（环境工程专业论文）填料结构对人工快渗系统氮磷去除效果研究.pdfVIP

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( 简称c r i 系统) 在污水处理中发挥非常重要的作用，具 有多方面优点，尤其是对c o d 及氨氮的去除，优于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。但是尽管人工快速渗滤系统具有较高的 渗滤速率和较强的有机污染物去除效果，但是对污水中总氮、总磷去除效果还 不太高，难以达标。因此本论文用河流冲积沙和大理石的作为渗滤介质，以校 园生活污水为研究对象，建立三种不同组成结构的c r i 系统，在室内模拟进行 土柱试验，研究三种结构中对氮素、磷素去除效果最优的一种，通过改变水力 周期长短、迸水落干时间，进一步确定最佳的运行条件，从而提出解决系统堵 塞问题的措施。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。 通过对三种不同组成结构的快滤反应柱进水、中部与出水有机物、氮素污 染物、磷素污染物的浓度测定，对比分析结果并确定最优的系统组合结构，对 于c o d 、氨氮、总氮的去除，细粗砂比例9 ：4 的3 ；6 系统处理情况均好于其他 两种系统，硝态氮、亚硝态氮未呈现出明显的规律，细粗砂比例4 ：9 的1 群系统 对磷污染物的去除效果最优，分析上述结果c r i 系统对氮素、磷素的去除情况 与系统中细粗砂的比例有关。 在延长水力周期、单次进水、落干时间，减少日进水次数的运行条件下， 以两阶段的试验结果为依据，对比三种系统的运行情况、对氮磷污染物的去除 情况，从而验证前一种运行条件所得的结论并确定较优的运行方式。系统在改 变条件后，除磷的污染指标外，其余指标的处理效果均优于原运行条件。可见 系统运行方式尤为重要，与污染物处理效果紧密相关，需对最优的日进水次数、 水力周期以及进水落干时间进行深入研究，以便应用到工程实践中。 c r i 系统的堵塞问题是决定系统是否广泛得到应用的重要因素之一。本文从 理论上、试验结果以及实验过程中的细致观察，分别讨论最优抗堵塞的组合形 式以及运行条件。从实验研究中得到“粗细砂的组成比例以及水力周期等相关 参数与系统发生堵塞现象存在密切联系 的结论，通过控制比例与运行条件缓 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 解c r i 系统的堵塞问题。 通过模拟试验研究发现，采取对系统内渗滤介质组成结构方式的调整的措 施，有利于提高氮素、磷素去除效率。对c r i 技术的推广、应用以及工程设计 有一定的指导作用。 关键字：人工快速渗滤系统；渗滤介质；组成结构；系统堵塞 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 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 j ) s y s t e mw i l lp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei n w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，a n di th a st h ev a r i o u sa d v a n t a g e ，e s p e c i a l l yi nt h er e m o v a lr a t e o fc o da n da m m o n i a n ，i t sb e t t e rt h a nt 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 s f o r m u n i c i p a la n dt o w ns e w a g ep l a n t ) ) p r i m a r yas t a n d a r d a l t h o u g hc r i h a st h eh i g h e r v e l o c i t yo fp e r c o l a t i o na n dt h es t r o n g e rm a t e r i a lr e m o v a lr a t eo fo r g a n i cc 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 ft o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u si sl o w e r ，d i f f i c u l tt o r e a c ht h es 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 l s a n da n dm a r b l e sa s p e r c o l a t i o nm a t e r i a l s ，t a k er u r a ld o m e s