（环境工程专业论文）人工快速渗滤系统氮素转化规律及脱氮工艺研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 人工快速渗滤系统具有多方面的优势，在污水处理中会发挥非常重要的作 用。但是人工快速渗滤系统，尽管具有较高的渗滤速率和较强的有机污染物去 除效果去但是对污水中氮磷去除效果还不太高，难以达到城镇污水处理厂污 染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级a 标准。因此本论文，用河流冲积沙和 大理石的作为渗滤介质，以农村生活污水为研究对象，在室内模拟进行土柱试 验，研究快渗池内污染物质迁移、转化、降解规律，掌握污染物质特别是氮素 污染物在快渗系统中的去除规律，应用这些规律和机理对快渗池池体结构、运 行方式等进行有效的改造，从而全面改善快渗池对污染物( 尤其是t n ) 的去 除效率，指导人工快渗系统的工程设计，有利于c r i 技术进一步推广和应用。 通过对快滤反应柱不同高度有机物、氮素污染物的浓度测定，分析污染物 在不同层面的转化规律。c o d 与氨氮转化规律近似，随着快滤池深度的增加， 去除率逐渐增加。但去除率主要集中在快滤池上层9 0 c m 的范围内，约占总去 除率的9 0 左右。硝氮的浓度随着快滤池深度的增加，9 0 c m 范围内硝氮浓度 直线上升，后由于反硝化作用有所下降。t n 随着快滤池深度的增加，逐渐下 降，但总的去除率不高。分析以上三种氮素的转化规律，得出提高t n 去除效 率的途径。一、改进反应器增加厌氧段的长度，厌氧条件促进反硝化菌生长： 二、投加人工碳源，以满足反硝化对碳源的需要，进而提高系统对总氮的去除 效果。 在改进快滤池池体结构的基础上，研究最佳脱氮效率条件下最佳工艺运行 参数。研究表明，在9 0 c m 的分段进水口和2 ：1 的进水比条件下，总氮去除效率 最高。而外设3 0 c m 的溢流池的砂层高度已经能满足系统对厌氧段的要求。 通过模拟试验研究发现，通过池体改造、运行方式的调整有利于提高总氮 去除效率。对c r 技术的推广、应用以及工程设计有一定的指导作用。 关键字：c r i 技术；氮素转化规律；总氮去除效率 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t 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 n ( c r i ) s y s t e mh a st h ev a r i o u sa d v a n t a g e ，w i l l p l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a l t h o u g hc r ih a st h eh i g h e r v e l o c i t y o fp e r c o l a t i o na n dt h e s t r o n g e rm a t e r i a l r e m o v a lr a t eo fo r g a n i c c o n t a m i n a n t ，t h em a t e r i a lr e m o v a lr a t eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si sl o w e r i t s d i f f i c u l tt or e a c h ( ( t h ed i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a la n dt o w n s e w a g ep l a n t ) ) p r i m a r ya s t a n d a r d s ot h i st h e s i s ，c h o s et h er i v e ra l l u v i a ls a n da n d m a r b l e sa sp e r c o l a t i o nm a t e r i a l s ，a n dt a k er u r a ld o m e s t i cw a s t ea st h er e s e a r c h o b j e c t ，t oc a r r yo nt h es o i lp i l l a r se x p e r i m e n ti n d o o r s t h er e s e a r c hl i e so nt h e t r a n s f e r ，t r a n s f o r m a t i o na n dd e g r a d a t i o nr u l eo fp o l l u t a n t si n s i d et h eq u i c kp o n do f p e r c o l a t i o n ，a n dg e tt h er e m o v a lr u l eo fp o l l u t a n t si nc r i ，e s p e c i a l l yn i t r o g e n t h e n u s et h o s er u l e sa n dm e c h a n i s mt