（环境工程专业论文）cri系统除磷机理及加强除磷型cri系统构建.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，我国的水环境问题日益突出，不仅表现在水资源总量的匾乏，还 表现为水质的恶化、水体功能的下降、水生生态系统结构的破坏和功能的衰退。 尽管在“十一五”期间，全国建成了大量的污水处理厂，但城市污水处理率仍然 较低，出水水质无法完全满足要求。目前迫切需要采用高效的污水处理技术对 已受污染的水体进行治理，使其在较短的时间内恢复生态、景观和饮用水等功 能。 人工快速渗滤系统( 简称c r i 系统) 是在传统的污水土地处理系统( 简称 r i 系统) 基础上发展起来的一种全新污水生物处理系统，是采用天然砂、陶 粒、钢渣、煤渣等渗透性能较好且便宜易得的介质作为滤料构建的污水处理系 统。在工程应用和既有研究认为，c r i 系统对氨氮和有机物去除效果较好，但 对t p 和t n 的去除效果较差，氮、磷的去除机理以及基础理论研究欠缺，实 际工程应用中的水力负荷、运行方式以及工程设计理论依据不充分。 选取成都市凤凰河二沟c r i 系统水污染治理工程进行勘查调研，系统地分 析该工程建设以及污水处理效果等，得出该c r i 系统对c o d 和氨氮的去除效 果较好，出水已经满足城镇污水处理厂污染物排放标准( g b18 9 18 2 0 0 2 ) 中一级a 标要求，但是对t n 和t p 处理效果较差，未能达到一级a 标要求。 通过在实验室中构建c r i 系统模拟柱a 对生活污水的处理实验，进一步 研究了c r i 系统中磷污染物质迁移、转化、降解的规律，掌握了c r i 系统的 除磷机理。磷污染物在c r i 系统主要通过物理化学作用和生物作用得到去除， 其中物理化学除磷主要通过滤料对磷的吸附与沉淀作用进行除磷，生物除磷主 要通过滤料周围生长的微生物利用污水中的磷酸根合成自身生长繁殖所需要 的营养物质和能量，以及聚磷菌等对磷的积累，从而实现除磷。但由于传统 c r i 系统采用的滤料河沙中含有的铁、铝、镁、钙等活性物质较少，通过吸附 沉淀作用对磷的去除贡献较小，同时c r i 系统中的微生物对磷的同化吸收以及 对磷的过量积累的量也较少，因此传统c r i 系统中t p 去除率较低。 课题以铁粉和传统c r i 常用基质一河沙为研究对象，研究并对比铁粉和河 沙对污水中磷素的等温吸附特征，并运用一级和准二级动力学模型分析了两者 吸附磷素的动力学过程，考察铁粉与河沙吸附磷素的规律和性能，研究铁粉作 为c r i 系统除磷滤料的可行性。实验结果表明铁粉选作为c r i 系统加强除磷 型滤料具有较大的优势。等温吸附实验得出铁粉对磷素的理论最大吸附量是河 沙对磷素的理论最大吸附量的7 5 6 倍。准二级动力学模型计算出铁粉对溶液 中磷素的平衡吸附量为1 6 4 4 9 m g g ，而河沙对溶液中磷素的平衡吸附量为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 o 1 6 2 7 m g g 。在c r i 系统滤料中添加适量铁粉构建加强除磷型c r i 系统( 模拟 柱b ) ，通过实验室实验运行发现模拟柱b 对t p 的去除率有了较大的提高，平 均去除率为8 4 2 ，比模拟柱a 高出4 0 左右。 关键词：人工快速渗滤系统；除磷机理；等温吸附；总磷去除效率 a b s t r a c t l nr e c e n t y e a r s ， w a t e re n v i r o n m e n t p r o b l e m sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l y p r o m i n e n ti nc h i n a ，w h i c hc o n s i s tn o to n l ya1 a c ko ft o t a lw a t e rr e s o u r c e sv 0 1 u m e b u ta l s ot h ed e t e r i o r a t i o no fw a t e rq u a l i t y ； d e c r e a s e dw a t e rf u n c t i o n a n dt h e d e s t r u c t i o na n dd e c l i n eo fa q u a t i ce c o s y s t e mi ns t r u c t u r ea n d 向n c t i o n w i t h i nt h e s p a no ft h e“e l e v e n t hf i v e - y e a rp l a n ”， a l t h o u g h al a r g en u m b e ro fs e w a g e t r e a t m e n tp l a n t sh a v eb e e nc o n s t r u c t e d ，u r b a ns e w a g et r e a t m e n tr a t es t i l lr e m a i n s l o wa n dt r e a t e dw a t e rq u a l i t yc a n n o tf h l