高寒地区农村污水处理技术 75页

'分类号：TV11密级：公开UDC：626编号：20120815010272012级攻读硕士学位研究生毕业论文高寒地区农村污水处理技术Studyonruralsewagetreatmenttechnologyinalpineregion指导教师：孙凡副教授学生姓名：朱康学科专业名称：水文学和水资源研究方向：水资源优化配置学院(系、部)：水利电力学院论文起止时间：2013.10—2015.3 QinghaiUniversityMasterDissertationStudyonruralsewagetreatmentinalpineareasSupervisor:ViceProf.SunFanCandidate:ZhuKangAcademicMajorApplidedfor:HydrologyandwaterresourcesSpecificMajor:OptimalallocationofwaterresourcesCollege(Department):InstituteofwaterConservancyandElectricPowerOctober,2013—March,2015 青海大学硕士学位论文摘要摘要随着社会的日益发展，旱厕的数量大量减少，水冲厕所成为主流，再加上农村绿色肥料逐渐被化肥取代，导致粪便污水急剧增加，而农村又缺乏配套的污水处理设施与排水管网，一般仅采用化粪池进行简易的处理，难以达到相应的排放要求，有些村落甚至直接排放入地表水体，造成环境污染。本文在已有的污水处理技术的基础上寻求一种在处理效果、投资、管理等方面都适合于高寒地区农村的污水处理技术，在对比分析了各种处理技术之后，得出土壤地下渗滤系统能够满足要求。在参阅各种有关土壤地下渗滤系统的资料后，设计了一套地下渗滤系统并在西宁进行了土壤地下渗滤系统的室内实验研究，并以玉树州玉树县巴塘乡“八吉”示范村为例，对其进行农村生活污水处理工艺的典型设计。研究表明：①系统熟化后各项指标去除效果都比较好，能够达到预期的处理效果。②随着水力负荷的升高系统对有机物、总氮、氨氮的去除能力减弱；系统对TP、SS的去除效果与水力负荷的大小相关性弱。③系统具有比较强的稳定性和抗冲击的能力。④系统对TP、SS的处理效果几乎不受温度影响。+⑤系统温度对COD、TN、NH4-N的去除效果起到关键性的作用，温度越低处理效果越差。关键词：高寒地区农村污水地下渗滤技术I 青海大学硕士学位论文AbstractAbstractWiththedevelopmentofoursocity,thenumberofsquattoiletbecomelessandless.Followedbythesharpriseoftheflushtoilets,inadditiontothegreenfertilizerbereplacedbychemicalfertilizer,thenumberoffecalsewagehassoared.Moreover,therearenotenoughsewagedisposalfacilitiesanddrainagepipelinesinruralarea,onlyuseseptictanktotreatsewagecommonly.Somevillages,ruraleffluentwasdischargeddirectlyintotheriver,whichcancausetheenvironmentalpollution.Thispaperbasedontheexitingsewagetreatmenttofindaruraldomesticsewagetreatmentinalpineareaswhichhavethefeatureofgoodwatertreatment,lowsmallinvestmentandconvenientinmanagement.Comparedandanalyzedmanytreatmenttechnologiesdrawstheconclusionthatsubsurfacewastewaterinfiltrationsystemmeatsrequirements.Afterreferingtovariouskindsofpapersaboutsubsurfacewastewaterinfiltrationsystem,anexperimentssystemwasdesigned.UsingYushucountyBajivillageasanexample,designedatippicalptocessaboutruraldomesticsewage.Researchhaveshownthat①everyindexofthesystemisgoodintreatmentaftermatuaity,whitchcanachievetheexpectedeffect.②Withtheincreasingofhydraulicload,removalrateofthesystemtoorganic,totalnitrogenandammoniumreducing.Thecorrelationbetweenhydraulicloadingandremovalrateofthesystemtototalphosphorusandsuspendedsubstanceisweek.③Thesystemhavegoodstabilityandshockresistanceability.④Theprocessingeffortoftotalphosphorusandsuspendedsubstanceinthesystemarelittleaffectedbytemperature.⑤TemperaturepalyedacrucialroleandimpactroleintheprocessingeffortofCOD,totalnitrogenandammonium.Whenthetemperaturesarecolder,thelowertheprocessingeffectistoget.Keywords:alpineareasruralsewagesubsurfaceinfiltrationsystemII 青海大学硕士学位论文目录目录摘要..............................................................................................................................................IAbstract...........................................................................................................................................II第1章绪论...................................................................................................................................11.1研究背景.......................................................................................................................11.2农村生活污水污染现状...............................................................................................11.2.1农村生活污水来源............................................................................................21.2.2农村生活污水处理的重要性............................................................................21.3国内外农村生活污水处理技术研究进展....................................................................21.3.1国外农村生活污水处理技术的研究进展........................................................21.3.2国内农村生活污水处理技术研究进展............................................................51.4研究内容、方法及技术路线........................................................................................71.4.1研究内容...........................................................................................................71.4.2研究方法及技术路线........................................................................................81.5研究创新点、目的、意义............................................................................................81.5.1研究的创新点...................................................................................................81.5.2研究的目的、意义............................................................................................8第2章高寒地区农村生活污水处理技术选择..........................................................................102.1高寒地区区域现状.....................................................................................................102.1.1高寒地区地理位置及范围..............................................................................102.1.2高寒地区地质特征..........................................................................................102.1.3高寒地区地形地貌..........................................................................................112.1.4高寒地区气候特征..........................................................................................112.2高寒地区农村生活污水处理技术比较分析..............................................................112.3高寒地区农村生活污水处理技术选择......................................................................12第3章土壤地下渗滤处理系统.................................................................................................163.1土壤地下渗滤处理系统简介......................................................................................163.2土壤地下渗滤处理系统工艺类型..............................................................................163.2.1渗滤沟式地下渗滤处理系统..........................................................................163.2.2渗滤坑式地下渗滤处理系统..........................................................................173.2.3渗滤腔式地下渗滤处理系统..........................................................................183.2.4尼米槽式地下渗滤处理系统..........................................................................183.3土壤地下渗滤系统除污原理......................................................................................193.3.1COD去除机理..................................................................................................193.3.2氮的去除机理.................................................................................................203.3.3磷的去除机理.................................................................................................22III 