【乡镇污水处理的生态滞留沟渠系统设计实例8800字（论文）】

乡镇污水处理的生态滞留沟渠系统设计实例摘要27738 1TOC\o"1-1"\t"标题2,1,标题3,1"\h\u一、引言 31.1农村面源污染现状及其治理 31.1.1设计背景 1.1.2面源污染治理研究现状 1.2生态沟渠技术及研究进展 41.2.1生态沟渠技术 1.2.2氮磷污染物在生态沟渠中的迁移转化 1.2.3生态沟渠对污染物的强化去除措施 1.3课题研究的目的、意义和内容 71.3.1研究目的和意义 1.3.2研究内容 1.3.3研究思路 二、材料和方法 92.1W乡镇概述 2.2试验装置 2.3污水来源和水质 2.4水质指标和测试方法 三、结果和分析 103.1再力花与马来燕子菜生物量之间的关系 3.2水力停留时间与污水净化的关系 3.3生物量变化对水处理效果的影响 小结 15参考文献 17摘要：在W乡镇，随着经济的发展，农田农药不合理使用的情况日益严重，大量流失的营养元素随地表径流进入湖泊河流，引起极为严重的富营养化现象。许多研究结果表明农业非点源污染，尤其是自农田的地表径流对水体的污染贡献最大。而关于W乡镇地区农田N、P流失浓度规律的研究则表明农田的N、P流失量远超过其他土地利用类型。可见，农业非点源污染，尤其是来自农田的N、P流失是导致W乡镇及周边河网水体富营养化的重要原因。本设计采用生态滞留沟渠系统设计，对乡镇污水进行处理。以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》关键词：农村面源污染、生态沟渠、脱氮除磷一、引言1.1农村面源污染现状及其治理1.1.1设计背景水污染一般分为点源污染和非点源污染。非点源污染也称面源污染，农村面源污染是指人们的农业活动造成的污染，包括农药、化肥、畜禽粪便以及农田土壤侵蚀。目前,随着农村污水处理的强化,污水管网的全部覆盖在一些农村地区已基本实现,但许多农村地区仍然有直接的污水排放现象,产生的污水在农业养殖的过程中仍难以集中处理。随着城乡一体化进程的加快，农村也呈现出与城市相似的特征。全国污染调查结果表明，农村面源污染在水污染中占很大比重，是水体富营养化的重要因素。随机性和不确定性是农业面源污染的特点。农村面源污染受较多的因素影响，难以进行监测和数据化。究其原因是面源污染排放方式、时间、污染物的不确定性。大多数农村面源污染还涉及随机影响和随机变量的问题，如天气的影响，其主要原因是农药对水体的污染受到空气湿度、温度和降雨量等影响。从而导致农村面源污染的不确定性出现。模糊性和分散性也是其特点，与点源污染的集中性恰恰相反的是面源污染本身具有分散性，污染物较多，且具有时空分布广的特点。地形地貌、土地利用状况和水文特征都可能影响面源污染的空间分布情况，此外，排放的分散性也会造成空间位置难以识别。农村面源污染还具有滞后性和不易监测性。农药和化肥影响水环境，尤其是在降雨的时候。使用农药遇到降雨则会加重面源的污染。农田中农药和化肥存在的时间长短会决定面源所形成滞后性的长短。通常，一次农药与化肥造成的面源污染是长期性的。面源污染涉及较广，在一定区域内，又会交叉排放，污染物也会在沟渠中迁移转化，这样就无法针对某一种污染物进行识别和监测。农村径流主要由农田径流、庭院径流、道路径流和屋顶径流组成。天然雨水、屋面材料腐蚀产物和屋面沉淀物是屋面沉淀物径流污染的主要来源。天然雨水通过雨水清洗空气污染物，而屋顶沉积物主要由雨季积聚的灰尘、枯枝、树叶等组成。不同材料的屋面的腐蚀产物可能不同。国内外研究人员对屋面径流进行了大量研究，主要是为了分析径流污染物指标，结果表明，屋面径流受到污染，但总体污染水平较低。研究表明，颗粒状金属含量对屋面雨水径流有显著的初始影响，其他溶解污染物浓度的初始影响与降雨强度有很大关系。韩冰等人,研究了了房面的径流,发现颗粒状态的TP有68.5%，对于CAD，颗粒吸附态达46.6％,而TN只有7,77%,即90%以上的总氮排放。道路和庭院径流是农村径流污染非常重要的组成部分，农村生活污染、畜禽养殖污染和固体废物污染是污染物的主要来源,规模饲养随机排放污染物，垃圾、雨污水混流,在露天存放时生成的降雨径流、污染物冲进沟渠系统，然后直接进入附近水体，对水环境造成严重影响。罗专溪田等对农村地区降雨径流初始冲刷效应的研究发现，40%的污染负荷是由初始径流输送的，乡镇降雨径流污染一般存在中等的初始冲刷效应。农田径流主要来源于农业生产过程中使用的农药和化肥。我国在农业生产过程中，农业技术指导相对薄弱，耕地相对分散，集约化程度不高，导致农民过度施用化肥和农药。中国的化肥和农药使用量居世界首位。有研究表明，农田肥料利用率低于30%，导致40%残留在土层中，近30%的施肥量随地表径流、土壤淋滤等途径进入水体。因此，控制农村面源污染迫在眉睫。1.1.2面源污染生态治理研究现状由雨水径流引起的非点源污染越来越受到人们的重视。国外学者对雨水径流的处理措施做了大量的研究。加拿大渥太华通过原型观测，提出安大略省草地沟渠的径流控制率在73%至86%之间，从而消除总径流中84%的磷。根据SWAT模型，Kalcic等进行空间优化等研究方法,以六个生态保护措施得到广泛使用,如草和沟渠湿地,从而降低了农业源污染物排放总量的60%,其中20%至30%,70%的磷和沉积物80%和90%。研究表明在草地过滤植被区，TN的去除率可达百分之五十到百分之七十，总磷去除率可达百分之八十六。在雨水来源污染的研究方面也取得了一些进展，2014年，住房和城乡建设部颁布了《海绵城市建设技术指南一低影响开发雨水系统构建》，提出了“海绵城市”建设指导意见，还提出采用“滞、渗、蓄、净、用、排"等低影响开发措施将70%的降雨就地消纳和利用。