（环境工程专业论文）桂林桃花江上游村落污水处理试验研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 近年来，随着农村经济的发展，生活水平的提高，桂林市桃花江流域内 村落污水的排放逐渐成为桃花江的主要污染源之一。 本文在对桂林市桃花江上游流域村落生活污水水质情况进行调研和监 测的基础上，提出以生物接触氧化+ 人工湿地联合工艺来处理村落生活污 水。并以狮子岩村生活污水作为处理对象，建立了试验中试基地，针对本研 究中的核心单元：生物接触氧化和人工湿地分别进行了试验研究，从而为村 落污水处理工程提供可靠的参数依据。 系统利用化粪池出水作为中试研究的污水源，对接触氧化池进行的研究 结果表明，当h r t = 6 时，接触氧化池对c o d c = 、s s 的去除率分别达n 7 6 9 、 8 5 8 ，去除效果最佳，在i j r t = 4 h 的时候，接触氧化池对c o d o 、s s 的去除率 分别为6 5 2 9 6 、8 5 5 ，此时其去除效率已经可以满足组合工艺的要求；接触 氧化池的气水比应该控制在6 ：1 以上；在稳定运行期间，h r t = 4 h ，气水比 = 6 ，对s s 、n h 3 - - n 、t n 、t p 的平均去除率分别为8 5 、2 0 、1 2 和2 0 9 6 ，由于 实际h r t 小于4 h ，对c o d c r 的去除率为4 5 1 通过对小叶女真湿地和美人蕉湿地分别进行不同进水方式的比较试验， 试验结果表明，人工湿地采用间歇流进水方式，c o o c ，去除率平均为8 0 ，连 续流为6 5 ，间歇流比连续流高1 5 $ ，间歇流n i 七- n 去除率为6 3 ，连续流为4 3 ， 间歇流比连续流高2 0 ；美人蕉湿地h r t 试验表明，湿地在h r t 为4 d 时效率最 优，对c o d c 舶t n 的去除率为8 9 和5 3 ；在湿地植物对比实验中，美人蕉湿地 对c o d c ，、n 肛n 和t n 的去除效果最好，分别为7 9 5 、6 5 7 和4 5 5 。美人蕉 是本研究中人工湿地的首选净水植物；在间歇进水的条件下，沸石填料湿地 对c o d c r 、n 心一n 、i n 、t p 的去除率分别为5 9 、6 4 、4 8 和5 3 ，脱氮除磷的能 力要明显优于砾石填料湿地。美人蕉湿地在稳定运行期间采用间歇流进水， 运行周期为2 4 h ( 进水1 2 h ，排水1 2 h ) ，i t r t 为4 d ，对c o o c , 、s s 、n h 3 - n 、t n 、 t p 的平均去除率分别为8 0 、8 1 、6 8 、4 8 9 6 和5 4 ：采用生物接触氧化七j 工湿地工艺处理村落生活污水，对c o o c , 、s s 、t n 、n h 。- n 、t p 去除率为9 0 、 9 6 、7 4 、6 3 和6 8 - 。出水各项指标均可达深度处理出水的要求。 关键词：桃花江村落污水接触氧化人工湿地去除率净化机理 i 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h eg r o w t ho fr u r a le c o n o m i ca n dt h ed e v e l o p m e n to fh y i n g s t a n d a r d ，t h ev i l l a g es e w a g ei nt h et a o h n ar i v e rv a l l e yh a sb e , c o m eo n eo ft h ep r i m a r y s o u r c e so ft h ep o h u f i o no ft a o h u ar i v e r b a s e0 1 3t h ei n v e s f i g a f i o no fg e i l i ns u b u r bv i l l a g e ss e w a g eq u a l i t ya n dq n a n t i t y i t e s t a b l i s h e dac o n t a c to x i d a t i o n4 - c o n s t r u c t m lw e t l a n du n i o ns y s t e mf o rt h ev i l l a g es e w a g e u e n t m e n t a n da 硼i ms t u d ys i t e ，w h i c hi n d i v i d u a l l yf o c u s e do nt h ec o r eu n i t sc o u t s c t o x i d a t i o na n dc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，h a sb e e ns e tu pa ts h iz i - y a nv i l l a g e a n dt h e nr e l i a b l e p a r a m e t e r s 啪b ep r o v i d e df o r 曲峙v i l