青海大学硕士学位论文目录3.3.4固体悬浮物的去除机理..................................................................................22第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究..........................................................................244.1实验装置、填料及运行方式......................................................................................244.1.1实验装置.........................................................................................................244.1.2填料.................................................................................................................254.1.3运行方式.........................................................................................................264.2实验条件.....................................................................................................................264.2.1实验污水.........................................................................................................264.2.2实验土壤..........................................................................................................274.3实验分析方法..............................................................................................................274.3.1出水水样采集与保存.......................................................................................274.3.2实验分析项目、方法与仪器...........................................................................274.4系统的启动实验研究.................................................................................................304.4.1实验条件和参数.............................................................................................304.4.2启动实验结果与分析......................................................................................314.5水力负荷对系统处理效果影响实验研究..................................................................344.5.1实验条件与参数.............................................................................................344.5.2水力负荷对COD去除性能的影响..................................................................344.5.3水力负荷对除氮性能的影响..........................................................................354.5.4水力负荷对TP去除性能的影响....................................................................404.5.5水力负荷对SS去除性能的影响....................................................................414.6温度对系统处理效果的影响......................................................................................424.6.1实验条件与参数.............................................................................................424.6.2温度对COD去除性能的影响..........................................................................434.6.3温度对TN去除性能的影响............................................................................44+4.6.4温度对NH4-N去除性能的影响......................................................................444.6.5温度对TP去除性能的影响............................................................................454.6.6温度对SS去除性能的影响............................................................................464.7小结..............................................................................................................................47第5章高寒地区农村生活污水处理典型设计..........................................................................515.1玉树州自然环境及社会经济发展现状......................................................................515.1.1玉树州地理位置及地形地貌..........................................................................515.1.2地质构造.........................................................................................................515.1.3水文情况.........................................................................................................525.1.4气候情况.........................................................................................................525.1.5人口分布与聚集情况......................................................................................525.1.6农村产业及经济情况......................................................................................535.2村庄位置及概况.........................................................................................................545.3污水处理系统工艺类型选择......................................................................................545.4污水处理系统位置选择.............................................................................................55IV 青海大学硕士学位论文目录5.5污水处理系统工艺设计.............................................................................................555.5.1设计污水量.....................................................................................................555.5.2设计进水水质.................................................................................................555.5.3设计出水水质.................................................................................................565.5.4工艺概况.........................................................................................................565.5.5工艺参数..........................................................................................................575.5.6投资估算及运行费用......................................................................................58第6章结论和建议.......................................................................................................................596.1结论.............................................................................................................................596.2建议.............................................................................................................................60参考文献.......................................................................................................................................61致谢...........................................................................................................................................66作者简介.......................................................................................................................................67V 青海大学硕士学位论文第1章绪论第1章绪论1.1研究背景近十年，国家对“三农”问题越来越重视，“十一五规划”中提出了建设社会主义新农村，将推进农村生活垃圾和污水处理，改善环境卫生和村容村貌作为一线重要内容；并强调“加强农村饮用水水源地保护、农村河道综合整治和水污染综合治理”。作为农业大国的中国，农村人口数量远大于城市，在新农村建设中，农村污水的有序排放及达标处理，对于推进整个新农村建设将起到十分重要[1]的作用随着我国城镇化进程，农村生活水平相继提高，农村生活污水的排放量也在不断增加，据建设部2005年10月《村庄人居环境现状与问题》对全国部分农村的调查显示，我国农村生活污水年排放量约85亿吨，2008年全国（未包括西藏、[2]香港、台湾、澳门）农村生活污水排放总量约为98.6亿吨。近十几年我国大力实行农村改水改厕政策，导致农村生活污水排放量急剧上升，但由于资金匮乏、居住分散、农村环保意识薄弱等原因，全国96%的生活污水几乎毫无处理与收集[3][4]系统，而是肆意乱排，造成农村河流水体、土壤污染及生活环境逐渐恶化。若不采取相应措施提高人们水保护意识，建设相应的污水处理措施，在未来的数十年内，我国广大农村将面临着坐拥水源而因水质问题却无水可用的境地。面对此现状，国家在《十二五纲要规划》中己明确提出了实施农村清洁工程，开展农村环境综合整治，强调了进行农村饮用水水源地保护、农村河道综合整治和水污[5]染综合治理。对于高寒地区，生活污水的肆意排放不仅污染了水源，减少了可利用的淡水资源，而且将造成了环境的持续恶化，影响着居民的卫生安全，不利于农村的持续发展，甚至会影响整个社会的现代文明的进程。因此，找寻一种适[6]用于农村污染源（复杂、分散、涉及面广）特点且能低成本有效处理污水的污水治理技术以改善农村水源污染持续恶化的状况已刻不容缓。1.2农村生活污水污染现状1 青海大学硕士学位论文第1章绪论1.2.1农村生活污水来源农村生活污水在总体上而言是村民在家庭养殖和生活等各个过程中所产生的污水。全国各地由于风俗、民情的差异，生活污水的来源及成分会有所差别，但总体而言，农村生活污水包括厨房炊事废水(淘米洗菜用水等)、洗衣、洗浴、[7]清洁污水和厕所污水等，对于家庭养殖的农户还包括家禽粪便、废水等。农村生活污水排放具有排放分散且面广、间歇排放且波动较大、水质相对稳定的特点[8]。1.2.2农村生活污水处理的重要性至今为止，中国农村的污水大多数是在不经过任何处理的情况下，直接排入[9]就近水体，造成农村河流普遍遭到污染，还严重威胁到地下水的安全，对周围[10]生态环境造成影响，使得苍蝇、蚊虫滋生，甚至引发传染病、地方病等威胁[11][12]到人民的健康。从整体上看，农村生活污水面广量大，是目前河流湖泊污染的主要来源之一，估计今后我国80%的污水将来自乡镇，因此从源头控制面源污染是治理河流湖[9][13]泊、控制面源污染的重点。由此可见，生活污水的肆意排放无论对水体还是周边的环境亦或是居民的健康都造成了严重的影响，所以农村生活污水的有效处理是十分必要且重要的一步。1.3国内外农村生活污水处理技术研究进展目前国内外的农村生活污水处理技术比较多，但根据其工艺原理，大致上可[14]分为两类：第一类是“城镇污水处理厂小型化（简约化）”工艺：其主要的处理流程与城镇污水处理厂类似，污水处理中的微生物载体多为生物膜或活性污泥，例如厌氧升流过滤射流充氧好氧滤池技术；第二类则是“自然处理系统”：与土壤过滤技术和传统氧化塘类似，利用微生物分解、植物吸收、土地过滤的原理来净化水质，处理系统的载体多采用水体或土壤，例如人工湿地技术、生物滤池和土壤渗滤处理系统。另外也有一些工程将这两种工艺结合起来，用来处理污水。1.3.1国外农村生活污水处理技术的研究进展国外许多国家对农村生活污水处理技术的研究比较早、投入的精力大，取得2 青海大学硕士学位论文第1章绪论了很多成果，建设了许多试点，一些技术也完成了试验，投入到使用中并产生了而一定的效益。1.3.1.1澳大利亚“FILTER”污水处理再利用系统该系统本质上是在土地处理系统的基础上结合了污水灌溉，目的是利用污水进行作物灌溉，通过土地处理后的污水，再由地下暗管汇集和排出（地下暗管间[10]距小，则去污效率高），能有效实现污染物去除和污水减量的双重目标。该系统对生活污水的处理效果好，对总磷（TP）、总氮（TN）、生物耗氧量（BOD5）和化学耗氧量（CODcr）的去除率分别达到97%~99%、82%~86%、93%和75%~86%，运行费用低，适合建在土地资源丰富、以种植牧草为主或可轮作休[10][15][16]耕的地区。1.3.1.2土壤毛管渗滤系统[17]该系统也称尼米槽系统，是日本人NiMi于二十世纪八十年代研发成功的。该系统将污水投配到渗滤沟中，污水在流动的过程中经物理作用、化学作用、植物的吸收利用和微生物的降解得到净化。美国、日本、德国、法国、以色列等国家十分重视该系统的研究和应用，许多技术及工程问题已经得到了解决，定型化和系列化已经在工艺流程、净化方法和构筑设施方面得到实现，相应的技术规范[10]也已编制。据美国统计局2009年统计的数据显示，美国采用地下渗滤装置处理生活污水的家庭占全美的23%。丹麦、芬兰、挪威和瑞典等国家，利用土壤渗滤处理技术来处理生活污水的用户约有150万户；以色列、法国、德国等国家也都在大力推广土地毛管渗滤处理技术，并将该技术应用到市政污水的深度处理中[18][19][20][21]来，以防止污水厂排水破坏地面景观。