（环境工程专业论文）强化人工土滤料对污水去除效果的研究.pdf

摘要 人工土快滤处理是污水处理较好的方法，但仍存在一些缺点：一是难以迸一步达到更高的水 环境质量标准，特别是提高对污水t n 的去除率有待于达到更高的要求；另一方面出水的养分含 量对于农田灌溉应用来说，养分又显不足。本论文研究一方面对不同粒径滤料和不同厚度的滤床 处理出水进行满足农田应用研究；一方面通过不同的添加材料和不同的方式强化快滤床对污水污 染物的去除效果，特别是强化对t n 的去除。 试验结果表明：在适合农田灌溉的水质条件下，第二组粒径( 0 2 5 m m - 4 1 5 r a m ) 滤料厚度为 4 5 c m 6 0 e r a 的处理出水可以满足农田灌溉水中的早作和水田标准，如果滤床厚度增加，还可能接 近或满足蔬菜灌溉的水质要求。第一组粒径( 0 1 0 m m - 4 ) 2 5 m m ) 滤床出水基本适合各类农田灌溉 的标准，但滤床厚度只有在4 0 c m 和4 5 c m 才可以得到较高的渗透速率；其他三组大粒径不同厚 度快滤床处理的渗透速率都很高，但出水水质较差，不过可以作为其它水处理设施的预处理。 添加灰渣可以显著地提高滤床渗滤速率，添加量为7 时，对污染物有较好的去除，处理综 合效益最高、经济成本投入最少，对t n 的去除率为7 0 1 ，比原人工土提高了1 8 9 ；其它添 料的处理也都提高了对污染物的去除效果，但渗透速率都有不同程度降低，经济成本投入高于添 加灰渣的处理。 以不同方式对7 灰渣添加量的处理进一步强化研究，结果显示：植物强化、曝气强化、微 生物强化和综合处理都进一步提高了滤床对污染物的去除效果，对t n 的去除效率又提高了1 0 左右，其中综合处理对t h 的去除效率最高为8 2 6 5 ，植物强化为8 1 6 4 。综合效益分析结果 表明，植物强化是本组的最佳选择方案。 关键词；人工土快滤强化水质渗透速率 a b s t r a c t t h ea r t i f i c i a ls o i lr a p i di n f i l t r a t i o ni so n eo ft h eb e s tw a yf o rw a s t e w a t e rr e m o v a l ，b u ti ts t i l lh a s s o m el i m i t s ：o n ea s p e c ti st h a tw a t e rq u a l i t yo fo u t p u ti sc l o s eo re x c e lt h es e c o n d a r yl e v e ld i s c h a r g e s t a n d a r do fs e c o n d a r yb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp l a n t ，b u ti ti ss t i l ln e e d i n gt om e e tw i t hh i g h e rl e v e l ， e s p e c i a l l yr e m o v a le f f i c i e n c yt ot n ( 3 0 - 4 0 ) i sn o tg o o de n o u g h ；a n o t h e ra s p e c ti st h a tn u t r i e n ti n o u t p u tw a t e ri sl e a n n e s sf o rp l a n t si r r i g a t i o n o u rs l u d yh a st w ot a s k ：o n ei st e s tt h a to u t p u tw a t e rf r o mt h eb e di nd i f f e r e n tg r a n u l a r i t ya n dd i f f e r e n t h e i g h tt om e e ti r r i g a t i o ns t a n d a r d ；t h eo t h e ri si n t e n s i f yt h ea s r l - b e d sf u n c t i o n ，e s p e c i a l l ya d v a n c e r e m o v a le f f i c i e n c yo f t n t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h et e s tf o rt h ef i r s ta i m ，o u t p u tw a t e ro fb e d ( t h eg r a n u l a r i t y 0 2 5 n u n o 5 m m ) w h o s eh e i g h