（环境工程专业论文）生物生态组合技术处理乡村生活污水研究应用.pdf

摘要 生物生态组合技术处理乡村生活污水的应用研究 东南人学 硕十研究生：冉全导师：吕锡武教授 摘要 随着生活水平的提高，农村地区的生活污水排放量增加，加重了水体污染程度，使水 体的富营养化进程加快，进而影响到水源地水质。农村地区的生活污水问题已经到了必须解 决的地步。针对这一问题本课题根据农村污水的特点和治理要求提出“厌氧+ 跌水曝气接触氧 化+ 生态塘+ 人工湿地”的生物生态相结合的整套处理i ：艺。通过一系列实验确定了无同流时 的适宜处理工况，分析跌水方式的充氧效果，建立了跌水充氧时的氧平衡数! 学模型，提出了 “水车式叶轮”跌水充氧方式，同时还研究了生态塘及人 ：湿地除磷脱氮效果及整套： 艺的去 除效果。得出以下儿点结论： ( 1 ) 厌氧池水力停留时间4 8 d ，c o d 平均去除率为4 8 。 ( 2 ) 确定接触氧化池适宜水力停留时间为2 h ，此时c o d 、n h 4 + - n 平均去除率分别为 3 7 、l l 。 ( 3 ) 采用跌水方式充氧基本能够达到微生物生长所需的溶解氧。对跌水充氧建立了氧 平衡数学模型，得到式c = c s - ( c _ 一c o ) 水e x p ( - k ，。2 驯g ) ，当跌水高度在o 5 米时通过 实验确定各池的k l a 值分别为o 6 2 、o 7 5 、1 0 2 、o 9 9 、o 6 l 。根据此模型，提出“水车式叶 轮”跌水充氧方式。 ( 4 ) 在生态塘内增设植物浮床，增加了氮、磷去除的途径，实验结果表明加植物浮床 的生态塘对c o d 、t n 、t p 的平均去除率分别为3 8 、7 9 、8 5 。人：l 湿地对c o d 、t n 、 t p 的平均去除率分别为2 5 、6 0 、3 3 。 ( 5 ) 组合工艺对c o d 、n h 。+ n 、t n 、t p 有着很好的去除效果，平均去除率分别在6 2 、9 6 、8 4 、8 7 以上，平均出水浓度分别为5 9 m g l 、0 8 3m l 、3 9 9m g ，l 、o 1 9 m l 。 ( 6 ) 该处理装置在山区、丘陵地带依山而建，可以实现无动力消耗运转，特别适合在 山区、丘陵地带推广。 研究表明：由厌氧、跌水充氧接触氧化和生态塘、人t 湿地技术组合的农村生活污水处 理技术能够取得较好的去除效果，是一种高效低耗的生物与生态处理相结合的新 ：艺，特别 适用于地处山区、丘陵地带的农村生活污水的处理。是一种值得推j 的小型污水处理技术。 关键词：乡村生活污水脱氮除磷跌水充氧接触氧化生态塘 人一i ：湿地 a b s t r a c t a p p l i c 棚o ns t im y o nt h ep r o c e s sc o m 吣i n e d w i t hb i o e c o l o g i c a lt e c h n o l o g y f o rr u r a i s e w a g et r e a t l 垤e n t n a m eo fg r a d u a t e s o u t h e a s tu n i v e r s i t y r a nq u a n s u p e r v i s o r p r o f l ux i w u a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h es t a n d a r do fl i v i n g t h eq u a n t i t yo fs e w a g ei nr u r a la r e ai s i n c r e a s i n g ，w h i c ha g g r a v a t et h ed e g r e eo fw a t e rp o l l u t i o n ，a n de x p e d i t et h ec o u r s eo fw a t e r e u t r o p h i c a t i o n ，c o n s e q u e n t l yw a t e r - q u a l i t yo fw a t e rh e a ds i t eh a sb e e na f f e c t e d t h ep r o b l e mo f r u r a ls e w a g eh a sb e c o m eo n ew h i c hs h o u l db es o l v e di m m e d i a t e l y a i mt ot h i sp r o b l e m i nt h i s t h e m ei na c c o r d a n c et ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt r e a t m e n tr e q u e s tf o rd o m e s t i cs e w a g eo fr u r a la r e a , w eb r i n gf o r w a r dab i o e c o l o g i c a lp r o c e s so f “a n a e r o