王店村污水处理工艺优化设计研究 87页

'硕士学位论文王店村污水处理工艺优化设计研究THESTUDYOFTHEOPTIMALDESIGNOFWANGDIANCUNVILLAGESEWAGEDISPOSAL曾光荣哈尔滨工业大学2015年10月 国内图书分类号：TU992.3学校代码：10213国际图书分类号：628.3密级：公开工程硕士学位论文王店村污水处理工艺优化设计研究硕士研究生：曾光荣导师：杜茂安教授申请学位：工程硕士学科：建筑与土木工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2015年10月授予学位单位：哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:TU992.3U.D.C:628.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHESTUDYOFTHEOPTIMALDESIGHOFWANGVILLAGESEWAGEDISPOSALCandidate：ZengGuangrongSupervisor：Prof.DuMaoanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ArchitecturalandCivilEngineeringAffiliation：SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineeringDateofDefence：October,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要当前我国大部分农村地区都没有污水处理设施，生活污水不经处理直接排放，不仅污染周边的水环境，而且农村生活污水排放量还有逐年增多的趋势。笔者针对目前大部分农村地区环境现状，简要介绍了农业部发布的美丽乡村建设十大模式，并结合国内外常见农村污水处理模式，提出几种适合不同农村地区的污水处理模式并作了详细介绍，综合考虑该村经济状况、人口规模、地形地貌等因素，以平顶山市某农村为例，选用化粪池和废弃矿渣人工湿地组合工艺进行生活污水处理。首先研究了适用于王店村污水厂两种污水处理技术，根据出水水质对工艺进行比较优选，并对污水回用技术进行选择；同时，确定该水厂最有效的处理方案。其中，污水处理模式为厌氧-生态处理模式，污水回用深度处理工艺采用最为简单的过滤-消毒工艺。对设计的污水处理工艺进行实验模拟，阐述了湿地基质废弃矿渣的磷去除能力以及硝化能力，从运行装置以及工艺条件两个方面对工艺进行优化及调试。运行过程中，以SS、COD、TN、TP为衡量指标，对进出水水质进行检测，根据检测结果及时调整运行工况，使污水经处理后可以达到一级B的出水指标，并保证污水处理工艺可以稳定运行；详细记录了调试运行的参数，为以后污水厂日常运行提供理论参数和指导。对常见的农村污水处理模式和污水回用深度处理工艺进行了分析，针对王店村基本情况，综合考虑其地势特点、总体布局、经济水平等因素，最终确定化粪池-水平潜流人工湿地污水处理工艺以及砂滤-消毒的污水回用处理工艺。本工艺设计水量为650m³/d，在进水COD、氨氮、总磷浓度分别为245mg/L、50mg/L、2.7mg/L时，各项出水指标能够稳定达到国标（GB18918-2002）中的一级B标准。最后对各个构筑物的工艺尺寸进行设计并进行工程技术经济评价。化粪池主要考虑容积和材质，人工湿地需要考虑的因素较多，主要涉及湿地植物、湿地基质的设计，回用工艺考虑流程简单、维护方便、造价低等因素，为今后相关类似农村污水处理提供了一定的实际参考价值。关键词：污水处理；村镇污水；处理模式；化粪池；人工湿地I 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractMostofthecurrentChina"sruralareashavenosewagetreatmentfacilitiesandsewageisdirectlydischargedwithouttreatment.Itnotonlypollutesthesurroundingwaterenvironment,butalsothewateremissionsofrurallifeincreaseyearbyyearaswell.Againstthecurrentstatusofmostruralareas’environment,authorbrieflyintroducestenmodelsonconstructionofbeautifulcountrysideissuedbytheMinistryofAgriculture.Combiningwithdomesticandforeigncommonruralsewagetreatment,authorproposesseveraldifferentsewagetreatmentpatternssuitableforruralareasanddescribestheseindetail.Finally,takingavillageinaPingdingshancityasexample,authorchoosesseptictanksandwasteslagconstructedwetlandtechnologytomakelifesewagetreatmentwhiletakingtheeconomy,populationandlandformintoconsideration.ThisstudyresearchsetwosewagetreatmenttechnologythataresuitableforWangDiancunsewagetreatmentplants,andtheoptimaltreatmentprocesshasbeenchosenaccordingtotheeffluentwaterquality.Meanwhile,thetechniquesofresusingwastewaterhasbeencomparedandchosen.Theoptimalsewagetreatemrentpatterns—Anaerobic-ecologicaltreatmentmodehasbeendetermined,andfiltration-disinfectionhasbeenchosnasthemostsuitabletechnologyofwastewateradvancedtreatment.Firstly,wemakedesignsimulationexperimentsonsewagetreatmentprocess,elaboratingwetlandwasteslag’sphosphorusremovalcapacityandnitrificationcapacity,makingoptimizationandadjustmenttoprocessintermsofprocessingequipmentandprocesscondition.Duringoperation,withSS,COD,TN,TPasmeasures,makewaterqualitytest.Againstthetestresults,adjustoperatingconditionstimelytoattainFirstClasslevelBeffluentindexaftermakingsewagetreatmentandensurethatthesewagetreatmentprocesscanoperatestably.Recordoperationparametersindetailtoprovidetheoreticalparametersandguidanceforthefuturedailyoperationofthesewagetreatmentplant.Thestudyanalyzescommonruralsewagetreatmentmodesandadvancedreusesewagetreatmentprocess.BasedonbasicsituationofWangVillageandconsideringitsterraincharacteristics,overalllayout,theeconomylevelandotherfactors,ultimatelydetermineSeptictanks-horizontalsubsurfaceflowconstructedwetlandsewagetreatmentprocessandsandfiltration-disinfectionofsewagereusetreatmentprocess.Theprocessdesignofwateris650m3/d.WhentheinflowCOD,ammonianitrogenandtotalphosphorusconcentrationscanattain385mg/L,40mg/Land2.7mg/Lrespectively,theeffluentindicatorscanstablyattainFirstClassLevelBstandardof(GB18918-2002).Thestudymakesdesignoneachstructure’sprocesssizeandmakestechnicalandeconomicevaluation.Forseptictanks,mainlyconsidervolumeandmaterialfactors.Forconstructedwetland,morefactorsshouldbeconsidered,mainlyrelatedtowetlandplant,II 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文wetlandsmatrixdesign.Forreuseprocess,mainlyconsidersimpleprocess,convenientmaintenance,andlowcostetc.Thusitcanprovideactualreferencevalueforfuturesimilarruralsewagetreatment.Keywords:Sewagetreatment;Vllagesewage;Treatmentmodel;Septictank;ConstructedwetlandsIII 