该技术对有机物、总磷、氨氮、大肠杆菌和悬浮物的去除率均较高，且基建费用少、维护简便、运行费用低、不会散发出臭味（系统埋于地下），能够保证冬季较稳定的运行，具有明显的技术优势和经济优势，十分适合在生活污水污染日趋严重、水资源供需矛盾日益紧张[10]的农村推广。1.3.1.3英国人工湿地处理系统该系统利用基质-微生物-水生植物的生物、化学、物理协同作用，通过基质的过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净[22][23]化。3 青海大学硕士学位论文第1章绪论世界上公认的第一处用于污水处理的人工湿地位于英国约克郡Earby于[24]1903年建成，它持续运行到1992年。1953德国MaxPlanck研究所的Seidel博士研究发现，芦苇能够大量去除无机物和有机物。20世纪60年代末，Seidel与Kickuth合作并由Kickuth于1972年提出了根区理论，标志着人工湿地污水处[25][26][27][28]理机理的初步萌芽。1967年，荷兰开发了一种污水处理系统，我们现在称之为LelysttadProcess，随后这种处理系统在荷兰大范围推广。1970年北美地区研究了自然湿地的净水机理，研究之后发现湿地对污水的净化效果随着自然湿地特性的变化而变化，之后人们在加州的阿克塔（Arcata,California）、田纳西州（Tennessee）和肯塔基州（Kentucky）纷纷建立了不同特征的人工湿地用于污水处理。英国直到1985年才意识到人工湿地在污水净化方面有着巨大的潜力，于是组织专家到德国进行考察，回国后举办了一场污水处理研讨交流会，同时成立了水服务协会，人工湿地开始在英国得到大范围的研究与应用。1986年，欧洲九大商务集团共享了他们在湿地污水处理方面的经验与技术，制定出了欧洲芦苇床运行管理规范和处理系统设计，之后Cooper和Green在1995年对其进行了修订。如今，随着人工湿地技术日益完善，该项技术在世界各地得到了广泛的应用。据统计，美国目前用于处理农业、工业、市政废水的人工湿地就有600多处。英国、德国和丹麦等过[29]每国有不少于200处人工湿地正在运行。1.3.1.4法国和智力的蚯蚓生态滤池蚯蚓的生命活动会提高土壤通气性并促进有机物分解，法国和智力通过对蚯蚓的研究，研发出了蚯蚓生态滤池处理生活污水的技术。该技术主要包括：一级沉淀池、曝气室、二级沉淀池、污泥回流系统、供氧系统，省去了污泥处理装置以及相应的运行费用，很大程度上简化了系统处理污水的流程，但由于蚯蚓的生命活动对温度十分敏感，特别是低温，当温度过高或者过低时蚯蚓会进行夏眠或[31]者冬眠，这就影响了系统的连续运行，导致系统的年处理能力受到限制。1.3.1.5美国稳定塘系统世界第一个有记录的稳定塘系统于1901年修建在美国德克萨斯州德安东尼奥市，其后的一段时间，该技术由于占地面积较大其发展而几乎处于停滞状态，但因为其建设费用和运行成本很低，加上全球能源危机的影响，近三四十年该技术得到了较快发展。4 青海大学硕士学位论文第1章绪论美国加州大学的Oswald在传统稳定塘的基础上提出并发展了高效稳定塘，高效稳定塘最大限度地利用了菌藻共生关系和藻类产生的氧气，对污染物进行高[10][35]效处理；高效稳定塘比传统氧化塘而言具有占地面积少、污水停留时间段、建设简易、维护方便、基建投资少、运行费用低等特点，并且对于COD、病原体和氨氮具有较高的去除率；但其也存在许多缺点，比如收光照和温度的影响大、塘内流速不能过大等；目前高效藻类塘在美国、德国、法国、以色列、新加坡、[32]泰国、南非等国家都有应用。1.3.1.6日本小型净化槽日本早在1977年就研究了各种形式的小型一体化污水分散处理设施，实行了农村生活污水分散处理计划，并最终在2001年正式以法律的形式保证农村生活污水的净化处理；在日本研发的各种分散处理技术中，比较成熟的有两种净化[6]槽，分别为：①专门用于处理冲洗厕所下水的“tandoku-shori”净化槽；②用于处理混合式生活污水的“gappei-shori”净化槽，其对BOD的处理效果很好；该技术可对生活污水进行一体化连续处理。在此基础上日本又投入到新型膜分离技术净化槽的研发，并成功应用到实际中，专门用于BOD和氮的深度处理。1.3.1.7荷兰的氧化沟系统一体化氧化沟系统是由荷兰的pasveeer教授研制的，该技术集曝气、沉淀、泥水[6]分离、污泥回流等功能于一体，适合于中小型污水处理，具有脱氮效果好，处理效果稳定，污泥量少、性质稳定而且易于脱水不会产生二次污染，固液分离效[31]果比一般二沉池高，系统处理污水稳定性高等优点。但也存在一些问题，比如对脱氮、除磷要求较高的场合其稳定性会变差，难以形成相对独立的好养、缺氧和厌氧区域。1.3.2国内农村生活污水处理技术研究进展我国从20世纪80年代末开始农村污水处理有关的研究，从工艺技术到国家[13]政策法令乃至公民环保意识方面与西方发达国家相比都存在着明显的差距。随着肆意排放的农村生活污水逐年增高，我国越来越重视农村污水治理问题。2006年国家环保总局颁布了《国家农村小康环保行动计划》后，我国开始寻找一些简单、低价的农村污水处理技术，并应用到实际中，逐渐在全国水环境污染较严重的农村地区建设农村污水处理示范工程，到2010年完成了1万个行政村5 青海大学硕士学位论文第1章绪论[38]污水处理示范工程的建设。1.3.2.1厌氧沼气池处理技术在我国农村生活污水处理的实践中，厌氧沼气池是一种能够体现社会效益与环境效益相结合的污水处理技术，它不仅是最通用的而且是最节俭的。它不仅能处理污水，而且合理利用了污水处理过程中的副产品，实现了污水的资源化，污水在处理过程中，其内大部分有机物经过厌氧发酵后被去除，使污水得到净化，[39]而在厌氧发酵的过程中会产生沼气，可被用于点灯、做饭，从而实现资源化。20世纪20年代罗国瑞在广东省潮梅地区，建立了第一个沼气池；随后成立[41]了中华国瑞瓦斯总行，并以此来推广沼气技术；但由于当时的技术并不成熟再加上急于求成，直到20世纪90年代沼气池的发展都较为缓慢，在1979年成立了农业部沼气科学研究所，同年11月农村能源专业委员会成立，1987年我国约有450万户农民用上了沼气。“十五”期间，建设沼气池357.60万户，到2005年底，全国沼气用户突破1807万户。通过科研、国际学术交流，我国在沼气池工程工艺研究方面，逐步接近世界先进水平，我国沼气建设走上了依靠技术、保证质量、建管并重的发展道路，并[40][41]逐步形成了以节能、环护和绿色生态农业为发展目标的发展方向。1.3.2.2稳定塘处理技术我国早在汉朝时氧化塘技术原理就已经开始应用，但之后的发展处于停滞阶段，直到上世纪50年代我国才真正开始了氧化塘技术的研究和应用，并不断在实践中完善；1983年我国组建了全国氧化塘协作组，1993年又颁布了《氧化塘技术规范》，有关专家、学者和工程技术人员吸取国外经验，结合国内实际，研[42]究和发展了具有中国特色的生物处理技术。2004年7月李旭东等开始采用高效藻类塘系统处理太湖地区农村生活污水，+结果表明COD的去除率高于70%，氨氮（NH4-N）平均去除率为93%，总磷（TP）[43]的平均去除率在50%左右。2006年8月～2007年9月徐康宁等采用稳定塘对石化废水尾水处理进行中试研究，结果表明人工型和自然型稳定塘对COD的去除率分别为32%和23%，对氨氮的去除率分别为38%和44%，对总磷的去除率[44]分别为48%和75%。2009年赵学敏等用改良型生物稳定塘对滇池流域受污染河流处理效果进行分析，结果表明生物稳定塘系统对总氮、总磷、BOD5、COD[45]的去除率分别达到29.29%，48.68%，68.14%，71.25%。6 青海大学硕士学位论文第1章绪论1.3.2.3人工湿地处理技术我国人工湿地处理技术发展比较晚，直到“七五”期间才有了一定的规模，21987年，天津市环保所建成了我国首例人工湿地污水处理工程，占地6hm，处3[29]理规模为1400m/d；1990年我国首例自由表面流人工湿地在北京昌平建成。1990年深圳的白坭坑人工湿地工程处理效果良好，BOD、COD、SS去除率分别达到90%、80.47%、93%；1993年由武钢大冶铁矿承建的中试性人工湿地，用[29]于处理铁矿炸药车间排放的含氮污水；云南澄江县2003年10月建成的马料3河湿地工程，设计深度处理污水1.5～2万m/d，总氮、总磷、CODcr、BOD5的平均去除率分别为60%、50%、55%、50%。人工湿地处理系统在经过20多年的研究和推广后，在我国已得到了广泛应用，涉及到河道湖泊富营养化控制、工[29][46]业废水处理、生活污水处理、农业点源、面源污水处理等各个方面。1.3.2.4土壤渗滤技术我国对地下渗滤技术的研究是从20世纪90年代初开始的，北京市环境保护科学研究院在1992年建造了污水地下毛管渗滤处理系统实际模型；经过“七五”，“八五”的联合攻关，该技术实现了从小试到中试再到实际运用的试验和示范研究；“九五”期间，又一次对该技术的工艺进行了改进，并建立了示范工程，实[47][48]现了中水回用。1992年北京市环境保护科学研究院对地下土壤毛管渗滤法处理生活污水的净化效果和绿地利用进行了研究，结果表明该系统是一项处理分[49]散排放生活污水的实用技术；清华大学张建等在2000年的国家科技部重大项目中，对地下渗滤系统处理生活污水的效果及系统出水回用的可行性进行了研究，结果表明：该系统对COD、氨氮、总磷和总氮有着良好的去除效果，去除[50]率分别达到84.7%、70.0%、98.0%、77.7%。除此之外，广东、浙江、江苏和天津等地还分别在地埋式厌氧处理系统、无动力系统、生物投菌治理污水和雨污分离管网输送集中处理等技术的应用进行了[10]研究、探索与尝试，并取得了一定的进展。1.4研究内容、方法及技术路线1.4.1研究内容本研究通过比较各种农村生活污水处理技术的优缺点和适应性，确定出适合7 青海大学硕士学位论文第1章绪论在高寒地区推广的农村生活污水处理技术——土壤地下渗滤处理技术；再通过实验研究土壤地下渗滤处理技术在高寒地区的启动情况、水力负荷对系统污水处理效果的影响以及温度对系统污水处理效果的影响；最后以玉树县巴塘乡“八吉”示范村为例进行相关农村生活污水处理技术的典型设计。(1)农村生活污水处理技术的比较;(2)高寒地区农村生活污水处理技术选择;(3)实验研究土壤地下渗滤处理系统启动情况；(4)研究水力负荷对土壤地下渗滤系统处理效果的影响；(5)研究温度对土壤地下渗滤系统处理效果的影响；(6)巴塘乡“八吉”示范村农村生活污水处理工艺选择及典型设计。1.4.2研究方法及技术路线本研究在调研的基础上进行高寒地区农村污水处理方法的选择，对选定的农村污水处理技术进行实验研究。技术路线见图1-1。1.5研究创新点、目的、意义1.5.1研究的创新点本研究针对高寒地区的特点根据国内外研究成果选用几种填料配比进行对比试验，以确定处理效果满意适用性强的配比来处理农村污水；在高寒地区建立室内实验室，对土壤地下渗滤处理技术进行室内实验研究，包括启动实验阶段、不同水力负荷下系统处理阶段和不同温度下系统处理阶段；研究得出系统在启动阶段的成熟过程及处理效果，不同水力负荷下和不同温度下的处理效果变化，为高寒地区实际工程处理农村污水提供理论指导。1.5.2研究的目的、意义本研究根据高寒地区不同区域的实际情况，寻求一种适合于当地的污水处理技术工艺，以最终实现农村生活污水的无害化和资源化；对高寒地区农村生活污水治理具有理论和实践意义。8 青海大学硕士学位论文第1章绪论高寒地区现状及农村生活污水特点分析处理技术比较高寒地区农村生活污水处理技术选择系统启动实验水力负荷对系统处理温度对系统处理效研究效果影响实验研究果影响实验研究实验结果分析高寒地区农村生活污水处理典型设计图1-1技术路线图Fig.1-1technologyroadmap9 青海大学硕士学位论文第2章高寒地区农村生活污水处理技术选择第2章高寒地区农村生活污水处理技术选择2.1高寒地区区域现状2.1.1高寒地区地理位置及范围高寒地区是指海拔高或纬度高、常年低温、冻土常年不化的地区。在我国属于高寒地区的有甘肃、内蒙古部分地区、黑龙江省北部、青藏高原，总面积222289.1万km，耕地面积36.21亿hm；其中青藏高原总面积257万km，耕地面2积22.15亿hm，占高寒地区总面积的89%，占高寒地区总耕地面积的61%；通常所说的高寒地区主要是指青藏高原。青藏高原是世界平均海拔最高的高原，号称“世界屋脊”，是我国黄河、长江、澜沧江的源头；在中国境内的部分西起帕米尔高原，东至横断山脉，横跨31个经度，东西长约2945km；南自喜马拉雅山脉南麓，北迄昆仑山－祁连山北侧，纵贯约13个纬度，南北宽达1532km；范围为北纬26°00′12″～39°46′50″，2[51]东经73°18′52″～104°46′59″，面积为257万km，占中国陆地总面积的26.8%。2.1.2高寒地区地质特征青藏高原是地球上年代最新、面积最大、海拔最高、并仍在隆升的一个高[52]原，它夹持于塔里木地台、中朝地台、扬子地台和印度地台之间，呈纺锤状；内部有一系列不同演化历史和不同源地的陆块、褶皱带相间排列，反映了特提斯的复杂演化历史。青藏高原由南向北包括喜马拉雅、冈底斯、羌塘－昌都、巴颜喀拉、昆仑和祁连－柴达木等6个构造带，各构造带之间被蛇绿混杂岩所代表的缝合带隔[53]开；大致以龙木错－金沙江缝合带为界，北面的巴颜喀拉、昆仑、祁连－柴达木构造带等，属于欧亚古陆南缘的构造带，南面的喜马拉雅、冈底斯构造带，在中晚元古代结晶基底上整合递变，从早古生代开始发育了地台盖层，海相沉积一直延续到始新世，其中晚石炭世－早二叠世广泛发育了冈瓦纳相冰海杂砾[52]岩和冷水型生物群，是冈瓦纳古陆北缘的微陆块。10 青海大学硕士学位论文第2章高寒地区农村生活污水处理技术选择2.1.3高寒地区地形地貌青藏高原被地理学家们称为“山原”，其上的山脉主要是西北—东南走向和东西走向的，自南向北有喜马拉雅山、冈底斯山、唐古拉山、昆仑山、祁连山，海拔都在五六千米以上，青藏高原在地形上不仅高而且湖泊众多，高原被两组[53]不同走向的山岭相互交错分割成了许多湖泊、宽谷和盆地；这些湖泊大部分都是独立的，其补给水源主要是周围高山的冰雪融水，中国最大的咸水湖—青海湖和世界上最高的大湖—纳木错，即位于此；在湖泊周围、山间盆地和向阳缓坡地带分布着大片翠绿的草地，使它成为仅次于内蒙古和新疆的一个重要牧[53]区。2.1.4高寒地区气候特征[54]青藏高原被称为北半球气候变化的启张器和调节器，其气候的总体特点是：气温低，积温少，日照多，辐射强烈，日较差大；干湿分明，多夜雨；冬季干冷漫长，多大风；夏季温凉多雨，多冰雹；四季不明。[54]青藏高原气候的主要特征：①大气干洁、太阳辐射强；②年平均气温低、日较差大、年变化小，位于藏北高原的可可西里是青藏高原温度最低的地区，同时也是北半球同纬度气温最低的地区，其年平均气温在-4.10℃以下；③降水少，地域差异大；高原年降水量从藏东南4000毫米以上开始向柴达木盆地冷湖方向逐渐减少，其中年降水量最少的冷湖仅为17.5毫米；而巴昔卡则位于雅鲁藏布江河谷，其平均年降水量可以达到4500毫米，约为冷湖年降水量的200倍，是我国降水最多的中心之一；④根据温度和水分指标，结合植被，再考虑地热的影响，青藏高原可划分为高层亚寒带，高原温带，藏东南亚热带山地和热带山地，依据水分状况又可分为湿润、半干旱、干旱等13个气候类型。青藏高原环境容量小，极易受到污染，水体的自净能力差，一旦污染难以恢复，故而环境要求高，目前青藏高原人为造成的水体污染主要以生活污水为[55]主。2.2高寒地区农村生活污水处理技术比较分析一个好的农村生活污水处理技术，不仅需要水处理效果达到要求，还要满足投资少、运行管理方便、实用性强等要求。通常生活污水处理技术的选择可11 青海大学硕士学位论文第2章高寒地区农村生活污水处理技术选择以从以下几个方面考虑：进水水质、出水水质达标，当地气候、实际地形环境、工艺的成熟性、适用性、投资费用、运行管理难易程度、运行费用等。对于青藏高原农村污水处理技术的选择，从地形、温度、出水情况、经济情况、管理[5]手段等方面考虑：①从地形上看，青藏高原人口集聚地主要是平原，山地少有人居住，只需考虑适用于平原的处理技术即可；②从温度上看，青藏高原年平均气温低，最低地区年均气温在-4.1℃以下，不是所有的农村生活污水处理技术都适合于这类低温地区，因此，部分无法正常运行的污水处理工艺，需要采取措施维持处理系统的正常运行，例如采取保温措施或冬季停止运行等，而这些措施的实施会增加运行费用或影响系统处理效果，需综合考虑各种因素后取舍；③从出水情况来看，COD、BOD、SS、氨氮、硝基氮、总氮、总磷需达到国家二级标准；④从经济方面考虑，青藏高原农村经济条件较差，应尽量考虑投资省的污水处理技术；⑤从管理上来看，农村很难适应管理难度大的处理工艺，所以应考虑管理方便甚至不需要管理的处理技术。