（环境工程专业论文）砂土处理生活污水的性能试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页 捅姜 论文基于土地处理系统的基本要求，构建以砂土为填料的土壤一植物处理装置，通 过考察装置的运行性能，确定最佳反应控制条件，并研究相关的控制参数对污染物去 除效果的影响；以及对不同土壤层高度出水的水质的监测，探究污染物变化规律及去 除机理，为分散性生活污水的处理提供理论依据和技术支持；通过空白装置和植物装 置的对比试验，分析了植物在土壤一植物系统中对污水的净化能力。 在水力负荷工况试验中，干湿比为3 ：1 时，分别考察了o 0 4m 3 m 2 d 、0 0 6m 3 m 2 d 、 o 0 8m 3 m 2 d 、0 1 0m 3 m 2 d 四种水力负荷对装置运行性能的影响，确定0 0 8m 3 m 2 d 为最佳水力负荷条件。在该条件下，植物装置的c o d 、t n 、n h 3 n 、t p 的出水浓度 分别为3 2 7 8 m g l 、2 4 7 6m g l 、3 5 8 m g l 、1 7 0 m g l ，去除率分别为8 8 5 0 、2 8 3 1 、 8 3 5 4 、4 8 0 1 。水力负荷由o 0 8m 3 m 2 d 提高到0 1 0m 3 m 2 d 时，c o d 、氮的去除率 与水力负荷呈负相关系；磷的去除与水力负荷无显著关系。 在系统的沿程试验中，考察了系统的沿程性能，结果表明：5 0 c m 高的人工土层出 水中c o d 、氨氮能够满足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 ) 中一 级a 标的要求，但t n 、t p 不能达标。其中表层3 0 c m 土壤对污染物的去除贡献最大， 但表层土壤中容易聚积大量悬浮物、颗粒c o d 及其它污染物质，是系统易产生堵塞问 题的主要原因。 在对比试验中，主要考察了松寿兰对污水的净化效果，结果表明：松寿兰对c o d 的去除率为7 5 8 ，占总去除率的8 5 6 ；对t n 的去除率为2 8 ，占总去除率的9 8 9 ； 对t p 的去除率为2 4 2 ，占总去除率的5 0 4 。相比较而言，松寿兰对t n 的去除效 果较c o d 、t p 要好。 本次试验得到，在干湿比3 ：1 ，水力负荷o 0 8m 3 m 2 d 的条件下，以5 0 c m 高砂土、 种植松寿兰的土壤植物系统运行性能较优，出水c o d 、n h 3 - n 浓度达到城镇污水处 理厂污排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 中一级a 标要求，t n 、t p 均有超标。该实验表明， 土壤一植物系统具有较高的有机物去除率，占地面积小，投资运行成本较低，管理方便 等特点，适用于小城镇的污水处理技术，但对于氮、磷的去除机理有待进一步探索， 以提高装置的氮、磷处理能力。 关键词：土壤植物系统；污水处理；性能；水力负荷 a b s t r a c t p a p e rb a s e do nt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fl a n dt r e a t m e n ts y s t e m s ，c o n s t r u c t e dw i t hs a n d t o 础t h es o i l 。p l a n tp r o c e s s i n ge q u i p m e n t ，b ye x a m i n i n gt h ed e v i c e o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e d e t e r m i n et h eb e s tc o n d i t i o n so fr e a c t i o nc o n t r o l ，a n dt os t u d yt h er e l a t e d c o n t r o lp a r a m e t e r s o nt h er e m o v a lo fp o l l u t a n t s ；a n dm o n i t o r i n gt h ew a t e rq u a l i t yo fe f f l u e n ta td i f f e r e n td e p t h s ， e x p l o r i n gt h et r a n s f o r m a t i o nr u l e sa n dr e m o v a lm e c h a n i s mo fp o l l u t a n tt op r o v i d et h e t h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r t 向rm et r e a t m e n to fd i s p e r s i o nw a s t e w a t e r ；b v c o m p a r i n gb l a n ka n dp l a n te q u i p m e n tt e s t ，a n a l y