其中，“净”是指净化措施。通过合理应用一系列低影响的开发措施，如种植沟渠、生物滞留池、雨水湿地、下沉式绿地等，可实现径流污染控制的目标。王闪间研究发现，下凹式绿地对雨水径流具有很好的滞留效果，当降雨重现期为5年时，平均径流削减率是46.58%;对总磷的削减率最低为58.38%;对径流中颗粒态磷的去除率最高为90.28%。Wu等在昆明滇池流域的清军生长率表明，消除总氮和总磷废水的组合(农村耕地径流+水产养殖废水+生活污水),分别是60%和64%。朋四海等构建2个过滤型生物滞留中试池，利用模拟路面径流作为进水口，评价了生物滞留池处理路面径流的有效性。研究表明，在两个生物滞留池中，总磷和氨氮的去除率约为80%，硝态氮的去除率超过50%。1.2生态沟渠技术及其研究进展1.2.1生态沟渠技术生态沟渠是指具有一定宽度和深度，由水、土壤、和生物组成，自身具有独特结构并发挥相应生态功能的农田沟渠生态系统，也称之为农田沟渠湿地生态系统。生态沟渠能够通过截留泥沙、底泥吸附、生物降解、植物吸收等一系列作用，减少水土流失，降低进入地表水中氮、磷的含量。1.2.2氮磷污染物在生态沟渠中的迁移转化沟渠底泥主要是由自然形成的底泥和农田流失的土壤两部分组成，沟渠底泥是沟渠系统的基质与载体，为水生植物和微生物提供了生长的载体和营养物质，底泥自身亦具有对水体中氮、磷的净化作用。底泥中含有机质丰富，吸附能力强，具有良好的聚集结构，且在底泥中生长的微生物种类和数量大，有利于水体中氮、磷污染物的吸附和降解。对于含氮物质，底层污泥的吸附主要表现为对还原氨氮的吸附，溶液中的铵离子可以通过阳离子交换吸附去除。前期底泥对氨氮的吸附较为明显。在一定浓度的氨氮下，一定数量的氨氮会被吸附到提供的吸附位点上，并达到平衡吸附状态。当水中氨氮浓度下降时，底泥将吸收的氨氮释放到系统中，在新的浓度下恢复平衡。大量实验表明，底泥对氨氮的吸附是沟渠脱氮的重要途径，但不是主要的脱氮途径。对于磷的去除，由于底泥中还包含大量的的铁和铝的氧化物（非晶体型），往往会发生可溶性无机磷酸盐吸附和沉淀Al3+、Fe3+,生成溶解度很低的磷酸铁或铝磷酸盐，进而增强了土壤的去磷能力。由于底泥表面处于好氧状态，铁和铝没有表现出定性氧化状态，导致吸附能力强，易与磷形成不溶性复合物。但随着底泥深度的增加，好氧状态逐渐向缺氧、厌氧状态转变，导致铁、铝形态发生变化，使得底泥吸附能力随底泥深度的增加而减小。沟渠底泥对磷的吸附与沉淀作用是最主要的除磷作用，但底泥对磷的吸附可能出现饱和状态，又会使一部分磷由底泥重新释放到水中。水生植物对沟渠系统中污染物的去除发挥了重要的作用。水生植物不仅可以直接吸收上覆水以及底泥间隙水中的NH4+、NO3-;和PO4-离子，同化成自身所需的物质，还由于自身的吸收在植物根区形成浓度梯度，打破了氮、磷物质在水泥界面的平衡，促进氮、磷在界面的交换作用，进而加速污染物进入底泥的速度，增强其截留能力。通过动态模拟试验，徐红灯等人发现，植物生态沟渠的氮磷截留效率高于30%，而自然沟渠的氮磷截留效率为20-30%。另一方面，由于水生植物茎和根的中心具有较大的通气系统，其根系又常形成一个网络状的结构，从而植物将光合作用产生的O2输送到根区，在根区还原态的介质中形成氧化态的微环境,不仅可满足植物在缺氧环境的呼吸需要，还可促进根区的氧化还原反应与好氧微生物的活动。生态沟渠中种植植物不同，对沟渠底泥的理化性质影响不同。李洪芳等研究发现，生态沟渠底泥中总磷、草酸提取磷(POX)和有机质含量沿水流方向呈增加趋势，而沟渠底泥pH值的变化则相反。张树楠等比较了种植铜褐藻和黑褐藻的生态沟渠和杂草的天然沟渠0-5cm和5-15cm底质沉积物的特性和磷吸附特性。结果表明，0-5cm底质中铜褐藻中草酸提取的Fe、Al和P含量高于杂草和黑褐藻。很明显，生态沟的建设和净水植物的种植会影响底泥的基本性质。此外，植物的存在增加了沟的粗糙度、阻力和摩擦力，降低了沟内水流的速度，增加了水力滞留时间，有利于沟内污染物的消除。与此同时，植物根系增加了沉积物的截留能力，从而增加了水中养分的截留能力。水生植物的根(茎)网络以及沉积物表面附着大量微生物，由于水生植物的生长，其根系的分泌物及好氧环境创造了好氧细菌生长的条件,将排水中的氮、磷及其他有机物分解为NO3-、PO43-、SO42--等离子0M1，根区以外的还原状态区域，发育着大量的厌氧微生物，如硝酸盐还原细菌。植物根系周围好氧、缺氧、厌氧条件的持续存在有利于沟渠系统同步硝化反硝化，从而实现反硝化作用。Lin等人通过试验分析发现，湿地系统中只有4-11%的氮被植物吸收去除，而大部分氮(89-96%)被反硝化去除。微生物去除磷的途径包括对磷的吸收和过量积累。在可溶性较差的有机磷酸盐和无机磷酸盐通过磷细菌的代谢活性后，有机磷化合物转化为磷酸盐，可溶性较差的磷化合物溶解，最终从废水中去除。徐红灯等比较了灭菌和未灭菌条件下沟底沉积物对氨氮和DTP的去除效果，发现未灭菌条件下沟底沉积物对氨氮的滞留量明显大于灭菌后。同样，DTP在未灭菌沉积物中的截留量略大于灭菌后沉积物，但差异不显著。由此可见，沟渠中的微生物对氮和磷的去除，特别是氮的去除有重要的影响。对磷酸盐的影响较小，这恶间接表明磷酸盐在通道中的去除主要是吸附，微生物的作用不占主导地位。延长水力滞留时间可以增加悬浮固体的沉积量和污染物的反应时间，大量的实验研究表明，水力滞留时间与污染物的去除效果密切相关。Huang等指出，湿地中NH4+-N浓度随滞留时间的延长呈指数下降，其去除率是滞留时间的二次函数，先升后降;

