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人工湿地法对生活污水中氮磷的去除效果研究
洛阳理工学院
毕业设计(论文)
题目人工湿地法对生活污水中氮磷的去除效果研究
姓名王驰
系(部)环境工程与化学系
专业环境工程
指导教师吴长航
2013年6月2日
人工湿地法对生活污水中氮磷的去除效果研究
摘要
为了探索生活污水中N、P去除,在实验室用柱状渗滤池模拟人工湿地采用混合土为介质,探究人工快速渗滤系统对城市生活污水中N、P的去除。
研究不同介质配比,淹水时间,湿干比等3种因素组合对污水处理的最优运行模式。
试验结果表明:
通过选取混合土为介质及调整以上3个参数处理生活污水是可行的;实验统计得出最优模型:
当介质为40%土壤(黄粘土)+煤渣+砾石时对氨氮和磷的去除率分别为62.17%和84.67%,出水浓度分别为13.24mg/L和0.46mg/L,都达到国家一级排放标准。
在水资源短缺、水污染日趋严重的今天,人工快速渗滤系统以其低投资、低能耗、操作管理方便以及净化效果良好等优点在实现污水资源化中的重大现实意义。
关键词:
N、P去除、人工快速渗滤系统、混合土、污水资源化
STUDYONTHEEFFECTOFN/PREMOVAIINTHEDOMESTICSEWAGEBYTHECONSTRUCTEDWETLAND
ABSTRACT
InordertostudyNitrogenandphosphorusremovalfrommunicipalsewage,simulationofconstructedwetlandbycolumnarinfiltrationfilterfornitrogenandphosphorusremovalbyusingmixturemediuminlabismade.Theoptimumoperationmodeisinrestigatedformediumcomposition,floodingperiodanddry/wetratio.Itisshownthatitisfeasibletoselectsoil/quartasand,floodingperiodanddry/wetratioasdesignparameter,andthentogetoptimummodel.Whenthemediumsarecinder,gravelandsoil(yellowclay),theremovalrateofNandPrespectivelyare62.17%and84.67%andtheeffluentconcentrationrespectivelyare13.24mg/Land0.46mg/Lwhichallmeetthenationalemissionstandards.Constructedrapidinfiltration(CRI)systemwithlowinvestment,lowenergyconsuming,convenienceofoperationandbettereffectoftreatmenthasgreatsignificanceforreusingofwastewaterintoday.
KEYWORDS:
N/Premoval,Constructedrapidinfiltration(CRI)system,mixturesoil,reusingofwastewater
目 录
前 言1
第1章概述3
1.1人工湿地的概念3
1.1.1人工湿地的定义3
1.1.2人工快速渗滤系统的定义3
1.1.3人工快速渗滤系统去除污水中氨氮和总磷的机理4
第2章实验材料和方法6
2.1实验材料6
2.1.1实验试剂6
2.1.2渗滤池所用介质6
2.2实验设备与装置7
