（环境工程专业论文）乡村小型生活污水生物生态除磷脱氮技术研究.pdf

摘要 乡村小型生活污水生物生态除磷脱氮技术研究 东南大学 硕士研究生：吴琦平导师：吕锡武教授 摘要 为了适应我国农村污水处理的要求，必须开发造价低廉、管理简便、效果良好的小型生活污水 处理技术，但是目前单一的生物处理和单一的生态处理都不能满足农村污水处理的实际要求。本课 题隶属于国家自然基金面上项目，针对农村污水处理尤其是脱氮除磷的难题，对“厌氧+ 多级跌水 充氧接触氧化+ 水生蔬菜型人工湿地”这一生物生态组合工艺进行了研究，为该组合工艺应用于农 村小型的污水处理的实际应用和进一步优化提供了依据。 试验对组合工艺对于农村生活污水的处理效果、跌水充氧接触氧化池的处理效果、无纺布作为 接触氧化填料的处理特性进行了考察。本文的重点在于对该组合工艺中的人工湿地 ：序部分进行研 究，对适合于该组合工艺中的最优化的人工湿地类型进行了筛选，包括湿地植物、基质、流态及运 行方式。对人工湿地的运行参数进行了研究，得出了最佳水力负荷。为了考察湿地脱氮的机理，对 氮去除途径，湿地硝化菌、反硝化菌分布等进行了初步探讨。 试验结果表明： 1 、“厌氧+ 跌水接触氧化+ 水生蔬菜型人工湿地”组合工艺在应用于农村生活污水处理时，对c o d 、 n i - 1 4 * - n 、t n 、t p 等均有很好的去除效果，平均去除率分别在6 8 1 5 ，7 1 0 6 ，6 9 5 0 ，8 6 3 0 。平 均出水浓度分别为3 4 3 9 m g l ，4 8 7 m g l ，6 8 6m g l ，0 1 l m l 。出水满足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 ) 中的一级标准a 标准。同时，吨水运行成本仅为0 1 3 8 元，且湿地种植 蔬菜可获得一定经济效益。因此，该组合工艺应用于农村污水处理在经济上和技术上都是适宜的。 2 、在各处理工序中，厌氧工序有效降低了后续处理工艺的有机物负荷，对c o d 平均去除率为3 3 7 2 。 跌水接触氧化工序主要承担了对有机物去除和对氨氮的转化功能，对c o d 的平均去除率为3 9 8 ， 对n h 4 + - n 平均去除率为2 7 8 5 。对t n 和t p 平均去除率分别仅为8 0 4 和5 0 7 。 3 、在本试验内，通过构筑四个不同类型的湿地，筛选出了适用于“厌氧一跌水充氧接触氧化一水生 蔬菜型人工湿地”组合上艺中的最佳人工湿地形式，试验结果表明处理效果最佳的湿地形式为茭白+ 煤渣+ 复合潜流。但是考虑到经济因素，实际应用时也可以采用空心菜替代茭自，也能满足处理效果 要求。同时，采用间歇运行可以明显提高湿地的处理效果。本试验还对水力负荷对湿地效果的影响 进行了研究，结果表明，水力负荷越小，湿地运行效果越佳。但是考虑到经济因素，应选用适当的 水力负荷，不是越小越好。通过对垂直潜流湿地各指标垂向沿程去除效果的分析，湿地的有效高度 为2 0 c m ，为合理选取湿地的深度提供了一定依据。通过对湿地中氮的去向的分析得出，在各去除途 径中，微生物硝化反硝化是湿地内氮去除的主要途径。冈此，进一步考察了湿地中硝化细菌、反硝 化细菌的数量和分布情况，在本工艺的人二r = 湿地中，硝化菌和反硝化菌的数量均比较多，且满足一 定的分布规律。 关键词：乡村生活污水、脱氮除磷、跌水充氧、接触氧化、人工湿地、水生蔬菜 东南大学硕f ：学位论文 t h e t e c h n o l o g i c a ls t u d y o n b i o - e c o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o n a n dd e n i t r o g e n a t i o nf o rr u r a ls e w a g et r e a t m e n t s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a m eo fg r a d u a t e ：w uq i p i n g s u p e r v i s o r ：p r o f l vx i w u a b s t r a c t t os a t i s f yt h ed e s i r eo ft h er u r a ls e w a g et r e a t m e n t ，w es h o u l dd e v e l o pw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e w h i c hs a v e sc o s t ，a n di se a s yt om a n a g e m e n ta n de f f e c t i v ef o rr u r a ls e w a g e b u tn o w a d a y s ，s i m p l e x b i o l o g i c a lo re c o l o g i c a lt r e a t m e n tc a l l tm e e tt h en e e do fr u r a ls e w a g et r e a t m e n ty e t t h ei n v e s t i g a t i o