（环境工程专业论文）生活污水人工快渗处理模拟试验研究.pdf

北京t 商人学顾f ：学位论文 摘要 目前，中心城市的污水主要通过建设污水处理厂集中处理，其常规的处理工 艺为活性污泥法和生物膜法，不仅建设和运行成本高，而且会产生二次污染。为 解决这一问题，需要研究开发经济环保、低耗高效的污水处理技术。 土地处理技术投资少，能耗低，污水处理效果好，而且可实现污水处理的无 害化、资源化，越来越受到重视。本文对土地处理工艺中发展较快的人工快速渗 滤系统进行初步的研究。通过模拟试验，进行了生活污水处理和微生物活性的研 究，主要结果如下： ( 1 ) 试验采用壤土和河砂作为渗滤介质处理生活污水，前者处理效果较好。 在3 0 天连续进水的过程中，当利用壤土作为渗滤介质时，从进水第4 天起，净化 效果稳定，出水水质良好，出水c o d 、t n 、n h 3 n 和t p 能达到城镇污水处理 厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中的一级b 排放标准。 ( 2 ) 湿干比的选择直接影响处理效果。对c o d 、t n 和n h 3 n 的去除，选 择湿干比时应充分考虑系统营养物质的充足和好氧环境或硝化一反硝化能力的 恢复。湿干比与磷的去除无显著相关性。在本试验中，水力负荷一定的情况下， 2 d - 4 d 是最佳湿干比。 ( 3 ) 水力负荷是影响处理效果的关键因素。应选择合适的水力负荷，保证出 水水质和处理效率。水力负荷与c o d 和磷的去除无显著相关性，其与t n 和 n h 3 - n 的去除呈负相关关系，水力负荷越大，t n 和n h 3 n 的去除率越低。在本 试验中，湿干比一定的情况下，o 1 m d 是最佳水力负荷条件。 ( 4 ) 壤土和河砂分别单独作为渗滤介质时各有优劣。壤土处理效果好，但水 力负荷低；河砂水力负荷高，但处理效果差。可以将二者混合作为滤料。结果表 明，选用1 ：1 的土砂比混土代替单纯的壤土作为滤料，不仅保证了出水水质， 而且能有效提高水力负荷。 ( 5 ) c o d 、t n 和n h 3 n 的去除主要发生在土层表面3 0 c m ，磷的去除主要发 生在土层表面5 0 c m 。为保证出水水质，在本试验中，最适宜的土层厚度是5 0 e r a 。 ( 6 ) 各微生物类群广泛分布于本快渗系统中。其中，好氧细菌数量最大。在 微生物培养过程中，各菌种繁殖状况良好。壤土颗粒粒径较小，因此其微生物各 生活污水人工快渗处理模拟试验研究 种群数量高于河砂，脱氢酶活性也高于河砂。渗滤介质表层3 0 c m l 内的脱氢酶活 性明显高于下层土。 关键词：人工陕渗系统，生活污水，渗滤介质，微生物活性 北京丁商大学硕。i ：学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , c e n t r a l i z e dw a s t e w a t e rp l a n ti su s e dw i d e l yi nl a r g ec i t i e s ，w h o s e c o n v e n t i o n a lp r o c e s s e sa r ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sa n db i o m e m b r a n c ep r o c e s s t h e y a r en o to n l yc o s t l yi nb o t hc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n ，b u ta l s og e n e r a t es e c o n d a r y p o l l u t a n t i no r d e rt o s o l v et h i sp r o b l e m ，i ti sn e e df o rt h ed e v e l o p m e n to f c o s t e f f e c t i v ea n de n v i r o n m e n t f r i e n d l y d e c e n t r a l i z e dw 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 s t h el a n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v ew a yi nb e t t e r i n ge n v i r o n m e n ta n d s o l v i n gp r o b l e mo fw a t e rs h o r t a g e ，f o ri t sl o wc o s t ，l o wi n v e s t m e n t ，n i c ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tr e s u l t s ow ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o n st oi t i nt h i st h e s i s ，t h e 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 mt h a tat e c h n o l o g yi sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e di s d i s c u s s e d s o m er e s e a r c h e sa r ec a r r i e do u tf o rs i m u l a t e de x p e r i m e n t so fs e w a g e t r e a t m e n ta n dm i c r o b i a la c t i v i t y t h em a j o rr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nd e s i g n e dt ot r e a ts e w a g eb ya d o p t i n gl o a m sa n d r i v e rs a n d s ，a n dt h ef o r m e rg e tb e t t e rt r e a t m e n te f f e c t i nt h ep r o c e s so f3 0d a y s c o n t i n u o u si n f l u e n t ，w h e nl o a m si su s e da sf i l t r a t i o nm e d i u m ，i ti ss t a b l yw i t hh i g h o u t l e tw a t e rq u a l i t y , s u c ha sc o d ，t n ，n h 3 一na n dt pc a l lr e a c ht h ebc r i t e r i o n ， s t a n d a r dii nc o n t a m i n a n te m i s s i o ns t a n d a r df o rc i v i ls e w a g et r e a t m e n t w o r k s ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) s i n c et h e4 t hd a y ( 2 ) t h ec h o i c e so fw e t d r yr a t i od i r e c t l yi m p a c to nt r e a t m e n te f f e c t f o rt h e r e m o v a lo fc o d ，t na n dn h 3 - n ，w e t d r yr a t i os h o u l db ec h o s e nu n d e rt h e c o n s i d e r a t i o no fa b u n d a n tn u t r i t i o n a lm a t e r i a l sa n da e r o b i cr e c o v e r yo rn i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o nc a p a c i t y a n dt h er a t i oh a sn or e l a t i o nt ot h er e m o v a lo ft p i nt h i s e x p e r i m e n t ，2d a l y s 4d a y si s t h eb e s tw e t d r yr a t i ow h e nt h eh y d r a u l i cl o a d i n gi s c e r t a i n ( 3 ) t h eh y d r a u l i cl o a d i n gi sak e yf a c t o rt oi m p a c tt r e a t m e n te f f e c t i no r d e rt o e n s u r et h eh i g ho u t l e tw a t e rq u a l i t ya n dt r e a t m e n te f f i c i e n c y , i ti sn e e dt oc h o o s e s u i t a b l eh y d r a u l i cl o a d i n g h y d r a u l i cl o a d i n gh a sn or e l a t i o nt ot h er e m o v a lo fc o d 1 1 l 生活污水人t 快渗处理模拟试验研究 a n dt p a n di ti s c o n t r a r yt ot h er e m o v a lr a t eo ft na n dn h 