（环境工程专业论文）腔式地下渗滤系统用于分散式生活污水净化的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师王成端教授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，也不包含为获得西南科技大学或其 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。 签名： j 蛲袒日期：劲 d 年舌目- 7 园 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 1 疵耗 导师签名： 日期：如l 。年占园 臼 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国城市化进程的不断加快，多数城市都建立了比较健全、集中的 城市生活污水处理设施，污水处理率不断提高，但这些处理设施覆盖范围之 外的分散式生活污水却无法得到有效的治理，且排放量连年增加，严重危害 了我国的水体环境。自然处理系统中的土地处理系统是一项低投资、低能耗， 适合分散式生活污水处理的工艺。本课题对土地处理工艺中近年来发展较 快、应用较广的地下渗滤工艺进行了探讨，针对传统地下渗滤工艺存在的土 壤易堵塞、水力负荷低、使用寿命短等问题，提出了一种以人工土为填料的 改进型腔式地下渗滤系统，并建立了试验装置。主要研究内容如下： ( 1 ) 对人工土各组分一粉煤灰、草炭、冲击砂和炉渣的质量配比进行了 正交试验研究，得出了各组分的最佳质量配比分别为8 、1 0 、1 0 和1 2 。 ( 2 ) 对腔体侧壁孔直径、底部孔直径和腔体材料进行了正交试验研究， 得出了三个结构参数的最优水平分别为4 m m 、4 m m 和硬质塑料。对系统的水 力负荷、配水时间、湿干比和取样时间进行了优选，得出了四个运行参数的 最佳值分别为1 5 c m d 、8 h 、l ：9 和8 h 。 ( 3 ) 对系统出水的重金属含量进行了原子吸收分析，结果表明出水中的 重金属浓度均低于污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中一级标准的限值， 不会对环境产生二次污染。 ( 4 ) 对人工土与天然土渗透速率下降幅度、土壤堵塞程度及腔式地下渗 滤系统与其他地下渗滤系统的去除效果进行了对比分析。总结出了随着运行 时间的延长，天然土渗透速率下降幅度是人工土的1 3 倍，人工土堵塞程 度比天然土低8 1 0 ，腔式地下渗滤系统对各污染物质的去除率比其他地 下渗滤系统高2 1 5 。 关键词：腔式地下渗滤系统人工土结构参数运行参数 对比分析 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a sa c c e l e r a t i n go fu r b a n i z a t i o np r o c e s si no u rc o u n t r y ，t h er i g h ta n dc e n t r a l i z e do f u r b a nd o m e s t i cs e w a g ed i s p o s a le s t a b l i s h m e n th a v eb e e nc o n s t i t u t e d ，b u tt h ed e c e n t r a l i z e d d o m e s t i cs e w a g ed o e sn o tb et r e a t e do u to ft h ea r e ai ss t i l ln o tb ec o n t r o l l ee f f e c t i v e l y ，a n d t h ed i s c h a r g ea m o u n ti si n c r e a s i n gg r a d u a l l yy e a rb yy e a r ，w a t e re n v i r o n m e n ti no u r c o u n t r yh a sb e e ns e r i o u sd e s t r o y e d t h el a n dt r e a t m e n ti n c l u d e di nt h en a t u r ed i s p o s a l s y s t e mi sad i s p o s a lt e c h n o l o g yo ff e w e ri n v e s t m e n t s ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o nt h a ti sf i t f o rd e c e n t r a l i z e dd o m e s t i cs e w a g e i nt h i st h e s i s ，s u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o nt h a tat