（环境工程专业论文）粉煤灰复合基质人工湿地处理污水实验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 人工湿地污水处理系统已经在污水处理中得到广泛应用 但还存在一些问题 如污水中的氨氮去除比较困难 达不到理想的效果 去除率低 不同的基质对人工 湿地的处理效果影响较大 并且某些基质的组合要优于单一基质的处理能力 本论 文选取粉煤灰 沸石 蛭石三种基质进行静态吸附实验和动态模拟实验 确定了粉 煤灰一沸石复合基质 粉煤灰和沸石分配比例为8 2 粉煤灰采用粗灰 然后采用 分配比例为灰渣 沸石 粉煤灰 灰渣 2 3 1 2 3 和水生植物构建人工湿地模拟 系统 对其进行了实验研究 实验结果证明 复合基质对c o d 以及n h 4 n t p 都 具有很好的吸附性能 最后对人工湿地的工艺流程进行了设计研究 关键词 人工湿地 污水处理 复合基质 模拟系统 a bs t r a c t c o n s t n l c t e dw e t l a n dh a sb e e nw i d e l vu s e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t h o w e v e r t h e r e a r es t i l ls o m ei s s u e s s u c ha st h er e m o v a lo fa m m o n i ai nt h ew a s t e w a t e rm o r ed i f f i c u l t f a i l e dt oa c h i e v et h ee f f e c ta n dl o wr e m o v a lr a t e d i f f e r e n tm a t r i xh a v eg r e a t e ri m p a c tt o d e a lw i t ht h ee f f e c t so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s a n dt h ec o m b i n a t i o no fm a t r i xa r es u p e r i o r t ot h eas i n g l em a t f i xi np r o c e s s i n gp o w e r i nt h i sp a p e r s e l e c tt h ef l ya s h z e o l i t e v e r m i c u l i t eo ft h et h r e em a t r i xt 0s t u d v c a f r vo u tas t a t i ct e s ta n dd y n a m i cs i m u l a t i o nt o d e t e 珊i n ef l ya s h z e o l i t ec o m p o s i t em a t r j x d i s t r i b u t i o no ff l ya s ha n dz e o l i t er a t i 0w a s 8 2 f l va s hu s e dc o a r s e a n dt h e nu s i n gt h ed i s t r i b u t i o nr a t i 0o fa s h z e o l i t e f l ya s h a s h 2 3 1 2 3a n da q u a t i cp l a n t st 0e s t a b l i s hac o n s t r u c t e dw e t l a n ds i m u l a t i o n ts y s t e m c a r r i e d0 u tas t u d vo fi t se x p e r i m e n t a l t h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h e c o m p l e xm a t r i xh a v eag o o da d s o r p t i o np e r f o r m a n c ef o rc o d a n dn h 4 一n t p f i n a l l y c o n s t r u c t e dw e t l a n dp i d c e s s e sc o n d u c t e dad e s i g ns t u d y g ur u i h u a e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f y i nl i a n q i n g k e yw o r d s c o n s t r u c t e dw e t i a n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n t c o m p i e xm a t r i x s i m u i a t i o ns y s t e m 一1 一 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 