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要............................................................................................................................IABSTRACT..................................................................................................................II第1章绪论..................................................................................................................11.1课题研究的背景.................................................................................................11.2国内外农村污水处理现状及处理方法.............................................................21.2.1国内污水处理现状及处理方法.................................................................21.2.2国外污水处理现状及处理方法...............................................................101.2.3美丽乡村建设模式...................................................................................121.3常见农村污水处理模式研究...........................................................................121.3.1厌氧-好氧模式..........................................................................................121.3.2厌氧-厌氧处理模式..................................................................................131.3.3厌氧-生态处理模式..................................................................................141.3.4好氧-生态处理模式..................................................................................151.3.5厌氧-好氧-生态处理模式........................................................................161.4常用污水回用深度处理工艺...........................................................................171.4.1臭氧/过滤/活性炭组合工艺.....................................................................171.4.2膜技术.......................................................................................................171.4.3曝气生物滤池...........................................................................................181.4.4自然生物处理技术...................................................................................181.5研究的目的意义及内容...................................................................................191.5.1研究的目的和意义...................................................................................191.5.2研究内容...................................................................................................201.5.3技术路线...................................................................................................20第2章材料与方法....................................................................................................222.1试验装置及主要设备.......................................................................................222.1.1试验运行参数...........................................................................................222.1.2序批示废弃矿渣生物反应床实验装置...................................................222.1.3测试分析主要设备...................................................................................242.2试验水质与药剂说明.......................................................................................24IV 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.2.1试验水质与原料.......................................................................................242.2.2主要试验药剂...........................................................................................262.3试验方法...........................................................................................................272.3.1磷等温吸附试验......................................................................................272.3.2磷脱附实验..............................................................................................272.3.3硝化实验..................................................................................................272.3.4反硝化实验..............................................................................................282.3.5分析方法..................................................................................................282.4检测指标与测定方法.......................................................................................28第3章王店村污水处理及回用方案比选................................................................303.1王店村污水厂调研...........................................................................................303.1.1污水厂规模简介.......................................................................................303.1.2水厂周边环境现状...................................................................................303.2适用于王店村的污水处理及回用技术探讨...................................................313.2.1厌氧水解酸化池与人工湿地联合工艺...................................................323.2.2化粪池与庭院式人工湿地联合工艺.......................................................333.2.3回用水处理工艺的选择...........................................................................353.3污水处理工艺方案确定...................................................................................353.4本章小结...........................................................