（环境工程专业论文）厌氧接触氧化人工湿地组合技术处理农村生活污水的初步研究.pdf

摘要 【摘要】 本文研究厌氧沼气一多级跌水充氧接触氧化一复合型人工湿地组合工艺的污染物去除特性，对组合工艺 的处理负荷、跌水充氧接触氧化池的停留时间、跌水充氧效率的影响因素、接触氧化池内d o 浓度消耗规 律、人工湿地脱氮除磷效果、氮磷去除途径、石膏除磷的机理以及接触氧化池和人工湿地的细菌总数、硝 化菌、亚硝化菌分布等等进行了初步探索。 试验研究的主要结论如下： ( 1 ) 当接触氧化池进水负荷分别为0 2 7 k g c o d c ，m 3 d 、11 6 5g n l h 十- n m 3d 、1 2 6 0g t n m 3d 、3 4 2 g t p m 3d 、时，组合工艺的c o d e ，、n h 4 + - n 、t n 、t p 去除率分别在6 0 、8 0 、7 0 、7 0 以上。而且， 系统有一定的耐冲击负荷能力，出水总磷能维持在0 3 m g l 以下。 ( 2 ) 在本试验进水浓度较低的条件下，接触氧化池的停留时间设置为2 4 1 h 比较合适。 ( 3 ) 跌水总高度为3 3 m ，共分五级跌水，高度分别为1 3 m 、0 5 m 0 5 m 、0 5 m 、0 5 m 。采用2 型挡板和 较小的停留时间时取得较好的跌水效果。接触氧化池内d o 浓度下降主要是在0 - 4 0 c m 这一区间，并且大气 向水中的复氧作用不可忽视。 ( 1 ) 人工湿地脱氮除磷高效稳定。脱氦主要是由于湿地微生物的硝化反硝化作用，植物摄取仅占不到 1 0 的比例；除磷则由湿地基质的物化作用和石膏的反应沉淀为主。 ( 5 ) 在碱性实验条件时，石膏中c a 2 + 与磷酸盐反应导致p h 值迅速降低，除磷过程在4 0 h 以内即告结束。 但是通过适当增加石膏投加量可以在中性条件时取得良好的除磷效果。石膏粒径对除磷效果有显著的影 响。试验证明碎砖和石膏之间存在着协作效应。 ( 6 ) 接触氧化池和人工湿地细菌总数、硝化菌、亚硝化菌分别保持在1 0 1 2 c e l l s g 、1 0 1 1 c e l l s g 、 1 0 m c e l l s g 的高水平上，同时存在大量的原生动物、后生动物，食物链比较复杂。 ( 7 ) 复合型人工湿地将潜流与表面流、水平流与垂直流巧妙地结合在一起，实现了湿地构型的创新；利 用当地的废料一一石膏，结合建筑垃圾一一碎砖增强除磷效果，取得了高效除磷与固体废弃物资源化的有 机结合。 【关键词】 跌水充氧、接触氧化、人工湿地、复合型、脱氮除磷、石膏、厌氧 东南大学硕士学位论文 【a b s t r a c t 】 t h ep r o c e s sc o m b i n e dw i t hm e t h a n eg e n e r a t i n gp i t 、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 dc o m b i n e d f l o ww e t l a n d sw a ss t u d i e d t h em a i nc o n t e n t sw e r ea b o u tt h er e m o v a lc h a r a c t e ra n dl o a do fc o m b i n e dp r o c e s s ， h r ta n dd o c o n s u m p t i o no fc o n t a c tb i o f i l m ，a f f e c t i n gf a c t o r so f w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n g , n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h em e c h a n i s mo fg y p s md e p h o s p h o f i z a t i o na n dt h em i c r o b i a l m o r p h o l o g yo fc o n t a c tb i o f i l ma n dc o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h ec o n c l u s i o n so ft h es t u d yw e r e ： ( 1 ) w h e nt h ei n f l u e n tl o a d sw e r e0 2 7 k g c o d c m s d 、11 6 5g n i - h + n m 3 d ，1 2 6 0g t n m 3 d 、3 4 2 g t p m 3 d ，t h er e m o v a lr a t i oa r eu p w a r d6 0 、8 0 、7 0 、7 0 i na d d i t i o n ，t h es y s t e mh a dt h ea b i l i t