ti sb e t w e e n4 5 e r at o6 0 c mc mm e e ti r r i g a t i o nf o rd r yf a r m i n ga n dp a d d y f i e l d t h eb e di sh i g h e lo u t p u tw a t e rw i l lc l o s eo rm e e tw i t hs t a n d a r df o rv e g e t a b l e si r r i g a t i o n o u t p u t w a t e ro ft h eg r a n u l a r i t y ( o 1 0 m m o 2 5 m m ) i sg o o df o ri r r i g a t i o n ，b u tt h ek ti sn o tb i ge n o u g ho n l yi f t h eb e dh e i g h tb e t w e e n4 0 c m - 4 5 c m o u t p u tw a t e rf r o mt h eb e do fo t h e rg r a n u l a r i t yi nd i f f e r e n th e i g h t i sn o ts og o o d ，b u ti tc a nb ep r e t r e a t m e n tf o ro t h e re s t a b l i s h m e n tf o rt h ek ti sh i g h w h e nc i n d e ri sa d d e di nt h ea s r l - b e d ，i t sk ti se v i d e n t l ya d v a n c e d ，s od ob et h er e m o v a l e f f i c i e n c y , a n di t sc o s ti st h el o w e s t 7 s h o u l db et h ef i t t e s ta m o u n to fc i n d e ra d d e d t h ee f f i c i e n c yo f w a s t e w a t e rr e m o v a li st h eb e s t a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yt ot ni sa d v a n c e d1 8 9 r e m o v a l e f f i c i e n c yo fb e da d d e dw i t ho t h e rp a d d i n gi sa l s oa d v a n c e d ，b u tt h e i rk ti sl o w e r e d ，a n dt h e i rc o s ti s h i g h e rt h a nt h eb e da d d e dw j t l lc i n d e n w h e nt h ea s r l - b e da d d e d 埘t h7 c i n d e ri sf u r t h e ri n t e n s i f i e di nd i f f e r e n tw a y , t h ea s r l - b e d s f u n c t i o na d v a n c e df u r t h e r t h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yt ot nb e l o n g st os y n t h e s i st r e a t m e n t ：8 2 6 5 ： p l a n tt r e a t m e n t ，t h es e c o n d ：8 1 “；w h e ns y n t h e s i s - b e n e f i ta n a l y z e d ，p l a n tt r e a t m e n ti st h eb e s t s e l e c t i o n k e y w o r d s ：a r t i f i c i a ls o i l r a p i di n f i l t r a t i o n ，i n t e n s i f y ，w a t e rq u a l i t y ，k t 图表目录 表1 - 1 污水处理工艺的能耗比5 表1 - 2 人工土快滤技术与几种美国土地处理技术的参数比较一6 表1 3 深圳白泥坑人工土壤植物床与一些其它处理厂工艺的经济分析1 1 表1 4 农田灌溉水质标准( g b 5 0 8 4 - 9 2 ) 1 3 表1 5 中华人民共和国国家标准景观娱乐用水水质标准1 3 表2 