t i cw a s t e a st h er e s e a r c ho b je c ta n ds e tu pt h r e e k i n do fc o m p o s i t i o nc o n s t r u c t i o nt 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 e r e s e a r c hl i e so nt h eb e s tc o n s t r u c t i o no fr 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 s ，b y w a yo fc h a n g i n gh y d r a u l i cc y c l e ，t h ei n t a k ea n dd r y i n gt i m e ，m a k es u r et h eo p t i m a l o p e r a t i o nw a yf u r t h e r ，t h u sp u tf o r w a r dt h em e a s u r e si ns o l v i n gs y s t e mb l o c k 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 t r u c 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 ds oo n ，i no r d e rt oi m p r o v et h ed i s p o s a lr a t eo fp o l l u t a n t s 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 df o rg u i d et h ee n g i n e e r i n gp r o je 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 da p p l i c a t i o no fc r i b yw a yo fm o n i t o r i n gt h eo r g a n i cm a t t e r 、n i t r o g e np o l l u t a n t a n dp h o s p h o r p o l l u t a n tc o n s i s t e n c yo f t h ei n t a k ew a t e r 、t h em i d d l ew a t e ra n dt h ee f f i u e n ti nc r i ，i t a n a l y z e st h er e s u l t sa n dd e f i n i t e st h a tw h i c hc o m p o s i t i o nc o n s t r u c t i o ns y s t e mi st h e b e s to n e f o rt h er e m o v a lo fc o d ，a m m o n i a na n dt o t a ln i t r o g e n ，t h ed i s p o s a le f f e c to f t h et h i r do n ew h i c hh a s9 ：4r a t i ob e t w e e nt h ef i n es a n da n dt h et h i c ks a n di sb e t t e r t h a nt h eo t h e rt w o i td o e s n ta p p e a ro b v i o u sr u l e sf o rt h en i t r a t en i t r o g e na n dt h e i n f e r i o rn i t r a t en i t r o g e n a n dt h ef i r s ts y s t e mw h i c hh a s4 ：9r a t i ob e t w e e nt h ef i n e s a n da n dt h et h i c ks a n dh a sah i g hr e m o v a li np h o s p h o rp o l l u t a n t t h r o u g ha n a l y z i n g t h es i t u a t i o no fd e a l i n gw i t hn i t r o g e np o l l u t a n ta n dp h o s p h o rp o l l u t a n ta m o n gt h e t h r e es y s t e m s i tw i l lg e tt h ec o n c l u s i o n ：t h er e m o v a lr a t eo fc r ii sc l o s e l yi n t e r r e l a t e