Brooks等叨提出溶解态磷的去除分两个阶段:第一阶段速度较快，主要通过吸附作用以及磷酸盐的形成:第二阶段速度较慢，主要依靠化学促沉作用和以及被吸附物结成固体物质，因此为了提高磷的去除效果，滞留时间必须保证达到第二阶段。王岩等研究了水力停留时间对三种不同沟渠氨磷去除效果的影响，研究发现，随着HRT的延长，三种不同沟渠对氮、磷的去除效果均有所提高，但主要集中在进水后的前两天，之后不再随HRT的延长有明显的变化，这同TaoWD等人的研究结果一致。因此，适当的延长水力停留时间能够加强氮磷污染物的去除效果。延长HRT可以通过在各级排水沟渠出口加设控制水流的排水阀或闸等设施，调节排水沟渠水位或者在沟渠中设置拦截坝等方式实现。底泥吸附作用对氮、磷的去除贡献很大，尤其是对氨氮和磷的去除。但是底泥对氮、磷的吸附有一定的饱和性，而且底泥的吸附性能与底泥属性有很大关系，容易受到外界环境的影响。为进一步强化对氮，磷的去除效果和稳定性，可以在沟渠中添加人工填料。填料主要通过物理截留、化学沉淀、吸附、氧化还原、络合及离子交换等作用起到净化水体的目的。常见的填料包括沸石、页岩、粉煤灰、砾石、火山岩、陶粒、砖块、钢渣等。沸石在脱氮方面具有很强的优势，其对NH4+-N有极强的吸附性，可快速截留水体中的NH4+-N.赵占军等比较了沸石、圆陶粒、粗砂、页岩、砾石对NH4+-N

