（水利工程专业论文）FILTER系统运行试验研究.pdf

f i l t e r 系绕运行试验研究 攘要 本文在传统的污承主建处理法螅綦础上，通过试骏骚究了污拳灌溉与秀生 利用复合系统，该系统在利用富含营养物的污水灌溉作物的同时，用较少的土 遮霹太滚污拳送行楚瑾，著逶i 薹系绞内安装靛霹瑷完全控斜麴缝下撵零系统辩 处理的污水进行回收，供灌溉或其他用途再利用。通过对污水负荷以及排水系 统的妻器窳率遂行合理设计，可黻傈证浮永灌溉与再生利用复合系统有怒够的污 染物去除率，使得排出水达到环保部门的排放缨求，或重新用彳乍其他用途。储 存在土壤中的汾染物，可以被系统内种植的檀物吸收利用，达到动态平衡，从 愿使褥渡系统其赢可持续性。该系统不仅对污承进行了处理，还毙使瓣檀的终 物产量保持稳定或提高，以补偿系统的建设和运行费用。该技术还具脊土壤不 易发生遮亿、污染蘩不在壤中积累等撬熹。 试验表明，应用这种系统，既可以充分利用污水资源，又可以有效地去除 污承中静污染秘，可鞋应用于污永灌溉嗣用、城市污承处置以及城市污水再生 和回用等领域，是一种具有良好应用前景的水污染治理技术。 关键词：污承处理污水灌溅土地处理污水资滚 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf i l t e rs y s t e m a b s t r a e t t h i sp a p e ri si n t e n d e dt oe x p l i c a t et h es y s t e mo ff i 【j e r ( f i l t r a t i o na n d i r r i g a t e dc r o p p i n gf o rl a n dt r e a t m e n ta n de f f l u e n tr e u s e ) b ye x p e r i m e n t ，o l lt h e b a s i so ft r a d i t i o n a ll a n dd i s p o s ec o n c e r n i n gs e w a g e f i l t e rs y s t e mc a l lu s e n u t r i t i o u ss e w a g et oi r r i g a t ec r o p ，a tt h es a m et i m e ，i tc a r ld i s p o s ea l a r g ea m o u n t s e w a g ew i t ha s m a l l e rl a n d a n di tc a na l s od e s i g n e dt or e c o l l e c td r a i n a g ew a t e rf o r i r r i g a t i o no ro t h e ru s e st h r o u g hs e w a g ed e v i c et h a ti sf i x e da n dc o n t r o l l e di i lt h e f i l t e rs y s t e m b yt h er e a s o n a b l ed e s i g no ft h el o a do fs e w a g ed e v i c ea n dt h er a t e o fd r a i n a g e ，t h ed e c o n t a m i n a t i o nr a t eo ff i l t e rc a nb eg u a r a n t e e da n dt h ed i s c h a r g e d s e w a g ec o u l dr e a c ht h er e q u i r e m e n to fe n v i r o n m e n td e p a r t m e n t t h ec o n t a m i n a t i o n i nt h es o i lc o u l db ea b s o r b e db vt h ep l a n ti nf i i 腰rs y s t e m t h e n 血ec o n t i n u a b l e h o m e o s t a s i sw i l ls e tu pi nt h es y s t e m f i l t e rs y s t e mn o to n l yd i s p o s et h es e w a g e ， b u ta l s om a k et h eo u t p u to fc r o p k e e ps t e a d yi n c r e a s i n g ，t h u s t h ec h a r g eo f c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no f t h es y s t e mw i l lb ec o m p e n s a t e d t h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tb