e c h n o l o g y h a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e dl a n da n dw i l d l ya p p l i e di nt h el a n dt r e a t m e n tw a sd i s c u s s e d f o rp r o b l e m so ft r a d i t i o n a ls u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e mt h a t s o i li se a s yp l u g ，h y d r a u l i c l o a d i n gi sl o w ，l i f ei ss h o r t ，a ni m p r o v e dc h a m b e rs u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e mu s i n g a r t i f i c i a ls o i la sf i l l e rw a sp r e s e n t e d ，a n da ne x p e r i m e n td e v i c ew a se s t a b l i s ha tt h es a m e t i m e t h em a j o rr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o m p o n e n t so fa r t i f i c i a ls o i l o p t i m a lm a s sr a t i oo ff l ya s h ，p e a t ，i m p a c ts a n d a n ds l a gw e r em a d eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tr e s e a r c h ；t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a lm a s s r a t i oo ft h ec o m p o n e n t si s8 ，1 0 ，10 ，a n d12 ，r e s p e c t i v e l y ， ( 2 ) d i a m e t e ro fs i d e w a l lp o r e ，d i a m e t e ro fb o t t o mp o r e ，a n dm a t e r i a l so fc h a m b e r w e r e m a d eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tr e s e a r c h ；t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a ll e v e lo ft h r e e s t r u c t u r ep a r a m e t e r si s4 m m ，4 m m ，a n dr i g i dp l a s t i c ，r e s p e c t i v e l y f o u ro p e r a t i n g p a r a m e t e r sw h i c hw e r eh y d r a u l i cl o a d i n g ，d i s t r i b u t i o n w a t e rt i m e ，w e t - d r yr a t i oa n d s a m p l i n gt i m ew e r eo p t i m a ls e l e c t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s t v a l u e so fh y d r a u l i c l o a d i n g 。w a t e rd i s t r i b u t i o nt i m e ，w e t - d r yr a t i oa n ds a m p l i n gt i m ei s 15 c m d ，8 h ，1 ：9 ，a n d 8 h ，r e s p e c t i v e l y ( 3 ) t h eh e a v ym e t a l sc o n t e n to fe f f l u e n tw a sc a r r i e do u ta t o m i ca b s o r p t i o na n a l y s i s ， t h er e s u l t ss h o wt h a th e a v ym e t a l sc o n t e n to fe f f l u e n ti sl o w e rt h a np r i m a r ys t a n d a r dl i m i t s o fi