l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t s t h e r ei sa n u r g e n tn e e dt oi n t r o d u c es o m ee f 行c i e n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g i e sf 0 r d i s p o s i n gt h ep o l l u t e dw a t e rc o n t r i b u t i o nt or e s t o r i n ge c o l o g i c a l ，l a n d s c a p ea n d c o n s u m p t i o nf u n c t i o no fw a t e ri nas h o r tt i m e c o n s t n l c t e d r a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e m( c r is y s t e mf o rs h o r t )i san e w b l o l 0 9 1 c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m s ，w h i c hi sd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h e t r a d i t i o n a ll a n dt r e a t m e n ts y s t e m ( r is y s t e mf o rs h o r t ) n a t u r a ls a n d s ，c e r a m i c s t e e ls l a ga n dc i n d e r ，w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e so fb e t t e rp e n e t r a b i l i t y ；c h e a pa n d e a s ya c c e s s i b i l i t y a r ea sf i l l e rm a t e r i a l st oc o n s t l l j c tt h ec r i s y s t e m i ts h o w st h a t l n e n g l n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dr e l a t e dr e s e a r c h ，c r is y s t e ma p tt or e m o v et h e a m m o n i an i t r o g e na n do r g a n i c s ，b u ti t sr e m o v a le f f e c to ft pa n dt n i sn o tv e r y g o o d b e c a u s eo fm a n yr e a s o n s ，r e s e a r c ha n db a s i ct h e o r yf o c u so nn i t r o g e na n d p n o s p h o r u sr e m o v a lm e c h a n i s ma r e q u i t ed e f i c i e n t i nt h em e a n t i m e t h e t h e o r e t i c a lb a s i so fh y d r a u l i cl o a d ， o p e r a t i o nm o d ea n de n g i n e e r i n gd e s i g ni n p r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni sn o ta d e q u a t e t h r o u g hr e s e a r c h i n gf e n gh u a n gr i v e rc r is y s t e mi n c h e n g d u ， a n d s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z i n gt h ep r o je c tc o n s t n l c t i o na n de f 佗c t so fs e w a g et r e a t m e n t 。 