b i c + w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n gb i o - c o n t a c t o x i d a l i o n + e c o l o g i c a lp o n d + c o n s t r u c t e dw e t l a n d ”v i aas e r i e so fe x p e r i m e n t s c o n f o r m e dt h e o p t i m a ld i s p o s a lr u n n i n gc o n d i t i o nw i t h o u tc i r c u m f l u e n c e a n a l y z e dt h ee f f e c to fo x y g e n a t eb y w a t e r - d r o p p i n gi nb i o c o n t a c to x i d a t i o n w o r k e do u tm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o ro x y g e nb a l a n c ea n d t h e “m i l l - w h e e li m p e l l e r ”m o d eo fw a t e r - d r o p p i n ga e r a t i o nh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d a l s ot h e e f r e c to fd e p h o s p h o r i z a t i o na n dd e n i t r o g e n a t i o ni ne c o l o g i c a lp o n da n dc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，a n d r e m o v a le f f e c to ft h ew h o l ep r o c e s sh a v eb e e ns t u d i e d t h e s ec o n c l u t i o n sw e r eg a i n e d ( 1 ) t h eh y d r o l i cr e t e n t i o nt i m eo ft h ea n a e r o b i ct a n ki s4 8 h ，a n dt h ea v e r a g er e m o v a lo f c o di s4 8 ( 2 ) t h eo p t i c a lh r to fb i o - c o n t a c to x i d a t i o ni s2 h ，t e m p o r a l i t y , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f c o da n dn h d nr e a c h e dr e s p e c t i v e l y3 7 a n d1 1 ( 3 ) t h ew a yo fw a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n gc a ns a t i s f yt h ed o t h a tm i c r o b en e e d s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lf o ro x y g e nb a l a n c ew a sw o r k e do u t c = d 一( c 叠一c o ) 牛e x p ( 一k 肠4 2 h g ) ，w h e n he q u a l st oo 5 m ，e a c hk l a i so 9 5 、o 9 6 、 1 0 6 、1 3 0 、1 4 3 b a s e do nt h i sm o d e l t h ea d v a n c e dm i l l w h e e l d r o p p i n ga e r a t i o ni sp u tf o r w a r d ( 4 ) t oa d dap l a n tf l o a t i n gf l o o ri no x i d a t i o np o n dc a ni n c r e a s er e m o v a lr a t eo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ep o n dh a sp r e f e r a b l er e m o v a le f r b c to f c o d 、t na n dt 只t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f e a c ho t h e ri s3 8 、7 9 a n d8 5 ：t h ec o n s t r u c t e d