（农业工程专业论文）土地法污水处理系统过滤介质优化的实验研究.pdf

摘要 我国水资源的紧张已经是限制社会发展的重要因素，尤其是现在我国正处于全方位发展时 期，水资源的短缺问题更加严重。因此，将城市污水回用，使其资源化将成为缓解水资源短缺的 一个重要途径。现在污水处理的二次出水还达不到可回用的标准，都要再进行深度处理，而深度 处理的丁艺一般比较复杂或是费用较高。 本研究是在一套实验室污水土地处理装置的基础上，进行了几种砂质滤料的对比实验，并且 引入一种新型污水处理材料沸石，利用其与活性炭的优化组合与河砂进行组台，研究其对于 城市污水二次出水的处理效果，以期找到一种工艺简单，处理效果可达回用标准的污水处理工艺。 研究结果表明，在此污水处理系统基础上，依靠单一的砂质滤料很难达到所需要的污水回用 标准：该系统砂质滤料2 0 c m 高度内对于水的处理效果较好；沸石和活性炭的最佳配比组合为4 0 的沸石和6 0 的活性炭。通过这三种滤料的组合，大大提高了污水中氨氮、c o d 。，和浊度的去除率， 达到了同用的标准。 关键词：污水回用，过滤介质，天然沸石，活性炭 a b s t r a c t w a t e rs h o r t a g eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tf a c t o rt h a tc u m b e r st h es o c i a ld e v e l o p m e n t t h e r e b y , t h e l e u s eo f w a s t e w a t e rw i l jb ea l la l t e r n a t i v em e t h o dt oe a s et h i ss i t u a t i o n w t e w a t e re f t u e n ta f t e rs e c o n d p r o c e s sd o e s n tf u l f i l lt h er e u s es t a n d a r dn o w a d a y s ，s od e e pp r o c e s sw h i c hc o u l db eah i g h c o s tm e t h o d i sn e e d e d t h i ss t u d yc o m p a r e d f i l t r a t i o ne f f e c t o f s e v e r a lk i n d s o fs a n du s i n g a l a b s c a l e w a s t e w a t e r e q u i p m e n t an e wm a t e r i a lz e o l i t ew a si n t r o d u c e da n dc o m b i n e dw i t ha c t i v ec a r b o na n ds a n d ，t h e n s t u d yt h e i rf i l t r a t i o ne f f e c t t h ep u r p o s eo f t h i se x p e r i m e n tw a st of i n da l le a s ya n dc h e a pw a yf o r w a s t e w a t e rt r e a t m e n tt or e a c ht h er e u s es t a n d a r d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ef i l t r a t i o ne f f e c tc o u l d n ta c h i e v et h ew a s t e w a t e rr e u s i n ga a n d a r du s i n g s i n g l ef i l t r a t i o nm a t e r i a lb a s eo nt h ew a s t e w a t e rm a n a g e m e n ts y s t e m b e t t e rd i s p o s a le f f e c tw a s o b t a i n e dw i t h i n2 0 c mh e i g h tu s i n gt h i ss y s t e mf i l l e dw i t hs a n d t h eo p t i m a lm i x t u r er a t eo f z e o l i t ea n d a c t i v ec a r b o nw a s4 0 z e o l i t ec o m p a r e dw i t h6 0 a c t i v ec a r b o n n h 4 + - n ，c o d c ra n dt u r b i d i t yw e r e o b v i o u s l ye l i m i n a t e du s i n gm i x t u r eo fs a n d ，z e o l i t