（环境工程专业论文）人工复氧改性土壤净化生活污水的研究.pdf

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，同意学 校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，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 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和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学雠文储繇如寄 ，年多月孑日 指导教师签名： ao ，年月口日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文储签名缉南每 曰期：p ，年月 人工复氧改性土壤；争化生活污水的研究 s t u d y o nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tb y c o n s t r u c t e dso i ls y s t e mw i t ha r t i f i c a l a e r a t i o n 姓 2 0 1 0 年6 月6 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 污水的土壤净化系统以其费用低，无二次污染等优点，越来越成 为国内外污水处理技术的研究热点之一，但是现有的污水土壤净化系 统普遍存在占地面积大，水力负荷低等缺点。因此，本研究创新性的 提出了一种人工复氧改性土壤净化系统，通过对比五种不同的复合土 壤基质对污染物的去除效果确定了土壤净化系统的最佳组成，以及通 过人工复氧量的研究确定了各种运行参数对系统中污染物的影响，同 时在系统的工程化应用和污染物去除机制方面进行了初步的探讨。 研究表明：分别采用土壤、脱水污泥、煤渣、凹土等作为基质材 料建立改性土壤净化系统，在其配比为3 0 原土，1 5 凹土，1 5 煤 渣的情况下，经过调试，运行稳定后，系统对c o d 、氮磷等的去除 率较高，可以认为该基质组成为系统的最佳基质组成。 单独研究改性土壤系统净化效果表明，含6 0 原土的系统以及含 3 0 原土，1 5 凹土，1 5 煤渣的系统处理效果稳定，且对污染物有 较好的去除。对c o d 的总平均去除率为6 9 0 8 ，7 2 2 6 ，系统出水 c o d 浓度基本保持在1 0 0m g l 以下。对t p 的去除率在 9 2 0 0 9 8 0 0 以上，出水浓度在o 0 5 0 3 m g l 之间。对n h 3 一n 平均 去除率均在9 5 o o 以上。出水水质稳定，出水浓度除少数天之外均 小于lm g l 。各系统c o d 净化负荷与污水中有机负荷呈显著的线性 相关。 人工复氧后改性土壤净化系统的净化效率显著提高。当进气量在 1 l m i n 一4 l m i n 时，系统对c o d 的去除比较稳定，去除率最高达到 i 江苏大学硕士学位论文 9 0 。土壤基质中含污泥的系统对磷的去除率提高明显，随着所加污 泥量的增加，磷的去除率依次为1 5 ，2 0 ，7 0 ；复氧对磷的去除 率影响略小于其他污染指标；在此系统内不同基质配比对氨氮的平均 去除率均有所提高，系统的去除率较稳定；此阶段水中的d o 均明显 高于进水中的d o ，维持了土壤中的好氧状态，使微生物的分解作用 得以维持，有效防止了系统堵塞。 工程化研究显示：人工复氧改性系统是一种操作简单、运行管理 方便，低能耗、低投资和低运行管理费用的污水处理系统。 关键词：土地处理，土壤，复氧，氮，磷，工艺设计 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o i l p u r i f i c a t i o ns y s t e m b e c a u s eo fl o we x p e n d i t u r e ，w i t h o u t s e c o n d a r yp o l l u t i o ne t c ，i n c r e a s i n g l yb e c o m eo n eo ft h eh o t s p o t s o f s e w a g ed i s p o s a lt e c h n i c a lr e s e a r c h b u ta tp r e s e n t s o i lp u r i f i c a t i o ns y s t e m o fs e w a g eh a sd i s a d v a n t a g eo fl a r g es p a c e ，l o wh y d r a u l i