l a g es e w a g et r e a t m e n tc o n s t r u c t i o n b yu s i n gt h es e p t i ct a n ko u t f l o wa sw a s t e w a t e rs mt h er e s e a r c ho fc o n t a c t o l x i d a t i o ns h o w st h a t , w h e nh r ti s6h o u r s , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c ，a n ds sc a n r e a c h7 6 9 a n d8 5 8 r e s p e c t i v e l y ；w h e nh r ti s4 h o u r s , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c ： a n ds sc a nr e a c h6 5 2 a n d8 5 5 r e s p e c t i v e l y ；u n d e rt h i sc o n d i t i o n , t h er e m o v a lr a t ec a n m e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m m e a n w h i l et h ea i r w a t e rr a r i om u s tb ec o n t r o h e do v e f 6 ：1 a tt h es t a b l es t a t e ，w h e n 玎i s4h o u r s a n da i r w a t e rr a t i o ni s6 ：1 ，r e m o v a lr a t ef o r s s 、n h 3 - n 、t n 、t pj s8 5 、2 0 、1 2 a n d2 0 a st h ea c t u a l l yh r t i sl o w e rt h a n4h o u r s r e m o v a lr a t e f o r c o d c f i s j u s t 4 5 t h et h e s i ss t u d i e dt h ep a r a l l e le x p e r i m e n t sb e t w e e nb a t e h - f l o wa n dc o n t i n u o u s - f l o wi n c o n s u u c t e dw e t l a n d t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fc o d c ta n da m m o n i an i t f o g e ni n b a t c h - f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n di s8 0 a n d6 5 r e s p e c t i v e l y1 5 a n d2 0 h i g h e rt h a nt h e c o n t i n u o u s - f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l to fh r ti nc o n s t r u c t e d w e t l a n ds h o w st h a t , i tc a n r u ni nt h eh i g h e s te f f i c i e n c ya t4d a y sh r t t h ea v e r a g er e m o v a l r a t e so fc o d c , a n dt nc a l lm e e t8 9 6 a n d5 3 6 r e s p e c t i v e l y t h cr o l eo fw e t l a n dp l a n t s i nw a s t e rw a t e rp u r i f i c a t i o nh a sa l s ob e e ni n v e s t i g a t e d i ti ss h o w st h a tt h ec a n n ai n d i a nl i n n w e t l a n dh a st h eb e s tp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y , a n dt h et e s t sf a c t o rs h o w e dt h a tt h ec a n n ai n d i a n l i o nw e t l a n dh a da na v e r a g ep e r i f i c a d o ne f f i c i e n c yo f7 9 5 f o rc o d c r , 6 5 7 f o rn h 3 - n , 4 5 5 f o rt h c a n n