d w i t ht h ep r o p o r t i o nb e t w e e nt h ef i n es a n da n dt h et h i c ks a n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 u n d e rt h ec o n d i t i o no fe x t e n d i n gh y d r a u l i cc y c l e ，s i n g l ei n t a k ew a t e rt i m e ，d r y i n g t i m e ，r e d u c i n gi n t a k ew a t e rt i m e s ，a st h ee x p e r i m e n tr e s u l t si nt w os t a g e st h eb a s i s ，i t c o u l db ed e f i n i t e dt h a tw h i c hi st h eb e t t e ro p e r a t i o nm e t h o db yw a yo fc o m p a r i n gt h e t h r e ek i n d so fo p e r a t i o ns i t u a t i o na n dt h er e m o v a le f f e c to fn i t r o g e np o l l u t a n ta n d p h o s p h o rp o l l u t a n t a f t e rc h a n g i n gt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h er e m o v a l e f f e c t so f i n d e xe x c e p tp h o s p h o r u si n d e xs u r p a s st h eo n e si nt h ep a s t i tw i l lb es e e nt h a tt h e s y s t e mo p e r a t i o nw a y sa r ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n ta n da r e r e l a t i v et ot h ep o l l u t a n t p r o c e s s i n ge f f e c tc l o s e l y i tn e e d st ob ed e e p l ys t u d i e dt h eo p t i m a lt h ed a yi n t a k e w a t e rt i m e s ，h y d r a u l i cc y c l ea n dt h ei n t a k ea n dd r y i n gt i m e ，s oa st oa p p l i c a t i n gt h e r u l e si n t ot h ee n g i n e e r i n gp r o je c t t h ep r o b l e mo fc r is y s t e mc l o g g i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s d e t e r m i n i n gw h e t h e ri t c o u l d b eu s e dw i d e l y t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eo p t i m a l c o m p o s i t i o nc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o nc o n d i t i o na g a i n s tt h ec l o g g i n gp r o b l e m s e p a r a t e l yb a s e do nt h et h e o r y ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dc a r e f u lo b s e r v a t i o nd u r i n g t h ee x p e r i m e n tp r o c e s s i tc o u l db ec o n c l u e dt h a tt h ep r o p o r t i o nb e t w e e nt h ef i n es a n d a n dt h et h i c ks a n da n dh y d r a u l i cc y c l eh a v eac l o s er e l a t i o nw i t ht h ep r o b l e m so fc r i s y s t e mc l o g g i n g ，a n dt h e