1 粗处理滤料级配方案1 6 表2 2 不同粒径滤料的基本理化性质1 6 表2 - 36 0 e m 滤床进水水质状况1 7 表2 4 相同滤层厚度( 6 0 ) 不同粒径土柱出水各指标参数1 7 表2 55 5 c m 滤床进水水质状况1 9 表2 - 6 相同滤层厚度( 5 5 c m ) 不同粒径土柱出水各指标参数1 9 表2 75 0 c m 滤床进水水质状况2 1 表2 - 8 相同滤层厚度( 5 0 c r n ) 不同粒径土柱出水各指标参数2 l 表2 - 94 5 c m 滤床进水水质状况2 2 表2 1 0 相同滤层厚度( 4 5 c m ) 不同粒径土柱出水各指标参数2 3 表2 1 l 进水水质状况2 4 表2 1 2 相同滤层厚度( 4 0 c m ) 不同粒径土柱出永各指标参数2 4 表3 1 进水水质状况2 6 表3 2 本组各处理灰渣的添加方案2 6 表3 - 3 本组各处理灰渣的添加方案2 7 表3 - 4 添加灰渣各处理的渗透速率2 7 表3 - 5 各处理人工士快滤床的主要污染物出水浓度水平2 8 表3 _ 6 进水水质状况3 1 表3 7 活性炭的添加方案3 1 表3 - 8 滤床的物理化学指标3 1 表3 - 9 添加灰渣各处理的渗透速率3 2 表3 1 0 添加活性炭对人工土快滤床的出水水质和渗透速率3 2 表3 1 1 进水水质状况3 4 表3 1 2 粉煤灰的添加方案3 5 表3 1 3 不同粉煤灰添加量的滤料的物化指标3 5 表3 1 4 添加粉煤灰各处理的渗透速率3 5 表3 - 1 5 添加粉煤灰各人工土快滤床出水浓度水平3 5 表3 1 6 进水水质状况3 8 表3 1 7 硅藻土的添加方案3 8 表3 1 8 添加硅藻土各处理人工土滤料的理化性质3 8 表3 1 9 添加硅藻土各人工土快滤床出水浓度水平3 9 表3 2 0 不同材料不同添加星对人工土快滤床处理综合效益a 值影响分析4 1 表4 - 1 进水水质状况4 4 表4 2 不同处理相应的处理号4 5 表4 3 不同强化处理的人工土滤料的物化性质4 5 表4 4 各强化处理的渗透速率4 5 表4 5 不同处理的出水水平4 6 表4 - 6 不同强化处理方式滤床处理综合效益a 值分析4 8 图1 - 1 技术路线1 4 图2 - 1 滤床处理装置示意图1 5 图2 - 2 不同滤料6 0 c m 滤床厚度对各种污染物的去除效1 8 图2 - 35 5 c m 厚度不同粒径处理柱的处理效果2 0 图2 _ 45 0 c m 厚度不同粒径处理柱的处理效果2 2 图2 - 54 5 c m 厚度不同粒径处理柱的处理效果2 4 图2 - 64 0 c m 厚度不同粒径处理柱的处理效果2 5 图3 - 1 添加灰渣对污染物指标的去除效果2 9 图3 2 添加活性炭的处理效果3 3 图3 - 3 添加粉煤灰的人工土快滤床的处理效果3 6 图3 - 4 添加硅藻土对人一【土快滤的去除效果影响3 9 图3 - 5 加入四种添料的不同加入量的经济成本4 2 图4 - 1 不同强化方式模式图4 4 图4 - 2 不同处理对污水有机物指标c o d c , 的去除效果比较4 6 图4 - 3 不同处理对污水t n 和n h 4 + n 去除效果比较4 7 图4 - 4 不同处理对污水什的去除效果比较4 7 v 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 过。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： 关于论文使用授权的说明 时问：肿乡月厂舻日 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) 繇别各肆 研究生签名：c i l7 ；斧、嗡阍：弘内t 年i 睫，g b 翩签彩l 超 慨舻锄日 v 2 r ， 扣 一 中国农业太学颈士论文第一章绪论 1 1 立题背景 第一章绪论 水是生命之源，是人类利用最多的自然资源，水资源的可持续利用是所有自然资源可持续开 发利用中最重要的一个问题。近几十年来，随着人口增长、经济发展以及入 f j 生活水平的提高， 人类社会对水的需求量迅速增长，加之人类活动造成水污染和水污染的进一步加剧，使得可用水 资源减少，危及人类对水资源的基本需求，使得1 i i ：界上许多国家和地区出现水资源危机，进而引 发一系列的经济和社会问题。目前，水资源紧缺已经成为当今世界许多国家社会经济发展的制约 困素，引起人们的普遍关注。早在1 9 7 2 自g 联合营第一次环境与发展大会即已指出：“石油危机之 后，下一个危机便是水”。1 9 7 7 年，联合国人会进一步强调：“水，不久的将来将成为一个深刻的 社会危机”。1 9 8 9 年，联合国前秘书长加利说：“未来的战争将为水而战”。1 9 9 2 年，一些专家指出： “到2 1 世纪，水、粮食和能源这三种资源中，最重要的是水”。