（环境工程专业论文）水解池—滴滤池—人工湿地处理农村生活污水研究.pdf

东南大学硕士学位论文 题名：水解池一滴滤池一人工湿地处理农村生活污水研究 硕士研究生：余浩学号：0 3 0 5 9 7 导师：吴浩汀教授学校：东南大学 摘要 近年来随着工业排放点源污染的有效治理，太湖的富营养化程度已有所下降，但是太湖流域内 的面源污染仍比较突出，且区域内氮、磷污染严重，因此太湖流域内水环境的治理己到了刻不容缓 的地步本研究课题属于8 6 3 项目的农村生活污水处理技术及示范性工程专题，要求结合农村的实 际情况，开发在太湖流域农村地区具有广泛推广价值的生活污水处理实用技术，并制订相关的设计 规范和运行指南为治理太湖流域内的农村生活污水提供行之有效的先进处理工艺及技术，并在试 验运行的基础上，获得最佳的运行条件，为后续的治理工作提供实践经验。 基于此，设计了水解池一脉冲多层复合滤料生物滤池一人工湿地组合工艺处理农村生活污水， 并在实际的运行过程中得出以下结论： 1 滴滤池作为污水处理的碳氧化和硝化手段，具有运行操作简单、抗负荷能力强、处理效果良 好、运行费用低等优点，较适于农村生活污水间歇性排放且水质波动大的情况，是值得推荐的农村 生活污水处理模式。 2 滴滤池的处理效果与滤层深度、水力负荷、有机负荷、温度和回流比有关c o d 及氨氮处理 效果在水力负荷为4 0 7 0 m 3 m 2 d 和7 0 8 0 m 3 m 2 d 范围内分别达到最佳，平均去除率分别为 8 5 和9 2 ，回流比为2 0 0 时，总氮去除率高达6 0 以上：滴滤池受温度影响较小，一般不会出 现供氧不足的情况。 3 通过对滴滤池内生物相的分析发现，滴滤池内硝化细菌的数量级为1 0 9 个，g 填料，并且沿程 增大，至中下层达到最大：亚硝化细菌也呈现类似的规律。数量级为i 矿个，g 填料 有机物降解集 中在滤池上中部，硝化作用集中在中下部 4 人工湿地对c o d 、氮、磷均具有较好的去除效果，去除率分别为2 0 4 0 、9 0 、9 5 湿地系统除氮的主要机制在于微生物的硝化和反硝化作用，并与湿地的缺氧一好氧交替环境有关 湿地系统除磷的主要机制是介质的吸附沉淀作用 5 滴滤池+ 人工湿地组合工艺用于处理农村生活污水取得了很好的处理效果。c o d ， i n 和t p 去除率分别在9 0 、9 5 和9 5 以上组合工艺的研究成果为我国农村生活污水污染治理和环境协 调问题提供了一项成功的技术，值得推广应用。 关键词：农村生活污水脉冲多层复合滤料生物滤池人工湿地硝化反硝化除磷 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee u t r o p h i cd e g r e eo fl a k et a i h uh a sd e s c e n d e da f t e rt h ee f f e c t u a lt r e a t m e n to fi n d u s t r ye 用u e n c e p o i n tp o l l u t i o ni nt h er e c e n ty e a r s b u tt h en o n - p o i n tp o l l u t i o ni nl a k et a l h ua 旧h a sb e e nt h em o s t i m p o r t a n to l l ef o rt h ep o l l u t i o nc o n t r i b u t i o nw i mt h es e r i o u sp o l l u t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s s ot h e d i s p o s i t i o no fw a t e rc i r c a m s t a n c ei nl a k et a i | i ua r e ah a sb e c o m et h em o s ti m p e r a t i v et h i n gt h a tw i l lb e d o n e 1 1 sf u l l s c a l ee x p e r i m e n t a ls t u d yb e l o n g st ot h es u b j e c ta b o u tt e c h n o l o g ya n dd e m o n s t r a t i v e e n g i n e e r i n gf o rr a t a ld o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw h i c hi so n ep a r to f t h e8 6 3t a s k s c o m b i n e dw i t ht h e r u r a lf a c tc o m p l e x i o n ，t h ea d v a n c e d1 1 a t m e n tp r o g r e s sa n dt e c h n o l o