（环境工程专业论文）填料种类对人工快渗系统氮磷去除效果及转化机理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 人工快速渗滤系统具有较高的渗滤速率和较强的有机污染物去除效果，但 是对污水中总氮、总磷去除效果还不太高，难以达到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 ) 一级a 标准。因此本论文以人工快渗系统中的渗 滤介质为主要研究对象，以校园生活污水为试验原水，在室内模拟进行土柱试 验，研究不同渗滤介质氮磷去除效果，快渗池不同深度污染物质迁移、转化、 降解规律，应用这些规律和机理对快渗池填料层组成、池体结构、运行方式等 进行有效的改造，从而全面改善快渗池对污染物的去除效率，指导人工快渗系 统的工程设计，有利于c r i 技术进一步推广和应用。 试验通过填料理化性质及其经济易得性分析，选用青砂、黄砂、活性炭、 石英砂、沸石作为对比填料，分批开展试验研究。通过对经济型填料一青砂、 黄砂去除效果对比分析得出，黄砂总体去除效果优于青砂，且价格低廉，可作 为人工快渗系统的主体填料推广使用。通过对非经济型填料一活性炭、石英 砂、沸石去除效果的对比分析得出，活性炭对c o d 、氨氮、总氮的去除效果均 为最好，沸石对总磷的去除效率最好，保持在8 5 左右。 通过对不同高度出水取样分析，研究人工快渗系统氮磷转化机理。c o d 与 氨氮转化规律近似，去除主要集中在快滤池上层9 0 c m 的范围内。总氮、总磷 的浓度均随着快滤池深度的增加呈下降趋势。 通过模拟试验研究发现，组合填料的开发研究有利于提高总氮、总磷去除 效率。对c r i 技术的推广、应用以及工程设计有一定的指导作用。 关键字：人工快渗系统填料种类去除效果转化机理 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s tr a g t c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o n ( c r j ) s y s t e mh a st h ev a r i o u sa d v a n t a g e s ，w i l l p l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a l t h o u g hc r ih a st h eh i g h e r v e l o c i t y o fp e r c o l a t i o na n dt h e s t r o n g e r m a t e r i a lr e m o v a lr a t eo fo r g a n i c c o n t a m i n a n t ，t h em a t e r i a lr e m o v a lr a t eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si sl o w e r i t s d i f f i c u l tt or e a c h t h ed i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a la n dt o w n s e w a g ep l a n t ) ) p r i m a r ya s t a n d a r d s ot h i st h e s i sc h o s ef i l t r a t i o nm e d i ai nt h ec r ia s t h er e s e a r c ho b j e c t ，t oc a r r yo nt h es o i lp i l l a r se x p e r i m e n ti n d o o r s t h er e s e a r c hl i e s o nt h et r a n s f e r ，t r a n s f o r m a t i o na n dd e g r a d a t i o nr u l eo fp o l l u t a n t si n s i d et h eq u i c k p o n do fp e r c o l a t i o n ，a n dg e tt h er e m o v a lr u l e o fp o l l u t a n t si nc r i ，e s p e c i a l l y n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h e nu s et h o s e r u l e sa n dm e c h a n i s mt o c h a n g et h e s t r u c t u r eo fp o n da n dt h em e t h o do fo p e r a t i o nf u n c t i o n a l l y ，a n ds oo n ，i no r d e rt o i m p r o v et h ed i s p o s a lr a t eo fp o l l u t a n t s ( e s p e c i a l l yt n a n dt p ) i na l ld i r e c t i