n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d ( g b 8 9 7 8 - 19 9 6 ) ，t h ee n v i r o n m e n tw i l lb en o t p o l l u t e ds e c o n d ( 4 ) d e c r e a s i n gd e g r e eo fp e r m e a t i o nr a t e ，p l u g g i n gd e g r e eo fs o i lo na r t i f i c i a ls o i la n d n a t u r a ls o i l ，a n dr e m o v a le f f e c to fc h a m b e rs u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e ma n do t h e r 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 mw a sd o n ec o n t r a s ta n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d e c r e a s i n gd e g r e eo fp e r m e a t i o nr a t eo na r t i f i c i a ls o i li so n e t ot h r e et i m e st oa r t i f i c i a ls o i ， k e yw o r d s ：c h a m b e rs 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 ；a r t i f i c i a ls o i l ；s t r u c t u r e p a r a m e t e r s ；o p e r a t i n gp a r a m e t e r s ；c o m p a r a t i v ea n a l y s i s 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 目录 1 绪论1 1 1我国的水体污染现状1 1 2分散式生活污水1 1 2 1分散式生活污水的来源及特点1 1 2 2分散式生活污水处理面临的问题2 1 2 3 分散式生活污水处理技术的选择2 1 3 地下渗滤系统3 1 3 1地下渗滤系统的国内外研究现状3 1 3 2 应用范围5 1 3 3地下渗滤系统的分类6 1 3 4地下渗滤系统的狰化机理9 1 3 5地下渗滤系统的优点及运行的关键1 0 1 4研究意义及研究内容1 3 1 4 1研究意义1 3 1 4 2 研究内容1 4 2腔式地下渗滤系统的建立及试验分析方法1 5 2 1 试验设计1 5 2 1 1试验原理及试验装置1 5 2 1 2试验工艺流程及试验系统1 6 2 2 试验用水及试验仪器设备1 8 2 2 1 试验用水1 8 2 2 2 试验设备及仪器1 8 2 3 分析方法弋1 8 2 3 1土壤理化性质的分析方法1 8 2 3 2土壤表面形态的分析方法1 9 2 3 3 水质检测方法1 9 2 3 4水中金属离子的分析方法2 0 2 3 5试验数据的处理2 0 3人工土质量配比的土柱试验研究2 1 3 1试验材料及土壤理化性质2 1 3 1 1 试验材料2 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第v 页 3 1 2 土壤理化性质2 2 3 2试验装置及进水水质2 3 3 2 1 试验装置2 3 3 2 2 试验进水水质2 4 3 3人工土质量配比的正交试验设计2 4 3 4试验结果与分析2 5 3 4 1污染物质去除率的正交试验分析2 5 3 4 2渗透系数的正交试验分析2 8 3 4 3最佳质量配比试验结果分析3 1 3 5人工土与天然土去除效果的对比分析3 2 3 6 本章小结3 2 4腔式地下渗滤系统性能的研究3 4 4 1污水可生化性分析3 4 4 2试验系统的启动3 4 4 3腔式地下渗滤系统结构参数的确定3 6 4 3 1腔体结构参数的正交试验设计3 6 4 3 2 试验进水水质3 7 4 3 3 试验结果及分析3 8 4 3 4 最优结构参数试验结果4 1 4 4腔式地下渗滤系统运行参数的优选4 1 4 4 1水力负荷的优选4 2 4 4 2配水时间的优选4 3 4 4 3湿干比的优选4 6 4 4 4取样时间的优选4 9 4 4 5最佳运行参数下系统的运行效果5 0 4 5重金属污染的原子吸收分析5 1 记 4 6 本章小结5 2 5 对比分析5 4 5 1人工土与天然土渗透速率下降幅度的对比分析5 4 5 2 人工土与天然土堵塞程度的对比分析一5 5 5 3不同地下渗滤系统去除效果的对比分析5 7 5 4 本章小结5 8 6 结论及建议5 9 6 i 结论 6 2 建议 致谢 参考文献6 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果6 8 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1我国的水体污染现状 水是一种宝贵的自然资源，在人们日常生产、生活中扮演了重要角色， 地球上一切生物的生存都离不开水。