s i s i n gt h es e w a g ep u r i f i c a t i o na b i l i t yo f p l a n t si ns o i l p l a n ts y s t e m i i lm eh y d r a u l i cl o a d i n ge x p e r i m e n t w er e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mu n d e r t h er e f e r e df o u rh y d r a u i i cl o a d i n gw h e nt h ed wr a t i o ni s3 ：1 ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e 0 0 8m m 2 di st h e o p t i m a lh y d r a u l i cl o a d i n ga n d t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f c o d ，t n ，n h 3 - n ，t pi s 3 2 7 8 m g l ，2 4 7 6m e t e ，3 5 8 m g l ，1 7 0 m g l ，t h er e m o v a lr a t ei s 8 8 5 0 ，2 8 3 1 ，8 3 5 4 ，4 8 0 1 r e s p e c t i v e l y w h e nt h eh y d r a u l i cl o a d i n gr i s e sf o r mo 0 8 m 3 m z dt oo 10m 3 r n 2 d d h y d r a u l i cl o a d i n gi s c o n t r a r yt ot h er e m o v a lr a t eo fc o da n d n ，h y d r a u l i cl o a d i n gh a sn or e l a t i o nt ot h er e m o v a lo f t e i nt h em e c h a n i s me x p e r i m e n t ，w er e s e a c ht h e h e i g h tt r a n s f o r m a t i o no ft h es y s t e m t h e r e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ec o da n dn h 3 no fe f f l u e n ta t5 0 c mm e e tt h ea t a r g e tr e q u i r e m e n t s i n ”m u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n te m i s s i o ns t a n d a r d s ”( g b18 918 - 2 0 0 2 ) ，b u tt na n d t pn o t t h es u r f a c e3 0 c mc o n t r i b u t e sg r e a tf o rt h ep o l l u t a n t sr e m o v a l ，l o t so f s s ，c o da n dt h e o t h e rp o l l u t a n t sa s s e m b l ei nt h es u r f a c e ，a sar e s u l t ，t h es u r f a c es o i li se a s i l yc l o g g e d i nc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t ，m a i n l yo nt h ep u r i f i c a t i o no fs e w a g eo fp i i l kr e i n e c k i a r e s u l t si n d i c a t et h a t ：t h ec o dr e m o v a lr a t ei s7 5 8 w h i c hi s8 5 6 o ft h et o t a lr e m o v a l r a t e ；t nr e m o v a lr a t ei s2 8 w h i c hi s9 8 9 o ft h et o t a lr e m o v a lr a t e ；t pr e m o v a lr a t ei s 2 4 2 w h i c hi s5 0 4 o ft o t a lr e m o v a lr a t e i nc o m p a r i s o n , p i n kr e i n e c k i ao nt h et n r e m o v a le f f i c i e n c yt h a nt h ec o d ，t pi sb e t t e r w h e nt h ed wr a t i oi s3 ：1a n dt