nt h ep r o b l e mc o u l db es e t t l e db yw a yo fc o n t r o l l i n gt h e p r o p o r t i o na n do p e r a t i o nc o n d i t i o n t h 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 lr a t e o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb 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 g m e t h o d s t h 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 je c t ，a r e f 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 da p p l i c a t i o no fc r i k e y w o r d s ：c o n s t r u c t e dr a p i d i n f i l t r a t i o n s y s t e m ( c r i ) ；f i l t r a t i o nm e d i u m ； c o m p o s i t i o nc o n s t r u c t i o n ；s y s t e mc l o g g i n g 西南交通大学 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d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 专毛毛气 日期： 。c ) 。i 斗 帘 ，1 ml 名 奎巧 稚 口 翱 ： 导期匕日丁_ t指日 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 ) 对比c r i 反应柱渗滤介质的不同组成结构对氮磷的去除效果； ( 2 ) 对比不同水力周期的运行方式下，三种组成结构的c r i 系统分别对氮 素、磷素的处理情况，深入研究c r i 反应柱氮磷转化机理； ( 3 ) 确定更优的c r i 反应系统渗滤介质组合结构及各运行参数； ( 4 ) 研究c r i 系统的堵塞现象与结构组成以及运行方式之间的关系； 、弋1 o 七 工 ：匕 i 寸i 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 水资源是重要的环境要素，生存不可替代的自然资源，也是生命支持系统之 一。水资源的可持续利用是所有自然资源可持续开发利用中最重要的环节。如 今，随着人口增长、经济发展以及人们生活水平的提高，人类社会对水的需求 量迅速增长，加之人类活动造成水污染进一步加剧，导致可用水资源减少，危 及人类对水资源的基本需求。据相关调查表明：目前世界上2 6 个国家的2 3 2 亿 人处于缺水状态，更为严重的是，北非及中东地区的地下水量也将枯竭。许多 国家和地区出现水资源危机，进而引发一系列的经济和社会问题。 据相关资料统计，淡水储量仅仅占全球总储量的2 5 3 ，可取用淡水约为1 0 0 万亿m 3 a ，而全球的总径流量却只有5 0 万亿m 3 a 。用水量方面，至2 0 0 0 年， 全世界总用水量将达总径流量的1 3 ，随着用水量的迅速增加，预计到2 0 3 0 年， 世界上全部稳定径流量将被用光。水资源危机引起了世界各国的普遍关注与不 安，1 9 7 2 年联合国人类环境会议就提出缺水问题，1 9 7 7 年联合国水会议发出警 告：“继石油危机之后的下一个危机就是水”。水资源紧缺已经成为当今世界许多 国家社会经济发展的制约因素，引起人们的普遍关注。 1 1 1 我国水污染现状 随着工业的飞速发展和农村城市化水平的不断提高，水资源紧张和水污染现 象严重成为全国各地面临的主要难题之一。 据国家环保总局2 0 0 8 年的统计川，2 0 0 8 年，全国废水排放总量5 7 2 0 亿吨， 比上年增加2 7 3 ，其中工业废水排放量2 4 1 9 亿吨，比上年减少1 9 1 。2 1 2 业 废水排放量占废水排放总量的4 2 2 9 ，比上年略有降低。生活污水排放量3 3 0 2 亿吨，比上年增加6 4 2 。生活污水排放量占废水排放总量的5 7 7 1 ，比上年 略有上升。 据( ( 2 0 0 7 年中国水资源公报【2 】，全国6 6 9 座城市中有4 0 0 余座供水不足， 其中比较严重缺水的有1 1 0 座。我国水污染主要体现以下几方面： ( 1 ) 河流污染状况 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 0 0 7 年，对全国约1 4 万公里河流水质进行评价，i 类水河长占4 1 ，i i 类 水河长占2 8 2 ，i i i 类水河长占2 7 2 ，类水河长占1 3 5 ，v 类水河长占5 3 ， 劣v 类水河长占2 1 7 。