g yw h i c hc a ni r e , a tr u r a ld o m e s t i c s e w a g ei nl a k et a i h na r e ae f f e c t i v e l yw i l lb ep r o v i d e d w i t i lt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , ap r a c t i c a lt e c h n i q u e o f d o m e s t i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t t h a tc a n b e g e n e r a l i z e d i nr u r a la r e a so f t a i h ov a l l e y w i l lb ed e v e l o p e d a n dd e s i g nc r i t e r i aa n dm a n u a lo f o p e r a t i o nr e l a t e dw i t hp r o c e s sw i l lb es t i p u l a t e df o r , t h eo p t i m a lr u n n i n g c o n d i t i o n sa r eo b t a i n e dw h i c hc a np r o v i d et h ee x p e r i e n c e sf o rc o n t i n u e dn e a t m e n tt a s k s b a s e do nt h e s e , t h eh y d r o l y s i sp o n d t r i c k l i n gf i l t e r c o n s t r u c t e dw e t l a n dc o m b i n e dp r o c e s s e sf o r t r e a t i n gr u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e ra r cd e s i g n e d t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ea r r i v e da td u r i n gt h e p r a c t i c e ： 1 t h et r i c k l i n g6 l 钯ri ss u i t a b l ef o rr e m o v a lo f na n do r g a n i c si nr u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e rd u et oi t s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n di t sa d a p t i v et ot h ec h a n g eo f t h ew a t e rq u a l i t y 2 t h et r e a u n e n tp e r f o r m a n c eo ft h et r i c k l i n gf i l t e ri si n f l u e n c e db yt h eo r g a n i cl o a d ，h y d m u l i cl o a d ， c i r c u m f l u s n c er a t i o , t e m p e r a t u r ea n dt h eh e i g h to f t h ef i l t e rl a y e r t h eb e s tt r e a t m e n tp e r f o r u m c eo f c o d a n dn 心+ na r ea c h i e v e dw h e nt h eh y d r a u l i cl o a di s4 o 7 0m ，m 2qa n d7 0 8 0m 3 m zq ，t h er e m o v a l r a t e sa r e8 5 a n d9 2 r e s p e c t i v e l y t h er e m o v a lr a t eo f t ni so v e r6 0 w h e nt h ec i r c u m f l u e n c er a t i oi s 2 0 0 t e m p e r a t u r ei n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo f t h et r i c k l i n gf i l t e rs l i g h t l y 3 t h ca n a l y s i st h r o u g ht h em i c r o o r g a n i s m si n s i d et h e