ai n d i a nl i o ni st h eb e s tp l a n t 缸t h i sr e s e a r c h t h r o u g ht h et e s t , t h e r e m o v a lr a t eo f z e o l i t ef o rc o d c f 、n h 3 n ，t n 、t pi s5 9 、“，4 8 a n d5 3 t h ez e o l i t e s h o w sb e t t e ra b i l i t yt or e m o v ec o n t a m i n a t i o nt h a nc o b b l e s t o n e a tt h es t a b l es t a t e s e th r t4 d a y s ，t h eo p e r a t i o np e r i o d2 4h o u r s ，1 2h o u 培f o ri n p u ta n do u t p u tr e s p e c t i v e l y ，t h ec a n n a i n d i a nl i n nc o n s t r u c t e dw e t l a n d sr e m o v a lr a t ei s8 0 f o r d o ，8 l f o rs s ，6 8 f o r 桂林工学院硕士学位论文 n i - 1 3 - n ，4 8 f o rt n ，a n d5 4 f o rt p b yu s i n gc o n t a c to x i d a t i o n + c o n s t r u c t e dw e t l a n d u n i o ns y s t e mt ot r e a tv i l l a g es e w a g e ，t h es y s t e m sr e m o v a lr a t ei s9 0 f o rc o d o ，9 6 f o r s s ，7 4 f o rn h 3 n ，6 3 f o rt n , a n d6 8 f o rt p a l lt h ei n d e xo fo u t f l o wc a nm e e tt h e s t a n d a r do fa d v a n c e dt r e a t m e n t k e y w o r d s ：t a o h u ar i v e r ；v i l l a g es e w a g e ；c o n t a c to x i d a t i o n ； c o n s t r u c t e dw e t l a n d ：c o f f t a m i n a t i o nr e m o v a i e f f i c i e n c y ；p u r i f i c a t i o nm e c h a n i s m 1 1 1 桂林工学院硕士学位论文 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，也不包含为获得桂林工学院或其 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。 签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林工学院有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 签名 桂林工学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 我国水环境现状 环境污染问题是当今各国所普遍关注的重大阀题。改善人类的生存环 境，是保障人类生存权和发展权的必由之路。世界各国政府在人力、物力和 财力等各个方面都给予了很大的投入来保护和改善人民的生存环境，提高国 民的生活水平和质量。新的世纪，中国的飞速发展正在重塑世界经济秩序。 但是随着我国经济的发展，工业废水和生活污水水量剧增，大量未经处理的 工业废水和生活污水排放到江河湖海中，给这些水体带来了严重的污染。水 污染正从流域的一部分扩大到全流域，从城市扩大到广大农村 当前我国社会主义新农村建设加快，乡镇企业发展迅速，污水成分愈加 复杂化，而污水处理率却很低，无害化处理后的资源化利用几乎是空白n ， 水环境污染已成为制约我国当前农村社会、经济和生态环境可持续发展的重 要因素。解决城市、农村污水污染的根本措施是建设以生物处理为主体的二 级城市污水处理厂，这已为发达国家和发展中国家的共同实践所证实。然而， 近二十年来，地表水的普遍营养化，对污水处理厂处理氮、磷的控制提出了 新的要求。建设大批二级( 或三级) 污水处理厂，需要大量的投资和高额的运 行费用，这对发展中的我国来说是存在困难的。 我国村落具有数量多、分布广的特点，各村落污水日捧放量小，缺乏完 善的污水收集系统，且农村地区入口分布较广且分散，经济实力相对较弱， 缺乏污水处理、运行管理专业技术人员因此，大中城市污水处理工艺不完 全适合经济技术相对落后的村落如果盲目采用大中城市污水处理工艺。将 会成为地方财政的重大负担。因此，研究、开发和应用高效污永处理技术对 广大村落来说。