与2 0 0 6 年比较，全国水质总体状况变化不大。各水资 源一级区中，西南诸河、西北诸河、珠江、长江和东南诸河5 个区水质较好， 符合和优于i 类水的河长占8 8 - 6 6 ；黄河、辽河、淮河、松花江和海河5 个区水质较差，符合和优于i i i 类水的河长只占4 7 - 2 8 。对全国2 4 9 个省界断 面的水质进行监测评价，水质符合和优于地表水i i i 类标准的断面数占总评价断 面数的4 2 2 ，水污染严重的劣v 类占2 9 9 。总体来看，省界水体的水质状况 不容乐观。各水资源一级区中，省界断面水质较好的是西南诸河区、东南诸河 区和长江区( 未含太湖流域) ，海河区、淮河区、辽河区省界断面水质较差。省 界断面的主要超标项目是化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、五日生化需氧量 和挥发酚等。 ( 2 ) 地下水污染状况 2 0 0 7 年，对北京、辽宁、吉林、黑龙江、上海、江苏、海南、甘肃、青海、 宁夏9 个省( 自治区、直辖市) 7 5 8 眼地下水监测井的监测资料进行了评价。评 价结果表明，水质适合于各种使用用途的i i i 类水井占监测井总数的9 4 ，适 合集中式生活饮用水水源及工农业用水的i i i 类水井占2 8 1 ，适合除饮用外其它 用途的v 类水井占6 2 5 。近些年呈现出地下水有机污染现象开始加重。 ( 3 ) 湖泊污染状况 对我国4 4 个湖泊的水质进行评价，水质符合和优于i h 类水的面积占4 8 9 ， 类和v 类水的面积共占2 1 6 ，劣v 类水的面积占2 9 5 。对4 3 个湖泊的营 养状态进行评价，1 个湖泊为贫营养，中营养湖泊和轻度富营养湖泊各有1 5 个， 中度富营养湖泊有1 2 个。由于排入湖库的氮、磷等营养物质的不断增长，主要 湖泊氮、磷污染较重，导致富营养化问题突出。 对我国3 2 1 座水库的水质进行评价，水质优良( 优于和符合i i i 类水) 的水库 有2 5 2 座，占评价水库总数的7 8 5 ；水质未达到i i i 类水的水库有6 9 座，占评 价水库总数的2 1 5 ，其中水质为劣v 类水的水库有8 座。主要超标项目为总磷、 总氮、高锰酸盐指数、化学需氧量和氨氮。对2 9 9 座水库的营养状态进行评价， 中营养水库有2 0 9 座，轻度富营养水库7 1 座，中度富营养水库1 8 座，重度富 营养水库1 座。水体富营养化主要危害有：恶化水源水质，增加给水处理难 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 度和成本；水体感官性状恶化，降低了水体的美学价值；破坏了水体生 态平衡，降低了水体的经济价值。 从全国情况看，污染正从支流向干流延伸，从城市向农村蔓延，从地表向地 下渗透，从区域向流域扩展。 1 1 2 我国农村生活污水治理现状 目前，我国农村地区环境形势严峻，点源污染与面源污染共存、生活污染和 工业污染叠加、各种新旧污染与二次污染相互交织，工业及城市污染向农村转 移，土壤污染日趋严重，已成为中国农村经济社会可持续发展的制约因素。 农村水体环境污染的诸多因素之中，主要包括农村生活污水、养殖废水及湖 泊水库污染。农村生活污水由于其来源分散、配套处理工艺落后、环保资金匮 乏以及农村地区环保意识跟不上等因素，几乎未经任何处理直接排入河流、水 库和湖泊，自然环境、生态环境以及饮用水安全遭到严重的破坏。养殖废水一 方面排放量大，是工业排放污染物的十几倍，另一方面农村地区畜禽养殖以农 民家庭非专业分散养殖为主，规模化养殖率较低，约占2 0 左右，规模化养殖 畜禽废水处理率也非常低，基本没有处理。湖泊水库面临着富营养化问题突出 等问题。因而，农村水体环境污染及治理问题，引起全社会的广泛关注。 我国地域辽阔，农村人口居住分散，加上规划滞后，建设资金严重缺乏，认 识不到位，农村污水治理尚未引起人们的足够重视农村生活污水处理，最主要 的是缺乏适合我国农村地区实际的处理技术。因此，对于农村污水的治理工作 难度大，存在许多困难与问题。 目前，我国城市生活污水常用处理工艺，如s b r 、法【，一、u n i t a n k 法i s - h i 、 氧化沟法6 】、a b 法【1 7 。l s 、a o 、法【嘲、a a o 法 2 0 - 2 s 、生物滤池法、生物转盘法、 生物接触氧化法、生物流化床法等1 2 9 - 3 5 ，虽然都取得良好的效果，但存在基建投 资和运行费用高；操作复杂，难以管理；产生大量的污泥，造成环境潜在的危 害等难以克服的缺点。因此，将城市生活污水常用处理工艺直接嫁接到农村地 区是行不通的。针对农村生活污水的水质水量特征，研究开发建设成本低、处 理效果好、运行无费用或低费用、适合分散型处置的生活污水处理技术，探索 适合农村生活污水的处理模式。 近年来，国内研究较多的农村地区生活污水处理技术有：地埋式有无动力 厌氧处理技术1 3 6 - 4 1 、人工湿地( 包括地表水、潜流、垂直流) 生态处理系统 4 2 - 4 9 j 、快 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 速渗滤处理系统、地下渗滤处理系统、净化槽技术、厌氧沼气池技术、高效藻 类塘技术、一体化氧化沟等 s o - s g 。