2.2.1渗滤池的构造7
第3章实验步骤及探究10
3.1氨氮和总磷的校准曲线的绘制10
3.1.1氨氮校准曲线的绘制10
3.1.2磷的校准曲线的绘制10
3.2不同渗滤介质对氨氮和磷去除效果的测量11
3.2.1渗滤介质为100%土壤(黄粘土)11
3.2.2渗滤介质为30%土壤+石英砂+砾石12
3.2.3渗滤介质为40%土壤(黄粘土)+煤渣+砾石13
3.3不同渗滤介质对氨氮和磷的去除率的探究13
结 论19
谢辞21
参考文献22
外文资料翻译25
前 言
我国是一个水资源短缺的国家,人均水资源占有量只有世界人均水平的1/4。
尤其近年来随着城市化进程的加快,经济的飞速发展和人口的不断增加,对水资源的需求量与日俱增,造成水资源日趋紧张。
而与此同时,工业与生活污水排放量不断增加,水资源污染日趋严重,致使我国在水量型缺水问题日益突出的同时,水质型水资源短缺形势也日益严峻。
目前,我国城市污水处理率仅为30%,二级处理率15%绝大部分污水未经有效处理而排入江河湖海。
据测算,城镇供水的80%转化为污水,经收集循环处理后,其中70%可以再循环使用。
也就是说,在现有供水量不变的情况下,通过对污水的处理回用可使城镇的可用水量增加50%以上。
污水处理的回用是对水自然循环过程的人工模拟与强化,处理后的水可以用于卫生间冲洗、办公楼拖地、冲洗车辆、绿化浇灌和景观用水等,这种处理后再回用的方式不仅可以节约优质水,还可以在解决缺水问题的同时减少污染物的排放,起到从量上养蓄水资源,从质上保护水资源的作用。
因此,污水作为一种可再生的水资源,其量大、集中、水质和水量较稳定,对其适度处理后回用是有效节约、开发利用水资源的重要手段之一,是解决城市缺水问题的关键[1~5]。
目前我国污水深度处理方法主要有,强化混凝沉淀法、臭氧氧化法、膜分离法、离子交换法、湿式氧化法等,但由于这些处理方法费用昂贵、管理复杂,无法得到广泛应用。
与此相比,人工快速渗滤系统(Constructedrapidinfiltrationsystem简称CRI)则是利用土壤本身的净化功能,具有低成本低耗能的优点,并已在许多国家得到广泛应用,如美国、以色列、荷兰、原苏联等。
人工快速渗滤系统是人工湿地中的一种处理方法,它是在对各类土地处理和快速渗滤系统研究总结的基础上,针对传统污水土地处理系统普遍存在的水力负荷低、单位面积处理能力小等缺点,借鉴了污水快速渗滤土地处理系统和人工湿地系统的优点,逐步发展起来的一种具有自身特色的新型污水处理技术。
我国对人工快速渗滤系统的应用起步较晚,但发展迅速,在人工土柱模拟试验和土槽模拟试验的基础上,我国也已建造了一系列的CRI系统示范工程。
近几年来,人工快速渗滤系统以其投资低、能耗低、运行管理方便等特点已在污水资源化的应用方面得到越来越多的重视。
本文以人工快速渗滤系统模拟人工湿地(因为实验过程中未添加活性污泥和植物,实质上是人工快速渗滤系统)处理模拟生活污水,通过考察不同的按比例混合介质、停留时间、水力负荷、微生物、CO2对水样中氨氮和总磷的去除率的影响,绘出相应的函数图线,并结合实际找出处理的最佳运行工况。
由于实验条件的限制,此次研究的范围仅仅限于考查不同的介质按比例混合、停留时间、水力负荷对氨氮和总磷的去除率的影响。
还有很多因素例如原水浓度、CO2浓度、微生物等对实验结果的影响,所以此次研究得出的最佳工况是一个阶段性成果,还需要进一步拓宽研究范围。
但是,此次研究却具有一定的现实意义,首先,它所阐述的人工快速渗滤系统机理在现实废水处理中是完全适用的;其次,它是对现实操作中优化条件的探索性研究,对于实际操作过程有一定的指导意义;再次,此次论文的结论可以与文献相互印证,从而可以判断此类技术的实验重现性和稳定性;最后,在实验的过程中,可以进一步了解此类技术的优点和缺点,从而为该技术的适用范围以及与其他技术相结合使用的可能性提供了一个重要的现实依据[6~8]。