o n s t h e r e s e a r c h i n gr e s u l t sa r eu s e df o rg u i d et h ee n g i n e e r i n gp r o je c t ，a r ef a v o r a b l ef o rt h e f u r t h e rp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fc r i b ya n a l y s i so ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a la n de c o n o m i cp r o p e r t i e so ft h ef i l l e r s ， t h et h e s i sc h o s eg r e e ns a n & y e l l o ws a n d ，a c t i v a t e dc a r b o n ，q u a r t zs a n da n dz e o l i t ea s t h e c o m p a r e df i l l e r , b a t c hp i l o ts t u d y 。t h r o u g hc a r r y o u te x p e r i m e n t so nt h e e c o n o m yf i l l e r - g r e e ns a n da n dy e l l o ws a n d ，c o n c l u d e st h a tt h eo v e r a l lr e m o v a lo f y e l l o ws a n di sb e t t e rt h a ng r e e ns a n & a n di t sp r i c ei sl o w ，s oi rc a nb eu s e da st h e m a i nb o d yi nt h ec r b a s e do nc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h er e m o v a le f f i c i e n c yo f t h en o n e c o n o m i c - t y p ef i l l e r - a c t i v a t e dc a r b o n ，q u a r t zs a n da n dz e o l i t e ，o b t a i n e dt h a t r e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ea c t i v a t e dc a r b o nf o rc o d ，a m m o n i an i t r o g e na n dt ni s t h eb e s t t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f z e o l i t ef o rt pi f t h eb e s t ，r e m a i na ta b o u t8 5 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ew a t e rs a m p l ea td i f f e r e n th e i g h t s ，s t u d yt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 t r a n s f o r m a t i o nm 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 so fc r i t h et r a n s f o r m a t i o n m e c h a n i s mo fc o da n da m m o n i an i t r o g e na r ea p p r o x i m a t i o n ，t h em a i nr e m o v a li s w i t h i nt h eu p p e r9 0 c m t h ec o n c e n t r a t i o no ft na n dt pa r eg r a d u a l l yd e c r e a s e da s t h ed e p t hi n c r e a s eo ft h eq u i c kp o n do fp e r c o l a t i o n t h ec o n s t r u c t e de x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a ti t su s e f u lt oi n c r e a s et h ed i s p o s a l r a t eo ft na n dt pb yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ep o r t f o l i of i l l e r t h e r e s e a r c h i n gr e s u l t sa r eu s e df o rg u i d