yu s i n gt h i ss y s t e m ，n o to n l ys e w a g er e s o u r c ei s n l a d ef u l lr i s e b u ta l s ot h ec o n t a m i n a n ti nt h es e w a g ei se f f e c t i v e l yr e m o v e d t h i s t e c h n i q u ec & t lb ea p p l i e di nt h ea r e ao fs e w a g ei r r i g a t i o n ，s e w a g ed i s p o s a la n d s e w a g er e c y c l e s oi tw i l lb ee x c e l l e n ta n dp e r s p e c t i v et e c h n o l o g yi n v o l v i n gs e w a g e d i s p o s a l k e yw o r d s ：s e w a g ed i s p o s a l ，s e w a g ei r r i g a t i o n ，l a n dt r e a t m e n t ，s e w a g er e s o u r c e 独创性声明 本人声明所燃交躲学位论文是本人在导师 s 导下遂幸亍的研究f ：佟及墩褥的磷突成果。 据我所知，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 过的研究成粱，也不包含必获得 金8 l 王熬盔堂或其佳教育规梭瓣学位域涯1 曙两馒 刚过的材判。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均融在论文中作了明确的说明 势表示谢意。 撇黼躲秀芎 蝌绰， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作崭完全了解盒避王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并岛国索有关部门藏梃掏送交论文蛇复印传釉磁盘，允海论文城轰阑和供阕。本入授权垒 胆1 ：些杰登可以将学位论文的全部戚部分i 勾辑编入有关数据库进行检索，可以采h j 影印、 镶印域挡撼等复制手段保存、汇编学经论文。 ( 保密的学位论文在解密后适婀率授权书) 学德论文作者签名： 李葶苞 缝字目期：洳t 年1 月日 ， 学位论文作者毕业后去向： 作单做：山东水剥职业学院 域讯地： l = ：山东水利职业学院水利系 导师签名： 签字爨嬲哪譬年；爿坪蜀 电话：0 5 3 7 4 4 2 5 4 4 8 邮编：2 7 3 1 0 0 致谢 衷一心感谢我数导螂时少鸯瀵烬，感滗叶老嬲在学歉撞导及各方蘑黪给予我 的关心阱及从寄传身教中学到的为人品质和道德情操。叶老师治学严谨、知识 渊博、诲人不倦、待人诚恳、平易近人，使学生收益嚣浅、终生受盏。从学生 论文的选题、课题的研究到论文的成稿，都倾注了叶老师的心血，给予了悉心 的指导，提出了宝贵的意见。网时，导师和师母在生灞上给予学生多方面的照 顾，在此表示深深的感谢。 感酣合肥工业大学土建学院的老师和朋友们的关心和帮助。 感谢谋题缀的簸友们。 感谢单位领导和同事们在我课程学习和论文撰写期间，给予我的大力支持。 感谢家入静支蒋霸溪解。 感i 身 所有的同学给予的帮助。 作者：李萃宵 2 0 0 4 年3 嗣目 第一章项目研究概述 1 ，1 研究现状综述 中国为贫水国家，人均水资源占有量仅为世界平均值的1 4 ，水环境质量不 断恶化导致可利用水资源的进一步减少和供需矛盾加剧。水资源的短缺问题已 成为制约我国农业乃至整个国民经济发展的重要因素之一。随着经济发展水平 的不断提高，工农业生产和生活用水需求不断增加，水资源紧缺的程度进一步 加重。 在水资源极度短缺的同时，宝贵的水资源还面临着被严重污染的威胁。随 着经济发展水平的不断提高以及工农业生产和生活用水需求的不断增加，污水 排放量也在不断增加。中国目前已成为污水排放量最大的国家之一，日排放量 超过1 亿吨1 1 j 。但由于通过污水处理厂进行污水处理的成本很高，而传统的污 水土地处理系统又存在着很多不足，所以污水( 特别是生活污水) 的处理排放 率仍然很低，城市污水处理率仅7 。大量未经处理的生活污水以及虽经处理但 仍含有大量氮、磷等污染物的工业污水被自由排放到自然水体里，造成了水环 境的严重污染1 2 。特别是城市附近的河流和湖泊接纳了大量未经处理的城市污 水，丧失了原有的生活饮用、休闲娱乐或水产养殖水源的功能。国家环保总局 发布的2 0 0 0 年环境公报指出，中国主要河流有机污染普遍，面源污染日益突出。 全国监测的1 2 0 0 多条河流中有8 5 0 条受到污染，辽河、海河污染严重，淮河水 质较差，主要湖泊富营养化严重。在辽河、海河等污染严重的水系，v 类和劣 v 类水质断面比例己经超过了5 0 。