................................................35第4章王店村污水处理及回用工艺实验模拟........................................................374.1废渣对污染物去除的研究..............................................................................374.1.1废弃矿渣对磷的吸附...............................................................................374.1.2废弃矿渣的硝化能力...............................................................................394.2工艺优化及调试...............................................................................................414.2.1工艺运行装置设计...................................................................................414.2.2工艺条件设计...........................................................................................434.3连续性运行对生活污水中各污染指数的去除分析.......................................434.3.1TP的去除.................................................................................................444.3.2COD和SS的去除...................................................................................454.3.3氮转化及去除...........................................................................................464.4废弃矿渣反应床对污染物的去除效能分析...................................................484.5废弃矿渣与生物组织作用效应研究..............................................................49V 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.5.1生物镜检分析..........................................................................................494.5.2植物生长及组织的化学组成分析..........................................................494.6本章小结...........................................................................................................50第5章王店村污水处理及回用优选工艺方案设计..................................................525.1污水处理技术选择原则...................................................................................525.2污水处理工艺技术分析...................................................................................525.2.1化粪池技术分析.......................................................................................525.2.2人工湿地适宜性分析...............................................................................535.3王店村污水处理工艺技术分析.......................................................................545.3.1设计水量确定...........................................................................................545.3.2设计工艺...................................................................................................545.3.3化粪池的设计...........................................................................................545.3.4人工湿地的设计.......................................................................................565.3.5工程运行实际效果...................................................................................595.4污水回用现状与工艺设计...............................................................................635.5污水处理工艺经济评价...................................................................................665.5.1成本及年运行费用...................................................................................665.5.2经济效益分析...........................................................................................675.5.3经济评价...................................................................................................685.6本章小结...........................................................................................................69结论..........................................................................................................................71参考文献......................................................................................................................72哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明..........................................76致谢..........................................................................................................................77个人简历......................................................................................................................78VI 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景随着工业化进程加快、人口剧增和城市人口仍然不断增加，我国水污染形式十分严峻，工业污水、生活污水和农村点面源污水产生量仍然巨大，生活污水持续增长的同时，工业污水和农村点面源污水增长速度明显快于生活污水，成为污水产生的两大重要来源，污水的产生量和水质复杂程度继续增加。截至2013年底，全国污水处理能力达到1.24亿m3/d，使得城市污水处理率达到89.21%。建成的雨水管网、污水管网、雨污合流管网分别达到17.0万km，19.1万km，10.3万km。污水再生处理能力达到0.18亿m3/d。污泥无害化处置能力达到0.104亿m3/d，另外，在一些经济较为发达的地区或需要重点保护的水域建立了村镇污水处理厂（如：太湖地区），对村镇污水也采取集中处理的方式进行处理，并设立《太湖地区城镇污水处理厂排放标准》（DB321072-2007）。值得一提的是，化工、印染、造纸、制药、电镀等重点污染企业产生的有毒有害难处理污水量仍然没有得到有效控制，这些工业污水中往往含有大量的难降解物质或有毒有害物质或营养物成分不协调等问题，较难处理或处理成本非常高或处理后容易产生二次污染等。排入受纳水体后使水体出现不同形式的污染：水体黑臭、水体富营养化和生态退化等问题。为了进一步提高受纳水体的水环境质量和生态系统，国内外制定了越来越严格的排放标准，并重点生态地区划定“生态红线”，而北京和上海等地区根据地区水环境保护的要求，设立了更为严格的地方污水排放标准，如：《上海市地方污水综合排放标准》（DB31-199-2009），为水环境质量改善提供了很好的保障。而后其它二、三线城市也根据自己区域水污染情况，针对主要已超标或即将超过环境容量的污染物规定了较国标标准更为严厉的地方污染物排放标准。