et h ee n g i n e e r i n gp r o je c t ，a r ef a v o r a b l ef o rt h e f u r t h e rp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fc r i k e y w o r d s ：c r i ，t y p eo ff i l l e r s ，r e m o v a le f f i c i e n c y ，t r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s m 西南交通大学 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d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“- 4 ”) 指导老师签名： 日期： 乞俪 及、l 斗 糙 孙“ 型周 者， 作玎蜊彤 论镭 位期 学日 西南交通大学学位论文创新性声明 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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、以单一种填料为研究对象，对比不同填料氮、磷去除效果； 2 、运行改进后的人工快渗柱，研究不同深度氮、磷转化机理； 3 、通过对比分析，得出较优的c r j 反应系统渗滤介质和运行参数。 4 、对不同填料的经济性进行了对比分析。 及哆，川丫 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章引言 1 1 研究背景 我国是一个水资源极为匮乏的国家，淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿m 3 ，人均只 有2 3 0 0m 3 ：若扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后， 现实可利用的淡水资源量更少，仅为1 1 0 0 0 亿m 3 左右，人均可利用水资源量约 为9 0 0 m 3 ，且分布极不均衡。据统计，我国人均水资源占有量仅相当于世界人 均水资源占有量的1 4 。在全国6 0 0 多个城市中有4 0 0 多个存在供水不足问题， 2 0 0 3 年缺水比较严重的城市达到1 5 7 个，全国城市缺水年总量达6 0 亿m 3 。专 家预测，中国人口在2 0 3 0 年将达到1 6 亿的高峰，届时人均水资源量仅有 1 7 5 0 m 3 ，可利用资源量不足7 0 0 m 3 ，中国将成为严重缺水的国家【l 】。在这种条 件下大力倡导节约用水的同时，污水资源化成为解决我国水资源短缺的必由之 路，这对生活污水以及受污染河水处理技术提出了挑战。 因此，近十几年来，各种废水处理新技术不断涌现。就目前来说，生物处 理是经济有效的废水处理方法，好氧生物处理应用更为广泛。生物处理方法主 要有活性污泥法和生物膜法两大类。活性污泥法的工艺类型很多，最早应用的 是普通活性污泥法，之后人们为了提高处理效果，在工艺方面进行了改革，发 展出了其他工艺，如s b r 法、u n i t a n 法、氧化沟法、a b 法、a o 法、a a o 法等。生物膜法的类型也很多，主要有生物滤池法、生物转盘法、生物接触氧 化法、生物流化床法等【2 】。这些处理方法在处理生活污水时，都能取得良好的 效果，但也存在一些难以克服的缺点。主要体现在以下几方面： 1 ) 基建投资和运行费用高，如要建一个1 0 万吨的常规二级污水处理厂， 则基建投资就高达上亿元，每年的运行费用约是基建投资的1 0 2 0 。如此 高的投资，普通城市是难以承受的。当这些方法用于分散居住点的生活污水或 工业废水处理时，单位水量的处理成本将更高。 2 ) 操作复杂，难以管理。如活性污泥法经常出现污泥膨胀问题，一旦发生， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 需停止运行，再重新启动，会造成很大损失。据报道，在法国平均有四分之一 的应用活性污泥法污水处理厂中存在污泥膨胀问题【3 1 。 3 ) 产生大量的污泥，给环境重新造成潜在的危害。污泥处理与处置的成本 很高，但即使进行处理后，对环境潜在的危害仍然不能得到根本的解决。 4 ) 传统的污水二级生物处理方法可以有效的去除s s 和c o d 等，但是对 氮、磷等营养物质的去除率较低( 3 0 5 0 ) ，经处理后的出水排入自然水体将 引起“富营养化”等环境问题。一般来讲，二级出水仅能用于灌溉以及作工业冷 却水。因此从改善生态环境而论，城市污水二级处理只能减轻污染，不能彻底 消除污染，也不能使污水完全资源化。 污水土地处理也是一种生物处理方法，从2 0 世纪8 0 年代开始，污水土地 处理系统作为“革新一替代技术”在国外得到复兴和发展，世界上许多国家都在 积极研究和大力推广城市污水土地处理系统。如在美国，1 9 8 1 1 9 8 7 年就建设 了近7 0 0 个土地处理场，现在共有1 0 0 0 多个土地处理场在正常运行。原苏联在 其国家污水设计规范中特别规定，在中小城市一般不采用人工生物处理方法， 鼓励污水土地处理系统的发展【4 】。在以色列，几乎所有经二级或一级处理后的 污水都进入土地处理系统，经一定距离后去除再用。