人工湿地污水处理系统已经在污水处理中得到广泛应用 但还存在一些问题 如污水中的氨氮去除比较困难 达不到理想的效果 去除率低 不同的基质对人工 湿地的处理效果影响较大 并且某些基质的组合要优于单一基质的处理能力 本论 文选取粉煤灰 沸石 蛭石三种基质进行静态吸附实验和动态模拟实验 确定了粉 煤灰一沸石复合基质 粉煤灰和沸石分配比例为8 2 粉煤灰采用粗灰 然后采用 分配比例为灰渣 沸石 粉煤灰 灰渣 2 3 1 2 3 和水生植物构建人工湿地模拟 系统 对其进行了实验研究 实验结果证明 复合基质对c o d 以及n h 4 n t p 都 具有很好的吸附性能 最后对人工湿地的工艺流程进行了设计研究 关键词 人工湿地 污水处理 复合基质 模拟系统 a bs t r a c t c o n s t n l c t e dw e t l a n dh a sb e e nw i d e l vu s e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t h o w e v e r t h e r e a r es t i l ls o m ei s s u e s s u c ha st h er e m o v a lo fa m m o n i ai nt h ew a s t e w a t e rm o r ed i f f i c u l t f a i l e dt oa c h i e v et h ee f f e c ta n dl o wr e m o v a lr a t e d i f f e r e n tm a t r i xh a v eg r e a t e ri m p a c tt o d e a lw i t ht h ee f f e c t so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s a n dt h ec o m b i n a t i o no fm a t r i xa r es u p e r i o r t ot h eas i n g l em a t f i xi np r o c e s s i n gp o w e r i nt h i sp a p e r s e l e c tt h ef l ya s h z e o l i t e v e r m i c u l i t eo ft h et h r e em a t r i xt 0s t u d v c a f r vo u tas t a t i ct e s ta n dd y n a m i cs i m u l a t i o nt o d e t e 珊i n ef l ya s h z e o l i t ec o m p o s i t em a t r j x d i s t r i b u t i o no ff l ya s ha n dz e o l i t er a t i 0w a s 8 2 f l va s hu s e dc o a r s e a n dt h e nu s i n gt h ed i s t r i b u t i o nr a t i 0o fa s h z e o l i t e f l ya s h a s h 2 3 1 2 3a n da q u a t i cp l a n t st 0e s t a b l i s hac o n s t r u c t e dw e t l a n ds i m u l a t i o n ts y s t e m c a r r i e d0 u tas t u d vo fi t se x p e r i m e n t a l t h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h e c o m p l e xm a t r i xh a v eag o o da d s o r p t i o np e r f o r m a n c ef o rc o d a n dn h 4 一n t p f i n a l l y c o n s t r u c t e dw e t l a n dp i d c e s s e sc o n d u c t e dad e s i g ns t u d y g ur u i h u a e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f y i nl i a n q i n g k e yw o r d s c o n s t r u c t e dw e t i a n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n t c o m p i e xm a t r i x s i m u i a t i o ns y s t e m 一1 一 声明尸明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 粉煤灰复合基质人工湿地处理污 水实验研究 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得华北电力大 