cl o a d i n ga n ds o o n t h e r e f o r e ，t h e s er e s e a r c ho r i g i n a l i t i l yb r i n gu pak i n do fa r t i f i c i a l r e a e r a t i o nc o n s t r u c t e ds o i l p u r i f i c a t i o ns y s t e m b yc o n t r a s t i n gr e m o v a l r a t ei nf i v ed i f f e r e n tc o m p o u n dm a t r i x ，w ef i xt h eb e s tc o m p o s eo fs o i l p u r i f i c a t i o ns y s t e m ，a n dt h e nt h r o u g ha r t i f i c i a l r e a e r a t i o nq u a n t i t a t i v e r e s e a r c hc o n f i r m ss o m ek i n d so fw o r k i n gp a r a m e t e r sc o n t r i b u t i o no n p o l l u t a n t a tt h es a m et i m e ，w ei n t h i sr e a s e a r c hp r e l i m i n a r yd i s c u s s e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dr e m o v a lm e c h a n i s m o fp o l l u t a n ti nt h e s y s t e m t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a ts t r u c t u r es o i lp u r i f i c a t i o ns y s t e mu s i n g s o i l ，d e w a t e r e ds l u d g e ，c i n d e r , a t t a p u l g i t ec l a ye t c a sm a t r i c e a f t e rs y s t e m u n i f o r m i t yo fo p e r a t i o n ，w h e nt h es o i ls y s t e mm a t c hi s30 o r i g i n a ls o i l ， 15 a t t a p u l g i t e ，15 c i n d e r y , t h er e m o v a lr a t eo fc o d ，t p , n h 3 一na r e h i g e r s ow ec a na s s u m et h a tt h i s m a t r i c e sc o m p o s ei st h eb e s tm a t r i c e s c o m p o s eo ft h es y s t e m w i t hs o i lp u r i f i c a t i o ne f f e c tr e s e a r c h ，t h em a t r i c ec o n t a i n i n g6 0 o r i g i n a ls o i la n dm a t r i c ec o n t a i n3 0 o r i g i n a ls o i l ，15 a t t a p u l g i t ec l a y ， 15 c i n d e r ys y s t e mh a v eh i g hr e m o v a lr a t eo fc o d ，n h 3 - n ，t e t h e 江苏大学硕士学位论文 a v e r a g ec o dr e m o v a lr a t ei sh i g hi nt w os y s t e m s o n ei s6 9 0 8 ，t h e o t h e ri s7 2 2 6 c o dc o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n ti sb e l o w10 0 m g l t h e r e m o v a lr a t eo ft pi si n9 2 0 0 一9 8 o o ，t pc o n c e n t r a t i o ni ne f f i u e n ti s i n0 0 5 , 4 ) 3 m g l t h