i ts h o w st h a tc r is y s t e mi sg o o da tr e m o v i n gt h e 锄m o n i a n i t r o g e na n do r g a n i c ， w h o s ee f - n u e n tm e e t ss t a n d a r dao f d 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 - 0 r m u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( g b18 9 18 2 0 0 2 ) w h i l et h er e m o v a le f f e c t o ft pa n dt nf a i l st or e a c ht h es a m es t a n d a r d b yc o n s t n l c t i n gs i m u l a t i o nc o l u m nao fc r is y s t e mf o rw a s t e w a t e rd i s p o s a l i nl a b ，af u t u r es t u d y c o n c e n t r a t i n go nm i g r a t i o n ，t r a n 8 f 0 n n a t i o n ，a n dd e g r a d a t i o n o fp o l l u t a n tp h o s p h o r u si nc r is y s t e mi n t h i sp a p e r ，a sw e l la sd e g r a d a t i o n m e c h a n i s m so fp h o s p h o r u sa n dp a r t i a lr e a s o n so fl o w e rr e m o v a le f ! f e c t so f t ph a v e b e e nc a r r i e do u t p o l l u t a n tp h o s p h o r o u si nc r i s y s t e mc a nb er e m o v e db vf u n c t i o n o fp h y s i c a l c h e m i s t r ) ra n db i o l o g i c a le f f e c t i np h y s i c a l c h e m i s t r yr e m o v a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 m e c h a n i s m ，p h o s p h o r o u si sr e m o v e db yw a y so fa b s o r p t i o na n dp r e c i p i t a t i o no f f i l t e r ；w h i l ei nb i o l o g i c a lr e m o v a lm e c h a n i s m ，t h er e m o v a lo fp h o s p h o r o u sm a i n l y d e p e n d s o nt h ea c c u m u l a t i o no f p h o s p h a t e a c c u m u l a t i o nb a c t e r i a la n dt h e s y n t h e s i so fp h o s p h a t eb ym i c r o o r g a n i s mt oc r e a t ei ng u a r a n t e e i n gn u t r i e n t sa n d e n e r g yf o rr e p r o d u c t i o ni nw a s t e w a t e r h o w e v e r ，d u et oal e s sa m o u n to fe l e m e n t i f o n ，a l u m i n u m ，m a g n e s i u ma n dc a l c i u mi nn a t u r a ls a n d sa st r a d i t i o n a lf i l t e r m a t e r i a li nc r is y s t e m ，i th a sl o w e rp h o s p h o r u sr e m o v a le f f c c tt h r o u g ha b s o r p t i o n a n d p r e c i p i t a t i o n m e a n w h i l e ， t h ee x c e s s i v ea c c u m u l a t i o n c a p a c i t y a n d a s s i m i l a t i o no fp h o s p h o r u sb ym i c r o o r g a n i s mi ss m a l ls ot h a ts y s t e ma l w a y s r e m a i n sar e l a t i v e l yl o wp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t ei nt r a d i t i o n a lc r is y s t e m t os e ti r o na n ds a n d s ( c o m m o ns u b s t r a t eo fc r is y s t e m ) a sc o m p a r i s o no b je c t s i nt h i sp a p e r t h r o u g hr e s e a r c h i n ga n dc o n l