改良的地下渗滤系统处理污水及相关机理研究

发布时间：2020-05-31 04:32

【摘要】：化粪池-土壤地下渗滤系统是一种生态处理分散污水的系统。土壤地下渗滤系统对郊区、村镇地区和较为偏远旅游区的生活污水进行二级处理，处理效果好，对生活污水中COD的平均去除率高于85%，对TN的去除率高于50%，对NH_4~+的去除率高于90%，对TP的去除率高于95%。土壤地下渗滤系统具有投资费用低、运行费用少和管理方便等特点，在全球范围内应用广泛。土壤地下渗滤系统中渗透率小的土壤容易使系统发生堵塞，制约了该系统的广泛应用。土壤发生堵塞的主要原因是土壤中微生物数量以及胞外聚合物大量增加，使土壤的孔隙率和渗透率下降到不能承受设计水力负荷。为了减小土壤地下渗滤系统的堵塞概率，用细砂等渗透率较大的材料代替土壤作为处理介质可以缓解堵塞，但是材料费和运输费运较高，土壤地下渗滤系统的造价明显增加。为了寻求一种经济、高效的方法延缓和解决土壤地下渗滤系统的堵塞问题，，本论文提出了以原位土壤作为土壤地下渗滤系统的主要处理介质，用聚氨酯泡沫材料改良土壤的渗透性能。聚氨酯泡沫是一种轻质、多孔、比表面积大、亲水性强和耐腐蚀的塑料，在生活中较为多见，具有价格便宜、废旧品丰富的特点。聚氨酯泡沫在污水处理反应器中较为多见，通常作为固定床或流动床的填料。本研究中利用聚氨酯泡沫的高孔隙率提高土壤孔隙率，利用其耐腐蚀性保证聚氨酯泡沫可以长期存在。在研究聚氨酯泡沫作为土壤渗透性能改良介质时，是通过四组底板穿孔的土壤柱进行的。土壤柱以上海市普遍存在的一种低渗透率土壤作为主要处理介质，用来模拟土壤地下渗滤系统处理生活污水。试验土壤中加入细砂、铁矿石作为基础填料，土壤柱中加入不同质量聚氨酯泡沫材料，各种材料在填入柱体前充分混合。研究水力负荷、污染负荷、环境温度、土壤渗透性能等对污水处理效果的影响，选择合理的氨酯泡沫材料比例。研究结果表明：聚氨酯泡沫材料可以有效提高土壤的渗透性能。对于同一种土壤，土壤饱和渗透速率随聚氨酯泡沫的添加量呈幂函数增大。当土壤柱中试验聚氨酯泡沫、土壤、细砂和铁矿石分别占总质量的0.6%，59.6%，36.8%和3%时，土壤柱处理污水的效果稳定，且在两年多的运行过程中未发生堵塞，土壤柱的渗透率减小缓慢，饱和渗透速率保持在40cm/d以上。土壤柱处理生活污水过程中，土壤饱和渗透速率、水力负荷、污染负荷与污水处理效果呈负相关，环境温度与污水的处理效果呈正相关。土壤饱和渗透速率降低到10cm/d以下时，土壤柱发生堵塞的概率增加。环境温度高于15℃时，土壤柱的出水水质相对较好，对污水中总氮的去除率大于60%。土壤柱处理生活污水的过程中，由于土壤渗透性能的不断下降，不加聚氨酯泡沫和聚氨酯泡沫添加量较少的土壤柱发生堵塞。按照土壤柱的优化土壤结构作为土壤地下渗滤系统的处理层介质，在上海市崇明县某乡幼儿园建设了化粪池-土壤地下渗滤系统，处理幼儿园综合楼排放的污水。该土壤地下渗滤系统的设计水力负荷为27cm/d，最不利水力负荷为30cm/d，化粪池出水的COD浓度通常低于300mg/L，环境温度5~31℃。通过聚氨酯泡沫改良原位土壤后，土壤孔隙率从38%增加到53%，饱和渗透速率从0.05m/d升高到0.66m/d。跟踪崇明岛示范工程运行的23个月中，对污水中COD的平均去除率为91.2%，出水COD平均值低于22mg/L，TN的平均含量低于16mg/L，NH_4~+平均含量低于2mg/L，TP平均含量低于0.1mg/L，无堵塞象发生。研究结果表明聚氨酯泡沫是一种有效的土壤渗透性能改良剂，有利于提高土壤的孔隙率与饱和渗透速率，可以减小渗透性能差的土壤的堵塞概率。改良的土壤地下渗滤系统可以节省较多的土地面积和建设费用。用分子生物学技术对土壤柱处理层的微生物多样性分析表明土壤中含有较多的变形菌门细菌与拟杆菌门细菌；土壤基质中含有较多的硝化细菌与反硝化细菌。通过分子生物学技术分析土壤柱在正常运行状态时的微生物多样性，结果发现：正常运行时，土壤柱处理层的土壤基质中β-变形菌纲细菌是优势菌群；但是在土壤柱堵塞状态下，土壤柱处理层的土壤基质中α-变形菌纲细菌明显增加。综上所述，α-变形菌纲细菌可能是导致系统堵塞的主要原因。基于土壤柱与土壤地下示范工程的试验与运行结果，建立土壤地下渗滤系统的动力学模型，发现所建动力学模型对土壤地下渗滤系统的处理结果有较好的预见性，可以预见系统的使用寿命和运行效果，对管理土壤地下渗滤系统起到较好的指导作用。
【图文】：

土壤孔隙,悬浮性固体,土壤,微生物

图解：a.孔隙中的悬浮性固体以及微生物进入土堵塞；c.较多土壤孔隙被堵塞；d.所有土壤孔隙都Fig. 1-1 Process of clogging diagram and microbial granule in soil pores; b. Part of soil porre pores were clogged; d Almost all the pores were blo地下渗滤系统堵塞的另一个重要原因。土壤浮固体与土壤基质中失稳的颗粒。设计土壤对土壤基质的冲刷。生活污水中的悬浮物被隙[26]，使土壤地下渗滤系统的饱和渗透速率土壤地下渗滤系统中的土壤截留，主要停留理层 0~15 cm 部分，与生物垫层处于同一位统处理生活污水时，化学堵塞相对于物理堵因为生活污水中的溶解性物质与土壤基质发。化学堵塞不是土壤地下渗滤系统堵塞的主

装置图,土壤柱,装置图,细砂

图 2-1 土壤柱装置图Fig. 2-1 Schematic diagram of soil columns组土壤柱模拟土壤地下渗滤系统，土壤柱由三个功能层构成砾石与细砂构成，厚 100 mm。细砂和砾石均由上海某建筑材于表层，厚度为 50 mm，粒度为 1.25~4.50 mm。细砂位于砾粒度为 0.75~1.20 mm。配水层的作用是均匀地将生活污水分层为处理层，主要由土壤、细砂、铁屑和聚氨酯泡沫材料构0 mm，对生活污水中污染物的去除起到关键作用，为优化的主层，也称为出水层，主要由细砂组成，用于过滤处理层出水
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703

【参考文献】