n s u b j e c t sai t e mo fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o na n ds t u d yt h en e wb i o l o g i c a l - e c o l o g i c a lt e c h n i q u e c o n s i s t so fa n a e r o b i ct a n k ，w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n gc o n t a c tb i o f i l ma n da q u a t i cv e g e t a b l e sc o n s t r u c t e d w e t l a n dt os o l v et h ep r o b l e mo fr u r a ls m a l ls e w a g et r e a t m e n t ，e s p e c i a l l yn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l a n da l s oc a ns e a r v ef o rt h ep r a c t i c a lt e c h n o l o g ya n di t so p t i m i z a t i o n 1 1 1 er e m o v a lc h a r a c t e ro ft h ec o m b i n e dp r o c e s sa n dt h ew a t e r - d r o p p i n ga e r a t i o nf o rr u r a ls e w a g e t h e t r e a t m e n tc h a r a c t e ro ft h en o n - w o v e nf a b r i cm e d i af o rb i o - c o n t a c to x i d a t i o ni ss t u d i e d a n dt h ee m p h a s i si s a b o u tt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n du n i to ft h ec o m b i n e dp r o c e s s t h eo p t i m u mt y p eo ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d s f o rt h ec o m b i n e dp r o c e s si se l e c t e d a l s os t u d yt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e ro ft h ew e t l a n da n da c h i e v et h e o p t i m a lh r t t om a k et h em e c h a n i s mo fn i t r o g e nr e m o v a lc l e a n ，t h en i t r o g e nr e m o v a la v e n u eo f c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，d i s t r i b u t i o no fn i t r i f y i n gb a c t e r i aa n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i ai nc o n s t r u c t e dw e t l a n d s w e r ea l s op r i m a r i l ye x p l o r e d t h e s ec o n c l u s i o n sw e r eg a i n e dv i aas e r i e so fe x p e r i m e n t s ： lw h e nt h ep r o c e s sc o m b i n e dw i t h a n a e r o b i ct r e a t m e n t + 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 to x i d a t i o n + a q u a t i cv e g e t a b l ew e t l a n d s ”w a su s e df o rt r e a t m e n to fr u r a ls e w a g e ，i tc o u l dp r o v i d eg o o dr e m o v a le f f e c t f o rc o d , n h 4 二n ，t na n dt p t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e sw e r e6 8 15 ，71 0 6 ，6 9 5 0 a n d8 6 3 0 r e s p e