1 9 9 7 自g ，联合国再次呼吁：“目前地 区性的水危机可能预示着全球性往机的到来”。1 9 9 9 年，联合国教科文组织在日内瓦召开全球水 文大会，再次动员世界各国为解决日趋严重的水资源危机而积极行动起来，加强各国之间的合作， 以寻找解决或缓解越来越严重的全球水资源危机的有效途径。目前，设在世界水理事会的2 1 世纪 世界水资源委员会，正在着手制订2 1 世纪水、生命和环境长期构想( 郝仲勇，2 0 0 0 ；l u n d q v i s t j ， 2 0 0 0 ) 。 1 9 7 2 年，联合国就发出警告：“水，将导致严重的社会危机”，水的问题将成为2 l 世纪危及全 球的重大国际问题。( 胡宏韬等，2 0 0 1 ) 当今人类忽视了这一方面，力求发展经济，有一段时期 过度开采利用和污染了可贵的天然水资源，破坏了水资源的自然循环，导致水资源无法可持续利 用。从而产生了水资源问题，然而时值今日，地球环境恶化已从部分发展到全球，形势十分严峻， 水资源在日益匮乏的今天尤为显得重要。 经济发展模式的片面。很多国家在速度加快、规模扩大的目标下，采取一种粗放的、以消耗 环境和不可再生资源为主的发展模式，在过度的物耗中片面追求数量的增长。在近半个世纪里， 农业用水增加了5 倍，市政用水和城镇家庭生活用水增加了1 8 倍，工业用水增加了2 6 倍。如不 严加控制，半个世纪后，全球人口将突破1 0 0 亿，人类对能源、水、原材料的需求至少还要增加 一倍。但地球上的资源却难以无限再生，来支撑人类无限的需求( 张慧芳，2 0 0 1 ) ，水资源的短 缺在发展中国家显得尤为突出。 中国是一个缺水国家，人均水资源量为2 3 5 0 m a a ，只占世界人均水资源量8 8 4 0 m a a 的2 6 6 ， 在联合国公布的1 4 9 个国家中摔在1 0 9 位，是世界上1 3 个贫水国之一。中国的水安全问题的主 要因素有：水资源匿乏占世界2 2 的人口。淡水仅为8 ，不足世界人均水平的1 4 ，是世晃 1 3 个贫水国之一：水质污染7 大水系中近一半河段污染严重，8 6 的城市河段水质超标；永 生杰；环境遭破坏一1 9 9 7 年黄河断流2 2 6 天，海河已成为季节河，水土流失严重，浪费大，占总用 水量7 3 的农业用水效率低于3 0 ；水资源时空分布不均8 1 水资源集中在耕地面积只占 3 6 的南方地区。2 0 0 0 年，我国的需水总量为8 2 4 2 亿吨，而水资源可供给量为6 6 0 0 - 6 7 0 0 亿吨， 中国农业大学硕士论文第一章绪论 供水差距相当悬殊，全国已进入水安全危机的初期阶段，局部地区和城市迈入水安全危机的中期 阶段( 洪阳、栾胜基1 9 9 8 ) 。1 9 9 7 年中国人均占有淡水资源为2 2 9 1 立方米，在世界1 5 3 个国家 ( 地区) 中排第1 2 1 位，属于淡水资源脆弱国家。目前中国有6 6 0 个城市存在水问题，3 0 0 多个城 市缺水，其中1 0 8 个城市严重缺水( 孟庆民，1 9 9 9 ) 。在全国6 6 8 个城市中，有4 0 0 多个城市供 水不足，因为缺水，全国的工业产值平均每年减少人民币2 3 0 0 多亿元；全国农田平均受旱面积 由7 0 年代的1 1 3 1 0 5 k m 2 增加到1 9 9 7 年的3 3 3 x 1 0 5 k m 2 ；每年因缺水造成粮食减产7 5 0 1 0 0 0 亿 k g 。每年有9 3 3 x 1 0 5 k m 2 草场缺水，农村约有8 0 0 0 万人口和4 0 0 0 多万头牲畜饮水困难( 万本太， 1 9 9 9 ) 。 1 1 1 水污染问题 水污染的问题，主要在于原有的污染还未得以解决一即污染很严重很难治理的情况下，新的 污染又产生，由此出现了水污染的恶性循环。 1 1 1 1 主要水系污染 水污染问题越来越严重。据不完全统计，中国七大水系、湖泊、水库和9 0 的城市河流受到 不同程度的污染。1 9 9 7 年，全国废水排放总量为4 1 6 亿吨，工业废水排放量为2 2 7 亿吨，生活污 水捧放量为1 8 9 亿吨。黄河、淮河、海河、滦河和大辽河水系污染较严重。2 0 0 2 年，七大水系辽 河、海河，淮河，黄河，松花江、长江，珠江的7 4 1 个重点监测断面中，2 9 1 的断面满足i i 类水质要求，3 0 0 的断面属、v 类水质，4 0 9 的断面属劣v 类水质。其中七大水系干流及主 要一级支流的1 9 9 个国控断面中，l 埘i 类水质占4 6 3 ，、v 类水质断面占2 6 1 ，劣v 类水 质断面占2 7 6 ，各水系干流水质好于支流水质。