第1章概述
1.1人工湿地的概念
1.1.1人工湿地的定义
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。
人工湿地处理系统具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、运行费用低等特点,非常适合中、小城镇的污水处理。
人工湿地处理系统可以分为以下几种类型:
(1)自由水面人工湿地处理系统;
(2)人工潜流湿地处理系统;(3)垂直水流型人工湿地处理系统。
自由水面人工湿地采用表土覆盖而有自由表面水流,因会散发臭味和易引起蚊蝇滋生等环境卫生问题而应用越来越少。
人工潜流湿地处理系统采用砾石填料,水在亚表层下以潜流的方式水平推流前进,因而在其表面不会散发臭味和有环境卫生问题,此种类型也称根区法(RZM),目前应用最多。
垂直水流型人工湿地(VFWs)由于具有高的净化效率和相对较小的土地需求以及在其他天然系统不能应用的场地有吸引力等优点而变得越来越遍。
垂直流人工湿地根据水流方向又可分为上行流人工湿地、下行流人工湿地和潮汐流人工湿地,其中下行流人工湿地也称人工快速渗滤湿地。
本文主要讨论人工快速渗滤湿地[9~12]。
1.1.2人工快速渗滤系统的定义
人工快速渗滤系统(ConstructedRapidInfiltrationSystem简称CRI系统)是土地处理的一种类型,它是指有控制地将污水投放于人工构筑的渗滤介质的表面,使其在向下渗透的过程中经历不同的屋里、化学和生物作用,最终达到污水净化目标的过程。
它是在传统的污水快速渗滤土地处理系统(RapidInfiltration简称RI)的基础上发展起来的,其核心是采用渗透性能较好的天然河砂、陶粒、煤灰等为主要渗滤介质代替天然土层,从而大大提高了水力负荷。
它在对各类土地处理和快速渗滤系统研究总结的基础上,针对传统污水土地处理系统普遍存在的水力负荷低、单位面积处理能力小等缺点,借鉴了污水快速渗滤土地处理系统和人工湿地系统的优点,逐步发展起来的一种具有自身特色的新型污水处理技术。
近几年来,人工快速渗滤系统以其投资低、能耗低、运行管理方便等特点已在污水资源化的应用方面得到越来越多的重视[13~16]。
1.1.3人工快速渗滤系统去除污水中氨氮和总磷的机理
氨氮是指水中以游离氨(NH3)和铵离子(NH4+)形式存在的氮。
氨氮主要来源于生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物,焦化合成氨等工业废水,以及农田排水等。
目前,国内外氨氮废水处理方法主要有吹脱法、沸石脱氨法、电渗析法、膜分离法、折点氯化法、MAP沉淀法、生物脱氨法等,但这些工艺方法在技术和经济上仍存在不少问题,有二次污染、出水氨氮值偏高、经济消耗大等。
鉴于此,笔者针对人工快速渗滤系统具有效率高、不产生二次污染、设备简单、能耗低等特点,采用人工快速渗滤系统试验对模拟生活污水进行了脱氮处理。
氨氮首先被渗滤介质所吸附,随后在湿干期内进行硝化反应。
实验表明,渗滤介质对氨氮的吸附速度非常快,一般可以在30S至1min之内达到吸附平衡,渗滤介质对氨氮吸附效果最佳的位置在表层以下5cm至25cm处,随后吸附效果随渗滤池深度增加而逐渐降低。
渗滤池的深度和过水时间能够满足渗滤介质料对氨氮的完全吸附。
渗滤介质对氨氮的吸附符合弗兰德利希(freundlich)吸附等温式,其最大允许进水浓度为38.4mg/l。
在渗滤池中,随着滤池深度的增加,生物量、有机质含量和CEC的含量都持续减少,其对氨氮的吸附性能也逐渐降低。
在pH值为中性、外界韩静温度为20~25℃的条件下,渗滤介质对NH3-N具有最佳吸附效果。