c t i v e l ya n dt h er e l e v a n ta v e r a g ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o nw e r e3 4 3 9 m g l ，4 8 7 m # l ，6 8 6m g la n d 0 1lm g lr e s p e c t i v e l ya n di na c c o r dw i t ht h ep o l l u t a n td i s c h a r g i n gs t a n d a r do fg b18 918 2 0 0 2 t h e o p e r a t i o nc o s tf o re a c ht o no fw a s t e w a t e ri so n l yo 13 8r m ba n dg r o w i n gv e g e t a b l e , sc o u l dm a k es o m e m o n e y s oi t sf e a s i b l eb o mi ne c o n o m ya n dt e c h n o l o g yt oa p p l yt h i sc o m b i n e dp r o c e s sf o rr u r a ls e w a g e t r e a t m e n t 2t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o do ft h ea n a e r o b i ct r e a t m e n tw a s3 3 7 2 t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f c o d n i - h + - no fw a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n gc o n t a c tb i o f i l mw e r e3 9 8 a n d2 7 8 5 a n dt h ea v e r a g e r e m o v a lr a t eo f t na n dt pr e a c h e do n l y8 0 4 a n d5 0 7 3b yb u i l d i n g4d i f f e r e n tt y p e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h eo p t i m u mt y p eo ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sf o r t h ec o m b i n e dp r o c e s sw a sa c h i e v e d t h em o s te f f e c t i v et y p ew a s “w a t e rb a m b o o + c i n d e r + c o m p l e x s u b s u r f a c e ”w h i l ep e r s i s t e n c er u n n i n g c o n s i d e r i n ge c o n o m i cf a c t o r , i p o m o e aa q u a t i c ac o u l db eu s e d i n s t e a do f w i l dr i c es t e m 。a n di n t e r m i s s i o no p e r a t i o nc o u l dp r o m i n e n t l yi n c r e a s et h er e m o v a le f f e c to ft h e c o n s t r u c t e dw e t l a n d a l s ot h eh y d r a u l i cl o a d i n go ft h ew e t l a n dw a ss t u d i e d t h es m a l l e rt h eh y d r a u l i c l o a d i n gw a s t h eb i g g e rt h er e m o v a lr a t ew a s as t u d yt ot h er e m o v a le f f e c t so ft h ev e r t i c a ld i s t a n c eo ft h e v e r t i c a l f l o ws u b s u r f a c ec o n s t r u c t e d w e t l a n d ，t h e e f f e c t i v e h e i g h t o fv e r t i c a l f l o ws u b s u r f a c e c o n s t r u c t e dw e t l a n dw a s2 0 c m b ya n a l y z i n gt h en i t r o g e nw h i t h e ro ft h ew e t l a n d s ，t h en