2 0 0 2 年，全国工业和城镇生活废水排放总量为 4 3 9 5 亿吨，比上半年增加1 5 ，其中工业废排放量2 0 7 2 亿吨，比上半年增加2 3 ；城镇生活 污水排放量2 3 2 3 亿吨，比上半年增加o 9 ，废水中化学需氧量( c o d ) 排放总量1 3 6 6 9 万吨， 比上半年减少2 7 ，其中工业废水中c o d 排放量5 8 4 0 万吨，比上半年减少3 9 ；城镇生活污 水中c o d 排放量7 8 2 9 万吨，比上半年减少1 8 ( 景跃军、王胜今。2 0 0 0 ) 。 1 1 1 2 水体富营养化 湖泊污染我国的湖泊普遍受到化肥、农药、乡镇企业和生活污水的污染。平原湖泊8 0 受到 污染，其中有2 6 的湖泊富营养化( t y 本太1 9 9 9 ) 。太湖氮、磷污染较重，全湖处于中度富营养 化状态，由于氮、磷的污染，湖体水质介于类至劣v 类之间，v 类和劣v 类水质断面占1 0 1 个 监测断面的6 5 4 ( 国家环境保护总局1 ，2 0 0 0 ) ；滇池氮、磷污染严重，全湖均为v 类和劣v 类 水质，富营养化问题严重，其中草海总磷、生化需氧量年均值分别超过地表水类标准9 8 倍和 2 3 6 倍；巢湖富营养化问题突出，全湖均为劣v 类水质，总磷、总氨超标率分别为1 0 0 和5 0 ， 超标倍数分别在0 2 1 - 1 5 6 和1 0 1 2 9 7 之间( 胡宏韬等2 0 0 1 ) 。2 0 0 1 年太湖和滇池外海均属中度 富营养状态，巢湖属轻度富营养状态。其它大型湖泊和城市湖泊都呈不同程度的富营化趋势，主 要污染物是总磷和氨氮( 国家环境保护总局，2 0 0 2 ) 。主要的大淡水湖泊污染程度次序为巢湖、 滇池、南四湖、太湖、洪泽湖、洞庭湖、兴凯湖、博斯腾湖、松花湖、洱海，其中巢湖、滇池、 2 中国农业大学硕士论文第一覃绪论 南四湖、太湖污染最重，问题最突出( 吴舜泽、夏青、刘鸿亮等，2 0 0 0 ) 。 赤潮1 9 9 9 年，中园海域共记录到1 5 起赤潮，比1 9 9 8 年减少7 起。1 5 起赤潮中，以7 月 1 3 日至2 1 日发生在辽东湾的夜光藻赤潮面积为最大，达6 3 0 0 k i n 2 ，持续9 天。赤潮生物仍以甲 藻类为主。废水和主要污染物接纳量1 9 9 9 年，中国近海接纳工业废水量为3 6 6 亿t ，比上年减 少3 2 亿t 。其中渤海5 6 亿t ，黄海7 1 亿t ，东海1 4 8 亿t ，南海9 2 亿t 。1 9 9 9 年，中国 近海接纳废水中化学需氧量为1 1 1 1 万t ，占工业化学需氧量排放总量的1 6 1 ，比上年减少2 9 3 万t 。其中渤海3 5 万t ，黄海1 8 万t ，东海3 2 万t ，南海2 6 万t ( 国家环境保护总局，2 0 0 0 ) 。 我国沿海水域污染有所减轻，但局部污染仍很严重，有些海域赤潮现象仍时有发生。近岸海域水 质2 0 0 1 年，近岸海域水质主要受到活性磷酸盐和无机氨的影响。部分海域主要污染物是化学需 氧量、石油类和铅，近岸海水以i i 类和劣类为主( 国家环境保护总局42 0 0 3 ) 。 2 0 0 1 年，中国海域赤潮发生次数增多，发生时间提前，主要赤潮生物种类增多，总次数和累 计影响面积均比上年有大幅度增加。全国海域共发现赤潮7 7 次，累计面积达1 5 0 0 0 多k m 2 ，比 上年增加4 9 次，增加面积约5 0 0 0 多k m 2 赤潮频繁发生海域多为受无机氮和磷酸盐污染较重的 海域。大面积赤潮主要集中在东海、渤海和黄海海域。( 国家环境保护总局3 ，2 0 0 2 ) 1 1 1 3 地下水开采过度，污染加副 地下水位下降我国地下水资源分布地区差异明显，南方水资源丰富，北方水资源贫乏。 由于地下水超采严重，水位下降，地下水降落漏斗由点到面，由城市向乡村发展，面积越来越大 ( 王绍堂、宋秀杰、丁庭华，1 9 9 9 ) 。多年的监测结果表明，大部分城市和地区地下水位连续下 降，形成了不同规模的地下水位降落漏斗，地下水位下降严重和漏斗规模较大的地区主要在人口 集中和经济发达的黄淮海平原及长江三角洲地区。目前，全国地下水降落漏斗面积超过l o o k m 2 漏斗的有5 0 多个，主要分布在北方缺水地区和东南沿海地区。有1 0 0 多座城市地下水位持续f 降，华北地区的地下水位每年以高达0 3 句m 的速度下降，沧州、衡水和德州一带的地下水降落 漏斗面积已达3 万多平方千米，保定、石家庄、邢台、邯郸一带的地下水降落漏斗面积已达1 8 万k m 2 。部分地区由于过量开采地下水，导致地下水位连续下降，已引起地面沉降、地面塌陷、 地裂缝和海水入侵等环境地质问题( 国家环境保护总局1 ，2 0 0 0 ；胡宏韬、林学钰、蔡青勤，2 0 0 1 ) 。 地下水水位总体呈下降趋势；东南、中南和西南地区因降水量较大、地下水开采程度相对较低， 地下水水位变化较为平衡。黄淮海地区由于地下水开采量的不断增加和降水量的减小，近年来地 下水位不断下降，地下水降落漏斗面积及漏斗中心水位埋深在不断增大：河北、河南豫北地区和 山东西北地区的地下水降落漏斗已连成一片，形成包括北京和天津在内的华北平原地下水漏斗 区，面积超过4 万平方公里( 国家环境保护总局2 ，2 0 0 1 ) 。