近几十年来，随着人口的增长，社会和 经济的发展，水污染问题日益严重，引起了社会各界的重视。根据国家环境 保护部2 0 0 8 年环境公报公布的资料：我国污染减排工作取得了较大的进展， 但是水体污染依然严重。在2 0 0 条河流的4 0 9 个监测断面中，一类至三类水 质的断面比例为5 5 o ，四类至五类水质的断面比例为2 4 2 ，劣五类水质 的断面比例为2 0 8 。珠江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、 淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。对2 6 个湖泊及水库的营养状态 进行了监测，呈富营养状态的湖泊及水库占4 6 2 t ”。公报还指出，我国农 村环境问题日益突出，生活污染加剧，面源污染加重，工矿污染凸显，饮水 安全存在隐患。总体而言，我国水体污染呈现出从支流向干流延伸、从城 市向农村蔓延的趋势，几乎到了“有河皆枯，有水皆污 的程度心，。 近年来，随着乡村城镇化进程的加快和人民生活水平的提高，产生了许 多分散式生活污水。分散式生活污水由于其存在着分布分散、水质水量变化 大等特点，通常不能被纳入城市污水集中收集系统，其对水体造成的污染正 日益严重。据统计，“全国的水体污染中约有3 0 6 0 的污染来自分散式 生活污水”臼，。由于区域及技术条件等的限制，这些污水通常得不到很好的 治理就就地排放，严重制约了我国社会经济的发展，影响了人民的生活和健 康，迫切需要加以治理订”。 1 2 分散式生活污水 1 2 1分散式生活污水的来源及特点 分散式生活污水主要来源于生活小区、旅游风景区、度假村、疗养院、 郊区及村镇等分散人群聚居地排放的污水，主要包括冲洗厕所产生的污水和 洗衣、洗米、洗菜、洗澡废水“，。分散式生活污水的主要组成物质是生活废 料和人的排泄物，通常含有氮、磷等营养物质及细菌、病毒、寄生虫卵等微 生物，一般不含有毒物质口，。因人口密度、生活习惯、生活方式、经济水平 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 等的不同，分散式生活污水的水质水量存在较大的差异。分散式生活污水有 如下特点：“分布分散，涉及范围广，水质水量变化大；管网收集系统不健 全，粗放型排放，缺乏污水处理设施；污水流量小且日变化系数大( 3 5 5 0 ) ；污水成分复杂，但各种污染物的浓度较低，污水可生化性较强”1 。 我国分散式生活污水的基础资料较缺乏，根据相关研究显示“，我国分 散式生活污水水质状况如下：c o d 。，为2 0 03 0 0 m g l ，t n 为3 5 4 5 m g l ，n h 4 * - n 为2 3 - - 3 0 m g l ，t p 为5 8 m g l 。 1 2 2分散式生活污水处理面临的问题 随着城镇化进程的推进和人民生活水平的提高，生活污水的排放量逐年 增多，随之产生的分散式生活污水也逐年增多。尽管城市生活污水二级生物 处理技术比较完善，但将其应用于治理分散式生活污水还存在一个较大的问 题，即城市污水处理厂的投资一般都较高，而且建成后运行费用也较高。据 统计，“一个日处理能力为1 万吨的城市生活污水处理厂，投资约在1 5 0 0 万元左右，年运行费用约为1 5 0 - - 2 0 0 万元”臼，。此外，我国在分散式生活污 水处理设施运行方面的技术力量还比较薄弱，很难完成污水处理厂的日常维 护和管理，无法达到城市生活污水处理厂的技术要求。因此建设分散式生活 污水处理厂在经济上和技术上都是不合理的。综上所述，对于治理分散式生 活污水，我们必需寻求一种低投资、低运行成本、操作简便、处理效率高的 技术。 1 2 3分散式生活污水处理技术的选择 在我国，由于大多数分散式生活污水处理技术处于研究阶段，可选用的 适宜分散式生活污水处理的技术还较少，因此分散式生活污水处理率较低。 ( 1 ) 分散式生活污水处理技术的选择原则随1 处理效率高，可使处理后的污水达标排放； 建设费用低； 运行费用低，不用投加化学药剂，节省能源； 运行和管理简单，利用当地技术和管理力量就能够正常运行； 节省占地面积： 适应当地条件，如利用当地的废塘、涂滩、废弃的土地等。 ( 2 ) 分散式生活污水处理技术的选择 近年来，随着污水处理技术的发展和革新，一个新的概念一绿色技术被 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 引入了城镇污水处理技术中，并引起了世界各国的关注。2 0 0 1 年1 1 月，建 设部、国家环保局、科技部联合颁发实施的城市污水处理及污染防治技术 政策中明确指出：“因地制宜，在有条件的地方采用土地处理技术等自然 净化技术，将城镇污水处理与生态工程有机结合起来阳3 。