除此之外，需要现有的污水处理厂也纷纷进行污水厂的提标改造，将原有的一级B标准提升为一级A标准。较大规模的污水厂更增设了中水回用工艺，其中以工业开发区内的污水处理厂为主，中水回用的主要用户为各个大型的工业企业和市政浇洒绿地之用。截止到2013年，我国地表水污染已经得到了很大程度的改善，许多原有的劣Ⅴ类水体，已经得到了根本上的改善，晋级为Ⅳ类甚至是水质更好的水体。而排入地表水Ⅲ类可以作为生活饮用水的水源，主要的解决对象为微污染，通过超滤及反渗透系统，城镇的水污染基本已经得到改善和控制。1 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文经过调查，我国现有水体污染物质的超标主要是TP、COD+cr和NH4-N。该类污染物质的大部分来源为农田化肥的使用和农村生活污水的散排造成的。为了更好的解决现有农村污水的排放问题，许多科学工作者都做出很多适合农村污水治理的试验方案。但是由于我国人多、地广。农村污水水质具有时空分布的差异性，其主要与当地居民的生活习惯和环保意识有关。本论文正是在该背景下，以平顶山某农村污水作为研究对象，探索出适合当地污水处理的经济性和实用性方案。1.2国内外农村污水处理现状及处理方法1.2.1国内污水处理现状及处理方法我国目前农村污水处理差异性较大，其水质及水量特点因当地居民的生活水平和气候特点区间范围较大。人均用水量一般在120～200L/(人·d)，其水质中COD日平均在250～450mg/L之间；总凯氏氮（TNK）浓度平均为20～40mg/L，最高可达70～80mg/L；TP平均为1～3mg/L，最高可达6～7mg/L。由于农村污水排放系统没有完善的收集系统，其收集率与城市污水收集率相差很大，城市污水一般的收集率在80%～90%之间。现在我国在很多农村开展了试点的环保型新型农村建设，这种具有完善给排水系统的农村其污水收集率能够达到80%，而非试点的农村污水收集率只能够达到45%～60%[1]。1.2.1.1国内农村污水处理现状我国目前正在探索根据各地情况，因地适宜的建设新型的生态农村，逐步解决污水和生活垃圾的集中治理等问题。许多与城市交壤的城乡结合带污水可以直接并入现有的城市污水处理厂进行处理。对于距离城区较远的农村了区域，多数未设置污水及生活垃圾处理系统。北方部分农村及沿海地区小部分农村适时的进行了污水处理，多数污水属于散排利用当地土地进行自然净化处理。北方气温较低的区域冬季污水排放多数属于冰冻状态，污水无法进行自然净化，待春化时污水集中开化严重的影响了当地的水质并散发恶臭。也有一些户数较多、居住较为集中的区域由政府出资进行试点处理排放，但是这种集中式处理需要一定技术人员进行定期维护，对于地处较为偏远的区域往往出现一次性建成污水处理设施后，运行一段时间后，后续技术服务难以支持等问题。针对农村污水的分散性、水质区域差异性以及后续服务难等问题，我2 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文国很多科学工作者相继研发了多种适合农村污水治理的方式，主要分为稳定塘（SP）、人工湿地（CW）、生物膜法(MBR)等，但在北方冬季水温较低的情况下处理效果差，运行管理复杂、二次污染严重、人工维护难度大等等诸多问题，目前在农村仅仅处于实验或中试研究阶段；由于系统日变化系数大，少数时间整个系统处于高负荷运行；当污水量太小时，系统只能停止运行。设有污水处理系统的集中村落多分布于沿海地区等，以城市污水处理工艺为主，但处理工艺相对落后；当村落离城市较近时，污水直接进入城市管网排水系统一并处理；一些经济不发达、离城市较远的村落基本不设置污水处理设施[2]。目前我国农村生活污水和工业污水采取多种处理方式，但是无相对统一的做法。1.2.1.2国内农村污水处理方法结合我国农村生活污水的排放特点、水质特征和污水处理工程实际案例，农村污水处理方法可分为以下三类：污水处理常规方法（厌氧/好氧污水处理技术或其一体化设备处理系统）、生态工程方法（人工湿地处理模式、稳定塘处理模式、土地处理系统、氧化沟处理模式）、循环经济工程方法（沼气净化池处理模式）、其中后两者居多。下面我们对集中常见的处理模式进行说明和分析。（1）土地处理系统模式土地处理系统是指将污水在特定条件下投配在土地上，经人工控制，通过土壤-微生物-植物共同作用，依靠微生物生化反应及物理化学过程，使污染物从污水中得以去除净化，其中物理化学过程包括沉淀、稀释、离子交换等过程，而微生物生化反应过程是最主要的过程，包括细菌、植物、动物的新陈代谢过程，将污染物转化为二氧化碳、水、氮气和植物组织部分，是污染物得到净化的主要力量。由于农村广大的土地面积，发挥土地中各种自然条件净化污水，所以土地处理系统是目前我国使用最为广泛的处理方法之一，其最大的一个优势是可以将污水中的污染物（指无重金属农村生活污水）通过经济作物种植的方式得到资源化利用。土地处理系统的分类，可分为快速渗滤处理系统、慢速渗滤处理系统、地下渗滤处理系统、人工湿地处理系统、地表漫流处理系统[3]。这些系统广泛应用于农村小型污水处理。1）慢速渗滤处理系统慢速渗滤处理系统是在较低的水力复合条件下把污水投配到土地表面，污水缓慢地在生长各种植物的土壤表面流动，之后污水向土壤和植物系统内部渗滤，使污水得以净化的土地处理工艺（如图1-1）[4]。污水一部分被蒸发，大部分则通过渗滤被植物生长需要而吸收。本工艺在我国辽宁和云南等地3 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文实例挺多，适用于气候较湿润、蒸发量较小等渗水性能良好的土壤性质为砂质的地区。该系统的优点有：受地表坡度的限制小；污水负荷低，渗滤速度慢，净化效果好；通过处理出水的回用和收割种植的经济作物，增加经济收入。该系统的缺点有：水力负荷小，占地面积大；植物的对氮的去除能力、营养需求、需水量通常会限制设计水力负荷的选取；系统的水力负荷为0.01～0.1m/周。图1-1慢速渗滤系统2）快速渗滤处理系统快速渗滤土地处理系统是在水力负荷较高的条件下将污水所投配的土地要求渗透性能良好，污水在土壤中渗滤时，通过氧化还原、沉淀过滤以及生物硝化、反硝化和氧化等一系列的生物、物理、化学作用下，使污染物从污水中得以去除净化的土地处理工艺[5]。快速渗滤系统具有以下优点：对SS、COD、TP、NH+4-N、TN、病毒和细菌等污染物质的去除率高；管理方便，投资省，占地面积小，受季节影响小；处理后的水可以回灌或回用。快速渗滤系统具有以下缺点：需要像沙土或沙壤土场地，水文地质条件要求高，该系统的适用性决定于场地和土壤的条件；由于可用有机碳源缺乏，快速渗滤系统对TN的去除率偏低，NO--3-N和NO2-N容易出现积累现象，导致处理出水中的硝态氮可能导致地下水污染。而且如果防渗做的不到位将有可能污染地下水。3）地表漫流处理系统是指污水在有植物覆盖、渗透性不强、坡度小的土地上，有控制地以喷洒的方式投配，污水以薄层的形式沿地表流动，只有小部分蒸发，大部分通过渗滤作用进入土壤，出水多以地面径流的形式排放和收集[6]。在流动的过程中，通过过滤截留了悬浮物，大部分病毒、有机物、氮素污染物和磷以等被微生物灭活、氧化分解。该系统适用于坡度小、渗透性较差的亚黏土、黏土土壤。4 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文处理系统见图1-2。地表漫流处理系统具有以下优点：预处理简单，由于对地下水影响小，而不受地下水深浅的限制，是一种高效、低能耗的污水处理系统。图1-2地表漫流处理系统4）人工湿地处理系统该处理系统是一种生态型污水处理技术，在上世纪七八十年代发展起来，目前在国内广泛应用于生活污水、工业废水、微污染水源水等处理过程[7]。潜流湿地和表面流湿地应用更广泛。由于系统处于人工的控制，且具有多样性的生物，受人为设计控制综合处理能力使污水的处理效果大大提高。进水浓度较低时，该系统对氮磷等营养性元素的去除效果不定，但对COD、BOD的去除效果具有80%以上的去除率[8]，特别对于N的处理效果可能与人工湿地中有机物供给情况有关，目前具有较大的研究和工程对此进行大量的研究，并取得了一定的效果，积累了一定的理论数据和工程经验。处理系统见图1-3。图1-3人工湿地处理系统人工湿地处理系统具有以下优点：该系统结构简单，基建费用低廉，各种处理规模均适用，运行维护与管理简单；处理效果稳定，水力负荷高，除磷和硝化脱氮能力都很强；对废水中含有的难降解有机污染物有一定的去除能力，而且还可以去除一部分重金属。此外人工湿地还可以起到改善景观的效果。5 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文人工湿地处理系统具有以下缺点：首先，温度、降雨量等季节因素的变化也限制了湿地的发展；其次，人工湿地的占地面积要远远大与常规活性污泥法。人工湿地技术适用于一些气候温暖，降雨充沛的地区。5）地下渗滤处理系统地下渗滤系统通常是由地下渗滤装置和化粪池构成，污水经过人工控制投配到地下渗滤装置之前必须经过化粪池预处理，而通过土壤毛细管力和重力的作用进行扩散，污染物质在迁移过程中通过物理、化学及生物作用等被净化。该工艺具有运行管理简单、投资省、处理出水水质好等优点，从而在国内外广泛推广。所以地下渗滤处理系统是一种不占地面土地、节能，工艺简单，污泥产量低的污水处理工艺。如设计、运行的当，处理效果良好、稳定，出水可达排放标准，可回用于浇灌城市绿地、街心公园等。某些发达国家如美国、日本对这种工艺很重视，进行大力推广。但是在国内尚处于初步发展和研究示范阶段。其工艺流程见图1-4。图1-4地下渗滤系统地下渗滤系统具有以下优点：运行管理简单；处理出水水质好，氮磷去除能力强。该系统具有总投资费用低、操作方便、费用低等优点，地面草坪可以美化环境；污水处理过程均在地下，保温效果好，冬季可以维持基本的生化反应，保证出水水质稳定达标。地下渗滤系统具有以下缺点：①具有二次污染风险，可能污染地下水和土壤；②工程造价和建设成本较大，进、出水设施埋于地下，工程量较大，且占地面积较大；③处理受场地和土壤条件的影响较大，如果负荷控制不当，土壤容易堵塞。（2）沼气净化池处理技术在广大的农村地区，沼气池净化处理模式是一种即能够产生社会效益，又能产生环境效益的污水处理方法[9]。该处理模式具有产生清洁能源再利用、不消耗电能、杀菌消毒等优点，结合“多种好氧过滤、多层次的净化和多级发酵技术”逐段降解是它的运行原理，该系统主要由预处理单元、厌氧发酵单元、兼氧发酵单元和后处理6 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文好氧过滤单元组成，出水水质不但可以稳定达标排放，而且还可以做到无害化的同时用于水产养殖或农田灌溉。其形式可分为合流式和分流式两种工艺流程，合流式是指流入池内的不同种生活污水以合流的形式进入，分流式是指流入池内的不同种生活污水以分流的形式进入[10]。