长期以来，由于对地下水的过分依赖， 地下水超采已形成2 0 0 0 k m 3 的地下水降落漏斗，地下水水位在2 0 0 1 年8 月比上一年同一期间下 降3 3 3 m ，水量比1 9 6 0 年减少了7 3 5 亿吨；过度开采地下水会引起地面沉降、海水入侵、海水 倒灌等环境问题。地下水严重超采，还引起水质恶化，如河北深层地下水已发现含氟量增多。( 中 国水利年鉴编撰委员会，1 9 9 8 ) 地下水污染状况 全国以地下水源为主的城市，地下水几乎全部受到不同程度的污染，其 中尤以北京、沈阳、包头、天津、两安、锦州、太原、保定的污染严重( 如海河流域地下水污染面 3 中国农业大学硕士论文第一章绪论 积已达6 9 4 ，受污染的水资源量占6 2 3 ( 万本太，1 9 9 9 ) 。据1 9 9 3 年有关资料，全国9 7 的 大中城市的地下水受到严重污染，1 1 8 个城市中只有3 个城市的地下水未受污染。地下水的污染 物一般以酚、氰、砷、硝酸盐为主，铬、硫、汞次之。北方许多城市由于超采严重，使地下水的 硬度、硝酸盐、氯化物的含量逐年上升以致超标，我国的地下水水质污染有逐年加重的趋势( 国 家环境保护总局1 ，2 0 0 0 ) 。 1 2 研究意义 近些年来各国在水污染控制方面都投入了大量的人力财力。1 9 8 2 年，美国已有各类型污水 处理厂1 5 0 0 0 多个，服务于7 0 的城市人口。瑞士约有7 5 0 座废水处理厂处理7 5 的废水。荷兰的 废水全部经过二级处理，而瑞典是唯一一个全部采取三级处理的国家，然而常规的二级处理投资 大，能耗高，尤其在当前能源日益紧张的严峻形势下，其建设和运行对所有的国家都是一个巨大 的负担。就以经济发达的美国为例。为建造城市污水处理厂1 9 6 1 年拨款5 0 0 0 c , 美元，1 9 7 1 年增至 5 亿美元，1 9 7 3 1 9 7 5 年每年拨款高达1 8 0 亿美元( 实际投入为9 0 亿) 。污水二级处理每年的能耗相 当于美国发电量的2 ，而二级处理出水尚不能控制水体富营养化的趋势。而增建三级处理每年还 需2 2 6 亿美元。如此巨大大代价使美国不得不寻求革新技术和替代技术。由此，土地处理技术因 为其价格低廉，和强大的处理能力，倍受青睐。 8 0 年代后期，我国城市污水污染日趋严重，污水集中处理问题也越来越引起政府的重视，但 污水处理厂的运营仍主要由隶属于政府的事业性单位负责，近几年来。随着市场化运作方式的发 展，污水处理厂运营逐步转向了政府、事业单位和企业多元化并存的局面。这种模式的污水处理 厂运行费大部分仍靠财政解决，财政负担过重( 杨菊兰等，2 1 1 0 3 ) 。我国每天排放约1 亿d 污 水，要建二级污水处理厂需投资3 5 0 亿元，每年的运行费也要5 亿元，要基本上普及污水二级处 理，至少需要建上万个二级污水处理厂，按我国的国情是很难实现的，事实证明这条路很难行， 虽然我国近些年加强二级污水处理厂的建设投资，但至今全国的二级污水处理厂相对于我国污水 的治理来讲也为数不多，现在有很多企业有污水二级处理装置，运转良好，可是大多未能启动， 宁愿交罚款，究其原因是二级污水处理所用的电费要高于排污费。而且设施运转还要有人员的费 用消耗( 张小葳，1 9 8 8 6 ) 。而且我国现有污水处理能力不到其排放量的1 0 ，许多城市污水网管 不全，难以全部集中农业畜禽养殖场的废物及废水得不到处理，致使我国城乡生态及地表和地下 永环境日益严重已构成影响我国城乡生产、经济发展和人体健康的限制因素( 唐广凡，2 0 0 1 ) 。 长期以来。我国大、中城市污水处理基本上本着集中处理为手段的污水处理方案，未考虑到污水 的综合利用问题，因此，往往污水处理后没有充分资源化利用，而仅仅减少了对环境的污染影响， 或者仅仅下游利用丽污水产生地没有充分利用。随着城市水资源紧张越来越严重。规模化集中式 的污水处理方式已不完全适合城市污水处理的需要，而应考虑处理与利用相结合的方案，尤其对 于中小城市和广大的中小城镇更为重要。因此，将城市和城镇全部污水大规模集中处理，在我国 中小城市，而且大中城市今后逐渐行不通了。今后推广土地处理技术，尤其在中小城镇，将集中 污水处理与分散处理相结合将逐渐成为适合我国国情的污水处理的必由之路。人工土快滤处理技 术具有多方面的优势，在污水处理中会发挥非常重要的作用。但是人工土快滤处理技术，尽管具 4 中国衣业大学硕士论文第一l 结论 有较高的渗滤速率和较强的有机污染物去除效果，但是对污水中氮磷去除效果还不太高，因此对 于以补充湖泊、地表水等为目的，就显不足。因此本研究的主要目标是在保持人工土高渗滤速率 和较强的有机污染物去除效果基础上，进一步研究通过滤料添加其它材料达到强化对污水中n 、 p 的处理效果，为人工土快滤处理系统的中试和示范推广提供必要的技术参数，减缓我国自然水 体富营养化趋势和强度，而且力争通过处理得到符合不同水环境质量要求的清洁水资源，缓解我 国水资源紧缺的国情，以适应我国经济发展的需要。 