2.3高寒地区农村生活污水处理技术选择对高寒地区农村生活污水的处理除了考虑净化效果和投资、运行成本外，还需要根据高寒地区的特点，选取适应其特点的处理技术。高寒地区有两大突出特点：一为“高”，由于其海拔高，空气稀薄、氧气含量低并且紫外线强度大，所以对氧气依赖较大、紫外线敏感的处理技术予以排除；二为“寒”，高寒地区年平均温度较低，尤其是冬天冻土层较厚，所以对温度敏感，特别是不能适应低温，无法克服冬季冻土层较厚这一特点的处理系统予以排除。表2-1为常见的农村污水处理技术特点比较表，从表中可以看出，就占地需求而言，高寒地区的土地并不像南方地区那样人均占有量小，土地并不成为处理技术应用的制约条件，各种技术皆可用；就温度而言，适合在高寒地区寒冷条件下运行的处理技术有：地下渗滤、化粪池、曝气生物滤池、人工湿地；就紫外线而言，适应高寒地区强紫外线的处理技术有：地下渗滤；就投资情况而言，除沼气池、净化槽、接触氧化、膜-生物反应器（MBR）、序批式活性污泥法（SBR）、氧化沟外，其余处理技术投资均较低；就处理效果而言，除慢速渗滤、快速渗滤、沼气池、化粪池外，其他处理技术均能达到要求的处理效果；就管理而言，除净化槽、膜-生物反应器（MBR）、序批式活性污泥法（SBR）、12 青海大学硕士学位论文第2章高寒地区农村生活污水处理技术选择氧化沟等处理技术管理较复杂外，其余技术管理都较为方便。通过以上技术特点的比较并结合高寒地区的实际特点，综合分析后得出，最适合于高寒地区的农村污水处理技术为土壤地下渗滤污水处理系统。13 青海大学硕士学位论文第2章高寒地区农村生活污水处理技术选择[5][56-66]表2-1农村生活污水处理技术比较Tab.2-1Thecompriseofsewagetreatmenttechnologies占地要受温度适用于集中去污效果运行处理技术投资情况求影响或分散BOD5SS病原体N、P管理兼性塘基建费用是常规方法的1/2或1/3，稳定塘较大大集中较好一般好有一定方便2投资造价约100-150元/m去除投资、运行费用分别为普通污水处人工湿地较大较大集中或分散一般较好好一般方便理工程的50%-60%和10%-30%效果不慢速渗滤大大集中投资较快速渗滤、地下渗滤低好好一般方便稳定吨水投资费用为1000-1200元，直效果较快速渗滤较大大集中好好一般方便接运行成本0.15-0.25元/t差较大，处3理1m投资只有常规处理的1/3-1/2，污水地下渗滤小集中一般好好好方便3污水占处理成本为0.15-0.3元/m2地6-8m与常规的二级污水处理厂相比，通常可节省40%以上的投资，运行费除磷较地表漫流较大较大集中可节省50%以上，建设成本（不含较好较好不好方便好管网建设费）约1650元/m3，总运3行成本约0.67元/m蚯蚓生态集中（50-300较大较大投资少（1800元/户）好好好尚可方便滤池户）沼气池小较大集中或分散投资较高，人均建设投资1万元较好较好较好不好方便14 青海大学硕士学位论文第2章高寒地区农村生活污水处理技术选择[5][56-66]续表2-1农村生活污水处理技术比较RefertoTab.2-1Thecompriseofsewagetreatmenttechnologies占地受温度影适用于集中去污效果运行处理技术投资情况要求响或分散BOD5SS病原体N、P管理工艺复杂，投资和运行费用较高，较复净化槽小较小集中好好好尚可人均建设投资约1万元杂化粪池小小集中或分散一般一般较好不好方便受低温、接触氧化一般高温影响集中或分散比生态技术成本高好好好尚可方便大决定膜-生物反于工较复应器很小集中投资、运行成本高好好好艺配杂（MBR）置序批式活受低温影较复性污泥法较小集中工艺简单，投资、运行费用较高好好好好响大杂（SBR）曝气生物可除一般小集中总投资小，运行成本较低好好好方便滤池氨氮可除较复氧化沟大较大总投资大，运行成本较低好好好氨氮杂15 青海大学硕士学位论文第3章土壤地下渗滤处理系统第3章土壤地下渗滤处理系统3.1土壤地下渗滤处理系统简介土壤地下渗滤系统是指由化粪池和地下渗滤装置构成的污水处理系统，经化粪池预处理后的污水有控制地投配到渗滤装置之中后，污水将在重力和土壤毛管力的作用下扩散运动，通过化学沉淀、物化吸附、物理截留、动植物作用、微生物降解等被净化。化粪池通常在系统中作为预处理设施，具有一定的厌氧性或兼气消化作用；池中可以除去大量的悬浮杂物，并可降解部份有机物；污水通过化粪池中预处理效果后，不仅降低了污染负荷，而且提高了污水可生化[5]性，便于后续单元的净化效果。3.2土壤地下渗滤处理系统工艺类型地下渗滤处理系统包括四种类型，分别是：渗滤坑式、渗滤沟式、渗滤腔式和尼米槽式。3.2.1渗滤沟式地下渗滤处理系统渗滤沟式(DrainTrench)地下渗滤装置是目前最常用的地下渗滤装置；其流程是污水经化粪池、沉淀池或过滤池等预处理去处悬浮物后流入渗滤沟中和布水管(水管埋置的位置一般距地面40cm左右),然后缓慢通过布水管周围的砾石(底[5]部宽50-70cm)和砂层(厚20cm)，经砾石和砂层的污染物被过滤、吸附和降解，其结构见图3-1。布水管和砾石一般都会包裹一层合成纤维布以防止土壤的进入，其中砾石是污水进入土壤的界面，它发挥贮存污水的作用，而多孔的布水管一般采用PVC材料或者工程塑料等材料制成，该系统的污水处理能力得到了提高，[67]布水面积比较大,系统出水水质相应有所提高。16 青海大学硕士学位论文第3章土壤地下渗滤处理系统图3-1渗滤沟式地下渗滤装置示意图Fig.3-1Sketchofdraintrench3.2.2渗滤坑式地下渗滤处理系统地下渗滤坑(SeepagePit)也叫作地下渗井(DryWell)，是指在地下建造一个坑体并利用其底部及周围的土壤来处理化粪池出水的装置，其结构见图2-2；渗滤坑由两部分组成，分别为砾石堆和预处理池；预处理池的组成材料有石头、水泥、塑料等，池壁上按实际需要开有小孔，在其周围和内部填充砾石，整个渗滤坑埋在土壤中；污水经过化粪池预处理之后首先进入到预处理池中，之后再经由预处理池壁上所开的小孔进入到周围的砾石堆中，污水在流经砾石堆之后会渗入到四周的土壤中，在此运动过程中污水将得到净化，该系统属于比较原[68][67]始的地下渗滤系统,适用于流量比较小的污水源。图3-2渗滤坑式地下渗滤装置示意图Fig.3-2Sketchofseepagepit17 青海大学硕士学位论文第3章土壤地下渗滤处理系统3.2.3渗滤腔式地下渗滤处理系统近来在国外出现了无砾石系统(GravellessSystem)的地下渗滤装置，其特点是在不再利用原来渗滤沟中的砾石堆，而是用被褶皱织物包裹的渗滤管替代或者直接将其做成一种腔体结构(Chamber)；近年来渗滤腔式地下渗滤系统(结构见图3-3)在国内外都比较受关注，渗滤腔也可以简化的理解为一根在底部和四周开有小孔的大管子，污水从小孔渗入到周围的土壤中，管子通常采用砖石、玻璃[67]钢、硬质塑料等构成，渗滤腔上一般留有观察孔；该系统的优点是安装方便，对原有地表景观影响小；装置的部件化使得运输很方便，节约了成本；不会因砾石风化而引起土壤堵塞，其部件可以重复利用；此外其最大的优点是腔体中能够贮存大量的污水，从而使得系统的抗冲击能力得到提高；其占地面积也相对渗滤沟式系统而言有所减少，一定程度上降低了成本，不足之处是腔体制造[69]成本比较高。图3-3渗滤腔式地下渗滤装置示意图Fig.3-3Sketchofpercolationcavity3.2.4尼米槽式地下渗滤处理系统20世纪80年代初期，尼米槽式地下渗滤系统由日本人NiMi开发成功，国内也有人称为土壤毛管渗滤系统。其结构见图3-4。它与传统的地下渗滤系统的区别在于：它在布水管周围填充上用合成纤维包裹的砾石，在砾石的上方覆土，并在布水管的下方增设了一个不透水的槽子(即尼米槽)，槽中装有砂子等填料。当污水从布水管的小孔中流出时，首先会进入到尼米槽中，当水流积累到一定程度后，污水将会在土壤毛细力和砂子的共同作用下扩散到尼米槽除了下部以18 青海大学硕士学位论文第3章土壤地下渗滤处理系统外的土壤中，而污水中存在的大部分固体悬浮物会被砂子截留停留在槽中并在逐渐酸化、液化，这使得出水的水质得到了提高，并使得系统被堵塞的可能性[68]降低，同时尼米槽也提高了系统的抗冲击能力。图3-4尼米槽式地下渗滤装置示意图Fig.3-4SketchofNiMigroove3.3土壤地下渗滤系统除污原理土壤地下渗滤系统包括了大气、水、土壤、生物的相互作用，在污水流经处理系统的过程中，会发生一系列复杂的生物、化学和物理反应，其中部分反应过程与常规污水处理过程相似，例如气体交换、沉淀、离子交换、过滤、化学沉淀、生物转化和降解、吸附、吸收、化学氧化和还原过程，还有一部分特[69]殊机制，如光降解、光催化、植物吸取等。当污水投配到土壤地下渗滤系统进行污水处理时，处理系统各方面的特性对污水的处理效果会产生影响，与此同时处理系统也受到进入系统的污水的影响，二者相互作用、相互影响。3.3.1COD去除机理日常生活产生的污水中COD有两部分，一部分溶于水，一部分不溶于水，其组成成分包括：有机碳、能被化学试剂氧化的COD、有机氮、氨氮、有机硫，其中有机碳占绝大部分。需要土壤地下渗滤系统净化的是可溶于水的那部分，通过系统中好养细菌和厌氧细菌的共同作用，将COD分解为能够逸散入大气的CO2、CH4，来达到净化效果；在好养细菌和厌氧细菌分解COD的过程中将会产生一些小分子酸、醇、单糖等中间产物，这些中间产物会被系统中的其他微生物利用并带出系统。19 青海大学硕士学位论文第3章土壤地下渗滤处理系统好养菌对单糖的降解反应式如下：C6H12O6+5O2→2HCOO·COOH+2CO2↑+4H2O+O2↑（式3-1）4COOH+O2→4CO2↑+2H2O（式3-2）厌养菌对单糖的降解反应式如下：C6H12O6→CH3CH2CH2COOH+2CO2↑+2H2↑（式3-3）4H2+CO2→CH4↑+2H2O（式3-4）3.3.2氮的去除机理生活污水中的氮的存在形式有机氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮，其中有机[70]氮和氨氮占绝大部分，而出现在土壤地下渗滤处理系统中的氮还可能以NH3、[71]NO、NO2等气体形式存在。有机氮分为水溶性有机氮和固体有机氮，由木质素、复杂的碳水化合物、蛋白质等组成，固体有机氮主要是通过土壤的过滤和吸附作用来去除。水溶性有机氮则有部分被微生物同化吸收，另一部分在微生物的作用下被转化成为离[71]子态的氨氮，从而继续参与到系统的氮循环中。土壤地下渗滤系统去除氨氮有以下几种途径：①挥发：直接以氨气的形式逸出系统，该途径在气候干燥的地区尤为明显[71]，氨气挥发过程的主要限制条件有：温度、土壤中溶液的pH值、系统中氨气的逸散速度，一般而言深层土壤中的氨气很难挥发；+②吸附：土壤是一种电负性胶体，因而污水进入到系统后其中的NH4会被[72]被土壤粒子、胶体物化吸附而得以去除，并且被吸附以后难以迁徙，土壤对氨氮的吸附作用反应式如下：++（胶粒）Ca2+2NH4Cl→(胶粒)2NH4+CaCl2（式3-5）土壤吸附氨离子的能力取决于土壤阳离子交换能力，同时受到所处环境的温度、PH、湿度、硝化强度的影响；③硝化：土壤主要通过硝化细菌和亚硝化细菌的生命活动来产生硝化作用，+---亚硝化菌通过将NH4氧化成NO2来获取能量，硝化菌通过将NO2氧化成NO3来获得能量。亚消化反应式如下：+--55NH4+76O2+109HCO3→C2H7O2N+54NO2+57H2O+104H2CO3（式3-6）当复氧等条件都能满足需求时，自然土壤中的有机物被降解释放出氨氮是[69]+硝化的限制性因素，而进入土壤地下渗滤系统中的氮约有75～85%为NH4，20 青海大学硕士学位论文第3章土壤地下渗滤处理系统有机氮仅占总氮的15～25%，所以有机物的胺化过程对硝化反应的限制并不明显；而硝化细菌能够利用CO2作为碳源，所以炭源也不是制约硝化反应因素，除此之外环境的温度、pH值、湿度、氧含量等因素都会对硝化反应产生一定影[71]响，其中又以氧气含量对消化反应的制约最大，Preul和Schroepfer认为，在复氧良好的地下渗滤系统中，大部分氮在布水管下方0.3～0.6m处被硝化，当由于呼吸作用或者是水分饱和作用引起O2的下降，硝化反应可能会减缓或者停止；Walker等认为硝化反应发生在渗滤系统底部不到10cm的地方；Simon等研究氧化还原电势及氮分布情况后提出：水分局部的堵塞饱和对硝化反应的影响比亚粘土对其影响更大，当系统出水饱和以后，在渗滤系统底部将形成厌氧化，从而降低了系统土壤中的交换氧气和硝化反应的能力，这也解释了为什么由渗透[69]性很差的粘土构成的系统硝化性能比较差。+--④植物吸收：NH4、NO2、NO3都是能被植物直接吸收的氮形式，当植物的根区离地下渗滤系统适当距离时，植物将能够有效的摄取系统中的氮；Brown和Thomas建立的地下渗滤系统模型，其砾石层距离地面30cm和60cm，在表层覆土上种植普通狗牙草，通过观测进入到系统的TN量和普通狗牙草摄取量，比较两者之间的关系，发现土壤渗滤性较差（<0.3cm/hr）时氮的摄取量最大，当以1735kg/ha/yr的负荷投入系统时普通狗牙草对总氮的吸取率达到46%，出现[71]这种情况可能是因为渗透性差的土壤会使根区土壤饱和积水的缘故。土壤地下渗滤系统去除硝态氮和亚硝态氮有以下几种途径：①植物吸收②反硝化：反硝化作用是反硝化细菌以亚硝态氮和硝态氮为电子受体，在[69]无氧的条件下将其转化成为气体的过程。土壤中的反硝化过程在氧气充足的条件下也可以充分发生，其原因可能是由于微生物的呼吸作用消耗了大量氧气[71]而造成局部环境厌氧化。据Freney等的研究发现当污水投配到系统后随着土壤饱和度的增加，系统释放N2O的速率会快速增加，此外系统内部的pH值、湿度、温度、硝态氮含量、溶解性有机碳含量等因素对反硝化反应都有一定影响。③化学反应：土壤中的亚硝态氮积累到一定程度时，它将会与系统内存在的有机物发生反应，生成N2、NO2、N2O。一般而言亚硝态氮转化为硝态氮的过程比氨氮转化为亚硝态氮的过程要快得多，亚硝态氮累积的现象并不常见；当系统因氨气含量过高等原因引起系统内部的pH上升时，硝化菌的活性将受到抑21 青海大学硕士学位论文第3章土壤地下渗滤处理系统制，而亚硝化细菌受到的影响较小，这时亚硝态氮将会出现累积现象；同时若硝态氮含量较高，在反硝化的过程中，反硝化细菌将会优先利用硝态氮作为电[71]子受体，而使亚硝态氮得到积累。3.3.3磷的去除机理磷是水体富营养化的限制性因素，生活污水中的总磷含量约为12～20mg/L，其存在形式包括：有机、无机、固态、液态。土壤中的磷以不溶性磷酸盐、可溶性磷酸盐、不溶性有机磷、可溶性有机磷的形式存在。进入土壤地下渗滤系统的不溶性磷酸盐，去除方式主要是物理截留；可溶性磷酸盐的去除方式主要是物化吸附作用和土壤粒子的化学沉淀，此外还可以通过微生物和植物的同化来去除；可溶性有机磷被转化成磷酸盐后其去除途径与可溶性磷酸盐相同，同时也有部分直接被生物同化；不溶性有机磷的去除方式主要是物化吸附固定、[73]物理截留，而后被转化成可溶性磷酸盐和可溶性有机磷。污水进入土壤地下渗滤系统之后，约有90%的总磷会在短时间内被土壤吸附,而后这些被吸附的磷2+3+3+会与土壤中的Ca、Fe和Al反应形成不溶于水的形式而截留在土壤中。Reneau和Pettry研究发现运行了15年的地下渗滤系统的出水中磷含量并不多，处理系[71]统中磷解析量也不多，而系统内部的铝系和铁系磷酸盐化合物呈现增长趋势。土壤磷吸附饱和问题在开放式地下渗滤系统中并不明显，当局部土壤粒子对磷[69]吸附饱和之后，污水中的可溶性磷酸盐将随着污水渗入更远的地方发生沉淀；对于出水收集的地下渗滤系统，则存在着系统磷沉淀饱和的问题，需要考虑系统的使用年限；然而在实际工程中，土壤磷吸附饱和出现的时间要比计算的时间晚很多，ChunyeLin等对以色列Shafdan地区一污水土地处理工程的除磷效果和磷吸附饱和问题进行了调查研究，发现利用Ki（Ki为土柱模拟得出的磷分配系数）计算得出的此工程会在运行后的4年发生磷吸附饱问题，而实际上，该工程在运行了19年后只有在距离进水投配站最近的两个出水井发生了磷吸附饱[79]问题，其他出水井扔旧运行良好。3.3.4固体悬浮物的去除机理固体悬浮物（SS）包括有机SS和无机SS，由于土壤地下渗滤系统的土壤[55]结构受SS的影响较大，所以SS可能引起系统土壤堵塞，而造成系统的富氧条件的变化，从而引起系统内微生物种类和数目的变化，导致系统反硝化、硝22 青海大学硕士学位论文第3章土壤地下渗滤处理系统化、COD去除等性能受到影响，因此土壤地下渗滤系统往往作为二次处理系统，在污水进入土壤地下渗滤系统前往往经过化粪池的一级处理。