（环境工程专业论文）无砾石微孔管地下渗滤系统处理生活污水能力的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在无砾石微孔管地下渗滤系统研究中，改变了开孔方式，扩大系统规 模，并且设置了不同管径、不同土壤、不同植物的正交系统，研究了在水 力负荷为3 1 8 8 9 c m d ，不同的参变量对污染物去除率的影响，进行优选， 结果为大管径的c o d 、t p 、n h 4 + - n 和t n 的平均去除率分别达到8 7 0 7 、 8 4 9 7 、4 5 6 和5 2 6 7 。分析了大管径去除率高于小管径，砂壤土优于 黏土，吉祥草优于灯芯草的原因，并分析了气候和进水污染物浓度对处理 效果的影响。通过对实验结果的分析，分析出系统中存在着欠缺预处理， 氧化环境不佳的缺点。为了改善系统好氧条件，提高污染物去除率，经过 预处理改进、管道改进、进出水方式改进的措施，使水力负荷达到8 c m d ， 此时c o d 去除率为8 7 0 8 ，n h 4 + - n 去除率为6 7 7 5 。t n 去除率为6 6 5 8 ， t p 去除率为8 2 8 5 ，提高了系统处理生活污水的能力。通过对系统开孔 方式改进、预处理改进、管道改进、进出水方式改进等还提高了系统渗透 速率，系统共运行一年三个月之后，渗透速率由原来的3 6 0l m h 提高 到1 7 8 5 l m h ，有效改善堵塞现象。此外还研究了无砾石地下渗滤系统水 力学特性，不同管径，不同土壤对系统布水的影响，分析了进水到出水周 期中的不同时段污水的水力学特性。 关键词：无砾石微孔管、地下渗滤、处理能力、堵塞、 西南科技大学硕士研究生学位论文第| | 页 a b s tr a c t i nt h es t u d yo fg r a v e l l e s sp e r f o r a t e dp i p el e a c hf i e l d s ( g p p l f ) w e s t u d i e dt h ed i f f e r e n c e si no p e n i n gr a t e ( p e r f o r a t e da r e aa c c o u n tf o rt h et o t a l a r e ai ni n f i l t r a t i o np i p e ) i nm i c r o p o r o u st u b e i nt h e3 18 8 9c m dh y d r a u l i c l o a d i n g ，o fd i f f e r e n tp a r a m e t e rt ot h ei n f l u e n c eo ft h ep o l l u t a n tr e m o v a lr a t e w e r ec o n d u c t e dt h r o u g hc h a n g i n gt h ew a yo fo p e n i n gm i c r o p o r o u s ，e x p a n d i n g t h es c a l eo ft h es y s t e m ，a n ds e t t i n gu pt h eo r t h o g o n a ls y s t e mw i t hd i f f e r e n t d i a m e t e r s ，d i f f e r e n ts o i l ，a n dd i f f e r e n tp l a n t s a f t e rs e l e c t i o n ，t h er e s u l t sf o r c o d ，t p ，n h 4 + - na n dt na v e r a g er e m o v a lr a t ew e r e8 7 0 7 ，8 4 9 7 ，4 5 6 a n d5 2 6 7 r e s p e c t i v e l yw i t hb i gd i a m e t e rp i p e t h er e m o v a lr a t eo fb i g d i a m e t e rp i p ew a sh i g h e rt h a ns m a l lo n e s a n d yl o a mi sb e t t e rt h a nt h ec l a y a u s p i c i o u sg r a s si sb e t t e rt h a nj u n c u se f f u s u s ，a n da n a l y z e st h ee f f e c to ft h e c l i m a t ea n dp o l l u t a n t sc o n c e n t r a t i o n b yt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， t h es y s t e mw a sl a c ko fp r e t r e a t m e n ta n dg o o do x i d a t i o nc o n d i t i o n i no r d e rt o i m p r o v et h e a e r o