根据我国的国情 和经济、地质、气候、人口分布特点，研究开发基建投资低，“能耗低，处 理效率高，能促进资源循环和再利用的就地污水处土地处理技术，是因地制 宜，实现分散式生活污水处理无害化、资源化的有效途径”n 们。因此，土 地处理技术是分散式生活污水处理技术的首选。 1 3 地下渗滤系统 地下渗滤系统是一种基于生态学原理的污水土地处理技术，具有基建投 资低，能耗低，处理效率高，操作维护简单，装置位于地下不破坏景观、没 有臭味，再生水可回用等优点 1 2 - 1 4 ，。地下渗滤系统可用于处理城市独立社区、 近郊地区、风景旅游区和乡镇地区等区域的生活污水，可节约污水集中处理 所需的大量输送费用；系统出水可用于冲洗厕所、道路，浇灌绿地及补充锅 炉用水等，在一定程度上缓解了水资源不足的矛盾h 5 ”3 。 1 3 1地下渗滤系统的国内外研究现状 1 3 1 1国外研究现状 地下渗滤系统建在地下，节省占地面积，对周围环境无影响，适用于处 理小流量的污水。长期以来，美国、俄罗斯、日本、澳大利亚、以色列、西 欧等国都非常重视应用该技术，并陆续开发兴建了多种具有处理效率高、节 能低耗、运行维护费用低、不污染地下水等优点的地下渗滤系统。美国在1 9 0 0 年开始应用地下渗滤系统处理生活污水，1 9 3 4 年北卡罗莱纳州形成了较简单 的设计手册，1 9 6 9 年美国相关部门出台了完整的设计和操作手册”。据统计， 美国目前约有2 3 的家庭采用地下渗滤系统处理生活污水。俄罗斯自8 0 年代 以来对地下土壤渗滤沟工艺进行了科技攻关，已在工艺流程、净化方法、构 筑设施等方面做到了定型化和系列化，并编制了相应的技术规范。日本从6 0 年代开始研究地下土壤污水净化技术，并在2 0 世纪8 0 年代开发出了地下土壤 毛管渗滤沟工艺m ，该工艺主要利用土壤一植物生态系统净化污水，取得了 优于二级处理甚至达到三级处理的净化效果。此外，澳大利亚、以色列、瑞 典、芬兰、挪威、丹麦等国也有众多分散住户应用了地下渗滤系统。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 k r i s t i a n s e l lr n s ，利用土壤含砂层系统处理了化粪池出水，取得了较好 的处理效果。j c 1 a n c e t ”，利用土柱处理系统处理生活污水处理厂的二级出 水，结果表明，土柱处理系统对污染物质的去除效率较高。u i k a e lp e l l 他们他妇 等对地下渗滤系统的研究表明，表层土壤的通气传氧性好，利于好氧细菌和 硝化细菌的生长，在6 7 c m d 的水力负荷下，表层1 5 c m 的土壤即可去除 8 0 以上的b o d 。和n h 。+ 一n 。但由于有机污染物的迅速降解致使反硝化菌可利 用的碳源不足，而且好氧环境也不利于反硝化菌的生长繁殖，因此导致t n 的去除率较低。a d e l m a n ，等在土壤有机质方面的研究表明高c ：n 的土壤有 利于提高t n 的去除率。s t e v i l 乜钉等研究认为土壤粒径、土粒比表面积等对 病菌去除效率的影响较大，而土壤的p h 、离子交换能力等对病菌去除效率 无显著影响。g n m a g e s a nc ：t ，等研究了污水中c ：n 对土壤导水率的影响。 v a nc u y kr 。s ，等研究发现不同深度的土壤，其含水量、氧化还原电位( e h ) 、 颗粒表面积等均不同，因此保持一定的土壤层厚度以可提高地下渗滤系统的 净化效果。j o h a n s s o ne 2 酣等研究表明在原土中适当掺加富含f e 、a 王元素的填 料可以增强土壤对p 的吸附容量，提高土壤的除p 效果。c o n v e r s ej c 乜们 对现有的地下渗滤系统进行了调查和分析后提出，对地下渗滤系统进行管理 和维护是其所面临的最大挑战。k i n s l e y 乜们等提出了一种评估模型，用于评 价那些失败或已接近使用寿命的系统对环境和人类健康可能产生的影响，结 果表明，土壤类型和使用年限是评估系统性能风险的两项重要指标。 1 3 1 2国内研究现状 我国从2 0 世纪9 0 年代初开始应用地下渗透系统。中科院沈阳应用生态 所在“八五”、“九五 期间，通过实验研究，证实了在我国北方寒冷地区 利用地下渗滤系统处理生活污水的可行行，并论证了将其出水进行中水回用 的可行性2 9 。清华大学在2 0 0 0 年国家科技部重大专项中，首先在农村地区 推广应用地下渗滤系统，取得了较好的效果口”。另外，上海交大在北京钓鱼 台、温州荡山、温州大学、上海浦东开发区等地建了多个地下渗滤系统示范 工程，自启动后，运行状况一直良好”。 张建等，在2 c m d 的水力负荷下，以红壤土作为填料，进行了地下渗滤 系统处理村镇生活污水的中试研究。结果表明，地下渗滤系统对c o d c 。、n h 4 + - n 、 t p 和t n 有着良好的去除效果，去除率分别达至1 j 8 4 7 ，7 0 0 ，9 8 o 和7 7 7 ， 出水c o d 。，、n h 4 + - n 、t p 和t n 的平均浓度分别为1 1 7 ，4 0 ，0 0 4 ，4 7 m g l ， 达到了建设部颁布的生活杂用水水质标准。