生活污水经过化粪池预处理后进入地下渗滤系统，进入地下渗滤系统的污水中大部分的SS在砾石、土壤胶体和土壤粒子的物理截留、吸附及化学作用下被除去，小部分SS被植物根系、蚯蚓、蜗牛、原生动物、线虫等生物的生物作用去除；固体悬浮物中的无机性SS，在截留、吸附之后当系统环境处在相对稳定的条件下将不再发生变化；而有机性SS则会在被截留、吸附之后还会依据环境的不同进一步发生转化，当处在厌氧的环境时SS在厌氧性微生物酸化、液化、甲烷化的作用下被降解，当处在好氧环境时SS将被好氧细菌分解成为CO2逸散出系统；此外，部分有机性SS还可以被原生动物、线虫、蚯蚓、蜗牛等直接吞噬，被植物根系或[69]者真菌吸附吸收去除。23 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究实验在青海省西宁市青海大学进行，本次实验分为三个阶段，分别为：地下渗滤系统启动阶段、水力负荷对系统处理效果影响阶段和温度对系统处理效果影响阶段。第一阶段用于考察系统成熟所需培养的时间，系统成熟过程和成熟阶段的处理效果；第二阶段用于考察不同的水力负荷下系统的出水水质的变化，为后面的典型设计提供依据；第三阶段用于考察温度对系统出水水质的影响，以确定系统的处理能和运行方式，是采取全年运行还是阶段性运行。整个实验流程见图4-1。实验装置的准备水力负荷对系统温度对系统处系统的启动熟化处理效果的影响理效果的影响生活污水的采集图4-1实验流程图Fig.4-1Laboratoryflowchart4.1实验装置、填料及运行方式4.1.1实验装置实验采用有机玻璃柱模拟土柱反应器。有机玻璃柱高125cm，内径15cm，柱内填充层高度为110cm，上下两层分别为布水层和集水层，厚度均为10cm，由粗砂和砾石构成；中间层为复合填料层，由土壤、粗砂、铁屑、木屑按照一定比例均匀混合后填装而成；填装时为保证均匀性，填料时每添加2cm夯实一次。实验装置示意图见图4-2。24 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究图4-2实验装置示意图Fig.4-2Schematicdiagramofexperimentaldevice4.1.2填料实验所采用填料成分为：土壤、铁屑、木屑、粗砂、砾石。复合填料层之所以填充铁屑是因为地下渗滤处理系统中的钙、镁、铁、铝等阳离子，具有较好的除磷效果，而系统在长期的运行中这些阳离子最终被消耗，导致系统在土壤中磷元素饱和时丧失去磷能力，因此实验复合填料层中添加铁屑以保证土壤具有长期的除磷能力；填充木屑是为了给反硝化细菌提供碳源，以利于氮的去除；在复合填料层加入粗砂是为了避免系统发生堵塞；砾石在配水过程中与粗砂一起分散水流、均匀配水，同时减少水流冲刷引起的物理堵塞。本实验在国内外研究的基础上确定3种填料配比。3种反应器填料的配比组成（体积比）见表4-1。表4-1反应器填料成分比例（体积比）Tab.4-1Packingratioofreactors(volumeratio)反应器土壤粗砂铁屑木屑1#8110.042#7210.043#6310.04有机玻璃反应柱填料由下到上分别为：9cm砾石、1cm粗砂、90cm复合填料层、1cm粗砂、9cm砾石，其填料分布见图4-3。25 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究图4-3土柱填料分布Fig.4-3Thedistributionoffiller4.1.3运行方式为了防止腐殖质的积累和微生物新陈代谢产生的气体对土壤空隙的堵塞，采用干湿交替、间歇投配的运行方式。根据家庭生活污水的排放规律，其排放高峰一般出现在早、中、晚三餐之后，所以实验污水投配采用每日三次间歇投配的方式，投配的时间分别设在：早晨7：00-8：00、中午12:00～13:00、晚上18:00～19:00。布水量计算公式为：Q=L×S/1000（式4-1）式中：Q——每天的布水量（L）L——污水水力负荷（cm/d）2S——地下渗滤系统的处理面积（cm）实验设计水力负荷为2cm/d，计算得出每日投配量为：1.414L，每次投配量为471.24ml。4.2实验条件4.2.1实验污水实验所用污水采用某小区化粪池生活污水。生活污水中COD、氨氮、总氮[75]的浓度均在中午12:00前后和下午18:00～20:00之间达到峰值，因此采集时间选在19:00左右，采集过程持续一周，每次采集污水约80L。将采集得到的污水26 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究用聚乙烯桶装好后静置沉淀，静置十天后滤去水面大片悬浮物和沉淀后统一储存在储水箱中，储水箱半径50cm，高150cm，总体积1178.10L。最终实验所用原水的水质参数见表4-2。表4-2原水水质参数（mg/L）Tab.4-2Thequalityparameterofrowwater+参数CODTPTNNH4-NSS浓度范围369.0513.4648.3832.2544.314.2.2实验土壤土壤是系统处理污水的主要介质，实验用土壤采用青海大学水利大厅前小树林中的表层土。将取得的土壤摊匀碾碎后晾干，然后用孔径2mm的筛子对土壤进行筛选去除杂质，筛选后的土壤为最终实验用土。最终实验用土理化性质[76]见表4-3。表4-3土壤理化性质指标Tab.4-3Thephysicalandchemicalpropertiesofsoil含水量%容重孔隙度PH值有机质盐分水解性氮速效磷%g/c%g/kgg/kgmg/kgmg/kg9.37～1.16～19.21～7.8～2.62～1.98～3.167～2.40～10.431.2620.478.48.2212.7813.30015.604.3实验分析方法4.3.1出水水样采集与保存每日19:00左右将聚乙烯塑料瓶放置在实验装置的出水口，拧开阀门，待瓶子中盛满水后，盖紧瓶盖，放置在4℃的冰箱中储存。4.3.2实验分析项目、方法与仪器实验所需测定的水质指标有：CODcr、总氮、氨氮、总磷、悬浮物。总磷、总氮的测定分别采用GB11894-89和GB11893-89中相应的方法。CODcr、氨氮、悬浮物这三个指标采用仪器分析的方法。(1)化学需氧量CODcr：采用催化快速测定法测定水样中CODcr的含量，使27 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究用的装置为兰州连华环保科技有限公司生产的5B-3C型CODcr快速测定仪：包括5B-1F（V.80）型智能消解器一台，冷却架一个，玻璃比色皿一盒，比色皿架一个，反应管20支，DLQ-1-0.7型1ml试剂定量器一个，DLQ-5-4.8型5ml试剂定量器一个。实验方法：提前打开消解器开关，消解器自动开始升温，设定温度到165℃，达到指定温度时仪器自动报警，按任意键停止报警；将0～3的反应管置于冷却架的空冷槽上，往0号反应管加入2.5ml蒸馏水，往1～3号反应管依次加入2.5ml待测水样；依次向0～3号反应管加入LH-D试剂0.7ml，再依次加入LH-E试剂4.8ml并混匀；将各反应管依次放入提前预热到165℃的消解器中，盖上防喷罩后按下[消解]键进行消解，打开速测仪电源开关进行预热；消解完成后仪器报警提示，按任意键停止报警；将各反应管依次放到冷却架的空冷槽中，然后按[冷却]键；空冷完成后仪器会报警提示，之后依次向各反应管中加入2.5ml蒸馏水，混合均匀后将各反应管依次放到冷却架的水冷槽中并按下[冷却]键；水冷完成后仪器会报警提示，再将各反应管从水冷槽拿出，并将各反应管内溶液倒入对应编号的比色皿中；将0号比色皿放入速测仪的比色槽中，关闭上盖，待数值稳定后按[空白]键；将1号比色皿放入比色槽中，关闭上盖待数值稳定后读出结果即为1号水样的COD值；⑩依次将剩下比色皿放入比色槽中读出对应水样的COD值。++(2)氨氮NH4-N：采用依据纳式比色原理的精密广度分析仪进行NH4-N的测定，使用的装置为兰州连华环保科技有限公司生产的5B-3N型氨氮快速测定仪：包括氨氮速测仪一台、比色皿一盒、比色皿架一个、反应管20支、10ml移液管5个、1ml移液管5个。实验方法：将反应管和比色皿进行编号0～3，加10ml蒸馏水到0号反应管、1～3号反应管分别加入待测水样10ml；0～3号反应管分别加入1ml“N3试剂”、0～3号反应管分别加入1ml“N2试剂”；0～3号反应管摇匀后静置10分钟，将0～3号反应管溶液倒入对应编号的比色皿；将0号比色皿放入5B-3N氨氮速测仪的比色栏，合上盖等待屏幕显示数值稳定后按[归零]键,屏幕显示“0.000”；取出0号比色皿，放入1号比色皿并合上盖子，显示的数值即为1号水样的氨氮值；依次放入待测水样，测出水样的氨氮值。(3)悬浮物SS：采用微电脑光电子比色检测原理测量水样中的悬浮物含量，使用的装置为德国Lovibond公司生产的ET9270型微电脑总悬浮物测定仪：包28 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究括测定仪一台、磁力搅拌器一台、比色皿2个、试管刷一个。实验方法：取500ml水样，用磁力搅拌器高速搅拌2min；在ET9270悬浮物测定仪上按[ON/OFF]键开机，将装有10ml去离子水的比色皿盖紧盖子后放入比色池，将比色皿上▲符号与比色槽的▲符号对齐；按[Zero/Text]键，测量的参数标志会闪烁约8秒钟，完成校零；完成校零后，将比色皿取出倒空，倒入经搅拌后的水样10ml，盖紧盖子后放入比色池，确保▲符号对齐；按[Zero/Text]键，测量的参数标志会闪烁约3秒钟，得出测量结果。(4)总氮TN：采用过硫酸钾氧化，使无机氮和有机氮化合物转变为硝酸盐后，再以偶氮比色法、紫外法，以及离子色谱法或气相分子吸收法进行测定。[77]实验方法：在60℃以上的水溶液中过硫酸钾按以下反应式分解，生成氢离子和氧气。K2S2O8+H2O→2KHSO4+1/2O2（式4-2）+-KHSO4→K+HSO4（式4-3）-+2-HSO4→H+SO4（式4-4）加入氢氧化钠用以中和氢离子，使过硫酸钾分解完全。在120～124℃的碱性介质条件下，用过硫酸钾作氧化剂，不仅可将水样中的氨氮和亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐，同时将水样中大部分有机氮化合物氧化为硝酸盐，而后，用紫外分光光度法分别于波长220nm与275nm处测定其吸光度，按A=A220～2A275计[77]算硝酸盐氮的吸光度值，从而计算总氮的含量。(5)总磷TP：采用钼酸铵分光光度法，在中性条件下用过硫酸钾（或硝酸、高氯酸）使试样消解，将所含磷全部氧化为正磷酸盐，在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在锑盐存在下生成磷钼杂多酸后，立即被抗坏血酸还原，生[78]成蓝色的络合物。使用的仪器有：手提式蒸汽消毒器、50ml具塞（磨口）刻度管、分光光度计。[78]实验方法：配置七种不同浓度的磷酸盐标准溶液，加入抗坏血酸和钼酸盐溶液，充分混合后，在700nm波长下，以水作参比，测定吸光度；扣除空白试验的吸光后，在工作曲线上查的磷的含量，最后计算总磷的浓度：C=m/V（式4-5）式中：C——总磷含量,mg/L；m——试样测得含磷量,μg；V——测定用试样体积,mL。29 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究测定项目所用仪器如表4-4所示。表4-4实验仪器、设备表Tab.4-4Theexperimentalinstrument检测项目仪器名称规格、型号备注CODCOD快速测定仪5B-3C兰州连华环保科技有限公司+NH4-N氨氮速测仪5B-3N兰州连华环保科技有限公司SS微电脑总悬浮物测定仪ET9270德国Lovibond公司总氮、总磷紫外分光光度计DR/40005兰州连华环保科技有限公司电热鼓风干燥箱BPG-9070A上海一恒科学仪器有限公司手提式蒸汽消毒器YX-280B-18广州康迈医疗器械有限公司4.4系统的启动实验研究4.4.1实验条件和参数土壤地下渗滤处理系统的启动是指在一定时期内，通过稳定的少量进水使系统逐渐适应污水环境，系统内部微生物开始增殖，最终达到对污染物稳定的[79]降解。土壤地下渗滤处理系统分为自然启动和接种启动，前者的系统抗冲击能力较后者要好，且有利于异种菌在填料上附着生长；后者能快速提升系统的[75]抗冲击负荷并有利于硝化细菌的接种生长。本实验所用的土壤中本身具有种群丰富、数量较多的微生物，同时考虑技术在农村推广所必须的工艺简单、管理方便的特性，本实验采用自然接种的方式。实验装置于2014年7月5日在青海大学水利大厅水处理实验室内正式开始配水运行，室内温度18～23℃，水力负荷为2cm/d，每日配水量为1.414L，分别在早晨7：00～8：00、中午12:00～13:00、晚上18:00～19:00分三次投配，每次投配量为471.24ml。实验流程如图4-4所示。30 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究投配污水到处理系统系统处理污水采集出水水样分析水样图4-4启动实验流程图Fig.4-4FlowchartofStartexperiment4.4.2启动实验结果与分析+图4-5～4-8为1～3#反应器启动阶段出水COD、TP、TN、NH4-N、SS的浓度变化曲线，从图中可以看出三种反应器的各参数变化趋势基本一致、启动过程类似，系统在第40天左右达到完全成熟，处理效果稳定。50TPTN+40NH-N4SS3020Concentration(mg/L)10001020304050Time(d)图4-51#反应器参数浓度曲线Fig.4-5TheconcentrationcurveofNo.1reactor31 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究50TPTN+40NH-N4SS3020Concentration(mg/L)10001020304050Time(d)图4-62#反应器各参数浓度曲线Fig.4-6TheconcentrationcurveofNo.2reactor50TPTN+40NH-N4SS3020Concentration(mg/L)10001020304050Time(d)图4-73#反应器各参数浓度曲线Fig.4-7TheconcentrationcurveofNo.3reactor+从图4-5～4-7可以看出1～3#反应器出水TN、NH4-N、SS的浓度随时间+下降很快，并在配水三个星期后达到基本稳定，稳定阶段系统对TN、NH4-N、+SS的去除率达到82.2%、85.8%、79.0%以上，去除效果好。NH4-N的去除率在85.8%以上，去除率较高，这是因为氨氮的去除主要依靠硝化细菌的硝化作用将氨态氮转化为硝态氮，而硝化细菌为好养菌，在良好的通气情况下硝化作用的过程发生很快，系统运行采用的是干湿交替的方式，这就为系统提供了良好的通气条件，使得氨氮的去除率效果良好。从图4-5～4-7中可以看出总磷的浓度很快下降，在第12天1～3#反应器出水TP浓度就分别达到1.53mg/L、2.45mg/L、32 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究2.95mg/L，去除率就分别达到88.63%、81.8%、78.08%；最终在第16天基本达到稳定，1～3#反应器出水TP浓度就分别达到0.123mg/L、0.129mg/L、0.141mg/L，去除率就分别达到99.09%、99.04%、99.95%。总磷的浓度曲线在一开始下降速率之所以这么快，是因为土壤渗滤处理系统的除磷工作主要是依靠土壤的吸附和沉淀作用来完成的，在实验之初，处理系统的主要处理介质——土壤中的磷含量很低，从而使其对磷的吸附能力会非常强；在土壤中磷含量没有达到阈值之前，系统对磷的处理效果会十分的理想。900reactor1800reactor2reactor3700600500400COD(mg/L)300200100001020304050time(d)图4-8三种反应器的cod浓度曲线Fig.4-8TheCOD’sconcentrationcurveofthreereactor从图4-8可以看出各系统在启动之初COD浓度出现明显的上升，直到第6天达到峰值后开始稳定下降；出现该现象的原因主要是在配水运行初期，填料层中的微生物还不能适应污水环境、生命活动较弱，且尚未开始繁殖，数量较少，不能对污水中的有机物进行有效的降解；加之填料层自身含有一定数量的有机质，在运行初期污水的冲淋下，填料层中的有机质被逐渐带出，导致出水[80]COD浓度出现不降反升的现象，1～3#反应器COD浓度在第6天达到峰值分别为757.65mg/L、770.77mg/L、833.39mg/L；继续经过一段时间的运行，随着填料层微生物不断繁殖和有机质的不断析出，系统开始正常而有效的降解有机污染物，从而出水的COD浓度持续下降，在第五个星期基本达到稳定。1～3#反应器出水COD的浓度分别维持在47mg/L、52mg/L、60mg/L左右，去除率分+别达到87.2%、85.9%、83.7%。