h e h y d r a u l i c l o a d i n gi s0 0 8m 3 m 2 dt h ep l a n te q u i p m e n tc a nr e a c hag o o dc o n d i t i o n t h ee f f i u e n t c o n c e n t r a t i o no fc o d ，n h 3 一nm e e tt h ea t a r g e tr e q u i r e m e n t si n ”m 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 te m i s s i o ns t a n d a r d s ”( g b18 918 - 2 0 0 2 ) ，b u tt na n dt pa r ee x c e e d e d t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h e s o i l p l a n ts y s t e mh a sah i g ha b i l i t yo fr e m o v a lo f o r g a n i s m s t h ea d v a n t a g eo ft h es y s t e mi ss m a l l e rl a n da r e a , l o w o p e r a t i n g c o s ta n d c o n v e n i e n tm a n a g e m e n t s oi ti sc o n v e n i e n tf o rs m a l lt o w n sw a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y , b u t t h er e m o v a lm e c h a n i s mo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u st ob ef u r t h e re x p l o r e dt oe n h a n c et h e 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 li 页 n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sp r o c e s s i n go fi n s t a l l a t i o n k e yw o r d s ：s o i l - p l a n ts y s t e m ，s e w a g et r e a t m e n t ，p e r f o r m a n c e ，h y d r a u l i cl o a d i n g 西南交通大学曲南父嬗大罕 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密讧使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ) 学位论文作者签名：菘烈 同期：扣1 0 j 乡f 臌名仁彬彳 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本次试验构建了空白及植物两种污水土地处理装置进行污水土地处理系统运行性 能试验研究，经过试验装置的启动、运行两个阶段试验研究，考察了水力负荷、栽种 植物以及有效土壤层高度对系统运行性能的影响。得到以下结论： ( 1 ) 在水力负荷工况试验中，干湿比为3 ：1 时，分别考察了o 0 4r n 3 m 2 d 、o 0 6 m 3 m 2 d 、0 0 8r n 3 m 2 d 、o 1 0m 3 m 2 d 四种水力负荷对装置运行性能的影响。当水力负 荷为o 0 8m 3 m 2 d 时装置对c o d 的平均去除率最高，去除效果最好。当水力负荷增加 到o 1 0m 3 m 2 d 时，c o d 、氮的去除率与水力负荷呈负相关关系；磷的去除与水力负 荷无显著关系。本试验中，最适宜的水力负荷是0 0 8m 3 m 2 d 。 ( 2 ) 由于植物其根系的吸收作用以及植物对土地处理系统的复氧功能，因此，种 植植物的装置对n 、p 的去除效果较好。 ( 3 ) 系统沿程性能试验研究表明：5 0 c m 高的人工土层出水中c o d 、氨氮能够满 足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 ) 中一级a 标的要求。其中表 层3 0 c m 土壤对污染物的去除贡献最大，但表层土壤中聚积了大量悬浮物、颗粒c o d 及其它污染物质，也是系统易产生堵塞问题的主要原因。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：霜烈 日期：j - 0 ，口j ；rf 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 分散生活污水概述 城市化进程中不可避免的要进行大范围、高投入的污水处理项目建设，这些项目往 往将城市郊区和乡村或其他远离城区的单位从服务范围中剔除。