这种出水除做饮用水水源 需要进一步处理外，可广泛用于各种工农业用水。澳大利亚维多利亚州大力倡 导污水的资源化，他们把具有九十多年历史的w e f i b e 牧场污水土地处理系统， i 建设成一个超大型的污水复合处理系统，被公认为是一个成功的典型。 不过，污水土地处理系统也存在难以克服的缺陷。由于传统土地处理系统 的核心是利用天然土层作为渗滤介质，因此，其水力负荷低，占地面积大，这 在一定程度上限制了污水土地处理与利用的发展。针对上述问题，中国地质大 学( 北京) 钟佐桑等人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 ( c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o n ，简称c ) 1 5 1 。人工快滤处理技术具有水力负荷高、 基建投资低、运行方式简单等多方面的优势，在污水处理中会发挥非常重要的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 作用。尤其是对于经济基础较差、专业技术水平较低、人口较为分散的农村， 人工快滤处理技术也逐渐得到应用和推广。 1 2c r i 系统净化机理及特征 人工快渗系统的基本净化机理主要有机械过滤、吸附作用和生物氧化还原 作用。其中机械过滤作用是指在渗滤过程中，当污染物颗粒较大时，处于流线 中的颗粒会直接碰到介质表面产生拦截作用；污染物颗粒沉速较大时会在重力 作用下脱离流线，产生沉淀作用；污染物颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线 与介质表面接触。污染物颗粒较小、布朗运动较剧烈时会扩散至介质表面；在 介质表面附近存在速度梯度，非球体污染物颗粒由于在速度梯度作用下，会产 生转动而脱离流线与介质表面接触。吸附作用是一种物理化学作用。当污染物 颗粒迁移到介质表面上时，在范德华引力和静电力相互作用下，以及某些化学 键和某些特殊的化学吸附力下，被吸附于介质颗粒表面上，或者吸附在介质表 面上原先吸附的污染物颗粒上1 6 。生物氧化还原作用是指在系统经过一段时间 的稳定运行后，渗滤介质表面在有充足的溶解氧和丰富的有机质的环境中，生 长出生物膜。在生物膜内栖息着大量的微生物，通过微生物的代谢活动，有机 物污染物经历由大分子到小分子，由不易生物降解到易生物降解，转化成为微 生物生长代谢所必需的营养物质，最终形成h 2 0 和c 0 2 等。 由此可见，c r i 对有机污染物的去除主要由过滤截留、吸附和生物降解作 用共同完成。过滤截留和吸附作用在c r i 系统中主要起调节机制，而有机污染 物的真正去除主要靠生物降解。生物降解包括好氧生物降解和厌氧生物降解， 其中发生在好氧一厌氧交替带的好氧生物降解是c r i 系统去除有机污染物的主 要机制【7 1 。一般说来，c r i 具有如下特征： 1 ) 滤介质一般选择既具有一定的渗透性能，又具有一定阳离子交换容量的 粉砂、细砂、中砂或砾石等天然砂砾石。 2 ) 滤层厚度一般为1 - 2 m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 ) 水力途径一般是垂直流，污水自上而下自流通过渗滤介质。 4 ) 快滤池之后不需再设二次沉淀池。 5 ) 一般不需曝气和反冲洗。 6 ) 由于采用人工建造，机动灵活，不受场地条件限制，不会因渗漏而造成 对地下水的影响。 7 ) 系统的主体结构可以置于地上，也可以埋于地下。因此，受气候条件影 响较少，一年四季都能保证稳定、正常的运行。特别是在北方寒冷地区，更能 突出c r l 的实用性【8 1 。 8 ) 采用人工介质回填，系统水力负荷高( 般大于1m d ) ，占地面积小。 9 ) 渗滤介质的可选性，使得系统可以根据不同进水浓度和出水水质要求调 整设计参数，机动灵活。 1 0 ) 基建费用少、运行成本低、管理简单。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 土地处理系统研究现状 土地处理系统是利用土壤一植物系统净化污水的功能来达到一定的处理目 标。土地处理系统对污染物的去除过程包括土壤的过滤截留、物理和化学吸附、 化学分解和沉淀、植物和微生物摄取、微生物的氧化降解、蒸发等。 1 、土地处理系统的类型 土壤对污水的净化作用是一个十分复杂的综合过程，其包括：物理过程中 的过滤、吸附；化学反应与化学沉淀以及微生物的代谢作用下的有机物分解等。 目前土地处理系统基本工艺可分为三种：慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流。其 主要差别在于相应工艺中污水运移的速率和水力路径不同。适当改变某些应用 条件可成为与上述三种基本工艺类型不同的改进型，如：湿地系统、地下渗滤 系统、人工土层快速渗滤系统及土地处理复合系统等工艺。