p a r i n g t h ei s o t h e m a la d s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fi r o na n ds a n d si na d s o r b i n gp h o s p h o r u si nt h ew a s t e w a t e r ，a n d a n a l y z i n gt h ed y n a m i cp r o c e s so f i r o na n ds a n d si na d s o i b i n gp h o s p h o r u sb yf i r s t o r d e rr e a c t i o nk i n e t i c sm o d e la n d p s e u d o - s e c o n d o r d e r k i n e t i c sm o d e l ，t h e d i s c i p l i n ea n dp e r l 0 r m a n c eo fp h o s p h o i | l l sa d s o r p t i o na r es t u d i e d t h ea n a l y s i so f f e a s i b i l i t yo fu s i n gi r o na st h ef i l t e rm a t e r i a lf o rp h o s p h o r u sr e m o v a li nt h ec r i s y s t e mi sc o n d u c t e da tt h es a m et i m e t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a tu s i n gi r o n a se n h a n c e df i l t e rm a t e r i a li nc r is y s t e mh a sg r e a t a d v a n t a g e si np h o s p h o r u s a b s o r p t i o n r e s u l t sf r o mi s o t h e 珊t e s t ss h o wt h a tt h e o r e t i c a lm a x i m u mp h o s p h o m s a d s o r p t i o nc a p a c i t yo fi r o n - c o n s t r u c t e df i l t e r i s7 5 6t i m e sl a r g e rt h a nt h a to f s a n d s c o n s t r u c t e df i l t e rm a t e r i a l t h ee q u i l i b r i u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yo fi f o ni n l b s o i b i n gp h o s p h o r u si s 1 6 4 4 9m g gb yc a l c u l a t i o no fp s e u d o s e c o n d o r d e r k i n e t i c sm o d e l ，w h i l et h es a n d si so 16 2 7m g g w h e na d d i n gm o d e r a t ei r o ni n t o t h es i m u l a t i o nc o l u m no fc r is y s t e m ( c o l u m nb ) ，t pr e m o v a lr a t er e a c h e s8 4 2 i nf i l t e rs i m u l a t i o nc o l u m nbw h i c hi s4 0 h i g h e rt h a nt h a ti nc o l u m na k e y w o r d s ： c o n s t r u c t e d r a p i d i n f i l t r a t i o n s y s t e m ；p h o s p h o 九l s r e m o v a l m e c h a n i s m ；i s o t h e m a la d s o r p t i o n ；t pr e m o v a le f n c i e n c y 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国的水资源与水环境现状 我国淡水资源总量约为2 8 l0 1 2 m 3 ，居世界第六位，但人均水量仅 为2 2 0 0m 3 ，只相当世界人均占有量的1 4 ，居世界第1 2 1 。位。另外，由于我国 地域宽广，亩均水量为1 7 7 0 m 3 ，为世界均值的1 3 。全国6 6 6 个大中城市中， 有3 0 0 多个城市缺水，1 0 8 个城市严重缺水，每年因缺水而受影响的工业产值 就达上千亿元。