目前农村家用沼气池主要分为四类，分别是水压式、半塑式、浮罩式、罐式，水压式沼气池在我国数量最多、应用最广，特别适用于水量少并且不集中的污水处理。“一池三改”模式是以沼气池为中心，在我国农村可以产生显著的经济、环境、生态效益[11]。生活污水沼气池的优点是：系统运行稳定、不消电能、产泥量少、运行管理简单、建在绿化或菜地下，还能回收能源(沼气)，不占地。生活污水净化沼气池从目前使用情况来看，在技术上也存在着一些缺点：出水水质的部分指标不能达到排放标准，污水停留时间长等。（3）厌氧、好氧生物处理技术及二者组合处理模式1)厌氧生物处理技术[12]是指水体中的有机污染物在厌氧环境下，利用厌氧微生物及兼性厌氧微生物综合作用，分解为二氧化碳和甲烷的过程，也可以叫做厌氧发酵或厌氧消化。地埋式无动力污水处理装置就是低能耗一体化的微动力装置，厌氧生物膜处理技术被应用于该装置，基本不耗能、流程简单、可以无人值守。另外在我国农村地区采用最多的厌氧生物处理技术是三格式化粪池。厌氧生物处理工艺具有以下优点：占地面积较小、负荷高、处理规模灵活、低能耗、污泥产量较低、对营养物质的需求相对较低等。厌氧生物处理工艺具有以下缺点：设备启动时间较长，生物处理效率较低，对氮磷的去除效率较低，微生物增殖速度较慢等。2)好氧生物处理技术是农村生活污水处理中应用最广泛、最基本、最经典、最传统的污水处理方法之一。在农村污水处理工程中，好氧生物处理法主要分为生物膜法和活性污泥法两大类[13]。但是在农村地区，由于水量少、水量排放不定，生物膜法工艺相对于活性污泥法而言应用更加广泛，而且生物膜法具有生物处理效果好、剩余污泥量低等优点。好氧生物处理法的污水充氧设备主要包括表面曝气机、鼓风机、射流曝气机等机械设备，系统中充足的氧气使各种微生物进行有氧生物代谢过程，使污水中的氮、磷、有机物等分解为氮气、氨气、二氧化碳、水等无污染的无机物质，同时为了供其自身生长繁殖，一些有机物合成为细胞自身物质，成为剩余污泥排出7 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文系统，使污水得以净化。如：活性污泥法工艺中具有使用较多的工艺，①SBR（间歇式活性污泥法工艺）集曝气、沉淀、排水于一体，节省了污泥回流设备，间歇曝气大大降低了运行成本；②A2/O（厌氧-缺氧-好氧）法具有脱氮、除磷的功能，是目前城市污水处理厂和工业污水处理厂应用最为广泛的工艺。为了适应不同污水水质，具有较多的变形和革新工艺，如：导致A2/O工艺、倒置A2/O工艺等；此外，生物膜法工艺也包括生物滤池、生物接触氧化、生物转盘处理工艺等[14-16]，由于生物膜适用于中小型污水处理厂，所以在农村污水处理中较常遇到。好氧生物处理技术具有占地小、运行稳定、污染物去除效率较高、抗水质水量的冲击负荷能力强、技术相对成熟、二次污染少。但其缺点是基建及运行成本较高、动力消耗较大，特别是会产生大量的剩余污泥，含有大量的污染物和病毒以及微生物，处理不当会产生二次污染。3)厌氧/好氧二者组合一体化设备处理技术厌氧/好氧组合一体化设备是在A2/O工艺上革新形成的，是一种运行稳定、处理效率极高的生化处理设备，它具有生物接触氧化处理系统、活性污泥处理系统、传统生物流化床处理系统三种工艺的综合优点[17]。厌氧/好氧二者组合一体化设备主要由接触氧化固定床、移动循环床和厌氧悬浮床组成。其工艺流程见下图1-5。该处理技术在一个装置内将厌氧、缺氧、好氧有效的结合，实现A2/O工艺的运行，其优点是处理装置的出水水质好，运行稳定、有机污染物去除效率高，但其缺点为耗电量大，运行管理复杂，设备投资较高，因此该工艺适用于占地紧张，出水水质要求高且经济较发达的农村地区，为了节省空间可建于地下。接提触沉篮达标排放或生活污水格厌氧悬浮床循环移动床氧淀者回用化池栅床图1-5厌氧-好氧组合一体化设备处理技术（4）稳定塘处理模式稳定塘是指污水依靠自然生物的净化功能得以去除污染物的生态工程技术，污水在经过条件良好、略微施工的土地上，设置一定的人工防渗层和围堤的池塘[18]，由于它是由微生物和藻类共生实现供氧和污染物。稳定塘根据塘中溶解氧浓度的大小和水中占主导地位的微生物来分，可以分为厌氧处理塘、兼性处理塘、曝气处理塘、好氧处理塘等几类。另外还有一种深度处理塘，用来处理二级处理后出水的深度处理系统。其工艺流程见下图1-6。8 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文阳光风水面好氧微生物O2藻类废水BOD物质合成CO2分解H2O塘底图1-6好氧塘净化功能模式稳定塘处理技术的优点有：可充分利用农村地区的废池塘、旧河道、沼泽地等改造修建，基建费用低；系统出水可用于水产养殖或农业灌溉，实现污水的综合化利用；运行管理维护方便，污水处理耗能小。稳定塘处理技术的缺点有：占地面积较大，有机负荷较低，受气候环境影响较大，处理效果不稳定，塘内悬浮的藻类会使COD出水值偏高；如果设计不当极易散发臭气，形成二次污染，污染地下水。（5）氧化沟工艺模式氧化沟工艺又称循环往复式活性污泥法，在20世纪中期开发的一种小型污水生物处理技术，同传统的活性污泥法来比它的水力流态却大不相同，平面形状圆形或椭圆形为主，内部结构一般呈环形沟渠状，使得污水在池内可以形成循环流，曝气形式通常采用延时曝气[19]。该工艺流程见下图1-7。图1-7典型的氧化沟工艺流程图氧化沟经过数十年的发展与应用，逐渐成为应有广泛、性能稳定的工艺。目前已经开发出大量的氧化沟变形工艺，如：Carrousel氧化沟工艺、Orbal氧化沟、T型氧化沟、三沟交替式氧化沟等等。经过大量的工程实践应用表明，氧化沟处9 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文理工艺具有运行稳定、工艺单元少、投资低、运行费用少、处理水质优、循环混合效果好的优点、并具有较强的脱氮除磷功效。但是氧化沟工艺的缺点是：占地面积巨大、转刷运行功率较大、污泥容易沉积等一些缺陷。1.2.2国外污水处理现状及处理方法1.2.2.1国外农村污水处理现状随着经济发展、生活水平提高和城镇化进程加快，点源污染还未得到有效控制的情况下，面源污染排放却日益严重，一些发达国家早在三十多年前就进行了污水分散处理的研究。在八十年代美国环保署及国会制定了有针对性的一系列面源污染控制计划。日本也于七十年代成立农村污水处理协会，研究农村污水处理的设备[20]。他的JARUS模式的15种污水处理装置，大体可分为两种类型：一类采用生物膜法，另一类是采用浮游生物法。两类方法都可使污水中BOD、COD、SS、TN、TP等污染物大幅降低。到九十年代末期，已经投产运行的农村小型污水处理厂达到2000多座，处理后的污泥用作农田肥料，处理后的水再利用于灌溉农田。德国对于分散的农村采用分散小型污水处理设施，在相对集中的农村采用集中处理，其主要以腐化池为主，外加稳定塘、生物接触池、生物滤池等[21]等。而韩国农村居民具有分散居住的特点，多采用湿地处理生活污水，其缺点是该工艺受植物生长季节的影响大、同时该工艺占地面积也大。澳大利亚主要采用FILTER(非尔脱)生态处理系统，该系统是土地处理、过滤与暗管排水相结合的污水再利用系统，处理后的中水可以达到作物养分的要求[2]。1.2.2.2国外农村污水处理方法国外农村生活污水处理与国内相比，对农村生活污水处理的研究相对较早，污水处理系统已经较为成熟稳定，一些发达国家对农村污水处理的特点有针对性的进行了大量研究试验与工程实践。因此，国外的农村生活污水处理方法也多种多样[22]。（1）高效藻类塘处理技术[23]该处理处理系统是由加州大学Oswald教授开发研究的，对传统稳定塘系统进行了改进。该处理系统利用了菌藻之间所存在的共生关系，最大化利用了藻类产生的氧气，污水中的污染物的高效降解处理得益于系统内的一级降解动力学常数值较大。10 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文高效藻类塘系统具有以下优点：占地面积较小，结构简单，污水水力停留时间短，对BOD5、病原体、NH3-N等的去除效果好，维护管理方便，基建及运行费用低，系统后面若加上高等水生生物塘，不但对SS与氮磷也有一定的去除率，而且可以去除藻类。高效藻类塘系统具有以下缺点：系统的运行受温度高低、光照多少、pH值大小等外界条件的影响较大，因此在气候温暖、光照充沛的地区应用较多。近年来，在国外很多国家都开展了对高效藻类塘系统处理农村或小城镇污水的应用与研究，而国内尚处于试验研究阶段。（2）非尔脱(FILTER)处理系统非尔脱(FILTER)污水处理系统[24]又被称为“非尔脱”高效、持续性污水灌溉新技术，是最近由澳大利亚科学和工业研究组织(CSIRO)研究开发的。该系统是过滤、地下暗管排水系统、土地处理相结合的一种污水回用处理系统。非尔脱(FILTER)污水处理系统具有以下优点：对污水中的氮、磷等有较好的去除效果，同时它可以补充农作物的养分，降低种植成本，改善了环境的同时还取得了一定的经济效益；系统运行简单，操作方便，特别适于土地资源丰富的牧区[25]。非尔脱(FILTER)污水处理系统具有以下缺点：需要建造泵房、并敷设地下管网，导致投资及运行费用加大；另一方面污水处理会受到所投配土地的农作物生长周期的限制[21]。（3）蚯蚓生态滤池(VBF)蚯蚓生态滤池(VBF)，是一种针对生活污水的污水处理技术，20世纪末由智利和法国的科学家研究开发的，又称作蚯蚓生物滤池。蚯蚓可以提高有机物的分解，还可以提高土壤通气透水性能，该工艺就是根据蚯蚓的生物学功能设计的[27]。蚯蚓生态滤池主要由生态滤床、布水装置和排水装置三部分组成。蚯蚓与系统中微生物等共同作用，分解污水的污染物质，使污水得到净化。近年来在国外蚯蚓生态滤池处理技术已开始产业化应用。Taylor等学者[28]研究了有机固废滤床对氨氮、COD、BOD5等的去除效果及规律。但在国内该工艺还在中试阶段，最先开始中试的城市是上海，污泥的总产率约小于2mg/L；SS的除率可达85%～90%以上；但对氨氮与总磷的去除率只有50%左右。11 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.2.3美丽乡村建设模式美丽乡村建设的各种模式，代表了不同类型乡村在各自的自然资源条件、民俗文化传承以及产业发展特点、社会经济发展水平等条件下建设美丽乡村的成功路径。高效农业型、休闲旅游型、环境整治型、草原牧场型、渔业开发型、文化传承型、社会综治型、城郊集约型、生态保护型、产业发展型是美丽乡村的十大模式。农村经济落后，环境治理投入不够，环境污染问题越来越突出，对群众的生活影响极大，群众要求尽快对脏乱差的环境进行治理。广西壮族自治区恭城瑶族自治县莲花镇红岩村就是一个经典案例。红岩村位于广西恭城瑶族自治县县城南面的莲花镇，地处距莲花集镇2km，距县城14km的莲塘岭万亩月柿园中。全村现有农户95户，现有耕地786亩，人口390人，以瑶族人口最多，占总人口的89%，耕地主要种植水果其面积600多亩。