即使是在水质相对较好的珠江流域，4 2 个 水质监测断面中，类水质断面也已经达到了5 0 ，并且在广州等流段污染严 重。另外，流经城市的河段普遍受到污染。1 4 1 个国控城市河段中，6 3 8 的城 市河段为至劣v 类水质。其中，4 7 个环保重点城市( 直辖市及省会城市、经济 特区、沿海开放城市和重点旅游城市) 的典型水域中，1 0 6 为v 类水质，2 9 8 为劣v 类水质。对于滇池流域和太湖流域等淡水湖泊，则更是污染严重，全湖 处于中富营养状态。从造成水体污染的因素看，氮、磷污染十分突出。其它指 标分别是b o d 和c o d ，全国每年因水污染造成的经济损失达数百亿元。 为此，采取各种方法治理废水、保护水资源免受污染已成为我国需要解决 的重要问题。传统的污水处理技术主要包括物理法、化学法、物理化学法和生 物法等方法3 4 】。物理法是指通过物理作用分离和去处废水中不溶于水的悬浮固 体的方法，根据物理作用的不同可分为重力分离法、筛滤截流法、离心分离法： 化学法是通过化学反应，使水中的污染物质被除去或被回收利用，可分为混凝 法、中和法、氧化还原法、电解法等；物理化学法主要有吸附法、离子交换法、 萃取法、汽提法、膜分离法；生物法是利用自然界中数量巨多的以有机物为营 养物质的微生物，氧化分解有机物并将其转化为无机物的功能，去除废水中呈 溶解状态和胶体状态的有机物，废水生物处理法可分为好氧生物处理法、厌氧 生物处理法及自然生物处理法。有些学者将生物技术分为高、中、低3 个层次。 高层次是指以基因工程为主导的现代污染防治生物工程技术，如构建降解杀虫 剂、多环芳烃类化物等污染物的高效基因工程菌，它为寻求快速有效防治污染 的方法开辟了新途径。中层次是指传统的人工生物处理技术，如活性污泥法、 生物膜法及在新的理论和技术支撑下开发出的处理技术和工艺，如生物流化床、 生物强化工艺等，它是目前环境污染治理的主要手段，仍在不断强化和改进。 低层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术，如氧化塘、人工湿地、土 地系统等，投资运行费用低，易于管理。3 个层次的技术没有重要与不重要之分， 各种工艺和技术之间可能存在相互渗透和交叉应用的现象，单独利用其中一种 方法或者综合利用其中几种方法的污水处理系统多种多样“6 “。 在经济发达国家和地区，应用最广泛的污水处理系统是综合应用各种处理 技术的污水处理厂。它可以通过多道工序去除污水中的各种污染物。污水处理 厂综合应用各种处理技术，可以对污水进行处理，使之达到理想的水质标准， 但缺点是建设和运行费用较高。特别是当营养物和其他化学物质的去除率要求 较高时，这一缺点就更为明显【8 】【9 】。因此，在我国，现有污水处理厂一般是对污 水进行一级和二级处理，有的甚至只进行一级处理。即使是经二级处理后，污 水中氮、磷含量依然很高，排放到地表水体后易发生富营养化问题，造成水环 境恶化【l 。并且，现有污水处理厂的处理能力远不能满足污水处理的需要。受 经济条件的限制，短期内建设足够的污水处理厂也不可能，有些地方虽然建了 污水处理厂，但因运行费用较高而处于停工状态。这不仅没能解决水污染问题， 还造成了很大的浪费。特别是对于经济不发达的中小城市和小城镇，利用污水 处理厂进行污水处理所面临的困难更大。采用治理与利用相结合的技术路线， 研究开发技术先进、经济实用的污水处理与利用技术，非常必要。 采用生物技术对这种受污染水体进行修复是一个有效途径。水污染治理的 生物技术是目前水环境技术的研究和开发热尉”儿1 2 j 。这种技术是对于自然界恢 复能力与自净能力的强化。根据具体情况，污水处理的生物物理系统可以 有不同的形式，而包括人工构建的湿地系统、坡地漫流系统、快速渗滤系统以 及慢速渗滤系统等在内的土地系统是最为常用的用于污水处理的生物系统【j “。 将经过适度处理的污水( 如沉淀、过滤等) 通过土壤植物微生物系统进行 进一步处理或处置，去除污水中的污染物( 包括营养物) ，可以有效地改善污水处 理效果，且具有处理费用相对较低、污染物零排放等优点，应用前景广阔。在 我国，结合作物灌溉的漫渗系统应用比较广泛。漫渗系统把富含氮、磷等可能 会造成严重的水环境污染的生活污水，用于灌溉作物或林地。在污水通过土壤 2 剖面的过程中，土壤将污水中处于悬浮和溶解状态的有机物质截留下来，在土 壤颗粒的表面形成一层薄膜，这层薄膜里充满着微生物，它能吸附污水中的有 机物，并利用空气中的氧气，在好氧细菌的作用下，将污水中的有机物转化为 无机物，如c 0 2 、n h 3 、硝酸盐和磷酸光合作用转化为植物体的组成成分，从而 实现了有害的污染物转化为有用物质的目的，并使污水得到利用和净化处理， 污染物被去除，同时作物得到了必要的营养物补给【4 】。这一过程包括土壤的过 滤截留、物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生物的摄取等 一系列物理化学和生物化学变化，使一些有毒有害物质失去原有活性或被降解， 起到净化污水的作用i l “。合理的污水灌溉可以在缓解灌溉水资源不足的同时， 去除污水中的污染物。污水灌溉系统( 也即污水土地漫渗处理系统) 具有费用低 廉、污染物零排放以及结合作物灌溉等优点，应用前景广阔。