系统成熟后出水COD、TP、TN、NH4-N、SS[81]浓度均较小，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级（B类）标准。33 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究4.5水力负荷对系统处理效果影响实验研究4.5.1实验条件与参数实验装置使用启动试验后熟化完成的处理装置，在2014年8月29日开始进行水力负荷对污水处理效果的影响实验。实验在常温、常压条件下进行，进水浓度与启动实验一致，出水水样每日检测一次。实验设计的水力负荷分别为2cm/d、2.5cm/d、3.0cm/d、3.5cm/d、4cm/d，考察系统的水力负荷从2cm/d逐步提高至4cm/d的过程中1～3#反应器各参数浓度以及去除率的变化，各设计水力负荷实验累计天数见表4-5，各水力负荷下的参数浓度取系统在各负荷下运行7天所测参数的均值。表4-5实验累计天数统计表Tab.4-5Daysaccumulatedofexperiment水力负荷（cm/d）22.533.54实验时间（月、日）8.23～8.298.30～9.59.6～9.129.13～9.199.20～9.26累计时间（d）777774.5.2水力负荷对COD去除性能的影响图4-9、4-10是1～3#反应器在不同设计水力负荷下运行时的COD浓度及去除率变化曲线图。605856Reactor154Reactor252Reactor3504846444240COD(mg/L)3836343230282.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)图4-9反应器在不同水力负荷下出水COD浓度变化曲线图Fig.4-9TheCOD’sconcentrationcurveofthreereactorindifferenthydraulicloading34 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究959085Reactor1Reactor2Reactor3CODRemovalRate(%)802.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)图4-10反应器在不同水力负荷下出水COD去除率变化曲线图Fig.4-10TheCOD’sremovalratecurveofthreereactorindifferenthydraulicloading从图4-9中可以看出，出水COD的浓度随着水力负荷的增大总体呈现上升趋势，但是变化不是十分明显，基本在30mg/L～40mg/L之间波动，由此可知此项实验的设计水力负荷并没有超出系统的处理能力，系统能够承受较大的水力负荷，具有良好的抗水力负荷的能力；从图4-10可以看出，当水力负荷从2cm/d逐渐增加到4cm/d的过程中，1#反应器的COD去除率在88.8%～92.24%之间波动，2#反应器的COD去除率在89.15%～91.88%之间波动，3#反应器的COD去除率在89.81%～91.06%之间波动，COD去除率总体而言都比较高，平均能达到89.51%，可见进入系统的大部分有机物能够及时的被系统处理掉，系统去除有机物的能力很强。4.5.3水力负荷对除氮性能的影响4.5.3.1水力负荷对TN去除性能的影响图4-11、4-12为1～3#反应器在不同设计水力负荷下运行时的TN浓度及去除率变化曲线图。从图4-11可以看出，1～3#反应器的出水TN浓度变化不大，分别在7.92～10.37、7.81～11.48、11.22～14.31之间波动，但总体上出水TN浓度随着水力负荷的提高而增大。结合图4-12总氮去除率变化曲线图，去除率最高值出现在水力负荷为2cm/d，1～3#反应器的TN去除率分别达到83.63%、83.30%、76.82%；最低值出现在水力负荷为4cm/d，1～3#反应器的TN去除率分别达到78.52%、35 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究76.27%、70.42%，去除率平均下降6～7个百分点，这时总氮的去除途径是按照图4-13的过程进行的，而随着水力负荷的增大，污水在反应器中停留的时间越来越少，这就使得一部分硝态氮没能来得及被反硝化细菌分解而随着水流被带出系统，从而导致出水总氮去除率的下降。30Reactor1Reactor2Reactor32520TN(mg/L)15102.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)图4-11反应器在不同水力负荷下出水TN浓度变化曲线图Fig.4-11TheTN’sconcentrationcurveofthreereactorindifferenthydraulicloading90807060Reactor1Reactor2Reactor3TNRemovalRate(%)50402.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)图4-12反应器在不同水力负荷下出水TN去除率变化曲线图Fig.4-12TheTN’sremovalratecurveofthreereactorindifferenthydraulicloading36 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究有机态氮氨化作用总氮氨态氮硝化作用硝态氮反硝化作用N2或NO2逸出大气图4-13总氮去除途径图Fig.4-13Theremovalpathwayoftotalnitrogen+4.5.3.2水力负荷对NH4-N去除性能的影响+图4-14为1～3#反应器在不同设计水力负荷下运行时的NH4-N浓度变化曲线图。8.07.5Reactor17.0Reactor26.5Reactor36.05.55.0-N(mg/L)+44.5NH4.03.53.02.52.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)+图4-14反应器在不同水力负荷下出水NH4-N浓度变化曲线图+Fig.4-14TheNH4-N’sremovalratecurveofthreereactorindifferenthydraulicloading+从图4-14中可以看出，1～3#反应器的出水NH4-N浓度随着水力负荷的增大都有一定程度的提高，出现这一现象的原因是：随着水力负荷增大，污水在系统中停留的时间缩短，当这一时间过短时将无法达到硝化细菌的世代时间，[75]部分硝化细菌将随水流被带出系统，从而使得硝化作用不能完全生效。当水37 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究力负荷从2cm/d提高到2.5cm/d时1～3#反应器的出水浓度分别由3.08mg/L、2.09mg/L、2.70mg/L提高到3.02mg/L、3.25mg/L、3.04mg/L，提高幅度分别为-1.95%、9.1%、12.59%；而当水力负荷从3cm/d提高到3.5cm/d时1～3#反应器的出水浓度分别由3.34mg/L、3.86mg/L、3.64mg/L提高到4.07mg/L、4.46mg/L、4.42mg/L，提高幅度分别为21.85%、15.54%、15.66%，可见随着水力负荷的增大，出水氨氮的浓度总体也随之增大并且增大幅度也逐步递增；之所以1#反应器在2cm/d的水力负荷下的浓度反而比2.5cm/d的水力负荷下的浓度高，这是因为水力负荷很小时，污水在反应器中停留的时间会增加，这就容易使整个系统内部处于厌氧的状态下，从而抑制了作为好养细菌的硝化细菌的硝化作用，导+致NH4-N的浓度反而较高。+图4-15为1～3#反应器在不同设计水力负荷下运行时的NH4-N去除率变化曲线图。9492908886848280Reactor1-NRemovalRate(%)Reactor2+478Reactor3NH7674722.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)+图4-15反应器在不同水力负荷下出水NH4-N去除率变化曲线图+Fig.4-15TheNH4-N’sconcentrationcurveofthreereactorindifferenthydraulicloading从图4-15中可以看出1～3#反应器对氨氮的去除率分别在86.60%～90.64%、85.05%～90.76%、83.01%～91.63%的范围变化，其平均去除率分别为+88.94%、87.99%、88.17%，可见系统对NH4-N的去除率很高。这主要因为系统污水投配采用了间歇投配方式，使系统在干湿交替的环境下持续运行而具有较好的富氧条件，从而使系统内部的微生物活性提高，最终使得硝化作用能够比较彻底的进行而达到高去除率。38 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究4.5.3.3进出水总氮分析为更好的分析系统对的性能，研究系统的除氮机理，选择2#系统为代表，对2#系统进、出水的总氮组成进行分析，得出进出水总氮组成图4-16、4-17。图4-16进水总氮组成成分图Fig.4-16Thetotalnitrogencompositionfigureofinflow图4-17出水总氮组成成分图Fig.4-17Thetotalnitrogencompositionfigureofeffluent从图4-16、4-17可以看出，系统进水中的总氮以氨氮为主，占总氮的66.66%，硝态氮最小，占总氮的10.35%；而出水的总氮则以硝态氮为主，占总氮的91.42%，氨氮仅占总氮的6.05%，可见系统对氨氮的去除效果很好，硝化过程能很好地进行；而总氮的去除效果之所以不如氨氮是因为：污水中大量有机质在系统上部[82]被消耗掉，导致下部反硝化细菌能利用的碳源不如硝化细菌的多，加之系统富氧条件较好不利于反硝化过程的进行，从而导致总氮的去除效果不如氨氮。39 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究4.5.4水力负荷对TP去除性能的影响图4-18、4-19为1～3#反应器在不同设计水力负荷下运行时的TP浓度和去除率变化曲线图。3.02.5Reactor1Reactor2Reactor32.01.5TP(mg/L)1.00.52.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)图4-18反应器在不同水力负荷下出水TP浓度变化曲线Fig.4-18TheTP’sconcentrationcurveofthreereactorindifferenthydraulicloading1009896949290888684Reactor1Reactor282TPRemovalRate(%)Reactor38078762.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)图4-19反应器在不同水力负荷下出水TP去除率变化曲线Fig.4-19TheTP’sremovalratecurveofthreereactorindifferenthydraulicloading从图4-18、4-19中可以看出1#、2#反应器的浓度变化曲线走向十分一致，在水力负荷达到3cm/d之前，TP浓度都在0.17mg/L以下，而且变化非常小，去除率也都维持在98.7%以上；当水力负荷增加到3.5cm/d时，1#、2#反应器TP浓度有一个显著的增长，分别从0.128mg/L和0.165mg/L增长到0.271mg/L和40 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究0.344mg/L，但TP的去除率仍然很高，均在97%以上；这是因为系统主要依靠填料中的土壤来吸附污水中的磷，当水力负荷达到一直高度后，污水在系统中停留的时间缩短，影响了系统中土壤对磷的吸附，从而导致出水磷含量有一定增长，但由于土壤地下渗滤系统的去磷机制，在土壤中磷元素含量达到饱和之前，系统的除磷效果都会不错。3#反应器出水TP浓度比1#、2#反应器出水TP浓度大很多，TP含量没有明显的上升或下降，随着水力负荷的增大在0.89mg/L上下波动，且变化幅度不大，基本保持稳定，这是因为3#反应器的复合填料层中粗砂含量最大，使得污水较之1#、2#反应器更快的流出系统，增加了土壤吸附磷元素的难度；同时也因为其较高的含沙量，使得它对水力负荷的适应性也相应增强。从图4-19可以看出，1～3#反应器对TP的去除率越来越小，这是因为1～3#反应器中土壤的含量是递减的，所以除磷效果也越来越差；这也反过来证明了土壤是土壤地下渗滤系统除磷的关键。4.5.5水力负荷对SS去除性能的影响图4-20、4-21为1～3#反应器在不同设计水力负荷下运行时的SS浓度和去除率变化曲线图。13Reactor112Reactor2Reactor311109SS(mg/L)8762.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)图4-20反应器在不同水力负荷下出水SS浓度变化曲线Fig.4-20TheSS’sconcentrationcurveofthreereactorindifferenthydraulicloading41 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究9290Reactor1Reactor288Reactor3868482807876SSRemovalRate(%)7472702.02.53.03.54.0Hydraulicloadingrate(cm/d)图4-21反应器在不同水力负荷下出水SS去除率变化曲线Fig.4-21TheSS’sremovalratecurveofthreereactorindifferenthydraulicloading从图4-20、4-21可以看出，1～3#反应器出水的SS浓度相差并不大，随着水力负荷的增大都呈现上升趋势，并且在各水力负荷下SS浓度都是1#反应器＜2#反应器＜3#反应器；各反应器SS去除率均在70%以上，其中1#反应器SS去除率最高，其次是2#反应器，去除率最低的是3#反应器，这是因为土壤地下渗滤系统的处理层孔隙率对其处理污水中的SS其主要作用，而1～3#反应器的复合填料层中的粗砂含量是递增的，这就使得1～3#反应器复合填料层孔隙率也一个比一个大，从而使3#反应器对悬浮物的截留能力小于1#、2#反应器，因此3#反应器出水SS含量要高于2#反应器，而2#反应器出水SS含量要高于1#反应器。4.6温度对系统处理效果的影响温渡是影响土壤地下渗滤系统处理效果的一个重要因素，它主要是通过对土壤中微生物的生命活动的影响来影响土壤地下渗滤系统的处理效果。在低温环境下，微生物的生命活动受到抑制，从而影响其对污染物的降解效果。本阶段实验考察温度对土壤地下渗滤系统处理效果的影响，以确定土壤地下渗滤系统在高寒地区自然条件下的能够正常运行时间。4.6.1实验条件与参数由前两个阶段的实验可以看出1～3#反应器对各项指标的处理效果相差不大，所以本阶段实验选取2#反应作为本阶段研究对象，考察温度对其处理效果42 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究的影响。配水方式仍然采用间歇式配水，进水浓度与启动阶段一致，水力负荷为2.5cm/L。本阶段实验预设的环境温度为20℃、15℃、10℃和5℃四个温度，每个温度下运行10天，通过电暖气和空调进行温度控制，每天测定并记录室内温度，期间采集3次样本并测定水质。4.6.2温度对COD去除性能的影响图4-22为实验期间出水COD浓度随温度变化曲线。2211020COD100Temperature189016Temperature(8014701260COD(mg/L)10C)o508406304051015202530354045Time(d)图4-22出水COD浓度随温度变化曲线Fig.4-22ThecurveofCODconcentrationwithtemperaturechanges从图中可以看出当温度在15℃以上时，系统出水COD浓度变化非常小，基本保持稳定；但当温度从15℃降到10℃时，系统出水COD浓度出现了一个明显的上升，由38.81mg/L升高到57.95mg/L，在34天之后又回落到46.20mg/L；当温度降至5℃时，系统出水COD浓度比前一阶段有所上升，维持在50.60mg/L。