表1 1 是土地处理 系统各工艺类型的比较9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表1 - 1 土地处理系统各工艺类型比较 地下渗 人工土 工艺特点慢速渗滤快速渗滤地表漫流湿地系统层快速 滤 渗滤 表面布水 表面布水 配水方式表面布水或高低压表面布水 地下布表面布 高压喷洒 水水 布水 年水力负荷 o 6 石6 1 2 23 3 1 3 3 00 4 31 0 0 2 0 8 ( m a ) 年有机负荷 2 0 0 03 6 0 0 01 5 0 0 01 8 0 0 0l| ( k g b o d h a a ) 占地性质农林牧 征地牧业 经济作物绿化 征地 占地面积( m a ) 1 8 01 02 52 2| 化粪 一级处 预处理最低程度一级处理一级处理格栅、筛滤格栅、筛滤 池、一 理 级处理 下渗、蒸径流、下径流、下下渗、地面收 污水最终去向下渗、蒸散 散渗、蒸散 渗、蒸散蒸散集 草皮、 典型植物谷物、牧草无要求牧草芦苇无要求 花木 2 、土地处理系统的应用与发展 污水土地处理作为生态学处理方法，实际上是追求土壤、含水层和植物的 “处理”与“利用”两个功能的总体实现。土壤被视为“活的过滤器”作为工程系统 进行污水处理f 1 0 1 。污染物在这一系统中通过物理的过滤、吸附、挥发、淋溶、 化学的分解与转化、植物的吸收与微生物的降解、吸收等作用由复杂变为简单， 由大分子变为小分子，由植物、微生物不可利用变为可利用、吸收，进行不断 的更新和循环再生。从而实现污水的充分净化和水资源的循环再生和有效利用。 正是因为这种生态学处理方法运用了植物土壤含水层系统的天然净化功能，使 得土地处理系统往往具有设备简单、投资少、操作管理方便、能耗低，而且净 化效果良好等优点，所以在欧美些技术发达的国家比较普及。近年来，各发 展中国家也开始兴起。 从8 0 年代开始，污水土地处理作为“革新一替代技术”在国外得到复兴和发 展，世界上许多国家都在积极研究和大力推广城市污水土地处理与利用。如在 美国，快速渗滤土地处理场地于1 9 8 1 年达3 2 0 个，1 9 8 7 年进步发展到1 0 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 多个，各种不同形式的污水土地处理系统的总数高达3 4 0 0 多个，占全部污水处 理系统的1 0 2 0 。美国环保局于1 9 8 1 年和1 9 8 4 年正式出版了城市污水土 地处理工艺设计指南( u s e p a ，19 81 ) 及其续补本( u s e p a ，19 8 4 ) ，有效地促进了 污水土地处理系统的研究和发展i l l 】。在丹麦，对处理相当于2 0 1 0 0 0 人口所产 生的生活污水的砂滤系统调查了5 0 个，结果发现，这些砂滤系统基本上都建于 八十年代。调查还表明，从1 9 8 6 年1 9 9 0 年，其砂滤系统的建设以每年7 个 的速度发展。在以色列，几乎所有经二级或一级处理后的污水都进入土地处理 系统，经一定距离后，取出再用0 2 。这种水除做饮用水水源要进一步处理外， 可广泛用于各种工农业用水。土地处理不仅是污水资源化( 污水回用) 的经济有+ 效方法，而且也常用于地表供水水源的预处理。在荷兰的阿姆斯特丹市，一个 利用莱茵河水作为供水水源的预处理程序为，把莱茵河水送到沙丘渗滤池内， 经过地下含水层8 0 米的渗流距离和9 0 天的水力停留时间后，再经取水管进入 水厂。其监测结果表明，通过地下含水层渗滤，不仅悬浮物得以去除，河水中 的有机物亦降低了8 0 。此外，在其他国家也有很大的发展，原苏联甚至在其 国家污水设计规范中特别规定，在中小城市一般不采用人工生物处理方法，鼓 励污水土地处理系统的发展。 我国政府自8 0 年代初开始，确立了根据我国国情与各地区的自然和社会经 济状况，实行人工处理与自然处理并行的技术政策。在吸收与改进发达国家传 统的污水人工处理技术的同时，积极推行替代二级处理的土地处理、稳定塘等 自然处理技术。土地处理技术经过“七五”、“八五”联合科技攻关，实现了从小 试、中试到实用规模的试验、示范研究：确立了完整的技术分类系统；明确了 各种类型的工艺特征、技术要点与工程参数，为在我国推行这一技术奠定了坚 实的基础【i 引。由于传统的土地处理系统本身的局限性及我国的实际情况，其在 我国的推广的进程极其缓慢，实际运行的工程很少。 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) 钟佐粲等人【1 4 】提出了采用渗透性能较好的天然砂等代替天然土层营 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 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 2 人工快渗系统国内外研究现状 人工快渗污水处理系统( c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e m ，简称c r i 系 统) 是一种新型的土地处理技术，是在污水快速渗滤( r a p i di n f i l v a t i o ns y s t e m ， 简称r j 系统) 的基础上发展起来的。该系统的快渗池内人工填充一定颗粒级配 的天然介质，并掺入一定量的特殊填料，采用干、湿交替的运行方式，既保证 有较高的水力负荷( 1 0 - 2 0m d ) ，又能满足出水的处理目标。现阶段对人工快 渗系统的研究主要集中在以下几方面： 1 、渗透介质 污水土地处理系统一般采用天然土层作为渗透介质，但由于天然土层本身 的局限性以及场地条件的限制等因素，目前采用人工回填介质代替天然土层的 研究和应用发展很快，如构造湿地、地埋式砂滤等。据文献报道，用作土地处 理系统的回填介质一般可采用天然砂、人工砂、炉渣和粉煤灰等1 5 。