董泽琴等采用厌氧一好氧 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 地下土壤渗滤沟工艺处理生活废水，t n 去除率达到了6 0 。张建等朝利用掺 加1 0 草炭的地下渗滤系统处理生活污水，运行结果表明该系统的氧化环境 得到了很大改善，使系统的启动时间由7 0 天缩短到3 0 天，对n h 。+ 一n 和t n 的平 均去除率也由未掺加草炭时的8 3 和6 9 分别提高到了9 5 和8 0 ，但系统对t n 去除率较低。张健等们在滇池谷以红色粘土掺加2 5 灰烬为填土建立地下渗 滤系统，处理该地区的农村生活污水，结果表明，地下渗滤系统对c o d 。，、 n h 。+ 一n 、t p 和t n 有着良好的去除效果，去除率分别为8 2 9 ，7 2 o ，9 8 2 ， 和7 7 8 ，其中n h 。+ 一n 的去除率在间歇操作模式下可从7 2 增加至u 9 0 以上。 李寿田等，对土壤的固磷能力进行了研究，结果表明不同土壤的固磷能 力不同，通过改良土壤可以提高土壤对p 的吸附能力。张建等们对尼米槽式 地下渗滤系统进行了研究，得出了有机碳源被截留会引起后续反硝化反应碳 源不足的结论，并提出了利用中间分流的地下渗滤系统，即在尼米槽下方增 加布水管引入化粪池出水可以增加碳源，促进后续反硝化反应，提高脱氮效 果。刘晓宁，利用地下渗滤系统，在四种不同的水力负荷下进行生活污水处 理试验，结果表明出水中n h 。+ - n 、c o d 。，的浓浓度可达到城镇污水处理厂污 染物标准一级a 排放标准，但是出水中t n 的浓度较高，去除率较低，不 能达标。 代莹等m ，通过在地下渗滤系统中添加自行研制的微生物菌剂，改善了土 壤的性状和增强了地下渗滤系统的微生物活性，并进行了菌剂的生理生化试 验和污水处理试验。试验表明菌剂具有较高的微生物活性，添加在地下渗滤 系统中，既可以缩短系统的启动周期，又可以提高有机污染物的降解率。成 先雄等m ，总结了地下渗滤系统的国内研究和应用现状，得出了地下渗滤系统 对生活污水中的污染物质有着较高的去除率，出水水质可达到生活污水综 合排放标准( g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 ) 二级标准的限值，并且地下渗滤处理系统很适 用于污水管网不健全的地区，是一项处理分散式生活污水的实用技术。 地下渗滤系统将主要的构筑物设置在地下，且将污水处理与绿地植物利 用相结合，因此可以取得净化污水，美化、绿化环境和节约水资源的综合效 果。 1 3 2应用范围 地下渗滤土地处理技术具有基建投资低、能源消耗少、再生水可回用和 对周围环境无次生影响等优点，可广泛应用于城市人口不太密集地区、近郊 地区或某些乡镇居民点，如疗养院、旅游景点、学校、研究所、别墅、乡村 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 居民点及某些乡镇企业等n ”。地下渗滤系统的水力负荷为0 4 3 m a ，适用 于处理5 0 7 5 0 0 人每天产生的生活污水m ，。 1 3 3 地下渗滤系统的分类 地下渗滤系统“们可分为渗滤坑式地下渗滤系统、渗滤沟式地下渗滤系 辫 统、渗滤管式或渗滤腔式地下渗滤系统、尼米槽式地下渗滤系统及复合地下 渗滤系统五种类型。 1 3 3 1渗滤坑式地下渗滤系统 渗滤坑式地下渗滤系统是一种比较原始的地下渗滤系统，该系统通常建 在具有一定渗透性的土壤中。渗滤坑由预处理池和砾石堆组成，预处理池由 水泥、石头、塑料等组成，池壁上开有孔，内部和周围由砾石填充。适用于 处理小流量污水，通常用于处理化粪池出水n ”。具体流程如下：化粪池出水 首先进入预处理池，经由池壁上的孔进入周围的砾石堆，然后渗入四周的土 壤中。 渗滤坑的结构如图1 - 1 所示。 图卜1渗滤坑结构图 f i g 1 1 s t r u c t u r ep ic t u r eo fs e e p a g ep i t 1 地面2 进水管3 混凝土坑壁4 覆土5 坑外填充砾石6 内充砾石 1 3 3 2 渗滤沟式地下渗滤系统 渗滤沟式地下渗滤系统是目前最常用的地下渗滤系统，它主要由化粪 池、布水管、砾石堆、处理场地构成，通常用于处理化粪池出水。具体流程 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 如下：化粪池出水进入周围填有砾石堆的布水管中，由布水管下方的渗滤孔 进入渗滤填料中，然后进入外层的土壤中。渗滤沟式地下渗滤系统的布水面 积较大，提高了系统处理污水的能力。 渗滤沟的结构如图1 - 2 所示。 图1 - 2渗滤沟结构图 f i g 1 2 s t r u c t u r ep io t u r eo fd r a int t e n t h 1 覆土2 砾石3 有孔管4 砂 1 3 3 3渗滤管式或渗滤腔式地下渗滤系统 近年来在国外出现了无砾石地下渗滤系统，其特点是渗滤系统的构筑物 不再利用砾石堆，而是利用褶皱织物包裹的渗滤管或具有一定空间结构的腔 体“”。 