目前，我国的污 水灌溉面积已经发展到了3 0 0 万h m 2 。 污水灌溉既是费用低廉的污水处置手段，又是解决灌溉水源不足的有效途 径。但是，污水作为灌溉水源和灌溉作为污水处理( 处置) 手段，存在着时间和空 间上的矛盾以及生态环境方面的问题。作物对水分和养分的需求具有季节性， 而污水的排放无论是水量还是污水品质一般都比较稳定。因此，从时间方面看， 污水作为灌溉水源有可能在作物需水高峰期不能满足作物对水分的需求，而在 作物的某些生育期污水中含有的养分超过作物的需要，影响作物的产量。污水 灌溉作为污水的处理和处置手段，在作物对水分的需求较少时，使得排放的污 水得不到完全处理和处置。例如，如果用于污水处理的土地系统上种植的是树 木，那么在树木叶冠完全发育后，由于树木自身的营养物循环基本可以满足其 生长的需求，此时系统对污水的处理效果将会大幅度下降：另外，污水土地处 理系统在雨季或天气较冷的季节无法运行，此时需要对污水进行储存或作其它 处理，这就增加了污水处理的费用，使这种系统的经济可行性大打折扣。从空 间方面看，污水资源集中的地方，尤其是在污水资源丰富的大中城市周边地区， 一般土地资源比较紧缺。当污水灌溉作为污水的处理和处黄手段时，由于处理 能力较低，需要的土地面积较大，使得该系统在人口多、土地资源紧缺的地区 应用受到了限制。并且在透水性较差的土壤上应用这种系统，有可能发生涝渍 盐碱化，从而发生土壤退化现象17 】【1 8 1 1 9 1 。在以污水作为灌溉水源灌溉农阳时， 污染物在土壤和作物中的积累以及可能对地下水造成的污染也是人们较为关心 的问题。另外，这种系统无法对经过净化的水进行回收，只能用于污水的处置 而非严格意义上的污水处理。因此，污水灌溉系统( 也即污水土地漫渗处理系统) 在污水处理和作物灌溉方面的应用都受到了限制。故需要对传统的污水灌溉系 统( 也即污水土地漫渗处理系统) 进行改进，克服其缺点，并结合当地情况进行综 合应用，解决污水作为灌溉水源和灌溉作为污水的处理和处置手段所面临的矛 盾和问题。 针对上述藤蘧，澳大剥耍秘学窝工娃疆究缀缓f c s i r o ) 稀学家撬爨了一蹲 改迸的污水土地处理系统，即f i l t e r ( f i l t r a t i o na n di r r i g a t e dc r o p p i n g f o rl a n dw r e a t m e n ta n d e f f l u e n t _ r e u s e ) 污) 窳篷她理系统1 2 。】。该技术熬主 要目的是利用污水进行灌溉，一方面满足作物对水分的需求，并满足戚补充作 物对养分的需求，同时降低污水中的氮磷含量，使之达至巧髹部门要求戆搀敖 标准。该技术使用高污染物含濑的生活污水进行作物灌溉，通过土壤过滤汇集 至q 密集的地下排水系统，然后摊救到地丽沟渠成其它媳表水体，或者二次； 4 黑。 由于系统中安装了密集的地下排水系统，所以即使在律物耗水强度较低的季节， 泼系统也具有较高的浮水处理能力。为了通过壤物煺和生化过程以及作物的 吸收过程取得疑好的污水处理效果，系统运行过程中，污水的施加、污水摊戡 前在系统内保持的时问、排水餐以上地下水位的深度以及滤出承的排出过程都 是可控制鹃。 在澳大利溉新南威尔士州格林菲斯市对该技术进行的初步试验表明，使用 f i l t e r 系统，凝哥爨绦涯足够豹污永麓理能力，又麓够充分辫 蕊污承中豹污絷 物含量，使之达到环保部门的臻求。此外，还获得了较好的作物产量，因此可 以蛰偿系统夔建设帮运行费用。在髭试验戆基纂霪上，浚大裂妥络穗萋辫泰叉黧 c s i r o 科学家禽作，在更大规模上对这项技术进行了试验并且已经将其投入了 瘫业运裴。 为了在其它气候和土壤等自然条件下对该技术进行进一步的研究，我们税 天津市武演县避圣亍了遮颈试验磷究。 1 2 研究内容 本项目的研究目的是提出一套实用的高效、持续性污水灌溉新技术。研究 内容为： 总结现有污水灌溉和污水土地处理技术，开发和试验高效、持续性污水灌溉 新技术。 应用模拟技术对所开发和试验的污水灌溉新技术进行模拟研究，使其适用 予更为广泛酶壤条辞帮污东聿盎况。 应用优化技术，研究不同条件下各种灌水要素的优化组合。 1 3 技术路线 f 1 ) 在对现肖的污水灌溉技术和污水地处理技术进行总绪的基础上，在天 津市武滴县污灌区建立试验基地，试验研究污水灌溉和污水土地处理的新技术 ( f i l t e r 技术) ，研究其去除滋溉污水中污染物的效果和应用于污水灌溉的可 掩续惶。 ( 2 ) 应用模拟技术对所开发和试验的污水灌溉新技沭进行模拟研究，使其遣 褥子更为广泛的土壤条佟_ i 韬污隶情况。 4 ( 3 ) 应用优化技术，研究不同条件下各种灌水要素的优化组合。以最大限度 地利用污水中的肥效，减小灌溉对环境的影响，达到增产节水，持续发展的效 果。 1 4 关键技术和创新点 截止目前，用于污水处理的污水土地处理系统普遍存在处理能力低、需要 的土地面积大以及不具有可持续性等缺点。本项研究所试验的将污水处理与污 水灌溉相结合的高效持续性污水灌溉新技术克服了传统的污水土地处理系统的 缺点，可以有效地提高系统的处理能力，减小需要的土地面积，并且避免污染 物在土壤中的积累，使系统具有良好的可持续性。