yo fe n d u r i n g s h o c kl o a d i n g , t h ee f f i u e n tt pc o n c e n t r a t i o nk e 印sb e l o wo 3 m g & ( 2 ) i nt h ec o n d i t i o no f i n f e r i o ri n f l u e n tl o a d i n g , t h ea p p r o p r i a t eh r to f c o n t a c tb i o f i l mw a s2 4 1 h ( 3 ) w h e nt h es e c o n dt y p ew a t e r - d r o p p i n gb a f f l ea n dt h el o w e rh r tw e r eu s e d ，t h eb e t t e ra e r a t i n ge f f e c tw a s a c q u i r e d t h ed o c o n c e n t r a t i o nd e s c e n d e di nt h ei n t e r v a lo f0 - 4 0 c m ，a n dt h er e a e r a t i o nc o u l dn o tb ei g n o r e d ( 4 ) t h eh i g hr e m o v a lo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nc o n s t r u c t e dw e t l a n d sw a sm a i n t a i n e d n i t r o g e nr e m o v a l o w e dt on i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n , t h ep h o s p h o r u sr e m o v a lo w e dt op h y s i c a lc h e m i s t r i c a lo f g r o u n d m a s s a n dr e a c t i o no f g y p s u m ( 5 ) i nt h ec o n d i t i o no fa l k a l e s c e n c e ，t h er e a c t i o no fg y p s u ma n dp h o s p h a t el e dt h ef a l l i n go fp hw i t h i n4 0 h h i 曲p h o s p h o r u sr e m o v a lr a t ew e r eg a i n e di nt h ec o n d i t i o no fn e u t r a l i t yb yt h ew a yo fa d d i n gg y p s u m t h eg r a i n s i z eo fg y p s u mr e m a r k a b l ee f f e c tt h et pr e m o v a l ( 6 ) t h eb a c t e r i ac o l o n i e s ，n i t r o b a c t e r i aa n dn i t r i b a c t e r i aw e r ea tt h eh i g hl e v e lo f1 0 1 2 c e l l s d g 、1 0 1 1c e l l s g 、 10 1 0c e l l s gr e s p e c t i v e l y , a n dt h ef o o dc h a i nw a sc o m p l e x 。 ( 7 ) t h es u b s u r f a c ef l o wa n ds u r f a c ef l o w ，t h eh o r i z o n t a lf l o wa n dv e r t i c a lf l o ww e r es k i l l f u l l yh a n g e d t o g e t h e ri nc o n s t r u c t e dw e t l a n d s i m u l t a n e o u s ，t h eh i 曲p h o s p h o r u sr e m o v a lr a t i oa n dr e s o u r c i z i n go fw a s t ew e r e a c h i e v e dm a k i n gu s eo fs c r a pm a t e r ia 1 名y p s u ma n da r c h i t e c t u r a lg a r b a g e k e y w o r d s w a t e r - d r o p p i n ga e r a t i n g , c o n t a c tb i