7 1 。c r i 系 统也是采用人工回填介质，快速渗滤池是c r i 系统的主体结构，池中的滤料是 c r i 系统的核心，因此选择合适的渗滤介质是c r i 系统成功的关键。c r i 系统 渗滤介质的选择一般考虑以下几方面的因素： 价格因素 用作c r i 系统的渗滤介质首先须便宜，且容易获得。 渗透性能 水力负荷高，占地面积小，是c 1 l i 系统的突出特点。因此，用作c r i 系统 的渗滤介质必须具有较好的渗透性能。 污染物去除效果 介质的渗透性能越好，其水力负荷越高。但水力负荷太高，又难以保证系 统的出水水质。因此，所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 1 8 - 2 0 】，来加强其对污染物的截留和吸附作用；同时也 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 可以保证渗滤介质具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【2 1 2 3 1 。 目前，c r i 系统所采用的渗滤介质是有定粒度级配的河流冲积砂，再加 上一定比例的人工大理石砂。渗滤介质一般就地取材，其粒径和其他性能在c r i 的各项工程和试验中有所差异。张金炳曾在洗浴污水处理中采用河流冲积砂和 人工石英砂两种不同的渗滤介质，以研究不同渗滤介质的污染物去除效果【2 4 】。 结果表明，河流冲积砂相对于人工石英砂而言，对c o d e r 和b o d 5 有较高的去 除率，且出水水质稳定，耐负荷冲击能力强，这与冲积砂含有一定量的粘土矿 物和有机质，吸附能力强有关。 所以，在选择c r i 渗滤介质时，不仅要考虑介质的大小、渗透性能，还要 考虑介质的物理化学性质，如吸附性能。 2 、渗滤层厚度 一般而言，系统的滤层厚度越大，系统的纳污能力越强，同时污水在系统 中的水力停留时间也就越长，因此，系统的出水水质就会越好；但同时，滤层 厚度的增加，工程投资费用就会增加。因此，设计合理的滤层厚度而达到满意 的出水水质，是解决这一问题的关键。 张金炳等以洗浴污水为研究对象，以河流冲积砂作为渗滤介质，分别研究 当滤层厚度为0 2 m 、0 4m 、0 6m 、o 8m 和l m 时，系统对c o d e r 、b o d 5 和 l a s 的去除效果。结果表明，滤柱上部的相对去除率较高，往下逐渐下降。这 种规律对l a s 的去除表现得较明显 2 5 】。虽然滤柱对c o d e r 和b o d s 的去除率 也符合上述规律，但其变化幅度不大，也就是说，整个l m 厚的渗滤介质对c o d e r 和b o d 5 的去除所作的贡献均较大。此结果与有机污染物的降解主要在上部 o 1 5m 厚渗滤介质内完成的结论不一致 2 6 1 。张金炳认为这是由于本次试验所用 渗滤介质的渗透性能好，系统的水力负荷高( 大于1m d ) ，水与微生物接触的时 间短，滤柱不同深度对c o d e r 和b o d 5 的去除所作的贡献趋向均一的结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 目前，在运行中的快速渗滤系统工程中，渗滤介质的厚度在1 - 2 m 之间， 厚度的大小根据进水水质的变化而作适当调整。一般，对于生活污水，厚度为 1 5 m ；对于受污染河水，厚度为l m 。在工程中，滤层下面还有层集水层， 一般采用粒径较大的砾石，厚度在o 3 卸5 m 之间。 3 、水力负荷 水力负荷即土地处理系统对污水的处理量，一般用单位土地面积上单位时 间内施加污水的深度表示【2 7 1 。在保证出水水质前提下，追求较高的水力负荷， 是c r i 的主要目标。目前，在c r i 工程设计中，水力负荷的典型值是：对于河 流污水采用1 5 m d ，对于生活污水采用1 0m d 。c r i 的水力负荷值比砌的水 力负荷上限高出3 5 倍。 合理的水力负荷值应满足以下条件：1 ) 保证良好的出水水质：2 ) 系统能 够稳定运行，不能因为污染物超负荷而被堵塞。因此，在设计水力负荷时，需 要将系统的渗透能力、系统对污染物的处理能力和进水的污染物浓度综合考虑。 目前，在c r i 系统中，水力负荷值还是根据经验来确定，所以需要研究一种科 学的设计方法来设计水力负荷值。 4 、水力负荷周期和干湿比 水力负荷周期是指系统一次淹水和一次落干构成的循环。一般把湿、干延 续的时间之比称为湿干比【2 8 】。一旦确定了配水时间和湿干比，也就确定了水力 负荷周期。适宜的配水周期与湿干比的确定，是快滤运行的技术关键，决定或 影响着快滤系统的水力负荷和处理效果。 目前，人工快速渗滤系统工程大多采用短水力负荷周期的方式布水，典型 的方式是每天投配四次，每隔6 小时投配一次的方式。这与对系统所采用的水 力负荷周期有很大的差别。对于c r i 系统的水力负荷周期设计，还是采用经验 判断法。吴永锋等提出的水力负荷周期设计方法也可用于c r i 系统，但对水力 负荷求最大值时，需要增加一个约束条件：对出水水质的限制要求。c r i 系统 的污水入渗速率比较大，污水的停留时间比对的小得多，而且c r i 系统对污 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 染物的吸附容量比的低得多，所以如果光追求最大的水力负荷，就可能引起 污染物穿透现象。 