在渗滤池10~15cm出渗滤介质具有最佳的对环境条件(pH值、温度)缓冲能力[17~18]。
污水中的磷主要来自粪便、洗涤剂、农药和含磷工业废水,包括有机磷、正磷酸盐和聚磷酸盐,并以无机磷的形式直接参与生化反应。
传统的生物除磷是根据细菌、藻类等微生物在某种特定条件下可以在他们的细胞内积蓄大量超过自身合成细胞所需的磷,并在厌氧条件下释放的特点,使污水中的磷转移到生物膜上,而后在通过排泥等工艺去除。
CRI系统对总磷TP的去除是在物理截留、生物作用、化学沉淀和吸附的共同作用下完成的。
物理截留能去除不溶态总磷;生物作用则主要依靠生物同化合成生物体和好氧吸收作用去除总磷,这一过程在系统运行中最为重要,对系统除磷的贡献率占61.9%;化学沉淀与吸附作用主要是通过填料内的钙盐、铁盐和铝盐等相互作用,将溶解磷转化为沉淀进而去除,其中吸附效果与接触时间有很大关系。
调查发现,CRI系统对生活污水、污染河水中磷的去除率仅为40%-60%,面对日益严峻的水体富营养化问题,还远远达不到理想的再生水回用的标准。
郭振远等人一方面通过在渗滤介质中添加蛭石加强对磷的的吸附与沉淀作用,另一方面通过设置饱水层增加反应时间以强化系统对磷的去除效果,结果表明系统在长期运行后去除率可稳定在91%以上。
Zhu通过研究填料中Mg、Ca、Fe与P的吸附关系,发现填料中Ca与P的吸附相关性最强。
Geller也认为填料中Ca与Fe相比对P具有更强的结合能力,因此在选择填料时Ca、Fe的含量可以作为选择填料的一个指标。
Netter也发现在人工湿地的滤料系统中的添加含铁氧化物的填料可以增强系统对磷的去除效率。
渗滤系统中磷的去除途径主要有两个方面:
渗滤介质的吸附与沉淀作用、生物同化作用(主要为植物的吸收作用,在此暂不讨论).利用上述总氮去除途径的分析方法对磷的去除途径进行了分析.结果表明,土壤吸附与沉淀作用去除的总磷量高达系统投配总磷量的90%以上,是地下渗滤系统去除磷的主要途径[19]。
第2章实验材料和方法
2.1实验材料
2.1.1实验试剂
此次实验是用人工快速渗滤系统处理模拟生活污水,所谓模拟生活污水,就是在配置的水样中加入各种有机物和无机物,使其和真实污水中污染物种类及浓度范围基本一致,如有机物、氨氮、磷酸盐等,虽然与真实污水的成分有所区别,但是其典型特征符合真实水样,即同样具有相同氨氮和总磷浓度的特性。
此次实验的水样采用现场配制的水样,其成分及含量如下表所示:
表2-1试验水样的配制
成分
浓度/mg.L-1
配水药剂名称
药剂添加量/g
NH4-N
35
NH4Cl
0.1120
P
3
KH2PO4
0.0132
pH
6.9
将表2-1中的药品用蒸馏水配成1L溶液,现配现用。
每次实验时都要重新测定水样中氨氮和总磷的含量,作好记录。
其他实验试剂包括:
蒸馏水、酒石酸钾钠、纳氏试剂、铵标准使用液(0.010mg/L)、(1+1)硫酸、10%抗坏血酸溶液、钼酸盐溶液、磷酸盐储备溶液、磷酸盐标准溶液(现配)等。
实验中所用试剂均符合国家标准方法中的纯度要求[20]。
2.1.2渗滤池所用介质
渗滤池所用的介质对氨氮和磷的去除机理可以概括为吸附、沉淀、配位反应和微生物作用等。
理想的渗滤介质应具备下述特性:
①具有较大的比表面积;②有总够的空隙率,保证通风;③具有较好的化学稳定性,有一定的机械强度;④价格低廉。
另外,介质的粒径选择也十分重要,粒径太小的滤料容易堵塞渗滤池,粒径太大的滤料往往达不到预期的处理效果。
微污染原水过滤常用的活性炭。
石英砂等滤料由于粒径太小,容易堵塞,需要反复的反冲洗设备和专业的运行维护工作,并不适合本研究。
许多天然无定型物质及工业炉渣等,都对污水的处理具有一定的作用。
很多学者致力于研究现有滤料的表面特性,以期获得更佳的处理效果。
每种滤料性能各有优缺点,应根据具体原污水的水质情况和经济分析结论进行选择,以充分发挥滤料的作用。