此外，使用本项研究所试验 的技术进行污水处理，还具有较好的经济可行性。系统内种植的作物，可以获 得较高的产量。这可以补偿系统的建设和运行费用。 第二章f il i e r 系统设计、安装与运行 2 1f l l i e r 技术简介 f i l t e r ( f i t r a t i o na n di r r i g a t e dc r o p p i n gf o rl a n dt r e a t m e n ta n d e f f l u e n tr e u s e ) 技术是由澳大利亚科学和工业研究组织( c s i r o ) 科学家首先 提出的1 2 。该技术的主要目的是通过污水灌溉来达到污水处理的目的。通过利 用污水进行灌溉，一方面满足作物对水分的需求，并满足或补充作物对养分的 需求，同时降低污水中的氮磷及其它污染物的含量，使之达到环保部门要求的 排放标准。浚技术使用高污染物含量的生活污水进行作物灌溉，通过土壤过滤 汇集到密集的地下排水系统，然后排放到地面沟渠或其它地表水体，或者二次 利用。出于系统中安装了密集的地下排水系统，所以即使在作物耗水强度较低 的季节，该系统也具有较高的污水处理能力。为了通过土壤物理和生化过程以 及作物的吸收过程取得良好的污水处理效果，系统运行过程中，污水的施加、 排水管以上地下水位的深度以及滤出水的排出过程都是可控制的。系统结构如 图2 1 所示。 图2 - 1污水灌溉与再生利用系统示意图 2 2f l l t e r 试验区 f i l t e r 试验区建立在天津市武清县。试验区地处京津两市之间，距天津市 区6 5 公里。位于东经1 1 7 。，北纬3 9 。4 2 ，属暖温带半干旱大陆季风气候。 无霜簸2 0 0 天左右，多年平均降裹量5 8 0 r a m 。辫螽年逡分配不缝，8 0 渡上豹 降雨多集中在6 , - - 9 月份，全年蒸发量1 2 0 0 m m 。试验医所在地农业种槭以小麦 穗玉米笛粮食终物必主。 试验区土壤为粘壤土，并有轻度栽碱。有机质含量l 1 5 ，全氮 o + 0 5 - - 0 0 7 5 ，速效磷3 p p m 左右，速效锼 2 0 0 p p m ，地下求埋深0 。5 1 。5 m ，p h 值为8 4 左右，矿化度为2 4 l 。 北京排污河流经试验区附近。河水为北京市经过初级处理蘑排放的污水和 雨季降承。排污河水质每年呈溺期性交化。雨攀承质较好，春季较差。而春拳 一般是作物灌溉季节。试验用污水水源来自紧邻试验区的灌溉渠道。浚灌溉渠 道藏j e 京捧污淄引永，并且茫絮了辩遥$ 镇静玺活污永。试验m 歼始蓠涟续三年 的水质调查表明，排污河河水中重金属h 。、c ，、a 。、p b 、c d 、c 。和z 。都没有 超标现象，餐z p 、d o 、c o d 、b o d 、n - h * 4 - n 等淘超遥了建嚣承v 类承矮标准， 有机污染严重。 结会当邋鹣壤囊建、逢下农等条释，建设了慧侮审鬟热蚕2 2 疑示熬 f i l t e r 试验区。 困阉共设鬟l o 令试验小区，总瑟弦2h a 。l 堪号及l o 号试验小区各长6 0 m ， 宽4 0 m ；5 - 9 号试验小区各长4 0 m ，宽4 0 m 。1 - 6 号试验小区为f i l t e r 试验区， 区内安装地下摆承系统。搀东暗管埋深1 2 米。其中，l 、4 试骏小区螓管阉题 5 m ，2 、3 、5 、6 号试验小区暗管间距1 0 m 。1 - 4 号试黢小区灌溉水源为灌溉渠 道内的污水，5 号、6 号试验小医灌溉农源为1 - 4 号试骏小区的摊出水。7 、8 、 9 号试验小区是非f i l t e r 试验小区，灌溉水源为灌溉渠道中的污水，避行常规 灌溉，与f i l t e r 试验进行对比。l o 号试验小区为非f i l t e r 区，用于土壤参 数瓣试。每一个f i l t e r 试验小区设一个集永并，并雨安装潜承泵，邋过浮予 阀自动控制水泵的开机和关机。 为减少各试验小区翔承帮污染耨瀚承平渗遴影响，保证各单元豹鞠霹独立 性，提商试验结果的准确性和可靠性，各单元之间垂向埋设不遥水防渗塑料薄 貘，淫深l 。5 米。 试验区内的灌溉排水系统如图2 3 所示。 7 耩恬褥矮*站蜂雉送卿爆甲n丑 、 v 7 搴 h j ，、 o 一 0a l 曲 l 饕 ! 一 0善 n 工， 卑 i 妖) 导 o _ i 善 一 枘 o 蚤3= j ie n j 、茹羹 一 丫 翻 i 交 ) 霉 1 0 口 霉 6 、 ，孽础 h 一 件 一 n 黛霎；9 产q 一 i 卜 ： 鹱i 0 i6 一 ! l ( 孛 刊) 扣 i 2 6 i 6一 一 ； 卜 ； 攥 当 一擎 ， 罐 j 一 l讥 零i j j 尹 旦 一 藕 n 一 w m 一 枘 ，扣； 旨 ll 零 一 守 一 n n _ 妊 i 一 、，毫鼓 悱 一 帆 、，嚣 试验嚣施工缝紊嚣，耀激光平建致瓣主逮遽 亍平整。 为了对试验区内土壤水分状况和地下水位变化情况j 艟行监测，每个地块布 麓了一令中予仪嫒测营( 竣夫埋深1 6 米) 、五个不同深度戆受援诗露一令缝下本 能观测井( 位于两条地下暗管中间位置) 。 