之所以出现上述现象，是因为微生物的活动受到温度的影响，而使出水COD浓度出现变化；当环境的温度维持在15℃以上时，系统中的微生物能够正常的进行生命活动，从而对有机物的降解性能比较好；当环境温度下降到10℃左右时，在此阶段初期，微生物受到突如其来的低温影响，自身生命活动降低，导致系统出水COD浓度有一个明显的升高，而在经过34天之后，微生物逐步适应了较低温度的环境，其生命活动又能正常的进行，从而使得系统出水COD浓度有一个回落；当温度持续降低时，微生物的生命活动将持续下降，系统出水COD浓度也随之上升。43 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究4.6.3温度对TN去除性能的影响图4-23为实验期间系统出水TN浓度随温度变化曲线。50224520TN40Temperature183516Temperature(3014251220TN(mg/L)10C)o158106540051015202530354045Time(d)图4-23系统出水TN浓度随温度变化曲线Fig.4-23ThecurveofTNconcentrationwithtemperaturechanges从图中可以看出，随着温度的逐步降低，系统出水TN浓度逐步升高。当温度在15℃以上时系统出水TN浓度曲线基本上在一条水平线上，浓度保持在基本稳定的状态；而当温度降低至10℃左右时系统出水TN浓度相较于15℃以上时有了一个明显的升高，从4.84mg/L增加到9.57mg/L；当温度降低至5℃左右时系统出水TN浓度进一步升高，达到20.30。出现上述现象是因为低温环境使得反硝化细菌的活性降低，当系统处在15℃以下的环境时，反硝化细菌的活性出现明显降低，反硝化作用下降，而温度降到5℃左右时，反硝化作用几乎停止，导致系统内的氮不能转化为气体逸散到大气中，因此系统出水TN浓度出现很大程度的升高。+4.6.4温度对NH4-N去除性能的影响+图4-24为实验期间系统出水NH4-N浓度随温度变化曲线。44 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究502245+20NH-N4Temperature40183516Temperature(30142512-N(mg/L)+20410C)oNH158106540051015202530354045Time(d)+图4-24系统出水NH4-N浓度随温度变化曲线+Fig.4-24ThecurveofNH4-Nconcentrationwithtemperaturechanges+从图中可以看出，系统出水NH4-N浓度随温度降低而升高。温度在15℃时+比15℃以上系统出水NH4-N浓度有个小幅度的上升；当温度继续降低至10℃+时系统出水NH4-N浓度也持续出现明显的升高，达到10.13mg/L；当温度继续+降低至5℃时系统出水NH4-N浓度达到最高17.83mg/L。这是因为硝化细菌对温度十分敏感，当温度在15℃以下时，硝化细菌的活性降低，硝化速率出现一个较为明显的下降；而当温度持续降低至10℃以下时，硝化细菌的活性进一步降低，系统的硝化反应勉强可以维持，其硝化作用仅能保持在20℃时的40%左+右；此时硝化细菌不能及时将氨态氮转化为硝态氮，系统出水NH4-N浓度也随之升高。4.6.5温度对TP去除性能的影响图4-25为实验期间系统出水TP浓度随温度变化曲线。从图中可以看出系统出水TP浓度曲线基本保持水平，在0.128mg/L上下波动，可见系统对TP的去除性能几乎不受环境温度的影响，处理效果稳定。出现这一现象是因为土壤地下渗滤系统的除磷机制主要依靠土壤对磷的吸附作用固定在土壤中，与系统中微生物的活动相关性弱。45 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究0.4022TP20Temperature0.3518160.30Temperature(140.2512TP(mg/L)10oC)0.20860.154051015202530354045Time(d)图4-25系统出水TP浓度随温度变化曲线Fig.4-25ThecurveofTPconcentrationwithtemperaturechanges4.6.6温度对SS去除性能的影响图4-26为实验期间系统出水SS浓度随温度变化曲线。92220TP18Temperature16Temperature(14812TP(mg/L)10oC)8674051015202530354045Time(d)图4-26系统出水SS浓度随温度变化曲线Fig.4-26ThecurveofSSconcentrationwithtemperaturechanges从图中可以看出系统出水SS浓度曲线基本保持水平，在6.83mg/L附件波动，可见系统对SS的去除性能几乎不受环境温度的影响，处理效果稳定。出现这一现象是因为土壤地下渗滤系统去除悬浮物的机制主要依靠土壤的截留作用，与系统填料层的孔隙率直接相关，而与温度相关性非常弱。46 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究4.7小结本章实验采用土壤、粗砂、木屑、铁屑、砾石作为土壤地下渗滤系统填料；复合填料层用不同的配比，配置后装填入1～3#反应器，进行对比实验；污水投配采用间歇式投配方式。主要考察了土壤地下渗滤系统的启动、水力负荷以及环境温度对系统处理各指标的处理效果的影响，以确定适合的工艺参数。结果如下：①考察了土壤地下渗滤系统整个启动过程，确定了系统成熟所需时间及系统处理污水的效果。结果显示：1～3#反应器的启动过程类似，约在第40天达到基本成熟，出水各指标浓度稳定，处理效果能达到预期要求。②考察了1～3#反应器在不同水力负荷下对各个指标的处理效果。结果显示：当水力负荷由2cm/L提高到4cm/L时，1～3#反应器出水COD的浓度随着水力负荷的增大总体呈现上升趋势，但是变化不是十分明显，基本在30mg/L～40mg/L之间波动，1#反应器的COD去除率在88.8%～92.24%之间波动，2#反应器的COD去除率在89.15%～91.88%之间波动，3#反应器的COD去除率在89.81%～91.06%之间波动，COD去除率总体而言都比较高，平均能达到89.51%，进入系统的大部分有机物能够及时的被系统处理掉，系统去除有机物的能力很强，系统能够承受较大的水力负荷，具有良好的抗水力负荷的能力；当水力负荷由2cm/L提高到4cm/L时,1～3#反应器的出水TN浓度变化不大，分别在7.92～10.37、7.81～11.48、11.22～14.31之间波动，总体上出水TN浓度随着水力负荷的提高而增大。TN去除率最高值出现在水力负荷为2cm/d，1～3#反应器的TN去除率分别达到83.63%、83.30%、76.82%；最低值出现在水力负荷为4cm/d，1～3#反应器的TN去除率分别达到78.52%、76.27%、70.42%，去除率平均下降6～7个百分点，这时总氮的去除途径是按照图4-13的过程进行的，而随着水力负荷的增大，污水在反应器中停留的时间越来越少，这就使得一部分硝态氮没能来得及被反硝化细菌分解而随着水流被带出系统，从而导致出水总氮去除率的下降。+当水力负荷由2cm/L提高到4cm/L时,1～3#反应器的出水NH4-N浓度随着水力负荷的增大都有一定程度的提高，随着水力负荷增大，污水在系统中停留的时间缩短，当这一时间过短时将无法达到硝化细菌的世代时间，部分硝化细[75]菌将随水流被带出系统，从而使得硝化作用不能完全生效。47 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究当水力负荷由2cm/L提高到4cm/L时，1#、2#反应器的TP浓度变化曲线走向十分一致，在水力负荷达到3cm/d之前，TP浓度都在0.17mg/L以下，而且变化非常小，去除率也都维持在98.7%以上；当水力负荷增加到3.5cm/d时，1#、2#反应器TP浓度有一个显著的增长，分别从0.128mg/L和0.165mg/L增长到0.271mg/L和0.344mg/L，但TP的去除率仍然很高，均在97%以上；这是因为系统主要依靠填料中的土壤来吸附污水中的磷，当水力负荷达到一直高度后，污水在系统中停留的时间缩短，影响了系统中土壤对磷的吸附，从而导致出水磷含量有一定增长，但由于土壤地下渗滤系统的去磷机制，在土壤中磷元素含量达到饱和之前，系统的除磷效果都会不错。3#反应器出水TP浓度比1#、2#反应器出水TP浓度大很多，TP含量没有明显的上升或下降，随着水力负荷的增大在0.89mg/L范围内波动，且变化幅度不大，基本保持稳定，这是因为3#反应器的复合填料层中粗砂含量最大，使得污水较之1#、2#反应器更快的流出系统，增加了土壤吸附磷元素的难度；同时也因为其较高的含沙量，使得它对水力负荷的适应性也相应增强。从图3-19可以看出，1～3#反应器对TP的去除率越来越小，这是因为1～3#反应器中土壤的含量是递减的，所以除磷效果也越来越差；这也反过来证明了土壤是土壤地下渗滤系统除磷的关键。当水力负荷由2cm/L提高到4cm/L时，1～3#反应器出水的SS浓度相差并不大，随着水力负荷的增大都呈现上升趋势,并且在各水力负荷下SS浓度都是1#反应器＜2#反应器＜3#反应器；各反应器SS去除率均在70%以上，其中1#反应器SS去除率最高，其次是2#反应器，去除率最低的是3#反应器，这是因为土壤地下渗滤系统的处理层孔隙率对其处理污水中的SS其主要作用，而1～3#反应器的复合填料层中的粗砂含量是递增的，这就使得1～3#反应器复合填料层孔隙率也一个比一个大，从而使3#反应器对悬浮物的截留能力小于1#、2#反应器。综上，系统对有机物的去除在一定范围内受水力负荷的影响小，对TP、SS+的去除效果与水力负荷的大小相关性弱，而对TN、NH4-N的去除效果受水力负荷的影响较大。③考察了温度对系统去除污染物效果的影响，结果显示：当温度在15℃以上时，系统出水COD浓度变化非常小，基本保持稳定；但当温度从15℃降到10℃时，系统出水COD浓度出现了一个明显的上升，由38.81mg/L升高到57.95mg/L，在34天之后又回落到46.20mg/L；当温度降至5℃48 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究时，系统出水COD浓度比前一阶段有所上升，维持在50～60mg/L。之所以出现上述现象，是因为微生物的活动受到温度的影响，而使出水COD浓度出现变化；当环境的温度维持在15℃以上时，系统中的微生物能够正常的进行生命活动，从而对有机物的降解性能比较好；当环境温度下降到10℃左右时，在此阶段初期，微生物收到突如其来的低温影响，自身生命活动降低，导致系统出水COD浓度有一个明显的升高，而在经过34天之后，微生物逐步适应了较低温度的环境，其生命活动又能正常的进行，从而使得系统出水COD浓度有一个回落；当温度持续降低时，微生物的生命活动将持续下降，系统出水COD浓度也随之上升。随着温度的逐步降低，系统出水TN浓度逐步升高。当温度在15℃以上时系统出水TN浓度曲线基本上在一条水平线上，浓度保持在基本稳定的状态；而当温度降低至10℃左右时系统出水TN浓度相较于15℃以上时有了一个明显的升高，从4.84mg/L增加到9.57mg/L；当温度降低至5℃左右时系统出水TP浓度进一步升高，达到20.30mg/L。出现上述现象是因为低温环境使得反硝化细菌的活性降低，当系统处在15℃以下的环境时，反硝化细菌的活性出现明显降低，反硝化作用下降，而温度降到5℃左右时，反硝化作用几乎停止，导致系统内的氮不能转化为气体逸散到大气中，因此系统出水TN浓度出现很大程度的升高。+系统出水NH4-N浓度随温度降低而升高。温度在15℃时比15℃以上系统++出水NH4-N浓度有个小幅度的上升；当温度继续降低至10℃时系统出水NH4-N浓度也持续出现明显的升高，达到10.13mg/L；当温度继续降低至5℃时系统出+水NH4-N浓度达到最高17.83mg/L。这是因为硝化细菌对温度十分敏感，当温度在15℃以下时，硝化细菌的活性降低，硝化速率出现一个较为明显的下降；而当温度持续降低至10℃以下时，硝化细菌的活性进一步降低，系统的硝化反应勉强可以维持，其硝化作用仅能保持在20℃时的40%左右；此时硝化细菌不+能及时将氨态氮转化为硝态氮，系统出水NH4-N浓度也随之升高。系统出水TP浓度曲线基本保持水平，在0.128mg/L上下波动，可见系统对TP的去除性能几乎不受环境温度的影响，处理效果稳定。出现这一现象是因为土壤地下渗滤系统的除磷机制主要依靠土壤对磷的吸附作用固定在土壤中，与系统中微生物的活动相关性弱。系统出水SS浓度曲线基本保持水平，在6.83mg/L上下波动，可见系统对SS的去除性能几乎不受环境温度的影响，处理效果稳定。出现这一现象是因为49 青海大学硕士学位论文第4章高寒地区地下渗滤处理系统实验研究土壤地下渗滤系统去除悬浮物的机制主要依靠土壤的截留作用，与系统填料层的孔隙率直接相关，而与温度相关性非常弱。+综上，温度对TP、SS几乎不产生影响，而对COD、TN、NH4-N的去除效+果起到关键性的作用，随着温度的降低COD、TN、NH4-N的去除效果会越来越差。由于低温对微生物生命活动的影响使系统在低温下处理效果减弱明显，所以地下渗滤处理系统需设在冻土层以下并采取一定的保温措施使系统温度维持在5℃以上，从而保证系统能够全年运行。50 青海大学硕士学位论文第5章农村生活污水处理典型设计第5章高寒地区农村生活污水处理典型设计本章以玉树州玉树县巴塘乡“八吉”示范村为例，对其进行农村生活污水处理工艺的典型设计。5.1玉树州自然环境及社会经济发展现状5.1.1玉树州地理位置及地形地貌5.1.1.1玉树州地理位置oo玉树藏族自治州位于青海省的西南部，地理坐标东经8935’～9755’，北纬oo2735’～3635’，北与海西蒙古族藏族自治州为邻，东与果洛藏族自治州相通，东南与四川省甘孜藏族自治州毗连，南及西南同西藏自治区的昌都地区和那曲[84]专区交界，西北角与新疆维吾尔自治区的巴音郭楞蒙古自治州接壤。5.1.1.2玉树州地形地貌本区由三大基本地貌组成，分别是高海拔丘陵台地和平原、高山（海拔4000m以上）、极高山（海拔6000m以上），主要地貌形态是起伏和缓的高原夷平面；夷平面主要为平坦的极高山山顶面所构成的高级夷平面和小起伏高山和丘陵组成的低级夷平面（海拔5000m以上）。南北方向上地貌组合呈现山地与河谷湖盆地相间现象，东西方向上表现为东南部流水与冰川作用地貌较强，而西北部风[85]城和湖泊地貌发育。5.1.2地质构造玉树县属于青藏川滇歹字形构造体系，属于巴塘拗陷褶皱带，以北是松潘—甘孜褶皱系—玉树—马达寺优地槽褶皱带构造，以南是唐古拉准地台台隆构[86]造，玉树地区自第四纪早期以来，主要以新构造运动和震荡式上升运动为主，在空间上以及时间上都具有不同的间歇性和差异性的变化，并且在该地区的空51 青海大学硕士学位论文第5章农村生活污水处理典型设计间上的差异性主要表现在通天河，以及支流、河流阶地两岸发育的不对称性，[86]而其在时间上，间歇性主要表现在通天河及其较大支流多阶地的发育。5.1.3水文情况玉树州是长江、澜沧江、黄河的发源地，境内河网密布，水源充裕，素有[84]“江河之源”、“中华水塔”的美誉；黄河澜沧江干、支流在州境内总长1792公里，黄河为559公里，长江为3380.2公里，总流域面积23.80万平方公里，33占全州总面积的89.12%；多年平均径流量1022.3m/s，年径流量324.17亿m，3理论水力蕴藏量542.7万KW；据估算，地下水资源为114.92亿m，冰川储量3[84]1899.9亿m。5.1.4气候情况位于青藏高原腹地的玉树州，四周群峰环峙，受到地形地貌影响，其气候具有独特性，属于高原大陆性的季风气候，这个地方全年没有四季之分，也没有绝对的无霜期，只有冷季和暖季两季之别，冷季被青藏高原中的冷高压控制，气候干燥、气温低、风大，长达6～9个月；暖季受到印度洋暖流气候的影响，具有湿润气候的特征，这个时期多降雨而且降雨区域比较集中，比较湿润，但只有3～4个月，年平均气温3.6℃，极端最高温为26.5℃，极端最低气温为-25.6℃，年平均降水量486.4mm，降水多集中在7～8月份，占全年降水量的70%，年蒸发量1185.1mm，年平均日照时数在2496.4h左右，太阳年辐射量149～22154KJ/cm，日照百分率为64%，年总辐射量6245MJ/m，均大于同纬度的东部地区；常年主导风向为西风，平均风速2.23m/s，最大风速26m/s，历年平均气压最低645Mpa，季节性最大冻土深1.04m。海拔在3900m以上的高山区，为多年冻土区，夏季冻融厚度在1.8m，在海拔5000m以上的山峰基本上处于终年[86]积雪状态。