学或其他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 学位论文作者签名 日 期 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为 目的 复制赠送和交换学位论文 同意学校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 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 日期 导师签名 日期 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言弟一早 i西 在维系人的生存 保障经济建设和维护社会发展的所有自然要素中 水的重要 性毋庸赘述 然而随着工业化 城市化加快 世界面临着水资源短缺 污染严重的 挑战 中国尤其严重 是世界1 3 个缺水国家之一 全国6 0 0 多个城市中目前大约 一半的城市缺水 水污染的恶化更使水短缺雪上加霜 我国江河湖泊普遍遭受污染 全国7 5 的湖泊出现了不同程度的富营养化 9 0 的城市水域污染严重 南方城市总 缺水量的6 0 7 0 是由于水污染造成的 对我国1 1 8 个大中城市的地下水调查显 示 有1 1 5 个城市地下水受到污染 其中重度污染约占4 0 水污染降低了水体的 使用功能 加剧了水资源短缺 对我国可持续发展战略的实施带来了负面影响 因此 保护水资源 治理水污染 维护水环境及水生生态的均衡 对污染的江 河湖海进行综合整治 以成为刻不容缓的任务 针对水污染主要是有机物污染的情况 虽然这些工艺在饮用除污染性能上各具 特色 但是存在的问题是或者要求改变现有的常规水处理工艺流程 或者显著地增 加水处理费用 要增加专门的除污染工艺存在着技术上和经济上的困难 近年来 环境科学研究在迅速发展 正在积极探索水环境污染全球效应问题 各种水处理污 染的方法层出不穷 研究较多的是以氧化为主的预处理工艺和以臭氧一活性炭为代 表的深度处理工艺 以及各种膜处理工艺等 目前国内绝大多数水厂沿用的还是常 规处理技术 传统的生物二级处理技术能耗高 投资大 运行费用高 而且生产大 量的剩余污泥 后期运行管理水平要求较高 很难在像我国这样的发展中国家广泛 推广 因此急需研究适合国情的 经济有效的安全水处理技术 近年来生态处理技 术 人工湿地技术由于其低投资 出水水质好 抗冲击力强 操作简单 建造和 运行费用低 仅为传统二级污水处理厂的1 1 0 l 2 维护方便 氨氮去除率高 同时可使污水处理与环境生态建设有机结合 在处理污水同时创造城市生态景观等 特点逐步被越来越多的国家接受 并广泛应用 人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统类似自然沼泽地 但由人工建造和监 督控制 是一种人为地将石 砂 土壤 煤渣等一种或几种介质按一定比例构成基 质 并有选择性的植入植物的污水处理生态系统 人工湿地主要由人工基质 水 生植物和微生物组成 目前对污水的处理机理已经取得了基本一致的认识 主要是 利用系统中基质一水生植物一微生物的物理 化学以及生物的综合作用 通过基质 过滤 吸附 沉淀 离子交换 植物吸附和微生物分解来实现对污水的净化 同时 通过营养物质和水分的生物地球化学循环 促进绿色植物生长并使其增产 实现废 1 华北电力大学硕士学位论文 水的资源化与无害化 人工湿地的基质又称填料 一般由土壤 细砂 粗砂 砾石 灰渣及石灰石 沸石等组成 不同的基质对人工湿地的处理效果影响较大 并且某 些基质的组合要优于单一基质的处理能力 因此 基质的选取是人工湿地处理系统 的重要部分 传统的人工湿地是采用土壤 砂 砾石等单一基质 基质容易达到吸 附饱和状态 造成处理效果不显著 影响人工湿地的处理能力 另外近年来 用粉 煤灰净化污水正以其以废治废 低成本 多效益的特点臼益引起人们关注 本研究 拟在前人研究的基础上 采用粉煤灰复合基质和水生植物构成人工湿地 进行模拟 实验 力图实现以废治废 探索一种适合我国国情的低成本 多效益的污水处理新 技术 并为粉煤灰的大量应用开辟新途径 1 2 人工湿地的国内外研究现状及进展 1 2 1 人工湿地的国外研究现状及进展 人工湿地是本世纪7 0 年代提出 在8 0 年代得到迅速发展的一种污水处理新技 术 目前 国外许多先进国家如美 日 德 英 法等均建有人工湿地示范工程 大有取代部分传统二级生化处理及深度处理的趋势 1 9 9 6 年9 月在奥地利维也纳召 开的第四次国际研讨会 标志着人工湿地作为一种独具特色的新型废水处理技术已 经正式进入水污染控制领域 近年来 人工湿地技术在欧洲 美国及世界各国迅速发展 在欧洲 人工湿地 得到了较快的推广应用 丹麦1 9 9 7 年有芦苇床湿地1 3 4 个 至2 0 0 2 年 英国有人工 湿地6 2 8 个 其中用做三级处理的水平流人工湿地为4 6 3 个 法国现有芦苇床湿地2 0 0 多个 德国e i n s d o r f 垂直流湿地系统建立于1 9 9 6 年 面积8 0 0 m 2 日处理水量3 5 m 3 沃尔夫斯堡1 9 9 6 年建设的垂直流湿地系统 其占地面积6 7 0 m 2 日处理水量2 0 m 3 瞳1 目前 在美国有6 0 0 多处人工湿地工程用于处理市政 工业和农业废水 其中 4 0 0 