自20世纪80年代中后期以来，全县以果业为重点，以养猪为龙头，通过以沼气为纽带，大力发展种植业和养殖同生的生态农业，构建起了“养殖-种植-沼气”一体化发展的新模式，打造出了自身独有的优点。这就是全国著名的“恭城模式”。生态经济良性循环是“养殖-种植-沼气”组合成一体的生态农业发展新模式的基础。其主体由养殖、种植、沼气三部分内容组成。采用集中大型化养殖，通过给村民每户来接沼气输送管，把分散的沼气处理变为集中供给。所养殖的牲畜丰富了菜篮子的同时增加农户收入，同时所得收入可以支持大型沼气池的运转，为农户提供沼气，解决了沼气的原料问题。生态经济良性循环强调的是实现“生态保护-生态农业”、“养殖-种植-沼气”、“社会-经济”的良性循环。1.3常见农村污水处理模式研究1.3.1厌氧-好氧模式该模式将厌氧技术与好氧技术组合在一起，形成厌氧好氧组合工艺，最常见组合方式为厌氧沼气池-滴滤池工艺的组合，具有良好的反硝化和硝化能力。（1）厌氧折流板反应器(ABR)-曝气池组合工艺[32]系统构成：主要由厌氧折流板反应器(ABR)、好氧曝气生物滤池或好氧跌水曝气池组成。厌氧折流板反应器(ABR)-曝气池组合工艺工艺流程见图1-8：12 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文生活污水ABR厌氧反应器跌水曝气池出水图1-8ABR厌氧反应器(ABR)-跌水曝气池组合工艺流程处理能力：平均COD去除率可以达到百分之八十以上。技术特点：厌氧处理工艺不但把大部分SS通过沉淀去除，同时还使污水中的大部分有机物得到降解，大大降低了好氧处理工艺的有机负荷；污水通过厌氧的预处理，进入好氧处理段，使得污水中的氮磷等有机物进一步去除，各处理阶段发挥各自处理优势，整个系统都在稳定高效的环境中运行。（2）复合式厌氧折流板反应器(HABR)-接触氧化组合工艺[33]系统构成：包括格栅、复合式厌氧折流板反应池(HABR)、接触氧化池、沉淀池几部分。工艺流程见图1-9：生活污水格栅HABR复合式厌氧折流板接触氧化池出水沉淀池图1-9HABR-接触氧化组合系统工艺流程工艺流程：废水中较大的漂浮物、悬浮物经格栅去除，部分有机物在厌氧折流板反应池，经厌氧、兼氧分解及吸附截留被去除，流入生物接触氧化池的进水生化性能大大提高，大部分的有机物是在好氧池内进行生物分解得以去除的，在沉淀池进行泥水分离后，污水才能最终达标排放。处理能力：要想出水污染物的浓度可达到国标GB8978-1996的二级标准。该系统的容积负荷只要控制在1～2kgCOD/(m3·d)，COD去除率完全可以达到70%～80%的设计要求。技术特点：由于厌氧折流板反应池可以起到很好的水量、水质调节作用，省去了常规用来均量、均质调节池的投资，节省了基建投资，同时节省了基建投资、兼氧分解作用效果也很明显；该工艺的特点就是处理系统的投资低，剩余污泥量少，运行费用低、管理简单等。1.3.2厌氧-厌氧处理模式该模式是指厌氧沼气池、厌氧生物膜法、厌氧活性污泥法等处理单元根据实际13 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文污水水质变化互相结合形成组合厌氧工艺。该工艺包括生态厕所技术[34]，Uponor、BioTrap和Biovac[35]等装置，这些工艺组合属于集成式的小型厌氧处理模式。上海市政院[36]所开发的复合厌氧反应器利用厌氧处理组合工艺模式在上海农村生活污水处理中获得了良好的处理效果。由沈东升等[37]人开发研究的地埋式污水处理系统也属于该模式，总氮、总磷、SS、CODcr、BOD5、大肠菌群等去除率分别达18.3%～23.0%、34.0%～35.0%、80.5%～90.2%、66.1%～68.3%、70.8%～76.8%、95.8%～99.8%。从以上统计可以看出该模式的缺点是脱氮除磷效率低，运行复杂，投资高、运行费用高；其优点是该模式具有对外界条件要求不高、装置占地面积小等优点，目前，该技术经济发达、污水中有机物污染物多的农村地区，比如旅游景区生活污水的处理就可以采用该技术。1.3.3厌氧-生态处理模式该模式结合厌氧技术和生态技术形成厌氧生态组合工艺。马鲁铭[38]等对某市某区运行的农村分散式处理系统中的三种不同的人工湿地处理工艺运行情况进行调研，并采取了跟踪运行测试，最终结果显示，三种工艺对COD去除效果非常明显，可以达到国标污水厂排放二级标准，实现保护农村居住环境、消除水体黑臭的目的。该模式的农村净化沼气池以单户或几户修建，管理简单，为地埋式钢筋混凝土和砖混结构，水质稳定[39]。该模式生态浮床占地面积较大，氮磷去除率在低负荷情况下仍然很高。农村收入低，经济不发达。该模式形式简单，运行方便，电耗低，总投资低，适用于农村地区。厌氧水解-人工湿地组合工艺生活污水中的树叶、塑料袋等大块的物质经过格栅去除之后进入沉砂池，通过砂水分离去除污水中的砂子等。为了确保后续工艺的稳定运行，沉砂之后的水要经过调节池，调节水量和水质。之后污水经潜污泵提升进入厌氧池进行水解，胶体状态或悬浮状态的有机物质在产酸细菌及细菌胞外酶的作用下转化为溶解性有机物，有机物由大分子物质分解为小分子物质。最终污水进入组合式人工湿地，继续降解剩余污染物，其中植物对氮、磷的吸收作用可以有效降低污水中氮、磷含量。污染物质在人工湿地内部分被植物吸收利用，水质得到净化后达标排放。人口规模在1500人以下的中小型农村处理构筑物设计尺寸如表1-1[40]14 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表1-1构筑物设计尺寸选择处理构筑物格栅沉砂池厌氧水解池人工湿地人口规模规模(m3)(L×B×H)(L×B×H)(L×B×H)(L×B×H)200-300人40m30.6×0.5×0.80.9×0.6×1.01.8×2.0×2.215.0×10.0×1.0500-600人80m30.8×0.6×1.01.0×0.6×1.03.5×2.0×2.220.0×15.0×1.0800-1000人150m30.8×0.7×1.02.0×1.0×1.05.0×2.8×2.530.0×20.0×1.01200-1500人200m31.0×0.8×1.02.0×1.2×1.05.5×2.8×2.530.0×25.0×1.01.3.4好氧-生态处理模式该模式结合好氧技术和生态技术形成好氧生态组合工艺，好氧单元包括生物滤池、接触氧化等，用于去除有机物和硝化，生态单元包括土壤渗滤、人工湿地等，用于反硝化和除磷。占地面积较大、如采用自然通风或跌水曝气，可节省动力消耗。（1）滴滤池-人工湿地组合工艺系统组成：由调节池、滴滤池和人工湿地组成工艺流程见图1-10：回流生活污水调节池滴滤池人工湿地排放图1-10滴滤池-人工湿地组合工艺流程图处理能力：滴滤池处理效果的影响因素包括水力负荷、有机负荷、回流比等，且在水力负荷为4.0m3/(m2·d)，COD有机容积负荷小于0.5kgCOD/(m3·d)，最大回＋流量为两倍时，处理效果最好，NH4-N的去除率分别达百分之九十以上、COD的去除率分别达百分之八十五以上，经过滴滤池之后污染物将在人工湿地处理系统中进一步去除，最终TN和TP去除率达可以达到70％、和80％的处理要求。技术特点：滴滤池与人工湿地相结合的技术具有管理简单、投资低、能耗和运行成本低等特点，是一种新型的，具有独创性的农村生活污水处理技术。同时该技术考虑了污水处理的资源化，非常符合农村地区的实情，可以在农村大力推广。利用人工强化与自然净化的原理开发的该工艺组合，作为农村生活污水处理的示范工艺，应用于处理农村生活污水的滴滤池与人工湿地相结合的技术应该是一个有15 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文益的尝试[41]。（2）接触氧化-水生植物塘组合工艺系统组成：此项技术是依靠接触氧化与植物净化相结合进行污水处理的工艺[42]。村镇生活污水通过排水沟渠进入格栅等预处理设施之后，提升到污水沉淀塘（可用废弃鱼塘修建）。部分SS在塘中沉淀去除，有机物和氨氮是在接下来的折流式接触氧化池中通过好氧微生物的生化反应得以去除，此时有机物、氨氮、悬浮物各项指标基本达标，只是总磷浓度会有所超标，并有一些残留的硝态氮。TP和残留的N的去除主要靠植物净化塘来处理达标排放。处理效果：该处理系统，可以明显减少向自然水体排放的污染物质的量，以1000t/d处理污水能力计算，每年大致可以减少氨氮2957kg，总磷1022kg，COD47450kg，减排效果明显，出水的BOD、SS指标明显优于二级生物处理准，完全可以稳定达到国标中的一级B标准，符合农村污水治理的排放标准。技术特点：投资省，运行费用低，自控要求低，管理简单；若植物选取合理，其污水处理效果有效、可靠、稳定；适合农村污水流量变化大，出水不连续的特点；水环境得到改善的同时也可以美化景观。1.3.5厌氧-好氧-生态处理模式该模式结合了厌氧技术、好氧技术及生态技术形成复合工艺[43]。该工艺综合利用了厌氧、好氧和生态处理各项技术的优点，对悬浮物、有机物、总氮和总磷的去除效果大大加强。吴磊等人研究采用的厌氧-跌水充氧接触氧化-人工湿地组合工艺小试结果显示，COD的去除率达81%，TN的去除率达83%，总磷去除率达82%。该模式可应用于养殖废水的处理。其优点是：运行管理简单方便，出水水质好，进水负荷高，可直接用于农田回用。其缺点是占地大，好氧曝气增加了电能的消耗，运行管理费用高，对于我国农村的经济水平并不适用。只适合可以利用非动力供氧的农村选用，如可以利用地形落差进行跌水曝气等。其最具有代表性的两种组合工艺就是强化厌氧塘+人工湿地+好氧塘处理工艺和厌氧池+接触氧化+水生蔬菜型人工湿地处理工艺。强化厌氧塘+人工湿地+好氧塘处理工艺由厌氧塘、兼性人工湿地和好氧塘组成，在塘的构造上，好氧塘和厌氧塘内加设了出水堰及布水穿孔板，大大改善了系统的水力特性[43]。厌氧池+接触氧化+水生蔬菜型人工湿地处理工艺主要由厌氧池、跌水充氧接触氧化池、人工湿地(水生蔬菜型)三个单元组成。16 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.4常用污水回用深度处理工艺1.4.1臭氧/过滤/活性炭组合工艺臭氧/过滤/活性炭工艺能有效去除水中的污染物，是臭氧氧化、过滤、活性炭吸附和生物降解组合成一体的技术（见图1-11），被广泛应用于微污染水和饮用水的处理中[49]。利用过滤对水中SS截留作用，使得SS去除效果明显；NO-2-N最有效的去除方式就是臭氧强氧化，CODMn的有效去除方式就是通过活性炭的吸附作用得以实现。处理工艺见图1-11臭氧原水过滤活性炭出水图1-11臭氧/过滤/活性炭工艺1.4.2膜技术在20世纪60年代的膜分离技术兴起，膜技术是一种高效新型的分离技术，主要包括反渗透、纳滤、电渗析、超滤、微滤等，其优点是占地面积小、操作管理方便、处理效果好。在废水回用技术中，为了出水水质可达到中水或回用水水质要求，通常采用膜分离技术，该技术不但具有低污染、效率高和工艺简单等优点。