o f i l m ，c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t h er e m o v a lo f n i 仃o g e na n dp h o s p h o r u s ， g y p s u m , a n a e r o b i c h 东南大学硕士学位论文 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：丕塑垃 e t 期：兰至i 2 乒 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： 第一章前言 1 1 研究背景 第一章前言弟一早日u甭 目前，我国的水环境状况令人担忧，根据2 0 0 3 年中国环境状况公报，七大水系近1 3 的重点监测 断面属于劣v 类水质，太湖、巢湖、滇池处于不同程度的富营养化状态，地下水水质在基本稳定的基础上 有恶化趋势；全海域共发现赤潮1 1 9 次，全年1 2 个月均有赤潮发生；海水中有毒有害藻类增加n 1 。由此 可见，水污染控制、污水处理和污染水体的生物修复已迫在眉睫。 水体的污染源大致可分为工业废水、生活污水和农业面源。在全国工业和城镇生活废水排放总量中， 城镇生活污水排放量超过5 0 ，氨氮排放量接近7 0 i l l 。生活污水已经取代工业废水成为水体污染的主 要来源。而占中国总人口6 3 9 1 2 1 的农村居民生活废水的排放基本均无处理。 我国幅员广大，农村地区的生活习惯差别很大，但是基本相同的一点是生活废水的任意排放。这个问 题在过去经济落后时期并不突出，但是随着经济的发展和生活水平的提高，生活废水的排放量迅速增大， 已经超出了当地环境的自净容量，这个问题便日益突出。面对我国农村地区环境污染问题，国家环境保 护总局关于加强农村生态环境保护工作的若干意见中提出了当前农村生态环境保护的目标是初步控制重 点流域和重点地区的面源污染和生态破坏，使全国5 的县( 市) 建成国家生态示范区，初步实现社会经济 与生态环境的协调发展u 1 。 太湖流域地跨江苏、浙江、上海和安徽三省一市，流域面积3 6 5 0 0k 一；流域内社会经济发展水平较 高，污染物排放量也较大4 。太湖是国家重点治理的“三湖”之一，正面临着严重的富营养化问题。目 前普遍认为氮磷等营养物质是导致水体富营养化的主要原因；国际上一般认为当水体中总磷浓度高于 0 0 2 m g l ，总氮高于0 2 m g i 时水体即处于富营养化状态1 。因此，要解决太湖富营养化问题必须从控制 入湖氮磷污染负荷着手。 太湖流域各类污染源中，农村生活源的c o d 、t p 、n l - h n 排放量分别占污染物排放总量的1 1 、2 8 0 5 和 2 0 。1 因此，应对农村生活源予以充分的重视，出于控制水体富营养化的需要，农村生活污水分散处理 也需要考虑脱氮除磷。 由上可见，太湖流域农村生活污水处理已是迫在眉睫。 1 2 农村生活污水处理技术的研究现状 目前，对于农村生活污水以及与之类似的小型分散生活污水处理，一般都采用就地处理的方式。其处 理方法主要有预制式小型处理设备与自然处理系统两种类型u ，。 古老的化粪池技术在分散污水处理中仍在广泛使用。一般而言，仅靠厌氧处理的污水无法满足排放标 准，所以必须有完善的终端处理。可用于改善厌氧出水的备选方案包括：好氧生物处理( 悬浮和附着生长) 、 人工湿地、砂滤和稳定塘等。 挪威有大约2 5 的人生活在没有任何集中处理的乡村，根据环境局的规定，l 7 户家庭组成的社区 可以使用自己的就地处理系统。常常使用预制的集成式微型处理设备，其处理方法通常为化粪池预处理， 然后进行生物处理、化学处理或两者联合处理1 7 1 。 日本的净化槽也是一种预制的处理设备。通常应用于没有排水系统的乡村，目前共有8 0 0 万个净化槽 服务于3 6 0 0 万人。用于混合生活污水处理的净化槽的处理方法为厌氧过滤，然后接触曝气，再经过沉淀 消毒i t 。 污水自然处理技术包括污水土地处理技术和污水稳定塘系统。污水自然处理技术是农村乡镇污水治理 的有效手段，美国及前苏联等都鼓励采用自然处理技术。目前，全世界已建有数万座氧化塘及土地处理系 统。经过长期研究实践，污水自然处理系统已发展成为一种建设与运行费用低、适应范围广、生态环境影 响小、再生水质优良的新型处理技术8 1 。研究表明9 1 ，土地处理系统在西方发达国家已成为一种成熟、经 济、有效、简便的解决小城镇、乡村及旅游景点水污染问题的方法而得到广泛应用。我国政府1 9 8 6 年在 关于防治水污染技术政策的若干规定中建议各地要因地制宜采用自然处理技术。 东南大学硕士学位论文 相对于挪威和日本的预制式设备，自然处理系统更能够实现与当地实际情况的有机结合和资源再利 用。目前，人们普遍认为1 1 ，由于经济原因即使在发达国家，污水处理率也不可能达到1 0 0 。既然对污 水全部收集和处理在可预见的将来是不可能的，并且对淡水的需求不断增长，那么污水自然处理技术在未 来的环境管理发展战略中就显得非常重要。 