ea n da c t i v ec a r b o n ，a n dt h ew a t e ra f t e rp u r l f y i n g c o u l db e u s e da sr e u s ew a t e r k e y w o r d s ：w a s t e w a t e rr e u s e ，f i l t r a t i o nm e d i u m ，z e o l i t e ，a c t i v ec a r b o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得中国农业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：蕾彰 时问：刃彩年月，目日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 击伤 旅触 时间：歹“年f 月，g 日 时间：- 彩年月沏且 1 1 引言 1 1 1 我国水问题 第一章绪论 中国的水问题突出表现为水资源的短缺和水环境的污染两大问题。随着人口的增长和工业化 程度的不断提高，水资源的供求矛盾日益尖锐。水环境的污染又加剧了水资源的紧缺，使国民经 济的持续增长受到巨大的威胁【l l 。 我国人均水资源占有量很少，且空间分布不均。我国水资源总量丰富，约为2 8 1 0 0 亿m 3 ， 但人均占有量仅为2 1 6 0 m 3 ，为世界人均占有量的1 ，4 。而实际我国人均用水量约4 0 0 m 3 ，为世界 人均用水量的1 7 。到2 0 3 0 年，我国人口达到1 6 亿峰值时，人均水资源占有量将仅为1 7 0 0m 3 ， 接近世界公认的缺水警戒线。我国目前出生的婴儿，将在他们的而立之年体会到更深的水资源危 机。工农业争水、城乡争水、地区之间争水、超采地下水和挤占生态用水的情况日益严重。目前 我国6 6 9 个城市中。有4 0 0 个常年供水不足，其中1 1 0 个严重缺水。目前我国每年因缺水影响工 业产值2 3 0 0 多亿元，水资源的短缺问题已经成为严酷的现实1 2 1 。 另外，在自然水资源紧缺的同时，我国水环境污染导致的水资源可利用性下降问题也相当严 重，江苏、广东、上海等一大批省市都已经面临日益严重的“水质污染”型缺水。经济建设要发 展，城市人口要增加，城市用水需求也就必然增长，这必定会加剧城市用水紧缺和水体污染严重 的紧张局面唧。据有关部门测算，在充分考虑节水的前提下，到2 0 3 0 年城市工业用水将从现在的 3 7 0 多亿m 3 增加到6 6 0 多亿m 3 ，城市生活用水将从现在的2 6 0 多亿m 3 增加到6 6 0 亿m 3 4 1 。随着 城镇数量与人口的增加，城市供水与污水处理能力的建设也需求进一步提高。因此城市的供水， 节水和水污染防治工作己成为极为紧迫的任务。 1 i 2 污水处理技术 所谓污水处理就是要用某种方法将水中的污染物分解成无害无毒的稳定物质或是将其直接 从水中分离出来，从而达到净化的目的。污水处理技术的分类方法很多，但是基本的技术内容是 相同的，主要有物理处理法、化学处理法、物理化学法以及生物法和土地处理法等。 物理方法主要是指利用物理作用处理、分离和回收废水中的污染物质，如格栅、沉淀、过滤、 气浮、离心分离等。这类方法主要优点就是设备简单，操作工艺简便，但是这种方法一般只能去 除不可溶性的污染物，所以一般只能用于一级处理或是其他处理方法的预处理。化学方法主要是 利用化学反应的作用，转化、分解、回收水中的污染物质，如混凝、消毒、化学沉淀、中和、电 解、离子交换等。物理化学方法就是将以上两种方法的综合利用，主要包括吸附、离子交换、萃 取、吹脱、膜分离、结晶等。这两种处理方法的处理效果比较好，但是都要添加一定的化学药剂， 由于污水水质的不固定，所以添加药剂的量也难以控制，添加量不足会使处理彻底，过多会导致 二次污染，另外添加化学药剂这也必然大幅增加了污水处理的成本。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 这里的生物法主要是指利用微生物的降解作用来处理水中的有机污染物的方法。由于反应的 过程、条件和参与反应的微生物种类不同，生物处理可简单分成好氧生物处理与厌氧生物处理两 大类，基本过程如下： 好氧生物处理：有机物+ 氧气+ 好氧微生物酶一水+ 二氧化碳+ 无机养分+ 能量 厌氧生物处理：有机物+ 厌氧与兼氧微生物酶一降解的有机产物+ 无机养分+ 能量 对于好氧技术主要有活性污泥法和生物膜法p 】，活性污泥法的工作原理是在有机废水中通过 曝气供氧，促进微生物生长形成活性污泥，利用活性污泥的吸附、氧化分解、凝聚和沉降性能来 净化废水中的有机污染物。现在研究比较成功是间歇式活性污泥法和氧化沟。而生物膜法是指在 处理废水的反应器中添加介质( 填料) 作为微生物附着的载体，在分解有机污染物过程中，微生物 在介质的表面上生长繁殖，逐步形成粘液状的膜，然后，利用固着在介质表面的这种微生物膜来 净化污水。生物膜法的种类比较多，主要有润壁型、浸没型及流动床型三种州。而厌氧处理技术 以其能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥少、耐冲击负荷等诸多优点而再次受到环保界 人士的重视。