的吸附效果，结果表明，沸石的吸附容量最大。章芳等比较了空心砖、粉煤灰、煤渣、活性炭4种填料对氮、磷的吸附性能，结果显示，空心砖对氨氮和磷的吸附容量明显大于另外3种填料。DrizoA等比较了页岩、铝土矿、灰岩和沸石等7种基质对P的去除效果，结果表明，页岩对P的去除效果最好，最大吸附值为730mgP/kg.钢渣含有丰富的游离态CaO、胶体Fe2O3和Al2O3等物质，对污水中磷吸附速率快、吸附容量高。很多研究均表明，对磷的吸附作用与基质中Al3+、Fe3+含量有很大关系。此外，有研究发现，组合基质可以提高对水体污染物的去除能力。王谨研究表明，多孔大石、粉煤灰、大陶粒、多孔小石和大石块组合有非常理想的除NH4+-N效果。魏星等研究表明，在人工湿地基质的表层添加植物秸秆可以使水体TN的去除率提高10%以上。不同研究者对填料的选择及填料配比不同，所得出的结论也有所差别，因此在实际研究中应根据需要筛选出合适的填料。1.3课题研究的目的、意义和内容1.3.1研究目的和意义随着农村经济发展和农民生活水平提高，农村生活污水对环境和人体健康构成的威胁日益显著。对农村生活污水进行有效收集和治理世界性难题，也是发展中国家共同面临的挑战。原因在于农村地区人口分散，污水收集不易，适用于城镇的集中式污水处理设施不适于农村地区。研究和实践经验表明，农村生活污水适合采用设计简单、操作方便、处理效率高、污泥产生量小、维护成本低的处理方法。已有采用人工湿地、土地渗滤、蚯蚓生态滤池、氧化塘和A/O技术现处理农村生活污水的报道，但这些技术都存在局限性。人工湿地、土地渗滤和氧化塘受限于当地自然地理条件；蚯蚓生态滤池对温度、湿度和滤料的要求较高，且不能承受较大的水力负荷和有机负荷。因此，有必要探索适应性更强、更易普及的农村生活污水处理技术。生态沟渠又叫农田沟渠生态系统，可由村边、田间广布的沟渠改造而成，该技术见效快、易推广，不但可减小污水收集难度，而且建造和处理效果受自然地理条件影响小。生态沟渠通过土壤吸附、植物吸收、生物降解作用不但可以去除氮磷，还可有效去除残留的杀虫剂。研究表明，氮磷的去除效果受沟渠布置方式和植物组成的影响，此外盐度对沟渠处理能力的影响也不可忽视。现有的研究集中在采用生态沟渠去除农田径流污染物，但对采用该技术治理农村生活污水的研究则较少。对生态沟渠处理农村生活污水的研究也仅集中在污染物去除机理、沟渠构建、植物筛选等方面，而在沟渠植物搭配方式、生物量对污染物去除效果的影响方面还没有开展深入研究。本研究优化了不同植物搭配方式下的水力停留时间，并探索了不同植物搭配方式下的生物量变化情况及其对农村生活污水脱氮除磷效果的影响。不但填补了前人研究工作的不足，而且有助于将见效快、易推广的生态沟渠技术应用至农村生活污水治理领域，有效减小污水收集、自然地理条件对农村生活污水治理造成的困难，提高农村生活污水治理率。1.3.2研究内容本论文，以“生态沟渠"系统为研究对象，通过对植物和填料的优选，强化系统对氮磷去除效果，并探究系统在不同运行条件下对污染物去除效果的变化规律。1.3.3研究思路