特别是在水质要求较高的处理工艺中，反渗透技术应用较为广泛。北京某大学学生公寓中水回用工程采用膜生物反应器，在进水水质：COD≤300mg/L，氨氮≤40mg/L，浊度≤450NTU的情况下；出水水质达到COD≤10mg/L，氨氮≤2mg/L；北方某小区中水处理回用工程同样采用此种工艺，在进水水质BOD5≤220mg/L，COD≤400mg/L，氨氮≤40mg/L时，出水水质满足：COD≤50mg/L，BOD[50]5≤12mg/L，氨氮≤1mg/L，处理效果见表1-2。表1-2膜生物反应器处理效果水质CODcr(mg/L）氨氮(mg/L）BOD5(mg/L）进水水质≤400≤40≤220出水水质≤50≤1≤1217 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.4.3曝气生物滤池曝气生物滤池构造见图1-12，简称BAF，这种新型生物膜法处理工艺是欧美在80年代末发展起来的，于90年代初得到较大发展，该工艺具有去除多种污染物值的作用，包括COD、BOD、SS、硝化、除磷、脱氮、去除AOX（有害物质）等。曝气生物滤池是集生物氧化和截留悬浮固体一体的新工艺。该工艺的主要优点是处理效率高、出水水质稳定、体积小、占地少、工程投资小、处理流程简单等优点。从代秀兰[51]对石化废水的深度处理研究表明：在适当的气水比和水力负荷条件下，废水中的COD去除率在50%以上，达到中水回用标准，并且可以保证出水水质稳定。空气进水管空气空气出水管对流生物接触氧化过渡区滤滤滤曝气生物过渡区料料料曝气生物过渡区反冲空气管导流墙排泥图1-12曝气生物滤池构造图1.4.4自然生物处理技术依靠自然生物净化功能使污水得到净化的技术叫做污水自然生物处理技术。自然处理技术包括稳定塘、人工湿地、土地处理系统等。该项技术具有投资低、运行成本低、污染物去除效率高等优点。人工湿地是一个综合系统，见图1-13，它应用整个自然生态系统中结构与功能协调、物质循环再生、物种共生原则，让污染物良性循，使得资源的再生潜力充分发挥，避免二次污染环境，是一种比较好的水体生态处理法，并且使污水处理与资源化达到最佳效益[52]。北京顺义区杨镇一中校园北部采用组合型人工湿地处理工艺，经过两个月的18 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文连续监测，结果表明，集成型人工湿地能有效地降解生活污水，使其达到相应的回用水标准[53]。图1-13人工湿地处理工艺流程图1.5研究的目的意义及内容1.5.1研究的目的和意义目前我国农村环境的目标就是为建设“美丽乡村”而奋斗，进一步加强农村综合整治工作、生态建设、环境保护等[44]。“十二五”规划中提出，“十二五”末，城市管网建设要建设达到16万公里，污水处理率要达到85%以上。鼓励规模较大村庄和乡镇建设集中污水处理设施。在“十二五”的最初三年，环保部用于农村乡镇环境综合治理投资将达到120亿元[46]。除此之外，国家加强对农村污水治理适用技术和先进技术的奖励政策的同时还计划在农村地区，在接下来两年内建成2万个连片治理示范工程，作为“十一五”农村污水治理规划的补充内容。当前我国大部分农村地区都没有污水处理设施，每家每户产生的生活污水，不经过任何处理便直接排放，或渗入土壤或流入村边的小溪河道，不仅污染了周边的水环境，导致农村环境污染越来越严重，而且随着农村经济的快速发展，农村生活污水排放量还有逐年增多的趋势[47]。“垃圾靠风刮”、“污水靠蒸发”、“有新屋没新村”还是不少农村环境面貌的真实写照。污水横流不仅容易造成疾病传染扩散，为农村安全饮水埋下隐患，而且威胁农民的身体健康，给农民的生存发展带来很大危害。如果我们把江河比作为“主动脉”，那么农村的涓涓小溪就好比是“毛细血管”，要净化这些“毛细血管”，就必须加快农村生活污水的治理。特别是随着农村生活水平的提高，群众对生活环境也提出了更高要求。因此，农村污水治理势在必行，不但是社会主义新农村建设的重要内容，也是建设美丽乡村的19 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文需要[48]。1.5.2研究内容本研究针对目前大部分农村地区环境现状，结合国内外常见农村污水处理模式，提出几种适合不同农村地区的污水处理模式并作了详细介绍，最后以平顶山市某农村为例，综合考虑该村经济状况、人口规模、地形地貌等因素，选用化粪池和废弃矿渣人工湿地组合工艺进行生活污水处理，工艺设计过程中，采用实验室小试装置进行模拟，以COD、SS、TP、氨氮四项指标来反映工艺运行效果并进行工程技术经济分析。（1）王店村污水处理及回用方案比选结合王店村地形地貌和经济条件等综合因素以及生活污水特点，确定了该村污水处理模式以及污水回用深度处理工艺模式，并根据王店村规划总平面图（2009-2025）,依据其地势特点，采用化粪池-人工湿地和厌氧水解酸化池-人工湿地两种模式进行比选，综合考虑占地面积、王店村地势、经济水平等因素，最终确定化粪池-人工湿地处理工艺。综合考虑国内目前农村污水回用深度处理工艺的水平以及王店村的经济情况，确定王店村污水回用处理工艺。（2）王店村污水处理及回用优选工艺方案设计在确定处理工艺的基础上，继续确定处理水量，对化粪池池容和人工湿地植物、基质、系统以及回用工艺进行设计，并对工艺进行工程技术经济分析。（3）王店村污水处理及回用工艺实验模拟通过实验室小试装置对工艺经行实验室模拟，对工艺进行优化和调试。探讨系统对生活污水中COD、氨氮、TP、SS的去除效果，并对运行结果进行分析。1.5.3技术路线主要技术路线如图1-14所示：20 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文国内外农村污水处理现状文献调研国内外农村污水处理工艺与模式常用污水回用深度处理工艺王店村污水厂调研污水处理及回该厂污水处理及回用技术探讨用方案比选指导生产：污水处理工艺方案确定为农村污水处理技术提供新废渣去除有机物的研究方案污水处理及回工艺优化调试/连续性运行用工艺实验模拟废渣与生物组织的作用效应污水处理工艺技术分析污水处理及回用优选工艺方污水回用现状与工艺设计案设计工艺技术经济评价图1-14技术路线图21 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章材料与方法2.1试验装置及主要设备2.1.1试验运行参数水力负荷1.25m3/(m2·d)，平均室温18.9℃，连续进水，进水CODCr平均浓度为1169.54mg/L，整个实验运行时间为30天，共取样14次，所测指标有NH+4-N、NO-3-N、TN、TP、CODCr、pH。5个箱体单位运行时间（24h）的不同时间参数如表2-1。表2-1不同运行阶段工艺参数设置箱体编号(反应时间h)阶段1#2#3#4#5#(种植高羊茅)进水44444反应18126312出水22222闲置0612156序批式的运行方式类似于传统的SBR方法，共有4种运行工艺条件（如表3-3），包括进水、反应，出水，闲置四个阶段，主要的时间参数是反应和闲置这2个参数，其中闲置的时间即控制了农村生活污水冲击废弃矿渣的复氧时间。在实验运行前，构建完毕的废弃矿渣床体后，用清水（自来水）运行1-2周至稳定状态后再进入实验。整个实验时长为30d，并以24h为单位运行时间完成从进水到闲置一个运行周期，共取样14次，每次取样6个（包括进水样），每个反应器进水的时间均为4小时，但污水在每个生物反应器中反应时间均不相同，并以18h、12h、6h、3h反应时间以此减小，在种植高羊茅植物的5号床体，设置其反应时间为12h，以此来作为对照实验，考察植物与废弃矿渣相结合的去污效用。各反应器的闲置阶段时间也不相同。不同阶段的具体操作时间（见表4-4）。2.1.2序批示废弃矿渣生物反应床实验装置此研究装置运用五个反应器（高30cm，长40cm，宽20cm）以24h为单位运22 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文行周期。其在运行期间，进水阶段，农村生活污水连续不断的进入废弃矿渣反应器，直到污水没过废弃矿渣床体，并以不同的反应时间作用于每个生物反应床体，污染物质的去除就是在反应阶段利用废弃矿渣表面的生物薄膜进行物理吸附和生物化学的降解。此次序批实验的周期为30d，水力负荷为1.25m3/(m2·d)，每个反应器的液固比为1:20。高羊茅由于它发达的根部和可以承受长时间的水力负荷的特点而被选为特定的植物，种植在5号废弃矿渣生物反应器中（如图2-1）。图2-1序批示废弃矿渣生物反应床实验装置图2-2废弃矿渣生物反应器装置图（剖面图）从图2-2中可以看出，生物反应器的填料铺设分为三层，卵石层粒径为20~30mm，铺于最底层，以刚好覆盖床体底面为宜，石英砂粒层粒径为1~3mm，孔隙率40%，以覆盖卵石层为宜，经过去渣（塑料，竹木，纸张等）的废弃矿渣层铺至床体2/3处，以刚搞覆盖床体流水管道为宜，以便污水顺利流入整个反应床体。进水和出水均通过阀门来控制，取样水以出水中段为宜。23 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.1.3测试分析主要设备常规检测项目所用主要设备见表2-2。表2-2常规检测项目所用设备表序号检测项目所用主要设备1测TP手提式蒸汽消毒器、分光光度计2测CODCOD快速测定仪3测SS称量瓶、孔径为0.45μm滤膜、离心分离机、烘箱4测总氮600瓦可调温电炉两台、凯氏烧瓶及凯氏蒸镏装置5测氨氮722N型可见分光光度计、50ml比色管6测NO3--N分光光度计、瓷蒸发皿7微生物镜检分析光学显微镜8测微观结构扫描电镜(SEM)2.2试验水质与药剂说明2.2.1试验水质与原料2.2.1.1水质水量特征生活污水采集自平顶山市某农村，主要来自于家庭抽水马桶和浴池，而厨房盥洗等污水散乱排放至地面。采集的生活污水浓度较高，利于探索湿地床层对污染因子的去除能力。在室温条件下运行，温度介于30～35度。该村每天产生生活污水400m³/d。污水经处理后要求达到国标一级B标准，处理工艺设计进出水水质情况见表2-3。表2-3设计进出水水质(mg/L)指标名称CODcrTP氨氮进水水质3852.740出水水质≤60≤1≤824 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.2.1.2废弃矿渣与粘土土样试验所用废弃矿渣来自与附近城市生活垃圾填埋场，该填埋场已经运行10年了。该填埋场内的垃圾组成为20%塑料，60%厨余，15%其他物质（纸张，织物，竹木，渣石等），每天的垃圾填埋量最高可达4000吨/天。废弃矿渣样品是在实验室内讲过自然干燥，除去了一些不可降解的物质，如石子，玻璃碎片，塑料薄膜，橡胶等的。本次研究采用的废弃矿渣均经过2.0mm过筛。废弃矿渣含有(11.20±1.64)%的有机质，(1.58±0.13)%的Fe2O3，(0.82±0.06)%的Al2O3和(5.43±0.21)%的CaCO3(n=3)。