（水文学及水资源专业论文）生态混凝土净化生活污水研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 利用生态型多孔混凝土净化污水是目前的研究热门之一，迄今已发现其净化污水的 机理主要有3 个：物理与物化净化。通过多孔混凝土的过滤和吸附去除污水中的污染 物；化学净化。通过多孔混凝土释放出来的一些化学成分( 如a 1 ”、m 9 2 + ) ，使污水 中的污染物发生混凝沉淀而得以去除。生化净化。即依靠混凝土表面生长的生物膜去 除污水中的污染物。 然而遗憾的是，在前人的研究中迄今还没有人通过实验来探讨这3 种机理在污水净 化效果中的作用大小究竟孰轻孰重，也没有人做过对比实验来研究不用材料制成的生态 混凝土对污水的净化效果的差异性。我们认为，由于材料的不同，它们所含的成分差异 大，在水中释出的组分会有所不同，从而对污水的化学净化效果可能有所差异。此外， 微生物对不同材料也有偏好性，在某些材料表面的生长会旺盛一些，而在某些材料表面 的生长则差一些，这会使得生态型混凝土的生化净化效果也出现明显的差异。为了探索 上述两方面问题，本课题进行了各种类型的实验研究。 一 首先是研究不同材料生态混凝土在水中的溶出成分，以了解生态混凝土究竟能释放 出哪些能让污染物絮凝沉淀的组分，并比较不同材料的生态混凝土所释放组分及含量上 的差异性。其后再进行不同充氧条件( 厌氧、半好氧、好氧) 下生态混凝土对污染物的 去除效果对比，以了解微生物在污染物去除率方面的贡献率大小。最后设计出一种污水 处理装置对生活污水进行净化实验。通过该实验来比较不同材料、不同温度条件下生态 混凝土对生活污水的净化效果。为更深入地了解污水被净化的机理，实验过程中还对固 相表面的微生物数量及种类进行研究。 实验结果表明，在好氧条件下生态混凝土对污水中污染物的去除效率最高，可见污 水的净化机制主要是生态混凝土表面的好氧生物膜对污染物的去除作用。不同材料的生 态混凝土净化污水的比较实验表明，由复合水泥制备的混凝土对污水的净化效果要优于 普通混凝土。其原因可能是由于复合水泥中含有孔隙结构极其丰富的粉煤灰，粉煤灰本 身就有去污的性能，从而增加了整个系统对污染物的去除能力。通过显微镜对各种生态 混凝土表面及液相中的微生物生长状态进行观察。结果发现，生态混凝土固体表面生长 了大量的水处理微生物，构成了固体表面的生物膜系统。 污水净化实验结果表明，污染物的去除率可达到：c o d 口去除率9 5 ，b o d 5 去除 率 9 0 ，t p 去除率 5 0 ，n h 3 - n 去除率6 0 。其中c o d 口，b o d 5 的去除效率可 以达到国家标准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 标准要求。 关键词：生态混凝土；净化；生活污水 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a s t e w a t e rt r e a t m e n tu s i n ge n v i r o n m e n t a lf i i e n d l yp o r o u sc o n c r e t e ( e c o - c o n c r e t e ) i s o n eo ft h ec u r r e n tr e s e a r c hh o t s p o t s ，t h e r ea r et h r e ek i n d so fm e c h a n i s m si nt h i st r e a t m e n t ： p h y s i c a la n dp h y c h e m i c a lp u r i f i c a t i o n i nt h i sm e c h a n i s mp o l l u t a n t sa r er e m o v e dt h r o u g ht h e f u n c t i o no ff i l t r a t i o na n da b s o r p t i o n c h e m i c a lp u r i f i c a t i o n p o l l u t a n t sc o a g u l a t ew i t ht h e c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ( a 1 3 + ，m 9 2 + e t c ) t h a te c o c o n c r e t er e l e a s e da n df i n a l l yr e m o v e d b i o c h e m i c a lp u r i f i c a t i o n i nt h i ss i t u a t i o n ，p o l l u t a n t sa r er e m o v e db yt h eb i o f i l mt h a tg r o w s o nt h es u r f a c eo fe c o c o n c r e t e i nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，i ti sa p i t yt h a tt h es i g n i f i c a n c eo ft h e s e3m e c h a n i s m sh a sn o t b e e ne v a l u a t e di n d i v i d u a l l y , a n dn or e s e a r c ho nt h ep u r i f y i n ge f f e c to fd i f f e r e n tm a t e r i a l s c o m p o s i t i o nv a r i e sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，s od o e st h ec o m p o n e n t sb e i n gr e l e a s e di nw a t e r c o r r e s p o n d i n g l y , a n dt h ep u r i f y i n ge f f e c tw i l lp r o b a b l yb ed i f f e r e n t b e s i d e s ，m i c r o o r g a n i s m s h a v et h e i ro w n a d a p t a b i l i t y , o ns o m es u r f a c e st h e r ei sas t r o n gg r o w t hb u to t h e r sn o t ，t h i sw i l l m a k eac l e a rd i s t i n c t i o na m o n gp u r i f y i n ge f f e c t so fe c o c o n c r e t ew i md i f f e r e n tm a t e r i a l s i n o r d e rt od i s c u s st h et w oq u e s t i o n sm e n t i o n e da b o v e ，v a r i o u sk i n d so fe x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u ti nt h i ss t u d y t h r o u g ht h et e s to fc o m p o n e n t sr e l e a s e db ye c o - c o n c r e t ew i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s ， c o m p o n e n tw h i c ho ne a r t hc a nf o r mt h ef l o c c u l a t i o nc o u l db eo b s e r v e d ，a n dt h eq u a n t i t yo f c o m p o n e n t sr e l e a s e db yd i f f e r e n te c o c o n c r e t e sc o u l db ee v a l u a t e d t h e n ，e x p e r i m e n t su n d e r d i f f e r e n to x y g e n a t i o nc o n d i t i o n s ( a n a e r o b i c ，h a l fa e r o b i ca n da e r o b i c ) w e r ec a r r i e do u tt o m a k eac o m p a r i s o n ，a n dt h ee f f e c to fm i c r o o r g a n i s mi np o l l u t a n tr e m o v a lw a sa s s e s s e d i nt h e e n d ，aw a s t e w a t e rt r e a t m e n td e v i c ew a sd e s i g n e df o rt h es e w a g et r e a t m e n te x p e r i m e n t t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，p u r i f y i n ge f f e c t so fe c o - c o n c r e t e 丽t hd i f f e r e n tm a t e r i a l so ru n d e r d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sw e r es t u d i e d f o rf u r t h e ru n d e r s t a