多处人工湿地被用于处理煤矿废水 5 0 多处人工湿地用于处理生活污水 近4 0 处人工湿地应用于处理暴雨径流 超过3 0 处人工湿地系统用于处理奶产品加工废 水口1 例如 1 普莱多除氮人工湿地 r i v e rr o a dn i t r a t er e m o v a lw e t l a n d s 普莱多除氮人工湿地位于加利福尼亚里弗赛德县 占地9 4 0 h m 2 该湿地的目标是完 成对圣安娜河的净化 并改善濒危植物 如捕蝇草 的生活环境h 1 就目前运行来 看 普莱多除氮人工湿地具有很高的脱氮效率 一个月可以去除大约2 1 0 4 k g 的 硝酸盐 并且在夏季能把河水硝酸盐浓度从1 0 m g l 降低到1 m g l 以下 2 美国加 州圣乔治人工湿地 s a nj o a q u i nm a r s h c a l i f o r n i a 该湿地于1 9 9 5 年开始设计 1 9 9 7 年夏季完成 占地2 7 h m 2 日处理废水3 4 1 万m 3 湿地的主要目的是用于移除 夏季和冬季产生的硝酸盐 夏季的硝酸盐移除目的在于降低纽波特湾的富营养化 冬季的硝酸盐移除目的在于降低圣迭戈和纽波特湾的硝酸盐含量 本项工程获得奥 2 华北电力大学硕士学位论文 林奇国家工程奖 3 美国加州罗迪特纳道葡萄酒酿造厂湿地 t u r n e rr o a d v i n t n e r sw i n e r y l o d i c a l i f o r n i a 该湿地开始设计于1 9 9 7 年 完成于1 9 9 8 年 占地5 3 h m 2 日处理废水2 7 3 万m 3 湿地的目的是用于去除一般的污染物并 同时作为葡萄酒酿造厂的污水处理设施 4 美国圣弗朗西斯科拉斯加林斯河谷 湿地 l a sg a l l i n a sv a l l e ys a n i t a r y 占地2 4 3 h m 2 该湿地的侧重点是去除重 金属 尤其是稳定的金属硫化物 汞 铜 镉 铬 铅和锌 其目标是将一个滴滤 系统中硝化渠里面的污染物去除 另外进一步设计了两个湿地 其中一个用于处理 未经处理过的污水 并且附加了一个水池 这样它可以为季节性迁徙鸟类提供栖息 地 另外一块湿地计划用于在暴雨出现的情况下去除小溪中可能的汞污染 以弥补 植物不能吸收的那一部分 在亚洲 人工湿地也有许多研究和应用 比较典型的是日本渡良獭蓄水池人工 湿地 该蓄水池是一座人工挖掘的平原水库 在供水和调洪方面有重要作用 但由 于近年来上游生活污水将大量氮 磷营养物质带入水体 致使渡良獭蓄水池出现富 营养化问题 为保护蓄水池的水质 自1 9 9 3 年起日本在蓄水池一侧滞洪洼地上建立 了芦苇湿地 通过将蓄水池的水引到芦苇湿地系统 通过吸附 沉淀及植物吸收作 用 去除水中的氮 磷及控制浮游植物 达到对水体进行自然净化的目的聆1 目前世界上人们正在投入大量精力以改良人工湿地技术 潜流系统的处理效率 可通过选择竖流系统 采用间歇负荷和合理选用介质获得提高 还可引入一些传统 处理技术的理论 如回流 此外 不仅对竖流系统 对所有人工湿地系统都需深入 研究以改良和优化工程设计参数 还需对系统的长期运行能力和管理问题进行研 究 人工湿地不仅可以用于城市和各种工业废水的二级处理 还可用于高级处理中 的精处理和对农田径流的处理 在有些情况下 人工湿地可能是唯一适用技术 3 1 2 2 人工湿地的国内研究现状及进展 国内对人工湿地研究开始较晚 目前正处于起步阶段 我国自 七五 开始对 人工湿地进行研究 已建成一些示范工程 并于1 9 9 0 年7 月在深圳建起我国第一个 人工湿地污水处理工程 白泥坑人工湿地处理系统 用于处理7 0 0 0 人的乡镇小区 综合污水 占地面积1 8 9 亩 日处理量3 l o o m 3 d 废水 经过两年的试验运转 出水效 果较好 除氨氮指标效果不明显外 其余指标均能达到国家规定的二级处理排放标 准 b o d 去除率9 0 c o d 去除率8 0 4 7 s s 去除率9 3 口1 之后北京的昌平 天津 深圳 武汉和成都等陆续建立了人工湿地试验基地 基于人工湿地独特的优势 近年来人工湿地净化技术也在全国开始广泛应用 例如 1 深圳市洪湖公园的人工湿地 1 9 9 7 年5 月到1 1 月 深圳市环境科学研究 所在深圳市洪湖公园建成了人工湿地研究试验点 修建了小试和中试试验工程 从 1 9 9 7 年到2 0 0 0 年开展了一系列的研究工作 不仅作了大量的理论研究 同时在技术 3 华北电力大学硕士学位论文 上和系统的运行管理上积累了很多宝贵的经验 对严重受污染的超过地面水标准 g b 3 8 3 8 8 8 v 类标准的水经系统处理后出水可达到 类标准 鉴于这些成果 深圳 市洪湖公园的人工湿地被国家环保总局列为2 0 0 2 年1 2 项国家重点环境保护实用技 术示范工程之一 由于这一项目的成功 深圳正加快推广经验 以较低成本治理更 多的污水 目前 深圳已在观澜湖 沙田 布吉 龙岗新建了几个人工湿地 并设 计了更大规模的人工湿地 包括洪湖二期 甘坑 石岩等数个项目 随着这些工程 完工 深圳人工湿地处理污水总能力达每天4 2 万吨 2 2 0 0 5 年8 月3 日 北京市 丰台区在水衙沟二期治理工程 拟在万丰路西侧建两个人工湖 水面3 5 万平方米 同时 一个5 0 0 0 平方米人工湿地也将建成 