显得尤为重要 国家环保局制定的“城市污水处理及污染防治技术政策”脚中对重点流 域地区及水资源保护区的中、小城市及村落的污水处理，提出了应依据当地 水污染控制目标，建设污水处理措施的要求。在此环境下，本研究结合桂林 桃花江流域的污染现状，对其沿江两岸的村落污水处理进行了试验研究 j 桂林工学院硕士学位论文 1 1 2 桃花江的水环境问题 漓江风景区是中国著名的风景名胜区，在国际上享有盛誉。然而，由于 漓江城市段支流的局部地段水环境受到严重污染，城市水环境的急需改善是 漓江面临的主要问题。近年来，随着桂林市经济的持续增长和城市化、工业 化进程的发展，特别是桂林市“两江四湖”环城水系工程的建成，使城市旧 貌变新颜，人们的物质、文化生活水平不断得到改善但同时也带来了一系 列的环境污染问题：由于工业废水与生活污水排放量大幅度增加，河流水污 染日益严重，特别是“两江四湖”之一的桃花江水系水体污染情况尤其突 出。流域污水集中处理系统的建设没有适应形势的发展，加之又缺乏有效的 水污染控制措施，导致流域的污染排放与河流综合衰减能力的平衡被打破， 水质污染不断加剧，水体富营养化日益严重，尤其在枯水季节更为明显，其 根本原因在于桃花江有限的水环境容量与逐年加重的水污染负荷之间形成 的矛盾。 桃花江污染问题不仅制约该区域内的经济发展，而且影响漓江干流的水 质，更重要的是这与近期国务院批复桂林市城市总体规划“桃花江区域为旅 游度假区”相矛盾。因此桃花江市区段水环境的急需改善是当前面临的主要 问题。这对该区域生态环境和经济可持续发展，具有重要的现实意义和战略 意义。 村落生活污水是造成桃花江流域水环境污染的主要污染点源之一，由于 其位于桂林市的城郊结合部，各个村落的生活方式、生产结构发生了一定变 化，并且村落向城市化发展的程度较高。村落中生活污水的排放量逐渐增大， 主要污染物成分也发生了明显变化由于洗涤剂、洗衣粉的广泛使用，农户 厨房、浴室及厕所排水中n 、p 含量有所增加，对水体造成一定的富营养化， 因此，对n 、p 的去除，成为村落生活污水处理的主要研究对象之一桃花 江上游流域( 从仙人桥到胜利桥河段) 的村落主要有狮子岩村、徐家村、甲 山村、巫山脚村、鲁家村、肖家里、合家村、张家里、桥头村、新华村、于 家庄和北冲村等，其中狮子岩村、甲山村、肖家里、桥头村和北冲村的生活 污水今后可以排入市政排水管网，输送到新扩建的北冲污水处理厂统一处 理。在2 0 0 4 年9 月对桃花江西岸的主要村落生活污水排放量和污染物情况 桂林工学院硕士学位论文 进行了调查，结果见表卜l 。 表i - i桃花江西岸主要村落生活污水排放现状 污染物平均浓度 从表卜l 中可以看出，各村污染物排放情况的差异不大。 1 2 村落生活污水处理技术概述 目前与村落生活污水污染控制相关的处理工艺主要有以下几种方法：生 物处理，生态处理，一体化强化处理，膜生物技术。 1 2 i 生物处理工艺 污水生物处理过程是指利用微生物的新陈代谢，把污水中存在的各种溶 解态或胶体态的有机污染物转化为稳定的无害化物质的生物处理技术mn ， 可分为好氧处理工艺和厌氧处理工艺：或分为以活性污泥为代表的悬浮生长 工艺和以生物膜法为代表的附着生长工艺数十年来国内外对于污水生物处 理进行了浩瀚的研究，归纳起来主要在厌氧生物处理技术、生物接触氧化处 理技术和联合生物处理技术上进展较快。 ( 1 ) 厌氧接触处理工艺 厌氧接触处理工艺具有反应器体积小，规模灵活，工艺简单，耗能低( 仅 为好氧工艺的1 0 1 5 ) ，产生的污泥量小( 为好氧工艺的1 0 9 6 1 5 ) ，处 理过程中对营养物的需求低等多种优点”，是生活污水处理的首选方法 之一但是，村落生活污水中较低的污染物浓度，则成了传统厌氧处理工艺 5 桂林工学院硕士学位论文 在村落生活污水处理中广泛应用的首要限制因素。为了解决这一技术难题， 人们对传统厌氧处理工艺进行了长期的各种改进试验”1 。改进后的厌氧接 触处理技术在处理低浓度村落生活污水( c o d o i o o o m g l ) 时，无论是在试 验室水平还是在应用水平上，均取得了重要突破“”。 ( 2 ) 生物接触氧化处理工艺 生物接触氧化法是在生物滤池的基础上，从接触曝气法改良演化而来 的。该工艺起源于1 9 世纪末，由w a r i n g 、d i t t e r 等人发明，到1 9 1 2 年， c l o s s 第一次在德国取得了这项技术的专利权，但因其处理效果不理想，其 发展一度受到冷遇。到2 0 世纪7 0 年代初期，随着新型合成材料工业化的迅 速发展，生物接触氧化法的发展才走出低谷。 由于可将一些难以降解的大分子物质转换为可降解的小分子物质，从而 大大提高了污水的可生化性，减轻后续工艺的负担，生物接触氧化法在近些 年来已逐渐成功的应用于生活污水的处理“ 生物接触氧化法兼有活性污泥和生物膜法的特点，生物活性强、无需污 泥回流、产生污泥少，工程造价低、运行费用低、不需投加营养盐、处理成 本低，出水水质稳定。 ( 3 ) 厌氧、好氧联合处理工艺 采用单一的活性污泥法或生物膜法处理生活污水时，由于方法上的差 异，各自的优点和缺点都十分明显但是如果两者结合使用，这些优、缺点 可以起到优势互补的作用大量的试验研究和工程实践证实，采用生物 膜和悬浮生长工艺相结合的联合处理工艺可以克服单一生物膜法或活性污 泥法工艺的不足如水解一好氧生物处理工艺、水解一e g s b 联合工艺、a b 工艺、a o 工艺等”。 