oc h a n g et h es 1 础t u r eo fp o n da n dt h em e t h o do f o p e r a t i o nf u n c t i o n a l l y ，a n d s oo n , i no r d e rt o i m p r o v et h ed i s p o s a l r a t eo f p o l l u t a n t s ( e s p e c i a l l yt o t a ln i t r o g e n ) i na l ld i r e c t i o n s t h er e s e a r c h i n gr e s u l t sa r eu s e d f o rg u i d et h ee n g i n e e r i n gp r o j e c t ，a r ef a v o r a b l ef o rt h ef u r t h e rp o p u l a r i z a t i o na n d a p p l i c a t i o no fc r i t h r o u g hm o n i t o r i n gt h eo r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e np o l l u t a n tc o n s i s t e n c yi n c r i i ta n a l y z e st h ep o l l u t a n tt r a n s f o r m i n gr u l e so fd i f f e r e n ts e c t i o n ，n l er e s e a r c h i n d i c a t e st h a tt h et r a n s f o r m i n gr u l e so fc o di ss i m i l l a rt oa m m o n i a n , n a m e l yt h e d i s p o s a lr a t ei n c r e a s e sg r a d u a l l yw i t ht h ed e e p t ho fp o u dr a i s i n g b u tt h ed i s p o s a l r a t ef o c u s e so nt h eu p p e rl a y e r ，a b o u tt h es c o p eo f9 0 c ml a y e r ，o c c u p i e d9 0 o f t o t a ld i s p o s a lr a t e t h ed e n s i t yo ft h en i t r i cn i t r o g e ns t r a i g h tc l i m b si nt h es c o p eo f9 0 c m 、i t ht h e i n c r e m e n to fd e e p t h ，t h e nd e c r e a s e ss l o w e r l yb e c a u s eo fd e n i t r i f i c a t i o n t h ed e n s i t y o ft o t a ln i t r o g e nd e c r e a s e ss l o w e r l y ，b u tt h ed i s p o s a lr a t ei sl o w e r a n a l y s i n gt h e t h r e ek i n do fn i t r o g e nt r a n s f o r m i n gr u l e s ，i tg e t st h em e t h o d so fi m p r o v i n gt o t a l n i t r o g e nd i s p o s a lr a t e o n t h eo n eh a n d ，i m p r o v et h er e a c t o rt oi n c r e a s et h el e n g t ho f t h eo x y g e ns e g m e n t ，a n dt h eo x y g e nc o n d i t i o nc a np r o m o t et h ed e n i t r i f y i n gb a c t e r i a g r o w i n g ；o nt h ea n o t h e rh a n d ，a d dt h e a r t i f i c i a lc a r b o ns o u r c et o s a t i s f yt h e d e n i t r i f i c a t i o nd e m a n df o rt h ec a r b o ns o u r c e ，a n dt h e nr a i s et h ed i s p o s a lr a t eo ft o t a l n i t r o g e n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 o nt h eb e s i so fi m p r o