鉴于污水自然处理系统对污泥的处理能力极为有限，因此前置厌氧预处理将是十分理想的选择。 目前，我国分散废水处理主要是利用厌氧沼气池来实现的。厌氧沼气池具有占地少、投资小、易管理 等优点，在全国( 特别是南方各省市) 中小城镇得到积极推广应用，目前主要用于城镇生活废水和工业废水 的处理，在医院废水中也有应用。沼气池中多添加软性填料。实践表明，厌氧沼气池的c o d 、b o d s 和寄生 虫卵的去除率一般分别在8 0 、6 0 和9 0 以上，而对t k n 则无明显效果。n 叮“妇1 2 儿1 3 因此，开发适合我国国情的能够实现脱氮除磷的小型分散废水处理技术已是当务之急。 1 3 工艺概况、特点与应用领域 根据我国厌氧沼气池的发展现状和太湖流域削减n 、p 排放的要求，着眼于处理设施的高效率、低投 资、低能耗、易管理，采用前置厌氧预处理降低c o d 及脱氮，后续好氧去除c o d 及硝化，以及后置人工湿 地进一步去除氮磷等营养物质的技术来处理太湖流域农村地区的生活污水。 1 3 1 工艺概况 农村小型生活污水处理采用厌氧沼气池+ 多级跌水充氧接触氧化池+ 复合型人工湿地的组合工艺。 工艺流程如下： l污水回流1 原水上厌氧沼气池三麓黧广人工湿扣出水 l 讶广干化场一农田 图1 - 1 工艺流程图 流程说明：来自集水管网的原水和来自接触氧化池的回流水混合后进入厌氧沼气池，一方面，经过厌 氧发酵，将复杂有机物转化成低分子挥发性脂肪酸( 认) ，进而产生甲烷和二氧化碳；另一方面，利用 反硝化菌和原水中的碳源进行反硝化脱氮；经过厌氧处理后的污水用泵提升进入多级跌水充氧接触氧化 池。接触氧化池分五格串行，内装组合填料，其充氧采用跌水充氧方式，借助生长的填料上的微生物的作 用实现对有机物的去除和氨氮向硝氮的转化；经过跌水池的污水一部分回流入厌氧池，另一部分进入人工 湿地，剩余污泥则经干化后回用于农田。人工湿地为内充填碎砖、石子、砂等作为基质，种植芦苇、空心 菜等水生植物，同时采用投加石膏的方式增强除磷效果。人工湿地出水排入附近水体。 1 3 2 技术特点 根据分散污水的实际情况，着眼于污水处理装置的管理方便、效果好，将沼气池( 厌氧) 、跌水充氧 接触氧化池( 好氧) 、人工湿地结合在一起，具有如下诸多优点： 前置厌氧预处理。根据国际上的经验，将厌氧处理用于生活污水的预处理是可行的。不仅能够承受 较高的有机负荷，而且动力消耗少，污泥产率低，可以极大地降低有机物浓度和节省费用。并且厌氧的剩 余污泥高度无机化，是优质的肥料，可以回用。接触氧化池的出水回流进入厌氧池能够实现脱氮。 接触氧化池采用跌水充氧的方式。跌水充氧技术以前一般应用于地下水除锰除铁。通过试验确定的 新型跌水方式取得了很高的充氧效率，能够满足微生物生长的需要，节省了普通好氧工艺所必须的曝气费 用。 接触氧化池采用五级串联运行。五级串行的设置使得整个接触氧化段近似于推流式运行，根据反应 器理论，这种运行方式能够取得良好的处理效果。 投加石膏增强除磷效果。在人工湿地中投加石膏取得了很好的除磷效果。 人工湿地保证出水水质。人工湿地是一种自然处理技术，其基质和植物根系上富集了大量微生物， 2 第一章前言 通过微生物、植物和基质的共同作用可以进一步净化水质。 1 3 3 经济指标 通过中试试验，达到经济指标如下： 出水c o d e ，、t n 、t p 达到国家一级排放标准。 污水处理运行成本不超过o 3 元m 3 。 1 3 4 工艺的应用领域 该工艺主体为接触氧化法，多级跌水的设置使其具有推流反应器和阶式反应器的特点，可以实现良好 的有机物去除效果和硝化效果。通过运行方式的调整可以实现高效脱氮，后续的复合型人工湿地可以实现 高效除磷。接触氧化本身即具有生物膜法和活性污泥法的优点，因此具有良好的应用前景。 结合我国目前小型生活污水处理的现状，笔者认为该工艺应优先在以下范围推广：n 钉 富营养化水体流域内农村地区 随着农村经济的发展，卫生设备普及率逐渐提高，相应的农村生活污水( 尤其是粪便和尿液) 农田回 用率逐渐降低，大量的未经处理的生活污水进入自然水体，这是导致富营养化的重要原因。由于农村生活 污水分散及投资缺乏等特点，难以兴建大型污水收集管网，而富营养化水体的生态修复和农村地区的环境 改善又要求生活污水进行处理。 城郊新建小区 随着城市化进程的加快，许多新建小区向市郊推移，这些地区往往存在市政管网不完善的问题。节水 的要求也迫切需要对小区生活污水进行处理。 疗养院、度假村等 这些地方一般远离城市，濒临风景区和水源保护区，需要对污水处理后排放，往往还有脱氮除磷的要 求。 其它远离市政管网的地区 3 东南大学硕士学位论文 第二章理论基础 本工艺结合了厌氧、好氧与自然处理技术，体现了国际上小型生活污水处理的趋势。根据本工艺的技 术特点，介绍了厌氧、生物脱氮、生物和化学除磷的机理；鉴于人工湿地的机理较为复杂，也一并加以简 单介绍。 2 1 厌氧生物处理 根据现有的研究成果，通常认为厌氧生物处理过程分成三个反应阶段：水解、产酸脱氢、产甲烷，如 下图所示。