主要的类型有厌氧接触工艺、厌氧生物滤池、升流式厌氧污泥床、厌氧生物转盘和 厌氧附着膨胀床和厌氧流化床等1 7 j 。生物法是研究比较早的方法，所以技术上也是比较成熟的， 具有处理效果好的优势。但是，因为它的基建投资和维护费用高的问题限制了它在一些经济不发 达地区的应用。 1 1 3 污水回用概况 在尽最大努力节水的同时，我们不要忘了另外一个重要的水资源。也就是和城市供水量几乎 相等的城市污水却白自流失，既污染了环境，又浪费了水资源。城市污水就近可得，污染比海水 轻得多。并且作为第二水源要比长距离引水来得实际。污水回用具备缓解城市水荒的能力，国外 污水回用很早就已开始，且规模都很大p j 。 日本六、七十年代就已经开始研究用污水回用来解决水的供需矛盾问题。经过大量的示范工 程后，在1 9 9 1 年日本的“造水计划”中明确将污水回用技术作为最主要的开发研究内容加以资 助，开发了很多污水处理工艺，建立起以濑户内海地区为首的许多“水再生工厂”，有效的缓解 了城市供水的紧张状况。美国也是世界上采用污水回用技术最早的国家之一，经过多年的发展， 现在污水回用已被工业和老百姓欣然接受且是随处可见的事实。 我国的污永回用起步晚、进展慢，至今还未形成大气候。虽然“七五”、“八五”、“九五”国 家攻关都列入课题，积累了多年的实践经验并有了定的科学理论研究成果，取得了污水回用的 成套技术成果，都可实用化，但是由于资金和认识差距，把城市污水当作一种稳定可靠的水资源 予以开发利用至今仍然进展不大。尤其是我们在现在在污水的处理技术上还存在很多的问题，大 部分比较成熟的技术都停留在水的一级和二级处理上，而二级处理出水只能满足部分回用水的要 求。要将处理后的水直接回用于工业，还必须对其进行深度处理。 城市污水深度处理的基本单元技术有：混凝、沉淀、过滤、消毒。对水质要求更高时还可以 采用活性炭吸附、反渗透、电渗析等方法，或者使用几种的组合。 城市污水回用设计规范给出了深度处理单元技术的处理效率和目标水质唧。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外土地污水处理技术的应用研究进展 1 2 1 土地污水处理技术的研究概况 污水土地处理系统可以定义为利用土壤微生物植物系统的陆地生态系统的自我调控机制和 对污染物的综合净化功能处理城市污水及一些工业废水，使水质得到不同程度改善，实现废水资 源化与无害化的常年性生态系统工程【l 。因为这种生态学处理方法运用了植物土壤含水层系统的 天然净化功能，使得土地处理系统往往具有设备简单、投资少、操作管理方便、能耗低，而且净 化效果良好等优点，所以在欧荚一些技术发达的国家比较普及。近年来，各发展中国家也开始兴起。 我国政府自1 9 8 0 年以后，根据我国国情确定了实行人工处理和自然处理并行的技术政策，积极 推行替代= 级处理的氧化塘、氧化沟和土地处理等自然处理技术。经过“七五”、“八五”联合科 技攻关，实现了从小试、中试到使用规模的试验、示范研究，取得了大量的研究成果及运行管理 经验l ”1 。 污水生态工程土地处理系统的发展是经过了漫长而曲折的过程的，到目前为止大致可分为慢 速渗滤、快速渗滤、地表漫流和地f 渗滤系统等几种主要类型1 1 2 - 1 4 。其中慢速渗滤研究和发展的 历史最长在技术上也逐步趋于成熟。而快速渗滤系统工艺的显著优势是可保证终年运行，即使 在寒冷的北方地区也是如此。同时该系统运行成本低一般为常规二级污水处理基本投资的 3 0 - - 6 0 ；而能耗为常规二级污水处理的l ，4 【1 5 】。因此，快速渗滤土地处理系统或是土壤含水层处 理系统具有广阔的应用空问。地表漫流是一种固定膜生物处理法。废水从生长植物的坡地上游沿 沟渠流下，流经植被表面后排入径流集水渠，污水的净化主要是通过坡地上的生物膜完成的，这 种方法对于渗透较慢的土壤最为适用。 地下渗滤系统是将污水肖控制地投配刘薨有一定构造，距地面一定深壤和具有良好扩散性能 的土层中，污水在土壤毛管浸润和渗滤作用下向周围运动，在土壤- 微生物谁物系统的综合净化 功能作用下，选到处理秘用蒙求的一种土地处璎系统f 8 l 。地下渗滤系统具荫不影响地面簸戏、基 建及运蜇警溪赞媛羝，运 i 管瑾篱摹、蠡磷狡除能力强、赡理密承拳凄葑、哥蠲于薅本溷瘸等特 点，所以近年来随着水资源短缺形势的日益严重和污水回用研究的广泛开艘，在日本、美阑、新 礴兰和西欧等豳家，地下渗滤系统的研究和成用日益受到薰视i l “。地下渗滤系统种类很多，总的 来说可分为土壤渗滤沟、土壤嘏管渗滤系统承l 壤天然净化与人工净化相缝赍的复台工艺，这种 笈合工艺遗常楚褥浸没生穆滤渣与土壤毛管浸润渗滤籀结合静：= 艺”。 地下渗滤舔统虽然具有以，j 二种种优点，但是在研究和送行中还有很多的关键问题没有完全的 处理好，例如：士壤的选择与l l 已制、水力负荷的选取、土壤堵塞等问题。正确的土壤选酉己措施是 攮下渗滤系统成功的翦提。研究证实，壤的颗粒组成、结构等性质移渗滤屡厚度决定了遣。f 渗滤系统静憝瑷髓力帮挣纯散栗“。东力负旖l 薅题也是蛾姓理系统中至哭重要的薅疆，它静选 择决定于所采用的工艺类型，j 丕决定于土壤、气候等条件，必须按作物需鞭和土壤入渗速率等进 行调节，以免发生积水。