v i n gt h es t r u c t u r e so fp e r c o l a t i n gf i l t e r , i td o s es o m e r e s e a r c ho nt h eb e s to p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，n l er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tu n d e rt h e c o n d i t i o no ft h e9 0 c ms e g m e n tw a t e ri n t a k ea n d2 ：1w a t e rr a t i o ，t h ed i s p o s a lr a t eo f t o t a ln i t r o g e ni sh i g h e s t b u tt h e3 0 c ms a n dh e i g h to fo u t s i d eo v e r f l o wp o n dc a n s a t i s f yt h es y s t e md e m a n do fa n a e r o b i cs e g m e n t 1 1 l ec o n s t r u c t e de x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a ti t su s e f u lt oi n c r e a s et h ed i s p o s a l r a t eo ft o t a ln i t r o g e nb yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r ea n da d j u s t i n gt h eo p e r a t i n gm e t h o d s ，n l er e s e a r c h i n gr e s u l t sa r eu s e df o rg u i d et h ee n g i n e e r i n gp r o j e c t a r ef a v o r a b l ef o r t h ef u r t h e rp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fc r i k e y w o r d s ：c r it r a n s f o r m i n gr u l e so f n i t r o g e nd i s p o s a lr a t eo f t o t a ln i t r o g e n 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 掌握c r i 反应柱内不同深度氮素转化规律； ( 2 ) 分析c r i 反应柱脱氮效率低的关键因素，提出强化脱氮效率的措施； ( 3 ) 在改进反应装置的基础上，确定强化脱氮效率的最佳工艺运行参数。 疗 巾梳 西南交通大学曲南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囵，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 日期：刎万一f 2 汀 匆1 南 i 指导老师签名： 搽 日期：矽硒i i 玎 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 章引言 随着人口增长和社会经济的飞速发展，目前我国人均需水量和总需水量 不断增加，城市污水总排放量也随之相应逐年增加。2 0 0 4 年我国污水排放量 达4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨【1 1 ；2 0 0 5 年，全国废水排放总量为5 2 4 5 亿吨，其中工业废水排放量为 2 4 3 1 亿吨，生活污水排放量为2 8 1 4 亿吨拉】。由此可见，我国水污染控制的 重点已经从工业点源为主的控制，逐渐转变到以城市生活污水为主的控制。 据估计，到2 0 1 0 年，我国城市生活污水排放总量为1 0 5 0 1 0 8 m 3 ，其中 村镇污水排放量可达2 7 0 1 0 8 m 3 。目前，我国一些大、中型城市生活污水已 引起高度重视，相继建立起相应规模的污水处理厂。然而对于中小城镇以及 广大农村生活污水，由于其来源分散、配套处理工艺落后以及思想意识等因 素几乎未经任何处理。大量的污水未经处理直接排入河流、水库和湖泊，导 致河流发黑发臭，湖库富营养化问题突出，自然环境、生态环境以及饮用水 安全遭到严重的破坏。城市污水处理及污染防治技术政策提出2 0 1 0 年我 国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市污水处理率不 低于6 0 ，重点城市的污水处理率不低于7 0 t 引。按照这一要求，一方面要 开发经济、高效的水处理技术提高污水的处理率，另一方面也要采用适当的 措施和技术处理受污染河水，在短时间内恢复河流、湖库正常生态、景观、 饮用水供应等功能。 水环境污染是点源污染和面源污染共同作用的结果。