i fi n d i c a t e st h a tt h em a g n i t u d eo fn i t r i f y i n g b a c t e r i ai a ifi s1 0 y c e l l s gm e d i u ma n dt h ed e l a m i n a t i o nd i s t r i b u t i o nc a s e si n c r c a s c w h i c hi ss i m i l a rt o t h a to ft h en i t r o s o m o n a s e s 1 1 1 em a g n i t u d eo fn i u o s o m o n a s e si s1 0 5 c e l l s gm e d i u m t h er e d u c t i o no f o r g a n i c so c c u r sm a i n l yi nt h em i d d l ea n dt o po f t h et r i c k l i n gf i l t e rw h i l en i t r i f i c a t i o no c c t l i sm a i n l yi nt h e m i d d l ea n db o t t o m 4 mc o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sp e 哝! c tp e r f o r m a n c ei nr e m o v i n go fc o da n dn i - 1 4 + - n n 峙m a i n m e c h a n i s mo fn i t r o g e ni nw e t l a n ds y g e m si sn i t r a t i o na n dd c n i 乜 a f i c a t i o n 1 1 他m a i nm e c h a n i s mo f p h o s p h o r u sr e m o v a li st h ea d s o r p t i o na n ds e d i m e n t a t i o nb yt h er e a c 廿o r lo fw e t l a n db e dm e d i u mw i t i i p h o s p h a t ei nw a s t e w a t e r 5 1 1 1 eu i c k l i n gf i l t e r c o n s t r u c t e dw e t l a n dc o m b i n e dp r o c e s s e sh a v ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo f t r a a t i n g r u r a ld o m e s t i cw a s t e w s t e r t h er e m o v a lr a t e so fc o d ，1 na n dt p a mo v e r9 0 ，9 0 ，9 5 ，r e s p e c t i v e l y t h ec o m b i n e dp r o c e s s e sp r o v i d eas u c c e s s f u lt e c h n o l o g yf o rr u r a lw a t e rp o l l u t i o np r o b l e mn o w a d a y s k e yw o r d s ：r u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e rt r i c k l i n g f i l t e r c o n s t r u c t e dw e t l a n dn i t r a t i o na n d d e n i t r a f i c a t i o n p h o s p h o r u sr e m o v a l i i 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：幺莲 日期：删午，2 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：曼：堕导师签名： p 口 日期：溺- o 第一章引言 1 1 课题研究背景 1 1 1 太湖流域的水污染现状 第一章引言 太湖流域地处长江三角洲的南翼，流域总面积3 6 8 9 5 k m 2 ，水面率达1 6 8 ，河网总长度达 1 2 0 0 0 0 k i n 是全国经济发展最快的地区，也是城市、人口、财富集中的地区之一太湖位于太湖流 域中心，是我国第三大淡水湖泊，具有蓄洪、灌溉、航运、供水、水产养殖、旅游等多项功能，太 湖水源是整个太湖流域国民经济和社会发展的命脉。