3 - n s m a l lh y d r a u l i c l o a d i n gf a v o r st h er e m o v a lo ft na n dn h 3 - n i nt h i se x p e r i m e n t ，o 1m di st h eb e s t h y d r a u l i cl o a d i n gw h e nt h ew e t d r yr a t i oi sc e r t a i n ( 4 ) w h e nl o a m sa n dr i v e rs a n d sa leu s e df o rf i l t r a t i o nm e d i u mm e yh a v et h e i r o w nm e r i t sa n dd e m e r i t l o a m sg e tn i c et r e a t m e n te f f e c tb u ti t sh y d r a u l i cl o a d i n gi s l o w r i v e rs a n d sg e th i g hh y d r a u l i cl o a d i n gb u ti t st r e a t m e n te f f e c ti sb a d t h et w o c a nb em i x e da sm e d i u m t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nc h o o s el ：1l o a m s r i v e rs a n d s r a t i o ，w en o to n l ye n s u r eo u t l e tw a t e rq u a l i t yb u ta l s oe f f e c t i v e l yi m p r o v eh y d r a u l i c l o a d i n g ( 5 ) c o d ，t na n dn h 3 一nr e m o v a l so c c u rm a i n l yi nt h e3 0 c ms u r f a c eo fs o i l t p r e m o v a lo c c u r sm a i n l yi nt h e5 0 c ms u r f a c eo fs o i l i nt h i se x p e r i m e n tt h eb e s ts o i l t h i c k n e s si sc h o s e nf o r5 0 c mi no r d e rt oe n s u r eo u t l e tw a t e rq u a l i t y ( 6 ) a l lk i n d so fm i c r o o r g a n i s m sd i s t r i b u t ew i d e l yi nt h ei n f i l t r a t i o ns y s t e m ，i n w h i c ht h ea e r o b i cb a c t e r i ag e tt h el a r g e s tn u m b e r i nt h ep r o c e s so fm i c r o b i a lc u l t u r e ， a l lk i n d so fm i c r o o r g a n i s m sg r o wn i c e l y t h ep a r t i c l es i z eo fl o a m si ss m a l l t h e r e f o r e ，b o t ht h e i rm i c r o o r g a n i s m s n u m b e r sa n dd e h y d r o g e n a s ea c t i v i t ya r eh i g h e r t h a nt h er i v e rs a n d s t h ed e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yi nt h e3 0 c ms u r f a c eo fs o i li s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h es u b s o i l s k e yw o r d s ：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 ，s e w a g e ， f i l t r a t i o nm e d i u m ，m i c r o o r g a n i s m sa c t i v i t i e s 1 v 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名：皇! | ! 圭日期：。