w e t l a n da l s oh a sp r e f e r a b l er e m o v a le f f e c to fc o d 、t na n dt rt h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f e a c h o t h e r i s 2 5 、6 0 a n d3 3 ( 5 ) t h ec o m b i n a t i o np r o c e s sh a dg o o dr e m o v a le 仟e c to fc o d 、n h 4 + j n 、t na n dt rt h e a v e r a g er e m o v a lr a t eo f e a c ho t h e ri su pt o6 2 、9 6 、8 4 a n d8 7 ，t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n o f e 御u e n t sc o d 、t na n dt pw a s5 9 m g l 、0 8 3m g l 、3 9 9m g l 、0 1 9m 叽 ( 6 ) t h i st r e a t m e n te q u i p m e n tc a nb eb u i l td e p e n do nam o u n t a i ni nam o u n t a i n o u sa r e a i t w i l la c h i e v et or u nw i t h o u tp o w e rc o n s u m p t i o n w h i c ha d a p tt ob eg e n e r a l i z e di nm o u n t a i n o u s a r e ae s p e c i a l l y f i n a l l y , e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o c e s sc o m b i n e dw i t ha n a e r o b i c 、w a t e r - d r o p p i n g a e r a t i n gc o n t a c tb i o c o n t a c t 、e c o l o g i c a lp o n da n dc o m b i n e df l o ww e t l a n d s ，c o u l dr e a c hah i g h r e m o v a lr a t ei nt r e a t i n gr u r a lw a s t e w a t e r t h i sp r o c e s si san e wp r o c e s sw h i c ha d a p t st ou s et o t r e a tr u r a ls e w a g ei nm o u n t a i n o u sa r e a s ，a n di sw o r t ht ob eg e n e r a l i z e d k e y w o r d s ： r u r a ls e w a g e t h er e m o v a lo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n g c o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s e c o l o g i c a lp o n d c o n s t r u c t e dw e t l a n d n 东南大学学位论文独创性声明 本人声甓所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其毽入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说舞并表示了谢意。 研究生签名：盥垒日期：拨兰：? 东南大学学位论文使用授权声观 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 袅乏 导师签名： 第一章绪论 1 1 1 水污染现状 第一章绪论 1 1 研究背景 2 0 0 6 1 l 】年，全国地表水总体水质属中度污染。在国家环境监测网中实际监测的7 4 5 个地 表水监测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，ib i l l 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类 等。与上年相比，全国地表水总体水质保持稳定，七人水系总体水质与上年基本持平。其中， 珠江、长江水质良好，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。 太湖湖体高锰酸盐指数、总磷年均值分别达到i l i 类、类水质标准，但因总氮污染严 重，湖体水质为劣v 类，处丁中度富营养状态。