er e m o v a lr a t eo fn h 3 - ni sa b o v e9 5 ，c o n c e n t r a t i o n i ne f f l u e n tb a s i c a l l yi sl e s st h a n1m g l c o dc l a r i f i c a t i o nl o a da n d s e w a g eo r g a n i cl o a ds u b m i tn o t a b l el i n e a rc o r r e l a t i o n o na r t i f i c i a lr e a e r a t i o nc o n s t r u c t e ds o i ls t a g e ，t h ep u r i f i c a t i o ne f f e c t h a sn o t a b i l i t yi n c r e a s e d w h e na i rq u a n t i t yi si n1 - 。4 l m i n ，t h eb e s t r e m o v a lr a t eo fc o di s9 0 t h es y s t e mc o n t a i n i n gs l u d g yh a sh i g h e r r e m o v a lr a t eo ft ew i t hs l u d g eq u a n t i t a t i v ei n c r e a s e d ，t h er e m o v a lr a t e o ft pa r e15 ，2 0 ，7 0 r e a e r a t i o nh a sl e s se f f e c ti nt h er e m o v a lr a t eo f t pt h a n o t h e r s ；i nt h i ss y s t e md i f f e r e n tm a t c ho fm a t r i c eh a sh i g e r r e m o v a lr a t eo fn h 3 一n i nt h i ss y s t e m ，d oi ne n f l u e n ta r ea p p a r e n t l y h i g h e rt h a ni n f l u e n t ，t h e nm a i n t a i n sb e t t e ro x y g e n i u ms t a t ei ns o i la n d v a l i d i t yp r e v e n t ss w a m po fs y s t e m f i n a l l y , w i t he n g i n n e e r i n gr e s e a r c ha r t i f i c i a lr e a e r a t i o nc o n s t r u c t e d s y s t e m i sak i n do f s i m p l i eo p e r a t i o n ，c o n v e n i e n c eo p e r a t i o n a l g u i d a n c e ，l i t t l ec o n s u m e ，l o wi n v e s ta n dl o wo p e r a t i o n a lg u i d a n c ec h a r g e s s e w a g ed i s p o s a ls y s t e m k e y w o r d s ：l a n dt r e a t m e n t ，s o i l ，r e a e r a t i o n ，n i t r o g e n p h o s p h o r u s ，t e c h n o l o g i c a ld e s i g n i v 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章概述。l 1 1 课题的研究背景1 1 2 污水土地处理法概述1 1 2 1 污水土地处理法的原理1 1 2 2 污水土地处理系统分类3 1 2 3 国内外污水土地处理的历史与发展4 1 2 4 存在问题及发展趋势7 1 3 本研究的出发点、主要内容及创新之处8 1 3 1 本研究的出发点和主要内容8 1 3 2 本研究的创新之处8 1 4 研究方法及技术路线8 1 4 1 研究方法8 1 4 2 技术路线9 第二章改性土壤系统除污效果研究1 0 2 1 试验概述lo 2 2 试验材料与方法1 0 2 2 1 试验材料10 2 2 2 试验水质。1 1 2 2 3 试验装置。1 1 2 2 4 试验方法l2 2 2 5 试验仪器12 2 2 6 分析方法。