孑年f 月j 日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年留，一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名：皇当兰圭导师签名：日期：口彦年厂月，日 北京丁商人学硕j ：学位论文 1 1 引言 第一章概述 水是人类和一切生物赖以生存的物质基础，是人类生存和发展不可替代的自 然资源。地球上可以利用的淡水资源约有4 0 0 万k m 3 ，仅占淡水总贮量的1 1 ，而 且时空分布极不平衡。随着人口和经济的增长，方面人类对水的需求量和品质 要求越来越高，另一方面，水污染的范围和程度也越来越大，这一对同益严重的矛 盾己成为制约社会、经济和环境可持续发展的主要因素【i 】。水资源短缺和水环境 污染问题的严重，早已引起了国际社会的关注。早在1 9 7 7 年3 月联合国水会议就 首先向世界发出了郑重警告：“水，不久将成为一个深刻的社会危机，石油危机 之后的下一个危机就是水。”这些警告并非言过其实。全球仅有大约1 的水是以 液体淡水的形式存在。这其中9 8 以上的淡水是地下水，少于2 的淡水是可以 利用的河水和湖水，因此人类的淡水资源十分有限，全世界有4 3 亿人面临缺水 的困境【2 1 。 我国河川较多，年平均径流量为2 6 2 x 1 0 4 亿，约相当于全球年径流量4 7 x1 0 4 亿m 3 的5 6 ，居世界第六位。但是，我国是一个水资源严重匮乏的国家，淡水 量仅占世界的8 ，是世界上1 3 个贫水国之一【3 1 。水资源人均占有量只有2 2 0 0m 3 ， 只占世界人均水资源量的1 4 。近年来，随着社会经济的迅猛发展和人民生活水 平的不断提高，城市用水量大幅度增加，城市更加需要有高质量的水作保证。而 与此同时，由于水资源的不合理开发和利用，尤其是近几年沙尘暴频发、水污染 加剧和干旱缺水，使得水资源形势更为严峻。我国水资源时空分布不均，开发利 用难度大，许多地区和城市严重缺水。到目前为止，全国6 0 0 多个城市中，大约 有一半以上城市缺水，有2 9 的人在饮用不良水，其中有7 0 0 0 万人正在饮用高 氟水，国家每年因缺水造成上千亿元的经济损失。随着我国经济社会的进一步发 展，人口的增加，水污染使缺水形势显得更为严峻，不仅北方城市普遍缺水，南 方一些城市也出现“水质性缺水1 2 】。部分城市为了缓解水资源短缺的现状， 无节制地抽取地下水，使城市的地下水位严重下降，城市下陷，遗患无穷。由此 可见，水资源短缺已经成为制约我国城市可持续发展的重要因素。 全国性的水环境污染日趋严重，水污染防治的迫切性日益突出。目前我国人 生活污水人- 丁快渗处理模拟试验研究 均需水量和总需水量不断增加，城市污水总排放量也随之相应逐年增加。2 0 0 4 年我国污水排放量达4 8 2 4 1 0 8 m 3 ，其中工业废水排放量为2 2 1 1 x 1 0 8 m 3 ，生活污 水排放量为2 6 1 3 x 1 0 8 m 3 ，我国水污染控制的重点己经从工业点源为主的控制， 逐渐转变到以城市生活污水为主的控制【4 1 。但由于经济条件所限，已建成的污水 处理厂远远不能满足污水处理的需要，因此，大量污水未经有效处理就直接排入 水域，造成9 0 以上的城市水域污染严型，以及河道污染、湖水富营养化和赤 潮频频发生等一系列环境问题，使得我国地表水体的生态环境严重恶化，几乎到 了“有河皆枯，有水皆污的程度【5 1 。近5 0 的重点城镇水源不符合饮用水标准。 我国北方主要城市郊区受到污水包围，带来了一系列水一土一粮的污染，并进一 步加剧了水资源的短缺。可以说水污染严重和水资源短缺已经成为制约我国经济 发展，危害生态环境，影响人民生活和身体健康的突出问题。这个问题迫切需要 加以解决。但是，一方面因为社会公众，地方政府对此重视不够；另一方面，在 水污染治理领域，传统的污水处理工艺基建投资大，处理效率低，能耗高，不能 满足高效低耗的要求。因此，近年来，各种废水处理新技术不断涌现。就目前来 说，生物处理是经济有效的废水处理方法，好氧生物处理应用更为广泛。废水生 物处理方法主要有活性污泥法，生物膜法等【6 】。 1 2 污水土地处理 1 2 1 污水土地处理的概念和分类 目前，中心城市的污水主要通过建设污水处理厂集中处理，其常规的处理工 艺为活性污泥法和生物膜法，不仅建设和运行成本高，而且会产生二次污染【7 1 。 自2 0 世纪8 0 年代以来，越来越多的国家鼓励研制和发展污水处理的“革新技术 和“代用技术”，促使污水处理技术向污水资源化方向发展，使污水土地处理得 到重视。污水土地处理也是一种生物处理方法，其原理是通过农田、林地、苇地 等土壤一植物系统的生物、化学、物理等固定与降解作用，对污水中的污染物实 施净化并对污水中的氮、磷资源加以利用。它属于生态方法，设备简单、操作方 便、耗能低、费用少，而且处理效果良好，净化水质可达二级以上水平【8 】，因此 越来越受到重视。 根据土壤渗透能力的大小，污水土地处理系统可分为慢速渗滤、快速渗滤、 地表漫流、湿地处理系统和地下渗滤处理系统五种类型【刀： 2 北京t 商人学硕? l ：学位论文 ( 1 ) 污水慢速渗滤 慢速渗滤土地处理是将污水有效地投配到种有植物的土壤表面，污水在流经 地表土壤一植物系统时，主要通过垂直渗滤得到净化的土地处理工艺。