b i cc o n d i t i o na n dt oi n c r e a s ep o l l u t a n t r e m o v a lr a t e ，c o n d i t i o n sl i k ep r e t r e a t m e n t ，p i p ed i a m e t e r ，a n dw a y so fi n f l o w a n d o u t f l o ww e r ei m p r o v e d i nt h eo p e r a t i o ns y s t e m ，t h eh y d r a u l i cl o a d i n g w a s8c m d ，c o dr e m o v a lr a t ew a s8 7 0 8 ，a n dt h en h 4 + - nr e m o v a lr a t ew a s 6 7 7 5 a l s o ，t h et nr e m o v a lr a t ew a s6 6 5 8 a n d8 2 8 5 f o rt p , w h i c h i m p r o v e dt h ea b i l i t i e so ft h es y s t e mt ot r e a ts e w a g e t h r o u g ht h e s em e t h o d s w h i c ha l s oi m p r o v e dt h ep e n e t r a t i o nr a t e ，t h es y s t e mo p e r a t e day e a ra f t e r t h r e em o n t h s ，a n di t sp e n e t r a t i o nr a t ei n c r e a s e df r o mo r i g i n a l l y36 0l m h t o17 8 5l m h ，w h i c he f f e c t i v e l yp r e v e n t e dt h ec l o g g i n gp h e n o m e n o n b e s i d e s ，h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c si ng r a v e l - l e s sp e r f o r a t e dp i p el e a c hf i e l d s ， d i f f e r e n td i a m e t e r s ，a n dd i f f e r e n ts o i lo nt h ei n f l u e n c eo ft h ew a t e rs y s t e m w e r ea l s os t u d i e d t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so fw a s t e w a t e ri nd i f f e r e n t t i m ei na n do u ti nac y c l ew e r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：g r a v e l - l e s s p e r f o r a t e dp i p e l e a c h f i e l d s ( g p p l f ) ， p r o c e s s i n ga b i l i t y ，c l o g g i n g 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 学术背景及理论与实际意义 在城市化进程越来越快的今天，我们发现长期持续的发展进程导致了我 国的城市和乡村的各个方面发展差距很大，在污水处理方面也尤为显著。在 城市里，不仅有完善的处理技术和管网设施来收集和处理生活污水和其它废 水。但是在广大的农村乡镇，污水的收集和处理却远远没有城市先进完善。 在农村，没有系统的排水管道和污水处理设施。附近水域因为收到了当地的 居民随意排放的生活污水的污染，所以出现了很多环境问题，比如说富营养 化、水华蓝藻等问题。农业、工业、养殖业等第三产业的发展以及人口不断 的增长，导致出现了各类分散式生活污水污染源，它们分布范围广，形态分 散，而且规模各异，所以需要高效率、低能耗的污水处理设施来处理这类污 水。但是在当前的城市的处理污水的管网系统中，往往没有覆盖到这些远离 城市中心的地区。所以包括农村乡镇在内的一些偏远地区的污水处理问题依 然是一个急待解决的热点问题。而且即使是有一定的经济基础来建设污水收 集管网系统，还必须按照污水处理规模放大原有的污水处理设施。所以从经 济角度考虑，这类污水的集中处理成本很高。 分散式生活污水就是这类在污水管网系统没有覆盖和服务的地区或者 暂时停止收集或集中处理不到位的分散排放的生活污水。在2 0 1 0 年中，占到 我国生活污水总量的8 0 以上的乡镇污水排放量约为2 7 0 万吨。 分散式生活污水的组成部分很多，包括洗衣和当地居民的厨房用水、厕 所用水、清洁用水等等。分散式生活污水富含氮、磷等营养物质，可生化性 能强，一般情况下，没有高盐，难降解化学成分、有毒有害物质等等，由于 来源于居民日常生活，所以粪便、洗涤用品等是主要物质。 