l3 2 3 结果与讨论13 2 3 1 系统的启动一1 3 2 3 2 系统稳定运行阶段除污效能一1 4 2 3 3 各系统中碳氮比的影响及c o d 去除的动力学分析1 8 2 3 4 土壤中理化性质的变化。21 2 4 本章小结2 2 第三章人工复氧改性土壤系统中污染物的去除及影响因素2 4 3 1 概述2 4 3 2 试验材料与方法2 4 3 2 1 试验材料与水质2 4 3 2 2 试验方法2 5 3 2 3 试验仪器和分析方法2 5 3 3 结果与讨论2 6 3 3 1 复氧量对污染物去除的影响2 6 3 3 2 人工复氧改性土壤系统中s s 的去除分析2 7 3 3 3 人工复氧改性十壤系统中有机物的去除分析2 8 3 3 4 人工复氧改性上壤系统中磷的去除分析2 9 v 江苏大学硕士学位论文 3 3 5 人工复氧改性土壤系统中氮的去除分析3 0 3 3 6 净化效果的季节性变化3 5 3 3 7 堵塞问题3 6 3 4 本章小结3 8 第四章人工复氧改性土壤系统工程化应用分析4 0 4 1 人工复氧改性土壤系统工艺流程4 0 4 2 人工复氧改性土壤系统水力学特性设计4 1 4 3 人工复氧改性土壤系统土壤床构型设计4 2 4 4 人工复氧改性土壤配套构筑设计4 4 4 4 1 进水布水系统设计4 4 4 4 2 供氧系统设计一4 5 4 4 2 防渗设计4 6 4 5 系统技术经济分析4 6 4 6 本章小结一4 7 第五章结论与展望4 8 5 1 结论4 8 5 2 展望5 0 参考文献5l 至5 【谢5 6 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章概述 目前，我国水资源供需矛盾严重。人均水资源占有只有全球平均值的1 4 ， 约2 3 0 0 m 3 。据我国政府调查研究，到2 0 3 0 年，预计这一数字将会减少到1 7 0 0 m 3 以下。在全国6 4 0 个城市中，缺水城市达3 0 0 多个，其中严重缺水城市1 1 4 个， 每年因缺水造成的直接经济损失达2 0 0 0 亿元【i 】。 随着经济的发展，环境的污染，水资源越来越将成为发展的障碍，是否能够 成功应对水资源危机，将是在以后的国际竞争中决定成败的决定因素。虽然城镇 现有污水处理厂所采用的常规处理技术己趋于成熟，对控制城市水污染起到积极 作用，但对氮、磷等营养物去除率较低，不能从根本上解决水污染问题。而三级 深度处理可进一步解决上述问题，但处理工艺流程更长、能耗高、面积大、基建、 运行费用昂贵，难以推广。所以污水资源化是解决水资源短缺的必由之路，通过 各种技术，以污水作为一种资源，使其净化，可以实现污水的循环再利用。 污水土地处理是污水资源化的重要途径，即在人工控制下将污水适配到土地 上，利用土壤、植物、微生物的联合作用对城市生活污水及某些工业废水进行处 理，实现废水的资源化和无害化。是根据我国国情，因地制宜，实现生活污水处 理无害化、资源化的有效途径；目前在国外已作为集中式二级污水处理技术的“革 新一替代技术和补充，是近年来国际环境保护领域面向2 1 世纪的研究热点之 一【2 5 1 。 1 2 污水土地处理法概述 1 2 1 污水土地处理法的原理 土地处理法是一种利用土壤及生存于该环境中的植物、动物、尤其是微生物 的相互依赖共同作用的生念学处理方法，即以土壤及生存其中的生物为作用主体 的净化污水的方法。 当污水进入土壤后，部分水分被蒸发，余下的水分不断扩散，下渗。水中的 江苏大学硕士学位论文 悬浮颗粒通过土壤颗粒问的空隙截留、滤除。污水中部分重金属离子在土壤胶体 表面，因阳离子交换作用而被置换吸附并生成难溶性物质而沉积于土中。污水中 的有机物被土粒所吸附而截留，并被其中的微生物氧化、分解，转化成二氧化碳 及无机盐类，并不断被植物作为营养而吸收。同时实现对污水中污染物“处理” 与“利用”的两大功能，达到污水的充分净化以及水、肥资源的循环再生和有效利 用【6 】。各种污染物在土壤，植物系统中的净化机理具体如下： ( 1 ) b o d 的去除：b o d 的去除机理包括过滤、吸附和生物氧化作用，在 运行良好的土地处理系统中，好氧生物通常占优势，同时也存在能够去除较难降 解有机物和反硝化脱氮的厌氧区。 ( 2 ) s s 的去除：在慢渗、快渗和地下渗滤系统中，s s 的去除机理主要是 污水通过土壤孔隙时的过滤和吸附作用，而地表漫流和湿地则主要靠沉淀作用和 植物、生物的截留。 ( 3 ) 病原体的去除：污水中病原体的去除和灭活，是通过吸附作用、干燥 作用、过滤作用、生物性吞噬及其他不利于病原体生存的条件完成。另外紫外线 也能够杀灭大部分暴露在土壤表面的病原体。 ( 4 ) 氮的去除：废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐氮等 形式存在。生活污水中氮的主要形态是有机氮和氨氮。