这将是京城南部首个人工湿地景观 3 2 0 0 8 年建成的奥林匹克森林公园的人工湿地 使清河再生水厂提供的中水经过湿地 的处理 达到森林公园用水的标准 这是近些年来悄然兴起的人工湿地处理污水的 又一实例 据有关专家说 奥林匹克森林公园采用的是中国科学院水生所凭其独创 的 复合垂直流人工湿地技术 是将下行流与上行流相耦合 形成复合水流方式 复合垂直流人工湿地技术 将常规湿地技术的污水流动方向 改为垂直复合流向 充分利用空间 布水均匀 节省占地面积 又能让多种有益微生物共存在一个狭小 空间内 逐级降解净化污染物质 人工湿地占地6 万平方米 日处理能力3 万吨 其 中有1 万吨水是清河污水厂处理后的中水 其工程建设投资约为城市污水处理厂的 2 3 运行管理费则能低至其l 1 0 目前 我国绝大部分城市污水厂均采用传统的二级活性污泥法处理工艺 这种 工艺工程投资高 耗能大 运行管理要求高 对控制大城市的水环境污染起到了关 键作用 然而由于我国经济发展水平不高 能源短缺 许多地方 尤其中小城市和 乡村缺乏具有一定操作管理和技术水平的人员 同时我国的乡镇企业迅猛发展 对 当地造成了严重的环境污染 因此在我国大力开发具有高效 简易 低耗的污水处 理技术具有重大意义 1 2 3 粉煤灰基质人工湿地国内外研究现状及进展 人工湿地的基质又称填料 一般由土壤 细砂 粗砂 砾石 灰渣及石灰石 沸石等组成 不同的基质对人工湿地的处理效果影响较大 并且某些基质的组合要 优于单一基质的处理能力 因此 基质的选取是人工湿地处理系统的重要部分 传 统的人工湿地是采用土壤 砂 砾石等单一基质 基质容易达到吸附饱和状态 且 氨氮和磷的去除率较低造成 处理效果不显著 影响人工湿地的处理能力 因此必 须选择新型 廉价 高效的填料或复合填料来取代传统的人工湿地的填料 近年来 用粉煤灰净化污水正以其以废治废 低成本 多效益的特点日益引起人们关注 天津环保所在天津东郊建造的湿地示范工程中 曾用部分炉渣 粉煤灰代替土 壤与芦苇建造成芦苇床处理污水 取得了良好的处理效果 而且实现了以废治废 4 华北电力大学硕士学位论文 节约了土地 但它只是2 0 粉煤灰和原土掺合使用 大部分仍用的是原土 董树军 在1 9 9 7 年提出用粉煤灰与水生植物复合系统处理污水 处理即利用了大量粉煤灰又 净化了污水 取得了良好的效果 其利用粉煤灰芦苇构成人工湿地进行模拟实验 历时三个月 按每天5 升的流量分别向芦苇床和空白床系统提供污水 使系统进行 连续运行处理 每周对其净化污水的c o d n h 一n t p 三项指标进行测定 结果表明 用粉煤灰基质和芦苇构建的人工湿地对c o d n h 一n t p 都有较好的去除能力 系统 出水水质相当于常规二级处理出水水质 并具有较好的脱n 除p 效果阳1 1 3 人工湿地的优点和不足 1 3 1 人工湿地的优点 人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统 具有如下优点 1 建造和运营成本较低 技术含量低易于维护 2 对污水处理的效果好 在进水浓度较低的情况下 一般对污水中b o d 的去除率在8 5 9 5 之间 c o d 去 除率可达8 0 以上 处理污水中b o d 的浓度在1 0 m g l 左右 s s 浓度小于2 0 m g l 对n 的去除率可达6 0 对p 的去除率可达9 0 以上 对农药类 细菌总数等去除率在9 0 以上 由于湿地类型 填料和植物的选取 气候 污染物的浓度等方面的差异 污 染物的去除率具有一定的波动范围口1 3 可缓冲对水力和污染负荷的冲击 人工湿地湿地对水力负荷和污染负荷的波动有较强的耐受能力 即使污水进水 出现短暂的超负荷或者水力停留时间过长 对湿地出水水质影响很小 停车后可随 时启动 且对出水水质影响不大 4 独特的绿化环境功能 人工湿地同自然湿地一样 由于栽种了大量的水生植物 所以对环境起到了绿 化的功能 成规模的人工湿地不但迅速增加了绿地面积 消除城市热岛效应 还能 为人们提供一个优美的新型的城市生态景观 北京中关村生命科学园国际公开竞标 中 俞孔坚设计的方案荣获第一名并中标 该方案的最突出特色就是将人工湿地引 入了现代城市景观设计之中阳1 5 综合效益高 它作为一个生态系统 能维持生物多样性及构成景观的一部分 在去除污染物 的同时 还可直接和间接提供水产 畜产 造纸原料 建材 娱乐和教育等效益 真正实现生态效益 环境效益 社会效益和经济效益的协调统一n0 l 1 3 2 人工湿地的不足 5 华北电力大学硕士学位论文 虽然人工湿地对废水具有良好的处理效果 但是目前也存在一些未被克服的人 工湿地生态系统处理废水技术发展的制约因素 1 占地面积较大 人工湿地净化的机理与特点使其与传统的污水处理工艺相比需要较大的占地 面积 一般认为大约是传统污水处理工艺的2 3 倍左右 1 由于自身处理过程的特 殊性 人工湿地技术在占地上的问题很难完全解决 但可以采取适当的措施以减少 占用有效的土地资源 首先 选址时要考虑到环境 经济效益 综合最优化和规模 化的因素 为了不占用宝贵的失去土地资源 可将工程选址在市郊区域 这样还能 减轻风沙等对市区的影响和破坏 另外 可采用组合工艺 以提高效率 减少占地 面积 1 副 2 容易出现淤积 饱和现象 人工湿地的堵塞问题也是一大难题 近年来受到广泛的关注 随着时间的推移 人工湿地中部分营养物质会逐渐积累 