5.1.5人口分布与聚集情况52 青海大学硕士学位论文第5章农村生活污水处理典型设计5.1.5.1人口分布情况玉树州辖玉树、囊谦、称多、治多、曲麻莱、杂多6县，1镇、47个乡，[87]257个村牧委会，1048个农牧业生产合作社；自治州首府驻玉树县结古镇，是全州政治、经济、文化、交通的中心；2013年（据州计划生育局提供），玉树州人口出生率11.17‰，死亡率3.11‰，人口自然增长率8.06‰；人口统计（州公安统计年报显示）年末总户数111136户，总人口（户籍人口）为394803人，在总人口中，藏族人口为385359人，占总人口的97.6%，其他民族9444人，占[87][88]2.4%。2010年第六次人口普查全州、县常住人口的地区分布如表5-1所示：表5-1玉树州常住人口分布情况Tab.5-1ThedistributionanddemographicsofYuShustate人口数比重（%）人口密度地区（人）2000年2010年（人/平方公里）玉树州3784391001002.00玉树县12044729.5331.838.95杂多县5826814.9115.401.75称多县5561915.6614.704.03治多县300379.227.940.45囊谦县8582521.4622.687.44曲麻莱县282439.217.460.565.1.5.2农村居民点聚集形式通过实地调查以及整理收集到的资料，农村居民定居点聚集形式大致可分为三种：①整个村庄地势较为平坦，其内农民定居点呈现集中分布；②村庄内农民定居点呈现集中与分散相结合的分布；③村庄内农民定居点整体分布不均匀，部分农民定居点呈现分散式分布。5.1.6农村产业及经济情况玉树州国民经济在2013年继续保持平稳较快增长；2013年全州地区生产总值达546797万元，比去年同期（下同）增长11%，其中：第一产业完成增加值256460万元，增长2.7%；第二产业196489万元，增长22.5%；第三产业93847[87]万元，增长9.6%；人均地区生产总值（GDP）为13850元。53 青海大学硕士学位论文第5章农村生活污水处理典型设计5.2村庄位置及概况o“八吉”示范村位于玉树县境东南部的巴塘乡的西侧东经97.056北纬o32.851，紧挨214国道，距离玉树机场4.2公里，距离县城25.2公里。年平均气温-0.8℃，没有绝对无霜期，气候寒冷而干湿不均。“八吉”示范村位置如图6-1所示。图5-1八吉示范村位置图Fig5-1ThelocationofBajivillage“八吉”示范村共58户，275人。依托其特殊的区位优势和周边丰富的自然资源，重点发展旅游产业。5.3污水处理系统工艺类型选择“八吉”示范村规模虽然不大，但村庄以旅游为主打的发展方向使得村庄的污水处理工程不仅不能破坏原有的自然景观，还需要有利于工程周边原有草地、树木的生长；在满足日常的污水处理要求的前提下，其污水处理能力还需在满足现有污水日处理能力的基础上拥有较大的上升空间以适应该村今后旅游业的发展；由于当地农民文化素质普遍不高，缺乏专业技术人才，所以污水处理工程的建造安装及运行要简单方便。综合考虑以上要求，最终选择采用的工艺类型为：渗滤腔式土壤地下渗滤处理系统；它不仅占地面积较其他地下渗滤处理系统小、安装方便、对原有景观破坏小，而且其部件化的装置使得运输方便，减少了装置的安装成本，同时其部件化的装置还能反复利用，能够很方便54 青海大学硕士学位论文第5章农村生活污水处理典型设计的根据需要扩大处理规模；它的无砾石系统使得它没有其他土壤地下渗滤处理系统因砾石风化而引起堵塞的风险；渗滤仓内部能够贮存大量污水，有效的提高了系统的抗冲击能力；虽然其制造成本比较高，但是其服务年限长、无砾石风化而引起堵塞的风险，同时其部件化的装置减少了安装成本，使得其年均费用与其他地下渗滤处理系统相比持平，甚至更低。5.4污水处理系统位置选择为节省成本污水处理系统的位置不宜离村庄太远，同时为避免系统维修对村民日常生活造成不便污水处理系统的位置也不宜离村庄太近；由于工艺类型选择渗滤腔式土壤地下渗滤处理系统，所以污水处理厂的位置要避免在车辆行驶的道路，土地堆放过重物品的地点，以防上部压重损坏渗滤腔；综合考虑后将污水处理系统位置选在“八吉”示范村东侧约300m处的空地，场地150m范围内无民居。5.5污水处理系统工艺设计实验中2#反应器在启动阶段、不同水力负荷、不同温度下的处理效果都比较好，所以典型设计中填料配比采用表4-1中2#反应器的配比。5.5.1设计污水量根据《村镇供水工程规范》（SL310～2004）最高日居民生活用水定额，可知青海省属于一区，所以“八吉”示范村农户用水量取75L/人·d，污水量计为总用水量的82%，人口增长率按玉树州人口自然增长率8.06‰计，由于“八吉”示范村以旅游为重点发展产业，随着旅游业的持续高速发展，而村庄交通便利，离玉树机场仅有4.2公里，可以预见未来到此旅游的人数会越来越多，所以污水3处理工程设计服务人数取400人/d，工程的设计处理能力为25m/d。5.5.2设计进水水质随着“八吉”示范村的发展，各类服务于旅游的基础设施的逐步建设，游客的数量的成分都会增加，这就使得村庄的用水方式和排水方式会发生大的转变，同时其生活污水中污染物的含量也会增加，所以设计的进水水质将向城市55 青海大学硕士学位论文第5章农村生活污水处理典型设计生活用水靠拢，参考已有高寒地区污水处理工程的参数确定污水处理工程进水水质，如表5-2所示。表5-2设计进水水质表（mg/L）Tab.5-2Designinflowquality+指标CODSSNH4-NTP数值3406035155.5.3设计出水水质处理后的出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918～[81]2002）中的一级B标准，出水污染物各指标浓度限制见表5-3。表5-3设计出水水质表（mg/L）Tab.5-3Designeffluentquality+指标CODSSNH4-NTP数值6020151.05.5.4工艺概况“八吉”示范村的污水来源主要是农户和游客的清洗废水、厨房污水、厕所污水、雨水等。将清洗废水、厨房污水、厕所污水、雨水汇入自流集水井，集水井内入口处的格栅滤去从各农户汇入的大体积悬浮物，各种污水在集水井中集中后汇入沉淀池，污水在沉淀池中静置、沉淀以去除污水中的悬浮物和部分有机物后投配到渗滤腔式土壤渗滤处理系统进行二级处理，处理完成后的出水经收集管道收集后用于农田或草场灌溉。整个工程工艺流程图见图5-2。清洗废水厨房污水渗滤腔式土壤集水井格栅沉淀池渗滤处理系统厕所污水出水雨水农田灌溉图5-2污水处理工艺流程图Tab.5-4Technologicalprocessofsewageprocessing56 青海大学硕士学位论文第5章农村生活污水处理典型设计5.5.5工艺参数①集水井3由于工程规模较小，日处理污水能力设计在25m，所以设置集水井一座，用于收集来自各农户的生活污水。集水井主作用为将分散的污水收集到一处，方便下一步的一级处理，污水在集水井中不停留，在入口处滤去大体积悬浮物和杂质后直接汇入沉淀池。集水井采用砖混结构，根据《室外排水设计规范》[90]GB50014-2006（2014年版）其尺寸见表5-4。表5-4集水井尺寸表Tab.5-4Sumpsizetable3尺寸长（m）宽（m）高（m）有效容积（m）数值32212②格栅由于本系统每日处理污水规模不大，选用机械格栅不经济也没有必要，所以釆用不锈钢制人工细格栅,设置在集水井进水口处设，根据《室外排水设计规[90]范》GB50014-2006（2014年版）格栅尺寸见表5-5。表5-5人工细格栅尺寸Tab.5-5Tableofartificialgridsize尺寸长（mm）宽（mm）栅条直径（mm）栅条间隙（mm）格栅倾角（℃）数值1000800.01545③沉淀池沉淀池用于静置、沉淀来自集水井的污水，以去除污水中的悬浮物和部分有机物，使其达到一级处理的效果。沉淀池采用砖混结构，内壁设有防渗，并设置隔油功能，数量一座。根据《室外排水设计规范》GB50014-2006（2014年[90]版）沉淀池尺寸及各参数见表5-6。表5-6沉淀池尺寸及各参数表Tab.5-6Thelistoftanksizeandparameter参数设计水力负荷水力停留时间长宽高有效水深有效容积323单位m/（m·h）hmmmmm数值333421.518④渗滤腔式土壤渗滤处理系统32该系统采用好氧～厌氧交替运行的方式，水力负荷区0.21m/（m·d），57 青海大学硕士学位论文第5章农村生活污水处理典型设计2[89]占地面积120m。由于高寒地区冻土厚度全年最大约为80cm，所以渗滤腔的腔体设于地面以下90cm处，渗滤腔用皱织物包裹,以防止土壤和沉淀物质堵塞渗滤腔体上的渗滤孔；在渗滤腔上部开3个观察孔用于观察系统运行情况。系统采用间歇式进水，系统落干时通风，系统每天进水7次，每次进水完后通风10～15min。5.5.6投资估算及运行费用本工程的投资包括集水井、沉淀池、渗滤腔式土壤渗滤处理系统等土建部分和填料、官网等部分费用。参考相关工程的投资情况，估算该污水处理站需11.5万元，其中渗滤腔式土壤渗滤处理系统需要约9.3万元。工程建成运行后，3每年可处理污水9125m，污水从用户到最终进入渗滤腔靠重力自流，运行费用仅仅包括落干后通风所产生的少量电费、系统兼职管理人员工资以及设备的检修维护费用，预计年运行费用约8700元。58 青海大学硕士学位论文第6章结论和建议第6章结论和建议6.1结论文章比较分析了已有的农村污水处理技术，结合高寒地区的实际特点，得出土壤地下渗滤处理技术最适合于在高寒地区的农村推广，并在理论的基础上对土壤地下渗滤处理技术在高寒地区的适用性进行实验研究，最后进行青海省玉树州巴塘乡“八吉”示范村进行污水处理典型设计。全部实验经过四个月的运行和调整，立足于对土壤地下渗滤处理系统在高寒地区去除有机物、总磷、总氮、氨氮、悬浮物的工艺、去除机理、效率等的研究，对系统的启动、水力负荷对系统处理效果的影响、温度对系统处理效果的影响等方面进行了实验和理论的研究，得出成果和结论如下：①启动阶段系统经过约40天运行后达到成熟阶段处理效果基本稳定，系统+在进入稳定阶段后对COD、TP、TN、NH4-N、SS的平均去除率达到83.7%、98.5%、82.2%、85.8%、79.0%以上，去除效果比较好，能够达到预期的处理效果。②改变进水水力负荷由2cm/d升高到4cm/d，得出系统总体处理效果仍然不错，系统去除有机物的能力很强，系统能够承受较大的水力负荷，具有良好的抗水力负荷的能力；总体上出水TN浓度随着水力负荷的提高而增大，但去除率+仍然在70%以上；NH4-N的处理效果虽然随着水力负荷的增大而有一定程度的下降，但平均去除率也在87.99%以上；对TP、SS的去除效果与水力负荷的大小相关性弱，基本不受水力负荷影响，可见系统具有良好的抗水力负荷的能力，能够承受较大的水力负荷。③改变系统所处的环境温度由20℃逐渐降低至5℃，得出温度对TP、SS几+乎不产生影响而对COD、TN、NH4-N的去除效果起到关键性的作用，总体上+随着温度的降低COD、TN、NH4-N的去除效果越来越差，但是当温度降低到5℃时各指标的去除效果仍能保持在正常状态的40%左右，可见系统在高寒地区冬季运行时只需要建在冻土层以下并采取一定的保温措施就能够保证系统的基本正常运行，从而能够在全年进行污水的处理。59 青海大学硕士学位论文第6章结论和建议6.2建议由于作者水平有限，本文的研究还不够深入，仍然存在许多问题没有解决，在以后的研究中应当注意：①本研究仅对理论上最适合的处理技术进行了实验研究，而没有对多种可能的处理技术进行对比实验研究，下阶段应加入对多种处理技术的研究，进行多种组合技术的尝试，弥补单一处理技术的不足；②对土壤地下渗滤处理系统的研究过程并没有种植植物，没有考虑植物的除氮去磷的作用，下阶段研究应考虑植物对去的污作用；③应加强对实验所用土壤的理化性质做出进一步的研究分析，特别是土壤的孔隙度对系统的影响，若对实验前后的土壤理化性质的变化进行分析，研究将会更加全面。④由于条件所限，没能实地建设农村污水处理工程，典型设计的经费预算仅参照已有工程进行了估算，没有详细的财务报表，下阶段研究应建立实际工程进行野外实验，为技术的推广做准备。60 青海大学硕士学位论文参考文献参考文献[1]刘斌.新农村建设中污水处理模式探讨[J].西南给排水,2008,30(6):1-6[2]侯京卫，范彬，曲波，等.农村生活污水排放特征研究述评[J].安徽农业科学,2012，40(2):964-967[3]谭学军,张惠锋,张辰.农村生活污水收集与处理技术现状及进展净水技术2011,30(2):5-9,13[4]彭举威,汪诚文.分散农村污水处理模式分析[J].环境与可持续发展,2010,(1):28-30[5]高意.黄土高原地区农村污水处理技术研究[D].陕西:西北农林大学,2012[6]崔晨.陕南地区农村生活污水处理技术集成研究[D].陕西:西北农林大学,2012[7]孙小锋,倪丽,陈宏观.农村生活污水处理方式与运行模式的思考[J].江苏农业科学,2011(1):419-421[8]万玉山,张平,冯俊生.农村生活污水处理典型工艺技术分析[J].安徽农业科学,2010,38(32):18267-18268,18271[9]张增胜.农村分散式污水处理适用技术及机理研究[D].上海:东华大学,2010[10]梁祝,倪晋仁.农村生活污水处理技术与政策选择[J].中国地质大学学报,2007,7(3):18-22.[11]于一凡,李继军,岳宜宝.新农村建设中的环境问题与规划对策[J].上海环境科学,2008,27(6):242-245[12]白晓龙,顾卫兵,杨春,等.农村生活污水处理模式研究[J].安徽农业科学,2010,38(26):14571-14572[13]崔育倩.农村分散式污水处理模式系统及应用研究[D].山东:青岛大学,2010[14]张苹.农村生活污水治理技术方案的合理性评估——以上海和苏南地区为例[J].中国环保产业,2009,(4):51-54[15]孙兴旺,马友华,王桂苓,等.中国重点流域农村生活污水处理现状及其技术研究[J].中国农学通报,2010,26(18):384-388[16]苏东辉,郑正,王勇,等.农村生活污水处理技术探讨[J].环境科学与技术,2005,(1):79-81[17]张永峰.黄土地区地下渗滤系统试验与模拟研究[D].陕西:西安理工大学,2007[18]孔刚,许昭怡,李卫华,等.土壤渗滤法净化生活污水研究进展[J].土壤,2005,37(3):251-257[19]董卫华.污水毛管渗滤就地处理技术研究[D].上海:同济大学,2007[20]PellM,NybergF.Infiltrationofwastrwatrtinanewlystartedpilotsandfiltersystem:Reductionoforganicmatterandphosphorus[J].JEnvironQual,1989,18:452-457[21]OuazzaniN.BousselhajK,AbbasY.Reuseofwastewatertreatmentbyinfiltrationpercolation[J].WaterScienceandechnology,1996,33(10/11):401-40861 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青海大学硕士学位论文致谢致谢首先感谢我的导师孙凡博士，他为我创造了良好的学习环境和条件,特别在我论文选题、实验研究的过程中他一直给予我悉心的指导和帮助，在我得研究课题方面他给予了许多宝贵的建议，本文是在他的悉心指导和亲切关怀下完成的。在将近三年的研究生学习期间,孙老师无论是在学术上还是在生活上都给予我许多关心和帮助,不断督促我努力上进,培养了我做研究工作的一些重要方法和思路，孙老师严谨的治学态度和宽厚的为人风范，使我受益匪浅；我在此忠心感谢他三年来对我的谆谆教诲和耐心指导。感谢解宏伟院长对我实验研究的大力支持，同时感谢袁晓伟老师在水质分析过程中对我的支持与帮助；在三年学习期间，顾声龙老师，贺巨龙老师，曾经都给予过我很多的帮助和指导，在此表示深深的谢意！感谢师弟周宏毅在我实验过程中的默默付出；我还要感谢与我共同努力、共同学习的同学们，感谢刘允、李可也、楚段段、姜雄、杨欢、王磊，在我最需要帮助的时候帮助我，给我关心和帮助，感谢他们在平时研究探讨中给予的宝贵意见。感谢我的家人和朋友,是他们的大力支持和关怀，让我得以顺利完成学业。最后忠心的感谢耐心审阅我的论文的各位专家和评委。朱康2015.3.1566 青海大学硕士学位论文作者简介作者简介一、基本情况朱康：男，湖南长沙人，1987年出生二、学习及工作经历2005年9月～2009年6月就读于山东农业大学水利土木工程学院水文及水资源工程专业获工学学士学位。2009年7月～2012年6月就业于泰安市水利勘测设计研究院2012年9月～2015年7月就读于青海大学水利电力学院水文学及水资源专业攻读硕士研究生。三、发表论文情况朱康,楚段段,周宏毅,孙凡.高海拔地区大体积混凝土温度应力仿真分析研究[J].青海大学学报,2015,33(3)67'