污水的土壤渗滤法处理工艺运行与模拟研究

论文摘要

土壤渗滤法是一种充分利用土壤中的动物、植物、微生物以及土壤的物理、化学特性的污水就地处理技术。本课题通过现场试验与实验室模拟相结合,旨在研究不同工况条件下的运行效果,根据碳、氮、磷去除效果的影响因素和去除机理,建立反应动力学模型,并探讨最佳的工艺设计和运行条件,提出工艺运行中的保障措施。现场试验结果表明,土壤渗滤系统经过3个月的启动调试后逐渐成熟。“太阳能曝气-沉淀”的预处理工艺起到初步降解有机物的作用,其去除率低于35.2%。各工况条件下系统最终出水的化学需氧量（COD）浓度均小于40 mg l-1,总去除率为50.6%～75.8%,其中水温是影响COD总去除率的一个主要因素。总磷（TP）、酚类和邻苯二甲酸酯类物质的去除率分别达到57.7%～100.0%、35.2%～100.0%和36.4%～59.6%。溶解氧提高为进水的1～3倍、UV254下降了13.5%～67.2%,有利于水生生物生存、繁衍以及生态系统的恢复。实验室试验结果表明,除温度的影响以外,复合土壤的组成及本身的理化性质、废水的水质情况、水力负荷、土壤层有效高度等都会影响碳、氮、磷的去除效果。其中,复合土壤本身的性质对COD和TP去除效果的影响最大;随着复合土壤碳氮比的增大,反硝化作用也会显著增强。废水的水质情况是影响总氮（TN）去除效果的最主要因素;而在高浓度COD和TP进水条件下,各自出水始终能够维持在较低范围内。水力负荷对COD和TP去除效果的影响不大;但是高水力负荷比低水力负荷对TN去除的影响更大。较高的水力负荷还会引起硝态氮（NO3--N）和亚硝态氮（NO2--N）出水浓度剧增,本研究中土壤渗滤系统的最佳水力负荷为8.0×10-2m3m-2d-1。0.50 m的土壤层有效高度完全可以满足去除COD的需要;但并不足以保证完全的反硝化进程和TP的高效去除。另外,土壤渗滤系统对氨氮（NH4+-N）的吸附作用很强,去除率受到以上因素的影响很小。各污染物去除机理的研究表明,COD的降解包括非生物吸附和生物降解作用,其中非生物吸附过程满足Temkin吸附等温式,生物降解作用占COD总去除率的57.7%～71.9%。NH4+-N的非生物吸附和生物降解作用所占比重因进水浓度的高低而异;NO2--N的积累和不足均会影响硝化反应进程,其出水浓度应尽量控制在0.10 mg l-1～0.25 mg l-1范围内;土壤碳氮比是反硝化作用的限制性因素。TP的静态吸附过程满足Freundlich吸附等温式,氢氧化合物铁（Fe0）的含量与TP去除率之间存在很大的相关性。以Eckenfelder一级反应动力学模型为基础,通过添加或修正温度、水力负荷、进水浓度、土壤层有效高度和复合土壤性质等影响因素项,建立COD、TN和TP的去除模型,可以预测土壤渗滤系统的出水水质,模拟值与实测值的误差可以分别控制在5 mg l-1、5.0 mg l-1和0.15 mg l-1以内。从模型的角度分析,系统降解能力的极限值是决定COD去除率的关键,水力负荷对TN和TP出水浓度的影响很大。另外,通过对上述关键因素的调控,土壤渗滤系统对污染物的去除效果可以明显提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 土壤渗滤法污水净化工艺及其研究现状
• 1.1.1 工艺简介
• 1.1.2 污染物净化机理
• 1.1.3 国内外研究现状
• 1.2 土壤渗滤法工艺运行中的主要问题及其缓解措施
• 1.2.1 土壤堵塞
• 1.2.2 氧气供给不足
• 1.2.3 预处理工艺
• 1.3 土壤渗滤法的优势和本课题的研究目的
• 1.3.1 土壤渗滤法的优势
• 1.3.2 本课题的研究目的
• 第二章 试验设计和研究方法
• 2.1 试验设计
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 现场试验
• 2.2.2 实验室动态试验
• 2.2.3 实验室静态试验
• 2.3 试验器材与分析方法
• 2.3.1 主要试剂
• 2.3.2 主要仪器
• 2.3.3 检测指标与分析方法
• 2.4 数据处理
• 2.4.1 污染物的去除率及波动
• 2.4.2 模型评价
• 2.5 本章小结
• 第三章 土壤渗滤法工艺处理混合污水现场试验研究
• 3.1 渗滤性和水量平衡
• 3.1.1 渗滤性
• 3.1.2 水量平衡
• 3.2 启动调试阶段的研究
• 3.3 预处理工艺与水质修复效果之间的关系
• 3.3.1 对碳、氮、磷的去除效果
• 3.3.2 对浊度、溶解氧等的影响
• 3.4 各工况条件下污染物的去除效果
• 3.4.1 COD的去除
• 3.4.2 氮的转化和降解
• 3.4.3 磷的去除
• 3.4.4 进出水中有机物的种类和含量变化
• 3.4.5 其他水质指标的变化
• 3.5 本章小结
• 第四章 影响土壤渗滤法工艺碳、氮、磷去除效果的因素
• 4.1 主要影响因素
• 4.2 复合土壤本身的性质
• 4.2.1 复合土壤基本配比
• 4.2.2 不同的土壤组成
• 4.2.3 常用填料
• 4.3 废水水质情况
• 4.3.1 系统对碳、氮、磷的极端耐受浓度
• 4.3.2 废水的C:N对去除效果的影响
• 4.4 水力负荷
• 4.4.1 最佳水力负荷
• 4.4.2 不同系统之间的差异
• 4.4.3 不同系统的敏感程度
• 4.5 土壤层有效高度
• 4.6 本章小结
• 第五章 土壤渗滤法工艺碳、氮、磷的去除机理研究
• 5.1 COD的降解机理
• 5.1.1 非生物吸附和生物降解
• 5.1.2 COD的极限降解能力
• 5.2 氮的转化机理
• 4⁺-N的吸附降解'>5.2.1 NH₄⁺-N的吸附降解
• 2^--N的变化与硝化反应进程的关系'>5.2.2 NO₂^--N的变化与硝化反应进程的关系
• 5.2.3 反硝化作用的限制因素
• 5.3 磷的去除机理
• 5.3.1 土壤本身的除磷作用
• 5.3.2 磷的穿透曲线
• 5.3.3 土壤磷的形态变化
• 5.3.4 植物、填料和底部基质的除磷作用
• 5.3.5 Fe元素的除磷作用
• 5.4 本章小结
• 第六章 土壤渗滤法工艺污染物去除的反应动力学模型和模拟研究
• 6.1 COD去除的反应动力学模型及其模拟
• 6.1.1 模型推导
• 6.1.2 模拟的准确性
• 6.1.3 模型参数对系统的影响
• 6.1.4 不同系统之间模型参数的差别
• 6.1.5 COD去除情况的预测
• 6.2 TN去除的反应动力学模型及其模拟
• 6.2.1 模型推导
• 6.2.2 模拟的准确性
• 6.2.3 TN去除情况的预测
• 6.3 TP去除的反应动力学模型及其模拟
• 6.3.1 模型推导
• 6.3.2 模拟的准确性
• 6.3.3 TP去除情况的预测
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 图表标题索引
• 硕士期间发表论文情况
• 致谢