因为居民生活习惯、起居生活方式、地方经济水平等不同，分散式生活 污水的水质水量随时间和地区变化差异较大，污水有以下特点：( 1 ) 由于管 网收集系统不到位，没有实施处理措施而粗放型排放，所以污水地域分布较 为分散，涉及范围较广、排放随机性很强，防治十分困难；( 2 ) 乡镇和村庄 的用水量标准很低，污水用量较小但是每天水量的变化系数较大：( 3 ) 污水 组分虽然复杂，但各种主要污染物的浓度不高，整体的可生化性较强。在各 个规模的分散式污染源所排放或产生的生活污水因为得不到很好的收集和 治理，任意就地排放，对附近地面水环境造成的污染和附近水域的水生生态 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 以及对周围地面的环境造成的破坏正日渐突出。 在建设社会主义新农村的背景环境中，我们不但要发展好农村的经济， 更要注重新农村的环境建设，不但要清洁生产，也要使生活居住条件卫生。 因此，依据我国分散式生活污水的水量水质特征，积极研究开发建设成本低、 处理效果好、运行无费用或低费用、适合分散式的生活污水处理技术，研究 适合广大农村地区分散式生活污水的处理模式，是当前亟待解决的问题 与集中式处理分散式污水相比，就地处理分散式污水具有以下优点：( 1 ) 不构建复杂的基础设施，没有集成管网，不容易受到人为因素的破坏；受外 界经济条件和地理环境制约小；而且系统规模一般较小，所以维护运行和管 理较为方便；( 2 ) 和其他处理设施一样，可应用于各种规模；处理后中水 易于进行植物、农作物回收利用。 因此，分散式生活污水就地处理技术是当今国内外学者研究的热点问 题。在分散式生活污水的处理工艺之中，有如下很多：人工湿地生态处理系 统、一体化氧化沟、地下渗滤处理系统、净化槽技术、快速渗滤处理系统、 地埋式有无动力厌氧处理技术、高效藻类塘技术等。然而这些处理技术各 有优点和缺点，所以研究一种更适合分散式生活污水的排放特点、水质特点 和水量变化特点的处理工艺是应失事所需的难点问题。 地下渗滤系统作为分散式生活污水就地处理工艺的一种，它具有以下的 优点：影响地表景观、基础建设，运营管理费用较低、运行管理技术较为简 单、对氮磷的去除效果较好、出水水质良好、可用于中水回用等特点。 在近期以来，美国、日本、俄罗斯、以色列、西欧等国和澳大利亚，有 很多的学者致力于地下渗滤系统的研究。地下渗滤系统的研究不仅具有探究 价值也应用前景。 由于我们经济发展的不均衡，所以在城市，很多的污水处理厂采用传 统的活性污泥法二级处理工艺，不但操作复杂，难于运营维护，其基础建 设投资和运行费用昂贵，还会产生大量的含水率较高污泥，需要运输和填 埋或者其他的后续处理工艺；高能耗、高投入，高成本。并且铺设长距离 和大范围的污水收集管网进行低收集率的污水收集肯定在经济上不合理， 操作可行性低。所以从2 0 世纪8 0 年代开始，我国开展分散式生活污水就 地处理技术的探究和摸索工作，厌氧沼气池、人工湿地处理技术、地下土 壤渗滤法、稳定塘等无动力或微动力的低能耗型一体化污水处理装置在广 大的农村地区得到发展利用。 地下渗滤系统是利用土壤作为基质，利用微生物和植物的生长，吸收转 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 化把生活污水的各种污染物去除的就地处理工艺的一种。在污水进水到出水 的过程中，污染物的去除机理包括了：物理吸附截留、化学转化、生物吸收 利用等几个方面。 地下土壤渗滤法具有很多的优点：( 1 ) 工艺流程简单，运行可靠，管理 方便，处理和利用污水相结合，成本较低，可用于农村地区和小城镇生活污 水的处理；( 2 ) 整个处理装置不损害景观；( 3 ) 处理水质良好且稳定；( 4 ) 能适应进水负荷的变化；( 5 ) 能去除氮、磷；( 6 ) 维修管理容易；( 7 ) 运 行费用低；( 8 ) 能自由地选择建造规模适应性较强，既可用于人群聚集区， 又可用于旅游风景点、度假村等居住分散地区；( 9 ) 并能有效利用占地面积； ( 1 0 ) 由于复盖土壤故不产生臭气；( 1 1 ) 无二次公害；( 1 2 ) 工艺流程简单， 运行可靠，管理方便，处理和利用污水相结合，成本较低，可用于农村地区 和小城镇生活污水的处理；( 1 3 ) 系统采用地埋式设计，自然覆盖土层，故不 会因处理和利用生活污水而产生不良气味和滋生蚊蝇，不损害景观，基本无 噪声，在市区和人口稠密区，基于土地成本，可以结合绿化实施；( 1 4 ) 受场 地条件限制较小，适应性较强，既可用于人群聚集区，又可用于旅游风景点、 度假村等居住分散地区；( 1 5 ) 出水水质好，可达标排放和一定程度上中水回 用，体现了良好的环境和经济综合效益。 地下渗滤处理系统的工艺类型很多，包括：地下渗滤腔式系统、渗滤沟 式地下渗滤系统、渗滤坑式地下渗滤系统、地下渗滤管式系统或尼米槽式地 下渗滤系统等。 近年来，地下渗滤管式系统是分散式生活污水处理技术中的新技术和热 点研究方向。而在地下渗滤系统研究的基础上发展形成的无砾石地下管式渗 滤系统，它的核心技术是在土壤渗滤系统的渗滤沟中直接放置有褶皱织物包 裹的渗滤管，不再使用砾石堆。织物包裹的渗滤管有两个作用：( 1 ) 阻隔 作用：防止土壤进入渗滤管内并截留管内污水中的悬浮物质；( 2 ) 利用毛 管浸润作用，向周围布水。 