n do ft h em e c h a n i s m ， m i c r o o r g a n i s m so nt h es u r f a c eo fe c o c o n c r e t ea n di nt h el i q u i dw e r ee x h i b i t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n st h er e m o v a lo fp o l l u t a n t si st h eb e s t ，i t w a sc o n c l u d e dt h a tt h em a i nm e c h a n i s mi s p u r i f i c a t i o nb ya e r o b i cb i o f i l m f r o mt h e e x p e r i m e n to fs e w a g et r e a t m e n tw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，w ec a ns e et h a tt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fe c o c o n c r e t em a d eo fc o m p o s i t ec e m e n ti sb e t t e rt h a nt h eo n em a d eo fo r d i n a r y c e m e n t ，i ti sp o s s i b l yb e c a u s et h ea d d i t i v e si nc o m p o s i t ec e m e n th a sap o r es t r u c t u r e ，a n dh a s aw a t e r p u r i f y i n gc a p a b i l i t yi t s e l f , s oi tc a ne n h a n c et h ew a t e rp u r i f i c a t i o no fe n t i r es y s t e m t h r o u g ht h eo b s e r v a t i o no fm i c r o o r g a n i s m sal a r g ea m o u n to fm i c r o b ew a so b s e r v e do nt h e s u r f a c eo fe c o - c o n c r e t ew h i c hc o n s t i t u t e st h eb i o f i l ms y s t e m i i 桂林理工大学硕士学位论文 r e s u l t so ft h e s ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tp o l l u t a n t sr e m o v a lr a t i o 嬲f o l l o wc o u l db e a c h i e v e d ：c o d c l 乏9 5 ，b o d 5 _ 9 0 ，t p 兰5 0 ，n h 3 - n 6 0 c o d c fa n db o d 5r e m o v a lr a t i o c o u l dm e e t 也ef i r s tc r i t e r i o no ft h ed i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) x 锣w o r d s ：e c o - e o n c r e t e ；p u r i f i c a t i o n ；s e w a g e i i i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：壶l 塞鱼】 签字日期：2 塑学- 仁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和 借阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名毒亩勿1 签字同期：土叨7 年多月7 日 聊繇锨解 签字嗍哆多月y 日 桂林理工大学硕士学位论文 第一章绪论 水孕育了人类。 伴随着人类社会的进步和经济发展，“生命之水”面临日益巨大的危机和挑战，如 今，在世界范围内出现的水危机对人类的发展构成了严重威胁。保障水安全，促进水资 源可持续利用，实现人类与水环境和谐共存是世界各国十分关注的重大课题。 1 1 水资源现状 地球上水的总储量约1 3 8 x 1 0 8 k i n 3 ，其中9 7 为海水。而占地球总水量2 5 3 的淡 水中7 0 分布在南北两极及高山高原地带以冰川、冰帽状态存在，3 0 以地下水或土壤 水形式存在，湖泊、沼泽水占0 2 9 ，河水占0 0 1 ，大气水占0 0 4 。