1 3 土地处理技术的发展现状 近些年污水处理技术很多，对污水的一级、二级、三级甚至四级( 超深度) 处理方法已经成 熟，如活性污泥法，氧化塘法，地处理法、生物膜法。氧化沟法，a f b 法、a z o 法等等，还有 许多厌氧处理工艺：升流式厌氧污泥床( u a s b ) 、厌氧流化床( a f b ) 、厌氧折流板反应器( a b r ) 、 厌氧内循环反应器( 1 c ) ，和近一段时间研究较多的电渗析、反渗透、超滤等等。这些处理工艺 方法运转效果良好，但从其处理运转和初期投资来看针对中国的实际情况，有些经济不可行。不 太适合我国普及。土地处理由于处理成本低廉( 见表1 ) ，效果较好，成为国内外研究的新领域， 很多国家都转向以土地作为污水处理系统研究( 张永吉编译，1 9 8 1 ：王宝珍，1 9 8 2 ；a b e m a t h y ， 1 9 8 3 ) 。 土地污水处理技术( 或人工湿地) 是一种人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的地面，它 利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化( t e r m e s s ev a l l e y a u t h o r i t y ，1 9 9 0 5 ) 。土地污水处理系统处理污水具有高效率、低投资，低运转费、低维持技术、 低能耗等特点( b h a m i d i m a r r ire ta l ，1 9 9 1 ) 。人工湿地系统地提出开始于7 0 年代( y o n i k aa n d l o w r y 1 9 7 8 ) ，在8 0 年代得到迅速发展。8 0 年代末和9 0 年代初，在美国和英国相继召开了人 湿地研讨会，提出了人工湿地的有关机理和一些可供参考的设计规范和数据，标志着人工湿地 作为一种独具特色的污水处理技术进入环境科学领域。我墨用人工湿地处理污水较晚，仍处于起 步阶段。1 9 8 7 年，天津市环保所建成我国第一个占地6 h m 2 处理规模为1 4 0 0 0 m 3 d 的芦苇湿地工 程，国家环保局华南环保所1 9 9 0 年在深圳建立了白泥坑人工湿地示范工程，占地面积1 2 6 h m 2 ， 处理规模为3 1 0 0 1 n 3 d 。实践证明，处理效果良好( 见表1 - i ) 。 表1 - 1 污水处理工艺的能耗比( 环保届等1 9 8 6 ) t a b l e l 1 e n e r g yc o n s u m e l o t e c h n i c s f o r s e w a g e w a t e r d i s p o s a l 方法典型应用 能耗比( h 村丝被降解b o b s ) 活性污泥法任何规模，出水水质好0 8 6 2 4 2 生物膜法任何规模的粗或精处理0 5 2 句3 0 生物稳定塘粗处理1 9 8 - 1 7 1 8 常规土地处理二级或三缓处理，出水水质良好0 1 1 1 9 8 人工土快滤中小规模，出水水质良好o 8 4 。1 4 4 目前公认的土地处理方法主要有三种，慢速渗滤( 污灌日s i ) 快速渗滤( r d 和地表漫流还 有近些年来发展起来的湿地处理系统( 中科院南京土壤所，1 9 7 8 ；内海修一，1 9 7 8 ；郎惠卿等， 5 中国农业大学硕士论文第一章绪论 1 9 8 3 ) ，近些年我国有人不断研究人工土快滤处理系统处理污水。各种土地处理方法的主要设计 参数如下表1 2 ： 表1 - 2 人工土快滤技术与几种美国土地处理技术的参数比较 t a b l c l 2p a r a m e t e rc o n t r a s to f a s r ia n daf e wl a n dt r e a t m e l i t si na m e r i c a ( 张祖锅、白唾1 9 8 8 ) 每一种土地处理方法都有其自身的利弊。由于土地快滤处理水力负荷率高处理效果好，占 地面积少，因而环境影响小，越来越受到人们的重视( 赵玉龙译，1 9 8 3 ) 快滤渗滤处理污水被认 为是一种较成功、经济的方法，在美国快速渗滤系统用于城市污水已成功运转了大约1 0 0 年( r e d ， e ta 1 ，1 9 8 5 ) ，在过去的6 0 年里，美国用快速渗滤处理以及获二级处理出水的设施有近千座( l o w e l l e l e a c h ，e ta 1 ) 。 美国、苏联、加拿大、波兰、德国日本都在积极研究和大力推广污水土地处理技术。而人工 土快滤渗透处理系统是采用人工配制的土壤既可以发挥土地处理的优势，又不受自然条件的限制 具有灵活方便的特点( 中科院南京土壤所，1 9 7 8 ；8 内海修一，1 9 7 8 ；郎惠卿等1 9 8 3 ) 。