其中，人工快速渗滤系统( c o n s t r u c t e dr a p i d i n f i l t r a t i o ns y s t e m ，简称c r i 系统) 是在对各种类型土地处理系统研究总结的基 础上，针对传统污水土地处理系统普遍存在的水力负荷低、单位面积处理能力 小等问题提出的，它在很大程度上借鉴了污水快速渗滤土地处理系统和人工构 造湿地系统的优点，取长补短，逐步发展成为具有自身特色的新型污水处理技 术，受到人们的认可。 1 2 人工快速渗滤系统( c r j 系统) 人工快渗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。 人工快渗净化机理及运行方式简单，仅需在快渗池中填一定量粒径较小的滤 料，随着系统的正常运行滤料表面生长着生物膜。当污水流经时，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 ，截留和吸附污水中的悬浮性物质和溶解性物质，确保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，系统的渗透速率有所下降，进行落干以分解积累的有机物质，恢复 介质吸附性能以及更新生物膜，此过程为落干恢复。在整个过程中，c r i 系统对 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【6 l j 。 通过查阅资料进行总结，c r i 系统的特征如下： ( 1 ) 渗滤介质具有一定的渗透性能以及阳离子交换容量，水力途径一般是垂 直流，污水自上而下自流通过渗滤介质； ( 2 ) 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； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 3 ) 渗滤层厚度一般为1 - 2 m ； ( 4 ) 快滤池之后不需再设二次沉淀池，池内不需曝气和反冲洗； ( 5 ) 快滤池不受场地条件限制，不会因渗漏而造成对地下水的影响； ( 6 ) 系统的主体结构既可置于地上，也可埋于地下；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，更能突出c r l 的实用性1 6 2 】； ( 7 ) 采用人工介质回填，系统水力负荷高( 一般大于1r r d d ) ，占地面积小； ( 8 ) 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 土地处理系统研究现状 土地处理系统是利用土壤植物系统净化污水的功能来达到一定的处理目 标。 1 土地处理系统的类型 土壤对污水的净化作用是一个复杂的综合过程，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主要分为三种：慢速渗滤系统、快速渗滤系统、 地表漫流系统。这几种处理技术的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便成为基本工艺类型的改进型，如：湿 地系统、地下渗滤系统、人工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 6 3 】。 慢速渗滤，即s l o wr a t ei n f i l t r a t i o nt r e a t m e n ts y s t e m ，是将污水投配到种有 植物的土壤表面，污水在流经土壤表面以及在土壤一植物系统内部垂直渗滤时 得到净化的土地处理工艺。污水慢速渗滤土地处理技术是土地处理技术中经济 效益最大、水和营养成分利用率最高的一种类型，由于其易与农业生产结合， 工艺灵活，资金投入少，而被许多国家广为应用。 地表漫流处理系统( o v e r l a n df l o ws y s t e m ) 是将污水有控制地投配到生长多 年植物、坡度和缓、土壤渗透性较差的坡面，污水在地表以薄层沿坡面流动过 程中得到净化的一种污水处理工艺类型t 6 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表1 1 土地处理系统各t 艺类型比较 配水方式 喜墓磊嘉嘉票 耋攀囊銮 表面布水地下布水表面布水 年水力负荷 ( m a ) 年有机负荷 ( b o d ) ( k g h a a ) 占地性质 占地面积 ( m a ) 预处理最低程 度 污水最终去向 典型植物 下渗、蒸散 谷物、牧草 6 1 2 2 3 6 0 0 0 3 3 1 1 5 0 0 0 3 3 00 4 310 0 - 2 0 8 、8000| 征地牧业经济作物绿化征地 1 02 52 2 五耋 格栅、筛滤格栅、筛滤 豁 一级处理 焉霎i 基磊篓i 彖矗下渗、蒸散地面收集蒸散渗、蒸散渗、蒸散 缈“队出叫1 凡术 无要求牧草芦苇草皮、花木无要求 快速渗滤土地处理系统，即r a p i di n f i l t r a t i o nl a n dt r e a t m e n ts y s t e m ，简称 对系统，是将污水有控制地投配到具有良好渗滤性能的土壤表面，污水在向下 渗透过程中由于生物氧化、硝化、反硝化、过滤、沉淀、氧化和还原等一系列 作用而得到净化的一种污水土地处理工艺类型【6 5 1 。