人类真正可利 用的淡水资源只有河水、淡水湖水和浅层地下水，其量估计约3 x 1 0 6 m 3 ，占地球总水 量的0 2 左右，为人类和生物生存的淡水是一种珍贵、极为有限的资源【l j 。 全球淡水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡。按地区分布，巴西、俄罗斯、加拿 大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果等9 个国家的淡水资源占了世界 淡水资源的6 0 。约占世界人口总数4 0 的8 0 个国家和地区严重缺水。从而造成人均 淡水资源数量上的巨大差异。例如1 9 8 0 年加拿大人均用水量l5 0 0 m 3 ，仅占其人均淡水 资源拥有量的1 2 ；而埃及1 9 7 6 年人均取水量11 8 0m 3 ，己接近该国人均可利用总量 l4 7 0 m 3 的极限【2 j 。 我国江河湖泊较多，水资源总量较丰富，但人均占有量少。我国江河湖泊较多，水 资源总量较丰富，建国后，大力开展水利水电建设，枢纽工程星罗棋布。据统计，已建 成大中小型水库8 6 万余座，但水资源人均占有量只有27 0 0m 3 ，为世界人均的1 4 。 1 2 水污染状况严重 随着我国工农业生产的迅猛发展和城市化进程的不断加快，向水环境中排放的工业 废水和城市污水量也在不断增加。由此所造成的水污染现象的普遍性和严重性，已经对 我国的国民经济和人民健康造成极大的危害，这主要表现在：水资源短缺的加剧制约了 国民经济的发展；饮用水的安全性降低直接威胁着人民身心健康；废水中的各种污染物 严重危害着工业、农业和渔业等生产并造成对河流、湖泊和还有那个等生态环境的巨大 损坏。由此可见，严峻的水污染形势对我国今后的可持续发展构成了极大威胁，它不仅 束缚和制约我国全面建设小康社会宏伟战略目标的实现，而且将可能影响社会的稳定， 引发中大的政治危机。 据统计，1 9 9 7 年我国废水总量为4 2 x 1 0 1 0 m 3 ，其中工业废水为2 3 x 1 0 1 0 m 3 ，生活污 水为1 9 x 1 0 1 0 m 3 。据官方报道，工业废水的处理率为7 8 9 ，达标率为5 4 4 ；生活废 桂林理工大学硕士学位论文 水的处理率为2 0 。但业内人士的估计还远没有如此乐观。全国7 大水系及内河的1 1 0 个重点河段调查表明，符合“地面水环境质量指标 i 类和i i 类的仅占3 2 ，属i i i 类 的占2 9 ，i v 、v 类的占3 9 ，全国近1 7 亿人的饮用水受到不同程度的污染。经对全 国5 3 2 条河流监测，4 3 2 条河流受到污染，污染率占8 2 。对全国主要湖泊进行监测， 每天流入的污水量为6 0 0 多万t ，约占全国废水的6 。全国1 3 的水体不适宜鱼类生存， 1 4 的水体不适宜灌溉，1 3 的城镇水源不符合饮用水标准，7 9 的居民饮用的是受污染 水。由于水资源受到了严重的污染和破坏，使原本贫乏的水资源变得更加短缺，已逐渐 成为制约国民经济持续、健康、稳定发展的一大障碍。为了缓解这个矛盾，寻找新的水 资源( 如南水北调) 、节约用水和开展废水治理便成了解决缺水问题的有效途径【3 驯。 1 3 水体中污染物的危害 由于环境污染和水生态恶化，我国的饮用水源水质呈不断恶化的趋势。水体中污染 物的种类繁多，但浓度较低，因此常称作微污染原水。水污染问题己经影响到人们正常 生活，是一个急需解决的热点问题。水体中主要污染物是有机物、重金属离子、氨氮、 亚硝酸盐氮及放射性物质等有害污染物。水体中各种污染物的危害如下： 1 3 1 氮、磷的危害 氮、磷是生命体中最重要的元素之一，氮是构成各种氨基酸的主要元素；磷不仅是 生物细胞中的重要组成成分，而且在遗传物质的组成和能量的贮存中都需要，生物的核 酸、卵磷脂、a t p 和植酸中都含有磷。但是，过量的氮、磷进入水体将恶化水体质量， 危害人体健康。因此，水体中氮、磷的污染问题日益受到人们关注。氮、磷污染的主要 危害为【1 0 1 ： ( 1 ) 氨氮排入水体后，因硝化作用而耗去大量的氧，造成水体溶解氧下降，从而影响 到水体中鱼类的生存。氨氮在硝化细菌作用下被氧化为硝酸盐，氧化l m g 的n h 3 - n 为 n 0 3 n ，要消耗水体的溶解氧4 5 7 m g 。 ( 2 ) 过量的氮、磷会引起藻类的大量繁殖，造成水体的富营养化。人类将富含氮、 磷的城市生活污水和工业废水排入湖泊、河流、海洋，使上述水体的氮、磷营养过剩， 促使水体中的藻类过量生长，使淡水水体发生“水华”，或称“水花”，使海洋发生“赤潮”， 造成水体富营养化。水体中由于藻类和异养细菌的代谢活动，耗尽了水中的溶解氧，大 量的藻类覆盖在水面，大气中的氧不易溶于水，造成水体缺氧，使浮游动物、鱼类生存。 加上藻类分泌致臭、致毒物及它本身死亡、腐败，严重影响水质。富营养化的水体底部 沉积着很丰富的有机物，在水体缺氧的情况下，加剧了水体底泥的厌氧发酵，如：沼气 发酵，硫酸盐还原反应等，相应地引起微生物种群、群落的演替。 ( 3 ) 氮化合物对人和生物有毒害作用。硝化盐和亚硝酸盐有可能转化为亚硝胺，而 2 桂林理工大学硕士学位论文 亚硝胺是致癌、致突变和致畸物质，对人体有潜在的威胁。