当生物膜法或活性污泥法单独运用于处理村落生活污水时，可以对影响 工艺运行的各种参数进行控制，甚至能通过各种模型对其动态过程进行预测 分析。但是，当采用联合生物处理技术时。由于其中的各种变量之间相互关 系相当复杂，而且缺乏相关的研究资料，尚无法对整个联合处理工艺进行系 统、有效地控制并正确预测该工艺的实际运行效果。这是联合生物处理工艺 目前面临的科学问题。因此，如何优化工艺结构、充分发挥联合工艺的优势， 桂林3 - 学院硕士学位论文 如何进行有效地管理，寻求联合系统的性能和经济效益最大化，值得进一步 研究。 1 2 2 一级强化处理技术 一级强化处理的工艺主要有化学强化一级强化处理、生物絮凝吸附强化 一级处理、化学生物联合絮凝强化一级处理，也有仰法中的a 段、厌氧( 水 解) 技术和高负荷活性污泥法技术等。一级强化处理具有基建投资少、单位 污染物去除费用较低、能较大程度地提高污染物的去除率，消减污染负荷。 特别是该工艺运行管理简便灵活，处理过程稳定可靠，适合于我国村落生活 污水处理的实际应用，尤其适合于资金紧张地区的生活污水处理”。 在对生活污水处理过程中，物化法的一级强化处理的效果明显，一般 s s 去除率可达9 0 ，b o d 去除率可达5 0 - 7 0 ，t p 可达8 0 - 9 0 嘲、细菌去 除率可达8 0 9 0 特别是在除磷方面，物化法的一级强化处理能够稳定地使 出水磷低于1 o m g l t 而常规一级处理去除率为：s s 为5 0 一6 0 ，b o d 为2 5 4 0 9 t p 为1 0 左右。 当前，一级强化处理技术面临的主要挑战是：污泥产量大使对污泥的处 理难度和处理费用增加，而且有的絮凝剂存在生物学毒性和生态学上的安全 性问题，当采用这些絮凝剂进行强化对，容易造成对环境的二次污染。 1 2 3 膜生物技术 1 9 6 9 年美国j c ys m i t h 首先报道了活性污泥法与超滤膜( o f ) 结合 处理城市污水的方法，1 9 7 2 年s h e l f 等人开始了膜生物反应器的研究3 0 年来人们对膜分离技术应用于给水和污水处理方面进行了多途径的开发和 应用删。 膜生物反应器是指将膜分离装置和生物反应器结合而成的一种新的处 理系统。它把膜分离工程与生物工程结合起来，以膜分离装置取代普通生物 反应器中的二沉池，从而取 ；导高效的圃液分离效果。膜生物反应器( m b r ) 作为种新型的高效污水处理技术，日益受到各国水处理技术研究者的关 注。 常见的膜生物反应器有活性污泥膜生物反应器，生物膜法膜生物反应器 桂林工学院硕士学位论文 和厌氧膜生物反应器 膜生物反应器应用于污水处理中具有以下几个特征 ( 1 ) 能高效地进行固液分离，其分离效果比传统的沉淀池要好，且占地 少，通过膜分离装置所获得的水质很好，可以直接再利用3 。 ( 2 ) 使生物反应器能保持高浓度的微生物。膜分离装置能阻止高分子量 的有机物和悬浮物向系统外流失，使参与反应的微生物完全保持在生物反应 器内，这对于截留世代期较长的微生物尤其有利，如硝化细菌在反应器中的 停留时间，有利于系统生物硝化效率。 ( 3 ) 膜可以阻留许多分解速度较慢的大分子难降解物质，通过延长其停 留时间而提高对它的降解效率。 ( 4 ) 乘余污泥产量小，污泥处理费用少 ( 5 ) 易于实现自动化，操作管理方便。 但膜生物反应器也有不足之处，主要在以下几个方面： ( 1 ) 膜造价较高。使得膜生物反应器的基建投资较高； ( 2 ) 容易出现膜污染，给操作管理带来不便，导致运行费用提高 目前，膜生物反应器已有大楼废水、生活污水回用、医院废水处理的工 程实例，但应用工程数量还很少，特别是从经济角度来讲，其是否适宜村落 污水处理尚存在较大疑问。 随着膜生物反应器产业化步伐加快，膜生物反应器可能成为村落污水处 理可选择的技术之一 1 2 4 生态处理技术 污水生态处理技术是指运用生态学原理。采用工程学的方法，使污水无 害化、资源化，是污水中污染物治理与水资源利用相结合的方法“”，是生态 学四大基本原理在水污染治理中的应用嘲，污水生态处理技术以自然生态系 统的净化作用为核心，在技术上通过对生态因子的优化与调控，强调污水中 污染物质在处理过程中的植物一微生物共存体系，以及与处理环境或介质的 相互协调关系，是2 l 世纪村落污水处理发展的主要方向之一 ( 1 ) 污水土地处理 完整的生态工程土地处理技术体系主要包括：慢速渗滤处理系统、快速 8 桂林工学院硕士学位论文 渗滤处理系统、地表漫流处理系统、湿地处理系统和地下渗滤处理系统等五 大技术类型土地处理工艺的出水水质优于传统的二级处理其中，慢渗、 快渗处理效果最佳，大部分指标可达深度处理，特别是对n ，p 等指标的去 除效果是传统二级处理所不及的，其出水一般可直接用于农灌或景观用水等 回用。 ( 2 ) 稳定塘生态处理 稳定塘生态处理系统可以划分为兼性塘、厌氧塘、曝气塘、好氧塘、水 生植物塘和生态系统塘等多种形式。