1 5 1 6 1 不溶性有机物和大分子溶解性有机物 简单溶解性有机物 细菌细胞ii乙酸iic 0 2 + h 2il 其它产 产伊苑盼发i ( 产甲烷细菌作用) c h 4 + c 图2 - 1 厌氧三阶段示意图 在厌氧处理过程中，虽然反应是按三阶段进行的，但在厌氧反应器中，它们应该是瞬时连续地发生的。 2 2 生物脱氮 传统理论认为生物脱氮主要是硝化菌在好氧状态下将n i | + 一n 和有机氮转变为n 0 3 一一n 和n 0 2 一- n ，然后反 硝化菌在缺氧状态下将其转变为n 2 从污水中去除。需要指出的是，所谓的硝化菌、反硝化菌只是对能发生 硝化反应、反硝化反应的数类细菌的总称。 目前已初步搞清楚，硝化作用的生物化学机制是按以下途径进行：1 n h 3 一h 2 n 小i h 2 一n i l 2 - o h n 2 一n 2 0 ( h n o ) 一 n o n 0 2 。一n 0 3 氨联胺羟胺 氮气氧化亚氮( 硝酰基) 氧化氮亚硝酸硝酸 进行硝化作用的微生物主要是化能自养型，如硝化菌和亚硝化菌；另外还有少量的好氧性的异养菌和 真菌。 反硝化作用的主要反应过程为： c 6 h 1 2 0 6 + 4 n 0 b 卜6 h 2 0 + 6 c 0 2 + 2 n 2 + 能量 进行反硝化作用的微生物主要是异养型的反硝化菌，如脱氮假单胞菌、铜绿假单胞菌等；另外，在8 0 年代发现了好氧反硝化菌。 目前，基于微环境理论、异养硝化和好氧反硝化菌的发现及硝化作用的生物化学机制等，许多研究者 又提出了短程硝化反硝化、好氧反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化等工艺，通过环境条件控制和特殊 微生物的培养，优化或缩短生物脱氮反应途径以达到高效脱氮的目的。 2 3 生物和化学除磷 所有的污水除磷方法都包含两个过程，首先将磷酸盐转化为不溶性固体，然后通过固液分离从污水中 除去。能够结合磷酸盐实现除磷的固体包括富磷的生物固体和难溶的金属磷酸盐化学沉淀。由于常规活性 4 第二章理论基础 污泥法生物除磷率仅为2 5 左右，因此当磷的排放要求高时，必须将化学除磷与生物除磷结合起来。n 盯 生物除磷主要是靠聚磷菌在厌氧条件下释放磷和在好氧条件下过量吸收磷的作用。聚磷菌过量吸磷的 机理至今尚不明了。1 钉另外，微生物细胞体中的磷以及胞外聚合物吸附的磷也是污水除磷的重要途径。 化学除磷的基本原理是通过投加化学药剂形成不溶性磷酸盐沉淀物，然后通过固液分离除磷。可用于 化学除磷的金属盐通常有钙盐、铝盐和铁盐。化学除磷和p h 值的关系非常密切，铝盐和铁盐的最适p h 值 分别为4 、5 6 ，若采用石灰，则p h 值一般要大于1 0 才能取得较好的除磷效果。 c a 2 能形成的磷酸盐沉淀有：b 一磷酸三钙c a s ( p o 一) z 、羟基磷酸钙c a 5 ( o h ) ( p 0 4 ) a 、磷酸二钙c a h p 0 4 。采 用石灰沉淀法时，正磷酸盐在有o h 一存在的条件下，与c a 2 反应生成羟基磷酸钙沉淀，反应如下： 3 - i p 0 4 2 一+ 5 c a 4 0 1 - i - c a 5 ( o i l ) ( p 0 4 ) 3i + 3 h 2 0 从反应式可以看出，p h 值越高，磷的去除率越高。另外，污水中的碱度、镁也会消耗石灰量。u 钉 2 4 人工湿地 人工湿地的除污机理比较复杂。现有的研究发现人工湿地对氮磷的去除主要是通过基质、植物以及微 生物的共同作用来完成的，在污染物去除过程中发生一系列的物理、化学和生物化学反应，而微生物则是 主角，水生植物和湿地基质则为微生物的生长提供了良好的环境啪1 。 植物在人工湿地氮磷物质去除中起着重要的作用。一方面，植物自身能吸收一部分氮磷。有研究发现 人工湿地经过一段时间运行以后，植物体各器官含磷量各不相同，它们依次为叶 根 茎 胚轴，且都随污水 浓度升度而升高瑚1 ；此外，在植物体的不同生长期其磷含量也不相同。另一方面，植物根区为微生物的生 存提供了必要的场所和好氧、厌氧条件一 。植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根部，从而在根际 形成一种好氧环境，在根际附近形成缺氧环境，远离根际的地方形成厌氧环境，这样就在湿地床体内形成 很多微型的a a o 单元。这能有效促进不同类型微生物的生长，达到去除污水中氮磷的目的。 目前广泛应用的湿地基质主要有砾石、沙粒、土壤、煤渣等。一方面，湿地基质为微生物的生长提供 稳定依附表面，同时也为植物提供了载体和营养物质。当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学 的途径( 如吸收、吸附、滤过、离子交换、络合反应等) 去除污水中的氮磷等营养物质。有研究发现，从污 水中除去的磷主要存留在湿地基质中，留存于植物体中的很少瑚1 。其中p h 值将起到十分重要的作用。可 溶性的无机磷化物很容易与a 1 3 + 、f e 3 + 、c a 2 + 等发生吸附和沉淀反应。c a 2 + 易于在碱性条件下发生作用，而与 a 1 3 + 、f e 3 + 主要是在中性或酸性环境条件下发生反应。