2 l 世纪，我国水资源供需矛盾已进步加剧，据专家预测， 我国人口在2 0 3 0 年将进入高峰时期，届时人均水资源量大约只有1 7 5 0 m 3 ，中 国将成为严重缺水的国家，2 0 3 0 年全国缺水量将达到4 0 0 5 0 0 1 0 8 m 3 ；到2 0 5 0 年全国缺水量将达到6 0 0 7 0 0 1 0 8 m 3 。在此种情况下，大力提倡节约水资源的 同时必须进行污水资源化，提高水资源的利用率是我国解决水资源短缺的必由 之道，因此，对生活污水和受污染河流的处理技术提出了要求。 我国的水资源危机不仅表现在总量的匾乏，还表现为水质的恶化、水体功 能的下降、水生生态系统结构的破坏和功能的衰退。据资料表明，随着人口基 数量的增大，经济的快速发展，我国城市生活污水总排放量在2 0 1 2 年将达到 1 0 5 1 0 8 m 3 ，其中农村和城镇污水的排放量就将达2 7 1 0 8 m 3 。另据2 0 0 9 年中 国环境状况公报，全国地表水污染依然较重，七大水系总体为轻度污染，浙闽 区河流为轻度污染，西北诸河为轻度污染，西南诸河水质良好，湖泊( 水库) 富营养化问题突出。我国目前的水污染状况如下【2 】： ( 1 ) 河流污染情况 长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系总体为轻度污染。 2 0 3 条河流4 0 8 个地表水国控监测断面中，i 类、v 类和劣v 类水质 的断面比例分别为5 7 3 、2 4 3 和18 4 。主要污染指标为高锰酸盐指数、 五日生化需氧量和氨氮。其中，珠江、长江水质良好，松花江、淮河为轻度污 染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度污染。 ( 2 ) 主要湖泊污染情况 2 6 个国控重点湖泊( 水库) 中，满足i i 类水质的1 个，占3 9 ；类的 5 个，占l9 2 ；类的6 个，占2 3 1 ；v 类的5 个，占l9 2 ；劣v 类的9 个，占3 4 6 。主要污染指标为总氮和总磷。营养状态为重度富营养的1 个， 占3 8 ；中度富营养的2 个，占7 7 ；轻度富营养的8 个，占3 0 8 ；其他 均为中营养，占5 7 7 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 3 ) 近岸海域污染情况 全国近岸海域水质总体为轻度污染。四大海区近岸海域中，黄海和南海近 岸海域水质良，渤海近岸海域水质一般，东海近岸海域水质差。北部湾和黄河 口海域水质优，一、二类海水比例在9 0 以上：渤海湾、辽东湾、胶州湾和闽 江口海域水质差，一、二类海水比例低于6 0 且劣四类海水比例低于3 0 ；长 江口、杭州湾和珠江口水质极差，劣四类海水比例均占4 0 以上，其中杭州湾 最差，劣四类海水比例高达10 0 。与上年相比，渤海湾、胶州湾和长江口一、 二类海水比例上升l o 个百分点以上。 2 0 0 9 年，全海域共发现赤潮6 8 次，累计面积约1 4 1o o 平方千米。其中， 5 0 0 平方千米以上的大面积和较大面积赤潮6 次，分别发生在渤海湾、长江口 外浙江舟山北部、浙江中部渔山列岛与台州列岛海域和黄海的山东日照与海阳 及乳山附近海域，累计面积9 1 2 0 平方千米。 ( 4 ) 地下水环境质量状况 经对北京、辽宁、吉林、上海、江苏、海南、宁夏和广东8 个省( 自治区、 直辖市) 6 4 1 眼井的水质监测，水质适用于各种用途的i i i 类监测井占评价 监测井总数的2 3 ，适合集中式生活饮用水水源及工农业用水的类监测井 占2 3 9 ，适合除饮用外其他用途的v 类监测井占7 3 8 。主要污染指标 是总硬度、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、铁和锰等。全国2 0 2 个城市的地下 水水质以良好一较差为主，深层地下水质量普遍优于浅层地下水，开采程度低 的地区优于开采程度高的地区。水质总体呈恶化趋势或好转趋势的分布较为分 散。 1 1 2 我国城市污水处理状况及存在的问题 “十一五”期间，我国城镇污水处理厂数量年均增长8 ，截至2 0 1o 年9 月 底，全国建成2 6 3 0 座城镇污水处理厂，日污水处理能力达到1 2 2 亿m 3 。尽管 如此，目前我国城市污水处理率仍然较低，并且分布不均匀，许多地区无建成 运行的污水处理厂，另外部分建成的污水处理厂由于种种原因处于半运行状 况，使得出水水质无法达标。目前我国城市污水处理存在如下问题【3 】：资金相 对短缺，投资力度尚需提高；污水处理厂的管理水平较低，污水处理运行机制 不合理；污水处理厂存在处理经费不足的问题；污水处理技术及处理设备总体 上比较落后；污水处理工艺选择往往未能结合当地的实际情况，选择不合理， 处理效率存在问题：污泥未能最终实现无害化，存在危害的可能；大多数污水 处理厂无除臭装置。 因此，大部分污水未经过任何处理或处理不达标就直接排入了水体，导致 河流、水库以及湖泊等水体水质严重恶化，使得自然生态环境租饮用水安全遭 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 到极大的破坏。根据城市污水处理及污染防治技术政策( 2 0 0 0 年) 【4 】，到 2 0 1 0 年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不得低于5 0 ，设市的城市 的污水处理率不得低于6 0 ，重点城市的污水处理率不得低于7 0 。