i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o no fm i c r o o r g a n i s mw a st h em a i na v e n u eo fn i t r o g e nr e m o v a l t h ea m o u n to ft h en i t r o b a c t e r i a a n dd e n i t r o b a c t e r i ai nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sw e r em e a s u r e da n dt h e i rd i s t r i b u t i n ga c c o r d ss o m e l l a b s t r a c t d i s c i p l i n a r i a n 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 fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ；c o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ； w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n g ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；a q u a t i cv e g e t a b a l i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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 其他人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明并表示了谢意。 研究生签名：墨缸日 期：超达玉白 东南大学学位论文使用授权声明 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：墨益垩导师签名： 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 太湖流域水污染现状 第一章绪论 2 0 0 6 年环境公报【i 】显示，我国湖泊污染状况不容乐观，2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水 质的湖( 库) 仅2 个，i 类水质的湖( 库) 仅6 个，水质的湖( 库) 由0 5 年的3 个下降剑1 个【2 】，v 类水质的湖( 库) 5 个，劣v 类水质湖( 库) 增加到了1 3 个，占4 8 。其中，巢湖为v 类，太湖、 滇池均为劣v 类。主要污染指标为总氮和总磷。 太湖位于长江三角洲南缘，湖水面积2 3 3 8 m 2 ，是我国五大淡水湖之一。太湖流域是全国入口最 稠密和经济发展最具活力的地区之一。近年来，随着经济的高度发展，水污染现象日趋严重，全湖 表现出明显的富营养化状态，每年暴发的水华给流域居民造成了巨大的损失。尤其0 7 年夏季太湖蓝 藻爆发，造成无锡地区自来水受污染，整个城市一度出现吃水困难的局面，对人民生活和生产造成 了极大影响，也使得太湖污染问题更加凸现在世人眼前。 据0 6 年环境公报显示【2 j ，2 0 0 6 年太湖湖体高锰酸盐指数、总磷年均值分别达到i i i 类、类水质 标准，但因总氮污染严重，湖体水质为劣v 类，处于中度富营养状态。在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 和8 6 ，相较0 5 年的3 3 和6 7 ，劣v 类比例上升。 主要污染指标仍为总氮。 表1 12 0 0 6 年太湖湖体主要污染指标及水质状况 太湖环湖河流8 7 个地表水国控监测断面中，i i 、i 类水质断面占2 0 ，、v 类占4 9 ，劣v 类 占3 l ，环湖河流为中度污染，与0 5 年相比，水质无明显变化。主要污染指标为氨氮、五日生化需 氧量和石油类。 随着国家对太湖环境治理的重视，对太湖流域污染治理的力度一再增强。我国已经投巨资在环 太湖流域兴建了几十座污水处理厂。自1 9 9 8 年“聚焦太湖”零点行动以来，环太湖区域点源污染基本 得到控制。太湖全流域内污染企业和城市生活污水处理的达标排放等各项点源污水治理措施均取得 了一定的效果，但太湖水体水质并没有明显地改善，很大一部分原因是由于农业面源污染尚未得到 有效控制。其中农村生活污水的污染占有很大比例。 表1 2 反映了太湖地区主要污染源在排污总量中的比例，从表中看出，在太湖水体污染中，从 全流域t n 排放负荷来看，生活污水占2 5 ；从t p 排放负荷来看，生活污水占6 0 ：而c o d c r 排 放负荷也占到4 2 。农村集镇的污水绝大部分是不经过任何处理直接就排放水体的。因此，如何解 决农村污水处理问题越来越被关注。 东南人学硕士学位论文 表1 2 太湖地区主要污染源在排污总量中的比例( ) 【3 l 随着城市生活污水处理设施的进步完善，工业和企业的达标排放的逐步剑位以及农村居民生 活水平的进一步提高带来的相应要求，对农村生活污水的处理迫在眉睫。