一但水量过大就意味着系统将无法难常运行，从i i i 导致地下水和地袁水 涎染9 1 。土壤蜷塞阔露在撼。f 渗滤系统中也憝常见，壤堵塞主要壶物理、诧学、秘生躲三方垂 阂素造成。一般而言，土壤澍永性团粒豹稳寇度是影响壤渗透速率静重骚丽素。土壤戮粒稳定 度低的系统，闭粒破碎后变成细小的黏土粒子且在渗水作用下不断向下移动逐渐形成致密的不透 3 中翻农业大学硕士学位论文 第一章鳙论 永矮，从而导致严重的土壤堵塞1 2 0 | 。目前有三种常用的方法可预防土壤生物堵塞，分别是间歇投 配、曝气充氧和采用抑菌舞q 将微生物杀死。其中间歇投配在一般的土她处理系统中已经得到了广 泛的应用，但是在地下渗滤系统巾的应用研究述不是很深入，尤其是宙的复氧效果的研究。臻气 充氧的研究现在出正是处在研究阶段，具体的应用还很少，只是在b 本有耜关方蟊的研究1 2 1 i 。至 于采用抑蒲荆的方法，由于该方法会严煎影响徽生物的新陈代谢活动而影响处理效果，所以它的 应用价值不大。 1 2 2 沸嚣和活性炭在污水处理中的研究现状 国内外学者对不同滤料的污水处理能力做了不少研究工作，在滤料选择方面，经常选用河砂、 沸石及活性炭等。 1 沸石对污水处理的研究 沸石对于污水中氨氮的去除效果是很明显的口“。高红梅口”研究沼山沸石吸附污水中氨氮的基 本性能时发现，沼山沸石的阳离子( n h 4 + ) 交换容量为4 0 6 8 m g g ，它对氨氮的吸附性很好，其 吸附过程符合f r e u n d i c h 吸附等温式。沼山沸石对氨氮的解吸率为4 2 4 ，并且解吸率随着沸石吸 附量的增大而增大。沼山沸石的酸改性效果不明显。以加热法对沼山沸石改性时，氨氮的去除率 比未改性时提高1 2 3 6 0 , 5 ，而用n a c i 进行改性时，氨氮去除率可提高l o 倍。王德华和费维扬在对来 自国内三个产地和澳大利亚的沸石样品进行铵离子交换性研究表明，用v e r m e u l e n s 模型可较好 的描述沸石离子交换的动力学情况，交换为颗粒内扩散控制，并测得铵离子交换沸石中钠离子的 扩散系数范围为1 5 m 2 s - - 7 2 4 2 矗s 1 2 “。刘玉亮以含有低c o d ( 浓度低于2 0 r a g l ) 的含氨废水( 浓 度大约为3 5 m g l ) 为处理对象，对天然斜发沸石离子交换去除氨氮的处理工艺进行了探讨，并对 其处理效果及再生效果进行试验研究后发现，天然斜发沸石较其他离子交换剂在处理低浓度的含 氨废水具有明显优势，粒径对天然斜发沸石的比表面积影响较大，天然斜发沸石吸附氨氮最佳值 为p h = 6 左右，自来水中的阳离子对天然斜发沸石离子去除水中氨氮有一定的影响，流量为 1 0 m l m i n 的时候天然斜发沸石对氨氮的去除效果最好。张敏等人研究表明，当源水氨氮浓度为 1 5 m g l , - 6 5 m g l 时，氨氮去除率可达5 0 以上口“。杜冬云等口”对静态和动态两种条件下沸石对 氨氮废水进行了研究，研究发现，适宜的操作条件为p h 值卜9 ，吸附时间3 0 r a i n 。静态和动态处理 均能有效去除废水中的氨氮。s p r y n s k y y1 2 s ( 2 0 0 5 ) 发现发光沸石的氨氮去除率随进水速度的降 低而提高，对沸石进行净化后去除率也少许提高。s a r i o g l u 2 9 1 ( 2 0 0 5 ) 进行的续批式和连续式研 究表明，当进水氨氮浓度大时，沸石的去除能力也强，晟佳进水速率和p h 值分别为0 5 m l m i n 和4 。 天然沸石去除污水中氨氮的作用非常明显但对c o d 的去除效果随着沸石种类变化表现出 较大的差异。刘远金p ”( 2 0 0 2 ) 等人通过用不同浓度和粒径的天然沸石进行污水处理的试验表明。 天然沸石对c o d 去除效果为6 4 0 o , 1 7 5 ，沸石的适宜用量和粒径分别为2 5 9 l 和8 0 目。而c i n t o l i 3 1 1 ( 1 9 9 5 ) 在研究i t a l i a n 沸石去除c o d 效果时发现，这种沸石的c o d 去除率达到6 0 - , - 8 0 。 但经过活化后，沸石的c o d 去除能力能大幅度提高。有研究显示，活化沸石可使采油废水中c o d 降低3 6 - 一7 5 p ”。另外，水力负荷的合理与否，对沸石除c o d 能力也有较大影响，田文华【3 3 】 ( 2 0 0 2 ) 等人变化水力负荷研究c o d 的去除效果时发现，处于晟佳水力负荷下沸石的c o d 去除 效果几乎达到平均值的3 倍。 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 一些研究表明，沸石对浊度的效果在5 0 7 0 【3 4 - 3 5 1 。 2 活性炭的研究 活性炭是一种多孔径的炭化物，有极丰富的孔隙构造，具有良好的吸附特性，它的吸附作用 是集物理及化学的吸咐力而成的，其外观色泽里黑色。其成份除了主要的炭以外，还包含了少量 的氢、氨、氧，其结构外形似一个六边形，由于不规则的六边形结构，确定了其高表面积的特点， 每克的活性炭所具有的比表面相当于1 0 0 0 m 2 之多。