因此， 目前我们迫切需要采用高效的污水处理技术对己受污染的水体进行治理，使其 在较短的时间内恢复生态、景观和饮用水等功能；同时研发一种高效节能的污 水处理技术来提高污水的处理效率，以避免排入已污染的水体使其现有水质更 加恶化。同时，由于我国目前大力发展卫星城镇和农村城镇，今后小区和中小 城镇将成为生活污水的主要来源。较重的经济负担将制约大部分小城镇和农村 发展其污水集中处理设施，因此，能否在城镇和农村中采用投资低、处理效率 高的污水处理系统代替投资高、处理效率低的污水处理系统，将大大影响到我 国生态环境和经济能否得到可持续发展，将会直接影响到我国人民的生活水平 【5 ，6 1 o 目前，我国城市生活污水二级处理主要以生物处理为主，主要方法有活性 污泥法和生物膜法两类。活性污泥法是利用活性污泥在废水中的凝聚、吸附、 氧化、分解和沉淀等作用去除废水中有机污染物的一种生物处理方法。活性污 泥法工艺包括普通活性污泥法以及改进工艺后的u n i t a n 法、s b r 法、氧化 沟法、a o 法、a b 法以及a a o 法等1 7j 。污水生物膜法是使废水接触生长在 固定支撑物表面上的生物膜，利用生物降解和转化使废水中有机污染物得到降 解的一种生物处理方法，工艺包括生物滤池法、生物接触氧化法和生物转盘法 等【6 】。上述工艺广泛应用于城市生活污水处理，并取得了较好的处理效果，但 也存在了许多缺陷，主要表现在以下几点【8 。3 】： 1 ) 工程基础建设费用及运行费用均较高。据相关统计，建设一座1o 万吨 的常规二级污水处理厂的基建投资将上亿元，同时其运行费用将达到基建费用 的2 0 左右。如此高的投资及运行费用对普通的城市是一个较重的经济负担。 在处理分散居民点产生的生活污水及工业污水时，将投资建设大量的管网，势 必产生更多的费用。 2 ) 工程运行控制复杂且难以管理。各种类型的活性污泥工艺均易发生污 泥膨胀，出现污泥结构极度松散，体积增大、上浮污泥膨胀，难于沉降分离现 象，从而影响出水水质。一旦发生则难以控制，通常都需要较长的时间来调整。 污泥膨胀的发生率是相当高的，在欧洲近百分之五十的城市污水厂每年都会有 不同程度的污泥膨胀发生，在中国的发生率也非常高【l4 1 。 3 ) 污泥产量大。常规二级污水处理厂将产生大量的污泥，由于污泥有机 物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重较小，很难通过沉降进行固液 分离。因此处理成本很高，要达到稳定和无害化要求的难度较大，同时处理对 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 环境也可能存在潜在的危害。 4 ) 脱氮除磷效率低。常规的二级生物处理工艺能有效地去除污水中的 c o d 、s s 和n h 3 n 等，但其对氮、磷的去除效果较差，一般维持在3 0 4 0 左 右，因此，经处理后氮、磷浓度仍然较高，排放后会引起水体“富营养化 。 故，经二级生物处理后的废水一般用于农业灌溉和工业冷却水。 1 1 3 污水土地处理系统发展现状 按照系统中水流的运动速率以及水流流动轨迹的不同，污水土地处理系统 可分为以下五类：慢速渗滤系统( 简称s r 系统) 、快速渗滤系统( 简称r i 系 统) 、地表漫流系统( 简称o f 系统) 、人工湿地( a n 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( 简称s w i 系统) 【1 5 l 6 。 据调查，国外从2 0 世纪8 0 年代开始研究发展污水土地处理系统，目前一 些发达国家，如美国、法国、德国、以色列和澳大利亚国等都在大力推广土地 处理系统的应用，在国际上，污水土地处理系统已广泛应用于城市污水处理。 例如在美国，到目前大约有1 0 0 0 多座污水土地处理系统建成并投入使用；法 国有3 0 5 0 个土地污水处理系统；在以色列采用的污水处理方案是首先经一级 或二级生物处理后，再进入土地污水处理系统进行处理，然后循环利用；在澳 大利亚，政府大力提倡发展污水土地处理系统，作为一个超大型污水复合处理 系统的w e r i b e 牧场土地污水处理系统已建成9 0 多年，是一个被世界公认为非 常成功的例子【1 7 - 2 2 1 。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始发展污水土地处理系统，根据我国各地区的自 然、社会和经济特点，我国制定了采用自然处理和人工处理相结合的污水处理 政策，通过吸收和改进国外常规污水人工处理技术，大力促进氧化塘和土地处 理等自然处理技术的发展。通过“七五”、“八五”联合科技攻关，污水土地系统 先后由小试、中试、实用规模实验到示范研究，已发展成为了一套拥有完善技 术体系、工艺特性、技术关键及工程参数的污水处理系统。大大促进了我国污 水处理技术的发展【5 】。 与其他污水处理工艺相比，污水土地处理系统具有以下的优点【2 3 之8 】： 1 ) 基建及运行费用均较低 污水土地处理系统的基建费用主要由三部分构成：污水输送管网、污水预 处理及购买土地。根据污水土地处理系统地形多样化的特点，其选址可利用土 地费用低且不适合发展农业的土坡、废弃河道、荒山、废矿坑等，一般来说， 污水土地处理系统的基建投资仅为常规污水处理系统的3 0 5 0 。