r i 系统因为包括包气带( 非饱 和带) 和非包气带( 饱和带) ，也称为土壤含水层处理系统( s o i l a q u i f e rt r e a t m e n t s y s t e m ) 6 6 1 a 地下渗滤系统，即s u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e m ，是利用并强化土壤微生物 及土壤一植物稳定生态系统的净化功能，采用在土壤亚表面布水的方式投配污 水，将污水投配到具有一定构造和良好扩散性能的土层中，使污水中的污染物 在生态系统的物质循环中进行降解，净化水质，使污水中的能量通过生态系统 的能量流动逐级充分利用，以维持生态系统正常发挥的中小规模的生态处理工 程【6 7 】。 湿地处理系统，即w e t l a n ds y s t e m ，是将污水有控制地投配到土壤经常处于 饱和状态，生长有芦苇、香蒲等沼泽生植物的土地上，污水在沿一定方向流动 过程中在耐水植物和土壤联合作用下得到净化的一种土地处理系统。污水湿地 一：啪一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 系统的类型有天然湿地系统、自由表面人工湿地系统、地下潜流湿地系统、垂 直流人工湿地等 6 a 】。 人工土层快速渗滤土地处理系统( a r t i f i c i a lr a p i di n f i l t r a t i o nl a n dt r e a t m e n t s y s t e m ，简称a r i ) 是污水快速渗滤处理的改进型，通过人工配制土壤的手段，改 变土壤组成和土壤本身的环境条件，从而强化土壤的净化功能f 6 9 】。a r i 系统的原 理与r j 系统的完全相同，使净化水的水质达n - 级生化处理的水平。此工艺的 最大特点不受地形、地貌、土壤、水文和气候等自然环境条件的限制。目前， 对a r i 系统研究与应用比较多。 2 污水土地处理系统国内外的应用与发展 污水土地处理系统是利用土壤一微生物一植物系统的陆地生态系统的自我 调控机制和对污染物的综合净化功能处理城市污水及一些工业废水，使水质得 到不同程度改善，实现废水资源化与无害化的常年性生态系统工程【7 0 】。 污水土地处理机理是运用生态学的处理方法，通过土壤、含水层和植物的“处 理 与“利用 两个功能的总体实现。土壤作为工程系统进行污水处理，污染 物在系统中通过物理的过滤、吸附、挥发、淋溶、化学的分解与转化、植物的 吸收与微生物的降解、吸收等作用由复杂变为简单，由大分子变为小分子，由 植物、微生物不可利用变为可利用、吸收，进行不断地更新和循环再生，从而 实现污水的充分净化和水资源的循环再生和有效利用。这种处理方法运用植物 土壤含水层系统的天然净化功能，使土地处理系统具有设备简单、投资少、操 作管理方便、能耗低，净化效果良好等优点，作为“革新一替代技术”在欧美 技术发达的国家得到复兴和发展，许多国家积极研究和大力推广城市污水土地 处理与利用。近年来，各发展中国家也开始兴起。 我国于8 0 年代初，确立“符合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，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 的进程极其缓慢，实际运行的工程较少。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 土地处理系统的优缺点 与其他污水处理方法相比，土地处理系统具有以下优点，- 】： ( 1 ) 工艺类型灵活多样，工程简易，基建投资省 土地处理系统的基建费用主要决定于土地价格、污水输送距离的远近及预处 理费用。由于土地处理系统类型多样，可充分利用当地地形，选择征地费用低， 不适于农业开发的土坡、荒山、废弃河道、废矿坑、矿山塌陷等作为处理场地， 其投资只有常规处理的1 3 1 2 ，在处理污水的同时，土地处理还兼有国土整治、 绿化环境的作用。 ( 2 ) 管理简单方便，运行费用低，处理效果稳定 一方面，由于工程构造简单，运行维护比较方便，不需要投加化学药品和复 杂的机械设备，不产生大量污泥，运转和维护费用低，可节省人力物力，这对 于我国那些缺乏资金和专业技术人员的中小城市、乡镇和农村地区非常适合。 另一方面，经工程实践证明，设计合理、运行和维护良好的土地处理系统， 其出水水质能达到甚至优于其他资源化技术，尤其是在去除氮、磷、可溶性有 机物、细菌等方面，而运行维护费用仅有常规处理的1 5 1 3 。 ( 3 ) 利用水资源较充分 土地处理系统实现污水充分净化的同时，使水资源循环再生和有效利用，达 到污水处理与利用相结合的目的。