2 3f l l t e r 系统豹运行 试验过程中，f l t e r 系统的运行以1 4 天为一个周期。每个周期分为4 个 除羧，依次为：灌潦平衡期、污承灌溉麴、灌螽平衡赣、摊东期。遥过这4 个 阶段的运行，可以提高污染物的去除率，提高污染物在系统内土壤中分布的均 匀程度。 系统的运行计划如下袭2 1 所示。 i o 露 囊 蒜。蓉 越蚕主 粪 耋差垂 惹写喜至 筵 塑隶篚 姆嚣墨o 廿 ” 区 匕 1 ；卜 鼷杈划 5 e蜒s j 幅 。裂蝴 燕 疆仕 露 妥鞋账 鬟 嫫 粒 譬妥壮 辎饔* 燕 卜 望菱冀霸 鞭锲g 甓 姑嚣姜 嘣1饔。 膳釜氍妪 似 区 基蝌鐾萎蚕萎 萋 耋奏蓥藿翥 踩稻 配 山 姆， 5 谱-g 匠鼍喇罹鼹e 崾、卜 #富器 星笆 惦 言s o 鲤廿 妥 霍 * 寒 搓 意 寸 鋈重蓬翼蓬 。崛 露 霪粪 舡兰 矗 ，譬叫嘏士徊 蠢耄萎。 并 晷 萋 蓁譬茎萋 蓁 囊粪蓦 垂冀 n 二 区 踩 已 妊， 【l 1 ；卜g 5霾 芭s 妲斗 e裂 廿 k水 斗 式， 可以计算出试骏地块的8 和k 值；根掭其变化趋势，w 以对该地块的士壤水力 学性能变化情况以及系统的可持续性做出判断， 蓊 水暗管阊距为5 米的掰e f e r 穗决q 。与h ，的对数关系如匿4 所示。擗永 暗管削距为1 0 米的f i l t e r 地块q 。与h ，的对数关系如图5 所示。 营 苫 j n ( t 4 t ) 篷3 - 1 壤警涟距淹5 张戆f i l t e r 壹蠡涣q 与 ，兹砖数关系 管 苫 i n ( h t ) 矧3 - 2 鼢管间距为1 0 米的f i l t e r 地块q t 与h ，的对数- x - - g , 图3 - 1 和圈3 - 2 显示了f i l t e r 系统排水率( q 1 ) 和相邻两条排水管中间位鬻 舱地下水位( h 0 之间的关系，弗且揭示了试验期虫q t h | 闽关系的变化趋势。 从圈3 1 可以看出，暗管间距为5 米的所有f i l t e r 地块q 。与h ，的对数关系非 常接近，并且根据( 4 ) 式可以得到a = 0 6 8 9 ，k = 6 8x1 0 71 1 1s 一；从阁3 2 可以看出， 蒲管闻鞭为i o 米的2 号和3 号f i l t e r 她块q t 与h ，的对激关系裔着明显的差剐， 分别拟台成( 3 4 ) 式表示的直线，可以得到k 和目值如图中所示。 获潮3 1 帮强3 - 2 可敬看密，各f i l t e r 蟪浃的壤水力瞧挠参数农试验遗 程中没有明显的变化趋势。因此可以认为。f i l t e r 系统在运行过程中可以保持 稳定豹壤拳力性麓窝稳定静污求处瑾麓力，鞣在污承鲶莲麓力方嚣其搿可持续 ，雌。 3 3fll t e r 系统的数学模型和数值模拟 根攒f i l t e r 系统的实甄；情况，可以概化为如图3 3 所示的物理模型。系 统中土壤水分的运动可以用方程( 3 - 5 ) 描述。 图3 - 3 f i l t e r 系统的概化 圈3 4 f i l t e r 系统数值模拟网格剖分 7 0吣0 8 k f f k a 瓦8 h + 砭卜 s ， 式中：0 为土壤含水量；h 为土壤负压水头；x i 、x i 为空间垂直平面内不同方向 的位置坐标；t 为时间；k 为土壤非饱和导水率，k ；“为土壤各向异性张量k 在 不同方向上的分量，若假定土壤在空间垂直平面内保持均质，即各向同性，则该 值在各方向上相等；s 为代表作物根系吸水作用的源汇项，为单位时间内作物根 系从单位体积的土体中吸取的水的体积。 图3 3 所示的f i l t e r 系统中土壤水分的运动规律可以通过求解方程( 3 5 ) 来进行描述。方程求解采用g a l e r k i n 有限单元法【2 2 i 。其中对模拟计算区域的 网格剖分形式参见图3 - 4 。 在划分有限单元网格时，将计算区域剖分为三角形单元。在排水暗管处，由 于水流以及其它变量的梯度较大，因此将网格加密；而在离暗管较远的位置，由 于各变量的梯度较小，所以适当减小网格的密度，增大网格的尺寸。 计算过程中根据求解情况自动调整时间步长。在指定的初始时间步长( 1 e 0 0 6 小时) 基础上，根据下列规则自动调节： ( 1 ) 时间步长不能小于最小时间步长，也不能大于最大时间步长。实际模拟 中取最小时间步长为l e 0 0 6 小时，最大时间步长为5 小时； ( 2 ) 如果在某个时刻，达到收敛的迭代次数小于等于3 ，在下一个时间段内， 将时间步长乘以一个大于1 的常数( 实际模拟过程中指定该常数为1 3 ) ，加大时 间步长；而如果达到收敛的迭代次数大于等于7 ，在下一个时间段内，将时间步 长乘以一个小于l 的常数( 实际模拟过程中指定该常数为o 7 ) ，减小时间步长： ( 3 ) 如果在某个时间步长内，迭代次数大于指定的最大迭代次数( 实际模拟过 程中指定该值为3 0 ) ，则终止该时间步长内的迭代过程，并将该时间步长的1 3 设置为新的时间步长，重新开始迭代过程。 具体解法已在很多文献中有详细论述，此处不再赘述 2 3 】【2 4 。 