无砾石地下渗滤管式系统具有以下优点：( 1 ) 降低了基础建设成本、 不使用砾石、从而更容易安装渗滤管、便于运行，维护降低了运营费用； ( 2 ) 处理效果稳定，能防止砾石在渗滤过程中的风化所引起的不良的处 理效果本试验将通过改进渗滤管结构、布水方式、不同水质、不同进水量 等来研究其对生活污水的处理能力的研究，而且，管式地下渗滤系统的普 及程度并不高，原因也在于易堵塞。因此，从机理上解释管式地下渗滤系 统堵塞原因，为探讨防治措施提供基础性资料和理论依据，指导改良管式 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 地下渗滤系统的设计施工及运行维护，为管式地下渗滤系统的设计施工和 运行维护提供可靠的理论参考，具有较高的理论和现实意义，并且深入地 探讨和解决地下渗滤系统目前存在的缺点，寻找合理的解决方法，而且可 以为分散式生活污水地下渗滤处理系统的进一步推广应用奠定一定的技 术基础。 但是，无砾石地下渗滤管式系统的普及程度并不高，原因也在于( 1 ) 易堵塞；( 2 ) 水力负荷低、占地规模大；( 3 ) 脱氮效果不佳。因此，从机 理上研究地下渗滤管式系统堵塞原因，开拓思路，为探讨防堵措施提供理论 依据，改良无砾石地下渗滤管式系统的内部构造，施工设计和运行维护。在 无砾石微孔管地下渗滤系统研究中，改变了开孔方式，扩大系统规模，并且 设置了不同管径、不同土壤、不同植物的正交系统，进行优选，并分析其原 因。通过对实验结果的分析，分析出系统中存在着欠缺预处理，氧化环境不 佳的缺点。为了改善系统好氧条件，提高污染物去除率，经过预处理改进、 管道改进、进出水方式改进的措施，提高了系统处理生活污水的能力和系统 渗透速率，有效改善堵塞现象。并研究了无砾石地下渗滤系统水力学特性， 不同管径，不同土壤对系统布水的影响，分析了进水到出水的周期中不同时 段污水的水力学特性。 1 2 国内外文献综述 1 2 1 国外文献综述 在很多国外地区，农村分散式生活污水处理技术得到了很好的应用发 展与研究，取得了很多的成果。从1 9 世纪中叶开始，美国就开始建设农 村分散式生活污水处理设施，目前美国政府对简易且经济有效的分散型污 水处理技术采取奖励机制和鼓励政策，而且分散型生活污水处理系统在美 国乡镇生活污水污染控制方面发挥着很重要的治理作用。 据美国1 9 7 2 年度的不完全统计城市生活污水的土壤处理设施有5 7 1 处，服务的人口有6 0 0 余万，其中316 处分布在13 个州为农作物灌溉系 统，另外2 5 5 处分布在3 2 个州为渗滤或其他系统。而且污水土壤处理设 施仍在逐年增加，且规模越来越大。澳大利亚也进行了不少有益的探索。 该国联邦科学和工业研究组织( c o m m o n w e a l t hs c i e n t i f i ca n di n d u s t r i a l r e s e a r c ho r g a n i z a t i o n ) 提出了f i l t e r 处理工艺，这是一种“过滤、土地处 理与暗管排水相结合的污水再利用系统”。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 r o b e r tl n 纠等研究地下渗滤系统水力负荷对生活污水中污染物的去 除的影响。j l z o u 1 等通过对土壤进行生物强化技术，分别为“菌剂+ 5 0 草碳+ 5 0 沸石 和“1 2 5 菌剂+ 2 5 营养基质+ 1 2 5 煤渣+ 5 0 原土”。 而与原土填充系统水力负荷为4 8 c m d a y 时去除8 0 氨氮和3 1 3 4 3 2 的总氮，在水力负荷为1 0 c m d a y 两个系统改善土壤后把8 5 氨氮转换为 n 0 x - n 和消除4 9 8 6 0 6 的总氮( t n ) ，结论是微生物活动和氮的去除率 在经过生物强化s w i s 得到改善。l i a n g b o h l 等稳定运行景观污水一年后， 得到在系统水流特性和生物膜空间分布格局。结果表明，挥发性悬浮固体 ( v s s ) 的挥发强度，蛋白质，多糖，活细胞数和脱氢酶率与水相的空间 分布规律活动一致。此外，活细胞，蛋白质和多糖脱氢酶随深度降低。此 外，蛋白质、多糖比值随深度增加。m i k a e lp 1 l 1 等对地下渗滤系统的研 究表明，表层土壤的氧化还原条件好，将利于好氧微生物和硝化细菌的生 长，从而有效去除污染物可见地下渗滤系统中，有机质的迅速降解使得反 硝化菌可资利用的碳源不足，而好氧环境亦不利于反硝化菌的生长繁殖， 由此导致较低的总氮去除率。k r i s t i a n s e l lr 口胡利用土壤含砂层系统处 理化粪池流出的污水。l i a n g b o 阳1 等加入低浓度的沉积物和聚集微生物群 落，加快了系统反硝化能力。v i r g i i 等当地下渗滤系统中污水从化粪池排 放率超过土壤的入渗率时，腔体周围土壤已经饱和时，测定系统对污水的 最小存储容量是十分重要的。结果为，标准的砾石管系统存储容量为1 0 2 加仑英尺，无砾石管式结构为传统砾石管的百分之1 0 0 到1 3 0 u0 1 。l w g i l l 1 等研究了不饱和地下土壤对氮去除能力的衰减效应。