值得注意的是，废水中的磷只是被吸附停留在基质的 表面，而且这类吸附沉淀反应去除的磷也不是永久地沉积在基质中，至少是部分可逆的。 微生物的作用是废水中污染物去除的主要机制。有机氮和氨氮在根际好氧区发生硝化反应被转化成硝 态氮，在缺氧区被反硝化成氮气逸出。由于植物根系的十分发达，因此能够发生硝化反硝化反应的a a o 区域非常之多，当进水中硝氮较多的情况下总氮去除率能达到相当高的水平。 影响人工湿地去除效率的一个不可控因素是温度。湿地反应不可避免地都受到温度的影响，有研究发 现人工湿地对氮磷等营养物质的去除率夏季明显高于冬季。 5 东南大学硕士学位论文 第三章研究内容、试验装置及方法 3 1 研究内容 ( 】) 系统处理最佳负荷； ( 2 ) 跌水充氧接触氧化池停留时间的优化； ( 3 ) 跌水充氧效率的影响因素与接触氧化他内耗氧规律 ( 4 ) 人工湿地脱氮除磷与石膏除磷机理试验 ( 5 ) 跌术段与人工湿地微生物分析 3 2 试验装置 试验装置主要由2 个厌氧沼气池( 砖棍) 、5 个接触氧化池( p v c 制) 、1 个复合型人工湿地以及l 台水泵 自吸式) ，1 套液位控制器( 浮球式) 组成。平面布置如图3l 所示现场中试装置如图32 所示。 试验用污水来自宜兴市大浦镇林庄自然村的生括污水。 幽31 中试装置平面布置 圈3 - 2r 试驶置现场 3 2 1 厌氧沼气池 厌氧沼气池由几部分组成： 进料池：平面尺寸为l m 1 m ，砖混结构。 沼气池：共2 座，规格为6 m 谵，下部圆形，寅径27 m ，高i2 m 上部圆拱形高o8 m ，砖混结构。 出料池；兼作调节池用；平面尺寸为2 m x2 m ，砖混结构； 3 2 2 接触氧化池 采取五级跌承，故设五个单池，池内装填弹性填料、组合填料。按水流方向将接触池编号，依次为1 、 i i 、v ：单池用p v c 扳加工制成i 池中设隔板，水流从隔板一侧流 ，穿过隔板底部，从另一侧 流出( 如图33 ) 。 单池设计：i 、i i 号池：单池面积设为05 m 06 m ，有效高度为lo m 故有效容积为03m 3 ：i 、 号池：单池面积尺寸设为o5 r e x 06 m 有效高度为08 m ，故有效窖积为02 4 一：v 号池：单池面积尺 寸设为 r e x 06 m 。有效高度为05 m ，故有效容积为03 一。总有效窖积为1 3 8m 3 。池底泥斗高均为02 m ， 第三章研究内容、试验装置及方法 各池出水堰采用直角三角堰，堰上水头取h 严0 0 2 m ，每个三角堰流 量q 产1 3 4 3h 1 2 4 7 = 1 3 4 3 o 0 2 2 一t = 8 5 4 3 x1 0 1 1 1 3 s ，共设1 0 个三角 堰。考虑到i 号池负荷比较大，初步设置跌水高度为1 3 m ，其余四 池每池跌水高度为o 5 m ，分为两级；其中第二级跌水挡板为可调。 v 号池出水部分进入人工湿地，部分回流到厌氧池，回流管管 径为5 0 m m 。 3 2 3 人工湿地 复合型人工湿地，平面尺寸为1 5 r e x7 o m ，池底坡度为0 5 。 有效高度为0 7 5 m ，从底部向上依次填充4 0 c m 碎砖，3 0 c m 碎石，5 c m 细砂：表面有2 4 c m 水深。系统长宽比为4 6 7 ，接近推流式。沿程 共分四格，其间用隔墙隔开( 如图3 4 ) 。进水管径为5 0 r a m ，出水管径 为l o o m 。 人工湿地床体内每格中间位置设一个取样口，与湿地底部的距离 均为5 5 c m ，取样口预埋d n l 0 p v c 取样管，出水由小球阀控制。 跌入 出水堰 图3 - 3 跌水单池示意图 、i 【n f f f 可 i 【且fl l 一= i 图3 - 4 潜流式人工湿地示意图 3 3 分析项目、方法及仪器 常规检测项目、监测方法及所用仪器见表3 1 。 表3 - 1 试验项目及方法2 3 1 3 3 1 芦苇全氮全磷含量测定 全磷测定：硫酸一双氧水一奈氏比色法测定憎1 全磷测定：硫酸一双氧水一钒钼黄比色法啪1 3 3 2 微生物监测一一荧光原位杂交技术 荧光原位杂交( f l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n ，f i s h ) 技术的原理是d s d n a 变性后和带有互 补序列的同源单链退火配对形成双链结构的过程。退火复性形成的可以是双链d n a 或d n a r n a 异质双链分 子，带有荧光标记的探针与固定在玻片或纤维膜上组织或细胞中特定的核苷酸序列进行杂交，探测其中所 有的同源核酸序列，结果直接在荧光显微镜下即可观察，而无需单独分离d n a 或r n a 。该技术特异性和灵 7 东南大学硕士学位论文 敏度极高，探测的灵敏度可达到1 0 2 0 个m r n a 拷贝细胞1 4 1 1 。因此它具有传统方法不可比拟的优势。它 为研究环境微生物数量、空间分布等信息提供了有效的检测手段。 f i s h 法检测硝化细菌的步骤： ( 1 ) 玻片处理 玻片清洗：玻片用热肥皂水刷洗干净，l 的盐酸浸泡。 