经处理后的水可作为城市供水水源、杂用水 及工农业用水，这对水资源短缺的地区尤为重要。 尽管土地处理系统具有无法比拟的优势，但也存在诸多缺点吼 ( 1 ) 水力负荷低，占地面积大 土地处理系统水力负荷低，占地较突出，制约其在我国的推广应用，尤其在 土地资源较紧张的城市地区。如何解决土地利用矛盾，是土地处理技术在土地 资源紧张的大中城市推广使用的关键。 ( 2 ) 在寒冷地区的季节性问题 在北方一些寒冷地区，土地处理系统冬季无法运行。系统运行的季节性与废 水排放的连续性矛盾，在一定程度上限制土地处理系统在北方地区的应用。 ( 3 ) 公共卫生问题 土地处理系统在运行过程中产生气溶胶、散发臭气对周边地区造成环境卫生 问题。此外，设计或者运行不当，易对场外径流、地下水造成污染。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 针对传统土地处理系统水力负荷低、占地面积大的缺点，对系统进行改进， 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，这种系统被命 名为人工快速渗滤系统m 】。 1 3 2c r i 系统研究现状 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，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r j 系统) 的基础上发展起来的。它是通过将污水有控制地投配到具有良好渗滤性能 的土壤表面，在受重力作用污水迅速向下渗透，通过生物氧化、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。 尽管近十几年来，美国、法国、芬兰等国家对污水土地处理进行了详细的研 究，并相继建成了一些实用工程，且运行效果良好，但是c r i 系统是我国科研 人员借鉴污水快速渗滤和人工构造湿地等土地处理工艺优点，自主研发的一种 新型土地处理技术，国外针对c r i 系统的研究尚未见到报导，国内对c r i 的研 究仍处于起步阶段，工程实例较少，目前的研究主要围绕以下几个方面： ( 1 ) 系统复氧问题的研究 人工快速渗滤系统处理是一种自然处理技术，不采用人工铺砌，其复氧过程 主要靠大气复氧。目前，采用以下三种方法来提高系统的复氧效率：一是周期 性干湿交替的工作方式加强系统复氧；二是利用植物的根系对系统内部进行复 氧；三是安装通风管，主要应用于地埋式砂滤系统【7 4 】。三种方式比较，利用植物 根系对系统复氧，一般效率不高；采用人工曝气方式虽然效果显著，但是由于 设备复杂和能耗较高，导致投资运营成本增加，抵消掉土地处理工艺在投资少、 运行管理方便等优势；采用周期性干湿交替的方式加强系统复氧，可在投资成 本和复氧效率之间取得一个最佳的平衡点。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，效果明显。 ( 2 ) 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，而且会大大缩短系统使用寿命。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。相关研究结果证实：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、微生物的活性等密切 相关；对于人工快速渗滤系统来说，微生物的生长不会成为导致系统内部堵塞 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 的主要原因，而悬浮物的截留、吸附常常会造成系统表层堵塞比较严重。目前， 解决这一问题的途径主要有两种：一是加强预处理，降低系统有机负荷；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介质。 ( 3 ) 运行方式的研究 运行方式直接影响砂滤系统的复氧途径和复氧效率。不同的运行方式直接影 响水在砂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，直接影响地埋式砂滤系统的污染物去除效果。 因此，选择合适的水力负荷周期，使系统水力负荷最大，污染物去除效果最佳 是这一方面的重要研究内容。 ( 4 ) 微生物研究 土地处理技术是在生态学原理基础上运用工程学方法而形成的生态工程水 处理技术。对有机污染物去除，主要靠微生物作用。目前，这方面的研究主要 是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 及对具体的菌种( 如硝化菌、反硝化菌) 等方面的研究，需进一步深入。 ( 5 ) 复合系统研究 污水土地处理与常规二级生化处理方法相比，其有机负荷较低，采用复合系 统，实质上是加强系统的预处理，降低系统的有机负荷，从而提高系统的水力 负荷和净化效果。 ( 6 ) 渗滤介质研究 c r i 系统的水力负荷高，水与微生物接触的时间短，因此，用作系统的渗滤 介质必须具有较好的渗透性能。尽管介质的渗透性能好，可使水力负荷相应地