活性炭主要是以含炭量较高的物质制成，如 木材、煤、果壳、骨、石油残渣等。而以椰子壳为最常用的原料，在同等条件下，椰壳活性炭的 活性质量及其它特性是晟好的，因其有最大的比表面。不同的原料生产的活性炭具有不同的孔径， 其中以椰壳为原料的活性炭的孔径最小，木质活性炭的孔径一般较大，煤质活性炭的孔径介于两 者间。活性炭孔径一般分为三类：大孔；1 0 0 0 a 一1 0 0 0 0 0 0 a ；过渡孔：2 0 a 1 0 0 0 a ；微孔：2 0 a 。 根据以上特性可以看出，针对不同的吸附对象，需选用相应的活性炭，以做到最好的性价比，因 此，般在液相吸附中，应选用较多过渡孔径及平均孔径较大的活性炭。根据活性炭的吸附特点， 活性炭主要用于除去水中的污染物、脱色、过滤净化液体、气体1 3 ”，还用于对空气的净化处理、 废气回收p7 j ( 如在化工行业里对气体苯的回收) 、贵重金属的回收及提炼( 比如对黄金的吸收) ， 室内空气中散发的污染气体甲如醛、苯、氨、甲苯等挥发气体吸附作用较好 3 8 - 3 9 】。 刘建广1 4 q ( 2 0 0 3 ) 等人研究了深度处理工艺中生物活性炭滤池处理高氨氮原水的运行特性， 结果表明，在水温 6 时，生物活性炭滤池对氨氮的硝化能力受水中d o 限制，在水温较低时( 2 左右) 生物活性炭滤池对氨氮的硝化能力下降5 0 。丁纪英h 1 噜人进行了一段单级低剂量粉末 活性炭技术( l d - p a c t ) 处理系统试验，结果表明，l d - p a c t 工艺出水氨氮去除比活性污泥法效果 明显，同时污泥沉降性能有所改善，证明了用这一系统进行生物脱氧是成功的。 对于活性炭去除污水c o d 方面，孙敏【4 2 】( 2 0 0 5 ) 等人研究显示，c o d 的去除率与高比表面 积活性炭用量成正比，酸性条件f 活性炭去除c o d 的效果较好。用碱再生活性炭，一次再生率 达9 4 2 2 。吴声彪”w ( 2 0 0 4 ) 等人对粉末活性炭和柱形活性炭c o d 去除能力时发现，粉末活性 炭可去除污水中9 8 5 的c o d ，同时，粉末活性炭对c o d 的去除率受其粒径大小、曝气与否及 投加量等因素的影响。叶忠1 4 4 】( 1 9 9 7 ) 等人研究了以活性炭为催化剂用空气氧化搅拌处理味精废 水中化学需氧量( c o d ) 的最佳条件，结果发现，c o d 去除率可达9 7 5 以上。 学者们对于活性炭降低污水浊度的研究较多。这些研究表明，活性炭对浊度的去除率为 3 0 , - 8 0 4 5 4 ”。何少华( 2 0 0 5 ) 等人在对载粉末活性炭( p a c ) 过滤微污染原水处理的试验中 发现，p a c 对河水浊度去除率为9 7 - - , 9 7 9 。陈士才( 2 0 0 5 ) 等人研究了不同类型的活性炭 去除浊度能力，发现破碎活性炭比柱状活性炭对浊度去除效果好。 3 砂滤 生物砂滤在污水处理中应用也较为广泛5 ”。相关研究表明。这种滤料对于氨氮的去除率可 达到8 0 - - 9 5 ”1 ；对c o d 去除率为6 0 9 0 5 ”。李亚新( 19 9 7 ) 等人在以酚和氨氮作为 微污染原水模拟污染物研究生物砂滤池的同时，研究了去除微污染原水浊度和微量污染物的可行 性和工艺特征，实验中表明，当滤速为8 m h ，过滤周期为1 2 h 时，浊度的平均去除率达到8 0 。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 研究意义、内容和思路 1 3 1 研究意义 从国内外研究现状分析可以看出，众多学者对于单一滤料的研究已经相当深入，而对于不同 滤料组合及其合理配合比例的研究较少。由于不同滤料的过滤机理和能力皆有差异，进水污染程 度对于处理效果也有较大影响，如果对滤料进行组合，很有可能实现较单一滤料更好的处理效果 。 本文旨在在原有污水后期处理砂滤的基础上，引进一种新型水处理材料一天然沸石，将其与 活性炭联合使用，通过对同一装置中各种滤料组合搭配的实验窒模拟试验，来测试不同组合的污 水处理能力，以期降低污水回用过程的成本，并为今后生产中合理配置过滤材料提供实验依据。 同时本研究使用的污水处理装置是一种新型污水土地处理方法1 6 0 】，研究结果也为将来该方 法的推广应用奠定了基础。 1 3 2 研究内容与思路 本研究主要是通过室内模型实验，在砂滤的基础上，进行多种滤料及其各种主要参数的优化 实验，研究的主要内容包括： 1 砂质滤料过滤参数的优化选择 ( 1 ) 两种不同性质砂对过滤效果的影响 ( 2 ) 粒径等级对过滤效果的影响 ( 3 ) 进水浓度变化对过滤效果的影响 2 三种滤料的组合探索 ( 1 ) 砂柱不同高度上过滤效果分析 ( 2 ) 两种滤料的最佳过滤配比确定 ( 3 ) 三种滤料组合对处理效果的影响分析 6 第二章试验材料及方法 2 1 过滤介质的主要参数 过滤介质是整个污水处理系统中最关键的因素，它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，所以过滤介质的颗粒组成、结构等性质和过滤层厚度等 决定了处理系统的处理能力和净化效果。