湿地中的微生物也相应的繁殖 再加上植物 的腐败 若维护不当 很容易产生淤积 阻塞现象 这种现象不仅会影响水的流速 而且会影响水的复氧 从而想象到微生物的活性进而影响到系统的处理效果n 别 另 外由于填料的吸附能力是有限度的 随着污水处理过程的不断运行 填料就会达到 吸附饱和 也会影响人工湿地的处理效果 3 受温度季节变化影响大 水生植物和微生物是人工湿地的重要组成部分 它们直接影响了人工湿地的处 理效果 而水生植物和微生物受温度和季节变化的限制较大 夏季水温高 植物生 长良好新陈代谢旺盛 使得根际的微生物活性增强 有利于硝化和反硝化作用 而 在冬季 植物的生命活动降低 不利于对污水的净化效果 4 填料的选择单一 传统的人工湿地是采用土壤 砂 砾石等单一基质 造成了氮和磷的去除率较 低 而且基质容易达到吸附饱和状态 造成处理效果不显著 影响人工湿地的处理 能力 因此必须选择新型 廉价 高效的填料或复合填料来取代传统基质 1 4 本论文研究的主要内容 本论文将对几种常规基质进行研究 进行优化选择 确定粉煤灰复合基质 此 基质和水生植物构成人工湿地 建立模拟系统 进行污水处理实验研究 此方法将 提高有机物 n h 广n t p 的去除率和运行的稳定性 防止人工湿地的堵塞 减少人 工湿地占地面积 降低人工湿地处理污水的工程投资和运行费用等 主要工作如下 l 对几种常规基质的物理特性和化学特性进行对比 进行优化选择 研究基 质吸附特性 探讨基质对污水中有机物及n p 吸附规律 6 华北电力大学硕士学位论文 2 对单一基质和复合基质进行实验研究 确定粉煤灰复合基质 3 根据水生植物的特点确定人工湿地所需植物 4 利用粉煤灰复合基质和水生植物建立人工湿地模拟系统并确定工艺流程及 最佳工艺条件 进行实验研究 5 基质寿命再生问题的探讨 确保人工湿地系统运行稳定 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章人工湿地基质吸附特性的实验研究 人工湿地中的基质又称填料 滤料 一般由土壤 细砂 粗砂 砾石 碎瓦片 粉煤灰 泥炭 页岩 铝矾土 膨润土 沸石等介质的一种或几种所构成 不同的 基质对人工湿地的处理效果影响较大 并且某些基质的组合要优于单一基质的处理 能力 因此 基质的选取是人工湿地处理系统的重要部分 本章将通过静态吸附试 验和动态模拟实验研究填料对生活污水的等温吸附规律 测定其对c o d n p 的吸 附容量 并研究影响吸附性能的各种因素 最后确定粉煤灰复合基质 2 1 实验材料及方法 2 1 1 实验材料 2 1 1 1 填料 近年来 人工湿地污水处理系统已经在污水处理中得到广泛分应用 但还存在 一些问题 如污水中的氨氮去除比较困难 达不到理想的效果n 引 其去除率低 一 般不超过6 0 而且不能持续 稳定的去除n4 1 董树军等以保定电厂贮灰场粉煤灰 为吸附剂 以生活污水静置后上清液为吸附处理对象 通过间歇吸附实验研究了对 生活污水中的c o d n h 一n t p 的去除效果 当灰水比为l 1 0 时 粉煤灰对c o d t p 的去除率可分别达8 6 5 和6 3 3 而对n h 一n 的吸附效果却很差 去除率只有1 6 7 虽然通过水水生植物吸收 微生物的硝化和反硝化以及氮的挥发等途径实现了氨氮 的去除率额提高 达到了常规二级处理出水水质n 钉 但溶解氧不足 硝化受限 同 时碳源不足 异养反硝化不彻底 造成实际的人工湿地工程脱氮效果不理想 在北 美湿地数据库中1 2 个潜流湿地只有平均4 4 的去除率n 阳 另外 不同的基质对人工湿地的处理效果影响较大 并且某些基质的组合要优 于单一基质的处理能力 因此 基质的选取是人工湿地处理系统的重要部分 人工 湿地基质在为植物和微生物提供营养的同时 还通过吸附 沉淀 过滤等作用直接 去除污染物 选取砾石 沸石 无烟煤 页岩 蛭石 陶瓷滤料 高炉钢渣 圆陶 粒8 种填料 在较高水力负荷 1 0 0 0 2 5 0 0m m d 1 的条件下 进行垂直流人工湿地模 拟柱净化污水实验 沸石 陶瓷滤料和蛭石对氨氮的去除率很高n 研究斜发沸石 对氨氮的静态饱和吸附量为3 1 0 0 m g l o o g 当氨氮浓度为3 5 m g l 时 动态饱和吸附量 大约为2 2 0 0 m g l o o g 分别是粉沫活性炭 颗粒活性炭 硅藻土的2 0 倍 2 3 倍 2 7 5 倍 相比其它几种吸附剂 沸石吸附氨氮具有明显的优势n 引 综合以上叙述 本研究拟在前人研究的基础上 采用粉煤灰 斜发沸石和膨胀 蛭石进行实验 8 华北电力大学硕士学位论文 1 粉煤灰 粉煤灰外观类似水泥 为球形或微珠的集合体 直径11 0 0 t a n 颜色从乳白到 灰黑 颜色的变化在一定程度上反映它的细度和含碳量 它的真实密度为2 2 6 t m 3 堆积密度为5 5 0 6 5 8 k g m 3 孔隙率一般为6 0 7 5 由于粉煤灰是煤粉在悬浮燃 烧条件下经受热面吸热后冷却形成的 因此 在表面张力的作用下 粉煤灰表面疏 松多孔 比表面大且具有活性基团和吸附特性 其吸附的过程分为三个阶段 第一 阶段为颗粒外部扩散阶段 第二阶段为颗粒内部扩散阶段 第三阶段为吸附反应阶 段 研究结果表明 粉煤灰的吸附速率由颗粒内部扩散速率决定 即由第二阶段控 制 因此 吸附质粒径越小 则吸附速率越快 达到吸附平衡的时间越短 