依据土地 使用类型的不同，它主要分为农业型和森林型两种。在慢速渗滤系统中，土壤一 植物系统的净化功能是其物理化学及生物学过程综合作用的结果，具体为：植物 的吸收利用；土壤微生物及土壤酶的降解、转化和生物固定；土壤中有机物质胶 体的吸收、络合、沉淀、离子交换、机械截留等物理化学固定作用；另外还有土 壤中气体的扩散作用及淋溶作用。慢速渗滤系统的污水投配负荷一般较低，渗滤 速度慢，故污水净化效率高，出水水质优良。慢速渗滤系统适用于渗水性能良好 的土壤、砂质土壤及蒸发量小、气候润湿的地区。 ( 2 ) 污水快速渗滤 污水快速渗滤土地处理系统是将污水有控制地投到具有良好渗滤性能的土 壤表面，污水在重力作用下并向下渗滤的过程中，通过物理、化学、生物等一系 列作用而使污水得到净化的工艺类型。灌水与休灌反复循环进行，使滤田表面土 壤处于厌氧一好氧交替运行状态，依靠土壤微生物将被土壤截留的溶解性和悬浮 有机物进行分解，使污水得以净化。影响系统运行的因素主要有渗透系数、水力 负荷和运行周期( 湿干比) ，土壤的质地和结构影响着系统的渗透系数的选择。 快速渗滤法的主要目的是补给地下水和废水再生回用。进入快速渗滤系统的 污水应进行适当预处理，以保证有较大的渗滤速率和硝化速率。适用于污水快速 渗滤的土壤应是渗透性能良好的土壤，如砂土、砾石性砂土等。 ( 3 ) 污水地表漫流 污水地表漫流土地处理系统是将污水以喷灌法或漫灌法均匀地投配到生长 着茂密植物，具有和缓坡度且土壤渗透性较低的土地表面上，污水呈薄层缓慢而 均匀地在地表上流动，经一段距离后得到净化的一种污水处理工艺类型。该系统 的“土壤一植物一水”体系对污染物有着巨大的容纳、缓冲和降解能力。分布于 地表的生物膜对污染物有吸附、降解和再生的作用，植物起到了均匀布水的作用， 大气给了微生物良好的呼吸条件，阳光既可以提高系统活力，又可以杀灭病原体 及促进污染物的分解，由这些条件构成的“生物反应器中，污染物质得到充分 降解。 3 生活污水人工快渗处理模拟试验研究 适合地表漫流系统的地面最佳坡度为2 8 ，土壤类型为渗透性能低的粘 土、亚粘土或在o 3 0 6 m 以下有不透水层的土壤，植物选择以根系发达，耐污 性强，固定吸收污染物强的植物为主，污水去向为表面径流蒸发及渗漏，或在坡 底收集回用。 ( 4 ) 污水人工湿地处理 污水湿地处理系统是将污水有控制地投配到土壤一植物一微生物复合生态 系统，并使土壤经常处于饱和状态，污水在沿一定方向流动过程中在土壤和耐湿 植物联合作用下使污水得到充分净化的污水处理工艺类型。污水湿地处理系统包 括天然湿地和人工湿地系统。人工湿地是人为地在有一定长宽比和底面坡度的洼 地上用土壤和填料( 如砾石等) 混合组成填料床，使污水在床体的填料缝隙中流动 或在床体表面流动，并在床体表面种植具有性能好，成活率高，抗水性强，生长 周期长，美观和具有经济价值的水尘植物( 如芦苇，蒲草等) ，使之形成一个独特 的动植物生态体系，实现对废水的处理。人工湿地按污水在湿地床中流动的方式 分为三种类型：地表流湿地、潜流湿地和垂直流湿地。其中潜流湿地是目前研究 和应用比较多的一种湿地处理系统。 人工湿地中选用的植物根系具有较强的输氧能力，可供给生长在砾石等填料 表面的好氧微生物的生长、繁殖及对有机污染物的降解所需。经过净化后的出水 由湿地末端的集水区中铺设的集水管收集后排出处理系统。 ( 5 ) 地下渗滤土地处理系统 地下渗滤土地处理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，污水在经毛管浸润和土壤渗滤作用后向周围和向下运动并在此过程中 通过过滤、沉淀、吸附和生物降解等作用过程使污水得到净化的污水处理工艺类 型。该系统是利用并强化土壤微生物及土壤一植物一微生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，使污水中的污染物在生态系统的 物质循环中进行降解。 该工艺整个系统在地下，不会产生不良气味和滋生蚊蝇，不会影响周围环境。 而且受气候条件影响小，一次性投资相当于二级生化处理工程的1 2 ，运转费仅 为其1 5 ，具有良好的环境经济综合效益。 北京工商大学硕。f ：学位论文 1 2 2 污水土地处理的国内外应用现状 土地处理系统作为一种生态处理系统，它的去除对象主要是水源水中的有 机污染物和氨氮，此外对某些微量元素和病原微生物也有一定的去除效剽酬。在 我国早有应用，例如岸边地下水开采、河滩取水、河床底部取水以及傍河取水等 都是天然土地处理系统的运用。我国政府自8 0 年代初开始，确立了根据我国国情 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，积极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【6 】。