一方面因为这些地区 无法承受巨额的建设和运行费用；另一方面，铺设长距离的收集管道进行低收集率的 污水收集显然也是不合理的。这些城市污水管网收集不到或集中处理不经济的生活污 水称之为分散生活污水。分散生活污水主要包括各种疗养院、度假村、别墅区、远离 城区的一些单位以及零星分布的公寓型村镇等产生的生活污水n 1 。 近年来分散生活污水对水体污染的贡献正在逐年加大，国家“十五”期间，中小 城镇生活污水排放量约占城市污水总量的7 0 以上。这些分散式生活污水由于得不到很 好的治理，随意就地排放，最终汇入江河、湖泊等水体。为此，建设部和国家环境保 护总局于2 0 0 0 年发布了城市污水处理及污染防治技术政策，要求对不能纳入城市 污水收集系统的居民区、旅游风景点、度假村、疗养院、机场、铁路车站、经济开发 小区等分散的人群聚居地排放的污水和独立工矿区的工业废水，应进行就地处理达标 排放2 1 。 为此有必要开发有效的污水处理技术用于分散生活污水的处理。一方面，分散污 水处理系统费用低，利用当地劳动力和简单的技术设备就能建造口钔，因此具有很大的 潜力；另一方面，分散污水的处理是对于城市污水的集中处理是必要的补充，对污染 物总量的削减有着重要的作用。 1 1 2 分散生活污水控制技术 由于水质、水量在不同的对象和地区相差较大，所以分散式生活污水处理系统的 针对性较强，其处理规模和处理方法经常存在较大的差异。这种差异直接导致了处理 工艺的多样化，但大部分分散污水都是生活污水，因此其可生化性一般比较好，生物 处理可作为大部分分散污水处理的主要工艺。目前可供在小型社区、分散单位机构和 农村选择的分散污水处理工艺大致可分为两类哺1 ： ( 1 ) 利用土壤作为处理载体和排放载体的自然处理系统，包括土壤快速渗滤、慢速 渗滤、地下渗滤和人工湿地等。另外还包括一些污泥和化粪池污泥处理系统。 ( 2 ) 利用复杂的生物和物理过程的传统处理系统，以各种池体、水泵、鼓风机和其 他机械作为一个处理整体，这些处理包括微生物的悬浮生长、附着生长以及二者混合 的形式。 传统的处理系统是从各种污水处理厂处理工艺中简化而来的，有的甚至是污水处 理厂的一种微缩版，它们有厌氧过滤一接触曝气、反硝化型厌氧过滤一接触氧化、厌 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 氧过滤一生物膜等，是以生物处理为主、物理化学为辅的一种处理方式，另外还有以 物理化学方法为主的絮凝沉淀( 如挪威采用的w d l l a x 工艺) 等工艺哺3 。国内一般采用小 型污水处理装置进行处理，也有采用构筑物式的，其工艺主要为接触氧化法、改进型 活性污泥法等，这类技术和装置的应用约占市场的9 0 以上口3 ，其次为近年发展起来的 间歇式活性污泥法( s b r ) 和膜生物反应器( m b r ) 等方法。 以上技术由于工艺复杂、运行管理费用高等原因一直很难推广利用，为此人们需 要寻找一种简单、低成本的处理技术。第一类污水自然处理技术无论从技术还是经济 上讲均适应这一要求，大多数的自然处理系统位于市郊，不仅经济而且环境友好，目 前己发展成为集中污水处理可供选择的重要方法之一，在当地理条件适宜时，自然处 理系统投资少、运行费用低，而且能耗也比人工系统低。此外，所有自然处理系统的 出水都有可能达到回用的要求陋3 。所以在分散污水控制技术的选择上，自然处理系统可 供优先考虑。 自然处理系统的主要形式之一是土地处理系统，土地处理系统主要包括慢速渗滤 ( s r ) 、地表漫流( 0 f ) 和快速渗滤( r 1 ) 三种。目前应用比较多的土地处理工艺是慢速渗 滤、快速渗滤以及它们的改良型土壤渗滤工艺，地表漫流工艺由于在地形地质等方面 控制比较严格，故其应用范围较其他两种要小。 土壤渗滤工艺是指主要依靠土壤渗滤作用进行去污的工艺，土壤渗滤系统是将污 水有控制地投配到具有一定构造、距地面一定深度和具有良好扩散性能的土层中，污 水在土壤毛管浸润和渗滤作用下向周围运动，在土壤一微生物一植物系统的综合净化 功能作用下达到处理利用要求的一种土地处理系统。土壤渗滤系统具有不影响地面景 观、基建及运行管理费用低、运行管理简单、氮磷去除能力强、处理出水水质好、可 用于污水回用等特点。虽然其占地面积较大，但对于有较多空闲土地的疗养院、度假 村、别墅区、公寓型村镇等分散地区生活污水的处理而言具有较好的适用性。 1 2 污水土地处理系统工艺及现状 1 2 1 工艺简介 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， 利用土壤一植物一微生物陆地生态系统的自我调控机制和对污染物的综合净化功能处 理城市生活污水及某些工业废水，使水质得到不同程度改善，实现废水资源化与无害 化的常年性生态系统工程。土地处理作为生态学处理方法，是一种以土壤及生存其中 的生物为作用主体的净化污水的方法。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。土壤颗粒间的孔隙具有截留、滤除水中悬浮颗粒的性能。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， 金属离子还可与土壤中胶体颗粒鳌合而生成复合物。