过去人们一直认为 工业点源是造成水污染的主要原因，各国投入大量人力物力，重点治理工业 点源污染。但治理的实践表明单纯控制点源污染，仍然不能消除水体污染， 因为除了点源外，大量的面源污染物继续分散地不问断地进入水体。美国现 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在面源污染占总污染量的2 3 ，成为目前美国河流污染的主要原因【4 】。 农村生活污水就是一种典型的面源污染来源。一般来说，农村生活污水具 有与城市污水不同的特点。农村生活污水主要是洗涤、沐浴和部分卫生洁具 排水。其特征是有机物和氮、磷等营养物含量较高，一般不含有有毒物质， 污水中还含有的合成洗涤剂以及细菌、病毒、寄生虫卵等等。农村生活污水 为不均匀排放，瞬时变化较大，日变化系数一般在3 0 5 0 之间，同时农村生 活污水还具有早、中、晚不同时段相对集中排放等特剧5 1 。大量的实地研究表 明，农村生活污水若未经任何处理排放，它们通过降雨径流等途径进入水体， 造成水体中氮磷污染物超标，当污染量超过水体的自净能力，就会引起富营 养化。同时污水中的细菌、病毒也可能污染地下水，造成饮用水水源污染， 引发一系列人类疾病。因此在治理水体富营养化的同时，农村生活污水的治 理越来越引起环保工作者的重视，并积极探求高效、经济、合理的污水处理 工艺。 目前，城镇生活污水二级处理方法主要采用生物处理方法。生物处理方 法主要有活性污泥法和生物膜法两大类。活性污泥法的工艺类型很多，最早 应用的是普通活性污泥法，之后人们为了提高处理效果，在工艺方面进行了 改革，发展出了其他工艺，如s b r 法、u n i t a n 法、氧化沟法、a b 法、o 法、a a o 法等。生物膜法的类型也很多，主要有生物滤池法、生物转盘法、 生物接触氧化法、生物流化床法等【6 】。这些处理方法在处理生活污水时，都能 取得良好的效果，但也存在一些难以克服的缺点。主要体现在以下几方面： 1 ) 基建投资和运行费用高，如要建一个1 0 万吨的常规二级污水处理厂， 则基建投资就高达上亿元，每年的运行费用约是基建投资的1 0 - - 2 0 。如 此高的投资，普通城市是难以承受的。当这些方法用于分散居住点的生活污 水或工业废水处理时，单位水量的处理成本将更高。 2 ) 操作复杂，难以管理。如活性污泥法经常出现污泥膨胀问题，一旦发生， 需停止运行，再重新启动，会造成很大损失。据报道，在法国平均有四分之 一的应用活性污泥法污水处理厂中存在污泥膨胀问题【7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 3 ) 产生大量的污泥，给环境重新造成潜在的危害。污泥处理与处置的成 本很高，但即使进行处理后，对环境潜在的危害仍然不能得到根本的解决。 4 ) 传统的污水二级生物处理方法可以有效的去除s s 和c o d 等，但是对 氮、磷等营养物质的去除率较低( 3 0 5 0 ) ，经处理后的出水排入自然水体将 引起“富营养化 等环境问题。一般来讲，二级出水仅能用于灌溉以及工业 冷却水。因此从改善生态环境而论，城市污水二级处理只能减轻污染，不能 彻底消除污染，也不能使污水完全资源化。此外，上述废水生物处理方法一 般动力消耗较大。 污水土地处理也是一种生物处理方法，从2 0 世纪8 0 年代开始，污水土 地处理系统作为“革新一并代技术在国外得到复兴和发展，世界上许多国 家都在积极研究和大力推广城市污水土地处理系统。尤其是在城市水资源紧 张越来越严重的今天，规模化集中式的污水处理方式已不完全适合城市污水 处理的需要，而应考虑处理与利用相结合的方案，尤其对于中小城市和广大 的中小城镇更为重要。因此，将城市和城镇全部污水大规模集中处理，在我 国中小城市，而且大中城市今后逐渐行不通了。今后推广土地处理技术，尤 其在中小城镇，将集中污水处理与分散处理相结合将逐渐成为适合我国国情 的污水处理的必由之路。 不过，污水土地处理系统也存在难以克服的缺陷。由于传统土地处理系 统的核心是利用天然土层作为渗滤介质，因此，其水力负荷低，占地面积大， 这在一定程度上限制了污水土地处理与利用的发展。针对上述问题，中国地 质大学( 北京) 钟佐桑等人提出了采用渗透性能较好的天然砂等代替天然土层 营建污水处理系统的研究方案，并将这种处理系统命名为人工快速渗滤系统 ( 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 n ，简称c r i ) 。人工快滤处理技术具有水力负荷高、 基建投资低、运行方式简单等多方面的优势，在污水处理中会发挥非常重要 的作用。尤其是对于经济基础较差、专业技术水平较低、人口较为分散的农 村，人工快滤处理技术也逐渐得到应用和推广。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2c ri 系统的特征 c r i 系统的工艺原理为，在快渗池中填一定量粒径较小的滤料，在正常运 行过程中，滤料表面生长着生物膜。