为了综合发挥各滤料的优势,往往采用多种滤料,填料级配十分重要,以有效去除各种污染物质,同时避免堵塞,延长运行周期。
针对本次试验,由于受条件限制,选择了一下几种滤料:
土壤(黄粘土)、石英砂、煤渣、草木灰和砾石。
通过对以上几种滤料的混合来处理生活污水,得到最合适的混合搭配。
2.2实验设备与装置
2.2.1渗滤池的构造
图2-1为柱状渗滤池,是此次试验的核心装置。
进水口位于装置的顶部,右玻璃管引入,污水经过介质的渗滤后,由底部出水口排除。
装置一侧设置两个不同高度的取样口。
图2-1柱状渗滤池
图2-2为实验流程图。
水槽中的模拟生活通过导管由渗滤池的顶部进入,污水受到重力的作用向下渗透,污水中的氨氮和磷由于渗滤介质的吸附、过滤、硝化作用得到去除,水透过渗滤介质后流入集水池。
图2-2实验流程图
第3章实验步骤及探究
3.1氨氮和总磷的校准曲线的绘制
3.1.1氨氮校准曲线的绘制
纳氏试剂分光光度法:
分别取0、1、3、5、7、10mL铵标准使用液于50mL比色管中,用水稀释至标线,分别先后加入1.00mL酒石酸钾钠和1.5mL纳氏试剂,混匀后静置10min,以蒸馏水为参比,在420nm处测其吸光度。
以氨氮质量为横坐标,校正吸光度为纵坐标,描点绘线即为标准曲线[21]。
以下便是此次实验所绘制的NH4-N标准曲线,如图所示:
图3-1NH4-N标准曲线
3.1.2磷的校准曲线的绘制
钼锑抗分光光度法:
分别取0、0.50、1.00、3.00、5.00、10.0、15.0mL磷酸盐标准使用液于50mL比色管中,用水稀释至标线,分别先后加入10%抗坏血酸溶液,混匀。
30s后加2mL钼酸盐溶液充分混匀,放置15min。
然后用10mm或30mm比色皿于700nm波长处,以零浓度溶液为参比,测量吸光度。
以磷质量为横坐标,校正吸光度为纵坐标,描点绘线即为标准曲线[22]。
以下便是此次实验所绘制的P标准曲线,如图所示:
图3-2P的标准曲线
3.2不同渗滤介质对氨氮和磷去除效果的测量
3.2.1渗滤介质为100%土壤(黄粘土)
将土壤装入渗滤池中,高度为20cm,连接好装置,让模拟生活污水通过导管进入渗滤池中,大约10min后收集滤后水,然后对滤后水进行测定,分别确定氨氮和磷的含量。
氨氮的测定方法:
取适量经徐凝沉淀预处理后的水样,加入50mL比色管中,稀释至标线。
加入1.5mL纳氏试剂,混匀。
放置10min后,同校准曲线步骤测量吸光度,并从校准曲线上查出氨氮的含量。
以无氨水代替水样,做全程空白测定。
磷含量的测定:
取适量经滤膜过滤或消解的水样加入50mL比色管中,用蒸馏水稀释至标线。
以下按绘制校准曲线的步骤进行显色和测量。
减去空白试验的吸光度,并从校准曲线上查出含磷量[23]。
表3-1为氨氮和磷的测量结果,图3-3为试验装置图,分别如下
表3-1氨氮和磷的测量结果
测量项目
pH
NH3-N:
总磷(TP)
进水浓度mg/L
6.9
35
3
出水浓度mg/L
6.5
20.61
0.86
去除率%
—
41.11
71.33
图3-3试验装置图
3.2.2渗滤介质为30%土壤+石英砂+砾石
将30%土壤+石英砂+砾石装入渗滤池中,连接好装置,然后让模拟生活污水通过导管从顶端进入,渗滤柱内的填料均间断性地处于干湿状态内,干湿时间比约为3:
1,即填料露出水面的时间为3/4,浸泡于水面下的时间为1/4,干湿交替主要是为了充氧,提高土壤渗透性和松散程度,以加强处理过程中的硝化反硝化反应。
一段时间后收集滤后水,按上述方法进行测量。
表3-2为试验测量结果,如下所示
表3-2氨氮和磷的测量结果
测量项目
pH
NH3-N:
总磷(TP)
进水浓度mg/L
6.9
35
3
出水浓度mg/L
6.6
14.22
0.52
去除率%