如果环太湖流域的农村生 活污水污染问题不能得到进一步的遏制，太湖的富营养化水平就不能得到根本控制。 i i 2 农村水污染状况及特点 我国绝大部分的农村污水都未经处理直接排放水体1 4 】。如上所述，农村生活污水在我国湖泊污 染的来源中占了极大比例。而随着我国城市化水平、农村城镇化、城乡体化水平的日益提高，农 民生活水平的提高，乡镇生活污水排放量还会进一步快速增长，这无疑将给水源保护带来更人压力。 要保护好城镇水源，并逐步改善水环境质量，必须加人污水处理力度。要切实推进社会主义新农村 建设，必须不断改善农村生态环境质量，因而，乡镇和农村小型生活污水处理尤其显得重要。 农村污水有以下几个特征( 1 ) 污染源相对分散，水量较小，有机物浓度较高，日变化系数高。 ( 2 ) 大部分农村地区经济相对落后，无法负担高投入的处理设施，而土地资源则相对丰富。( 3 ) 缺 乏相应的专业管理人员p j 。 因此，对农村污水的处理不能简单照搬城镇污水处理厂的经验，必须因地制宜，选择投资运行 费用低，操作管理简单，同时义具有良好处理效果的工艺。 1 2 国内外农村生活污水处理研究现状 1 2 1 国外农村生活污水处理工艺 ( 一) 澳大利 澳人利_ 哑近年开发了一种“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水再利用系统” “f i l t e r ”高效、持续性污水灌溉新技术【6 】。这种t 艺利用污水灌溉作物，通过土地灌溉处理后， 利用地下暗管将出水汇集排出。该系统既可满足作物对水分和养分的要求，又可以去除污水中的氮、 磷，使之达到污水排放标准。过滤后的污水都汇集到地下暗管排水系统中，并设有水泵，控制排水 暗管以上的地- 卜水位及处理后出水的排出量。 该上艺分别在澳大利亚和中国天津进行过田间试验，结果表明对有机物，氮磷都有良好的去除 率。该t 艺适用于能轮作的大面积的土地，或是以牧草种植为主的地区。而中国南方首先不适宜种 植牧草，而且地卜水位较高，不适于排设暗管，且该上艺需要排设暗管造价较高，难以推广。 ( 二) 日本 日本从1 9 7 7 年开始推进农村污水处理计划，目前全国大约有7 0 0 万套小型生活污水净化装置( 净 化槽) 在使用中。由日本农村污水处理协会设计、推广的净化槽体积小、成本低、操作运行简单， 十分适用丁- 农村。净化槽在日本被分为三种类型：单独处理净化槽、合并处理净化槽和高度处理净化 槽。其技术原理是物理处理和生化处理相结合，例如通过微生物分解、物理沉淀和化学絮凝反应来 削减污水中污染物的量。 由于单独处理净化槽只用于处理粪便污水，2 0 0 1 年4 月起已被日本政府明令禁止安装；合并处理 净化槽对粪便污水、厨房和浴室污水都可进行处理；高度处理净化槽不仅能有效削减b o d ，还能除磷 脱氮 6 1 。 2 第一章绪论 净化槽以其安装方便、操作简单，有利于保持设置地的水质水量，而在日本得到普遍推广。1 9 9 4 年我国同济大学和清华大学开始对该技术进行研究。目前国内已有一些净化槽生产厂家，但普遍存 在成本高，设备质量差，工艺不成熟，没有行业规范，售后服务差等问题。 ( 三) 德国 德国弗朗霍夫学会界面工程和生物技术研究所研究人员近年研究了“分散市镇基础设施系统”， 即在没有接入排水网的偏远村镇里建造先进的膜生物反应器，平时把雨水和污水分开收集，然后通 过先进的膜生物反应器净化污水。 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 是国际上2 0 世纪末发展起来的高新技术，是以酶、微生物 或动、植物细胞为催化剂，进行化学反应或生物转化，同时凭借超滤分离膜不断地分离出反应物并 截流催化剂而进行连续反应的装置。它将膜分离技术和生物技术有机地结合在一起，从整体构造上 来看是由膜组件及生物反应器两部分组成。 但是膜生物反应器跟其他需要膜组件的丁艺一样，在长期的运转中，膜作为一种过滤介质容易 堵塞，膜的通水量随运转时间而逐渐下降。膜的制造成本非常高，且膜的使用寿命比较短，成本很 高。因此该工艺的推j “也存在着问题【7 】。 ( 四) 美国 美国加州大学伯克利分校的o s w a l d , s 出并发展了高效藻类塘工艺。该工艺是对传统稳定塘的改 进，其特点是充分利用菌藻共生关系，对污染物进行处理。由于利用了藻类光和作用产生的氧气， 塘内的一级降解动力学常数值比较大，故称之为高效藻类塘1 6 。 高效藻类塘较传统的稳定塘停留时间短，所以占地面积少；建设容易，维护简便，基建投资少， 运行费用低；对有机物，氮磷，病原体都有较高的去除率。 但是该工艺受环境因素影响明显，温度影响生物的组成，营养物的需求，新陈代谢的特点和反 应速率；p h 影响生物的适应能力，离子输送和新陈代谢的速率；水体对光的吸收特性取决于4 个方 面水体特性，腐殖质，藻类和非生物性的悬浮物；气温过高或较低时，藻类的生长受到抑制从而影 响处理效果。 1 2 2 国内农村生活污水处理研究现状 我国对适用于农村污水处理技术的研究还处在起步阶段，尤其是对于脱氮除磷方面的研究，即 使在国外也还没有成熟的研究。但是随着国家对农村污水污染问题的重视，各高校和科研机构都纷 纷开展了相关方面的研究。 ( 一) 滇池流域人工生态复合床系统 清华大学在“九五期间在滇池流域采用人工复合生态床处理农村生活污水【8 】，工艺流程如下： 污水 潜 表 流 沟 布面 式 综 渠 晷 水流 人 合 收 呻 人 工 生 集 沉 复 态 系 淀 工 厶 床 统 池湿 口 生 地 态 床 出水 图1 - 1 人工生态复合床工艺流程 该系统采用表面流人工湿地、潜流式人工复合生态床和生态塘组合工艺，结合生态及景观建设 对滇池流域某农村进行了污水处理- t 程设计。表面流人工湿地对氨氮有很好的去除效果( 对氨氮去除 3 东南大学硕卜学位论文 率9 0 ) 。潜流式人工复合生态床内填充水力传导性能好和具有多孔结构的介质，通过介质吸附和 微生物的作用来强化系统的除磷脱氮效果。同时考虑到系统的景观功能，种植了各类观赏性植物。 该工艺取得了较好的效果，但是在推，“应用上仍有不足。 ( 二) 太湖流域高效藻类塘系统【9 】 同济大学在太湖沿岸宜兴市大埔镇洋渚村进行了高效藻类塘对农村生活污水处理效果的研究， 工艺流程如下： 图l 一2 高效藻类塘系统工艺流程 整个试验过程中c o d 的平均去除率在7 0 以上。塘内氨氮的平均去除率高达9 3 ，在塘内发现 了明显的硝化现象，氨氮的去除主要通过硝化作用和挥发去除。沉淀作用则是高效藻类塘除磷的最 有效机制，这个过程主要受p h 值控制，夏季平均去除率为5 5 ，高于冬季。 从整体运行情况来看，高效藻类塘系统能较好地处理太湖地区农村生活污水，且维护管理简单， 但是缺点是对磷的去除率不高，而且作为一种纯生态工艺对温度的依赖性过强。 ( 三) 蚯蚓生态滤池处理系统 南京大学郑正等对将蚯蚓生态滤池工艺应用于农村生活污水进行了研究，并建立了示范工程。 7 1 该示范工程将农户现有的化粪池改造后或直接加以利用，用强化沟替代农户的沟渠或排污管，出 水进蚯蚓生态滤池，其流程如下： 舻一髅池_ 强化沟 住户2 化粪池强化沟强隹沟 住户3 化粪池_ 强化沟：，沉熹池生态滤池_ 田地或河流 、严 住户4 化粪池强化沟强化沟 图1 - 3 蚯蚓生态滤池系统工艺流程 蚯蚓生态滤池技术是根据蚯蚓具有提高十壤通气透水性能和促进有机物质的分解转化等生态学 功能而设计的。将蚯蚓引入滤池可以有效解决堵塞和环境卫生状况差的问题，提高有机处理负荷， 而且可以最大限度的利用废水中污染物的营养物，充分发挥物质的生产潜力，实现对污水的生态化 处理【1 0 1 。 运行结果表明该工艺对农村污水的有机物，氮磷都有较好的去除率。但是由于蚯蚓适宜的生存 温度为9 2 5 ，相对湿度为7 0 8 0 ，并要避免出现长期缺氧的情况，因此实际应用还存在很多 问题。 4 第一章绪论 1 3 课题来源、目的和意义 本课题属于“乡村小型生活污水生物生态脱氮除磷工艺”国家自然科学基金项目。 多年来，我国污水处理事业的重心一直在城市污水的处理上，但随着小城镇和农村经济的飞速 发展以及人口的增加与聚居，农村生活污水已成为影响河流、湖泊水体水质的重要冈素之一，是面 源污染控制的首要任务，于是进入本世纪以来，小型污水处理也被提到议程上米，且越来越受到来 自各方面的重视。2 0 0 6 年9 月1 3 日，在第五届世界水大会召开期间，建设部还特地举办了“农村污水 处理国际研讨会”。因此，研究和发展合适中国农村的小型污水处理工艺是刻不容缓的。 国内外研究的成果与实践表明，单纯的生物工艺运行管理较复杂，而单纯的生态工艺对环境依 赖性过强，都存在一定局限性。因此发展投资运行费用低，操作管理简单，同时又有良好处理效果 的生物和生态组合工艺才是解决农村生活污水的良好出路。 提出“厌氧跌水充氧接触氧化一水生蔬菜型人工湿地”组合工艺，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；水生蔬菜型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。 本工艺具有以下优点： 工艺流程简单：不需要混合液回流与污泥回流； 运行费用低：不需要机械曝气，不需要同流泵，所有运行费用仅仅是一台提升泵消耗的电费； 管理简便：不需要通过定期排放剩余污泥来去除磷，厌氧池固然不需要复杂的专业化管理，跌 水充氧接触氧化也仅需一台提升泵，日常管理十分简便； 与农村特点相适应：厌氧段产沼气可作为能源利用：采用水生蔬菜型人丁湿地达到除磷脱氮的 目的，还能产生很好的经济回报，调动农民参与污水处理的积极性，而且不改变土地的利h j 属性。 因此，本项目所研究的工艺不是将传统的生物处理与生态方法的简单组合，而是在充分考虑农村特 色的前提下，尽量简化传统生物处理t 艺、优化和开发水生蔬菜型人工湿地的生态方法，并根据各 自的特长合理分- t 各段工艺的去除对象，进行优化组合，最终达到了简单、简便、有效处理农村污 水的目的。本课题拟揭示该技术的净水机理，研究其合理：l ：艺流程和实用工艺参数，解决该_ 上艺从 设想走向实际应用所要解决的问题，不仅具有重要的科学意义，而且具有广泛的应用前景。 5 东南大学硕士学位论文 第二章技术原理与理论基础 2 1 厌氧水解技术处理原理 厌氧过程中，微生物将有机物分解的过程分为三个阶段，即水解、酸化阶段，是在水解与发 酵细菌的作用下，使碳水化合物、蛋向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；产氢产乙酸阶段，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；产甲烷阶段，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，另一组对乙酸脱羧产生甲烷。