它们在不同的自然条件下在处理各种类 型的污水中发挥了重要作用删在村落生态环境综合治理中，可以充分利 用稳定塘生态处理系统的特点，将污水无害化处理与利用有机结合起来，以 实现污水的资源化出水可回用于农灌作进一步利用和处理，或补充地下水 洲，可以缓解村落在经济发展初期对地下水的过度开发而造成的水资源短 缺。 ( 3 ) 生物一生态过滤工艺 蚯蚓生态滤池是根据蚯蚓具有提高土壤通气透水性能和促进有机物质 的分解转化等功能而设计，是一种既可高效、低能耗的去除城镇污水中的污 染物质，又大幅度降低了剩余污泥处理和处置费用的全新概念的污水处理工 艺生态滤池处理系统集初沉池、曝气池、二沉池、污泥回流设施以及 供氧设旄等于一身，大幅度简化了污水处理流程；运行管理简单方便，并能 承受较强的冲击负荷；处理系统基本不外排剩余污泥，其污泥产率大幅度低 于普通活性污泥法；通过蚯蚓的运动疏通和吞食增殖微生物，解决传统生物 滤池所遇到的堵塞问题。但由于蚯蚓的生活习性受温度影响明显，低于或高 于一定温度会冬眠或夏眠，故在蚯蚓冬眠或夏眠时处理效果不是很理想，滤 池的填料易发生堵塞 蚯蚓生态滤池污水处理技术最早在法国和智利研究开发，国外已开始产 业化应用在国内，上海已进行中试，结果表明：生态滤池c o d c ，去除率达 8 3 8 8 9 i ，b o d ；去除率达9 1 9 6 ，s s 去除率达8 5 9 2 ，n h 。一n 去除率达5 5 6 5 ，总磷去除率在3 5 6 5 ，污泥总产率为o 2 m g l 将生态滤池工艺与其它水处理技术相结合，可以在村落污水处理和资源 桂林工学院硕士学位论文 化利用中发挥重要作用。 1 3 人工湿地处理生活污水概述 人工湿地是一种先进的生态处理方式，比较适合于处理水量不大、水质 变化较小、管理水平不高的城镇污水和较分散的村落污水的处理。使用人工 湿地处理村落生活污水已经逐渐成为国内外的研究热点。 1 3 1 人工湿地概述 ， 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，简称c w ) 是一种由人工建造和监督 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 三重协同作用来实现对污水的净化作用。它具有处理效果好( c o d o 的去除率 约6 0 - 8 0 ) ，氮磷去除能力强( t n 和t p 的去除率分别为6 0 和8 0 9 6 ) 、运转 维护和管理方便、工程基建和运转费用低以及对于负荷变化适应能力强等主 要特点，比较适合于技术管理水平不高、规模较小的城镇或乡村的污水处理 晦l 科】 湿地应用于污水净化始于2 0 世纪5 0 年代，而用人工湿地进行污水净化 的研究始于2 0 世纪7 0 年代末人工湿地是一个自适应的系统，它是近2 0 年发展起来的一种废水处理新技术，其特点是投资省，处理效果好，运行维 护方便，它属于一种生态治理污水的方法，可作为传统的污水处理技术的一 种有效替代方案，这对于节省资金、保护水环境以及进行有效的生态恢复具 有十分重要的现实意义，也越来越受到世界各国的重视和关注嘲目前它被 广泛应用于处理生活污水、工业废水、矿山及石油开采废水、农业点源污染 和面源污染以及水体富营养化问题的治理时“。较之天然湿地，人工湿地处 理污水更为先进，因为人工湿地部分采取了人为控制措施，从而可以优化系 统去除b o d ，c o d q 、营养元素和细菌性污染物的性能。它不仅可以为昆虫和 其它动物提供生存环境，也可以作为一种美学景观，而且可以最大限度地进 行水力条件的控制和湿地植物的管理。 1 3 2 人工湿地的分类： ( 1 ) 自由表面流人工湿地( s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ) ，处理 能力较低，卫生条件较差，易在夏季滋生蚊蝇、产生臭味而影响湿地周围的 1 0 桂林工学院硕士学位论文 环境：在低温时易结冰、处理效果受温度变化影响大，目前实际工程中应用 的较少 ( 2 ) 水平潜流人工湿地( h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d ) ，污水在湿地床的内部流动，处理效果和处理能力较强：具有保温 性较好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点是目前研究和应用 比较多的一种湿地处理系统。 ( 3 ) 垂直流人工湿地( v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ) ，该湿地 系统中的水流综合了自由表面流湿地系统和潜流湿地系统的特性，在欧洲许 多地方投入运行己有几十年，建设要求高，并且也存在卫生条件差等问题， 目前采用不多但近年来由中国科学院水生生物研究所开发的复合垂直流人 工湿地作为一种改进型人工湿地技术，在改善水质、促使水生态系统的恢复 和水资源的持续利用等方面取得了较好的效果删 1 3 3 人工湿地净化污水的机理 ( 1 ) 有机污染物的去除机理 人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力。可沉降 有机物的去除是由于沉积和过滤作用所致，约有5 0 的c o d c r 在沿处理坡面流 动几米之内就被去除掉了。