饮用水中硝态氮超过l o m g l 会引起婴儿的高铁血红蛋白症，亚硝酸可使血红素中的f 2 + 转化为f e ”而失去结合氧的 能力。水中亚硝酸氮超过l m g l 时，会使水生生物的血液结合氧的能力降低；超过3 m g l 时，可在2 4 , - 0 6 小时使鱼类死亡。 ( 4 ) 当以含有较高浓度的氨氮的水体作水源，或对含氨氮较高的污水出水进行消毒 时，要增加氯消耗量，从而增加水处理费用。 1 3 2 有机物的危害 有毒有机物污染及其对人体健康和生态系统的危害越来越被人们所认识，有机污染 物进入环境后，很容易被生物体吸收利用并在生物体内累积起来，通过各种途径还会影 响人类健康和动植物的正常生长，干扰或破坏生态平衡，其中大多数有毒有机物在水体 以及动植物组织器官和人体中广泛存在。由于具有毒性、持久性和生物蓄积性，能产生 致癌、致畸、致突变效应、生态食物链毒理学效应、环境“雌性化 效应、促发赤潮及 藻毒素效应，因此，有毒有机物对人类健康会产生长远的危害和影响。 1 3 3 其它污染物的危害 其中，重金属污染是危害较大的水污染问题之一。重金属通过矿山开采、金属冶炼、 金属加工及化工生产废水、化石燃料的燃烧、施用农药化肥和生活垃圾等人为污染源， 以及地质侵蚀、风化等天然形式进入水体【1 1 1 ，加之重金属具有毒性大、在环境中不易被 代谢、易被生物富集并有生物放大效应等特点1 1 2 1 ，不但污染水环境，也严重威胁人类和 水生生物的生存，重金属会使人迅速中毒、致病，造成人们的疾病和死亡i l 引。如人或动 物饮用含有过量锌离子的水会引起发育不良，新陈代谢失调、腹泻等。 1 4 生活污水处理方法、原理和技术 1 4 1 传统水处理方法和其原理 1 4 1 1 悬浮生长生物处理工艺一活性污泥法 在城市污水中，含有大量的有机物和氨氮物质，它们是好氧生物处理的主要去处对 象，所采用的工艺则多为活性污泥工艺及其变形工艺。活性污泥工艺是利用悬浮生长的 微生物来去除污水中有机物质的一种生物化学处理方法，其研究与应用至今已经有约 1 0 0 年的历史，在城市污水的处理中起到了相当大的作用。在传统的活性污泥处理系统 的基础上，研究人员和工程师们已经开发出了许多改进或变形工艺，以用来高效去除污 水中的有机物( b o d 。) 并同时进行消化反应，并能逐渐满足不同的性能要求。一句反应器 的基本结构，这些工艺可划分为推流式、完全混合式及序批式运行系统。这些工艺在曝 气形式、曝气设备、污泥停留时间、运行模式和除氮能力等方面都有些差别。 3 桂林理工大学硕士学位论文 1 4 1 2 附着生长生物处理工艺一生物膜法 生物膜法也是污水生物处理的主要工艺之一，微生物以膜状古拙在某种载体的表面 上呈附着生长状态。生物膜法作为与活性污泥法平行发展起来的生物处理工艺，在污水 处理中的应用源远流长，近年来又得到较多的研究与应用，这主要是因为它与传统的活 性污泥法相比具有如下几个方面的特征：微生物相多样化，生物的食物链长，并能存活 世代时间较长的微生物；微生物量多，处理能力大，净化功能显著提高；污泥沉降性能 良好，易于固液分离；生物污泥产量少，降低污泥处理与处置费用；耐冲击负荷，对水 质、水量变动具有较强的适应性，并能处理低浓度的废水；易于运行管理，减少污泥膨 胀问题。生物膜反应器除上面所述的好的特征外，其不足之处在于需要较多的填料和支 撑结构，在不少情况下基建投资超过活性污泥法；出水常常携带较大的脱落的生物膜片， 大量非活性细小悬浮物分散水中使处理水的澄清度降低等。但综合比较来看，生物膜反 应器还是有着活性污泥法等其它处理工艺不可代替的优势。 1 4 2 水处理新工艺 1 4 2 1 废水好氧生物处理新工艺 在废水的好氧生物处理中，近年来研究开发出了一些新的工艺，其中主要包括膜生 物反应器( m b r ) 、曝气生物滤池( a b f ) 、循环活性污泥工艺( c a s t ) 、好氧颗粒化污 泥反应器等。 膜生物反应器( m b r ) ，膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 是一种将 膜分离技术与传统废水生物处理技术相结合的新型反应器。2 0 世纪6 0 年代，超滤膜作 为传统生物活性污泥出水中活性污泥与液相分离的手段被提出。目前，全世界运行的膜 生物反应器大概有1 0 0 0 多个。9 8 以上的膜生物反应器系统主要是和好氧生物系统结 合起来的。大概5 5 的膜生物反应系统是采用浸没式，其余是采用膜外置式的生物处理 系统。 曝气生物滤池( b a f ) ，曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) 也叫研 磨石曝气生物滤池( s u b m e r g e db i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，s b a f ) ，是在普通生物滤池、 高负荷生物滤池、塔式生物滤池、生物接触氧化法等生物膜法的基础上发展起来的，被 称为第三代生物滤池( 1 1 1 et h i r dg e n e r a t i o nf i l t e r ) 。 