渗滤管式地下渗滤系统在运行过程中，污水通过由褶皱织物包裹的多孔 渗滤管直接进入周围的土壤中，通常情况下，布水管的顶部要设有检查和清 除管道中污泥的检查孔。其渗滤装置如图卜3 所示。 渗滤腔式地下渗滤系统具有处理能力强、安装费用低、维护管理简便、 部件化装置可重新反复利用、可根据处理需要调整处理规模等优点，因此渗 滤腔式地下渗滤系统在国外得到了广泛的应用“”。渗滤腔通常由玻璃钢、硬 质塑料、砖、石头等构成，它的四周和底部都开有小孔，在运行过程中，污 水通过这些小孔渗入四周的土壤中。渗滤腔内不需要埋管子，腔壁也不需要 包裹合成纤维织物，渗滤腔顶部一般设有检查腔体孔隙堵塞程度的观察孔。 其渗滤装置如图1 - 4 所示。 图卜3管式地下渗滤系统渗滤装置图 f i g 1 3 i n f ii tr a t i o nd e v i c ep i c t u r eo fs u b s u r f a c ein f ii t r a t i o ns y s t e mw i t h g r a v e i i e s sp ip e 1 渗滤管2 外裹纤维3 覆土4 渗滤孔 图卜4腔式地下渗滤系统渗滤装置图 f i g 1 4 in f il t r a t i o nd e v ic ep ic t u r eo fs u b s u r f a c ein f ii t r a t i o ns y s t e mw i t h c h a m b e rj， 1 覆土2 渗滤腔3 检查孔4 渗滤孔 1 3 3 4 尼米槽式地下渗滤系统 尼米槽式地下渗滤系统通常也被称为土壤毛管渗滤系统，是日本的 n i i m i ，于2 0 世纪8 0 年代初期开发建立的地下土壤渗滤系统。尼米槽式地 下渗滤系统不同于其他地下渗滤系统的主要一点是：尼米槽式地下渗滤系统 有一个不透水的厌氧槽( 即尼米槽) ，可以防止污水外渗对地表水及地下水造 成污染。厌氧槽设于布水管的下方，里面装有砂子或其他填料，布水管周围 则是用合成纤维织物包裹的砾石，砾石上方为覆土。 尼米槽式地下渗滤系统的结构如图1 - 5 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 4 图卜5尼米槽地下渗滤系统示意图 f i g 1 5 s o h e m a t i cd ia g r a mo fn i m ls u b s u r f a o ei n f ii t r a t i o ns y s t e m 1 尼米槽2 砾石填料3 沙子4 原状土壤5 特殊土壤6 网状隔膜7 布水管 1 3 3 5 复合地下渗滤系统 复合地下渗滤系统通常是指地下渗滤系统与其他工艺联用的污水处理 系统，比较常见的有接触曝气一土壤净化复合式处理系统、厌氧消化一沉淀 一土壤渗滤一元化构筑物、土壤式污泥浓缩池和地下渗滤场等。复合地下渗 滤系统提高了系统的处理负荷，减少了对环境的依赖性，便于人工控制，但 是另一方面也会增加基建投资和处理成本。 1 3 4 地下渗滤系统的净化机理 地下渗滤系统是将污水投配到具有一定构造和良好扩散性能的地下土 层中，污水在重力和土壤毛细管力的作用下向四周和向下扩散，并在此过程 中通过物理截留、物化吸附、化学沉淀、微生物降解等作用被净化。 ( 1 ) 物理作用 物理作用是比较单纯的净化机制，主要包括土壤颗粒的过滤和吸附作 零用。土壤颗粒的过滤作用是将污水中的悬浮颗粒物( s s ) 阻截在土壤颗粒孔隙 间，从而实现悬浮颗粒物与污水的分离；土壤颗粒的吸附作用是利用土壤中 具有强烈吸附性的粘土和腐殖质来吸附污水中的阳离子。 ( 2 ) 化学作用 化学作用的表现形式很多，主要有化学吸附、固定与离子交换和氧化还 原作用，化学吸附和固定与离子交换是化学作用的两种主要表现形式。化学 吸附通常与氧化还原共同作用，如n h 。+ 等离子的去除，首先是n h 。+ 被土壤中 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的粘粒等吸附，然后是n h 。+ 被氧化成n 0 3 - 从土壤颗粒中脱吸。在固定与离子 交换的化学作用中，污水中离子与土壤离子交换的过程中，污水中离子原有 的稳定场体系会发生变化，引起无机污染物质化学形态和溶解性的改变，进 而导致土壤颗粒附近的离子浓度和氧化还原体系发生变化“”。 ( 3 ) 生物作用 生物作用主要通过土壤微生物进行。土壤一污水体系中的溶解性污染物 质通过土壤颗粒外的液膜扩散到微生物表面，在好氧或厌氧条件下，直接或 被土壤酶初步分解后，被微生物降解。土壤中的微生物种群会随污水水质的 变化而变化，并形成与污水水质相适应的微生物种群。 生物作用是地下渗滤处理系统最重要的净化作用，土壤中栖息、生长着 大量微生物。污水中的多糖物质、脂肪族碳氢化合物、部分碳水化合物、木 质素及其他芳香族化合物均可在好氧或厌氧条件下被不同种类的微生物降 解d ”。此外，微生物对土壤腐殖酸的形成也起了重要作用。真菌、链霉菌及 其他细菌可将所有简单或复杂的化合物合成腐殖酸。腐殖酸比表面积大，吸 水力强，具有良好的吸附作用，可增加土壤的持水量，腐殖酸还可以促进氮 的转化和有机磷的矿化，亦可为碳氢化合物的降解提供稳定的氮源h ”。