根据研究内容，确定研究思路如图1所示图一研究思路二、材料和方法2.1W乡镇区域概括W乡镇W乡镇属于典型城郊居民农田混合区,人口密度大,生活污水排放量大,粪便使用量减少,几乎没有污水收集管网,村前农田95%种植韭菜。居民区生活污水通常通过村内简易排水沟汇入村庄与农田相连的污水收集沟,最后流入村前农田沟渠。旱季农田沟渠水体始终处于发黑、发臭状态,给村民生活和农业生产带来严重影响。2.2试验装置生态沟渠采用梯形断面。沟渠上口宽1.6m，下口宽1.0m，渠深0.7m，有效深度0.5m，渠长80m。两侧渠壁采用泥土沟壁，可附生植物。渠底铺设沸石填料，厚度10～15cm，种植当地挺水植物再力花和沉水植物马来眼子菜。生态沟渠断面示意图如下图所示2.3污水来源和水质试验场地为W乡镇某村，实验以当地农村生活污水为处理对象，生态沟渠渠内水深0.5m，污水流量为10.4～13.0m3/d，进水水质监测结果如表1。表1污水水质表监测指标pHCOD/mg·L-1TN/mg·L-1TP/mg·L-1数值区间7.1-8.691-29736.2-41.95.2-6.1平均值7.620138.25.82.4水质指标和监测方法试验监测指标主要为TN、TP和生物量，TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，TP采用钼锑抗法测定。生物量取样和测量方法：挺水种植模式的沟渠内，每次在沟渠前、中、后各采集1丛再力花的根系和茎叶；挺水+沉水种植模式的沟渠内，每次在沟渠前、中、后各采集1丛再力花和1棵马来眼子菜的根系和茎叶。将样品分别置于纱网中，用清水缓慢清洗，放在自然通风处风干，然后烘干（105℃烘8h），称干重。结果和分析3.1再力花与马来眼子菜生物量间的关系为了设置不同种植模式，对当地野生的再力花和马来眼子菜进行初步研究。同时选取不同生长期的样品各3个，清洗、风干、烘干后称干重，测定结果如表2。数据显示，1丛再力花的生物量约相当于3颗马来眼子菜的生物量。依此设置2种种植模式，设置方式如下：建造同样规格的2条沟渠，1条沟渠采用挺水植物种植模式，种植密度为3丛再力花/m2，另1条沟渠采用挺水+沉水植物的种植模式，种植密度为（1丛再力花+6颗马来眼子菜）/m2。表2野生再力花与马来眼子菜的生物量样品1样品2样品3再力花（从）43.25g112.85g201.52g马来眼子菜（颗）16.96g42.91g74.36g再力花（从）/马来眼子菜（颗）2.552.632.723.2水力停留时间与污水净化的关系如图3所示，2种模式下的TN去除率均随HRT的延长而增加，当HRT≤5