中国科学院沈阳应用生态研究所与北京市环境科学 研究院、天津市环境保护科学研究院等单位在中国科学院与国家环保总局的支持 与组织下，针对我国水污染防治的情况，积极研究并吸收美、日、澳等国的先进 经验，经过多年的研究与实践，已建立起具有鲜明特色的土地处理分类体系和辅 助设计系统，在北起内蒙古，南至云南的广大地区内，建成了包括慢速渗滤、快 速渗滤、地表漫流与地下渗滤在内的土地处理示范工程1 1 个，处理污水能力达 1 6 x 1 0 4 m 3 ，为这一技术的推广和应用积累了丰富的经验。后来又在深圳等地建立 了白泥坑等人工湿地系统，取得了大量的研究成果及运行管理经验。随后以人工 材料作为渗滤介质，发明了人工快渗系统，它保留了传统土地处理系统的优点， 同时对其进行了改进，根据实际情况对渗滤介质进行调整，使其不受场地限制， 而且明显增大了水力负荷。可以预计，随着我国经济的发展，水环境问题的日益 突出，污水的土地处理技术必将在我国得到迅速发展【9 】。 近年来，世界上许多国家都在积极研究和大力推广污水土地处理与利用【1 0 1 。 世界银行环境事务署规定：“当有土地可用和毒物含量足够低时，土地处理是处 理污水的最简单、最经济的技术 ，“在任何工业项目中，土地处理应当作为第一 选择来考虑。土地处理系统在国外一些发达国家的应用非常普遍。美国由于地 域辽阔，土地处理系统的各种类型都得到了相应的发展。现美国已有4 5 个州发 展了污水土地处理系统，处理的污水量占总排放量的2 5 左右。美国政府决定， 在新建污水的处理设施时，应首先土地处理凡实施土地处理的工厂，银行给予优 生活污水人丁快渗处理模拟试验研究 惠贷款，如果不宜土地处理，应做出详尽说明，否则，银行将拒绝贷款【l 。日本 利用土壤一植物生态系统开发了地下土壤毛管渗滤沟工艺，对污水处理达到三级 处理的效果。俄罗斯的污水设计规范中提出，在中小城市一般不要采用人工生物 处理，鼓励污水土地处理技术的推广应用。目前俄罗斯污水土地处理的土地面积 超过1 0 0 0 万公顷( 居世界第一位) ，处理全国排放污水量的2 5 。俄计划将现有 污水的5 0 采用土地处理，以进一步减轻水体的污染【9 】。澳大利亚维多利亚州大 力倡导污水资源化，把具有九十多年历史的w e r i b e 牧场污水土地处理系统建设 成一个超大型的污水复合处理系统，被公认是一个成功的典型【2 】。以色列特拉维 夫市丹区( d a nr e g i o n ) i 程是以色列最大的污水处理回用项目，负责特拉维夫地 区和临近地区城市污水的收集、处理、地下回灌和回用【l2 1 。该工程从1 9 8 7 年开 始运行，利用回灌池将初步处理后的污水灌入土壤含水层中进行进一步的处理， 并在其四周合适的位置布置抽水井回收，作为不受限制使用的水源，并入国家总 输水管网，送到沙漠缺水地带。对重新抽取的再生水同世界卫生组织( w h o ) 和以 色列饮用水质标准进行比较，除酚含量略有超标外，再生水的所有指标均不超过 饮用水的浓度限制值13 1 。此外，土地处理系统在一些发展中国家也有应用【1 4 】。 1 3 人工快速渗滤系统 1 3 1 人工快速渗滤系统的特征 人工快速渗滤污水处理系统( 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，它源于污水快速渗滤( r a p i d i n f i l t r a t i o n s y s t e m ，简称r i 系统) 。其工艺原理为：在快渗池中填充一定量粒径较小的滤料， 在正常运行过程中，滤料表面生长生物膜。当污水流经时，由于滤料呈压实状态， 利用滤料粒经较小的特点，滤料中粘土性矿物和有机质的吸附作用以及生物膜的 生物微絮凝作用，截留和吸附污水中的悬浮物和溶解性物质；同时滤料的高比表 面积带来的高浓度生物膜的降解能力对污水中污染物快速净化。c r i 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，而有机污染物的真正去除主要靠发生在好氧一厌 氧交替带的好氧生物降解。因此，加大系统的复氧量将有利于改善系统的去污效 果1 5 】。人工快渗系统并不需人工曝气，其复氧过程主要靠空气的扩散和对流形式 来完成。 6 北京丁商人学硕i ：学位论文 c r i 具有如下特征【6 】： ( 1 ) 渗滤介质一般选择既具有一定的渗透性能，又具有一定阳离子交换容量的粉 砂、细砂、中砂或砾石等天然砂砾石； ( 2 ) 滤层厚度一般为l - - 2 m ； ( 3 ) 水力途径一般是垂直流，污水自上而下自流通过渗滤介质； ( 4 ) 快滤池之后不需再设二次沉淀池； ( 5 ) 一般不需曝气和反冲洗； ( 6 ) 由于采用人工建造，机动灵活，不受场地条件限制，不会因渗漏而造成对地 下水环境的影响； ( 7 ) 系统的主体结构可以置于地上，也可以埋于地下。因此，受气候条件影响较 小，一年四季都能保证稳定、j 下常的运行。特别是在北方寒冷地区，更能突 出c r i 的实用性； ( 8 ) 采用人工介质回填，系统水力负荷高，占地面积小； ( 9 ) 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，机动灵活。 1 3 2 人工快速渗滤系统的国内外研究现状 国内外已对人工快速渗滤系统进行了广泛的研究，主要集中在系统设计、运 行参数、出水利用和提高系统处理效率等方面。 刘家宝【1 6 】在深圳对人工快渗系统进行了研究。