硅化处理：将玻片和盖玻片用l 的盐酸煮沸1 0 分钟后， 明胶涂片制各：6 0 c 的0 i d e p c 处理的蒸馏水中，同时加入4 毫升2 5 硫酸镉钾。将烘干的玻片 放入明胶中l o 分钟，取出后室温下干燥，然后置6 0 c 烘箱中过夜备用 ( 2 ) 样品的预处理 取样：用0 i d e p c 浸泡的聚乙烯管子取活性污泥； 固定：聚甲醛于4 固定4 小时； 样品处理：将固定样本用磷酸缓冲液( p b s ) 离心漂洗二次，用p b s ：乙醇液稀释备用。 热固定脱水：热固定后的样品依次乙醇室温下脱水。 ( 3 ) 杂交反应 亚硝化菌的探针和硝酸菌的探针见表3 2 。探针浓度均为5 0 n g i il 。 表3 - 2 硝酸菌与亚硝化菌探针序列 c n i t 3 是硝酸菌探针n i t 3 的竞争探针 密闭杂交盒下放吸水纸，用杂交液湿润，使杂交环境保持一定湿度，高压备用。每张带有样品的玻片 上加入2 4l l1 的杂交液和lp1 探针，加盖硅化盖玻片，放入杂交盒内进行杂交反应。杂交温度与杂交时 间经正交试验确定。 ( 4 ) 杂交后洗脱 将杂交后的玻片从杂交盒取出放入4 8 预热的杂交洗脱液中2 0 分钟，取出后用d d l t 。o 漂洗，室温下 晾干。 ( 5 ) 镜检 玻片干燥后在荧光显微镜( n i k o n2 2 1 8 8 4 ) 下观察，滤光片为b 光源。阳性为橙色、绿色，观测3 0 个视野记录硝化细菌数目。 细菌丰度( c e l l g ) - a s , ( s 2 v ) a 为视野中细菌平均数； s 。为样品涂抹的面积； s 。视野面积； 、为样品体积； ( 6 ) 阴性阳性对照 阴性对照：活性污泥样品进行杂交，杂交液中不含探针； 阳性对照：标准亚硝化细菌和硝酸菌。 8 第四章工艺系统的处理效果 第四章组合工艺处理效果 将整个工艺视为一个系统，其中每个处理构筑物为一个单元。虽然影响每一个单元处理效果的因素都 会对系统处理效果产生影响，但是在此处主要讨论了处理负荷对系统处理效果的影响。 试验时间是从2 0 0 4 年5 月1 0 月，共6 个月：试验温度在1 5 ，一- - 3 5 c 之间，进水p h 在7 o 8 0 之间， 全天2 4 h 运行。试验期间进水水质见下表。 表4 一l 进水水质浓度( m g l ) 4 1 挂膜 中试装置于4 月底建成，林庄自然村生活污水收集管网同期完工。试验装置即开始接纳生活污水，进 入运行调试阶段。5 月初的水质监测结果显示进水浓度偏低，导致跌水池弹性填料挂膜困难。6 月初开始 决定用人工加药( 面汤、白糖) 的方式提高进水浓度；同时进行曝气，曝气方式为白天跌水+ 曝气，晚上 跌水。曝气三天，观察到填料上有生物膜出现。继续曝气一周后停止曝气。期间，利用常州某污水厂的浓 缩污泥接种，但是无明显效果。原因可能是接种污泥已经经过加药混凝工序，并经干化，呈黑色。投加该 污泥产生的后果是7 个月后打开跌水池的排泥管仍能发现有黑色的污泥流出。另外，跌水池出水c o d e r 常 常会比进水高，怀疑也和这次投加污泥有关。 6 月底，观察到跌水池中填料上生物膜大量长成，同时，打开排泥管发现有少量脱落的生物膜流出。 此时，认为挂膜基本完成。 4 2 处理负荷对去除率的影响 处理负荷按接触氧化池总容积符合来计算。 试验考察了在不同的处理负荷下c o d e ，、n l l 3 一n 、t n 、t p 的去除率变化，确定合适的处理负荷。 4 2 1c o 阢的去除 由图4 一l 可见，系统处理出水c o d c ，稳定在3 0 - , - 4 0 m g l 之间。经过厌氧沼气池，c o d c , 有3 0 - 5 0 的 下降，这说明对于低浓度废水，厌氧预处理仍能获得比较满意的效果。但当平均进水c o d c r 值低于8 0 m g l 时，厌氧出水c 0 1 ) c ，仅下降了不到1 0 ，说明浓度过低对厌氧预处理有不利的影响。 当处理负荷由0 4 0 k g c o d c jm 3 d 下降到0 0 9 4 k g c o d c r m 3 d 时，跌水段的处理效果有所提高，可见 降低处理负荷对跌水段c o d e 。去除效果有增强作用；而与此同时，人工湿地的出水c o d c 。却略有升高，说明 降低负荷对人工湿地的去除效率有负面影响。由于改变容积负荷是通过改变水力负荷实现的，而水力负荷 的降低会导致跌水充氧效率的降低，进而降低进入人工湿地的溶解氧量，这会增强人工湿地的缺氧、厌氧 进水厌氧跌水出水 o 旨 一 趟 臻 z f 重 1 6 1 4 2 o 8 2 5 8 2 7 8 2 99 2 9 69 79 89 1 1 日期 图4 - i 不同c 0 1 ) c ，负荷时去除情况 图4 - 2 硝化菌培养期间跌水池氨氮去除 9 m 靳 帕 一j奢一。才8 东南大学硕士学位论文 状态，对c 0 1 ) c ，去除有不利影响。总的表现为系统c o 瞻平均去除率从6 2 8 下降到4 0 4 。 由图中可以看出，比较适合的负荷是0 2 7 k g c o d c ，m 3 d ，相应的水力负荷为4 - - 6 m 3 d 。 