d时，TN去除率上升较快，继续延长HRT，TN去除率上升放缓。挺水+沉水模式下，当HRT为5d时，TN去除率为60.2%，出水TN浓度为14.6mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB

18918-2002）一级A标准。挺水模式下，当HRT

为

5

d

时，TN

去除率为

56.4%，出水

TN

浓度为15.9

mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB

18918-2002）一级B标准完全满足并超过地表水Ⅳ、Ⅴ类功能水域、非重点控制流域或非水源保护区建制镇的水污染控制要求。图3HRT对脱氮效果的影响HRT存在优化的区间范围，在该范围内，HRT越长，植物吸收氮素的量越多，微生物硝化与反硝化进行得越彻底，基质吸附效果越好，TN去除率不断升高。但是，并非HRT越长越有利于系统脱氮，因为基质吸附作用将受到更多因素的制约，而且碳源的减少也使反硝化作用减弱，因此当HRT＞5d时，TN去除率增速放缓。如图4所示，2种模式下的TP去除率均随HRT的延长而增加，当HRT≤4d时，TP去除率上升较快，继续延长HRT，TP去除率增速放缓。挺水+沉水模式下，当HRT为4d时，TP去除率为74.3%，出水TP浓度为1.5mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB

18918-2002）二级标准。挺水模式下，当HRT为4d时，TP去除率为68.3%，出水TP浓度为1.85mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）二级标准，满足非重点控制流域或非水源保护区建制镇的水污染控制要求。随着HRT延长，处理系统中的植物摄取、微生物同化作用效果越发明显，但是HRT过长，植物和微生物生长所需的其他微量元素和营养成分供给将得不到保障，同时，含磷物质在填料上的吸附沉降效果也将随着作用时间的延长而减弱。上述因素共同导致当HRT超过某值时，TP去除率增速放缓。图4HRT对除磷效果的影响3.3生物量变化对水处理的影响如图5所示，2种模式对应的生物量增速在后期均放缓，挺水+沉水模式的放缓时间早于挺水模式，后期挺水模式对应的生物量多于挺水+沉水模式对应的生物量。之所以出现这种现象，是因为前期挺水+沉水模式充分利用了渠底空间，植物数量的优势得以充分体现，导致生物量增速快于挺水模式；后期沉水植物在生长空间和营养成分等方面与挺水植物竞争，导致挺水和沉水植物均未充分生长，二者生物量的总和也少于同期挺水模式的生物量。图5生物量与脱氮除磷效果之间的关系图5和表3显示，TN去除率随着生物量增长而增大，呈现出良好的一致性；挺水+沉水模式的TN去除效果优于挺水模式。7月之前，2种模式下的基质吸附效果相近；挺水+沉水模式的生物量较大，植物生长吸收的氮素相对较多；挺水+沉水模式的根