系统运行正常稳定，出水水 质良好，快渗池对污染物的去除源于机械截留、吸附以及生物降解，快渗池对 c o d 、b o d 5 的去除率在8 5 以上，对氨氮的去除率在9 0 以上，对s s 的去除 率在9 5 以上，对t p 的去除率在3 0 6 0 之间，对t n 的去除率在2 0 - 4 0 之间。出水中c o d 、s s 、b o d 5 、n h 3 n 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 ) 中的一级标准中的a 标准，并且长期运行水质仍然 能够得到保证。出水中t n 和t p 未能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 ) 中的一级标准中的a 标准。 崔程颖17 】对快速渗滤系统的研究结果表明：快速渗滤系统的启动时间约为 1 5 - 3 0 d 左右。湿干周期中c o d 去除效果影响较大，磷的去除与湿干比的变化 没有显著相关性。研究发现湿干周期在l ：6 时，该系统对污染物的去除效果较 生活污水人工快渗处理模拟试验研究 好，而且在经济上也较为可行。出水c o d 、n h 3 - n 都能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 ) 一级a 标准。t n 、t p 出水能达到城镇污 水处理厂污染物排放标准( g b18 9 18 2 0 0 2 ) 二级标准。在快速渗滤系统布水期， 对有机污染物的去除是生物降解和非生物作用的共同结果，其中微生物起主导作 用。系统中氮转化主要以硝化效果为主，反硝化作用较弱，硝态氮降解主要是以 生物降解为主。系统对于磷酸盐的去除以非生物作用为主，生物作用为辅。 张金炳【6 】对污水处理人工快渗系统进行了详细的研究，在试验中采用渗透性 能良好的天然砂作为渗滤介质，提高了水力负荷，但出水水质较差。通过缩短系 统的水力负荷周期，加大系统的淹水落干频率，加大了系统的复氧量，同时也增 大了系统的水力停留时问，使系统在较高的水力负荷条件下具有良好的出水水 质。 陈晓华【2 】研究了土地处理系统对河流污水中污染物的净化作用及其去除效 果，及进水水力负荷对系统净化效果的影响。结果表明，进水负荷对各污染物的 去除率的影响较大。而针对不同污染物，要得出最佳的去除率，进水负荷也不尽 相同。进水负荷对氮去除的影响大于对c o d 的去除，所以在选择合理的进水负 荷时，可将氮作为主要设计因素。 陈永杏【l8 】对小城镇污水的人工快渗处理进行了试验研究。其研究结论指出， 土砂比、湿干比和周期的长度均对系统的运行效果产生较大的影响。填料厚度对 各种污染物的去除率也有较大影响。 曹相生【1 9 】等对污水深度处理中快滤池的生物作用进行了研究。研究结果表 明，快滤池在深度处理水的过程中具有一定生物作用，快滤池内微生物以滤料上 的生物膜和滤层活性污泥的形式存在，滤层上部靠近进水处以好氧微生物为主， 滤层下部以兼性和厌氧微生物为主，沿着水流方向生物量逐渐降低，生物作用也 随之减弱。 c a s t i l l o 等【2 0 】等利用间歇土壤渗滤( i n t e r m i t t e n ts o i lp e r c o l a t i o n ) 处理氧化塘出 水，提高了水质并回用于农业。该研究采用充填不同当地土壤( 沙一石灰 s a n d y - l i m e ，石灰一砾石l i m e g r a v e l 和石灰一沙l i m e y - s a n d ) 、不同厚度的模拟土 柱进行试验，各土柱根据填料性质的不同在不同湿干比、不同渗透速率下进行。 出水优劣用卫生学指标( 粪便大肠菌、大肠杆菌、沙门氏菌、m s 2 噬菌体、原生 8 北京工商人学硕j ：学位论文 动物) 、物化指标( t o c 、c o d 、b o d 5 和氮) 以及水力学指标等综合评价。研究 结果表明，问歇土壤渗滤法处理氧化塘出水效果良好，而中试效果更佳，可达到 w h 0 1 9 8 9 规定的农业回用a 级标准，不需消毒即可用于非限制性灌溉。 s a b b a h 等对间歇渗滤( i n t e r m i t t e n ts a n df i l t r a t i o n ) 系统处理兼性塘出水进 行了研究，主要研究了滤池的运行参数和运行效果的关系，该研究中的运行参数 包括同渗滤次数，水力负荷等。 以上各方面的研究表明，渗滤介质、湿干比、水力负荷和运行周期是影响人 工快速渗滤系统的几个重要因素，它们直接影响系统对污染物的去除能力和实用 性。 1 3 3 人工快速渗滤系统的运行参数 ( 1 ) 渗滤介质 渗滤介质是人工快速渗滤系统的核心，它直接决定了系统的渗透性能、处理 效果和处理效率。选择合适的渗滤介质是系统成功运行的关键。首先，用作c r i 系统的渗滤介质必须便宜，容易获得。其次，渗滤介质必须具有较好的渗透性能。 介质的渗透性能越好，其水力负荷越高。但水力负荷太高，又难以保证系统的出 水水质。因此，所选择的渗滤介质既要有很好的渗透性能，又要含有一定量的粘 土矿物和有机质，来加强其对污染物的截留和吸附作用。