然而自2 0 世纪8 0 年代以来，随着乡镇企业的 不断发展，社会经济水平的不断提高，该流域内的水体污染日益严重，突出反映在河网区域水质的 严重恶化和湖泊高度富营养化 近几十年来，太湖流域经济的快速发展，人口的急剧增加，城镇化水平的不断提高和人类不恰 当的水资源开发，水环境容量的滥用，给流域水资源生态系统造成巨大的冲击和压力按 现行的国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 8 8 ) ，太湖在2 0 世纪6 0 年代属i i i 类水体；7 0 年代发展 至i i 类；8 0 年代初平均为i i i i i 类；年代末则全面进入l 类，局部和v 类。9 0 年代中期平 均已达i v 类，1 ，3 湖区为v 类【l 】平均每1 0 年左右水质下降一个级别，近l o 多年下降速度明显加 快太湖水环境演化基本上以2 0 世纪8 0 年代为一转折点8 0 年代以前，总氮变化较为显著，其中 c o d 浓度也有所增加此后，总氮增长趋势趋缓，而c o d 及总磷却呈稳定的增长态势。 近些年来，有关部门已经对工业点源进行了系统治理，尤其是2 0 0 0 年太湖流域的达标治理。使 流域内工业点源污染正逐渐得到控制但是农村生活污水和农业面源污染问题仍十分突出，太湖水 资源质量状况依然形势严峻。 据中国环境质量公报报道，2 0 0 1 2 0 0 3 年之间，随着治理太湖措旌的有效实施。太湖全湖的富 营养化程度已经有所下降，富营养化指数下降了3 个点，富营养化程度也已经从中度转变为轻度 但从表中可以看出，全湖总氮浓度却在逐年增加。有资料认为，当水体中t n 0 2 m g l 。t p 0 0 2 m g l 时，水体就会营养化【2 】因此尽管太湖的水质有所改善，但太湖的污染程度仍不容乐观 但随着太湖周边地区工业企业污染源( 点源) 的治理和工业结构调整，工业污染量大大下降， 各污染源在排污总量中的比例如下表； 表1 1 太湖地区主要污染源在排污总量中的比例( ) 纠 污染源 t pt n c o d o 生话污水 6 02 54 2 面源污染 2 85 5l o 工业废水1 01 63 9 从表中可以看出，在太湖水体污染中，从全流域总氮排放负荷来看，生活污水占2 5 ：从总磷 捧放负荷来看，生活污水占6 0 o 由于生活污水污染和面源的控制没有突破性进展，导致氮、磷 的排放量居高不下，水体富营养化现象日益加重。因此，农村生活污水的污染控制是解决太湖水体 富营养化的最根本措施之一 1 1 2 课题的目的及意义 本课题重点研究的是农村生活污水处理技术，建设小型污水处理科研先导工程对农村生活污水 进行处理，属于属于国家高科技研究发展( 8 6 3 ) 计划，河网区面源污染控制成套技术子课题。农村 l 东南大学硕士学位论文 生活污水处理技术及示范工程专题( 专题编号2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 - - i a ) 。 本课题旨在通过试验研究，开发在太湖流域农村地区具有广泛推广价值的生活污水处理实用技 术，制订相关的设计规范和运行指南并探求处理工艺的最佳运行工艺参数，为后续的面源污染控制 区域内的农村生活污水的治理提供具有较好参考价值的信息，并逐步完成预留区域内的生活污水处 理设施的建设，有效控制太湖流域内的农村生活污水的排放科研先导工程的建设和研究开发项目 整体水平达到国际先进水平 1 2 农村生活污水处理技术的研究 在国内，目前城市生活污水的集中式处理工艺研究较多，处理方法也有很多种，例如a 2 - o 、 u c t 、s b r 、氧化沟等工艺均能达到较好的处理效果。但对分散式生活污水的研究较少，而我国农 村生活污水的特点恰恰是以分散式为主，因此要处理好农村生活污水，必须加强对分散式生活污水 的处理工艺研究 1 2 1 农村生活污水的特点 一般来说，农村生活污水具有与城市污水不嗣的特点。农村生活污水主要是洗涤、沐浴等的排水， 而卫生洁具或卫生间的排水较少，因为方面农村的人体所排粪便大部分用于还田，还有少部分由于没 有卫生洁具或合理的集水系统，收集难度较大。而且农村生活污水水量因地区性经济程度的差异而有着 较大的不同。农村生活污水的特征是水质不稳定，由于粪便污水的收集困难，且偶尔会有农田灌溉水渗 入污水系统，水质一般呈现较低的情况，虽一般不含有有毒物质，但污水中含有较多的合成洗涤剂以及 细菌、病毒、寄生虫卵等等农村生活污水的排放为不均匀排放，瞬时变化较大，日变化系数一般在 3 o 5 0 之间，在某些变化较大的情形下更可能达到1 0 0 以上的高度。与城市用水不同，农村用水一般 以河水、井水和自来水三者结合使用，自来水为饮用水源，河水、井水作为辅助用水用于衣物洗涤、冲 刷地面、饲养家禽等。 由我们所做的农村生活污水调查可知，生活水平的高低，导致同一示范区内农村生活污水的性质呈 现差异性，主要表现出2 种类型：一为低水量，高浓度；一为高水量，低浓度 课题组采取定点监测、资料收集与专人问卷调查的方法，调查了示范区农民的用水及排水现状及特 征，地理和地貌特征( 地形图测绘) ，初期地表径流污染状况等经过系统的统计和分析，归纳总结出 示范区内农村生活污水具有以下特征： 1 ) 水质水量差异明显 水量方面，通过调查和定点实铡示范区代表性自然村农户用水及排水情况，发现新居住区农户生活 水平较高，有卫生沽具的住户可达6 0 以上，平均每户用水量可达l 肌1 4 吨月，而旧居住区农户基本 无卫生洁具，平均每户用水量仅3 - 5 吨，月。