重金属离子与土壤某些组分进行 化学反应生成难溶性化合物而沉积于土壤中。污水中的有机物被土粒所吸附而截留。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由于土壤是自然界中微生物理想的栖息地，如1 克肥沃的菜园土中微生物总数可以超 过目前全世界人口的总和( 约1x 1 0 9 1 1 0 1 0 个克土) ，土粒上的有机物迅速被微生物所 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。土地处理 法实际上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 共同作用的生态学方法，以同时实现对污水中污染物“处理”与“利用的两大个功 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。近年来，土地处理 作为污水处理工艺的二级处理或深度处理的代用技术得到迅速发剧9 1 。 1 2 2 污染物净化机理 ( 1 ) b o d 的去除 b o d 的去除机理包括土壤吸附和生物氧化作用。在慢速、快速和漫流系统中，b o d 的去除基本上都在土壤表层进行的，微生物的生长和表层中形成的生物膜对污水中有 机物的去除起主要作用，其主要反应为氧化反应。a m 、，【1 0 认为，在土壤渗滤过程中， 有机物在渗流区内的去除机理主要是生物降解，吸附只是小部分。同时室内土壤渗滤 模拟试验结果也表明，以参数d o c 表明的有机物通过降解作用可以减少5 0 6 0 ； q u a n m d 1 1 】的研究还表明对于二级和三级进水( 美国标准，相当于我国二、三级出水标 准) 而言，经过土壤渗滤处理系统的有机物出水浓度基本上是一致的，说明稳定的出水 浓度并不依靠进水的浓度，土壤渗滤系统有很大的缓冲能力。g a r ya m y 和w i l s o n 等研 究了在美国野外实验条件下，运用土壤渗滤系统去除二级和三级污水的可能性。结果 表明，d o c 和t o x ( 总有机卤化物) 的平均去除率分别为9 0 和8 0 【1 2 】。 ( 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、生物的截副明。 ( 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 面的病原体一j 。 ( 4 ) 氮的去除 生活污水中的氮以多种形式存在，主要由有机氮、铵态氮、硝酸态和亚硝酸态氮 等。对于一般生活污水而言，通过土地处理和植物吸收，污水中硝态氮几乎可被全部 去除 13 1 。硝态氮在随渗水向下迁移时，可通过反硝化作用最终而变为氮气。反硝化作 用、挥发和植物吸收是土地处理去除氮的主要途径【l4 1 。土壤渗滤对有机物和氨氮的去 除可以不断地进行下去，土壤含水层相当于一个由好氧、缺氧、厌氧组合的生物反应 器【”】。k o p c h y n s k i 认为氮在各种情况下都能够被有效的消化，但是即使为土壤渗滤系 统提供反硝化后的进水，反硝化也不能自动进行，因此土壤渗滤适合处理反硝化出水， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 这样其出水总氮低于8 m g l ，有机碳浓度低6 m l 【1 6 】。虽然植物生长也需要一定的氮， 但是由于植物吸收形成的总氮去除率一般不会超过2 0 。靠提高植物吸收的氮总量以 提高系统的除氮能力其上升空间不大，为系统提供良好的硝化、反硝化条件才是提高 地下渗滤系统除氮能力的根本出路【l7 1 。 ( 5 ) 磷的去除 传统污水土地处理系统对磷的净化功能主要依靠天然土壤对磷的吸附作用。研究 表明，污水中的磷的9 9 以上可以被土壤吸附而贮存于土壤中。不过，不同的土地处 理工艺，对磷的去除机理是有差异的，如人工湿地对磷的去除主要是通过植物的吸收、 填料床介质与磷的物理化学作用以及微生物的积累等作用共同完成的。关于磷的去除 机制，一般说来主要有：植物吸收、渗滤介质的吸附、化学沉淀和微生物的积累等【l 引。 ( 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1 9 】，金属进入土壤一植物系统后绝大部分存在于土壤中，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金属污染负荷是必须 考虑的两个问题。 ( 7 ) 痕量有机物 近年来，痕量有机物在环境中的归宿问题及其对人体健康的影响开始受到注意 2 0 1 。 美国环保署提出的优先监测污染物中，有机物占了8 8 ，我国也十分重视有机污染物 对土壤一植物系统的影响。 痕量有机物在土地处理系统中的去除机制主要是挥发、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，于它们在土壤中的累积和向地下水的迁移应予以高度重 视【9 1 。 从污水处理( 处置) 的角度看，污水土地处理法对污水中营养物的充分利用，就是对 污水中污染物的去除，如图1 1 所示。 土壤是个巨大的天然微生物载体。