废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的 吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。 由于异养菌主要采用有机碳作为碳源，而且相对于自养菌而言，异养菌 具有较高的新陈代谢速率，所以在有机物的去除中，异养菌起主要作用 有机物的好氧降解主要由好氧异养菌完成，反应式如下： ( 口) + 0 2 - - - c o f 州扣 人工湿地中有机物的厌氧降解是一个比较复杂的过程，主要由兼性及专 性厌氧异养菌完成，过程包含了若干步骤。第一步的发酵产物主要是脂肪酸， 如乙酸、丁酸和乳酸、酒精以及c 0 2 j 阳h 2 0 咖 c | i l 。z o e - - - 3 c h , c o o h + h , c i i 2 0 e - - 2 c h , c h o h c o o h c 羽。a 一2 c 0 2 + 2 c h a ( 弛o h 接下来，在硫化菌和产甲烷菌的作用下，发酵产物进一步降解为低分子 1 1 桂林工学院硕士学位论文 产物”“”1 ，反应式如下所示： c h 3 c o o h + h 2 s 0 4 2 c o z + 2 h 2 0 + h 2 s c h 3 c o o h + 4 h 2 2 c h + 2 h ：0 4 h ：+ c 仉2 c k + 2 h 2 0 产酸菌适应能力较强，而产甲烷菌对环境中p h 的变化较为敏感，一般适 合在p h 6 5 - 7 5 的环境中生存如果产酸菌大量繁殖，则会引起湿地环境中 p h 的降低，从而抑制产甲烷菌的生长，导致臭气的产生。废水中大部分有机 物的最终归宿是被异养微生物转化为微生物体及c o z 和h 2 0 。 ( 2 ) 氮污染物的去除机理 图卜1 所示为各种价态的有机和无机氮在人工湿地中的变化规律。 _l 阵雨 隋i 发 晖卜吨固萨 永作 陌丽翮 i 用 土壤氧化层 土壤还原层 习一i 敬i ：尹l 扩敌l一匦毫窒厂r ：_ 图卜l 湿地系统中氮循环示意图 原废水中的氮一般主要以有机氮和氨氮的形式存在有机氮在处理过程 中被异养微生物首先转化为氨氮，而后氨氮在硝化菌的作用下被转化为无机 的亚硝态氮和硝态氮，硝化反应式如下所示。 n i + 1 5 0 2 一n 0 、2 盯+ h 2 0 n 0 2 + o 5 0 2 - n o ” 总式：n i “+ 2 0 2 一n 旷+ 2 l r + h ：0 桂林工学院硕士学位论文 硝化反应受温度、p h 、碱度、无机碳、微生物量、n h 3 - n 及溶解氧浓度影 响湿地中硝化反应的最佳温度在3 0 ( 3 4 0 ，温度低于1 5 c 时会对系统的 硝化速率产生较大的限制帆伽最后硝态氮通过反硝化菌的作用以及植物根 系的吸收作用而从系统中去除，反硝化反应式如下： 6 ( c h z o ) + 4 n o 6 c 如+ 2 n 2 + 6 h 2 0 ( 2 1 3 ) 从生物化学的角度来看，在反硝化反应中，氮氧化物作为最终电子受体， 在电子转移过程中，电子由给体( 如有机物) 通过各种传递系统到达氮氧化 物，被转化为a t p 储存在微生物体内用于呼吸作用。上式表示在纯厌氧或缺 氧下的反硝化反应，氮代替氧成为电子受体。越来越多的研究表明，在氧存 在的条件下，反硝化反应依然可以发生咖。事实上，在人工湿地中，硝化反 应和反硝化反应大多是同时发生的，所以反应可表示为如下形式： 2 4 n 矿+ 4 8 0 2 2 矧。卜+ 2 4 h 2 0 + 4 8 r 2 4 n 0 + 5 c 出i d 0 + 2 4 | r 1 2 n 2 + 3 0 c 0 2 + 4 2 h 2 0 总式：2 4 n l i + 5 c h 。a + 4 8 0 2 - 1 2 n 2 + 3 0 c 0 2 - - 6 6 h 2 0 + 4 8 h + 废水中的无机氮作为植物生长过程中不可缺少的营养元素，可以直接被 湿地中的植物吸收，用于植物蛋白质等有机氮的合成，通过对植物的收割而 将它们从废水和湿地中去除 但总的来说，人工湿地中的氮主要还是通过微生物的硝化和反硝化作用 去除的。如前所述，湿地系统中的植物根系的输氧及其传递作用，使得床体 中呈现出连续的好氧、缺氧和厌氧状态，这相当于许多串联或并联的 2 0 处 理单元，使硝化和反硝化作用在湿地系统中同时发生。这使得人工湿地处理 系统具有比传统活性污泥法更强的氮去除能力，同时比a 2 o 工艺的投资更为 节省。 ( 3 ) 磷污染物的去除机理 人工湿地对磷的去除是通过微生物的积累、植物的吸收和填料床的物理 化学等几方面的协调作用共同完成的。 无机磷是植物生长所必需的营养物质污水中的无机磷一方面在植物的 吸收和同化作用下，被合成为a t p ，d n a 和r n a 等有机成分，通过对植物的收割 而将磷从系统中去除；另一方面，通过微生物对磷的正常同化吸收( 将磷作 桂林工学院硕士学位论文 为微生物体内必需的成分c 鲫h 。n 小。p ，而供微生物生长之需) 、聚磷菌对磷的 过量积累，通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。