生活污水排放量，新居住区在8 0 l 人日左右，旧居住区 在3 0 4 0u 人日之间。新旧居住区人均污水排放量相差一倍以上 。 水质方面，旧居住区农户的污水c o d = 日平均可达7 8 0 - 1 3 4 9 m g l ，而新居住区平均在3 5 0 4 5 0 m g l 之间，旧居住区有机物浓度是新居住区的2 4 倍，这与旧居住区居民用水反复使用有关在氮磷 浓度上，新旧居住区相差不大t k n 浓度最高为7 0 8 0m g l ，平均为3 6m g l ，t p 最大在4 5 6 5 m g l 之问。平均在2 8m g ，l 污水b o d ，c o d 约为0 5 适合生物处理，部分污水氮碳比失调，不利于生物脱 氮。 2 ) 污水排放和收集特征 所有生活污水均未处理。 生活污水就近捧入河流的约占4 1 8 ；先排入下水道，然后入河的约占3 3 8 ；洒在空地的约占 1 4 4 0 o 。农村生活污水和村落地表径流中氮、磷对水体污染的贡献率分别为2 9 和3 4 ，为水环境污染 的主要污染源 2 蔓二皇! ! 童 示范区内地势平坦，地下水及河流水位较高，基本无法进行污水自流收集。不同的水质条件、 复杂的地形条件，居住分布的多样化等诸多条件决定着在工艺选择上必须“因地制宜” 1 2 2 农村生活污水处理技术现状 国外对农村生活污水的处理技术研究进行较早，目前也有较为成熟的技术。但就其特点分析大多 拥有自身的缺点，不能适应于我国农村的具体情况 在欧洲和北美有2 0 3 0 的人口利用小型污水处理系统欧美国家中稳定塘特别适用于小型污水处 理，1 9 8 3 年稳定塘数目就达7 0 0 0 座以上，其中9 0 建在人口少于5 0 0 0 的小城镇，但基本不具备除磷 脱氮功能 日本h 从1 9 7 7 年开始实行农村污水处理计划，日本采用的小型污水处理系统多为日本农村污水处 理协会研制的j a r u s 模式，共有1 5 种不同型号装置从广义上讲，它可以分成两种类型：( 1 ) 生物膜 处理。在自然界中存在着大量依赖有机物生活的微生物。它们具有氧化分解有机物并将其转化为无机物 的功能生物膜处理就是利用微生物的这一功能，采取人工措施来创造更有利于微生物生长和繁殖的环 境，使其大量繁殖，从而提高对污水中有机物氧化降解效率，达到净化污水的作用通过生物膜后可使 污水中的b o d 下降到2 0 m g l 以下，s s 下降到5 0 m g l 以下，t n 含量在2 0 m g l 以下。( 2 ) 泥法处理。 通过悬浮在水中的微生物氧化作用净化污水，可使b o d 下降到1 0 2 0 m g l ，s s 下降到1 5 - - 5 0 m g a , ， c o d 下降到1 5 m g l 以下，i n 下降到l o 1 5 m g 1 , 以下，t p 下降到l 3 m g l 以下。日本农村污水处 理主要利用生物膜法( 生物接触氧化法) ，采用小型生活污水净化装置( 净化槽) ，即淹没式生物滤池。 污水处理装置体会及积小，成本低、操作运行简单，十分适用于农村，处理后的污水水质稳定。从污水 中分离出来的污泥经脱水，浓缩和改良后。运至农田以作肥料但该工艺存在着投资大、处理成本高、 工艺复杂、且没有除磷效果等缺点，对改善水体富营养化效果不明显，不适于我国农村的现状 韩国i s 针对韩国农村的居民分散居住的特点，研究了一种湿地污水处理系统，湿地上多种植芦苇， 香蒲和灯心草等，对病原体的去除效果好污水中的污染物质经湿地过滤后或被土壤吸收，或被微生物 转变成无害物这种方法需要的能源少。维护的成本低。但其缺点是需要大量土地，并要解决土壤和水 中的充分供氧问题及受气温和植物生长季节的影响等一般来说，利用湿地处理后的污水灌溉水稻，可 取得更好的净化效果但该工艺的污水处理负荷较低，造成了土地资源的浪费，不适于太湖周边农村地 区日益紧张的农村用地，太湖地区人口高度密集，土地资源紧缺，人口密度为9 2 0 m u l l 2 ，人均耕地为 1 0 7 亩人，低于全国1 4 2 亩从的平均水平示范工程区的户均自留地仅有o 0 2 亩左右，仅占全国平均 水平的1 5 澳大利亚嘲开发了一种“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水再利用系统”，称之为“f i l t e r ” 高效、持续性污水灌溉新技术，它利用污水进行作物灌溉，通过灌溉土地处理后，再利用地下暗管将其 汇集和排出该系统一方面可以满足作物对水分和养分的要求同时降低污水中的氮、磷含量。“f i l t e r 系统一般适用于土地资源丰富、可以轮作休耕的地区；存在暗管排水系统造价较高，且在地下水位较高 的太湖地区有应用困难的缺点 目前，国内对农村生活污水处理技术的研究善处于起步阶段。