比较从化粪池 出来的水和二级处理后的水对相同土壤的影响，结果表明，前者为3 9g t o t a l n d ，后者为2 1gt o t a l n d ，有明显的降低。c h r i sc t a n n e r 纠等 研究了在人工湿地处理农场废水时水力负荷对化学需氧量，悬浮物和粪大 肠菌群的去除率的影响。y i n g f e n gl i n n 朝研究了人工湿地在各种水力负荷 对地下水中硝酸盐去除效果，结果为在水力负荷为0 1 2 和0 0 7 md ， 硝酸盐去除率较好。 b a v e y e n 们等的研究结果表明，土壤基质里微生物体积仅仅占孔隙体 积的极少部分。很多学者也得到了与b a v e y e 相似的研究结果，土壤孔隙 堵塞直接是土壤中胞外多糖的蓄积不是微生物的本身的数量增加。r o b e r t l s i e g r i s t n 副研究了在连续投配生活污水过称中的悬浮物浓度和有机污染 物与土壤渗透速率之间的关系，并且认为在连续投配污水必然导致堵塞现 象的发生，并建立了有机质浓度、悬浮物负荷和土壤基质渗透速率之间的 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 相关关系。t a k u y ak a w a n i s h in 6 1 通过理论分析和实践试验研究，从而得出 了最大生物量密度和最小水力负荷的两个理论概念。k a t s u t o s h is e k in 7 1 等 通过对各种对微观孔隙结构的实践研究而建立了与微生物、污染物浓度、 孔隙率相关的堵塞数学模型。 h a r o l dl l e v e r e n z n 8 1 等分析使用非饱和流模型的模型，基于模型的敏 感性分析的结果为，堵塞现象几个变量被确定为水力负荷，进水化学需氧 量浓度，运行频率和运行时间，并给出相关函数方程式。p a u lk n o w l e s u 引 等就堵塞问题在物理、化学、生物、三个方面的众多因素进行讨论，最后 强调了水力负荷和土壤负荷是系统正常运行的关键。z h a ol i a nf a n g 叫等 研究了在垂直流湿地中的堵塞机理，指出它与基质间隙里的有机物颗粒和 微生物的生长有密切关系。j u n g w o ok i m 乜玎等研究了多孔介质模型下的堵 塞问题，他认为流速影响了堵塞表面上生物形态和初态。 g f i n t e rl a n g e r g r a b e r 乜23 等以根据经验或简单的一阶衰减模型的规则 为基础用数值模拟研究了潜流人工湿地的中污染物的转化和降解过程。 v a nc u y k 乜3 1 等实践表明，表层土壤具有较高的生物活性。m a z i a rm 旧4 。 等用h y d r u s 2 d ( 流体建模有限元分析软件) 数值模拟了实验室条件下 的地下滴灌系统土壤中水分运动，并证明了模拟值与检测值有很高的一致 性。m o h a m m a dn 心朝等指出土壤氮负荷、水与介质的交换机制和过程、土 壤中氮的动态是氮浓度的重要影响指标。j o a ng a r c i a d 心刚等研究了构建系 统不同高宽比和颗粒大小的湿地中液压水平潜流行为。l r o l l a n d 旧等研 究了在砂滤系统中不同沙粒的理化性质对水力特性和微生物行为的影响。 d g i r a l d i 乜83 等用动态数值模型了垂直潜流湿地，并给出了水力模型和生 物模型。 1 2 2 国内文献综述 在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 污水地下渗滤系统。七五至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，地下渗滤现在已经是国内研究的热点。 袁晓燕、余志敏、施卫明乜卯对我国大清河流域典型村镇生活污水的 排放规律和污染物浓度研究表明，村镇分散式生活污水的水质和水量每天 随时刻和每年随季节变化明显。所以要使系统良好运行，出水的污染物浓 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 度含量低且稳定，地下渗滤的抗冲击能力也尤为关键。 张建阳叩等进行了处理村镇生活污水的中试研究，在2 c m d 的水力负荷 下，以红壤土作为填充土壤构建了地下渗滤系统，研究发现，地下渗滤系 统对生活污水中的各种污染物有着良好的去除效果。 张永峰等通过在露天试验场建立地下渗滤系统试验装置，研究了西 安地区地下渗滤系统处理生活污水的效果。启动期为3 0 天，整体处理效 果良好，出水污染物浓度随时间变化而变化，不太稳定，呈下降的趋势。 肖琳川2 1 研究了在不同污染物迸水浓度下，出水污染物浓度的变化， 其结果为随着进水污染物浓度的增加，c o d 去除率变化不大，总氮和氨氮 较为明显，呈下降的趋势。 李英华、孙铁珩、李海波、胡筱敏口3 研究表明，合理的土壤选配措施 即基质的选择与配比是地下渗滤系统成功的前提，改善土壤环境，使其具 备土粒结构发达、通透性好、吸附容量大、渗透率高、有机质含量丰富等 特性，可显著提高系统的水力负荷，减少土地使用面积。利用脱水和复配 后的活性污泥制成的生物基质材料改良地下渗滤系统床体结构，c o d 和氨 氮去除率平均提高了1 0 和7 ，水力负荷可由原来的4 c m d 。1 提高到1 0 c m d 一。