因此，正确认定过滤介质的作用机理和主要参数性质是 实验成功的前提。 本研究中主要以普通河砂、海砂、天然沸石和活性炭为主要研究对象。 2 1 1 砂 粒径分布是砂质滤料的一项重要参数。当前粒径组成的测定方法主要是筛分法。筛分法虽然 在精确度方面稍差但其有操作简单、测量周期短的优势，现在应用依然广泛。本研究中砂的粒 径分布主要采用筛分法。 研究采用的两种不同粒径河砂，河砂a 与河砂b ，的粒径分布如下表： 表2 - 1 两种河砂的粒径分析表 t a b l c2 - 1p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nf o rt w od i f i e r e n tk i n d so f r i v c rs a n d 根据砂的分类表( 表2 - 2 ) 可以得出，河砂a 为粗砂，河砂b 为细砂。 表2 2 砂的分类 t a b l e2 - 2c a t e g o r yo f s a n d 砂的名称 颗粒级配 砾砂 粒径大于2 m m 的颗粒含量占全重2 5 - 5 0 粗砂 粒径大于0 5 r a m 的颗粒含量超过全重5 0 中砂 粒径大于02 5 m m 的颗粒含量超过全重5 0 细砂 粒径大于0 0 7 5 r a m 的颗粒含量超过全重8 5 粉砂 粒径大于0 0 7 5 r a m 的颗粒含量超过全重5 0 我们通常用平均粒径、有效粒径及控制粒径来区分不同类型的砂。其中：砂的平均粒径( d s 0 ) ， 是指砂中大于此粒径和小于此粒径的土的含量均占5 0 ；有效粒径( d 1 0 ) ，是指小于某粒径的砂 粒质量累计百分数为1 0 时相应的粒径；控制粒径( d 6 0 ) ，是指当小于某粒径的砂粒质量累计百 分数为6 0 时所对应的粒径。同时，为了反映大小不同粒组的分布情况，我们引入砂的不均匀系 数： c u ：章 ( 2 ，1 ) d l o 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章试验材料及方法 这一物理量。c u 越大表示砂粒大小的分布范围越大，颗粒大小越不均匀，其级配越良好。 经测量，河砂a 的平均粒径、有效粒径及控制粒径分别为0 7 8 m m ，o 3 7 m m 和o 8 5 m m ，级 配曲线如图2 1 ( a ) 所示；河砂b 的平均粒径、有效粒径及控制粒径分别为0 1 9 m m ，o 1 0 r a m 和0 2 2 m m ，级配曲线如图2 1 ( b ) 所示。由公式( 2 1 ) 计算可得，河砂a 的不均匀系数为2 3 0 ， 河砂b 的不均匀系数为2 2 0 。 槲 求 恤 蚓 皑 褂 求 岫 删 妲： f 手 粒径( r a n ) ( a ) ，1厂 f j f 。 。 苫 喜 苔 一 粒径( t r m ) ( 勘 图2 - 1 级配曲线( 图a ：河砂a 的级配曲线，圈b ：河砂b 的级配曲线) f i g u r e2 - 1p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nc u r v e ( f i g u r ea ：r i v e rs a n da ，f i g u r eb ：r i v e rs a n db 1 实验中为了更好的分析比较不同砂粒对污水过滤效果和过滤能力。特采用了粒径相对较大的 海砂进行了相关的试验。试验中采用的海砂粒径分布如下表： 8 慨 差薹 麟 舭 删 慨 咣 耄薹 删 舭 撕 慨 中国农业大学硕士学位论文 第- - i 试验材料及方法 表2 - 3 海砂粒径分析袭 1 h b l e2 3p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nf o rs e as a n d 2 1 2 天然沸石 褂 彘 岫 蜘 1 i 垦： | | | 1 l 。 ： 銎 警 一 粒径( r t m ) 图2 - 2 海砂级配曲线 f i g u r e2 - 2p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nc u f v ef o rs e as a n d 天然沸石是一种非金属矿物，由于其具有非常独特的四面体骨架结构，使其在吸附性、离子 交换性和催化性等方面都表现出了非常优良的性能。 实验采用产自赤峰的天然斜发沸石：外观乳白色；粒径范围0 6 3 m m 1 5 r a m 。 1 沸石的结构特征 沸石是一种含水架状结构的多孔硅铝酸盐矿物，是沸石族矿物的总称，化学通式可表示为： ( n a ，k ) 一( c a , s r , b a , m g ) ，。 a i 川s ip + 驯o j 一】- 脚h 2 0 ，其中j 为碱金属离子数，y 为碱土 金属离子数，月表示硅铝离子数之和，m 表示水分子数。 沸石最基本的结构单元是s i o 和a i o t 四面体，相邻的四面体之间以氧桥键的方式共用氧原 子。其中s i 或a i 位于四面体的中心，分别与氧键合，氧位于四面体各顶点。这种结合方式使其 在三维方向上形成一个具有规整结构的无机聚合体。其中a i o 。带一个负电荷，那么必然就有一 个相反的电荷存在，以中和价电荷。