在传统的二级污 水处理工艺中，微生物对磷的正常同化吸收一般只能去除进水中磷含量的 4 5 一1 9 所以，微生物对磷的去除主要是通过聚磷菌的过量摄磷作用实现的由 于人工湿地中植物的光合作用及呼吸作用( e p 所谓的光反应和暗反应) 的交 替进行，植物根系输氧量的多少随光照强度的交替变化而相应地发生变化， 加之湿地床不同区域内耗氧速率的不同，致使系统中交替地出现好氧和厌氧 状态，利于微生物对磷的释放和过量积累作用的发生：再一方面，湿地床中 填料对磷的吸收及填料与磷酸根离子的化学反应( 如离子交换作用等) ，对磷 的去除亦有一定的作用。含有铁质和钙质的填料可与水中的p 0 产反应而沉淀 下来，含有这些物质的地下水渗入床体内也有利于磷的去除阍 1 3 4 人工湿地发展前景展望 目前人工湿地的研究涉及的学科和理论较多，如系统反应动力学、流体 力学、环境微生物学、土壤学和植物营养学等，多学科的渗入为深入掌握人 工湿地的本质提供了基础。 人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循 环再生原理、结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提 下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化 的最佳效益，是一种较好的生态废水处理方式。比较适合于处理水量不大、 水质变化较小、管理水平不高的城镇污水和较分散的污水的处理经过2 0 多年的研究，我国人工湿地污水净化技术的研究已经取得了许多经验参数和 理论数据，但是还有许多工作有待于进一步开展： ( 1 ) 人工湿地系统的工艺设计与其它处理单元系统相结合，构成联合处 理系统，共同实现污水净化的目标。目前最常见的联合是人工湿地与好氧塘、 厌氧塘以及兼性塘进行多级串联联合，其目的是为了保证湿地处理系统具 有更高的处理效率，使出水水质更趋稳定。但是其联合方式、联合次序都会 影响到系统出水的水质。因此，与人工湿地组成的污永复合处理系统是今后 的研究热点之一 1 4 桂林工学院硕士学位论文 ( 2 ) 农业面源污染的研究和治理目前面源污染己经远远超过点源污染， 用传统的点源污染控制技术很难治理面源的污染，而人工湿地在这方面具有 很明显和独特的优势和潜力，国外已有一部分人开始了这方面的应用研究， 但在国内尚未见报道。 ( 3 ) 由于氮、磷等营养元素是水体营养化的主要原因，所以它们仍然是 污染物中被严格控制的主要目标。因此在研究去除有机物的基础上，构建有 利于稳定地去除氮、磷等营养元素的人工湿地系统，也是今后研究和实践的 重要内容。 ( 4 ) 人工湿地处理效率的影响因素研究。如污染物降解的反应动力学、 湿地内部的水流流态外、温度、进水负荷、水力停留时间、区域差异和气候 特征以及系统设计类型等阡删而且目前没有一个统一的对比标准，人工湿 地的类型和规模千差万别，诸多研究结果很大程度上都缺乏可比性。因此， 系统地开展具有高对比性的研究也将成为今后研究的一个重要方向 ( 5 ) 人工湿地生态系统在寒冷地区的运行状况及其在生态恢复中的应 用。大量的研究表明，温度的降低会影响人工湿地污水净化的效率洲因此， 气候很可能成为设计人工湿地的一个限制性因子。 1 4 处理方案确定 我国农村地区大多财政收入不富裕，人均收入不高，技术水平相对落后， 因此应充分考虑当地自然、经济、社会条件，因地制宜地采用投资省能耗低， 维护管理方便，处理效果好的工艺 前面论述的处理工艺，传统的生物处理工艺在国外广泛使用，其利用附 着在填料上的微生物对污水进行处理，这有利于世代周期较长如硝化菌和反 硝化菌等微生物的生长繁殖，从而有利于氨氮等污染物质的去除。其优点在 于处理效率高，有机负荷较高，接触停留时问短，污泥量少，对环境无二次 污染，占地少；而人工湿地其优点在于缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、 无须动力设备投资省、运行费用低、维持技术低，它应用生态系统中物种共 生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性 循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处 理与资源化的最佳效益人工湿地污水处理系统是一种集环境效益、经济效 1 5 桂林工学院硕士学位论文 益及社会效益为一体的污水处理工艺缺点在于占地较大，投资大 不论单独采用常规处理方法还是生态处理方法，作为桃花江的补充水 源，出水水质很难达标根据对。桂林市水环境质量改善与综合示范项目” 子课题的反复论证，决定采用常规处理与生态处理相结合的处理工艺，可以 节省投资和运行费用，管理简单，确保净化效果，同时人工湿地具有很好的 景观效果，具有较好的环境效益和旅游价值。 采用生物接触氧化和人工湿地的联合工艺在应用上可能成为村落生活 污水处理实际可行的工艺路线，在理论上可能提出生活污水污染物控制的新 观点。 经综合考虑后确定村落生活污水处理工艺为： 生活污水一化粪池一调节池一接触氧化池一沉淀池一人工湿地一排放 1 5 研究目的、意义和内容 1 5 1 研究目的 本研究根据桂林市桃花江上游村落的特点，采用生物接触氧化+ 人工湿 地组合工艺处理村落污水，组合工艺具有投资少、运行费用少、除污染效率