往2 1 个国控监测点位中，无i 类水质， v 类和劣v 类水质点位分别占1 4 雨18 6 ，主要污染指标为总氮。环湖河流为中度污染。 与上年相比，湖体和环湖河流水质均无明显变化。 全国整体水质没有明显进一步恶化，但水环境总体状况没有根本好转，一些河流湖泊水 体污染严重，尤其是部分城乡水源地区受到污染，已经影响剑城乡居民的身体健康 。 1 1 2 农村水污染状况 随农村生活水平提高的同时，农村生活产生的污染物质数量和种类都人幅度增加p j 。农 村环境作为城市生态系统的支持者一直是城市污染的消纳方。艮期以来，由于：i ：业化程度低、 人口密度较小、环境容量较为富余。我国农村环境问题并不显著。近年来，我国在城市环境 日益改善的同时，农村污染问题却越来越严重，在一i ：业化、城镇化程度较高的尔部发达地区 的农村尤为突出。各种污染不仅影响了数亿农村人口的生活，而且威胁到他们的健康，甚至 通过水、大气污染和食品污染等渠道最终影响到城市人e l1 4 j 。 2 0 世纪8 0 年代以前，我国农村水环境总体状况良好，水污染问题是局部性的。根据水 利统计年鉴，1 9 8 0 年全国i ：业和城市生活川水为5 2 5 亿t ，占总j h j 水鼙的l1 8 ；估算废污 水排放量为2 0 0 亿t 左右( 按2 0 0 3 年中国水资源公报的估算比例) ，仅f ! i 全国地表水资源量的 0 7 7 ，远低于地表水体的臼然净化能力，全国及农村水污染问题不突出。1 9 8 0 年以来，我 国经济社会进入了快速发展阶段，工业和城市生活用水迅速增加，废污水排放量同步增加。 2 0 0 3 年全国工业和城镇生活用水达到18 0 8 亿t ，占总用水量的3 4 0 ，估算全国污废水排 放量为6 8 0 亿t ，占全国地表水资源量的2 6 ，比1 9 8 0 年增加了2 4 倍。大昔水质超标的 工业和城市生活污废水排向农村、用于农田灌溉，农村内部乡镇企业、畜禽养殖业和生活污 水的增加，以及农业面源污染的扩大，使全国农村水污染严重、水环境不断恶似m 。 1 1 3 农村生活污水治理特征 农村生活污水治理与城市相比，无论在技术上还是经济上都具有较大困难。主要表现在 东南人学硕1 j 学位论文 农村生活污染源分散，难以集中处理：另外，城市水污染控制技术难以在农村应用，现行的 污水处理技术虽然可以控制水污染，但投资高，运行费川大，管理技术要求高，在农村难以 推广。因此寻找适合于农村水污染治理的方法，对农村水环境保护及污染防治尤为重要i o i 。 农村村镇生活污水有以下特征和处理要求：( 1 ) 村镇人口较少，分布j 而且分散，生活 污水水质、水量波动性人，排水管网很不健全，所选污水处理i t 艺应抗冲击负荷能力强，且 宜就近单独处理：( 2 ) 村镇经济力量薄弱，污水处理应充分考虑造价低、运行费用少、低能 耗或无能耗的工艺；( 3 ) 村镇缺乏污水处理专业人员，所选j 二艺应运行管理简单，维护方便。 1 2 国内外农村生活污水处理现状 1 2 1 国外农村污水处理现状 目前，对城市生活污水的集中式处理1 ：艺研究较多，处理方法也有很多种，例如a 2 o 、 u c t 、s b r 、氧化沟等f 1 ：艺均能达到较好的处理效果。但对分散式生活污水的研究较少，而 我国农村生活污水的特点恰恰是以分散式为主，因此要处理好农村生活污水，必须加强对分 散式生活污水的处理工艺研究。国外对农村生活污水的处理技术研究进行较早，目前也有较 为成熟的技术，但就其特点分析人多拥有自身的缺点，不能适应于我国农村的具体情况。 在欧洲和北美有2 0 3 0 的人口利用d , g , j 污水处理系统。欧美国家使h j 的稳定塘特别适 用于小型污水处理，1 9 8 3 年稳定塘数目就达7 0 0 0 座以上，其中9 0 建在人口少于5 0 0 0 的 小城镇，但基本不具备除磷脱氮功能。 日本i h 】从1 9 7 7 年开始实行农村污水处理计划。日本采用的小型污水处理系统多为日本 农村污水处理协会研制的j a r u s 模式，共有1 5 种不同型号装置。它可以分成两种类型： 一类采用生物膜法，污水通过塑料制成的滤层，上面附有微生物，通过生物膜后可去除污 水中的b o d 、s s 、t p ；另一类是采用浮游生物法，通过漂浮在污水中的微生物氧化作用， 去除污水中的b o d 、c o d 、s s 、t n 、t p 。两类方法都可使污水中污染物人幅降低。但该 工艺存在着投资大、处理成本高、1 ：艺复杂、且没有除磷效果等缺点，对改善水体富营养 化效果不明显，不适- 丁我国农村的现状。 韩国1 8 】针对韩国农村的居民分散居住的特点，研究了一种湿地污水处理系统，湿地上多 种植芦苇、香蒲和灯心草等，对病原体的去除效果好。污水中的污染物质经湿地过滤后或 被r 十壤吸收，或被微生物转变成无害物。这种方法需要的能源少，维护的成本低。但其缺 点是需要大量i 十地，并要解决十壤和水中的充分供氧问题以及受气温和植物生长季节的影 响等。一般利用湿地处理后的污水灌溉水稻，可取得更好的净化效果。但该j ：艺的污水处 理负荷较低，造成了土地资源的浪费，不适于太湖周边农村地区日豁紧张的农村用地。 澳大利弧1 8 】开发了一种“过滤、土地处理与暗管排水”相结合的污水再利用系统，称之为 “f i l t e r ”高效、持续性污水灌溉新技术，它利用污水进行作物灌溉，通过灌溉土地处理后， 再利用地下暗管将其汇集和排出，暗管排水系统造价较高。