此外， 土壤中的线虫类及寡毛类原生动物也可起到减小污染物质粒径，维持土壤通 透性的作用“”。 1 3 5 地下渗滤系统的优点及运行的关键 1 3 5 1地下渗滤系统的优点 与其他系统相比，地下渗滤系统具有以下优点4 】 ( 1 ) 系统采用地埋式设计，系统之上覆盖自然土层，该土层可保持其原 有的用途，例如种植绿地或修建停车场等，不损害景观，不会产生不良气味 和滋生蚊蝇，基本无噪音，可建于城市生活小区，不会影响周围环境： ( 2 ) 可根据污水水量、水质灵活的进行设计，适应性强，既可用于人群 聚集区，又可用于度假村、农村等人群居住分散区； ( 3 ) 不需要特定的管网系统，建设成本低； ( 4 ) 系统处于地下，受降雨等天气状况的影响小，亦不受冬季冰期冻土 影响，在南北方皆可实施； ( 5 ) 出水水质好，可达到国家规定的污染物排放标准和回用水质标准， 可用于农业灌溉、小区绿化、路面清洗或洗车等方面，且成本相对较低。污 水经处理后可回用，实现了处理与利用相结合的可持续发展构想，取得了良 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 好的环境和经济效益。 1 。3 5 2地下渗滤系统运行的关键 ( 1 ) 土壤的选择与配制 土壤作为土壤一植物一微生物生态系统的组成基质，含有丰富的微生 物，是天然的污水净化工厂。土壤不仅对污水的净化起着物理截留、化学沉 淀、吸附、氧化还原、络合及离子交换等作用，还可以为土壤微生物的分解 者提供必要的环境条件，。“地下渗滤系统的处理能力和净化效果主要由土 壤颗粒的组成、结构及渗滤土层厚度决定”n 帅”。因此，正确的土壤选配是 地下渗滤系统成功的关键和前提。 ( 2 ) 氮、磷的去除 氮的去除 ? 污水中的氮是地下渗滤系统最难以去除的物质，其去除率因污水水质、 环境条件和操作条件的不同在1 0 , - - - , 9 0 之间变化n 们h ”。 污水中的氮主要通过硝化反应和反硝化反应去除。在硝化细菌作用下， 氨态氮被氧化成亚硝酸氮和硝酸氮的过程称为硝化反应。影响硝化反应的因 素主要包括温度、p h 值、还原态无机氮量、充氧条件及湿度等。硝化反应 在具有良好通气透水性能的土壤中进行得很快心”。反硝化反应是在缺氧条件 下，以有机质为碳源，把硝酸盐氮转变成气态的n 。或n ：0 的过程。反硝化反 应是不可逆的，必须在有机物质存在时，并且仅当缺氧条件下才能发生。氧 化还原条件和碳源是影响反硝化作用的两大主要因素，但有关研究表明，地 下渗滤系统的氧化还原条件一般不是反硝化作用的限制因素n ”，合适的c ：n 是保证反硝化菌有充足的碳源，保证高脱氮效率的关键所在n 们“”。 此外，植物对土壤中的氮也有一定的去除作用。植物在生长过程中会吸 收土壤中的氮，可以通过修剪植株来除氮。“植物同化作用所去除的氮量因 植物的不同而变化，但植物对总氮的吸收去除率一般不会超过1 5 “”。因 此，光靠种植植物来提高系统的脱氮能力，上升空间不大，为系统提供良好 的硝化、反硝化条件才是提高地下渗滤系统脱氮能力的根本出路”。 磷的去除 地下渗滤系统对磷有着较好的去除效果，去除率可达到9 0 以上“钉“5 删。 磷主要通过土壤颗粒的吸附、化学沉淀、微生物同化和植物吸收等作用去除。 大量的研究和实践表明，地下渗滤系统运行初期，吸附是主要的除磷作 用，但是随着运行时间的延长，化学沉淀将取代吸附成为主要的除磷作用， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 并且土壤对磷的同化容量要比吸附容量大得多n 2 “，。土壤的磷吸附饱和问 题是地下渗滤系统中有待研究和解决的问题。 ( 3 ) 土壤的堵塞 利用土壤处理污水时，由于污水中悬浮物的进入和土壤中微生物的代谢 及死亡等多种原因，很容易造成土壤孔隙的堵塞。土壤孔隙堵塞会降低土壤 的水力传导性能，妨碍土壤的通气传氧作用，严重影响地下渗滤系统的净化 效果。土壤堵塞产生的主要原因有以下几种： 悬浮物对土壤孔隙的堵塞 悬浮物对土壤孔隙的堵塞是一个比较迅速的过程，瞬间即可实现，并且 通常情况下，这种堵塞无法恢复。因此在试验过程中，应尽量避免这种堵塞 现象的发生。 微生物作用对土壤孔隙的堵塞 微生物的代谢产物及微生物的死亡残体等会堵塞土壤的孔隙。研究表 明，“微生物降解污染物质过程中产生的中间产物( 胞外多糖) 是土壤孔隙堵 塞的重要原因，降低进水中的c ：n 可以有效防止这种堵塞现象的发生”“。 另外，土壤中腐殖质的积累也会导致土壤孔隙的堵塞，解决手段是减小系统 的水力负荷、降低进水有机污染物浓度或强化土壤的通气充氧等他们”。 土壤中生化反应产生的气体对土壤孔隙的堵塞 “土壤中微生物的好氧反应会产生c o 。，厌氧反应会产生c h 4 、s o ：、n z 、 n ：o 等气体 b ”。这些气体如果被封存在土层中，会造成土壤孔隙的堵塞。 在实际运行中，为了有效地防止微生物新陈代谢产生的c o 。、c h 。、s 0 ：、n z 、 n ：0 等气体对土壤孔隙的堵塞，可以采用干湿交替和间歇投配的操作方式哺“。 ( 4 ) 氧气的供给