同时，污水 土地处理系统无须投加化学药品以及购置机械设备，不会大量产生污泥，能够 节省大量人力、物力，其运行费用较低，仅为常规污水处理系统的2 0 3 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 ) 管理简单，处理效果好 污水土地处理系统工程结构简易，运行管理方便，不需要大量的人力、物 力，适合于经济相对落后和技术人员有限的小城镇和乡村等地区发展。通过实 际运行表明，污水土地处理系统在正常运行情况下，其对氮、磷、细菌等污染 物的去除率均大大高于常规污水处理系统。 3 ) 充分利用水肥资源 通过污水土地处理系统不但能够达到污水净化的目的，还能通过将处理后 水作为农业灌溉、工业用水以及其他杂用水等，从而实现水资源的循环利用。 在我国水资源匮乏地区，这样的处理模式显得尤为重要。 尽管污水土地处理系统在许多方面具有较大优势，但仍不可避免地存在一 些缺点，主要表现在以下几点【2 9 3 4 】： 1 ) 占地面积大且水力负荷较低 污水土地系统需要占用大量的土地，并且其进水水力负荷比较低，而在我 国许多城市土地资源比较紧缺，这就制约了污水土地处理系统在我国一些城市 的发展，因此，要在大、中城市中大力发展污水土地处理系统，上述矛盾急需 解决。 2 ) 在寒冷地区冬季运行存在问题 、 在我国北方一些地区，冬季温度很低，污水土地系统往往无法运行，系统 运行存在季节性，而污水的排放则具有连续性的特点，因此，上述矛盾制约了 污水土地处理系统在我国北方一些地区的发展应用。 3 ) 存在公共卫生的问题 污水土地处理系统在实际运行中，会因为散发臭气和气溶胶等而对周围地 区造成一定环境卫生问题。同时还会因为设计或运行不当等造成地表或地下水 体的二次污染问题。 1 2 人工快速渗滤系统研究现状 针对传统污水土地处理工艺水力负荷偏低等缺点，中国地质大学钟佐棠教 授等人【3 5 】采用天然砂、陶粒、钢渣、煤渣等渗透性能较好且便宜易得的介质作 为滤料构建污水处理系统，并将此工艺命名为人工快速渗滤系统( c o n s t n l c t e d r a p i di n f i l t r a t i o n ，简称c r i 系统) 。c r i 系统是在污水快渗系统以及人工湿地 的基础上发展的，为了在c r i 系统内部形成厌氧好氧交替的环境以及防止系 统堵塞，采用频繁淹水频繁落干的运行方式，利用c r i 系统内的自然生态系统 对污水中污染物进行降解净化。c r i 系统是由格栅池、预沉池、快渗池以及出 水系统组成，在快渗池中，填充由天然砂、大理石砂、沸石砂等按一定比例组 成的人工滤料，快渗池采用干湿交替的运转方式进行污水处理，水力负荷周期 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 很短，水力负荷为1 o 1 5m d 。c r i 系统通过渗滤介质及介质上生长的微生物 对水中污染物质的吸附、截留与分解，实现对废水的净化过程，其独特的结构 及进水方式，使得渗滤介质表面的微生物菌相十分丰富，通过进水周期的变化， 渗滤介质表面具有好氧、兼氧、厌氧的作用，从而进一步提高废水的处理效果。 c r i 系统对污染物的去除主要在过滤截留、吸附和生物降解作用下共同完成， 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p 36 1 。 ，目前，大城市适宜采取占地面积小且负荷高的生物处理工艺，而中小城市 和乡镇则适宜采用污水塘系统、人工湿地系统、人工快渗系统等。因此，近些 年来，c r i 系统在我国城镇化进程加快的背景下正成为国内专家学者研究以及 工程应用的热点。c r i 系统自河北涿州实验以来，已在我国各地尤其是我国南 方地区建设了几十个实践工程，如深圳茅洲河c r i 处理工程【3 7 1 、东莞华兴生 活污水处理工程【3 8 】以及成都市凤凰河二沟c r i 系统污水处理工程等。实践证 明，c r i 技术对城市生活污水和受污染的地表水的处理效果非常明显。加上具 有工艺简单，投资低，运行成本少的特点，c r i 系统在我国中小城镇污水处理 中具有非常重要的实际应用价值。在2 0 0 5 年，c r i 系统工艺成为了国家重点 环境保护实用技术【3 引。 专家学者针对c r i 系统对去除污染物的性能进行了大量的研究。刘家宝p 】 对现有c r i 系统实际工程的运行效果进行调查得出：到目前为止，在深圳已经 建成的十几座c r i 系统运行长期保持比较正常稳定状态，系统出水水质良好， 并且系统的抗负荷冲击能力比较强。系统出水c o d 、b o d 、s s 和n h 3 n 等指 标均已经能够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 ) 中的 一级a 标，但是系统对t n 和t p 的去除率不能达到标准。中国地质大学钟佐 粲为首的课题组对c r i 系统进行了近二十年的研究，该课题组发表的文献对 t n 的研究涉及较少，常以氨氮指标表示氮的去除，研究认为1 5 3 文4 0 】：“c r i 系 统对t n 的去除效果较差，此问题有待于进一步研究”。朱夕珍，崔理华，王 飞，殷亮，郭劲松【4 卜4 4 】等通过小试、中试对c r i 去除污染物的效率进行研究， 得出c r i 系统对氨氮、有机物、s s 的去除效果较好，但对t p 和t n 的去除效 率较差，t p 的去除率在3 0 左右，对t n 的去除效果更差，在1 0 3 0 之间。 