该系统一方面可以满足作物对 水分和养分的要求，同时降低污水中的氮、磷含量。“f i l t e r ”系统一般适用于_ 十地资源丰 富、可以轮作休耕的地区。对于- 十地资源紧张，且地下水位较高的太湖地区应用较为凼难。 2 第一章绪论 1 2 2 国内农村污水处理现状 我国从上个世纪8 0 年代开始开展生活污水分散处理技术的开发和研制工作，许多形式 各异的无动力或微动力的低能耗型一体化污水处理装置得到应用，但目前该分散技术的使 用率较低，还存在许多问题【引。一方面，生物处理效率较低，尤其表现为氮磷去除率很低， 氮磷污染是导致水体富营养化的土要原冈。另一方面，目前实施的分散污水处理只是初步 实现了分散污水的收集、处理和排放，远未实现分散处理的真止目的一再利用( r e u s e ) ，即 将污水就地处理和就地同用，实现污水资源化。目前我国农村污水处理主要有以下几种措 施： ( 1 ) 厌氧沼气池处理技术 在我国农村生活污水处理的实践中，最通用、节俭、能够体现环境效益与社会效益相 结合的生活污水处理方式是厌氧沼气池。它将污水处理与其合理利用有机结合，实现了污 水的资源化。污水中的大部分有机物经厌氧发酵后产生沼气，发酵后的污水被去除了人部 分有机物，达到净化目的；产生的沼气可作为浴室和家用能源；厌氧发酵处理后的污水可 用作浇灌用水和观赏用水。在农村有大量可以成为沼气利用的原材料：农作物秸秆和人畜 粪便等。研究表明：农作物秸秆通过沼气发酵可以使其能量利用效率比直接燃烧提高4 - - 5 倍；沼液、沼渣作饲料可以使其营养物质和能量的利用率增加2 0 ：通过厌氧发酵过的粪 便( 沼液、沼渣) ，碳、磷、钾的营养成分没有损失，且转化为可直接利用的活性态养分 农田施用沼肥，可替代部分化肥。沼气池j ：艺简单，成本低廉( 一户约需费用一千元左右) ， 运行费用基本为零，适合于农氏家庭采用。结合农村改厨、改厕和改圈，可将猪舍污水和 生活污水在沼气池中进行厌氧发酵后作为农田肥料，沼液集中净化处理后达标排放。 ( 2 ) 稳定塘处理技术 在我国，特别是在缺水干旱地区，稳定塘是实施污水资源化利用的有效方法，近年来 成为我国着力推广的一项技术。与传统的二级生物处理技术相比，高效藻类塘具有很多独 特的性质，对于土地资源相对丰富，但技术水平相对落后的农村地区来说，是一种较具推 广价值的污水处理技术。高效藻类塘系统处理太湖地区农村生活污水1 7j ，c o d c r 的平均去除 率在7 0 以上，氨氮洲h 3 n ) 的平均去除率高达9 3 ，磷的平均去除率为5 5 。 ( 3 ) 土壤渗滤技术 地下土壤渗滤法在我国日益受到重视。中科院沈阳应用生态所“八五”、“九五”期间的研 究表明，在我国北方寒冷地区利用地下十壤渗滤法处理生活污水是可行的，且出水能够作 为中水回用：清华大学在2 0 0 0 年国家科技部重人专项中，首先在农村地| 又：推广应用地下十 壤渗滤系统，取得了良好效果1 15 j ：对生活污水中的有机物和氮、磷等均具有较高的去除率 和稳定性，c o d e r 、b o d 5 、n h3 n 和t p 的去除率分别人于8 0 、9 0 、9 0 和9 8 。 除此以外，浙江、，“东、天津和江苏等地还分别在无动力、地埋式厌氧处理系统、雨 污分离管网输送集中处理和生物投菌治理污水等技术方式应用方面进行了探索与尝试，也 都取得了一定的进展。 目前，国内对农村生活污水处理技术的研究尚处丁起步阶段。根据我国农村实际情况， 污水处理应“因地制宜”，采用经济、简易、节能和有效的处理技术。可供选择的处理技术或 方法包括高效藻类塘、生态系统塘、十地处理系统等。其中，十地处理系统中的人l ：湿地 技术应用发展较快，该一l 艺具有运行简单，处理效果良好，不仅能去除c o d 、b o d 等有机 物，而且有很好的除磷脱氮效果，对防i i = = 水体的富营养化有着较大的作用。 3 东南大学硕上学位论文 1 3 课题提出的目的和意义 2 0 0 6 年第五属世界水人会在北京召开，会议特别安排了一次“农村污水处理国际研讨 会”。会议资料显示，农村污水普遍缺乏有效治理。2 0 0 5 年，建设部组织对全国部分村庄调 查显示：9 6 的村庄没有排水沟渠和污水处理系统：8 9 的村庄将垃圾堆放在房前屋后、坑 边路旁甚至水源地、泄洪道、村内外池塘，无人负责垃圾收集与处理。我国有6 0 多万个行 政村、2 5 0 多万个自然村，居住生活着2 亿多农户、近8 亿人，农村垃圾污水处理问题亟待 重视1 9 】o 由于农村地区污水排放相对分散，城市污水处理的经验不能满足乡村生活污水的处理的 要求，必须开发投资少、运行费用低、工艺简单、容易管理的新技术，以切实解决农村生活 污水处理问题。国内外相关研究成果与实践提示我们，无论是生物技术( 城市污水处理厂的 主流工艺) 还是新兴的生态1 ：程技术，单独应用都不能解决农村生活污水处理及除磷脱氮的 问题。必须将生物方法与生态：l ：程有机结合，才能既：h 省成本和运行费用，又能达到稳定的 除磷脱氮效果。