根据我国农村实际情况，污水处理 应“因地制宜”，采用经济、简易、节能和有效的处理技术可供选择的处理技术或方法包括高效藻 类塘、生态系统塘、土地处理系统等嘲其中，土地处理系统中的人工湿地技术应用发展较快，该工 艺具有运行简单，处理效果良好，不仅能去除c o d 、b o d 等有机物，而且有很好的除磷脱氮效果。对防 止水体的富营养化有着较大的作用。 8 6 3 计划在“九五”滇池项目中也进行了农村生活污水处理技术的研究，选用的技术有三种；人工 复合生态床、地下土壤渗滤、缺好氧生物滤池。前两项属于单纯的生态技术，最后一项属于单纯的生 物技术在滇池地区取得了较好的处理效果。其中。刘超翔等采用人工复合生态床处理滇池流域农村生 活污水。利用微生物的硝化，反硝化作用以及填料对磷的吸附沉淀作用、水生植物的吸收作用，对营养 物氮，磷的去除取得了较好的效果i j 3 东南大学硕士学位论文 1 2 3 脉冲多层组合填料生物滤池+ 人工湿地工艺的确定 本组合工艺根据课题组的“因地制宜、生物生态、综合利用、系统集成”的环境理念，将生物方 法和生态方法结合于一体，综合了滴滤池较好的硝化作用和人工湿地较好的反硝化及除磷作用，该项 技术具有管理、操作、流程简单的优点，造价和运行费用低廉等优点，符合了我国农村生活污水处理 的现状该工艺的应用还美化了当代农村的环境，创造出了一个较好的自然和谐的人居环境。其工艺 流程如下： 进水 1 巫困圈妒放 图1 1 农村生活污水处理工艺流程图 4 5 。巴 | 强厩建没； l 。j 第二章试验的理论基础 2 1 水解酸化原理 第二章试验的理论基础 水解可以定义为复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程罔。水解过程 通常较缓慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段多种因素可能影响水 解的速度与水解的程度，例如： 水解温度； 有机质在反应器内的水力停留时间； 有机质的组成( 例如木素、碳水化合物、蛋白质与脂肪的质量分数) 及颗粒有机质的大小和数 量： p h 值； 水解产物的浓度( 例如挥发性脂肪酸) 胞外酶能否有效接触到底物对水解速率的影响很大因此大的颗粒比小颗粒底物降解要缓慢得 多。对来自于植物中的物料，其生物降解性极大地取决于纤维素和半纤维素被木素包裹的程度。纤维 素和半纤维素是可以生物降解的，但木素难以降解，当木素包裹在纤维素和半纤维素表面时酶无法 接触纤维素和半纤维素，导致降解缓慢 表2 i 列出了不同温度和停留时间下的水解常数k i i 值。 表2 1 温度与停留时间对污水污泥中不同组分的l 【h 值的影响 停留时间d 温度 c脂肪纤维素蛋白质 l s6 01 56 01 56 0 1 50o0 0 30 0 1 8o 0 20 o l 2 5 o 0 9 0 0 30 2 7o 1 6o 0 30 0 1 3 50 i l0 0 4o 6 20 2 10 0 30 0 l 水解池将厌氧消化控制在反应时间较短的水解酸化段，将污水中不溶的有机污染物溶解、部分溶 解性复杂有机物降解。断键后分子量变小，使其易于穿越细胞膜水解形成的小分子被细菌用为进行 发酵的碳源和能源同时水解池中的兼性微生物利用硝酸盐作为电子受体，将其转化为氮气达到反硝 化脱氮的目的因此，水解酸化作为生活污水的预处理单元，不但可以起到初沉池和污泥消解的作用， 并可在本工艺中作为反硝化单元，是整套技术中的重要组成部分 2 2 生物脱氮 生物硝化脱氮是一种将污水中的含氮物质逐步稳定转化为氮气的方法其步骤主要有硝化和反硝 化两个过程。其完整过程如图2 - i ： 5 东南大学硕士学位论文 2 2 1 硝化反应及主要影响因素： 2 2 1 1 硝化反应 n h 4 + + 3 2 0 2 n 0 2 一+ h 2 0 + 2 h + 一a g = 6 8 9 k c a l n 0 2 一+ 1 2 0 2 寸n 0 3 一 一a g = - 1 8 1k c a l 氨化菌 有机氮一氨氮 ( 异养) ( 厌氧或好氧，需有 机物，碱增加) 氮化作用 亚硝酸菌硝酸菌反硝化菌 ( 白养)( 自养) ( 好氧，不需有机物，碱减少) 硝化作用 ( 异养) ( 缺氧，需有机物，碱增加) 反硝化作用 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 图2 - i 生物脱氮过程示意图 前者对氨进行氧化的是亚硝酸茵，后者对亚硝酸进行氧化的是硝酸菌，两者统称硝化菌。亚硝酸 菌主要是n i t r o s o m o n a s 菌，硝酸菌主要是n i r o 蛐菌，这些细菌利用式反应放出的能量，进行细胞 合成，用于自养型细菌 n i l + + 1 8 6 0 2 + 1 9 8 h c 0 3 一 o 0 2 0 5 c 5 h 7 n 0 2 + 0 9 8 n 0 3 - - + 1 0 4 h 2 0 + i 8 8 h 2 c 0 3 ( 2 3 ) 按上式计算。每氧化l g n h 4 + 为n 0 3 一需要4 2 5 9 0 2 和7 0 4 9 碱度，收率分别为o 1 4 6 9 和o 0 1 9 9 。 