“七 五”期间我国除对前面几种污水土地处理系统研究，还进行了“人工土快滤处理系统”的攻关，研究 证明：人工土快滤处理系统可行( 城市污水人工土快滤处理系统研究专题组，1 9 9 0 ) 。 人工土快滤处理系统是一人为配置的人工士为处理介质，污水经人工土的物理、化学、生物 化学过程得到净化。工艺流程有前处理、人工土滤床、出水消毒三部分组成。其流程简单、结构 紧凑、建筑构筑物位置灵活、运行简便。处理的水质达常规二级水平，其c o d 6 0 - 1 0 0 m g l 、 b o d s 2 0 3 0 m g l 、s s 2 0 - 3 0 m g l ：污染物的去除率c o d 达8 0 - 9 0 、b o d 5 达9 0 9 5 、s s 达 9 0 - 9 5 以上；滤床的水力负荷率达2 ( 1 0 - - 3 0 0 m a ，滤床上视需要也可以全部回用于植物生产，其 产值可以补偿水处理运转费用的5 0 以上。较一般天然土地处理的水力负荷高几倍到几十倍，它 的渗透速率也要比一般土地快滤渗透速率要大，且不受气候、作物生长季节、土质、地形，水文 条件的限制可全年运转。由于它不需要大量机械设备，因而投资低、低能耗和管理方便的特点。 与常规污水二级处理相比可以节约基建投资约5 0 、节能6 0 - 7 0 、节省运转费7 0 8 0 。 6 1 4 研究进展 1 4 1 人工土快滤系统的概念 人工土快溏处理系统是污水土地处理重要的方法之一，是人工控制下将污水投配到人工配制 士壤滤料介质上，通过土壤和微生物系统自然的完成一系列的物理化学和生物化学作用过程，使 污水得到净化的土地生态工程系统( 石井弘，1 9 7 7 ；天津纪庄子污水处理厂，1 9 8 5 ) 。以沙、草 炭和耕层土壤混合而成的人工土作为快滤介质具有良好的处理效果，而且系统投资少、运行管理 方便，与其它处理相比占地少、水力负荷率高，运行灵活方便，而避免自然条件的限制，是一种 很有前途的污水处理技术。 1 4 2 影响人工土快滤处理系统去除效率的因素 影响人工士滤池去除率的主要因素有：温度、湿度、渗滤速率及c o d 和b o d 5 的进水浓度 等( 崔理华，1 9 9 7 ) 。 1 4 2 1 对进水水质的要求 人工士快滤池进水中污染物浓度的商低也直接影响着人工土快滤处理系统的去除率，对于一 般城市污水而言，人工土快滤池中进水c o d 、b o d 5 浓度低时，其去豫率也低。随着c o d 和b o d s 进水浓度的增加其去除率也增加，但当去除率达最高之后，去除率反而随进水浓度的增加而降 低( 崔理华，1 9 9 0 ) 。 孙庆亮( 1 9 9 0 ) 进行了城市污水人工土快滤系统在成都的应用研究表明，其中试系统的进水 水质要求为c o d 4 2 9 6 m g l 、b o d s 2 2 2 8 2 m g l 、s s 1 6 6 9 m g l ，其出水含量均能达到二级生 化处理的出水的排放标准( c o d 6 0 0 m g l 、b o 风 2 0 0 m g l 、s s 生化需氧量( b o 珧， 总磷( 以p 计) 5 6 o 5 4 o 0 2 4 6 0 5 4 0 0 2 3 1 0 o 5 8 o 0 5 1 8 研究设计思路 1 8 1 研究内容 ( 1 ) 租质滤料快滤床粒径和滤层厚度的选择。 ( 2 ) 人工土添加不同材料对污水有机污染物b o d s 、c o d q 和n 、p 去除效果。 ( 3 ) 滤层通气对污水n 、p 处理效果。 ( 4 ) 生物( 植物和微生物) 处理对污水有机物和n 、p 的去除效果影响 ( 5 ) 综合处理对人工土快滤处理滤床的功能影响 1 8 2 技术路线 ；f 2 = = = _ _ _ 口= = = = = = = = = i l l = 2 = = = 2 = | _ _ l ，= = = = ；号l i 最佳添料的选择方案 0 ：? 、。i i - - - - - - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ 。- _ - _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。一i i ， f j j i 、n t 叠。尢r 、i ，扩4 j i t t 。t p c 。，c j 彤：。t37 。 i p 一嗣4 。j j v ，j j 垮冀。、哆2 ? i 母 、 ：- _ 一￥_ _ ：1 it一一1 、 ；i j 溶暂0 岛o i i i 。掰i * o # 莰谢誓j 5 j 二f 5z + 欠| 。鼢二# 、o 口口# # 口毋仁# 兜嗡毪一、。、吣j 黔# | 础之 1 4 圈1 1 技术路线 f i g1 - 1t e c h n i q