因此，本项目提山“厌氧一跌水充氧接触氧化一生态塘一人i ：湿地”组合一i ：艺， 厌氧预处理有效降低有机污染物浓度，减轻跌水充氧接触氧化阶段的负担；跌水充氧接触氧 化，有效去除有机物，可保证出水c o d 达标；生态塘和人工湿地主要功能为去除n 、p ， 并进一步改善处理效果，确保出水c o d 、n 、p 全面达标。 1 4 组合工艺的提出思路 本课题是国家8 6 3 “十五”重大科技专项太湖水污染控制与水体修复技术与示范- 1 ：程 的第二个子课题“河网区面源污染控制成套技术( 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 ) ”，是“农村生活污水处理 技术及示范工程( 试区i ) ”的研究内容。作为先导性示范工程，本课题主要研究开发适合农 村生活污水处理的新工艺与新技术，研究以多级跌水充氧接触氧化技术为核心、辅以人：1 ：湿 地的处理工艺对农村生活污水的处理效果，探索最佳运行参数：为我国广大乡村生活污水处 理提出可行方案，尤其为我省太湖流域内的分散式生活污水除磷脱氮处理提供理论依据和技 术指导。力争在跌水充氧生物接触氧化技术和人i ：湿地生态后处理组合应用中作出开创性的 研究，指导，“大农村地区的简易污水处理。针对农村生活污水的特点，结合农村的实际情况， 研究开发农村生活污水处理的新工艺与新技术是一项有实用价值的探索。 “厌氧池+ 跌水充氧接触氧化+ 生态塘+ 人t 湿地”生物生态组合型农村污水处理技术的工 艺流程如下图所示： 流程说明： 污水经过收集管网首先进入厌氧池，经过厌氧发酵，将复杂有机物部分转变成挥发性脂 肪酸( v f a s ) 和沼气：经过厌氧处理后的污水经过提升泵提升进入多级跌水充氧接触氧化 池，接触氧化池共5 格串联，内装填料，采用跌水充氧方式充氧，借助生k 在填料上的微生 物对有机污染物降解米达到净化污水的目的；经过接触氧化池，人部分有机污染物质被去除， 且借助硝化菌、亚硝化菌进行的硝化反应使氨氮转化为硝态氮；然后进入生态塘，同时进入 该塘的还有雨水，在该塘上设有生长着水芹菜的浮床，通过水芹菜对水中氮、磷的吸收及水 中各种微生物对有机物的进一步去除以减小后面潜流式人工湿地的处理负荷。在湿地中利用 4 第一章绪论 芦苇、菖蒲等植物对氮、磷等的摄取能力实现氮磷的进一步去除。 无回流情况下能达到处理要求，在山区该处理装置就可以依山而建，靠水的重力作用流 过处理单元，这样就可以省去由丁运行而消耗的动力，节省运行费用，只需要一次性投入基 建费用，能够降低乡村生活污水的处理费用。 5 东南大学硕士学位论文 第二章技术原理及发展现状 2 1 厌氧生物处理原理 伯力特【4 7 l 等人根据微生物的生理种群，提出的厌氧消化三阶段理论是当前较为公认的 理论模式。第一阶段，是在水解与发酵细菌作刚下，使碳水化合物，蛋白质和脂肪水解发酵 转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等；第二阶段，是在产氢、产乙酸菌的 作用下，把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。第三阶段，是通过两组生理上不同 的产甲烷菌的作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷。从原 理上讲，水解( 酸化) 是厌氧消化过程的第一、二两个阶段，但是它与厌氧消化追求的目标 不同，冈此，两者是完全不同的处理一i ：艺。 水解酸化过程主要用于污染物浓度较高，或可生化性较筹的情况。水解：【：艺是近年来国 内应用较为广泛的污水预处理i ：艺，水解( 酸化) 池是将厌氧消化控制在反应时间较短的水 解( 酸化) 段，通过水解酸化将雉降解物质转化为易降解物质，人分子物质转化为小分子物 质，原污水中不溶的有机污染物溶解、可溶的部分复杂污染物得剑降解，去除污水中的污染 物质，并提高污水的可生化性，减少反应时间和处理能耗，能够承受较强的冲击负荷，降低 后续好氧丁艺的需氧量，有助于提高后续好氧处理单元的处理效果。水解形成的小分子为发 酵过程提供碳源及营养源。发酵作用的最终产物主要是短链的挥发性酸，如乙酸、丙酸、戊 酸和己酸等。 待处理污水由反应器一侧进入池内，在池内通过多个隔板折流以推流形式前进。污水与 池中污泥混合发生吸附降解作用。由于污泥内含有高浓度的厌氧及兼性微生物，在池内缺氧 条件下，有机物质在大量水解产酸菌作用下，将不溶性有机物水解为溶解性物质，将大分 子、难于生物降解的物质转化为易于生物降解的物质。 2 2 生物接触氧化工艺原理及发展现状 2 2 1 生物接触氧化工艺简介 生物接触氧化法是生物膜的一种形式，是在生物滤池的基础上，从接触曝气法改良演 变而来的，但早期接触氧化处理效果都不太理想，b o d 去除率低。主要原因是：( 1 ) 停留时 间短，一般只有o 5 h 左右。这样，有机物质氧化分解不彻底，致使b o d 去除率低；( 2 ) 填 料表面积过小，固定生物膜量不大，使b o d 负荷过高；( 3 ) 填料构造不尽合理，易丁堵塞， 清扫困难，管理不便。 国外，生物接触氧化技术经历了初期的试验研究和实际应用后，降低了b o d 负荷值， 取得了较好的b o d 的降解效果。但由于填料表面积小，b o d 负荷过低，增大了氧化池体 积，经济上不合理。 上世纪7 0 年代日本、苏联、美国等国家对接触氧化进行了改进研究，都达到了较好的 处理效果。