以处理水量3 0 0m 3 d 。计，则有机负荷削减量可从7 0gb o d 5 r n 2 d 1 提高到1 7 5gb o d 5 m - 2o d 。 代莹、李全艳、孙铁珩们等通过在地下渗滤系统添加自行研制的微生 物菌剂，来改善土壤基质的有机质含量和增强地下渗滤系统中微生物生长 速率，从而提高系统对污染物的去除能力。 谢兴华朝通过对地下渗滤系统的工作原理和限制系统水力负荷原因 的研究，进行了系统结构的改善，比传统的污水地下渗滤处理系统提高了 6 倍以上的水力负荷。 黄琴63 研究了在水力负荷工况试验中，干湿比为3 ：1 时，研究了各个 水力负荷下面，污染物的去除效果，实践结果表明，总磷的去除率与水力 负荷的变化关系不大。 王晓艳阳”等对选取水力负荷、配水时间、湿干比三个运行参数为试验 因子作为研究对象进行研究，从而得出了地下渗滤腔式的最佳运行工况， 为今后的地下渗滤的运行参数提供参考。 程俊阳8 1 在高负荷运行了人工土层地下渗滤中试系统，达到了良好的污 染物去除效果，并且在与传统的城市处理生活污水的活性污泥法相比，很 大程度上降低了运营成本， 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 张之釜口明在地下渗滤系统中，通过对进水污染物浓度、水力负荷、水 温( 5 3 5 摄氏度) 、降解速率常数、土壤有效高度、土壤中铁元素浓度、 土壤碳氮比等因素研究确定了出水污染物浓度与这些因素的函数关系式。 孙志忠、张满银、张新军h 叩基于目前污水土壤渗透研究成果，从土壤、 污水性质及其相互作用三个方面分析了污水作为渗透液时，土壤渗透性的 变化及其影响因素。 董泽琴h 妇提出将e c k e n f e l d e r 生物滤池模式引入土壤地下渗滤净化沟 工艺设计中。 段光杰、何江涛h 2 1 等在污水渗滤土地处理系统中研究水力停留时间与 出水效果之间的关系，直接涉及到系统的大小与出水效果之间的关系。结 果表明，各污染组分的出水浓度与水力停留时间之间的关系，严格地说是 一种类指数关系，它实际是一条直线和一条负指数曲线叠加而成，而并非 纯指数关系，水力停留时间与进水量成反比。 马飞、蒋莉口33 在人工湿地水力学特性研究及进展一文研究了水流流 态，植物水力停留时间公式和水力传导率公式及植物生长对系统内部水力 的影响，指出人工湿地水力学特性诸如水力停留时间、水力传导率、容水 量、水量流态等因素都是降解污染物的重要影响要素，也是当前研究的热 点。 吴永锋等h 43 得出了淹水期入渗速率递减曲线和落干期入渗速率恢复 曲线，它们可分别用指数方程和对数方程来表达。据此提出了一种以追求 最大水力负荷为目标时水力负荷周期的定量设计方法。 何江涛h 副等认为渗滤系统中土壤基质孔隙堵塞的原因主要有悬浮物 的截留吸附引起的堵塞，污染物化学沉淀的堵塞，土壤颗粒遇水膨胀崩解 堵塞以及微生物生长过程中生成物照成的堵塞等，并最终给出了悬浮物堵 塞和微生物堵塞的关系式。 1 2 3 污染物净化机理 在无砾石地下渗滤系统中，污染物的去除机理分为生物机制和非生物 机制，其中生物机制包括微生物作用( 细菌、放线菌、厌氧菌、丝状菌、藻 类、原生动物等) 以及蛆蝴等、生化作用( 氨化作用、硝化作用、反硝化作 用等) 。 非生物作用分为物理作用和化学作用，其中物理作用包括物理吸附， 截留，过滤等作用。化学作用分为离子交换反应等。在地下渗滤系统启动 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 成熟之前，是以物理、化学反应为主导的污染物去除机制，但是等无砾石 地下渗滤系统成熟之后，是以微生物和生化反应为主要的污染物去除机 制。在去除过程中，会产生一系列物质，以大分子有机物、糖类，醇类为 主。也会产生一些厌氧气体，包括甲烷、氧化二氮、氮气，二氧化氮等， 产生的气体要及时排除到地下渗滤系统的外面，以免影响系统的好氧环 境，从而降低污染物去除率。 1 2 3 1 碳元素 污水中的含碳污染物是通过地下渗滤系统的物理作用即土壤颗粒的 物理吸附，截留，过滤作用和植物根系及周围的微生物体系吸收和渗滤管 周围和表面土层的微生物分解等作用而被去除的。所以在系统中填充土壤 的团粒结构发达，有机质含量高，能为微生物的生成和生长提供良好的外 部环境是至关重要的，只有这样才能使大颗粒污染物质通过土壤的物理截 留后能被土壤环境里面的微生物有效利用。并使得小分子有机污染物可以 通过渗滤性能良好的土壤得到有效的分布，污染物在土壤中较为均匀的分 布，也有效利用了土壤。 1 2 3 2 氮元素 在无砾石地下渗滤系统处理污染物的过程中与人工湿地处理污水的 系统相似，土壤渗滤系统中氮元素的转化和去除过程比较复杂。有机氮先 变成经过氨化作用变成氨氮，然后被氧化为硝态氮，然后通过反硝化作用 产生n 2 0 ( 缺氧环境) 和u 2 ( 绝对厌氧环境) ，从而氮元素得到去除。 1 2 3 3 磷元素 在水体的富营养化成因中，污水中含有超量的磷元素是主要原因之 一。当污染水体中的t p 含量高于0 0 2 m g l 时可引起水体富营养化。所以 在城市建设的过程中，在限制超标含磷废水排入附近水域，是一个需要严 加控制的重点。在无砾石地下渗滤系统中，磷的去除机理包括以下几个方 面：土壤介质的物理沉降和物理吸附、微生物降解、作物吸收，还伴随有 化学沉淀等反应的发生。