本实验采用的是邯郸码头电厂灰场粉煤灰 粗灰 筛选灰 细灰 2 沸石 沸石是一族多孔的铝硅酸盐晶体总称 其化学式可用如下通式表达 m a l o x s i o y h o 式中m 为碱金属或碱土金属阳离子 易被金属盐溶液中的 阳离子代换而影响晶格的极性进而改变其吸附性质 天然沸石是一种含水架状硅酸盐矿物 其骨架带有负电荷 笼中含有平衡骨架 负电荷的n a k c a 2 m g 等碱或碱土金属离子 而这些碱或碱土金属离子与沸 石骨架结合得并不牢固 极易与周围水溶液中的阳离子发生交换作用 交换后的沸 石晶格骨架结构不被破坏 离子交换性是沸石的重要性质之一 国内斜发沸石岩对 n h 4 离子的总交换容量在5 0 2 2 0 咖o l 1 0 0 9 之间变化 而丝光沸石岩对n h 离子的 总交换容量一般为5 0 一1 8 8 7 3 m m o l 1 0 0 9 故斜发沸石岩和丝光沸石岩的n h t 离子交 换容量均较高 另外沸石具有很大的比表面积 5 0 0 1 0 0 0 米2 克 因而能产生较 大的扩散力 具有吸附氧化钙 s 0 f 氮 铵 甲醇以及吸附放射性物质的性能 本实验采用河北灵寿县恒阳矿产品加工厂生产的斜法沸石 粒径0 5 m m 左右 3 膨胀蛭石 膨胀蛭石是由天然蛭石灼烧 温度 2 5 0 而来的 容重6 4 1 6 0 k g m 3 阳离 子交换容量5 0 1 0 0 m e q l o o g 在环境保护方面 主要是利用蛭石良好的吸附性能 和离子交换性能处理废水及其有害物质n 引 本实验采用的蛭石来自河北灵寿县 粒径1 2 姗左右 2 1 1 2 实验仪器 t h z 一8 2 型恒温振荡器 7 2 1 分光光度计 快速氨氮测定仪 冷凝回流装置 酸式滴定管 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1 1 3 实验污水 保定市护城河生活污水 样品采集于水面以下1 0 c m 左右 2 0 0 8 年卜5 月间监 测的平均水质如表2 一l 表2 一l 保定护城河生活污水水质 单位为m g l 2 1 2 实验方法 1 粉煤灰物化特性的研究 用标准法测定实验用灰的物化组成 进行粒度及成 分的分析 码头电厂提供相关数据 2 粉煤灰和沸石吸附特性的研究哺1 静态试验 间歇吸附实验 在锥形瓶中加入5 0 m l 一定浓度的污水 并分 别向其中加入不同量的粉煤灰 沸石和蛭石做单一的静态吸附分析 在室温 2 2 条件下 于恒温振荡器上振荡 转速2 0 0 r a d m i n 每隔一定时间进行取样 先行过 滤将滤液中的吸附剂除去 然后分别测定c o d n h 一n t p 浓度 直到两次取样浓 度基本相等为止 确定平衡时间并按下式计算吸附量q q 一器 公式 2 1 式中 q 一粉煤灰 或斜发沸石 的吸附量 m g g c c 一分别为吸附前后污水中污染物浓度 m g l v 一吸附实验中所取污水的体积 m l w 二吸附剂用量 g 分别对于不同灰水比 p h 粉煤灰颗粒大小 测定吸附平衡后的去除率 研究 这些因素对污水吸附性能的影响 动态实验 固定床滤柱实验 滤柱由硬聚氯乙烯材料制成 内径3 8 m m 长4 3 0 m m 分别填充粉煤灰和沸石按7 3 8 2 比例进行分层组合 沸石填充于粉煤灰上下 两层 各占其比例的一半 填充高度为3 5 0 m m 其下有滤布及5 0 m m 深的炉渣承托 柱底设有出水管 生活污水自柱上开口自流至柱底流出 每天取出水样一次 进行 澳4 定c o d n h 一n 及t p 浓度 2 2 实验结果及讨论 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 粉煤灰的物化特性研究 实验所用灰样的物化特性测定结果如表2 2 2 3 所示 粉煤灰是高温形成的固体颗粒物 呈碱性 其主要成分是s i o a l o f e o c a o m g o 以及未燃尽的碳粒 各组分含量随煤种及锅炉工况的不同而异 由于形成 过程中经过了高温熔融 冷却等一系列物理 化学过程 其结构多孔 具有较大的 比表面积 因此具有一定的吸附能力 表2 2 马头电厂贮灰场粉煤灰物化组成 粒径范围 um 4 0 重量百分比 4 2 01 3 32 1 42 4 21 4 o6 5 01 6 4 2 2 2 静态实验结果及讨论 静态吸附实验的目的是确定填料对主要污染物的吸附平衡时间 并检测填料对 主要污染物吸附能力的大小及其影响因素 粉煤灰和沸石的吸附主要是是受灰水 比 浓度 粒径大小等因素影响 分别改变这些因素 分析这些条件对c o d t p 和n h 一n 吸附效果的影响 2 2 2 1 吸附平衡时间的确定 已有相关实验表明本实验所用基质对c o d t p 的吸附主要体现在粉煤灰的吸 附作用 吸附量随时间的增加而增加 并分别在1 2 h 及4 h 后基本趋于稳定 因此 将粉煤灰基质对c o d t p 的吸附平衡时间分别确定为1 2 h 和4 h n 朝 对n h 一n 的吸附主要考虑沸石和膨胀蛭石的离子交换 不同时间下沸石对n h 一n 吸附量变化见表2 4 和图2 一l 蛭石对n h 一n 吸附量变化见表2 5 和图2 2 表2 4 沸石吸附n h 一n 平衡时间的测定 2 2 振荡 华北电力大学硕士学位论文 蟹 j j i ii j 一 7 一 一 一 l j