4 2 2m - n 的去除 运行初期的监测数据表明，跌水池的硝化效果很差。8 月下旬，选择无锡某污水厂a 2 o 工艺二沉池的 污泥进行硝化菌接种。同时，投加某公司的成品菌种( 持续投加一周) 。同时进行水质监测。图4 - 2 为硝 化生物膜培养期间跌水池进出水氨氮变化情况，从图中可以看出，跌水池出水的氨氮浓度逐渐降低，这说 明硝化菌已经开始大量繁殖。经过1 0 天左右，氨氮基本被完全硝化，说明硝化生物膜已经培养成功。 硝化生物膜基本培养好后，系统氨氮去除效果如表4 - 2 所示。 表4 - 2n i l 。+ - n 负荷与去除情况( 表中为平均值) 由上表可见，在进水n h + - n 浓度较低的情况下，n h 。+ 一n 的去除相当彻底；而且氨氮去除主要是在跌水 池完成的。这是由于跌水池接触氧化池硝化生物膜已经培养好的缘故，而且也有利于回流反硝化脱氮和人 工湿地生物脱氮。 从上表还可以看出，进水平均n h 4 + - n 负荷在2 7 9 - , i i 6 5g n h 。+ n m 3 d 的范围内，n i 。+ _ n 去除率始 终稳定在8 0 以上，由此可见系统有较强的抗u i h + - n 冲击负荷的能力，预期能够承受更高的进水负荷。 4 2 3t n 的去除 表4 3t n 负荷与去除情况( 表中为平均值) 由于进水有机物浓度低，因此预期沼气池可能无法完全实现厌氧状态，因此反硝化脱氮效果不甚理想。 但是从上表可以看出，经过厌氧池，t n 浓度还是有所下降；可以期待，当进水有机物浓度提高时，脱氮效 果也能相应提高。跌水池是处于好氧状态的接触氧化池，t n 的去除仅仅是依靠微生物自身繁殖，t n 去除 有限。t n 的去除主要是在人工湿地实现的。从上表中可见，随着进水t n 负荷的降低，t n 去除率升高。值 得一提的是，当进水负荷为6 3 4 9 t n m 3 d 时，人工湿地出水t n 有多次监测不出。这说明减小进水t n 负 荷能够有效提高t n 去除率。 4 2 4t p 的去除 水体中p 元素过量是造成水体富营养化的主要原因。 由于本试验的主要目的之一是降低入太湖的n 、p 负荷。因此，除磷是试验中的一项重要内容。本试 验采用投加废石膏( 投加位置为人工湿地进水区) 的方式来增强系统的除磷效率，取得了良好的效果。 表4 4t p 负荷与去除情况( 表中为平均值) 由上表可见，t p 浓度经过厌氧池后有所下降，这应该是由于厌氧池长的水力停留时间而使颗粒性t p 发生沉淀的原因；而经过跌水池则基本上没有变化；t p 的去除主要是在人工湿地中实现的。当t p 负荷维 持在7 0 4g t p i l l 3 d 时，投加石膏前后t p 平均去除率由2 7 7 上升到6 8 1 ，可见投加石膏对于t p 去 l o 第四章工艺系统的处理效果 除效果有明显的增强作用。投加石膏以后，当负荷从7 0 4g t p m 3 d 降低至3 4 2g t p m 3 d 时，t p 去除 率有所上升；但当负荷继续下降至1 0 4g t p m 3 d 时，t p 去除率则略有下降。分析其原因，负荷下降导 致水力停留时间增大，而人工湿地水力停留时间的增大引起p h 下降幅度增大而致使磷酸盐略有析出。从 表中可见，最佳负荷为3 4 2g t p m 3d 。 东南大学硕士学位论文 第五章多级跌水接触氧化工艺特性研究 生物接触氧化工艺出现在2 0 世纪7 0 年代初，近1 0 - - 2 0 年来得到了迅速的发展和应用t 2 4 1 。其原理是 在池内设置填料，填料上布满生物膜，污水以一定流速流过，在有氧条件下与生物膜接触，在微生物的作 用下，污水中的有机物得到去除。 我国在7 0 年代初引进生物接触氧化技术，并将之应用于包括生活污水在内的水处理领域，取得了巨 大的经济和社会效益。生物接触氧化法兼有活性污泥法和生物膜法的优点，被称为是具有活性污泥法优点 的生物膜法。其特点有： 工艺方面：( 1 ) 生物膜上微生物丰富，能够生长世代时间较长的细菌和多种原生后生动物，以及在普通 活性污泥法中不乐见的丝状菌而不必担心污泥膨胀；( 2 ) 填料表面为生物膜所覆盖，形成了生物膜的主体结 构，再加上丝状菌的大量繁殖，可以形成一个呈立体结构的密集的生物网，能起到过滤的作用，可以有效 地提高处理效果；( 3 ) 生物膜活性较高，从而保持较高浓度的活性生物量，有利于提高处理的有机负荷和处 理效果。 运行方面：( 1 ) 出水水质好而且稳定，对水量水质变动有较强的适应性；( 2 ) 能够处理活性污泥工艺所不 宜处理的低浓度废水1 3 9 1 ( 3 ) 污泥量少，污泥沉降性能好，宜于固液分离：( 4 ) 操作简单，运行方便，动力 消耗低。 本试验中，采用跌水的方式进行充氧，是接触氧化工艺充氧方式上的一个创新，本章主要从停留时间、 充氧效率、耗氧规律三个方面进行了一些探索。 5 1 水力停留时间的影响 试验中考察了三种不同的水力停留时间时跌水池的去除率变化情况，其结果如图5 1 。 5 1 1c o 瞻去除 由图5 - 1 中可以看出，跌水池c o d e ，的去除率在3 0 4 0 之间；本试验接触氧化池c o 瞻去除率不高，