厌氧水解处理工艺是考虑剑产甲烷菌与水解产酸菌生长速 度不同，在反应器中利用水流的淘洗作用造成甲烷菌在反应器中难于繁殖，将厌氧处理控制在反应 时间短的厌氧处理第一阶段。 从原理上讲，水解是厌氧消化过程的第一阶段，但水解好氧处理工艺中的水解段和厌氧消 化追求的目标不同，因此是截然不同的处理方法。水解好氧处理工艺中的水解段的目的主要是 将原水中的不溶性有机物水解为溶解性有机物，将难生物降解的大分子物质转化为易生物降解的小 分子物质，提高废水的可生化性，以利于后续的好氧处理。考虑到后续好氧处理的能耗问题，厌氧 水解主要用于低浓度污水的预处理i 12 。 2 2 生物接触氧化技术原理 2 2 1 生物接触氧化技术的原理与特点 生物接触氧化法，又称淹没式生物滤池( s u b m e r g e df i l t e r ) ，是生物膜法的一种。池内设置填料， 淹没在废水中，在填料表面上培养微生物，形成生物膜，水流过时与填料上的生物膜接触，通过微 生物的新陈代谢作用降解水中污染物以达到净化的目的。微生物需要的氧气来自水中，而废水则自 鼓入的空气不断补充失去的溶解氧i l 2 1 。 与其他生物处理方法比较，接触氧化法具有如下一些特剧”j ： 由于填料比表面积大，池内的充氧条件良好。池内单位容积的生物固体量高于活性污泥法曝 气池及生物滤池，因此接触氧化法的容积负荷较高。 由于生物量多，水流又属完全混合型，因此对进水冲击负荷( 水力冲击负荷及有机浓度冲击负 荷) 的适应力强。 容积负荷较高，所以在处理水量相同的条件下，所需容积较小，因而占地面积小。 不需要污泥回流，也不存在污泥膨胀问题，运行管理简单。污泥量少。 可以间歇运转。当停电或发生其他突然事故时，生物膜对间歇运转有较强的适应力。长时间 的停转，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 有较强的适应力广且环境条件好转，微生物义重新开始生长、代谢。 2 2 2 生物接触氧化填料的种类及特性 填料是生物膜生长的场所，它不仅增加了生物膜的数量，而且使其活性得到提高，所以填料的 结构特征及其表面特性对生物膜的形成和发展起着重要的作用。近年来，对新型填料的开发及研究 成为热点，填料的形式也从一开始的卵石、焦炭等天然材料逐步向以合成树脂为主、形状各异的新 型款式发展。目前常用的生物膜填料有：软性填料，半软性及弹性填料，流化床填料，组合填料等， 6 第二章技术原理与理论基础 虽然这几种填料各有优点，但都还在某一方面存有不足【1 4 1 。 作为生物接触氧化技术的核心部分，填料的结构型式及性能将直接影响微生物的生长、繁殖和 脱落的整个过程，从而影响和制约废水的处理效果，性能良好的填料应具备以下特点： 填料上生物膜分布均匀，不出现明显积泥，不产生凝团现象。 空隙率较大，不会被生物膜堵塞，不易被水中油污粘住而影响处理效果。 要求有较高的耐盐、耐腐蚀性和抗压强度高，可以长期浸泡在污水里。 要求尽可能大的比表面积和良好的亲水性能，使尽可能多的生物膜附着在填料上。 要求充氧动力效果好，可降低运行费用，节约能源。 因其用量大，要求尽可能的价格低廉，制作、安装工艺要简单。 运行中最好不需要反冲洗，这样可直接排泥，节省反冲洗费用，实现连续运行，降低运行成 本。 2 3 人工湿地概述 2 0 世纪6 0 年代末，s e i d e l 与k i c k u t h 合作并f l j k i c k i n h 于1 9 7 2 年提出了根i x 理论【1 5 】，理论的提出掀 起了人工湿地研究与应用的“热潮”，标志着人上湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式 进入水污染控制领域。 人工湿地具有出水水质好，氮、磷处理能力强，耐冲击负荷，运行维护管理方便，投资及运行 费用低等特点，比较适合于管理水平不很高、水处理量和污水浓度不大的城郊或乡村。 2 3 1 人工湿地对污染物去除的机理 人- t 湿地是一个由基质、微生物、植物组成的复合生态系统，它通过物理、化学和生物的三重 协调作用，包括过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等来实现对废水的高效净化， 同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现污水的资源化 与无害化【1 6 1 。 2 3 2 人工湿地的分类 人- t 湿地按其构造形式和污水的流态可分为以下几种类型： 表面流人1 湿地( f r e ew a t e rs u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 污水从湿地表面流过，通过十壤的吸附交换作用、表面附着微生物和植物的吸收作用等对污染 物进行净化，表面流人工湿地一般水深较浅，在0 1 0 6 m 。优点是投资少、操作简单、运行费用低 等，缺点是占地面积较大，受气候影响人，负荷较低，夏季易滋生蚊蝇【l7 1 。 