当污水流经时，因滤料呈压实状态，利 用滤料粒径较小的特点、滤料中粘土矿物和有机质的吸附作用及生物膜的生 物絮凝作用【8 】，截留和吸附污水中的悬浮性物质和溶解性物质，且保证脱落的 生物膜不会大量随水漂出，从而保证系统出水水质，此过程为机械过滤和吸 附作用；同时，因滤料表面( 特别是渗池上部滤料表面) 生长着丰富的生物膜， 当污水流经时，利用滤料的高比表面积带来的高浓度生物膜的降解能力对污 水进行快速净化，此过程为生物降解作用：当运行一定时间后，由于系统中 有机物的积累和生物膜的快速生长，系统的渗透速率会有所下降，需进行落 干，以分解积累的有机物质，恢复介质的吸附性能，以及更新生物膜，此过 程为落干恢复。由此可见，c r i 对有机污染物的去除主要由过滤截留、吸附 和生物降解作用共同完成。过滤截留和吸附作用在c r i 系统中主要起调节机 制，而有机污染物的真正去除主要靠生物降解。生物降解包括好氧生物降解 和厌氧生物降解，其中发生在好氧一厌氧交替带的好氧生物降解是c r i 系统 去除有机污染物的主要机制【9 】。一般说来，c r i 具有如下特征： ( 1 ) 滤介质一般选择既具有一定的渗透性能，又具有一定阳离子交换容量 的粉砂、细砂、中砂或砾石等天然砂砾石。 ( 2 ) 滤层厚度一般为1 - 2 m 。 ( 3 ) 水力途径一般是垂直流，污水自上而下自流通过渗滤介质。 ( 4 ) 快滤池之后不需再设二次沉淀池。 ( 5 ) 一般不需曝气和反冲洗。 ( 6 ) 由于采用人工建造，机动灵活，不受场地条件限制，不会因渗漏而造 成对地下水的影响。 ( 7 ) 系统的主体结构可以置于地上，也可以埋于地下。因此，受气候条件 影响较少，一年四季都能保证稳定、正常的运行。特别是在北方寒冷地区， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 更能突出c r l 的实用性【1 们。 ( 8 ) 采用人工介质回填，系统水力负荷高( 一般大于1m d ) ，占地面积小。 ( 9 ) 渗滤介质的可选性，使得系统可以根据不同进水浓度和出水水质要求 调整设计参数，机动灵活。 ( 1 0 ) 基建费用少、运行成本低、管理简单。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 土地处理系统的研究现状 土地处理系统是利用土壤一植物系统净化污水的功能，达到一定的处理 目标。土地处理系统对污染物的去除过程包括土壤的过滤截留、物理和化学 吸附、化学分解和沉淀、植物和微生物摄取、微生物的氧化降解、蒸发等。 1 土地处理系统的类型 土壤对污水的净化作用是一个十分复杂的综合过程，其包括：物理过程 中的过滤、吸附；化学反应与化学沉淀以及微生物的代谢作用下的有机物分 解等。目前土地处理系统基本工艺可分为三种：慢速渗滤( s b ) 、快速渗滤( 尉) 、 地表漫流( o f ) 。其主要差别在于相应工艺中污水运移的速率和水力路径不同。 适当改变某些应用条件可成为与上述三种基本工艺类型不同的改良型，如： 湿地系统、地下渗滤系统、人工土层快速渗滤系统及土地处理复合系统等工 艺。表1 1 是土地处理系统各工艺类型的比较【1 1 】。 表1 1 土地处理系统各工艺类型比较 慢速渗快速渗地表漫地下渗人工土 工艺特点湿地系统 滤滤流滤层渗滤 表面布 表面布 表面水或高地下布表面布 配水方式水高压 布水低压布 表面布水 喷洒 水水 水 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 年水力负荷 ( m a ) 0 6 6 6 1 2 23 3 13 3 00 4 - 31 0 0 2 0 8 年有机负荷 2 0 0 03 6 0 0 0 1 5 0 0 0 1 8 0 0 0 ( k g b o d h a a ) 占地性质农林牧征地牧业经济作物绿化征地 占地面积( m a )1 8 01 0 2 5 2 2 一级处一级处格栅、筛格栅、筛 化粪池、 一级处 预处理最低程度一级处 理理滤滤理 理 下渗、下渗、径流、下径流、下 下渗、地面收 污水最终去向 蒸散蒸散渗、蒸散渗、蒸散蒸散集 谷物、草皮、 典型植物无要求牧草芦苇无要求 牧草花木 2 土地处理系统的应用与发展 从8 0 年代开始，污水土地处理作为“革新一替代技术在国外得到复兴 和发展，世界上许多国家都在积极研究和大力推广城市污水土地处理与利用。 如在美国，快速渗滤( r a p i di n f i l t r a t i o n ，简称对系统) 土地处理场地于1 9 8 1 年 达3 2 0 个，1 9 8 7 年进一步发展到1 0 0 0 多个，各种不同形式的污水土地处理系 统的总数高达3 4 0 0 多个，占全部污水处理系统的1 0 0 旷2 0 。美国环保局于 1 9 8 1 年和1 9 8 4 年正式出版了城市污水土地处理工艺设计指南) ) ( u s e p a ，1 9 8 1 ) 及其续补本( u s e p a ，1 9 8 4 ) ，有效地促进了污水土地处理系统的研究和发展。 在丹麦，对处理相当于2 0 1 0 0 0 人口所产生的生活污水的砂滤系统调查了5 0 个，结果发现，这些砂滤系统基本上都建于八十年代。调查还表明，从1 9 8 6 年一1 9 9 0 年，其砂滤系统的建设以每年7 个的速度发展。在以色列，几乎所 有经二级或一级处理后的污水都进入土地处理系统，经一定距离后，取出再 用。这种水除做饮用水水源要进一步处理外，可广泛用于各种工农业用水。 土地处理不仅是污水资源化( 污水回用) 的经济有效方法，而且也常用于地表供 水水源的预处理。