废水生物脱氮的基本原理 是：有机氮通过氨化作用转化为氨氮，氨氮通过硝化作用转化为亚硝态氮和硝酸 盐氮，最后通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为气态氮( n 2 0 、n 2 ，) ，从而达到从 废水中脱氮的目的1 7 l 。 ( 5 ) 磷的去除：主要为作物的吸收和土壤的吸附沉淀固定。 ( 6 ) 金属的去除：污水中金属成分在土壤中的去除包括吸附、沉淀、离子 交换等作用。研究结果表吲8 1 ，金属进入土壤植物系统后绝大部分存于土壤中， 而被植物吸收的量占极少部分。因此，土壤对重金属的环境同化容量以及土地处 理系统的会属污染负荷时必须考虑的两个问题。 ( 7 ) 痕量有机物：痕量有机物在土地处理系统中的去除基质主要是挥发、 吸附、光降解和生物降解。但由于痕量有机物的生物难降解性，同时，痕量有机 物的环境标准在水、土、农产品等方面绝大部分还没有建立，于他们在土壤中的 累积和向地下水的迁移应于高度重视。 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 污水土地处理系统分类 土地处理系统是以土地处理法为核心，把多种符合生态、环保要求的技术整 合成一个系统，以实现一个区域污水的循环处理和资源化利用。根据处理目标、 处理对象的不同，土地处理法可以分为以下五种类型： 1 、慢速渗滤处理法( s f l t s ) 慢速渗滤系统适用于轻质土壤，如沙土、沙壤土、壤土。一般采用间歇性污 水投配方式，以保持较高的渗透率。处理生活污水时的水力负荷约为0 6 1 1 0 m a ， 有机负荷为5 0 4 5 0 4 4 5 k g h a 。 是在污水经喷灌、沟灌或漫灌等方式缓慢投配到植物的土壤表面，在流经地 表土壤植物系统时得到充分净化的一种处理工艺类型。这种处理方法可以针对 不同地区的土壤、植被、气候以及社会经济条件，因地制宜将污水处理与当地生 态建设结合起来，工程投资、运行成本低于常规二级处理，处理效果达到三级处 理水平。但是该系统对水质预处理的要求较高。 2 、快速渗滤处理法( r f l t s ) 污水快速渗滤土地处理系统是有控制的将污水投放于渗透性能较好的土地 表面，污水由于重力作用在向下渗滤过程中经过生物氧化、硝化、反硝化、过滤、 沉淀和还原等一系列作用而得到净化的污水处理工艺类型9 1 。快速渗滤系统与中 水回用系统结联合使用是解决系统冬季稳定运行的较好工艺，投资省，处理费用 低，系统耐冲击负荷大，出水水质好，回收率高，效果可达三级处理水平。 但是快速渗滤处理系统水力负荷通常较高( 水力负荷为6 1 0 2 1 9 2 m a ，有机 负荷则为1 4 5 7 3 9 7 6 9 k g h a ) ，故一般植物不易摄取营养，植被的存在主要是维 持表土的稳定性。 快速渗滤系统在欧美一些国家应用极为广泛，仅在美国快速渗滤场地1 9 8 1 年就达3 2 0 个，1 9 8 7 年发展到了1 0 0 0 个。在中国，土地处理技术经过“七五”、 “八五”联合科技公关项目的实施，先后建成了北京昌平污水快速渗滤系统阿图 什城市污水土地处理系统、丌封市啤酒污水快速渗滤处理工程等，实现了从小试、 中试到适用规模的试验、示范研究工作，并提出了采用土地处理替代二级处理及 人工处理和自然处理并行的技术措施。 3 、地表漫流处理法( o f l t s ) 江苏大学硕士学位论文 地表漫流处理法是将污水有控制地投配到生长多年生牧草、坡度和缓、土地 渗透性能低的坡面上，使污水在地表沿坡面缓慢流动过程中得以充分净化的污水 处理工艺类型。该处理系统处理生活污水的水力负荷一般为3 0 5 2 1 3 4 m a ，有 机负荷则为3 9 2 4 1 1 2 1 k g h a 。该法适用于透水性较差，地表平坦并有均匀且适 宜的坡度( 2 8 ) 的粘性土壤。 此法与慢速渗滤法明显的不同点是有地表径流，还有就是由坡地末端来收集 径流水，适用于高浓度和有机废水的预处理。 4 、湿地生态处理法( 、l t s ) 将污水有控制地投配到土壤植物微生物复合生态系统，并使土壤经常处于 饱和状态，污水在延一定方向流动过程中在耐湿植物和土壤相互联合作用下得到 充分净化的处理工艺类型。 5 、地下渗滤处理系统( s i l t s ) 该方法由日本新见正首创。是污水先经滤网滤去悬浮固体后，再进入埋于土 下5 0 c r n 深的陶管，由于陶管接缝处未以水泥密封，污水可从接缝处外渗。陶管 下方复有不透水的槽状薄膜，故积水积聚于槽中，槽中的水凭借毛细管引力通过 土壤不断运动从而使污水得到净化的一种处理工艺类型【1 0 】。本法适用于农村、 乡镇等小型村落，由于污水直接引入土层深处，较少引起环境污染问题。 地下渗滤系统与快速渗滤系统唯一的不同处在于污水进入点不同。快速渗滤 系统的污水进入点为系统的表面，与空气接触面积大，氧化效率较快；地下渗滤 系统也采用好氧分解，不过与空气的接触面积不如快速渗滤。