经前期处理的污水进入农田后，其中悬浮物 质和胶体被土壤截留，在土粒表面形成薄膜，这层薄膜里充满了微生物，能吸附污水 中的有机物质，再加上紫外线辐射、空气氧化、物理吸附、植物与微生物吸收、降解、 化学分解等一系列物理化学和生物化学变化，使一些有毒有害物质失去原有活性或被 降解，起到净化污水的作用。试验表明 2 1 ，2 2 2 3 1 ，污水进入稻田5 7 天，悬浮物降低 7 5 9 4 ，b o o 降低7 2 9 7 ，氨态氮降低8 5 以上，磷降低9 8 以上，钾降低7 8 以上，蛔虫卵和细菌数目降低9 5 9 8 ，氰降低约9 8 。污水中含有的铜、锌、锰、铝、 硼、铬等污染物也能经过植物吸收、土壤吸附、氧化还原等过程，含量有显著降低。 至室奎望查兰至圭彗塞兰兰堡鎏耋矍! 銎 4 j ；。4 4 4 1 。44717j ，川 m ! et -、-一、 圈卜l 十地处理土壤植物系统( 简称l p 系统) 示意图 123 国内外研究现状 ( 1 ) 土地处理系统的类型 在我国，经过长期的研究与实践，污水土地处理系统已经发展成为一种建设与运 行费用低、适应范围广、次生环境影响小、再生水水质优良的新型水处理技术。根据 水力负荷、污水路径、抑水方式、土壤植物系统结构以及再生水收集方法，可以将污 水土地处理技术分为慢速渗滤处理系统( s r ) ，快速渗滤处理系统( r i ) ，地表漫流处 理系统( o f ) 人工湿地处理系统( w l ) 以及地下渗滤地处理系统( u g ) 。 慢速渗滤处理系统 污水慢速渗滤( s r ) 土地处理技术是土地处理技术中经济效益最大、水和营养成 分利用率最高的一种类型。慢速渗滤系统是将污水投配到种有作物的土壤表面污水 在流经地表土壤植物系统时得到充分净化的一种土地处理工艺类型。 在慢速渗滤系统中，土壤一植物系统的净化功能是其物理化学及生物学过程综台作 用的结果，具体为：植物的吸收利用：土壤微生物及土壤酶的降解、转化和生物固定： 土壤中有机物质胶体的吸收、络台、沉淀、离子交换、机械截留等物理化学固定作用； 另外还有土壤中气体的扩散作用及淋溶作用。 快速渗滤处理系统 污水快速渗滤( r i ) 土地处理系统是污水土地处理系统的一种基本类型，它主要 是将污水有控制地投配到具有良好渗滤性的土壤表面污水在向下渗滤过程中由于物 理、化学和生物化学等一系列作用而得到净化。 快速渗滤系统的运转周期是一段时间投配污水，称之为淹水期，随之是数天或数 周的干化期。该运行处理周期模式可以使渗滤土壤表面好氧条件周期性的再生，同时 使截留在土壤表层的悬浮固体充分有效地分解。 地表漫流处理系统 污水土地漫流( o f ) 工艺是将污水定量地投配在生长若茂密植物，具有和缓坡度且 土壤渗透性较低的土地表面上，污水呈薄层缓慢而均匀地在土表上流经一段距离后得 净化的一种污水处理方式。 土地漫流系统的净化机理是利用“土壤植物一水”体系对污染物的巨大容纳、缓 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 冲和降解能力。其中土表的生物膜对污染物有吸附、降解和再生的作用；植物起了均 匀布水的作用；阳光既可以提高系统活力，又可以杀灭病原体及促进污染物的分解； 大气给了微生物良好的呼吸条件。在以上各方面的良好条件下，土地漫流系统构成了 一个“活”的生物反应器，是一个高效低能耗的污水处理系统。 人工湿地处理系统 人工湿地( c w ) 处理的反应机理是土壤中与植物共生的细菌利用空气分解污水中 的有机质。当污水流过种有适当植物的湿地时，土壤与植物环境中富含的细菌生长， 污水中有机质好氧分解。该系统不仅可以去除污水中的固体和溶解性有机质，也能去 除部分氨氮。 地下渗滤土地处理系统 地下渗滤土地处理系统( u g ) 是将污水有控制的投配到具有一定构造、距地面一 定深度和具有良好扩散性能的土层中，污水在土壤毛管浸润和渗滤作用下向周围和向 下运动，在土壤一微生物一植物系统的综合净化功能作用下，达到处理利用要求的一种 土地处理系统。地下渗滤系统主要有土壤渗滤沟、地下毛管浸润沟壑浸没生物滤池一土 壤毛管浸润复合工艺三种类型。主要用于分散的居民点、休假村、疗养院等小规模污 水处理，并同绿化相结合。地下渗滤系统最突出的优先是所有处理装置均位于地下， 不影响地表景观，对周围环境的不良影响很小乜引。 ( 2 ) 土地处理系统的应用与发展 在国外，从八十年代以来，污水土地处理系统就得到了快速的发展，在美国、俄 罗斯、日本、澳大利亚、以色列和西欧等国家都得到了广泛的应用【2 睨9 1 。在美国，己 有4 5 个州发展了污水土地处理系统，占全部污水处理系统的2 5 左右，其中慢速渗滤 系统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【3 0 , 3 1 】；俄罗斯近几十年 来也十分重视污水土地系统的研究，把地下土壤渗滤沟工艺作为科技攻关项目，编制 了相应的技术规范，在工艺流程、净化方法、构筑设施等方面得到了逐步完善。目前， 俄罗斯应用于污水处理的土地面积超过1 0 0 0 万h m 2 ，占世界第一位【3 0 】；日本利用土壤 一植物生态系统开发了地下土壤毛管渗滤沟工艺，对污水的处理达到了三级处理的效 果【3 2 】；澳大利亚把多种处理工艺进行结合，开发了污水土地处理复合系统【3 0 】；此外英 国、挪威、瑞典、芬兰、丹麦、荷兰和德国等国家均有营建污水土地处理系统的报道【3 3 , 3 4 】。 