—
59.37
82.67
3.2.3渗滤介质为40%土壤(黄粘土)+煤渣+砾石
按3.2.2的方法进行操作,对收集的滤后水进行测定。
表3-3为试验测量结果,如下所示
表3-3氨氮和磷的测量结果
测量项目
pH
NH3-N:
总磷(TP)
进水浓度mg/L
6.9
35
3
出水浓度mg/L
7.1
13.24
0.46
去除率%
—
62.17
84.67
3.3不同渗滤介质对氨氮和磷的去除率的探究
总结以上实验结果,通过计算得出当渗滤介质为100%土壤(黄粘土)时对氨氮和磷的去除率分别为41.11%和71.33%,出水浓度分别为20.61和0.86mL,都没有达到国家一级标准。
当渗滤介质为30%土壤+石英砂+砾石时对氨氮和磷的去除率分别为59.37%和82.67%,出水浓度分别为14.22mL和0.52mL,氨氮的排放标准符合国家一级排放标准,而磷的浓度超过了国家一级排放标准。
当介质为40%土壤(黄粘土)+煤渣+砾石时对氨氮和磷的去除率分别为62.17%和84.67%,出水浓度分别为13.24mL和0.46mL,都达到国家一级排放标准[24]。
CRI系统运行参数:
(1)渗滤介质及其厚度
在CRI系统中,渗滤介质的选择直接影响着系统的处理效果。
为在保证出水效果的基础上进一步提高系统的过水能力,国内外学者进行了大量的试验研究。
黄赟芳等人在采用CRI系统处理河道微污染水时,发现粗砂与砾石对微污染水的去除效率基本相同,但砾石滤柱的渗透系数比粗砂滤柱大两个数量级,并指出用砾石2-4mm作为人工快速渗滤料更合适;陈华清等人对不同粒径的河沙设对照组进行试验,发现以细沙做填料的CRI系统抗冲击性和纳污量最强,且出水COD值稳定;曾植也通过试验发现,活性炭--石英砂双层滤料具有良好的强化过滤效果;Willman等人用石灰砂、石英砂和页岩砂作为渗滤介质处理生活污水,发现在3种人工砂中加入少量黏土(其主要矿物成分有伊利石、蛙石、高岭石等)后,系统对污染物的去除能力增强,但会导致水力负荷降低;张金炳曾在洗浴污水处理中分别采用河流冲积砂和人工石英砂作为渗滤介质进行模拟实验,结果表明:
与人工石英砂相比,河流冲积砂对CODcr和BOD5的去除率高,出水水质稳定,抗冲击性强,这应与河流冲积砂中含有一定量的黏土矿物和有机质且吸附能力强有关。
刘传在用CRI系统处理生活污水时也发现,壤土在对污染物的去除效果上好于河砂,同时指出选用土砂比为1:
1的混土代替单纯的壤土作为滤料最为适宜,不仅出水水质能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级B标准,而且能有效提高渗透速度,使水力负荷从0.1m/d提高到了0.2m/d。
杨健等人在处理生活污水时,使用不同填料的渗滤介质做对比试验,发现使用土壤与沙分层填装的滤料做渗滤介质时,能够提高系统的运行水力负荷,同时堵塞问题也得到了缓解[25-26]。
试验中的渗滤介质除使用土壤与砂粒外,也可添加强化介质,以提高污染物的去除效率。
清华大学实验室对岩陶粒、黏土陶粒、砂、褐煤、炉渣、饭石、焦炭等进行了筛选,并与生物活性碳进行了比较,结果表明陶粒、砂子、大同沸石和麦饭石在净化水方面优于其它填料。
其中陶粒易于再生、廉价、内部多孔、吸附性能强,同时对铵态氮、COD、铅、铬和镍有较强的去除作用。
火山石则具有多孔、比表面积大、热稳定性好、机械强度大、价廉、易挂膜、并具有一定的催化特性等优点。
刘操在利用CRI系统处理榆河原水时,在天然河沙渗滤介质中以3:
1的比例添加了沸石和火山岩,使出水的CODcr、NH3-N和TN去除率得到显著提高,同时水力负荷也提高了约1.5倍。
张健等在渗滤介质中添加了
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