曝气生物滤池采用人工强制曝气，代替自然通风；采用粒径小、比表面积大的滤料， 显著提高了生物浓度；采用生物处理与过滤处理联合方式，生物了二次沉淀池；采用反 冲洗的方式，免去了堵塞的可能，同时提高了生物膜的活性；采用生化反应和物理过滤 联合的处理方式，同时发挥了生物膜法和活性污泥法的优点。由于它具有生物氧化降解 和过滤双重作用，因而可获得很高的出水水质，可达到回用水水质标准，适用于生活污 水和工业有机废水的处理及资源化利用。 4 桂林理工大学硕士学位论文 循环活性污泥工艺( c a s t ) ，循环活性污泥工艺( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g e t e c h n o l o g y ，缩写为c a s t ) 也称之为循环活性污泥系统( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ， 缩写为c a s s ) ，是序批式活性污泥法s b r 的一种改进形式。它是由美国g o r o n s z y 教授 及其同事于2 0 世纪7 0 年代末在s b r 和氧化沟工艺基础上研究开发出来的一种先进的 活性污泥处理工艺，由于其具有处理效果好、可以实现脱氮除磷、投资少、运行管理方 便、可分期建设等特点，已广泛应用于欧美等许多国家的城市废水和工业废水处理之中。 好氧颗粒化污泥反应器，以升流式厌氧污泥床( u a s b ) 为代表的厌氧污泥颗粒 化技术在废水处理实践中已经得到了大量的应用，并被证实是高浓度有机废水的有效处 理工艺。与传统活性污泥相比，好氧颗粒污泥比重较高，因此其沉降性能良好，污泥的 沉降指数( s v i ) 一般在2 0 - - 4 5 左右，而正常活性污泥的s v i 却在1 0 0 - 1 5 0 范围内( 竺 建荣和刘纯新，1 9 9 9 ) 。由于好氧刻录污泥具有良好沉降性能，在好氧颗粒污泥反应系 统中通常可以省略二沉池。 1 4 2 2 废水厌氧生物处理新工艺 升流式厌氧污泥床( u a s b ) ，升流式厌氧污泥床( u a s b ) 因其一般勿需微生 物载体也应隶属于厌氧活性污泥法，所不同的是反应器内的厌氧污泥多处于颗粒状态， 并因此而具有很高的颗粒污泥浓度，故其处理能力大、处理效果好，已经在工程实际中 得到广泛的应用。 厌氧内循环反应器( i c ) ，厌氧内循环反应器( i c ) 是由荷兰p a q u e s 公司1 9 9 5 年自在u a s b 基础上推出的第三代高效厌氧反应器，1 9 8 8 年第一座生产性规模的i c 反 应器投入运行。i c 反应器以其处理容量高、投资少、占地省、运行稳定等优点而深受瞩 目，并已成功地应用于啤酒生产、造纸及食品加工等行业的工业废水处理中。 膨胀颗粒污泥床( e g s b ) ，膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 是在u a s b 反应器的基础 上于2 0 世纪8 0 年代后期在荷兰w a g e n i n g e n 农业大学环境系开始研究的新型厌氧反应 器，它能在比u a s b 高几倍的有机负荷( 如c o d 复合达到3 0 k g ( m 3 d ) ) 下处理诸如 化工、生化和生物工程的工业废水。同时，e g s b 反应器还适合于处理低温( 如l o 。c ) 和低浓度( 如c o d m - o 一磁+ o h o 一 。 o 、 m o i - t 2 + + r - o m o 胁 o o 2 1 3 红粘土 2 1 3 1 桂林市红粘土的组成与结构 ( 1 ) 红粘土的物质组成 粒度成分：根据将近2 3 0 组颗粒测试分析资料统计，残积、坡残积和洪坡积土的粘 1 7 桂林理工大学硕士学位论文 粒含量均较高，平均含量一般为5 2 9 - 6 1 5 。 矿物成分：通过对不同成因、不同层位土层系统采样并进行差热、x 衍射和扫描电 镜鉴定，桂林红粘土除含较多的原生石英颗粒外，还含约4 0 7 5 的片状、鳞片状、 板条状高岭石、伊利石、绿泥石、针铁矿、滑石、蒙脱石、蛭石及混层粘土矿物( 见表 2 3 、图2 4 ) 。粘土矿物颗粒细小，大多在l l , t m 以下，粒间常有氧化铁淀积，土粒集合 体结构多为团粒状、蜂窝状。 表2 3 桂林红粘土的粒度组成( 平均值) 及矿物成分表 t a b 2 3g r a n u l a r i t ya n dm i n e r a lc o m p o s i t i o n ( a v e r a g e ) o fg u i l i nr e dc l a y 化学成分：桂林红粘土的化学成分最主要的特征有三，一是倍半氧化物( r 2 0 3 ) 含量较 高，一般可达2 5 - 3 5 ，碱土金属含量很低，通常小于5 ；二是可溶盐含量普遍低， 土中一价阴离子含量一般小于1 ；三是随着土层埋深加大，二氧化硅含量增高，三氧 化铁、三氧化铝减少，反映出湿热化作用强度具有随深度而减弱的趋势。 用x 射线衍射仪对红粘土5 。 - - 7 5 。进 行x r d 分析，得出x r d 图谱如图2 3 。