因此沸石中存在很多骨架外阳离子，这实际上就是沸石能够 作为催化剂的最本质的原因。同时，其骨架也搭起了一个内部空旷、充满孔隙与相互联通的孔道 与笼的结构，提供催化反应的场所以及传输的通道1 6 2 】。 2 沸石的性能 ( 1 ) 吸附性由于以上沸石特殊的结构形式，在其骨架中形成了大量的孔穴和通道，可吸 附大量分子，其孔穴和通道直径为3 1 3 a ( 1 a = l 1 0 - 1 0 m ) ，故属于纳米级孔径矿物。沸石的比 9 喘 砉薹 舭 揣 慨 中固农业大学硕士学位论文第二章试验材料及方法 表面积大，一般为4 0 0m2 g 8 0 0 m 2 g ，因而决定了其有良好的吸附性能1 6 ”。 沸石吸附具有两个显著的特点，即选择性吸附和高效率吸附。一般情况下，沸石空穴和孔道 内充满水分子，水分子围绕可交换的阳离子形成水化球，3 5 0 一4 0 0 * ( 2 下加热数小时或更长时间， 沸石将失去水分。这时，有效直径小到足以通过孔道的分子，易被沸石吸附在脱水空穴和孔道中， 而直径过大无法进入孔道的分子则被排斥，这就是人们所熟知的“分子筛”的筛分能力。分子筛 对分子的极性火小具有选择作用，极性越大越容易被极化的物质，就越容易被吸附。沸石具有高效 吸附性，对水、氨、二氧化碳等具有很强的亲合力，特别是对水，即使在低湿度和低浓度情况下， 仍能强烈吸附。 ( 2 ) 离子交换性能是沸石的另一个重要性能。沸石的离子交换般在水溶液中进行，其反 应可用下式表示：z m + + n h + 4 = z n h * 4 帅旷式中z - 为沸石、m + 为沸石中的金属离子。沸石对同 价阳离子的交换顺序如下：c s + r b + n h + 4 k + n a + l i + ；b 一+ s r 2 + c a 2 + m 9 2 + 。从顺序来看，天 然斜发沸石对铵离子具有较强的选择吸附能力，这主要是n h + 4 的离子半径为2 8 6 a ，较容易进入 3 9a 舶斜发沸石的孔道的缘故1 6 3 】。 ( 3 ) 催化性能由于沸石具有很大的吸附表面，可以容纳相当多数量的吸附物质，因而能促 进化学反应在其表面上进行，所以沸石又作为有效的催化剂和催化载体。 ( 4 ) 耐酸性沸石具有很好的耐酸性如山东省斜发沸石和丝光沸石用不同浓度的盐酸在 1 0 0 4 c 下处理2 h ，晶体结构均未被破坏，证明两者均具有较强的耐酸性【“1 。 3 沸石对废水中污染物的去除 氨氮和磷会引起水体富营养化，从而影响鱼类的生长，破坏水体生态环境。利用沸石去除生 活污水以及工业废水中的氨氮，国内外已有较多的研究。利用沸石的离子交换性能，可有效的去 除水体中的氨氮，并且沸石再生容易，只需用n a c i 洗脱即可，因此是一种经济可行的方法。 有机污染物是污染水源中的一类主要污染物。沸石对有机污染物的吸附能力主要取决于有机 物分子的极性和大小，极性分子较非极性分子易被吸附，随着分子直径的在增大，被吸附进入孔 穴的机会就逐渐减小。一些常见的有机污染物如酚类、苯胺、苯醌等，多有极性，分子赢径适中， 可被沸石吸附。 国内外已有比较多的相关方面的研究，见本文1 2 2 。 2 1 3 活性炭 活性炭是水处理中最常用的一种吸附剂。在制造活性炭的活化阶段，炭粒晶格间生成的空隙 形成了各种形状和大小不同的细孔，其中大孔孔隙半径l o o n m 1 0 0 0 0 n m ，中孔孔隙半径为2 n m 1 0 0 n m ，小孔孔隙半径 2 n m ，大、中、小孔孔壁的总面积就是活性炭的总表面积。活性炭的强 吸附性能主要就发生在这些孔的表面上。活性炭的吸附量除与表面积有关外，还与细孔的形状、 分布及表面的化学性质有关。一般情况，用于水处理的活性炭应具有适当比例的孔，以去除水中 分子量( 或分子直径) 较大的吸附质。活性炭表面具有微弱的极性，不仅可以去除水中的非极性吸 附质。还可以去除极性吸附质，甚至某些微量的金属离子及其化合物”1 。 实验采用粒状活性炭：外观黑色；粒径1 2 m m , - - 2 5 m m 。 厂家：天津市福晨化学试剂厂 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章试验材料及方法 活性炭因为它自身的优越条件，被广泛地应用在污水的处理当中”7 j ： 首先活性炭对水中有机物有卓越的吸附特性。由于活性炭具有发达的细孔结构和巨大的比表 面积，因此对水中溶解的有机污染物，如苯类化合物、酚类化合物、石油及石油产品等具有较强 的吸附能力，而且对用生物法和其它化学法难以去除的有机污染物，如色度、异臭、亚甲蓝表面 活性物质、除草剂、杀虫剂、农药、合成洗涤剂、合成染料、胺类化合物及许多人工合成的有机 化合物等都有较好的去除效果。 另外活性炭对水质、水温及水量的变化有较强的适应能力。对同一种有机污染物的污水，活 性炭在高浓度或低浓度时都有较好的去除效果。 用于水处理的活性炭应有三项要求：吸附容量大、吸附速度快、机械强度好。活性炭的吸附 容量除其他外界条件外，主要与活性炭比表面积有关，比表面积火，微孔数量多，可吸附在细孔 壁上的吸附质就多。吸附速度主要与粒度及细孔分布有关，水处理用的活性炭，要求过渡孔较为 发达，有利于吸附质向微孔中扩散，活性炭的粒度越小吸附速度越快，但阻力损失要增大。