因此，应该加强这方面的研究，找到科学的设计方法，可以根据污水水质 和处理目标，合理地设计水力负荷周期值。 5 、系统堵塞问题研究 堵塞问题是污水土地处理系统研究的重点内容之一。它不仅影响系统的水 力负荷，而且也会大大缩短系统的使用寿命。一般认为，造成系统堵塞的原因 主要有悬浮物截留、吸附、化学沉淀以及微生物增长等1 2 9 - 3 h 。目前解决这一问 题的途径主要有两种：一是加强预处理，降低系统的有机负荷；二是根据进水 浓度和系统出水的水质要求，选择渗透性能适中的渗滤介质。 6 、系统复氧问题研究 c r i 处理系统属于污水土地处理技术的一种，是一种自然处理技术，不采 用人工曝气，其复氧过程主要靠大气复氧。复氧效果差往往会造成系统内好氧 微生物活性差，有机物的好氧生物降解效果不理想，硝化作用受到限制，系统 处理效果差，处理能力低下。为提高复氧效率，目前采用的主要途径有3 种： 一是采用干湿交替的工作方式加强系统复氧 3 2 - 3 3 】；二是利用植物的根系对系统 内部进行复氧【3 4 1 ；三是设置通风管对系统内部进行复氧【3 5 】。对于c r i 系统，由 于水力负荷大大提高，污染物负荷也相应提高，所以相对于传统污水处理系统 而言，c r i 复氧问题的解决显得更为重要。 干湿交替的工作方式最早源于刚系统，它的主要目的有两个：一是可以防 止由于有机物生长和悬浮物沉积所造成的渗滤池表层空隙过度堵塞，有效的恢 复系统的渗滤性能，保持处理水量的稳定。二是对系统进行复氧，使系统内部 浅层剖面上交替形成氧化还原环境，有利于有机污染物的降解去除。在c r i 系 统中，当系统采用干湿交替的工作方式时，系统落干可以使系统内部渗滤介质 的空隙水排干，外界空气得以进入，从而促使附着在介质表面的微生物膜对氧 的吸收和利用，同时也利于空气中的氧向介质中的孔角毛细水扩散。下一次淹 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 水开始时，进入渗滤介质的大部分空气将被水封在系统内，继续向水中扩散， 直到空气中的氧消耗殆尽。 设置通气管进行复氧通常与间歇布水工作方式相结合。在污水下渗过程中， 处于饱水状态的渗滤介质，其空隙水在重力的作用下排干，产生负压，在压力 差的驱动下，外界空气通过通风管进入系统内介质空隙中【3 6 1 。p a u ls c h u d e l 的 研究表明【3 7 1 ，设置通气管后的系统内不会存在气体传输问题，即使在微生物最 活跃的上层，氧的分压也很大。 利用植物根茎对系统复氧主要见于各种类型的湿地系统。一般认为植物根 茎对氧的传输只能达到根茎周围很小的范围，在此范围内形成氧化环境。随着 距离的增加，逐渐过渡到还原环境。因此植物根茎所能达到的范围往往决定了 系统有效处理部位的大小。据c r a gs c a m p b e l l 香蒲的根茎一般能达到 15 3 0 c m ，而纸莎草的根茎却可达到6 0 9 0 c m 的深度【3 8 】。在c r i 系统中由于不 种植植物，这样复氧方式不被采用。 1 4 研究出发点及主要内容 目前我国水资源短缺、水污染情况严重。实施污水处理无害化、资源化， 处理与利用相结合，人工处理与自然处理并行的技术，是完全有必要和符合我 国国情的。具体而言，大城市生活污水水量大，污水成分复杂，其市政经济承 受能力强，应以人工处理技术为主，实行集中处理；而大中城市受污染河流以 及中小城市、城镇、农村等生活污水，成分简单，应实施以土地处理等自然处 理技术为主的无害化、资源化污水处理政策。可以预见，污水处理无害化、资 源化的实施，一方面，它将使我国有限的水资源量大为增加；另一方面，它将 使我们的水环境得以净化，进而实现资源、经济、环境、社会全面可持续性发 展的战略目标。 农村生活污水具有分散的最大特点，规模化集中式的污水处理方式难以满 足此类污水的处理需要。因此推广土地处理技术，将集中污水处理与分散处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 相结合将逐渐成为适合我国国情的污水处理的必由之路。人工快滤处理技术是 近年来广为推广的一种土地处理技术，具有水力负荷高、基建投入少、运行成 本低、运行管理简单等多方面的优势，对农村生活污水的处理发挥非常重要的 作用 3 9 - 4 1 】。但是人工快滤处理技术，尽管具有较高的渗滤速率和较强的有机污 染物去除效果，但是对污水中氮磷去除效果还不太高，因此，有必要深入研究 人工快渗处理技术，使之成为成熟、经济、高效的污水土地处理工艺，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。 基于人工快滤处理技术的优越性及其在我国的发展前景，结合由我校和成 都中科创智环保有限公司共同承担的四川省科技攻关计划课题“四川省重点流 域农村水污染治理关键技术与成套设备研究”，和目前关于提高t n 、t p 去除效 率的研究目的，本论文从渗滤介质方面入手，以不同填料氮磷去除效果的对比 分析为主要研究方向。前人对渗滤介质的研究主要集中在天然砂、人工砂等， 并在其中添加一定成分的含钙质、或碱度等的介质。而本论文则以单一填料为 主要研究对象，具体思路是首先通过不同填料氮磷去除效果的对比分析，确定 出对各项氮素、磷素指标去除较优的填料；进而研究改进装置不同深度氮磷转 化机理，推荐较优的渗滤介质组合。 