尤其在日本，生物接触氧化技术得剑了迅速的发展，j “泛地用丁生活污水、生 活杂排水和食品加工、水果蔬菜罐头、鱼肉制品、酿造等：r 业废水处理中。同时他们也在 对工艺进行进一步改进，以期达到更好的除氮和减少污泥生成量的要求。 国内，从1 9 7 5 年北京市环境保护科学研究所也开始了生物接触氧化法处理城市污水试 6 第二章技术原理及发展现状 验研究。他们采用二段法生物接触氧化，取得了良好的效果。1 9 7 7 年后，我国接触氧化法 的研究也飞速发展，目前已经达到了一个较高的水平。主要表现在以i - j l 个方面： 1 ) 生物接触氧化处理废水技术的使用领域更加拓宽，除了用于生活污水处理外，更多 的是应用在t 业废水处理中。 2 ) 接触填料的研究和开发t 作十分活跃。接触填料是生物膜赖以栖息的场所，是生物 膜的载体。填料的性能直接影响着生物接触氧化技术的效能和经济上的合理性，因此是接 触氧化技术的的关键。新开发的填料种类有：蜂窝管式填料、维纶纤维填料( 或称软性填料) 、 半软性填料等。 3 ) 围绕提高氧的转移率，：1 了省动力，防i ：堵塞短路和降低造价等方面开发研制了一些 新的曝气充氧设备。如散流式曝气器、微孔曝气器、新型可变孔曝气软管等，但这些新型 曝气设备价格仍然较高。 4 ) 接触氧化池的型式有所创新。 5 ) 引入废水厌氧处理原理，发展生物接触氧化技术处理系统。 2 2 2 生物接触氧化工艺的特点 生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池两者之间的生物处理方法，池内设有 填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定的流速流经填料，填料上布满生物膜，污水 与生物膜广泛接触，在生物膜上微生物的新陈代谢功能的作用下，污水中有机污染物得到去 除，污水得到净化，因此，生物接触氧化处理技术义被称为“淹没式生物滤池”【4 。 生物接触氧化法具有如下特点：1 1 7 1 处理时间短，在处理水量相同的条件下，所需装置的设备较小，因而占地面积小。 b o d 负荷高，污泥生物苗大，对进水水力冲击负荷及有机浓度冲击负荷的适应力强。 能够克服污泥膨胀问题。生物接触氧化法不存在污泥膨胀问题，对丁那些用活性污泥 法容易产生膨胀的污水，生物接触氧化法不仅不产生膨胀，而且能充分发挥其分解氧化能力 强的优点。 产泥量少。 载 可以间歇运行。当停电或发生其他 突然事故时，细菌为适应环境的不利条件， 它和原生动物都可进入休眠状态，显示了 对不利生长的环境有较强的适应力。环境 条件好转时，微生物又重新开始生长、代 谢。 维护管理方便，不需要同流污泥。 由于微生物是附着在填料上形成生物膜， 生物膜的剥落与增长可以自动保持平衡， 所以无需同流污泥，运转十分方便。 产生这些优势的原因分析如下： h ! i 阳水 阿机酸 多| 8 0 d 运磁 1 0 2 夕 。l j 1 c o ， 厌氯理好聪 空气 图2 1 生物膜净化机理 水 1 ) 填料比表面积大，提供了巨大的生物栖息空间，使大量的生物得以附着生长，可形 成稳定性较好的高密度生态体系，挂膜周期相对缩短，在处理相同水量的情况下，水力停留 时间短，所需设备体积小，场地占用面积小。表2 1 为几种好氧生物膜法比表面积的对比。 从表中可看出，生物接触氧化法的比表面积很高，且不存在生物流化床运行时能耗高、操作 较为复杂的缺点，并由于它的流速相对低，更容易使微生物在填料表面附着生长。 7 东南大学硕。l ：学位论文 表2 1 好氧生物膜法比表面积1 8 1 处理l ：艺比表面积m 2 m 3 生物滤池 生物转橇 接触氧化法 生物流化床 4 0 1 2 0 1 2 0 1 8 0 1 3 0 1 6 0 0 3 0 0 0 5 0 0 0 2 ) 污泥浓度高，系统耐冲击负荷能力强。在一般情况下，生物接触氧化法的容积负荷 为3 1 0 k g b o d 5 m 3 d ，是普通活性污泥法的3 5 倍，c o d 去除率为传统生物法的2 3 彳立【憎j 。 3 ) 污泥产量少，在操作过程中一般不会产生污泥膨胀，不需采用污泥回流装置。 4 ) 氧利用率高，动力消耗低。生物接触氧化法对氧的利用率比活性污泥法高3 8 倍，动 力消耗比活性污泥法减少约3 0 。 5 ) 操作简单，维护方便，可间歇运行，运行费用低，综合能耗低。 2 3 生态塘的净化机理 稳定塘是r 十地经过人 ：适当的修整，设同堤和防渗层的池塘，主要依靠自然生物净化功 能使污水得到净化的一种污水生物处理技术。除其中个别类型的如曝气塘外，在提高其净化 功能方面，不采取实质性的人上强化措施。污水在塘中的净化过程与自然水体的自净过程极 其相近。污水在塘内缓慢的流动、较长时间的贮留，通过在污水中存活的微生物的代谢活动 和包括水生植物在内的多种生物的综合作用，使有机污染物降解，污水得到净化。其净化过 程，包括好氧、兼性和厌氧3 种状态。好氧微生物生理活动所需要的溶解氧主要由塘内以藻 类为主的水生浮游植物所产生的光合作j h j 提供。 