活性 炭的机械强度，则直接影响活性炭的使用寿命。 2 2 实验设备及水样 2 2 1 实验装置简介 本研究主要为室内模型实验，实验装置如图2 - 3 所示： 装置各部分均为有机玻璃制成，主要由进水量筒和主反应器组成。主反应器上部为一高 3 0 0 m m ，直径1 5 0 m m 滤料容器反应时按试验安排装入过滤介质。滤料容器一侧不同高度上设 置2 个出水管。用来抽取反应后的水进行各项参数化验。滤料容器下部为一多孔塑料板，过滤后 水可从板孔流下，进入净水容器。净水容器高2 0 0 m m ，直径为1 5 0 m m 。量筒主要用来保持主反 应器中水位位置，量筒下部有一出水口，与主反应器内部一高2 8 0 m m ，直径为4 0 m m 的塑料质 污水管相连。实验开始时，将污水灌入量筒，量筒中污水经过进水管进入污水管。通过调整量筒 的位置，使主反应器中水位保持在距顶端6 0 m m 处。由于水分的压力势大于零，所以水分会经过 一段的逆滤，然后再经重力作用，最终流入净水容器，完成过滤的过程。过滤完毕后，取净水容 器中的水，进行水质检验。 因为该装置为内部进水，所以在污水处理过程中不会对周围的环境造成很大的影响。另外， 水在滤料中的运动过程主要是靠毛细管的渗透和重力作用，大大降低了水力负荷变化对于系统的 冲击作用。 中国农业大学硕士学位论文 第二章试验材料及方法 n 2 8 0 1 滤料；2 多孔承托板；3 污水管；4 取样口；5 下层多孔扳；6 污水进水管：7 净水容器；8 垫块 圈2 - 3 试验装置示意图 f i g u r e2 - 3s k e t c ho f e x p e r i m e n te q u i p m e n t 2 2 2 实验仪器 c o d 消解装置：x j 1 型，广东省环境保护仪器设备厂 分光光度计：7 2 1 型，上海第三分析仪器厂 w f z 7 5 2 型分光光度计：上海光谱仪器有限公司 光电分析天平：感量0 0 0 0 1 9 ，上海精密衡器厂 电子天平：y p l 2 0 0 型，感量0 0 1 9 ，上海第二仪器厂 调速多用振荡器：h y - 4 型，国华电器有限公司 差压式直读b o d 测定装置：i 【型，广东省环境保护仪器设备厂 生化培养箱：z m x 一1 5 0 i i 型，“东医疗器械厂 秒表：上海秒表厂精度0 5 秒 2 2 3 实验水样 实验所用污水主要取自小月河，主要为清河污水处理厂的处理出水和生活污水的混合水样。 c o d o ，为3 0 m g l 15 0 m g 扎，p h 值为7 8 。污水取回后4 c 保存，保存期最长为4 d 。本实验的目 的主要是解决轻污染生活污水的进一步净化和回用问题。 1 2 瑚l l 上 2 3 理化指标的检测和标准曲线的绘制 生活污水的主要污染指标有c o d 。b o d 5 、氨氮及浊度等。c o d 。，反映了水中受还原性物质 污染的程度，还原性物质包括：有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。c o d 。, 也作为有机物相 对含量的指标之一。b o 功反映了废水中可被微生物降解的有机物的量，这些有机物排入水体后， 消耗掉水中的溶解氧，当氧浓度小于4 m g l 时，鱼类死亡，小于1 m g l - 2 m g l 时，兼性微生物 与厌氧微生物大量繁殖，使水体腐败。 n 、p 是引起水体富营养化的重要物质，水中氨氮的主要来源是生活污水中含氮有机物受微 生物分解的产物、某些工业废水( 如焦化废水和合成氨化肥厂废水) 和农田沥水。 浊度反映了水体的混浊程度，从技术意义上讲，浊度是用来反映水中悬浮物含量的一个水质 替代参数。浊度既能反映悬浮物浓度，同时又是人的感官对水质的最直接评价。 本课题中主要就c o d 。，、氨氮及浊度进行研究分析测试。 2 3 1 化学需氧量 化学需氧量( c o d 。) ，是指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量，以氧 的m g l 来表示。水样的化学需氧量，可受加入氧化剂的种类及浓度，反应溶液的酸度，反应温 度和时间，以及催化剂的有无等多种因素的影响。因此，化学需氧量也是一个条件性指标，必须 严格按照操作步骤进行。我国规定的测试方法为重铬酸钾法。 l ，化学需氧量的测定方法 ( 1 ) 化学试剂及溶液配制 邻苯二甲酸氢钾k h c 止1 4 0 4 ( 基准试剂) 、重铬酸钾k 2 c r 2 0 7 、硫酸铝钾k a i ( s 0 4 ) 2 - 1 2 h 2 0 、 钼酸铵( n h 4 ) 6 m 0 7 0 2 4 4 h 2 0 、硫酸汞h g s 0 4 、硫酸银a 9 2 s 0 4 、浓硫酸h 2 s 0 4 、氢氧化钠n a o h 以上试剂为除标准外均为分析纯。 消化液的制备：称取9 8 0 9 重铬酸钾，5 0 0 9 硫酸铝钾，1 0 0 9 钼酸铵，溶解于5 0 0 m l 水中， 加入2 0 0 m l 浓硫酸，冷却后，转移至1 0 0 0 m l 容量瓶中，用水稀释至标线。用于测定c o d 。值在 5 0 - 1 0 0 0 m g l 的水样。