按照去除作用的重要程度来说，化学沉淀反应是 最主要的，且在现阶段的研究中发现不易出现饱和现象。此外，植物的吸 收转化也是磷元素的一个重要去除途径。生活污水中的营养元素磷作为作 物生长的必要养分，通过植物根系的吸收，通过收割植物可以达到很好的 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 去除效果。 1 2 3 4g o d 的去除 化学需氧量( c o d ) 是表示水中还原性物质含量和衡量水中有机物含 量多少的一个常用指标。在地下渗滤系统中，一般情况下化学需氧量越大 说明水体受有机物污染越严重。污水中的有机污染物是通过土壤的截留过 滤、物理吸附、植物的转化吸收和微生物降解等共同作用而被去除。微生 物对c o d 去除主要发生在系统停止布水时期一一干化期，在这个过程中， 以好氧微生物为主体，好氧降解比厌氧降解更为有效。 1 3 本课题主要研究内容及目标 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 通过试验和理论研究分析无砾石管式地下渗滤系统规模处理生 活污水的可行性以及处理生活污水的规模大小，为该工艺的实际应用奠定 基础。主要有： 1 ) 不同生活污水水量变化对污水处理效果的影响； 2 ) 不同生活污水水质变化对污水处理效果的影响； 3 ) 不同土壤类别( 砂壤土和粘土) 对污水处理效果的影响； 4 ) 不同管径( 外径1 6 0 m m 和外径2 0 0 m m ) 对污水处理效果的影响。 ( 2 ) 不同的管道空气通量对污水处理效果及堵塞的影响。 ( 3 ) 研究无砾石微孔管地下渗滤系统处理分散式生活污水水质与水 力负荷、进水污染物浓度及其他因素的关系。 1 3 2 研究目标 ( 1 ) 生活污水水量与水质的变化对无砾石管式地下渗滤系统处理效 果的影响； ( 2 ) 无砾石微孔管地下渗滤系统通量预测模型的研究。 现有有关无砾石管式地下渗滤系统堵塞的研究都停留在定性分析与 描述上，而本研究建立的计算模型，在通过输入水质、水量以及无砾石微 孔管地下渗滤系统的相关参数后，直接得出定量的通量，为系统的堵塞控 制和新型系统的研制提供科学而实用的计算依据。 ( 3 ) 优化管道设计提高生活污水处理规模。 在现有研究的基础上通过对管径、开孔方式、管道的改进来提 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 高污水处理规模，解决管道堵塞，土壤复氧的问题，优化对污染物 的去除能力。 1 3 3 解决的关键问题 ( 1 ) 无砾石微孔管地下渗滤系统处理不同水力负荷生活污水的能力 及最佳水力负荷选取的研究。 ( 2 ) 无砾石微孔管地下渗滤系统的堵塞模型及其影响因素。 ( 3 ) 无砾石微孔管地下渗滤系统的经济可行性分析及对其大规模应 用的评估。 1 4 采取的研究方案及可行性分析 1 4 1 研究思路及技术路线 本试验在前期小试试验的基础上，对无砾石微孔管地下渗滤系统作了 进一步结构改进，并进行了中试污水处理实验。 拟采取的技术路线如下： ( 1 ) 选取实验水源。 采用西南科技大学生活污水。 ( 2 ) 选取实验管材。 选用山东汇通达塑业有限公司p v c - u 埋地排污用管材，电钻钻孔。 ( 3 ) 选取实验设备墙体。 采用砖体、混凝土结构。 ( 4 ) 不同管道管径、管道的不同空气通量、不同土壤的对比研究以 及试验系统的优化设计。 ( 5 ) 设计方法。 采用正交实验方法设计本次实验，拟建无砾石微孔管地下渗滤系统8 套，分别完成二类土壤和不同空气通量的较优管道壁厚、管径的选择。 ( 6 ) 研究无砾石微孔管地下渗滤系统的水力负荷的提高。 实验无砾石微孔管地下渗滤系统的出水拟参照城市污水再生利用地 下水回灌水质( g b t1 9 7 7 2 - - 2 0 0 5 ) 中地表回灌相关标准执行。 1 4 2 研究方法 ( 1 ) 定性分析与定量分析相结合。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 2 ) 数字模拟、理论计算分析与试验分析结合。 1 4 3 可行性分析 ( 1 ) 在国内外对地下渗滤系统的研究上面，做了理论分析和可行性 研究。 ( 2 ) 在实际的建设方面，有前期小试的设计方法，研究思路，研究 方法，及研究数据，为中试的运行和设计及研究提供依据。 ( 3 ) 有理想的试验场地：西南科大污水处理厂。 ( 4 ) 有理想的实验用水来源：西南科大生活污水，该水质指标为c o d 。， 3 0 0 6 0 0 m g l 。 综上所述，本项目拟采取的研究方案和技术路线是切实可行的。 1 5 本课题的创新之处 ( 1 ) 针对生活污水的水量变化，研究出一套适合大规模实际运行的 工艺参数和运行参数，为无砾石微孔管地下渗滤系统技术大范围推广应用 做好基础工作。 ( 2 ) 对中试中的生化、物理进行数值模拟和实际测量两种方式结合 的手段进行研究，建立与处理效果和能力相关的函数关系式，为今后大规 模应用的工艺设计提供依据，并可对其处理效果进行预测。 ( 3 ) 建立堵塞模型及研究防堵塞方法，努力解决无砾石微孔管地下 渗滤系统技术难题。 2 试验系统设计与研究 2 1 系统改进前 2 1 1 试验装置 在建设无砾石地下渗滤系统时，设计了不同管径、不同土壤、不同植 物三个参变量的正交系统，并且和小试系统相比，还改进了开孔的方式。 