在我国，八十年代初己经开始对污水土地系统进行研究，并在“七五”、“八五” 期间得到迅速的发展，其目的主要是通过合理利用自然生态系统，寻求一种低成本、 低能耗的城市污水土地处理系统。于是一些传统的土地处理系统相应被开发，如快速 渗滤系统，慢速渗滤系统等，该系统具有低能耗低花费、维护和操作简便，处理效果 比较好等优点，其中对s s 、b o d 、c o d 病原微生物处理效果非常好，一般可达8 0 以上，对氮磷等处理效果也比较好，一般去除率可达4 0 8 0 。但同时存在水力负荷 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 低、占地面积大、受场地和气候条件限制等缺点【3 5 3 6 】。中国科学院沈阳应用生态研究 所与北京市环境科学研究院、天津市环境保护科学研究院等单位在中国科学院与国家 环保局的支持与组织下，针对我国水污染防治的情况，积极研究并吸收美、日、澳等 国的先进经验，经过多年的研究与实践，已建立起具有鲜明特色的土地处理分类体系 和辅助设计系统，在北起内蒙古，南至云南的广大地区内，建成了包括慢渗、快渗、 地表漫流与地下渗滤在内的土地处理示范工程n 个，处理污水能力达1 6 1 0 4 m 3 d ，为 这一技术的进一步应用奠定了坚实的基础【3 1 7 1 。在这后又通过在深圳等地建立了白泥坑 等人工湿地系统，取得了大量的研究成就及运行管理经验 3 引。随后张金炳以人工土壤 作为过滤介质，研究了人工快渗系统，它保留了传统土地处理系统的优点，同时对其 进行了改进，可根据实际情况对渗滤介质进行调整，使其不受场地的限制，明显增大 了其水力负荷【3 9 1 。但还是存在水力负荷低，处理能力小等缺点。就上述方法中都存在 的水力负荷低的问题，齐名亮等学者进行了专门研究。研究结果表明：水力负荷设计 的大小与土层性质有关，细砂颗粒小，给水度小，而持水度大，相应设计的水力负荷 小，中砂设计的水力负荷中等，粗砂设计的水力负荷最大【柏】，但以上方法仅限于污水 处理的目的，尚未提高到回用高度【3 0 1 。所以，近年来地下土壤渗滤法在我国己日益受 到重视。中科院沈阳应用生态所在“八五”、“九五”期间论证了地下土壤渗滤法在 我国北方寒冷地区处理生活污水的可行性，并研究了其出水作为中水回用的可行性【4 1 1 。 清华大学在2 0 0 0 年首先在农村地区推广应用地下土壤渗滤系统，取得良好效梨3 3 a 2 。 ( 3 ) 地处理系统的优缺点 与其他污水处理方法相比，土地处理系统具有以下优点【4 3 】： 工艺类型灵活多样，工程简易，基建投资省 土地处理系统的基建费用主要决定于土地价格和污水输送距离的远近及预处理费 用。由于土地处理系统类型多样，可充分利用当地地形，选择那些征地费用低，不适 于农业开发的土坡、荒山、废弃河道、废矿坑、矿山塌陷和坑口电厂的粉煤灰场等作 为处理场地，一般来说，其投资只有常规处理的1 3 1 2 。且在处理污水的同时，还兼 有国土整治、绿化环境的作用。 管理简单方便，运行费用低，处理效果稳定 由于工程构造简单，其运行维护也方便，所以土地处理不需要投加化学药品和复 杂的机械设备，不产生大量污泥，运转和维护费用低，可以节省人力物力，这对于我 国那些缺乏资金和专业技术人员的中小城市、乡镇和农村地区非常适合。 实践证明，设计合理、运行和维护良好的土地处理系统，其出水水质能达到甚至 优于其他资源化技术，尤其是在去除氮、磷、可溶性有机物、细菌等方面，都远远优 于其他常规资源化技术，而运行维护费用只有常规处理的1 5 1 3 。 能充分利用水资源 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 土地处理系统实现污水的充分净化的同时，能使水资源的循环再生和有效利用， 达到污水的处理与利用相结合的目的。经处理后的水可相应作为城市供水水源、杂用 水及工农业用水等。这对一水资源短缺的地区更为重要。 但是，土地处理系统也具有以下缺点【4 4 】： 水力负荷低，占地面积大 土地处理系统水力负荷低，占地较突出，制约了其在我国的推广应用，尤其在土 地资源较紧张的城市地区。如何解决土地利用矛盾，是土地处理技术在土地资源紧张 的大中城市推广使用的关键。 在寒冷地区的季节性问题 北方一些比较寒冷的地区，土地处理系统在冬季往往无法运行。系统运行的季节 性与废水排放的连续性矛盾，在一定程度上限制了土地处理系统在北方地区的应用。 公共卫生问题 土地处理系统在运行过程中产生的气溶胶、散发的臭气等会对周边地区造成环境 卫生问题。此外，如果设计或者运行不当，可能对场外径流、地下水造成污染【4 孓47 1 。 针对传统土地处理系统具有水力负荷低、占地面积大的缺点，中国地质大学( 北 京) 钟佐桑等人【4 8 提出了采用渗透性能较好的天然砂等代替天然土层营建污水处理系 统的研究方案，并将这种处理系统命名为人工快速渗滤系统。 1 3 污水土地处理系统运行中的主要问题及其缓解措施 土壤渗滤法工艺在运行过程中可能出现的问题主要集中在土壤堵塞和氧气缺乏等 方面【4 9 ，5 0 1 。增设预处理工艺是一项简便而有效的缓解措施，从而确保系统的正常运行。 1 3 1 污水土地处理系统运行中的主要问题 ( 1 ) 土壤堵塞 造成土壤渗滤系统堵塞的最主要原因是悬浮物截留及吸附堵塞和微生物生长所造 成的堵塞【5 1 , 5 2 。