根据式2 1 、2 2 两种细菌氧化同量的氮时获得的能量有较大的差异，每氧化t t o o l n l h + 所得到的能量 分别为6 8 9k c a l 和1 8 1k c a l ，因此在稳态运行过程中，要获得相同的能量，氨氮转化为亚硝氮为反应 的限速步骤，不会产生亚硝氮的积累。 2 2 1 , 2 硝化反应的影响因素 污泥龄：硝化菌的比增殖速率比一般的异养型细菌的比增殖速率要小一个数量级。尤其对于悬浮 状态的硝化菌，由于冲洗和污泥排放的影响，需要保持较长的污泥龄。而膜法由于细菌停留时间较长， 一般较容易满足世代时间的要求 温度：硝化菌的最适宜温度为3 0 左右。温度对硝化菌产率的影响效果为：p 一1 1o 9 ”，其中 t 为温度( ) ，0 为温度系数。由于亚硝化菌和硝化菌的温度系数分别约为i 1 0 和1 0 7 ，大于一般 异氧菌的1 1 0 4 ，所以硝化菌对温度较敏感尤其在1 5 以下反应速率明显下降，6 c 以下反应基 本停止【9 1 p h 值的影响：一般情况下，亚硝酸菌的最适宜p h 值为7 0 8 5 ，硝酸菌则为6 o 7 5 之间。由 反应式可知，每氧化i g n h 4 + 硝化反应消耗的碱度为7 0 7 9 ( 以c a c 0 3 计) ，而亚硝酸菌最适宜的p h 值为弱碱环境，故硝化反应中应注意对n h 值的控制 d o 的影响：硝化反应必须要在好氧状态下进行。埃肯费尔德( f 七k o n f e l d e r ) 1 0 1 曾提出必须使溶氧在 2 0 m g ，l 以上，溶氧的浓度直接影响了硝化反应的速率，高溶氧有利于硝化反应的发生和进行 其它影响：微量元素对硝化反应也有重要影响n “o ”1 ，一般来说生活污水都不会缺少这些成分； 一些无机物也会对n h 4 + 和n 0 2 - 产生影响，但是当污水中n h 4 + - n 浓度为2 0 0m g l 以下，n 0 2 一n 为 l o o m g l 以下时无机物一般不产生什么影响 6 第二章试验的理论基础 2 2 2 反硝化反应及影响因素 2 2 2 1 反硝化过程 反硝化反应就是在缺氧条件下，一部分细菌以n 岛一或n 0 2 一作氧源，对有机物进行反应，在这个 过程中将物质中所含的氮元素转化为n 2 0 或n 2 从污水中去除其反应过程如下： n 0 2 一+ 3 h ( 有机物) 专1 ，2 n 2 一十h 2 0 + o h 一 ( 2 4 ) n 0 3 一q - 5 h ( 有机物) 哼l ，2 n 2 一- k 2 h 2 0 + o h 一 ( 2 5 ) 由上式可得出去除1 9 的氮，鄞需要相当于1 7 1 n 0 2 一- n 或2 8 5 n 0 3 - - n 的t o d 的有机物，与 此同时还产生3 7 5 9 碱度因此，为使反应完全，一般需投加适量的有机物。但在生活污水的前置反 硝化处理工艺中一般不存在此类问题，因为生活污水中含有较多的易降解有机物。 2 222 反硝化反应的影响因素 根据米一门公式，反硝化过程为零级反应，也即反应速率与分解的有机物种类和浓度无关。其主 要的影响因素为温度、d o 以及p h 值。水温的影响为k , r = k 2 0 0 ，温度系数范围为1 0 6 1 0 8 之间，最适宜的温度为3 4 3 7 ；最佳口h 值为7 0 7 5 范围内，由于硝化菌由不同菌属的细菌组 成，故p h 值的影响较小：由于脱氮菌为兼性菌，有溶氧存在时先利用溶氧进行有氧呼吸，阻碍了脱 氮反应的进行，但由于氧的传递，活性污泥悬浮系统中，液相溶氧较低的情况下，活性污泥内部仍能 保持厌氧或缺氧状态；而附着生长系统中的液相溶氧只要保持在0 s m g l 以下，并且生物膜系统的最 低溶氧可以更高都能满足反硝化的要求 2 2 2 3 好氧反硝化 好氧反硝化( a e r o b i cd e n i t r i f i c a f i o n ) 就是细菌利用好氧反硝化酶的作用，在有氧条件下进行反硝 化的过程。2 0 世纪8 0 年代，r o b e r t s o n 等人报道了好氧反硝化细菌和好氧反硝化酶系的存在“”，并 证实了泛养硫球菌t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a ( 现更名为脱氮副球菌p a r a e o e c u sd c n i t r i f i c a t i o n g s j ) 在生 长过程中，0 2 和n 岛一共同存在时，其生长速率比两者单独存在时都高。目前，越来越多的研究证明 细菌好氧反硝化的存在。并发现了一些在有氧条件下有较高反硝化率的细菌。2 0 0 4 年，张亚光等人 发现红球菌属( r h o d o c o c c 鹕) 也存在好氧反硝化现象l l “ 早期理论认为，0 2 的得电子能力阻止了电子传递给n 0 3 一或n 0 2 一，从而抑制了反硝化的进行。 而最近研究表明，细菌反硝化酶系和有氧呼吸系统同时存在n 0 3 - 被还原的同时，0 2 被还原，氧 不是抑制反硝化酶活性和反硝化酶生成的直接因素。缺少n o s - 或0 2 都会降低细菌的生长率和反硝 化率w i l s o n 等人 1 6 1 提出了细菌反硝化过程中的电子传递模型，说明了反硝化菌可将电子从被还原 的物质传递给0 2 。