同时也可以保证渗滤介 质具较大的比表面积和高浓度的生物量，从而具有较好的污染物去除效果。 ( 2 ) 渗滤介质厚度 一般而言，系统的滤层厚度越大，系统的纳污能力越强，同时污水在系统中 的水力停留时间也就越长，因此，系统的出水水质就会越好。但同时，滤层厚度 的增加，工程成本就会增加。因此，设计合理的滤层厚度而达到满意的出水水质， 是解决这一问题的关键。 ( 3 ) 水力负荷 水力负荷即系统对污水的处理量，一般用单位土地面积上单位时间内施加污 水的深度表示。它是c r i 系统最重要的设计和运行参数，直接影响着系统的处 理能力。在保证出水水质前提下，追求较高的水力负荷，是c r i 的主要目标。 合理的水力负荷值应既能保证良好的出水水质又能使系统能够稳定运行，不能因 为污染物超负荷而被堵塞。因此，在设计水力负荷时，需要将系统的渗透能力、 9 生活污水人t 快渗处理模拟试验研究 系统对污染物的处理能力和进水的污染物浓度综合考虑【l 引。 ( 4 ) 水力负荷周期和湿干比 c r i 系统一般采用淹水一落干交替循环的方式运行。水力负荷周期是指系统 一次淹水和一次落干构成的循环，淹水、落干持续时间的长短称为湿干比。一旦 确定了配水时间和湿干比，也就确定了水力负荷周期。适宜的配水周期与湿干比 的确定，是系统稳定、高效运行的关键2 2 1 ，决定或影响着系统的水力负荷和出 水效果。 1 3 4 人工快速渗滤系统对常规污染物的去除机制及效果 ( 1 ) 对c o d 的去除 人工快渗系统对c o d 去除机制主要是通过挥发、吸附、化学转化与生物降 解等作用【2 3 2 4 1 。对于系统中有机物来说主要是靠生物降解。截留在土壤中的有机 物质使微生物繁殖，微生物又进一步吸附，形成由菌胶团和大量真菌菌丝组成的 生物膜。在有机物被降解的同时，生物膜由于新陈代谢而不断更新，能长期地保 持对污染物的去除作用【2 4 2 5 1 。微生物对c o d 的降解主要是发生在系统停止布水的 时期一干化期，以好氧微乍物为主导，好氧降解比厌氧降解更为有效【2 6 ，2 7 1 。有研 究表明，非生物机制( 如土壤中物理作用的沉降和过滤，化学作用的吸附分解、 沉淀、离子交换、氧化、还原及其他化学反应等) 对c o d 的总去除率平均为5 5 1 ， 而单纯的机械截留可以去除4 8 9 。但这仅仅是截留在土层中，在干化期实际上通 过非生物的矿化作用对c o d 的去除仅占1 0 左右，并且受到土壤的氧化还原条 件的影响【2 8 】。系统中土壤呼吸强度与土壤有机质呈明显的正相关关系( r = 0 7 6 8 0 ) ，说明c o d 的分解与微生物的数量和种类有密切的关系；主要是细菌起到 生物降解的作用。有研究表明【2 9 1 ，在污水投配前，细菌：真菌：放线菌= 2 ：1 1 5 ：1 ；系统经过灌1 停2 方式运转1 8 个月以后，细菌：真菌：放线菌= 3 1 5 ：2 ：1 ，细菌所占比例明显增加。众多研究表明，快渗系统中有机污染物的 去除是生物与非生物共同作用的结果，土壤机械截留污水中有机污染物后，主要 是依靠生物降解，只有小部分是吸附去除的。 ( 2 ) 对氮的去除 城市污水中的n 通常是以有机氮( 4 0 ) 和氨或铵离子( 6 0 ) 的形式存在，经 过常规一级或二级处理以后，除部分氮被消化外，大部分都以氨态氮形式存在于 1 0 北京工商人学硕二i ：学位论文 污水中【3 0 1 。人工快渗系统去除氮的主要机理是硝化一反硝化作用，在好氧条件 下，氨氮被氧化成硝酸盐；在厌氧条件下，硝酸盐被转化为氮气，完成氮的去除。 有研究表吲3 l 】，一般硝化作用的最适温度为3 0 3 5 。c ，温度为2 5 时则明显减 慢，而在0 几乎停止。在酸性条件下，硝化作用迅速下降，p h = 4 5 为硝化作 用的极限。氮的去除也与土壤的渗滤速度有关，通常氮的去除率与土壤的渗滤速 度成反比。要得到较好的氮处理效果，必须降低系统的水力负荷。另外，土层中 c n 比对氮的去除也有重要的影响。l a n c e 等【3 2 j 研究表明，具有较高c n 值的一级 处理出水与具有较低c n 值的二级处理出水相比，在快渗系统中前者处理的效果 更好。在污水中的有机碳为反硝化作用提供能量，大约2 m 酊总有机碳可供l m g 1 氮硝化的能量之用。 由于土壤去除氮是一个十分复杂的过程，很难协调好好氧与厌氧环境的相互 转换，因此，大多数快渗系统对氮的去除率一般在5 0 - 7 0 。只有针对氮去除 而进行设计的系统，氮的去除率才能达到8 0 以上【3 3 ，3 4 1 。s u z u k i 等【3 5 】利用土壤渗 滤装置研究表明，快渗系统对氨态氮的去除率为9 0 ，而对t n 的去除率仅为5 0 。 ( 3 ) 对磷的去除 磷在污水中的存在形式包括有机磷和无机磷。有机磷主要存在于各类微生物 机体及动物排泄物中，无机磷包括磷酸盐、聚磷酸盐等，主要以各类磷酸根离子 存在。磷的去除机制包括渗滤介质的吸附、化学沉淀、络合反应、微生物的作用 等。其中渗滤介质的吸附和化学沉淀是最重要的。在粘土矿物、铁铝氧化物和含 钙物质存在的条件下，磷通过吸附和沉淀反应被去除。磷的去除率随着土壤粘粒 含量的增加和污水在土