其污水进入点则是 表面下通气良好的散水层( 砾石层) ，所以也有研究称为次表层施灌法。 由u s e p a 相关研究文献数据显示，地下渗滤处理系统对生活污水之处理效 果极高，尤其是b o d 及s s ，而氨氮几乎可被完全氧化为硝酸盐氮( 硝化作用) 进而在厌氧条件下完成反硝化作用【i 。 1 2 3 国内外污水土地处理的历史与发展 传统的土地处理是污水土地生念处理技术的雏型，是祖先们早己用之有效的 做法。早在古雅典时期就有利用土地处理污水的方法记载，主要是将污水引入市 郊西侧沣地进行灌溉。然后足1 5 5 9 年普鲁士的b u n s l a u 建立了第一个污水灌溉 4 江苏大学硕士学位论文 的土地设施，并持续运行了3 0 0 年之久。1 9 世纪末，污水土地处理技术在英国 得到广泛应用。1 9 世纪7 0 年代，污灌首次传入美国。而在1 9 世纪以前，污水 灌溉等引起的环境问题并未引起人们的注意，土地只是作为污水的收纳体，并没 有科学地利用其净化机制【眨。15 1 。之后随着人口的激增，土地资源利用程度的不断 扩大以及污水中各种有害物质对人类健康威胁增加，生化处理逐步代替了土地处 理，污灌随之萧条。 近年来由于对水污染控制的重视，各国都在这方面投入了大量的人力和财 力，而城市污水常规的二级处理大多采用生化处理法，投资大、耗能高，在当前 能源日益紧张的严峻形势下，对所有的国家都是一个巨大的负担。人们的目光又 落在了相对简单，费用低土地处理法上。 2 0 世纪7 0 年代，土地处理系统在美、r 等国家得到了广泛的研究和应用， 并对其中污染物的去除机理进行了研究，同时制定了设计标准【1 4 1 。在国内外的 研究实践中，慢速渗滤研究和发展的历史最长，技术也同趋成熟，近年来也加快 了快速渗滤和地表漫流系统的研究和发展速度【1 6 】。 目前，据统计，仅在美国，运行的慢速渗滤系统就有8 0 0 多个，快速渗滤系 统3 0 0 多个，地表漫流系统2 0 多个【1 7 , 1 8 1 。美国把土地技术立为a i 技术( 即可 供选择的革新技术) 。美国环境保护局明文规定，凡采用此项技术者可在投资费 用方面得到联邦政府的优惠支持和补贴。在上诉政策导向下，美国建成了现代化 的m u s k e g o nc o u n t r y 土地处理系统，为保护l a k em i c h i g a n 的水质作出了重要贡 献。2 0 0 5 年，美国5 0 个州中有4 5 个州开展了污水回用于农业的工作，全国城 市污水再生回用总量约为9 4 x 1 0 8 m 3 a ，其中6 0 用于灌溉。 俄罗斯认为污水土地处理系统是实现污水资源化和保护水体生态环境的重 要途径，国家污水设计规范中规定，只有当没有条件实现自然生物处理时才能考 虑人工生物处理。目前污水土地处理面积占世界第一( 超过1 0 0 0 力h a ) ，处理全 国排放污水量的2 5 。他们还计划将现有污水量5 0 采用土地处理，以进步 减轻水环境污染程度。 澳大利亚维多利亚州成立了水资源与供水部，同时建立了改良污水委员会， 大力倡导污水的资源化。如墨尔本西郊的w e r i b e 牧场，总面积1 0 0 0 0 h m 2 ，为一 个贫瘠的平原，其中土地处理系统7 0 0 0 h m 2 ，包括原污水的过滤、沉淀及污泥消 江苏大学硕士学位论文 化等前处理系统，以及土地过滤、牧草过滤及池塘、氧化塘等主体处理系统，不 同季节交互作用，日处理量达4 0 多万吨，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，建成一个超大型的污水复合处理系统，被公认为澳大利亚“化 害为利 的典范【1 9 1 。 气候干旱的以色列，1 9 7 2 年制定了国家污水再利用工程计划，目前全国建 有2 0 0 多个污水回用工程，其污水利用率已达7 0 ，其中约2 3 用于灌溉，灌溉 用污水水量占总灌溉水量的1 5 ；突尼斯2 0 0 0 年再生水的灌溉用水量达到1 2 5 亿m 3 ；约旦大多数城市处理后的污水主要回用于农业，灌溉面积近1 0 7 万h m 2 ； 印度自上世纪8 0 年代以来，每年用于农田灌溉的污水占城市污水量的5 0 ；墨 西哥城9 0 的城市污水回用于农田灌溉，灌溉面积达9 万h m 2 。此外，世界上其 他一些国家如阿根庭、巴西、智利、希腊等国，在污水回用于农业方面也有丰富 的实践。日本学者所见正( n i i m i ) 在上世纪8 0 年代就开始研究土壤地下毛管浸润 净化污水技术，至今已有多个株式会社从事这类工程技术推广应用。 在我国，从地域分布上，我国土地处理系统的农田主要集中在北方水资源严 重短缺的海、辽、黄、淮四大流域，约占全国土地处理系统面积的8 5 。大型土 地处理系统主要分布在我国北方大、中城市的近郊区。 