在荷兰的阿姆斯特丹市，一个利用莱茵河水作为供水水源 的预处理程序为，把莱茵河水送到沙丘渗滤池内，经过地下含水层8 0 米的渗 流距离和9 0 天的水力停留时间后，再经取水管进入水厂。其监测结果表明， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 通过地下含水层渗滤，不仅悬浮物得以去除，河水中的有机物亦降低了8 0 。 此外，其他国家也有很大的发展，原苏联甚至在其国家污水设计规范中特别 规定，在中小城市一般不采用人工生物处理方法，鼓励污水土地处理系统的 发展。 我国政府自8 0 年代初开始，确立了根据我国国情与各地区的自然和社会 经济状况，实行人工处理与自然处理并行的技术政策。在吸收与改进发达国 家传统的污水人工处理技术的同时，积极推行替代二级处理的土地处理、稳 定塘等自然处理技术。土地处理技术经过“七五 、“八五 联合科技攻关， 实现了从小试、中试到实用规模的试验、示范研究：确立了完整的技术分类 系统：明确了各种类型的工艺特征、技术要点与工程参数，为在我国推行这 一技术奠定了坚实的基础。 但是传统土地处理系统具有水力负荷低、占地面积大的缺点，中国地质 大学( 北京) 钟佐桑等人【2 6 】提出了采用渗透性能较好的天然砂等代替天然土层 营建污水处理系统的研究方案，并将这种处理系统命名为人工快速渗滤系统 ( 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 n ，简称c r i ) 。 1 3 2c rl 系统的研究现状 人工快渗污水处理系统( 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) 是一种新型的土地处理技术，是在污水快速渗滤( r a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e m ， 简称系统) 的基础上发展起来的。指将污水有控制地投配到具有良好渗滤性 能的土壤表面，污水在受重力作用迅速向下渗透过程中由于生物氧化、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。 1 c r i 系统的净化机制 人工快渗系统的基本净化机制主要有机械过滤、吸附作用和生物氧化还 原作用。其中机械过滤作用是指在渗滤过程中，当污染物颗粒较大时，处于 流线中的颗粒会直接碰到介质表面产生拦截作用；污染物颗粒沉速较大时会 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用；污染物颗粒具有较大惯性时也可以 脱离流线与介质表面接触。污染物颗粒较小、布朗运动较剧烈时会扩散至介 质表面；在介质表而附近存在速度梯度，非球体污染物颗粒由于在速度梯度 作用下，会产生转动而脱离流线与介质表面接触。吸附作用是一种物理化学 作用。当污染物颗粒迁移到介质表面上时，在范德华引力和静电力相互作用 下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下，被吸附于介质颗粒表面上， 或者吸附在介质表面上原先吸附的污染物颗粒上。生物氧化还原作用是指在 系统经过一段时间的稳定运行后，渗滤介质表面在有充足的溶解氧和丰富的 有机质的环境中，生长出生物膜。在生物膜内栖息着大量的微生物，通过微 生物的代谢活动，有机物污染物经历由大分子n 4 , 分子，由不易生物降解到 易生物降解，转化成为微生物生长代谢所必需的营养物质，最终形成h 2 0 和 c 0 2 等。对于不同的氧化环境条件，生物膜的组成和生物量差别较大【2 7 】。 2 c r i 系统的研究进展 综合国内外的研究成果，污水土地处理系统的新进展主要集中在以下几个 方面： ( 1 ) 系统复氧问题的研究。 污水土地处理是一种自然处理技术，一般不采用人工曝气，其复氧过程 主要靠大气复氧。为提高系统的复氧效率，目前采用的途径主要有三种：一是 采用周期性干湿交替的工作方式加强系统复氧【2 8 刁o 】；二是利用植物的根系对系 统内部进行复氧，据文献报告，植物根系对氧的传输率可达2 0g m 2 d ，对系 统复氧有明显效果3 1 】；三是安装通风管，主要应用于地埋式砂滤系统【3 2 。7 】。 此外，最新研究表明，采用微曝气的方式给土地处理系统复氧。 ( 2 ) 渗滤介质研究 水力负荷高，占地而积小，是c r i 系统的突出特点。因此，用作c r i 系 统的渗滤介质必须具有较好的渗透性能。介质的渗透性能越好，其水力负荷 越高。但水力负荷太高，又难以保证系统的出水水质。因此，所选择的渗滤 介质既要有很好的渗透性能，又要含有一定量的粘土矿物和有机质【3 8 - 3 9 1 ，来 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 加强其对污染物的截留和吸附作用；同时也可以保证渗滤介质具较大的比表 面积和高浓度的生物量，从而具有较好的污染物去除效果。 系统，特别是c r i 系统，其水力负荷高，水与微生物接触的时间短， 且所采用的渗滤介质与天然土层相比，其对n ，p 的去除率相对较低。因此， 目前这方面的研究主要是在渗滤介质中添加一定量的磷吸附材料或增加一定 量的石灰石等，以弥补因硝化作用而消耗的碱等【4 0 4 1 1 。 ( 3 ) 运行方式的研究 选择合适的水力负荷周期，使系统的水力负荷最大，污染物的去除效果 最佳是这一方面的重要研究内容。目前这方面的研究主要集中在缩短水力负 荷周期的试验研究。 ( 4 ) 去除机理的研究 土地处理技术是应用生态学原理加工程学方法而形成的生态工程水处理 技术。污水土地处理系统对有机污染物的去除，主要是依靠微生物的作用。 这方面的研究主要集中在对微生物的培养、微生物在系统中的分布、微生物 量、微生物活性以及具体的菌种( 如硝化菌、反硝化菌) 等的研究【4 2 4 3 1 。 崔程颖等人通过对c r i 的模拟，揭示了非生物机制与生物机制对有机物、 营养元素的降解机制结果表明，c r i 对污水中污染物的去除是在非生物机制 与生物机制协同作用下完成的对污水中的有机物和氮的降解以生物机制为 主、非生物机制为辅对磷的降解则以非生物机制为主、生物机制为辅生物机 制对有机物、氮的去除占7 0 以上，非生物机制对磷的去除占6 1 9 系统中 氮转化以硝化效果为主，反硝化效果较弱畔】。 ( 5 ) 系统堵塞问题研究 堵塞问题是污水土地处理系统研究的重要内容之一它不仅影响系统的 水力负荷，而且也会大大缩短系统的使用寿命。通常认为造成系统堵塞的原 因主要有悬浮物的截留、吸附毒素、化学沉淀堵塞、土壤颗粒遇水膨胀堵塞 以及微生物的生长造成的堵塞等。有的学者认为悬浮物的截留、吸附是造成 堵塞的主要原因，也有学者认为微生物的生长是造成堵塞的主要原因。何江 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 涛博士已通过试验证实，从整个系统来看，不管是过滤沉积作用，还是微生 物膜的增长，所造成的堵塞状况都呈现出随滤层厚度增加按负指数形式递减 的趋势。系统内部是否会发生堵塞与原水的成分组成、渗滤介质的有关参数、 微生物的活性等都密切相关。对于人工渗滤系统来说，微生物的生长一般不 会成为导致系统内部堵塞的主要原因，而悬浮物的截留、吸附常常会造成系 统表层比较严重的堵塞【3 9 】。目前解决堵塞的方法主要有：一是加强系统的预 处理，降低系统的有机负荷；二是根据系统处理水质的要求，选择渗透性能 适中的渗滤介质。 研究表明，c r i 克服了传统m 的水力负荷低的缺点，保留了其设备简单、 投资少、能耗低和出水水质好等优点，具有广阔的发展前景m 】。 近十几年来，尽管美国、法国、芬兰、丹麦、瑞士等国家对污水土地处 理进行了详细的研究，获得了丰富的试验资料，并相继建成了一些实用工程， 且运行效果良好。污水土地处理系统被认为是一种简单、可靠、实用、低能 耗、低花费的小型污水处理系统，是解决中小城市、城镇、农村等小流量生 活污水的最适合、最可靠的途径。但是，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等，许多方面还有待于进一步探索。特 别是对c r i 的研究，国外未见报道。 由于传统的土地处理系统本身的局限性及我国的实际情况，其在我国的 推广进程极其缓慢，到目前为止主要还是停留在试验研究阶段，实际运行的 工程很少。对c r i 的研究也基本上还是处于起步阶段，目前的研究主要围绕 如何充分发挥系统的污染物去除潜力，提高系统的水力负荷，增加其实用性。 尤其是对在较高的污染物负荷条件下，c r i 系统的水力负荷、净化效果和系 统的稳定性等都有待于进一步研究。 1 4 研究出发点及主要内容 目前我国水资源短缺、水污染情况严重。实施污水处理无害化、资源化， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 处理与利用相结合，人工处理与自然处理并行的技术，是完全有必要和符合 我国国情的。具体而言，大城市生活污水水量大，污水成分复杂，其市政经 济承受能力强，应以人工处理技术为主，实行集中处理；而大中城市受污染 河流以及中小城市、城镇、农村等生活污水，成分简单，应实施以土地处理 等自然处理技术为主的无害化、资源化污水处理政策。可以预见，污水处理 无害化、资源化的实施，一方面，它将使我国有限的水资源量大为增加【2 2 】； 另一方面，它将使我们的水环境得以净化，进而实现资源、经济、环境、社 会全面可持续性发展的战略目标。 农村生活污水具有分散的最大特点，规模化集中式的污水处理方式难以 满足此类污水的处理需要。因此推广土地处理技术，将集中污水处理与分散 处理相结合将逐渐成为适合我国国情的污水处理的必由之路。人工快滤处理 技术是近年来广为推广的一种土地处理技术，具有水力负荷高、基建投入少、 运行成本低、运行管理简单等多方面的优势，对农村生活污水的处理发挥非 常重要的作用。但是人工快滤处理技术，尽管具有较高的渗滤速率和较强的 有机污染物去除效果，但是对污水中氮磷去除效果还不太高，因此，有必要 深入研究人工快渗处理技术，使之成为成熟、经济、高效的污水土地处理工 艺，为我国小城镇生活污水以及受污染河水治理以及污水资源化利用作出贡 献。 基于人工快滤处理技术的优越性及其在我国的发展前景，结合由我校和 成都中科创智环保有限公司共同承担的四川省科技攻关计划课题“四川省重 点流域农村水污染治理关键技术与成套设备研究”( 2 0 0 6 2 1 0 0 0 9 ) ，和目前 研究上关于提高t n 去除效率的研究空白，本论文选择以提高t n 去除效率为 研究方向。具体思路是通过改进目前的c r i 反应系统结构和调整一些参数运 行方式，以克服目前处理系统出水总氮指标不达标的现状。 