同时也可通过硝酸还原酶将电子传递给n o s 一 2 3 除磷方法 含磷废水的常规处理方法主要分为物化法和生物法两种具体包括混凝沉淀法、结晶法、吸附和 离子交换法1 1 7 】以及生物除磷。 生物除磷原理为含磷量高的污泥在厌氧条件下放出磷，在好氧条件下摄取较多的磷，其结果可比 普通活性污泥法从介质中去除更多的磷同时在厌氧、好氧条件下从介质中去除有机物利用这种现 象，将污水中的磷和有机物同时去除。但生物除磷方法对环境条件要求较高，即要求厌氧与好氧状态 7 东南大学硕士学位论文 交替，先厌氧释磷，再在好氧状态下过量拾取磷且通过排泥的方式从系统中去除，这大大限制了膜 法的除磷效果，因为膜法中污泥量很小。 物化方法除磷包括混凝沉淀法结晶法、吸附和离子交换法。 混凝沉淀法是向污水中投加药剂，使水中磷酸离子生成难溶性的盐，形成絮凝体与水分离，从 而去除污水中所含磷的种物理化学方法。其主要投加的药剂分为石灰和金属盐两种，影响的主要因 素为碱度和药剂投加量 结晶法除磷是利用污水中磷酸根离子与钙离子以及氢氧根离子反应生成碱式磷酸钙( 羟基钙磷 灰石) c a ，( o h ) ( p 0 0 3 的晶析现象其反应式如下： 3h p a - 。+ 5c a 2 + + 4 0 h 一= c a 5 ( o h ) ( p 0 4 b + 3 h 2 0 ( 2 6 ) 结晶法一般应用于二级处理水中，磷离子和钙离子反应生成各种磷酸钙，当p h 呈碱性时，以碱 式硫酸钙的形式存在，磷灰石溶解度随碱度升高而降低，p h 值升高时，各离子呈亚稳定状态，液体 中的磷与晶体接触，在晶体表面产生磷石灰析出，致使液体中的磷浓度降低该法影响的主要因素为 p h 值、晶种和水力负荷等 吸附法被认为是能够较好地适用于宽浓度范围的废水除磷方法【l ”。吸附法是依靠吸附剂与污水 中的磷之间进行的一种化学反应过程达到去除磷的目的。这种方法与化学沉淀法相比。几乎不产生污 泥，而且处理设备简单，处理效果比较稳定。吸附法除磷的关键在于寻找一种适用的吸附剂 离子交换法是利用多孔性的阴离子交换树脂，选择性地吸收除去污水中的磷，反应的一般形式 为： h 2 p 0 4 一+ r n h 2 c i = r n h 2 p 0 4 + c l 一 但由于离子交换法除磷存在着树脂药物易中毒、交换容量低和选择性差等一系列问题，因而这种 方法难以得到实际应用 8 第三章试验装置及研究内容 3 1 试验装置 第三章试验装置及研究内容 3 1 1 试验装置的设计规模 本研究中采用的主体工艺为脉冲多层复合滤料生物滤池从工湿地( p b f c w ) t 艺由于滤池 和人工湿地在处理过程中的重要作用，滤池与人工湿地的工艺及结构设计就显得异常重要。 水解池( 也即调节池) 尺寸为2 5 x 1 0 2 0 秆，池体为砖砌结构，分为两格，第一格尺寸：2 0 1 0 2 0t i n ) ，第二格尺寸；2 0 x1 0 x 2 0 ( m ) ，有效水深1 0 m ，第一格中填有球形填科，填料 体积2 0m j ，有效容积约为2 ，5m 滤池为砖砌结构，平面尺寸为1 0 m 1 0 m ，高度为3 5 m ，填料总高度2 5 m ，填料总体积2 5 m j 底层填料为1 8 m 3 的珍珠岩矿渣，高1 8 m ，粒径在由3 0 m m 由8 0 m m 之间；中层为陶粒，粒径在由 i o 蚴由2 0 r a m ，体积0 2 m 3 ，高0 2 m ；上层为珍珠岩矿渣0 5 衍，粒径在由3 0 m m 巾8 0 m m ；滤 池底部为沉淀区，高度为0 5 m ，有效水深为o 5 m 。池顶设有配水箱，利用虹吸装置将污水通过穿 孔管均匀喷洒至滤池表面，顶端的布水装置尺寸为0 6 0 5 x 0 5 m 后续人工湿地因为同时处理初期雨水等农村面源污染，按最大暴雨径流量折算的雨水负荷设计， 人工湿地为复合流人工湿地，分四级，总平面尺寸为3 0 0 m 8 0 m ，填料层高度为o 6 m 3 1 2 试验装置的现场图： 本试验装置所在地为宜兴市大浦镇河渎南村。根据调查资料，设计迸水水质如下： i c o d b o d 5 n r h + n t nt ps s f 4 0 0m g l 1 5 0 m g l2 5 m g l4 0 m g l4 m g l2 0 0 m g l 设计生活污水处理规模为5 0 t d 图3 - 1 滴滤池处理装置现场图 9 东南大学硕士学位论文 3 1 3 试验装置的流程 本试验装置流程如下； 水解调节池 图3 - 2 河渎南村小型农村生活污水处理工艺流程图 表3 i 设备及构筑物一览表 外捧 序号名称 规格与型号数量备注 l 水解调节池2 5 x1 o 2 0 ( m )l 2 脉冲生物滤池1 0 1 o 3 5 ( m )l 3 高位水箱 0 6 0 5 x 0 5 ( m )l 内有虹吸装置 4 人工湿地i 5 自吸泵 q 弓o m 3 h ，n - - - 2 5 0 w 1 6 转子流量计流量范围o 1 1m 3 ，ht 7 滤料 石膏0 5 m 3 ，陶粒0 2 m 3 ，珍珠岩l 8 m