从历史发展上，从污水灌溉到土地处理系统的应用发展大体可以分为三个阶 段： ( 1 ) 1 9 5 7 年以前为自发灌溉时期：自古以来，我国就有利用废水灌溉的习 惯，自2 0 世纪4 0 年代起，在北京附近开始利用工业污水进行灌溉； ( 2 ) 1 9 5 7 1 9 7 2 年为迅速发展时期，1 9 5 7 年建工部联合农业部、卫生部把 污水灌溉列入国家科研计划，从此开始兴建污水灌溉工程，污水灌溉得到迅速发 展； ( 3 ) 1 9 7 2 年至今为积极慎重发展阶段，1 9 7 4 年在石家庄展丌了第四次全国 污水灌溉会议，制定了“积极慎重”的发展方针，并制定了污水灌溉暂行标准。 ( 4 ) 自2 0 世纪8 0 年代中后期，随着我国北方地区水资源短缺的加剧和我 国南方地区乡镇企业的迅猛发展，同时污水土地处理技术不断成熟，使得我国土 地处理技术系统应用于农业灌溉的面积不断扩大。 我国的环境保护部门在充分吸收、总结国外发达国家水污染防治经验的基础 6 江苏大学硕士学位论文 上，提出了“人工处理与自然处理并行”的水污染防治技术政策，指出“城市污 水处理，应走污水处理厂与土地处理系统相结合的道路，在有条件的地区，应积 极研究和推广各种类型土地处理系统的工程技术，给土地处理技术的应用和发展 提供了契机。“七五 、“八五”以来，土地处理技术实现了从小试、中试到规模 使用的示范研究，建立了多个示范工程2 蛇2 1 ，取得了大量的研究成果及运行管理 经验，明确了各种类型的工艺特征、技术要点与工程参数，为我国推行这一技术 提供了技术保证。 据统计【2 3 - 2 4 ，我国1 9 9 9 年污水排放量达4 0 1 亿m 3 ，土地处理系统面积从 1 9 6 3 年的4 1 万k m 2 发展到了1 9 9 8 年的3 6 1 8 万k m 2 ，占全国灌溉总面积的7 3 ， 特别是2 0 世纪7 0 年代木至9 0 年代中期，土地处理系统面积由3 3 3 3 万k m 2 猛 增到3 3 3 3 3 万k m 2 。 1 2 4 存在问题及发展趋势 基于污水土地处理系统的构建及工艺特征，土地处理系统在实际应用上也有 一定的局限性： ( 1 ) 因为土地处理系统是利用天然土地系统的自身净化功能，所以对场地 有一定的要求，如渗透系数、土层厚度以及地下水位高度等。 ( 2 ) 土地处理系统占地面积较大，一般为二级常规污水处理的4 1 0 倍【2 5 1 。 ( 3 ) 由于土地处理主要是依靠土壤中微生物的作用，所以气温对处理效果 有较大的影响。 ( 4 ) 对进水水质有一定的要求。因为土壤对微生物的净化主要是通过微生 物的作用，所以对于重金属，酸碱度过高或含有有毒有害物质等会影响微生物活 性的废水，不适合用土地处理的方法。 ( 5 ) 随着土地处理系统运行的时| 日j 延长，由于物理、化学、生物等因素的 影响，土壤渗透速率有可能下降，导致土壤出现堵塞，影响处理效果。 ( 6 ) 当土地处理系统的出水为地下水补给时，如果运行不当，可能造成对 地下水的污染。 由于土地处理具有以上的局限性，并针对传统的土地处理水力负荷较低的问 题，近年来提出了采用渗透性能良好的人工配土来代替天然土，采用干湿交替， 7 江苏大学硕士学位论文 通气管设置来提高系统的复氧量等等方案来提高系统水力负荷，增强系统处理效 果，以减少工程占地，增强其实用性。 1 3 本研究的出发点、主要内容及创新之处 1 3 1 本研究的出发点和主要内容 由于土地处理系统存在占地面积大，处理负荷较低，系统易堵塞等问题，因 此，有必要深入研究土地处理中的配土及复氧问题，使污水土地处理技术更加成 熟、经济和高效，为我国小城镇生活污水以及受污染河水治理以及污水资源化利 用作出贡献。 基于这种情况，本文的研究内容主要分为以下三个方面的内容： ( 1 ) 研究不同的土壤配比对污染物去除效能的影响，确定较优的人工土壤 配比。并进行有关污染物的动力学分析。 ( 2 ) 研究土壤的微曝气，及进气量对处理效果的影响。确定较优的进气量 和人工土壤配比组合，并分析系统中不同污染物的去除机理及效果。 ( 3 ) 设计人工复氧改性土壤的工程参数，并对系统床体，进出水分布及进 气分布等进行设计及分析。 1 3 2 本研究的创新之处 本研究的创新之处主要有以下两点： ( 1 ) 创新性的提出了人工复氧改性土壤污水净化新工艺。 ( 2 ) 研究建立了一种新型基质组成的改性土壤净化系统。 1 4 研究方法及技术路线 1 4 1 研究方法 采用理论，试验和工程应用化分析相结合的方法进行人工复氧改性土壤净化 生活污水的研究。理论分析主要是土壤中氮，磷，有机物的去除机理分析；试验 主要是利用人工土壤系统处理生活污水；工程应用化分析了系统的工艺参数和系 统结构等。 8 江苏大学硕士学位论文 1 4 2 技术路线 本课题采用室内土柱试验和理论分析相结合的研究方法，力求最大限度地接 近工程实际。