水平潜流人工湿地( h o r i z o n f l o ws u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ) i 惜1 污水在湿地的表面下流动，污水由进口至出口平行流过床体，水面低于床表层约5 1 0 c m ，系统 处于饱和状态。利用填料表面的生物膜、丰富的植物根系和填料的截留作用使污水得到净化。优点 是处理效果受气候影响较小，卫生条件较好，缺点是设计、管理和维护的要求较高，投资也比f w s 系统高。这是目前应用最广泛的一种湿地类型。 垂直流人工湿地( v e r t i c a l f l o ws u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ) t 埔 污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输 进入湿地内部，因此与水平潜流系统相比具有较高的氧传递能力，冈此硝化能力远高于水平流系统， 但该系统硝化能力提高的同时，反硝化能力也在下降，使整个系统对t n 的去除率受到影响。此外， 垂直流潜流植物床对有机物的去除能力不如水平潜流植物床系统。为防止堵塞，填料级配复杂，建 造要求高。落干腌水时间较长，操作控制复杂。且也有滋生蚊蝇的问题。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 3 人工湿地的基质及其净化机理 人- t 湿地的系统中，基质为湿地植物、微生物提供了生境，自身也参与了湿地净化污水的物理 化学过程。张雨葵等【l9 】研究发现，无植物的人工湿地对污水仍有很好的去除效果，所以基质的作用 凸现明显。自然泥土是人t 湿地中经常使用的基质，但为了加大水力疏导功能，更多的湿地研究选 用沙石来填充湿地，粒径从0 1 0 m m 不等。炉渣、煤灰等具有多孔性的材料也是基质的来源之一。为 了特殊目的，如提供磷的吸附，促进对金属的吸收，研究者选用基质时会考虑某个方面的特性，如 含c a 多的花岗岩、石灰石、贝壳，含f e ，灿多的矿石，或多孔、吸附性好的工业莱卡材料、砖红壤 等。针对不同来源的污水，不同的植物及气候条件，也应结合实际选用的基质。在目前，沙、石混 合仍是最常用的形式。 基质的深度依据植物根系发展的长度来设计。一方面要尽量加大接触面积，让污水充分通过湿 地，利用净化功能的实现，另一方面不能设计太深，以免植物的根系不能到达底部。 基质的去污过程来自离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用、沉降反应等。实际上，基质对 污水中磷和重金属的净化主要是通过上述反应实现的，其反应产物最终吸附或沉降在基质内，从而 使基质内这些元素的含鼍急剧升高，几年之后即可高达入水浓度的1 0 1 0 0 0 0 倍以上。植物根系的吸 收、滞留与腐烂，基质内无机与有机成分对金属的强烈同持很可能是基质具有强人聚积能力的原因。 基质吸附金属的量在表层1 0 c m 的范围内不会随深度增加而有明显下降，也就是说，从地表往下至少 深1 0 c m 的土层的吸附能力是基本一致的。 2 3 4 人工湿地的植物及其净化机理 对于植物在人_ t 湿地的重要性方面，目前研究人员还存在争议。大部分的研究人员认为植物是 湿地的必要部分，不仅具有美学价值，在湿地净化污水的过程中也起着重要作用。但有些研究人员 则认为它们的价值主要在美学方面1 2 。 1 9 7 7 年德国学者k i c k u t h 提出了湿地净化污水的根区理论，认为在污水渗过湿地的过程中，经过 植物根区，在根区这一特殊的生态环境下，植物根系可对污水中的营养物质进行吸收、富集，而根 区附近丰富的微生物群落更可以通过其旺盛的代谢活动将各种营养物质降解、转化。因此，植物根 区成为人工漫地实行净化功能的主要场所。这一理论推动了人工湿地净化功能原理的研究。 a r m s t r o n g 等发现【2 ，湿地中生长的芦苇、香蒲等湿生植物根系可以将空气中的氧气通过植物体的输 导组织直接输送到根部。在整个湿地低溶氧的环境下，湿地植物的根区附近能形成局部富氧区域， 利于好氧菌的生长代谢。因此，种植于湿地的植物，除了必须适应于当地生境，有较长生长期外， 还需要生长快速，根茎发达，有较大的地下生物量【2 2 1 。在实际应用中，各地的研究者大多结合当地 的气候条件和植被分布，选择最合适的湿地植物。 一般地说，选择湿地植物要注意以下几个原则【2 3 】： 根系比较发达的水生植物。 具有抗逆性( 1 ) 抗冻、抗热能力；( 2 ) 抗病虫害能力；( 3 ) 对周围环境的适应能力。 净化能力强、抗逆性相仿，而生长量较小的植物，以减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多 麻烦。 综合利用价值高。若所处理的污水不含有毒、有害成分，其综合利用可从以下几个方面考虑( 1 ) 作 饲料；( 2 ) 作肥料；( 3 ) 生产沼气。 8 第_ 三章工艺设计、研究内容及方法 3 1 工艺介绍 3 1 1 工艺流程： 第三章工艺设计、研究内容及方法 本试验采用“厌氧一跌水充氧生物接触氧化一水生蔬菜型人工湿地”工艺处理农村生活污水， 并解决除磷脱氮问题。工艺流程如下： 污水叫亘堕h 互雯塑堕9 吨翌堑雯里匹卜出水 具体工艺流程如下图所示： 图3 l 组合工艺流程图 污水首先进入厌氧池，经过水