在稳定塘里通过浮床技术人 ：把高等水生植物或改良的陆生植物种植到富营养化水域 水面，通过稳定塘中多种生物的净化作用，以及植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相克 机理，消减水体中氮、磷及有害物质，从而达到净化水质的效果，同时在稳定塘坡面上铺设 生态混凝十球，利用多孔生态混凝十的连续空隙，种植水生植物，同时为微生物提供了栖息 附着场所。通过植物生长吸收水体中的n 、p 污染物作为营养元素，达到去除氮、磷的目的， 修复了生态环境保持绿色臼然景观，达到生态效应和景观效应并举的效果。微生物和微小动 物在多孔混凝土表面及连续空隙内栖息繁衍，以及附着在水生植物上，形成生物膜，对水质 进行净化。我们称此时的稳定塘为生态塘。 生态塘对污水的净化作用1 2 i j 主要有以下六个方面：稀释作用、沉淀和絮凝作用、好氧 微生物的代谢作用、厌氧微生物的代谢作用、浮游生物的作用、水生维管柬植物的作用。 碳主要以溶解性有机碳的形式随原污水进入生态塘，在塘内进行转化与循环。碳的转化 途径主要有：通过细菌的新陈代谢作用，使溶解性有机碳转化为无机碳( c 0 2 ) ，又通过合成 作用使细菌本身得到增殖；藻类及浮床上水生植物通过光合作用吸收无机碳，本身机体得到 增殖，当无光照射时，它们通过呼吸作用又释放无机碳( c 0 2 ) ；由丁衰死细菌、藻类的机体 沉入塘底，在厌氧发酵作用下，分解为溶解性有机碳和无机碳；塘底的厌氧发酵反应对不溶 性有机碳进行分解，形成溶解性有机碳和无机碳。上述各项作用的结果是溶解性有机物的降 解，细菌、藻类的增殖和水生植物的生长。 氮是以有机氮化合物和氨氮的形态随污水进入生态塘的。氮在生态塘内的转化与循环途 径主要有：氨化作用，有机氮化合物在微生物作用卜分解为氨态氮，氨氮不稳定仍要进行硝 化反应；硝化作用，氨态氮在硝化菌的作用下，转化为硝酸氮；反硝化作用，硝酸氮在反硝 8 第- 二章技术原理及发展现状 化菌的作用下，还原成分子态氮：挥发作用，在p h 值较高，水力停留时间较长，温度较高 的环境下，水中的n h 3 能够向大气挥发，其量可达2 1 ：吸收作用，微生物及各种水生植 物，吸收氨态氮或硝酸氮作为营养，合成其本身的机体；分解作用，衰死的细菌和藻类经解 体后会形成溶解性的有机氮和沉淀物。沉淀在沉积层中的有机氮在厌氧菌的作用下，也可能 得到分解。 磷以有机磷化合物和溶解性的无机磷酸盐进入生态塘，其转化和循环途径为：细菌、藻 类及其它生物吸收无机磷化合物以满足其生命活动的需要，即将其转化为有机磷；溶解性磷 与不溶解磷之间的互相转化，转化的环境条件是白昼光照充分，光合作用强烈，塘水p h 值 上升，磷酸盐易于沉淀，夜晚光合作用停i ：，塘水p h 值降低，部分已沉磷酸盐又可能重新 溶于水中；其次，水中如存在有三价铁化合物可与溶解性磷酸盐结合形成磷酸铁沉积；第三， 如水中存在硝酸盐，它也可能促使沉积中的磷转化为溶解性磷，有机磷在细菌作用下的氧化 分解。 生态塘技术对高浓度污水具有较好的去除效剁2 2 】，其对c o d c ，n h 4 + - n ，t n 和t p 均 体现了较高的去除水平，去除率可分别达到5 5 ，7 0 ，8 0 和7 5 以上，即使在梅雨季节， 水力停留时间大大缩短时亦能取得很好的处理效果。另外，生态塘技术投资小，运行管理简 单，运行成本少，是农村生活污水处理及面源污染处理的一个好的选择。 2 4 人工湿地的净化机理 2 4 1 人工湿地工艺简介 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是指依据十地处理系统及水生植物处理污水的原理，由 人- 丁建立的具有湿地性质的污水处理生态系统。它是在一定长宽比及底面坡度的洼地中，填 充一定的填料( 如土壤、砾彳i 、碎石、砂等) 形成填料床，在床表面种植具有处理性能好、 成活率高、抗水性强的水生植物( 如芦苇、席草、香蒲、灯心草、人米草等) 而构成的一个 独特的动植物生态系统。 根据水流性质及基质的不同，人工湿地污水处理一r ：艺可以分为三种类型：表面流( s u r f a c e f l o w ) 工艺；地下潜流( s u b s u r f a c ef l o w ) 】：艺以及复合流( c o m p o u n df l o w ) - t 艺。其中 表面流r t 艺中，污水在湿地的表层流动，水位较浅，它的优点在于投资少，但缺点是负荷小， 处理效果较差，冬季寒冷地区表层极易结冰，夏季则会擎生蚊蝇、产生臭味。潜流人1 ：湿地 工艺中，污水在湿地的填料层中流动，水位较深，它充分利用了填料表面和植物根系上的生 物膜，处理效果较好，且处理效果受气候的影响较小，不易产生蚊蝇和臭味；但投资较人且 较容易堵塞。复合流人工湿地为新型人工湿地，针对前两种人工湿地的优缺点总结得出，该 工艺综合了表面流和潜流式人工湿地的特点，更大程度的发挥了人工湿地处理能力。 人工湿地的组成包括以。l - j b 个部分：具有各类透水性的人工介质，如十壤、砾石、砂 粒等；适丁在饱和水以及厌氧介质中生长的植物，如芦苇、香蒲等；复杂的好氧或厌氧 的微生物种群；介质表面下或上的流动水体。水生动物。 人工湿地的应用范闱很广，如生活污水处理、矿区重金属污水处理、农业污水处理、城 市暴雨处理，出水一般都优于常规_ 二级处理效果1 4 3 1 。人工湿地可作深度处理，如进一步净 化常规污水处理厂出水，以补充淡水资源，以及用丁