技术路线如下： 技术路线如图1 2 图1 2 技术路线图 f i g1 2 r e s e a r c hp l a n 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 试验概述 第二章改性土壤系统除污效果研究 土壤是物质生产的场所，也是物质降解的中心。利用土壤法进行生活污水的 深度处理，具有成本低，能耗低，不需要维护等特点，并且可以循环利用土壤和 水资源，实现水环境的再生。然而自然土壤具有占地面积大，水力负荷低、氮、 磷去除率低等缺点，有碍于土地处理系统的实际应用和推广。而叶建峰等经过研 究得出，煤渣，及石灰石的加入有利于磷的去除效果，并能使土壤基质的使用寿 命延长【2 5 2 引。在城市污水处理厂运行过程中产生的数量巨大的剩余污泥( 污水处 理量的o 3 加5 ) 中含有较多的有机质，氮，磷等营养元素及微生物【9 1 。本试 验试图把活性污泥作为一种土壤基质，研究其对生活污水中污染物的去除效果。 凹土又称为坡铝石，是一种链层状结构的含水镁铝硅酸盐矿物，对氨氮和磷均有 一定的吸附能力【2 9 1 。本试验试图通过在土壤中加入以上基质来，来改善土壤的 处理性能，增强土壤处理氮，磷等污染物的效能。 试验在某实验室中进行，室内通风条件良好。在实验室内建立土柱，主要研 究不同基质含量的土壤对生活污水中污染物的初步去除效果。 本试验的主要研究内容包括： ( 1 ) 研究改性土壤最佳基质组成。 ( 2 ) 研究改性土壤系统对c o d 、氮、磷的去除效果及去除机理分析。 ( 3 ) 对c o d 去除的动力学进行分析。 ( 4 ) 各系统中土壤中理化性质的变化。 2 2 试验材料与方法 2 2 1 试验材料 “ 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。同时也要保证渗滤介质具有较大的比 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。此外，氨氮的转化， l o 江苏大学硕士学位论文 需要消耗碱度，因此，所选择的渗滤介质应含有一定量的钙质，以缓冲p h 值。 本试验采用以下一些价廉易得的几种材料按一定比例组合成五种土壤基质 填料，其中包括：凹土，取自镇江句容市；煤渣，取自某大学的锅炉房。石灰石， 细砂取自某建筑工地；腐木，取自某大学树林中，洗净、干化后使用；活性污泥， 采自镇江市征润州污水处理厂。填料粒径见表2 1 。 表2 1 填料的粒径( r a m ) t a b l e2 1 p a r t i c l es i z eo f m a t e r i a l 2 2 2 试验水质 镇江市某污染河道中生活污水作为试验用水，原水水质见表2 2 。 表2 2 原水水质 t a b l e2 2q u a l i t yo fi n f l u e n t 2 2 3 试验装置 队 r 。 ! 。 1 运气口 ， ， ， 、 - 出水口。囊 眦试验装置图 2 2 1 图2 2 = 三喜豢m 州 f i g 2 ip r o f i l eo f e x p e r i m e n ts y s t e m 试验包括5 套系统( 1 j | ，2 撑，3 ，4 j ! i ，5 f j ) ，系统装置见图2 1 、2 2 所示， 反应柱有效高度1 3 0 0 m m ，内径11 0 m m ，距出水口2 0 0 m m 装填碎石，之上1 0 0 0 m m 江苏大学硕士学位论文 2 2 4 试验方法 采用的预处理方法主要是将取回来的污水在室内静置预沉一段时间。经过启 动阶段，试验装置开始正式运行，在室温下进行试验，进水流量为4 0 m l m i n ， 系统的水力负荷为3 0 3 2 c m d ，为中水力负荷。 据资料【3 0 】报道，为了达到最佳渗滤速度和最大硝化作用，对于一级处理出 水或相类似的污水，污水的投配时间不能超过1 2 天，干化时间一般为5 7 天。 因此水力停留时间一般为5 8 天。所以本次试验的采样问隔时间为3 5 天。 2 2 5 试验仪器 手提式压力蒸汽灭菌器y x q s g 4 1 2 8 0 7 2 2 可见分光光度计 调温力用电炉 b 8 5 2 恒温磁力搅拌器 h h s 数显恒温水浴锅 磁力驱动循环泵 l z b 3 p h 计 n i c o l e tn e x u s4 7 0 傅罩叶变换红外光谱仪 上海医用核子仪器厂 上海欣茂仪器有限公司 上海锦屏仪器仪表有限公司 江苏医疗仪器厂 江苏省会坛市医疗仪器厂 浙江西山泵业有限公司 江阴市科达仪表厂 哈钠 美国n i c o l e t 公司 江苏大学硕士学位论文 2 2 6 分析方法 根据水和废水监测分析方法( 第四版) ，使用重铬酸钾法、纳氏试剂光度 法、钼锑抗分光光度法分别对c o d 、n h 3 - n 、t p 进行监测。 2 3 结果与讨论 2 3 1 系统的启动 土地处理系统的启动是指在一定的条件下，让微生物增值