j j 警 4 7 z i i j i j t 铉j 一貉 鬈7 碜 i j 免jj o i 一 够 ji j 码 隧7 簇 舞簇荔 豢黪爹菱荔萋燃 谚蒸 秀 隧i j i i 饕j j 一媳 jj 7 j j 缈j o 1 彩i 鸨 赣毫o 誓 f 7 j jj j 荔 之 i 7 j i 蠢7ii i 7 7 j y j o j j 每 0 j fj 馘等 一 i j 7 j i i t i j 蠢 17 1 t j 酝 尊i i l t 毛 f j 一 珏 i 2 j 魂 骱 i t i 勰 j j j 07 瓴 c 鼻叽 i 勇 24678 时间t h 图2 一l 沸石对n h 一n 吸附过程曲线 图2 1 是斜发沸石对n h 一n 吸附过程曲线 表明了吸附量与时间的关系 随着 时间的增加 沸石吸附量也随之增加 并在6 h 后基本趋于恒定 达到平衡状态 表2 5 蛭石吸附n h 一n 平衡时间的测定 2 2 振荡 o 1 6 0 1 4 毯 i 警洚 哆二鬻 j j 翟 一 j 一 t 博 4 0 j e 孳0 强 厂 一 j 扩 一 一 一 一 j 7 圣 i oj j 碗 j i 0 5l1 522 53 时间t h 图2 2 蛭石对n h 一n 吸附过程曲线 1 2 5 3 5 2 5 l 5 0 3 2 1 o o o 0 0 0 o 0 s 呻目 暑枷莲整 他 够 宝 眈 o 0 o 0 0 o 7 sm b嘲玺签 华北电力大学硕士学位论文 从图2 2 中可以看出 蛭石对氨氮的吸附量在1 5 h 之前 随着时间的增加 吸附量也在增加 在2 h 左右基本平稳 但在2 h 之后 吸附量开始降低 因此本实 验把蛭石吸附氨氮的平衡时间定为2 h 2 2 2 2 吸附剂量对吸附效果的影响 1 粉煤灰对c o d 和t p 的吸附测定 据有关实验研究 粉煤灰对c o d t p 的去除率随着比例增加变化很大 灰水 比 粉煤灰投加量 越大去除率越大 本实验就对贴近实际的污水比进行研究 比 例分别选用1 1 0 和1 2 0 用重铬酸钾法测定平衡后c o d 浓度 用标准曲线法分 别测定平衡后t p 浓度 c o d 吸附测定结果见表2 5 表2 5 粉煤灰对c o d 的吸附 2 2 振荡1 2 h t p 吸附测定结果见表2 6 表2 6 粉煤灰对t p 的吸附 2 2 振荡4 h 从以上两个表中我们可以看出 不管是粗灰还是细灰 随着灰水比的增加即吸 附剂投加量的增加 c o d 和t p 的去除率都会增大 由此可见要达到较高的去除率 需增加投灰量 但是粉煤灰易饱和 造成饱和后清运工作量加大 这是粉煤灰作为 吸附剂的不足 需要改进 2 沸石对n h 一n 的吸附测定结果见表2 7 和图2 2 表2 7 是在不同灰水比即吸附剂不同投加量下斜发沸石对氨氮的去除效果 数 据表明随着灰水比的增加 沸石对氨氮的去除效果明显增加 当灰水比为l 5 时 平均去除率为9 1 1 9 而当灰水比为1 5 0 时平均去除率为5 8 8 3 由图2 3 可 以看出 在相同的时间下沸石投加量越大 n h 一n 的吸附测定浓度越小 13 华北电力大学硕士学位论文 2 4678 时间t h 图2 2 不同投加量沸石对n h 一n 吸附效果曲线图 2 蛭石对n h 一n 的吸附测定结果见表2 8 和图2 3 表2 8 蛭石对n h 一n 吸附 2 2 振荡 1 4 4 2 o 8 6 4 2 0 i 1 凹 毯蛏披露n 曼 华北电力大学硕士学位论文 i 1 一 一 一 一 王 玉 i 卜一二 一一 0 冀 j 0 一 j ji i i 墨 1 523 时间t h 图2 3 不同投加量蛭石对n h 一n 吸附效果曲线图 由表中数据可知 随着蛭石投加量的增加 蛭石对氨氮的去除率增大 通过去 除率可以发现 沸石对氨氮的去除要明显好于蛭石 且去除效果稳定 由以上可知 要达到较高的去除率需要增加吸附剂的投量 从理论上来说 只 需提高污水比 增加灰的量 就可以提高去除率 但在考虑到实际生产中粉煤灰的 后期处理及可行性 运用于实际的污水比需要考虑更多方面的因素 2 2 2 3 吸附剂颗粒大小对吸附效果的影响 1 粉煤灰粒径大小对c o d t p 吸附效果的影响 将马头电厂粗灰过筛 取几种不同粒径粉煤灰进行吸附实验 结果见表2 9 图2 4 和图2 5 表2 9 粉煤灰粒径大小对c o d t p 吸附的影响 1 5 2 o 8 6 4 2 o 1 1 i 1 嘶昌 q憾爨披一ii z iz 华北电力大学硕士学位论文 芝 曲 函 莲 螫 辖 昏 8 u 拍 如 直 v 嘲 莲 签 姆 钟 山 扣 1 6 1 4 o 2 o 0 1i r 一 弗 一 一曲 tt ye 嚼 一 一 o 参 i t oj j s j 蠢jr i j 套 蓉冬 奢鼍 0 j 乏 蔫魏 缈 鬈jj j 缮 j 缀磊戮i 铭l 象f 雾 觋 锄 钐囊 jj j j j 缓7 一 1j 戮 谚筑 缀 l 孝j j j 魄i 零 7 7 i 二 1 一 二一牙乒 聱謦 j j i j j i j f j j j 豫7 t r 建鼍 j j 二o 二 j i 麓o 7 螽 0 1 8 一 o 1 0 0 0 7 1 0 0 5 6 一 0 0 4 5 o 1 2 5 o 0 0 7 1o 0 5 6o 0 4 5 粒径大小 衄 图2 4 不同粒径的粉煤灰对c o