因此针对目前的研究现状，本论文着重对以下几方面进行研究： 1 ) 对比c r i 反应柱不同渗滤介质氮磷去除效果； 2 ) 分析c r i 反应柱不同深度氮磷转化机理； 3 ) 通过对比，确定更优的c r i 反应系统渗滤介质，并应用于工程实践， 验证； 4 ) 优化运行参数，以提高系统污染物尤其是总氮、总磷的去除率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 其研究的技术路线如下图： 图1 - 1 研究技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第二章试验设计及方案 2 1 试验的目的和意义 人工快渗系统在工程上得到了一定的推广和应用，但是在基础研究和理论 研究上还存在一些不足，系统对t n 、t p 的去除效果也不能完全满足出水的要 求。因此本论文，以渗滤介质为切入点，以西南交通大学校园生活污水为研究 对象，在室内模拟进行土柱试验，通过青砂、黄砂、活性炭、石英砂、沸石不 同滤柱氮磷去除效果对比，研究快渗池内污染物质迁移、转化、降解规律，掌 握污染物质特别是氮磷污染物在快渗系统中的去除规律，应用这些效果对比和 机理对快渗池渗滤介质的选取和组合进行有效的改造，从而全面改善快渗池对 污染物( 尤其是t n 、耶) 的去除效率，指导人工快渗系统的工程设计，有利 于c r i 技术进一步推广和应用。 2 2 试验设计 基于试验目的，需要对快滤池内氮磷去除效果和氮磷转化规律开展研究。 为此在实验室模拟快滤池，完成相关试验内容的研究。其中试验现场选择在西 南交通大学环境科学与工程学院水污染控制实验室，试验用水取自西南交通大 学九里校区的校园生活污水。 2 2 1 不同渗滤介质氮磷去除效果对比研究 1 、试验目的及方案 在维持进水c o d c r 、氨氮浓度稳定及水力负荷逐渐提升的情况下运行一定 周期，以系统出水c o d 去除率为指标反映系统的稳定性。待反应系统稳定后 从渗滤柱中取得出水，分析进出水氮磷污染物的浓度，从而对比不同渗滤介质 氮磷去除效果，进一步确定较优的渗滤介质，为从改变渗滤介质方向提高t n 、 t p 去除效率试验提供理论基础。 2 、快滤池结构设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 参考目前的c r i 系统，快渗柱结构见图2 1 ，设计快渗柱高2 1 0 c m ，从上 到下依次为保护层、填料层、承托层、溢流柱。保护层高度为3 0 c m ，填料层高 度为1 6 0 c m ，承托层高度为2 0 c m ，溢流柱高度为1 1 0 c m 。快渗柱内径1 9 c m 。 距土柱顶端3 0 c m 处设置一进水口，进行等距离布水，废水由上至下通过渗滤 介质而得到净化处理。土柱外侧的溢流层用以提够足够的厌氧层高度，从而提 高总氮的去除效率。渗滤介质选用粒径范围相仿的青砂、黄砂、活性炭、石英 砂和沸石。本试验设计水力负荷为l m d ，快渗池面积为0 0 2 8 m 2 时，每天布水 4 次，每次布水时间1 5 h ，布水水量7 0 8 l 。反应动力选用最大流量为1 9 l m i n 的磁力驱动循环泵m p 1 5 r ，和流量范围为1 - - 1 0 l h 的流量计。工艺流程为： 进水桶循环泵一流量计c m 反应柱( 入渗池、溢流池、集水池) 一出水 将采集的水样沉淀l - - - 2 h 后倒入进水桶，通过时间继电器控制系统布水时 间，磁力泵和流量计控制设计流量在给定时间内将污水投入渗滤柱，由上到下 经渗滤介质至快渗柱底部后经溢流柱后出水汇入集水池，经过反应的污水在出 水口的位置，经纱网过滤进入出水桶。 黄 鹅卵 3 、试验的运行与管理 1 ) 试验的启动 h = 2 1 0 0 r a m d = 1 9 0 r a m 图2 - 1 快滤柱结构图 1 9 m 2 1 m 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 以原水进行启动，水力负荷逐级递增：0 2 5 i i l d ( 一周) ；0 5 m d ( 3 天) ；1 0 m d ( 后) ；以进出水c o d 值为指标进行判断，每天监测一次进出水。 2 ) 试验的运行 运行：水力负荷周期6 h ，投水1 5 h 、落干4 5 h ；采用时间继电器控制水泵 的起停和流量计，以达到定时和定量布水的目的。每隔两天对出水进行次采 样分析，其次三次出水混合测定总的去除率反应系统的稳定性。 3 ) 试验监测项目与方法 经常性监测项目：c o d c r 、n i t 3 - n 、n 0 2 - n 、n 0 3 - n 、t n 、t p 监测方法见表2 1 。 表2 - 1 主要水质监测项目监测方法【5 4 】 2 2 2 不同深度氮磷去除机理研究 1 、试验目的及方案 参考目前关于人工快渗系统的一些文献报道，该系统在工程上得到了一定 的推广和应用，出水指标良好，达到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 ) 一级a 标准。但是在基础研究和理论研究上还存在一些不 足，尤其是系统对t n 、t p 的去除效果不能满足出水的要求。根据前面对不同 渗滤介质氮磷去除效果的对比分析，确定出填料对应的氮磷最佳去除指标。因 此本节继续研究不同深度氮磷的去除机理，从而对组合渗滤介质的研究和开发