孔管的开孔方式为孔径设计为4 m m ，开孔率为1 5 ，开孔角度为9 0 。1 7 5 。 和1 8 5 。2 7 0 。，如下图2 - 1 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 - 1 开孔方式 f i 9 2 1t h ew a yo fo p e n n in gm i c r o p o r o u s 试验装置设在西南科技大学污水处理厂内，无砾石微孔管地下渗滤系 统流程如图2 - 2 下： 中试装置一共有8 个系统，每个系统的长、宽、高分别为1 4 0 c m 、 1 4 0 c m 、1 3 0 c m 。底部为2 0c m 的集水区，填入粒径1 2c m 的沙砾，接着 填入试验用土壤，然后种上种植植物，微孔渗滤管在表层土壤下2 0 c m 处， 渗滤管上微孔孔径为4m m ，开孔率1 5 。渗滤出水由系统底部的集水管收 集并由排水管排出。中试试验为正交对比试验，对比因子分别为黏土和砂 壤土，渗滤管管径d e l 6 0 3 2 册和d e 2 0 0 3 2m m ，灯芯草和吉祥草。 如图2 3 所示。 黑 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 图2 - 3 中试系统( 单位：c m ) f i 9 2 3m e d iu ms y s t e m ( c m ) 2 1 2 进水水质 结合四川省中小城镇生活污水水质指标，利用地下渗滤系统处理生活 污水实验用水取自西南科技大学污水处理厂的细格栅出水，具体水质指 标范围见表2 - 1 ： 表2 - 1地下渗滤系统进水水质 t a b 2 1t h ein f f i u e n tq u a ii t y 2 1 3 系统的启动与运行 地下渗滤系统在2 0 1 0 年1 0 月建设完成后开始运行，运行天数为7 0 天，干湿比为1 ：6 。水力负荷为3 1 8 9 c m d 。系统运行后每周采样卜2 次， 检测进出水中各污染物含量，对比研究其去除效果o 2 1 4 检测项目与方法 c o d ：快速消解分光光度法( h j t5 3 6 2 0 0 9 ) ；p h ：h a n n a 公司2 2 3 p h 计测量；d o ：h a n n a 公司9 6 4 0 0 ；t p ：钼酸铵分光光度法( g b1 1 8 9 3 8 9 ) ； t n ：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法( g b1 1 8 9 4 - 8 9 ) ；s s ：重量法( g b 119 0 1 - 8 9 ) ；土壤粒径分布：经典吸管法on h 。+ 一n ：纳氏试剂分光光度法。 西南科技大学硕士研究生学位论文。第15 页 2 2 对系统进行改进 2 2 1 沉淀池 在传统的地下渗滤系统中，沉淀池是按时排泥的。把含水率较高的污 泥用泵抽到无砾石微孔管中试系统植物土壤下，用于浇灌植物，不仅可以 提高沉淀池中悬浮物的去除率，还可以使植物生长茂盛，从而提高系统的 处理效果。在改建系统时，把沉淀池改建成图2 - 4 所示，并且每l5 天排 泥一次。 进水管 图2 - 4 沉淀池 f i 9 2 。4s e d i m e n t a t i o nt a n k 2 2 2 曝气池 在曝气池内采用无能耗的曝气设备，仿风车原理，如下图2 5 所示， 把它安装在曝气池进水管的下面，进水时，水推动叶轮，叶轮上开小孔， 叶轮翻转，达到曝气效果。然后提高了水中的溶解氧浓度，从而有利于有 机物分解，提高处理效果。 叶轮 图2 - 5 曝气装置 f i g 2 - 5a e r a t in ga p p a r a t u s 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 3 管道设计 改进微孔渗滤管的管道结构，两端自然开启，使空气自然流通，将渗 滤管的功能由单一的渗滤功能转变为曝气和渗滤两个功能。设计成z 字形， 是为了防止杂物落入渗滤管引起的堵塞，z 字的开口方向为该地区的主导 风向和其反方向，并设阀，可以随季节转动。从而改善系统好氧条件，达 到对污染物的去除效果。 h瓠 趋摹黪芽忒汐 型蔓爹毫；_ i 簟t 。 ：渗滤；：i ，。j ij ：i 、o 一- j - 二 誊爹渗萋萋誊爹 。、- t7 j 。、 ：。0i 。一0 o | 。j0 0 0v 蠢一二0 0 7 0 ， 。、i 。i - ? 一 ，j _ i ? 。一6 。j 一一i i 。? 图2 - 6 管道改进后 fig 2 - 5a f t e rt h et u b eim p r o v e m e n t 2 2 4 进出水方式 进出水方式为间歇式进水和间歇式出水。水力停留时间为2 4 h 。为了 保证进水后微孔渗滤管一土壤界面与空气接触时间，从而有利于大分子有 机物降解，保证氨化反应和硝化反应顺利进行。污水随时间推移，慢慢沉 积在系统中部和底部，2 4 h 后，从底部的出水管采集出水，以保证进水过 程完成后在系统中有足够长的时间进行反硝化反应，提高氮的去除率。 2 3 系统改进后 2 3 1 试验装置 试验为现场工程试验，试验场设在西南科技大污水