对于暗管问距为5 米和1 0 米的f i l t e r 系统分别进行了模拟。模拟的初始 地下水位埋深为0 ，o 2 5 ，0 5 ，o 7 5 以及li t i 等五种情况。模拟结果如图3 5 、 图3 - 6 所示。模拟结果和实测试验结果吻合较好，因此，所用的模型可以用于模 拟不同条件下f i l t e r 系统的运行，以便在其它条件下应用这一技术。 0 o o o o o o o o +o0 ( u j ) 辱牢1 件扣常 + *n蜮垦啦蝥u丑靛睬好嚣林垂酶船杂鼙星疆善章盎骤 一k 一匡莹 ，n 丑 躁忙刊霹世oo6西一凶掣墨寸啦lj e由oi o工一兰l寸lo一正 e 中o o o工n兰u一寸一oid e曲卜oj o工i_兰u寸石|d e曲noj o工n!止【石|d el_qoi o工n1l1_芑|d e 卜m o i o工r1lpo|d e n o o o工)匹凸卜工 e叶oj o工田f1比d卜工。 e o i o工f1叱。卜工 e蝣西oi o工时3叱d工 0 0 1 o o n o o n o o 寸 o o n o o o o 卜 昌8昌昌 昌 ( 。山) 兽牢擗4 酱 h 崔 *o一蚓厘舡塑一羞靛酶蒋磊林熏眯蒋杂掣-再黄士雕 口- c 丑 #料半刊霉世oo，60区剖省。硒nn 第四章f i l t e r 系统污染物去除效果试验 4 1f i l t e r 系统内污染物浓度和负荷的变化以及对土壤特征的作用 4 1 1 磷 在暗管间距为5 m 和1 0 m 的不同f i l t e r 试验区域内，灌溉污水中总磷的 浓度范围是0 1 i n g 1 至1 0 2 m g l 。在所有的试验区内，排出水中磷的浓度都十分 相似，其范围大致在q 0 3 m g 1 至0 1 i m p ：, 1 之间( 图4 1 ) 。灌溉污水中磷的平均 含量为o 4 m g l ，而对于暗管间距为5 m 和1 0 m 的f i l t e r 试验区，排出水中磷 的平均浓度分别为o 0 7 m g 1 和o 0 6 m g 1 。排出水中磷的浓度大大低于国家环保 局规定的0 5 m g 1 的排放标准。磷的显著去除率主要归因于土壤的吸附以及作物 的吸收。此外，作物生育期内，为了满足作物生长的需要，施用了磷肥 ( 1 6 0 k g h a ) 。但磷肥的施用对于排出水中磷的含量几乎没有任何影响。 幽4 - 1f i l t e r 试验区域内灌溉污水和排出水中总磷的浓度 表4 一l 显示了在f i l t e r 系统安装后的第一个作物种植年度内，灌溉污水、 施加的化肥以及排出水中磷的含量。这些数据表明约9 7 9 9 的磷通过土壤的吸 附以及作物的吸收而被去除掉。 尽管每次灌溉时污水中磷的浓度各不相同，但在整个试验过程中，排出水 中磷的含量均很低：图4 - 1 ) 。这是因为土壤具有一定的缓冲能力，可以吸附一 定量的磷。这一缓冲作用减少了应用f i l t e r 系统处理污水时对灌溉污水和排 出水中磷的浓度进行实时监测的需要。 尽管在作物生育期内施用了大量的磷肥，但作物收获后，试验区内土壤中 磷的含量比作物种植以前仍然有所减少( 图4 2 ) 。 表4 - 1f i l t e r 系统对氮、磷的去除率( 单位：k g ) 磷氮 f l u e r5 m f i l t e r1 0 mf l u e r5 mf l l t e r1 0 m 污水 2 81 25 1 04 2 8 化肥6 9 86 9 84 2 l4 2 l 污水+ 化肥7 2 67 1 04 7 24 6 4 排山水 0 - 8 00 3 58 6 1 6 4 7 去除率( )9 9 9 98 28 6 0 o 2 0 4 0 6 0 8 1 12 1 4 01 0 o r t h o p h o s p h a t e ( m g k g ) 图4 - 2 土壤中磷的含鼍变化 4 1 2 氮 灌溉污水和排出水中氮的存在有三种形式：硝态氮、钱态氮和有机氮。氮 的这三种存在形式间可以在一定条件下相互转化【2 5 】( 图4 3 ) 。f i l t e r 系统的 运行和管理可以对其相互转化产生影响。 图4 - 3f i l t e r 试验区中氮的运移过程示意幽 在灌溉污水中硝态氮的浓度范围从0 0 2 m g 1 至8 2 m g l ，其平均值为 3 4 m g 1 。图4 - 4 所示为三个试验季节中排出水中硝态氮的浓度。由于在第一个 试验季节开始之前，施加了大量的化肥，因此导致排出水中硝态氮浓度较高。 在第二个试验季节的各试验周期中，排出水中的硝态氮的浓度明显下降( 见图 4 4 ) 。在运行f i l t e r 系统后，硝态氮的浓度持续下降，这主要是由于经过大 水漫灌后的土壤表层具有极大的氮吸附潜力。当然，作物的吸附对于排出水中 硝态氮含量的减少也起了一定的作用。在第三个试验季节开始初期，排出水中 硝态氮浓度有所增加，这可能是由于作物残留物的腐烂以及翻地而导致土壤中 矿物质的增加。 4 0 0 1 2 + 0 0 l o 0 0 8 0 0 鬟e 。o 器4 。 20 0 0 0 0 1 2 o o 一 1 0 ，0 0 3 8 + 0 0 60 0 垂 l t 2 。