大吸附量，与q e e x p 3 6 ( 吸附作用 3 6 小时后河沙对c o d 的吸附量) = 1 6 9 6 m g k g 相比较，其大小十分接近，相对误差为3 2 。 由准二级动力学模型可以计算出河沙对溶液中c o d 的平衡吸附量q 。，与q e e x p 3 6 相比，q 。总体偏大，相对误差为4 2 9 7 。 由l a n g m u i r 方程计算出河沙对c o d 的理论最大吸附量为1 8 9 3 7 0 6 5m g k g