因此针对目前的研究现状，本论文着重对以下几方面进行研究： ( 1 ) 研究不同深度氮素转化规律，并分析其氮素转化的机理； ( 2 ) 分析c r i 反应柱脱氮效率低的关键因素，并在此基础上改良试验装置； 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 3 ) 在改进反应装置的基础上，研究强化脱氮效率的最佳工艺运行参数。 其研究的技术路线如下图： 图1 - 1 研究技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章试验设计及方案 2 1 试验的目的和意义 人工快渗系统在工程上得到了一定的推广和应用，但是在基础研究和理论 研究上还存在一些不足，系统对t n 、t p 的去除效果也不能完全满足出水的要 求。因此本论文，用河流冲积沙和大理石的作为渗滤介质，以农村生活污水为 研究对象，在室内模拟进行土柱试验，研究快渗池内污染物质迁移、转化、降 解规律，掌握污染物质特别是氮素污染物在快渗系统中的去除规律，应用这些 规律和机理对快渗池池体结构、运行方式等进行有效的改造，从而全面改善快 渗池对污染物( 尤其是t n ) 的去除效率，指导人工快渗系统的工程设计，有 利于c r i 技术进一步推广和应用。 2 2 试验参数选择 c r i 系统其特点是采用人工回填的介质替代天然的土壤、植物系统，选取 的介质要求有较强的渗透性能，具有一定的吸附量，并且有利于微生物挂膜系 统。在正常运行过程中，分淹水期和落干期。在淹水期，向系统投放污水，使 滤池淹没，利用滤料中的粘土矿物和有机质的吸附作用及生物膜的生物絮凝作 用，截留和吸附污水中的悬浮性物质和溶解性物质，使污水得到净化。由于滤 料的粒径较小，可保证脱落的生物膜小会大量随水漂出。在落干期，停止投放 污水，让污水落干，使系统表面暴露于大气，经历干燥和氧化作用，分解积累 的有机物，恢复系统的渗透速率和吸附性能。淹水、落干往复循环，一方面可 以防止由于有机物的生长和悬浮物沉淀所造成的滤料表层孔隙的过度堵塞，有 效地恢复系统的渗透性能，保证稳定的处理水量，另一方面可使系统内部的浅 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 层剖面上交替形成氧化还原环境，从而使系统具有独到的净化功能。 其系统处理效率与几个因素有关，合理地选择运行参数能大大提高去除效 率。 ( 1 ) 渗滤介质 污水土地处理系统一般采用天然土层作为渗透介质，但由于天然土层本身 的局限性以及场地条件的限制等因素，目前采用人工回填介质代替天然土层的 研究和应用发展很快，如构造湿地、地埋式砂滤等。据文献报道，用作土地处 理系统的回填介质一般可采用天然砂、人工砂、炉渣和粉煤灰等【4 7 鹕】。 c r i 系统也采用人工回填介质，既要求有较好的渗透性能，满足较高的水 力负荷要求，又要求有一定的粘土和矿物质来净化水质。同时在提高c r i 系统 对氮、磷去除效率的众多研究，有一部分研究从改进滤料的角度出发，研究不 同的滤料组成，配比成分，等对污染物去除的影响。我们知道，氨态氮的去除 主要是在硝化菌的作用下将氨态氮转化为硝酸氮，在这一转化过程中需消耗一 定的碱度，一般来说，1 9 氨态氮( 以n 计) 完全硝化需碱度( 以c a c 0 3 计) 7 1 9 。 因此，为保证硝化作用的顺利进行，渗滤介质应有足够的碱度以缓冲反应过程 中p h 值的变化 5 0 l 。张金柄等人在渗滤介质中混入2 左右红土时，系统的除磷 效果得到了明显改善，但随时间延长，系统对磷的去除效率有降低的趋势，且 红土的加入，会影响渗滤介质的渗透性能【5 l 】。刘家宝在c r i 系统中填充由木炭、 铁屑、天然砂组成的特殊介质对c o d ，氨氮、t n ，t p 的降解都有促进作用；而 投加萤石对提高的磷的去除效果很微弱【2 2 1 。 本试验选用不同粒径的两种河砂，粗砂( 0 2 5 一- 2 m m ) 和细砂( 0 1 0 5 m m ) ，其中加入5 的大理石砂补充消化过程中消耗的碱度。细砂的粘土成 分较高，对有机物的去除较好，易填充在反应器上层；粗砂含水率较高，易构 成厌氧环境，铺于下层。最下层选择卵石( 4 - - 4 0 m m ) 作为支撑层。 ( 2 ) 水力负荷 水力负荷即土地处理系统对污水的处理量，一般用单位土地面积上单位时 间内施加污水的深度表示。在保证出水水质前提下，追求较高的水力负荷，是 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 c r i 的主要目标。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 r n d ，对于生活污水采用1 0m d 。c r i 的水力负荷值比r j 的水力 负荷上限高出3 - 5 倍。 本试验选择农村生活污水作为试验对象，根据水力负荷典型值，采用1 0 m d 。 ( 3 ) 水力负荷周期及湿干比 水力负荷周期是指系统一次淹水和一次落干构成的循环。一般把湿、干延 续的时间之比称为湿干比。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，是快滤系统运行的技术关键，决定 或影响着快滤系统的水力负荷和处理效