悬浮物截留及吸附堵塞主要与进水悬浮颗粒物( s s ) 浓度、土壤层高度和 土壤特性系数有关：s s 浓度越高，系统越容易发生堵塞，在进水管道前增设沉淀池， 同时间歇性进水，可以缓解这类堵塞。随着土壤深度的增加，s s 浓度呈负指数递减， 即s s 造成的堵塞主要发生在土壤表层，翻动表层土壤对于缓解堵塞最为有效。土壤 特性系数越大，随土壤深度的增加，s s 浓度减小得越快，越容易在土壤表层发生堵塞， 所以应该避免选择粒径过小的土壤和填料。 微生物生长所引起的堵塞主要包含两方面：微生物自身增长。由于系统不存在 排泥过程，微生物的增长量与衰减量相等，其自身增长所引起的堵塞在系统达到稳定 后停止。一般通过控制进水量和污染物浓度可以缓解这种堵塞。微生物胞外代谢。 土壤微生物在胞外代谢过程中主要产生多聚糖类物质。该物质降解周期较长，一般 2 3 5 0 天，因而易在土壤间隙中聚集、引起堵塞【5 3 1 。通常可以向系统中加入生物或化学 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 抑制剂防止这类堵塞。其中，生物抑制剂不仅可以有效防止生物堵塞，而且不影响微 生物的降解过程1 5 4 | 。 ( 2 ) 氧气供给不足 当土壤渗滤系统在氧气不足时，有机物好氧分解以及硝化过程进行不完全，影响 出水水质，尤其是在较深层土壤靠自然方式供氧不能满足好氧微生物降解要求时。国 内外的研究热点是通过干湿交替布水和曝气两种方式对土壤渗滤系统进行复氧。 若采用干湿交替的布水方式，在落干阶段，系统内部土壤介质中的孔隙水被排干， 外界空气得以进入，从而促进附着在介质表面的生物膜对氧的吸收和利用，也有利于 空气中的氧向介质的孔角毛细水中扩散。下一次进水开始时，进入土壤的大部分空气 将被水封在系统内，继续向水中扩散。增大落干时间、减小进水时间，对于加强系统 复氧、改善出水水质有明显效果；但实际的污水处理工程都期望在较高的水力负荷下进 行，即减小落干时间、增大进水时间，从而节省占地面积。因此在土壤渗滤系统的运 行过程中必须确定合适的干湿比。 l i g h 和t l m g z w 的研究表明【5 5 1 ，土壤渗滤系统的水力停留时间h r t 可以用来指 导干湿交替布水的时间分布，实现良好的氧气供给。最大日处理负荷下的经验值为：进 水时间x = ( 2 3 ) h r t ，停止进水至出水完毕的时间y = ( 2 3 ) h l 玎，落干时间z = 5 h r t ； x + y + z 即为完成一次干湿交替布水的总时间。另外，土壤渗滤系统可以参考人工土快 滤床处理系统的许多成功经验。例如，崔理华等将季节变化考虑进干湿交替布水的时 间分布中，建议春季和夏季的干湿比为2 ：1 、秋季为5 ：l 、冬季为1 6 ：1 t 5 6 】。 干湿交替布水的复氧方式对于系统表层的供氧是相当有效的；然而对于系统深层的 复氧，只能依靠曝气提高水体中的溶解氧来实现。为了减小建设成本，通气管往往就 是进水管。进水时向进水中曝气；不进水时直接通过进水管向土壤渗滤系统中充氧。 由于通气管在系统内所能到达的范围有限，单纯依靠通气管推动氧的扩散，其影响范 围也很有限。因此，通气管曝气复氧必须与间歇性干湿交替布水复氧相结合。 1 3 2 污水土地处理系统运行中主要问题的缓解措施 土壤渗滤系统预处理有三个目的：土壤渗滤的进水水质一般要求是b o d 5 为 3 0 m 酉1 8 0 m gl 一，c o d 约为5 0 m 酉。1 、- 1 5 0m g l 。1 【5 7 】，而许多污水的水质都超过这一标 准，预处理装置能够初步降解有机物；通常水体会伴有较多s s ，当浓度过高时会引 起土壤堵塞，从而缩短系统寿命，一般预处理设施都含有沉淀功能；污染水体一般 处于缺氧状态，其溶解氧( d o ) 浓度小于o 5m g l ，而实现硝化作用所需要的d o 浓度 一般为2 0m 9 1 1 3 0m g l o ( 至少应大于0 5 m g l 1 ) ，部分预处理设备含有曝气装置。 1 4 课题研究的目的及内容 1 4 1 研究目的 伴随日益严重的分散型水污染状况，污水土地处理的研究和应用越来越受到重视。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 然而，寻找系统最佳运行条件的研究比较少，污染物去除效果影响因素的研究还不全 面，去除机理的研究也不够系统，能够适应不同土质、水质和实际工况的污染物去除 反应动力学模型和模拟研究几乎是空白。 本课题旨在以污染物去除影响因素和去除机理的研究为基础，探索工艺运行的最 佳条件，并进行模型和模拟研究。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 本课题基于土地处理系统的基本要求，构建以砂土为填料的l p 系统，通过考 察装置的运行性能，确定最佳反应控制条件，并研究相关的控制参数对污染物去除效 果的影响。 ( 2 ) 监测砂土处理系统进水及不同土壤层高度出水的水质变化，探究污染物变化规 律及去除机理，为分散性生活污水的处理提供理论依据和技术支持。 ( 3 ) 通过空白装置和种植植物的装置对生活污水的处理效果的对比，研究了植物在 l p 系统中对生活污水的净