从x 射线衍射图谱可以看出，在2 1 3 6 。、2 6 6 7 。、5 0 1 6 。、5 9 9 7 。出现四个强度较大的 峰，说明其中含有较多的s i 0 2 ，其中s i 0 2 多 为s i 0 2 ( q u a r t z ) ，并有少量的s i 0 。( a l p h a ) 和 s i 0 2 ( q u a r t z - l o w , d a u p h i n e e t w i n n e d ) ； 在 3 4 9 9 。出现的峰说明粘土中含有少量的 b 6 0 ；含有少量的n a 2 z n ( s i 2 0 6 ) ，和高岭石 1 8 e 言 暑 2 0 ( d e g r e e s ) 图2 3 桂林红粘土x r d 图谱 f i g 2 3 t h ex r d p a t t e r n so fg u i l i nr e dc l a y 桂林理工大学硕士学位论文 a 1 2 s i 2 0 5 ( o h h ，以及少量沸石c 4 扎8 0 1 2 s s i 6 4 。本区粘土矿物结晶程度较差层问结构力 较弱，层日j 阳离子于水化，即水分子较易进入晶格。 图24 桂林虹粘土粘土矿物及微蛄构电镜扫描囤( x 1 2 0 0 0 ) ( 摘自韦复才，2 0 0 5 ) 左：团粒状结构；中：蜂窝状结构：右：表面为絮体物覆盖的蒙脱石 f i g24 t h e s e mp i c t u r e sa n d m i n e r a lc o m p o s i t i o n o f g u i l i n f e dc l a y ( f r o mf u c a i w e i 2 0 0 5 ) l ：c m m bs t n l c t u r c ；m ：h o n e y c o m b e ds l 九i c t u r c ；r ：m o n t m o r i l l o n i t e w i t h f l o c s o n t h es u r f a c e ( 2 ) 红粘土的化学组成特征 用湿法化学分析对各产地的若干个代表性样品进行化学全分析l “】，其结果列于表 2 6 。总的来看，红粘土的最主要化学成分特征是s i 0 2 、a h o 】和f e 2 0 3 含量比较高， 碱余属和碱土余属含量低，钾、钠、钙、镁氧化物含量总和通常低于5 。而且由表2 4 看出红粘土的化学成分与原岩的成分及粘土成因有密切关系。典型的不纯灰岩残积土其 s i 0 2 的含量特高。坡残积成因的红粘土其s i 0 2 含量在4 5 左右。c a o 与n a 2 0 均较低， m g o 相对较高。 表24 桂林市红粘土的化学成分袁( 摘自赖采仁等人，2 0 0 1 ) 编号s t i 0 2 a 1 2 0 3f e 2 0 】 f e om n oc a o 桂林理工大学硕士学位论文 ( 续表2 4 ) 笙呈m g q苎2 q丛生q2 q j 缝叁量坚2 垒望星鱼鎏 a l 0 7 42 0 3 0 0 40 0 63 6 62 7 41 0 0 4 7残积红粘士 a 2 0 1 5o 1 70 0 10 0 31 1 80 7 71 0 0 1 5残积红粘土 a 3 0 , 3 70 , 7 80 0 20 0 43 3 21 6 99 9 7 4残积红粘土 a 4 0 1 50 6 10 0 30 0 63 1 62 7 4 1 0 0 8 1残积红粘土 b l 1 0 31 5 50 0 90 0 67 1 15 6 79 9 8 5 冲洪积红粘土 c l 0 7 42 4 40 0 30 0 72 9 72 2 0 1 0 0 8 1残积红粘土 c 2 1 4 84 2 10 0 50 6 25 0 93 6 51 0 0 7 6 残积红粘土 d l 2 5 34 7 3o 1 20 1 41 0 7 49 , 2 8 1 0 0 2 6坡残积红粘土 d 2 1 7 84 5 80 1 20 1 21 1 7 88 0 51 0 0 7 8 坡残积红粘土 d 3 0 7 42 3 8o 110 0 97 4 36 5 69 9 4 4 残积红粘土 i ) 4 0 8 93 4 00 1 00 1 58 1 0 7 1 81 0 0 5 4冲洪积红粘土 e l 1 4 93 6 7o 1 00 1 61 1 0 39 4 91 0 0 9 2 冲积红粘土 f i 1 1 82 4 6o 1 00 0 87 9 66 8 4 9 9 6 3残积红粘土 g i 1 0 42 8 10 1 00 0 77 1 86 4 0 9 9 1 8残积红粘土 q z! ：兰22 ：! zq ：! !q ：塑：! ! 垒：垒! 塑：!塑堡垒塾圭 桂林红粘土化学成分的另一个重要特征是可溶盐含量微，土中一价阳离子含量一般 不到1 ，h c 0 3 。、c 1 。等阴离子含量也很低。可溶盐含量低，说明红粘土淋溶彻底，土 的水稳定性强，崩解性小【8 2 1 。 ( 3 ) 红粘土中的矿物成分特征 高岭石的单位化学式为a 1 2 s i 2 0 5 】( o h ) 4 ，属l ：l 型- a 面体层状硅酸盐矿物，它们 几乎没有同晶置换，永久电荷极少，层电荷几乎为零，层问没有水分子和阳离子 8 3 , 8 4 】。 高岭石是高岭土的主导粘土矿物成分8 5 1 ，高岭土在环境领域用于有机污染物和重金属吸 附方面的研究也较多8 6 , 8 7 】，发现高岭石对磷有较好的吸附效果 8 8 - 9 0 】。 蒙脱石的单位化学式是m o 3 3 a 1 1 6 7 ( m g ，f e 2 + ) s i 4 0 l o 】( o h ) 2 【9 ，其基础结构单元为 2 ：1 型，颗粒细小，故比表面积较大。膨润土是以蒙脱石为主要成分的粘土岩，国内外 近年来也已开展了利用膨润土处理废水的各类研究瞰- 9 4 ，特别是应用于富营养化水体净 化处理的研究更是受到人们的格外关注。处理后的膨润土吸附性能有所提高瞵】。 沸石是簇架状结构的、多孔含水的碱或碱土金属铝硅酸盐矿物，其结构基础是硅( 铝) 氧四面体，硅铝氧四面体在平面上通过氧桥连接形成各种密封环，各种密封环再通过氧 桥在三维空间相连接形成各种形状规则的多面体，构成了沸石的空穴或笼，这些笼或环 在三维空间以不同的方式连接组合，又形成了沸石的一维、二维、三维孔道体系【蚓。 桂林理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 物理化学性质 通过对不同成因红粘土采样测试，表明桂林红粘土的p h 值多在5 5 “5 之间，绝 大部分均低于倍半氧化物的等电p h 值；土的交换容量也较低，一般小于1 2m e q 1 0 0g 干土，交换离子主要以h + 为主，其次为c a 2 + ；而土的总比表面一般均较大，通常每克 干土比表面达1 1 0 - - , 2 0 0m 2 ，最高者可达2 8 1 m 2 g 。桂林红粘土阳离子交换容量也具有随 着土层深度的增加而增大的变化规律，如市区西部孤峰平原石炭系基岩面附近残积红粘 土其交换容量是地表附近的2 5 倍，从底部至地表盐基饱和度由8 0 减少到11 ，反映 出红粘土底部淋溶不彻底，具有较大的活动性1 9 7 1 。 2 1 3 2 粘土矿物的除磷作用 粘土矿物由于具有特殊的空间结构和物质组成，决定了不同的粘土矿物其对磷的去 除效果的差异性。关晓彤实验表明膨润土在p h 为6 ，搅拌时间为2 0 m i n ，膨润土投加量 为6 0 9 l 条件下，膨润土对水中磷去除率可达到8 5 9 6 0 引。天然沸石也是一种优良的 除磷吸附剂，适当的条件下，沸石对磷的去除率达9 0 以上【9 9 1 0 1 1 。张曦等模拟暴雨径 流的沸石床吸附氮磷实验，1 6 h 内氨氮和总磷的去除率均超过5 0 【1 0 2 1 。 从目前研究的结果来看，主要用于磷去除的粘土矿物是2 ：l 型。粘土矿物除磷的 主要机理是物理吸附和化学吸附。沸石是由一定数量的s i 4 + 被削”所置换形成的一种含 水架状结构的多孔硅铝酸盐矿物质，由于s i 4 + 被a l ”取代形成的类质同晶结构而产生的 负电荷，需要引入相应在的阳离子来中和抵消，故一般结构的沸石均含有可交换的阳离 子充斥于硅酸盐薄层之间，其基本结构的组成特点决定了沸石有较大的静电力和离子交 换性能。同时在硅( 铝) 氧结构骨架间有许多通道和空穴，具有空旷的骨架结构，拥有巨 大的空腔表面，每克样品的内表面积高达1 1 0 0 m 2 ，仅次于活性炭，色散力和静电力的 加合决定了沸石的吸附能力特别强h 0 3 1 。由于静电力，沸石还对极性物质具有优先选择 吸附作用，而磷酸根离子带有电荷，容易被吸附。另外，粘土矿物吸附、净化磷素的机 制主要为化学机制，其吸附的磷素大多转化为c a s 2 p ，c a l 0 2 p ，f e 2 p 和a 1 2 p 等难溶的 磷酸盐，有利于磷素的吸附和固定。因此，影响粘土矿物吸附、净化磷素的主要因素是 其组成中的钙素含量、胶体氧化铁和胶体氧化铝等活性化学成分，选择活性化学成分含 量高的粘土矿物是提高其净化磷素能力的重要前提。 此外，粘土矿物对重金属污染物的去除机理主要为粘土矿物的吸附作用及粘土矿物 与重金属发生的表面反应两个方面【1 0 4 加7 1 。 2 1 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 4 本实验所用各原材料的化学成分 实验中所用各原材料化学成分含量如表2 5 ： 表2 5 各原材料的化学成分含量 t a b 2 5c h e m i c a li n g r e d i e n t so fe a c hr a wm a t e r i a l 桂林理工大学硕士学位论文 215 实验所用污水 奉实验所用污水取自桂林市七里店污水 处理厂进水。 该厂于1 9 8 9 年投产，收集桂林市东区污 水，其服务范围1 lk m 2 ，生活污水占7 0 0 a 工业废水占3 0 。处理厂规模平均流量为 4 万m 3 d ，采用了c a r r o u s e l 氧化沟工艺。进 水水质： b o d 5 = 1 0 0 1 5 0 m e f l - c o d c r = 1 5 0 - 2 0 0 m g l ，s s 2 15 0 -