0 0 0 0 0 试验日期 图4 素4 污水和排出水中硝态氮含嫩 e v e n d a t e 善 蠢 耋 童莹奏曼夏兰 占南士由击 南由由出 燃4 _ 墨 污水排出水中羹陆氮禽蹩 2 4 1 g 一 詈玉_ f 。f _ 玉c ， 玉h蒜；潞 -臣；“口糕，d m 也，盛南2 0 ；o篡；3 0 南 ，暑n 玉_ i j h 玉u n _ f 吉h日鬻； - a ； 3 3 贼 蹈 毒置 量 詈 盆苗若葛罨岛葛邕奇 午千 中午甲宁干宁中午千 平 千 。 0 00 0 c o c o0 0c oc 。 试验日期 图4 - 6污水和排出水中有机氮含量 试验日期 图4 7污水和排出水中总氮含量 灌溉污水中铵态氮的浓度从o 1 2 m g o 至5 1 8 m g 1 ，平均浓度为1 3 5 m g l 。 排出水中铵态氮含量低于1 8 5 m g l ( 如图4 - 5 ) ，在5 m 间距和l o m 间距的试验 区域内其平均浓度分别为o 0 5 m g 1 和0 7 5 m g 1 。由于土壤具有很强的吸附能力， 加上作物对铵态氮的吸收，以及铵态氮在土壤中转化成其它形式的氮，因此排 出水中的铵态氮浓度很低。 曩 如 & 2 l n (1嚣5嗵墨妲 污水中有机氮的浓度范围从0 8 3 到5 2 5 m g l ，平均浓度为2 5 3 m g l ，排出 水中的浓度范围从o 6 0 到1 7 1 m g l ( 图4 6 ) ，在5 m 间距和1 0 m 间距的试验区 域内其平均浓度分别为1 1 3 m g l 和1 0 7 m g l 。在每个试验周期内，各试验区排 出水中的有机氮主要由两部分组成。一是灌溉污水通过土壤过滤后，一部分有 机氮并没有被土壤吸附，从而残留在排出水中：另一部分是由于腐烂的作物以 及通过土壤内氮的转化过程而形成的有机氮。 由于在不同的试验周期，灌溉污水中有机氮的含量不同，因此同一f i l t e r 试验区内的不同试验周期，有机氮的去除率也不相同。 图4 7 所示为各试验区内排出水中总氮的浓度。总氮的含量是由三种不同 形式的氮( 硝态氮、铵态氮和有机氮) 构成的，其中硝态氮是总氮中最主要的成 份。 由于作物生长的需要，在试验过程中施加了一定量的化肥，加上作物残留 物的腐烂使得总氮的含量较大，但其浓度仍然低于国家环保局所规定的1 0 m g 1 的排放标准。 第一个作物生育期内所进行的试验结果表明，在暗管间距为5 m 和1 0 m 的 f i l t e r 试验区内，总氮的去除率在8 2 。8 6 之间。另外，在试验过程中，除非 施加大量的氮肥，否则排出水中的总氮和硝态氮的含量基本稳定。这表明在 f i l t e r 系统内，土壤具有较高的缓冲能力。 图4 - 8 所示为在试验开始之前以及试验开始后的第一个、第二个作物生育 期结束之后，在暗管间距为5 m 的f i l t e r 试验区内，不同深度土壤的硝态氮含 量。结果表明，除了表层的土壤以外，第一个作物生育期结束后，各层土壤中 硝态氮的含量都有很大程度的降低；第二个作物生育期结束后，各层土壤中硝 念氮的含量进一步降低。 0 o 2 0 4 上0 6 =08 1 12 1 4 0 0 2 0 4 06 0 8 1 1 2 1 4 01 0 n i t r a t en ( m g k g ) 2 03 04 0 幽4 - 8f i l t e r 系统内+ 壤中不同阶段硝态氮的含量 a m m o n i u mn ( m g k g ) 0123456 7 图4 - 9f i l t e r 系统内土壤中不同阶段铵态氮的含量 一e一吾旨|lo 由图4 - 9 所示，土壤中的铵态氮含量在第一、二试验季节中也有所下降。 这是出于除了作物对铵态氮有所吸收以外，其余的铵态氮大多通过土壤内部的 硝化作用而转化成硝态氮，而这部分硝态氮又有一部分被作物吸收，而其余则 进入排出水中。 灌溉污水中氮的有机形式通过诸如有氧条件下的矿化以及无氧条件下的氨 化等过程，形成了铵念氮。铵态氮被粘性土壤大量吸附，因此不会很快地进入 排出水中。因此排出水中铵态氮含量较低( 图4 5 ) 。 4 1 3 氮磷比 灌溉污水中的氮磷之间的比率相当低，其范围大致在9 4 5 之间，平均值为 1 9 。以前的研究表明，一旦水中的氮磷比率小于1 2 ，则水中的藻类数量极有可 能大量繁殖。与灌溉污水相反，经f i l t e r 系统处理后，排出水中有着较高的 氮磷比率，其范围在4 2 - 2 9 5 之间，暗管间距为5 m 和1 0 m 的f i l t e r 试验区内 平均值分别为1 0 9 和1 7 8 。这表明，在重壤土条件下，对磷的去除率要比氮的 去除率大得多，这也使下游地区水源产生水藻的危险性有所减弱。 4 1 4 悬浮物 对于暗管间距为5 m 和1 0 m 的f i l t e r 试验系统，悬浮物的去除率十分相 似( 图4 1 0 ) 。污水中和排出水中悬浮物的平均浓度分别为6 7 r r l 鲫和7 m g 1 。由 于灌溉渠道内有着大量的水藻以及其它悬浮物质，因此灌溉污水呈绿色。而经 过f i l t e r 系统处理后的排出水为无色。 在5 m 间距和1