何江涛【45 4 8 】等人通过对c r i 系统的运行方式进行研究，研究发现通过缩短c r i 系统的水力负荷周期，加大系统淹水和落干的频率，可以有效的加强系统与外 界空气的对流作用，加大系统的复氧量，有利于系统中微生物生长繁殖和有机 污染物的好氧生物降解。为提高c r i 系统脱氮效率，陈俊敏【4 6 】进行了中试研 究，提出了采用分段进水以及溢流出水两项措施对c r i 系统进行优化，使得 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 c r i 系统厌氧段的长度、溶解氧浓度以及c n 等反硝化反应的条件得到了较好 的改善，增强了c r i 系统的反硝化作用，将c r i 系统的t n 去处效率从3 0 左右提高到6 0 左右。为提高c r i 系统污水处理效果和防止系统发生堵塞现 象，康爱彬【4 7 】采用了三段串连c r i 系统进行污水处理实验，研究结果表明： 当进水平均c o d 浓度为1 0 17 m g l 时，三级c r i 系统的出水的平均浓度为 2 0 0 m g l ，去除率为8 1 ；氨氮平均进水浓度为9 6 5 m g l ，三级c r i 系统出水 平均浓度为5 3m 1 ，去除率为9 4 5 ，同时发现，三级串联运行方式还可以 有效地防止c r i 系统发生堵塞现象。为了提高c r i 系统的对污水的处理效果 和水力负荷，李丽等【4 8 】对c r i 系统滤料进行了改进，采用天然河砂分别与火 山岩和沸石按照一定的比例进行混合作为c r i 系统的填料，对受污染河水进行 处理实验，实验结果表明：火山岩与河砂混合填料为滤料的c r i 系统对受污染 河水净化的综合处理效果较好，并且水力负荷有大幅提高，平均水力负荷可达 传统土地处理系统的1 0 倍。针对c r i 系统堵塞问题，何江涛【4 9 】等从理论上对 c r i 系统中悬浮物截留、吸附以及微生物生长所造成的堵塞进行了讨论，并通 过实际工程进行验证，研究结果显示：无论是悬浮物的截留和吸附，抑或是微 生物的生长，这两种情况引起的系统堵塞都会呈现出随c r i 系统滤层深度的增 加而呈负指数形式递减的趋势，对于c r i 系统来说，悬浮物的截留、吸附是造 成c r i 系统表层发生堵塞的主要原因，而滤料周围的微生物的生长繁殖一般不 会引起c r i 系统阻塞。郭劲松【5 0 】等在三峡库区采用紫色土、陶粒以及卵石等 构建的c r i 系统对污水进行处理实验，研究得出在湿干比为1 d ：3 d 、水力负 荷为o 1 m d 的环境下，c r i 系统出水c o d 、n h 3 n 以及t p 浓度达到了城 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b 标准，但是t n 略有超标。张金炳等【5 1 】对茅洲河c r i 系统进行现场实验，研究发现：当系统 进水t p 的浓度小于l m g l 时，c r i 系统出水t p 浓度小于o 1 m g l ，当系统进 水t p 浓度大于l m g l 时，出水t p 就大于o 2 m g l 。 本课题组对当地c r i 工程经过两年的现场勘察和研究得出c r i 系统对有 机污染物、氨氮、s s 以及l a s 均具有良好的去除效果，对c o d 和b o d 5 的去 除率在8 5 9 0 之间，对氨氮的去除率一般在9 0 以上，对s s 和l a s 的去 除率在9 5 以上，但是，c r i 系统对t n 和t p 的去除效果较差，t n 去除率在 1 0 3 0 之间，t p 的去除率在3 0 左右。 1 3 课题的提出 1 3 1 目的和意义 从上述分析可知，人工快渗系统得到了一定的应用和研究，但尚存在一些 缺陷：对氨氮和c o d 具有较好的去除效果，其中对c o d 的去除率在8 5 9 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 之间，对氨氮的去除率在9 0 以上，但对t p 的去除效果较差，其去除率在3 0 左右；在基础理论研究方面还很欠缺，对系统内部发生的一些重要过程尚处于 定性了解阶段，水力负荷、运行方式以及进出水设计基本依靠经验，没有达到 成熟工艺的设计规范，这影响了入工快速渗滤系统的推广使用。因此需要进一 步研究快渗池内污染物质迁移、转化、降解规律，掌握磷污染物在快渗系统中 的去除机理，应用这些规律和机理对c r i 系统的滤料组成、运行方式进行有效 的改造，强化其除磷效果，从而全面改善快渗池对污染物的去除效率。 为此，本文通过对c r i 实际工程的调研，并在c r i 系统处理生活污水的 基础上，通过实验室模拟分析，进一步系统地了解c r i 系统的除磷性能，研究 c r i 系统内磷的迁移、转化、降解规律，掌握磷在系统中的吸附、降解机理， 并应用这些规律、机理对传统的c r i 系统的滤料组成、运行方式进行有效的改 造，从而全面改善c r i 对磷的去除效率，指导c r i 系统的工程设计，为c r i 系统实际运行提供依据。本课题在方法上是对c r i 系统处理污水的拓展，在机 理上是对c r i 系统对磷污染物质去除行为的系统研究，在应用上有利于c