具体组成性质见表2-3。测定方法具体如下：有机质用重铬酸钾氧化采用外加热法；pH用CaCl2浸提采用电位法测定；阳离子交换容量采用1mol/L乙酸按交换法；CaCO3含量采用用中和滴定法；活性铁铝(Fe2O3/Al2O3)采用用pH=3.0柠檬酸铵浸提法和原子吸收法。表2-4废弃矿渣样品基本理化特性(n=3)理化性质单位废弃矿渣pH(CaCl2)7.53±0.15阳离子交换容量(cmol/kg)70.89±1.89比表面积(m2/g)4.59±1.20有机质含量(%)11.19±1.63活性铁Fe2O3含量(%)1.58±0.13活性铝Al2O3含量(%)0.82±0.06CaO含量(%)5.43±0.21不难发现，废弃矿渣的比表面积较大，有机质及无机物含量丰富。表2-5粘土与废弃矿渣两种样品基本理化特性比较理化性质单位粘土废弃矿渣pH6.75±0.207.53±0.17阳离子交换容量(cmol/kg)51.6±1.7070.91±1.89比表面积(m2/g)0.87±0.524.62±1.20有机质含量(%)2.21±0.4811.20±1.63Fe2O3含量(%)0.86±0.701.58±0.13Al2O3含量(%)0.25±0.030.82±0.06CaCO3含量(%)2.04±3.305.43±0.21为了进行对比研究，还采用了太湖流域的稻田土壤样品。试验所用粘土样取自25 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文某市某农田(N:31°31",E:119°57")。各种粒径比例为：砂粒为24.5%，粘粒为43.3%，壤粒为32.2%。粘土与废弃矿渣样品基本理化特性列于表2-5。表2-5中，与粘土相比，废弃矿渣有巨大的比表面积，其后称了物理吸附的应用基础。废弃矿渣中有机质含量远远超过粘土中的有机质，腐殖质是有机质的主要主成部分，其分子结构中所含的活性基团能与污染物质特别是金属离子进行离子交换、络合或螯合反应，这是有机质去除污染物质的基础。以及粘土样品中的Ca、Al和Fe含量都远低于废弃矿渣，使其具备了磷库的条件。阳离子交换量同样大大超过粘土，高达72.8cmol/kg，与肥沃的壤土。这些特性均表明废弃矿渣细料做污染物处理基质时，具有优良的理化性质，能提供极好的优良的微生物群体活动环境以及吸附交换条件。本实验所用的废弃矿渣和土样需经过2.00mm过筛，并45℃烘干两天后待用。2.2.2主要试验药剂常规检测项目所用试剂见表2-6。测试方法按照《水与废水监测分析方法》（第四版）标准方法执行。表2-6常规检测项目所用试剂表序号检测项目所用主要设备硫酸、硝酸、高氯酸、氢氧化钠溶液、过硫酸钾溶液、1测TP抗坏血酸溶液、钼酸盐溶液、浊度—色度补偿液、磷标准贮备溶液、磷标准使用溶液、酚酞溶液2测CODD试剂、E试剂、标准样3测SS蒸馏水浓硫酸、NaOH溶液、硫酸铜溶液、硼酸溶液、无水硫酸钾或4测总氮无水硫酸钠、标准溶液、混合指示剂、酚酞的乙醇溶液、4%Na2S·9H2O溶液、蒸镏水纳氏试剂、酒石酸钾钠溶液、铵标准贮备溶液、铵标准使用5测氨氮液6测NO3--N酚二磺酸、氨水、硝酸盐标准贮备液、硝酸盐标准使用液7微生物镜检分析去离子水26 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.3试验方法2.3.1磷等温吸附试验2.3.4.1KH2PO4将化学纯KH2PO4和蒸馏水配置成容积为2000mg/L的溶液，放在4℃的冰箱里，作为贮备液存备用。实验样品必须当天配制。每次实验前取出标准液稀释到需要的浓度。2.3.4.1实验方法称取风干粘土和废弃矿渣样各5.0g，经过过2.0mm筛子筛分，固液比按照1:20的比例各加入100.0mL含磷量为小于10g·P/L的0.02mol/L氯化钾溶液，在25℃恒温培养箱不间断振荡24h，取样后以转速4000r/min的速度离心10分钟，马上测定磷酸盐的浓度，依据吸附前和吸附后溶液中磷酸盐的浓度差，计算其吸附磷量。2.3.2磷脱附实验废弃矿渣样品经过等温吸附离心后，要用95%的酒精进行多次反复洗涤，直到上清液中彻底无磷(钼兰法检验)后，加入0.02mol/L氯化钾溶液100mL，在恒温培养箱（25℃）中不间断振荡约24h，以转速为4000r/min的速度离心10min，测定磷酸盐的浓度，计算解吸量。2.3.3硝化实验在容积250mL的具塞血清瓶内所有的培养实验均批式进行，精确称取经风干、过2.00mm筛后的废弃矿渣（或粘土）土壤样品50g放置于瓶中。分成7组进行培养，按照时间长短，在分别投加(NH4)2SO4溶液后的第1天的第2个小时、第6个小时、第12个小时、第24个小时以及在第3天、第5天和第10天，测定土样经过(NH4)2SO4溶液后NO-+3-N和NH4-N的含量，考察微生物对硝酸盐氮生成的能力和氨氮氧化的能力，氮的负荷按100mg·N/kg投加（废弃矿渣基于干基重）。在废弃矿渣和(NH4)2SO4溶液投加后，保持含水率为15%，折合成孔隙含水率大约为47%，在此条件下，氮转化主要以硝化过程为主，其主要原因是废弃矿渣（或粘土）内部完全处于有氧条27 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文件。为了使样品与液体混合均匀，恒温（25℃）培养瓶先在摇床上连续振荡1小时后放入25℃恒温生化培养箱中避光培养，并且要求每个样品必须设置2个平行样。2.3.4反硝化实验当土壤样品中含固率低于40%时氮转化过程将会主要以反硝化过程为主，因为此时土壤内部将会处于厌氧条件。实验流程与硝化相同，为了达到孔隙含水率为68%（高于60%），要保持含水率为25%。在密闭具塞血清瓶内，投加氮负荷为200mg·N/kg（KNO3）的硝酸盐，在废弃矿渣样品与粘土样品中考察其微生物对硝酸盐氮的去除能力。2.3.5分析方法经过不同反应周期的生物床体，平均每两天采集一次废水样。测定指标为进出水COD+-[57]Cr，NH4-N，TN，TP，NO3-N和pH，分析方法参考标准。处理效果根据以下各参数的去除率计算：CiViCeVeRemovalefficiency(R.E.)=×100CiViCi，Ce——表示相应指标进出水浓度(mg/L)；Vi，Ve——表示序批实验构建湿地中相应指标进出水的体积。废弃矿渣和粘土悬架的pH值利用玻璃电极(PHB-9901)测定。数据分析：所有数据均通过origin8.1进行数据处理及分析，数据统计分析采用SPSS10.0软件进行，以平均值±标准差表示数据(n=14)，组间进行显著性t检验对相关数据进行差异性分析(ANOVA)，如果P<0.05则表示存在明显差异，P<0.01表示差异极显著。2.4检测指标与测定方法本试验所需检测的常规项目包括：TP的检测、COD的检测、SS的检测、总氮的检测、氨氮的检测、NO-3-N的检测和微生物镜检分析。供试废弃矿渣取自南京城市生活垃圾填埋场，填埋龄为10年。废弃矿渣样品是在实验室内讲过自然干燥，除去了一些不可降解的物质，如石子，玻璃碎片，塑料薄膜，橡胶等的。本实验所用的废弃矿渣和土样需经过0.20mm过筛，并45℃烘干两天后待用。取经过0.20mm过筛，并经过45℃烘干的废弃矿渣样品5g进行SEM电28 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文镜扫描，观察其微观形态。本样品在常州大学化工学院进行检测。微生物镜检操作：将少量的表面已经吸附有成熟生物膜的废弃矿渣和少量的去离子水同时加入洁净的烧杯中，用玻璃棒进行人工搅拌（搅拌速率约为50rpm）2min左右；然后除去烧杯中废弃矿渣的残渣，保留烧杯中悬浊液，静沉10min左右，除去上清液；最后将烧杯中的悬浊液1-2滴加入载玻片上，并盖好盖玻片后用光学显微镜进行指示微生物观察，根据指示微生物的数量、种类、活性等定性判断废弃矿渣表面微生物膜的特性。COD、氮素污染物（氨氮、总氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮）、总磷、SS等水质分析技术采用国标法进行[57]。化学需氧量(CODcr)采用重铬酸钾法测定；总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；硝酸盐氮采用麝香草酚分光光度法测定；总磷采用钼酸铵分光光度法测定；SS表示水中为溶解的固体悬浮物质，通过膜滤、烘干、称重的方法测定。29 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第3章王店村污水处理及回用方案比选根据第1章文献调研可知，先存在污水处理技术包括厌氧、好氧以及生态技术相结合等模式，同时，污水回用技术已被广泛关注。为确定王店村污水厂处理工艺以及回用方案，本章主要调研了该污水厂周边规模，研究了适用于王店村污水厂两种污水处理技术，并对对污水回用技术进行选择；同时，通过出水水质对工艺进行比较优选，从而最终确定该水厂最有效的处理方案。3.1王店村污水厂调研3.1.1污水厂规模简介王店村位于廉村镇东南部11km处。廉前公路穿街而过，交通便利，其历史源远流长，古有回龙镇、永安镇之称。每年正月二十五的古庙大会更是壮观。王店村经济以农业为主，主要种植小麦、玉米，兼种油菜及小杂粮。村庄辐射前王庄、后盆王、徐庄、牛王庙等四个自然村。王店村现有一个村委会，一所小学。王店村总人口为2150人，600户，耕地3500亩。农民人均收入3869元。无其他公共设施。（其中包含前王庄、后盆王两个自然村）。徐庄现有人口420人，耕地550亩，牛王庙现有人口820人，耕地1000亩。根据《廉村镇中心村设置方案》，本规划将徐庄、牛王庙逐步向王店中心村集聚；规划期末将形成以王店原村址为中心组团、辐射两个新建组团的空间格局。3.1.2水厂周边环境现状村庄基础设施水平低，居民点散乱，村内住宅布局无序，环境面貌差。基础设施和环卫设施建设存在问题：（1）缺少污水处理设施和雨污水排放沟、管系统；（2）电线乱拉、污水乱排、垃圾乱倒、环境卫生质量差；（3）村民家庭卫生设施条件差，大部分为室外独立厕所或简易厕所。景观风貌存在问题：（1）建筑形式杂乱，乡村特色不突出；（2）绿地率低，缺少公共绿地和公共活动空间；（3）原有寨壕沟不畅通，失去了原有的特色，水质恶臭。30 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.2适用于王店村的污水处理及回用技术探讨如何选择适宜的污水处理工艺，应当从以下几个方面考虑，如污水处理规模、污水处理的进出水质要求，工程场地概况及地质情况，周围环境外部条件等。由于外部条件决定所选工艺的合理性，想要提出适合于具体项目的工艺，必须在生产实践上优化总结。农村经济技术薄弱，农村和城镇污水处理模式完全不同，须结合农村生活污水特点和农村实情来选择合理的处理工艺。农村生活污水处理方式的选择，一般应按以下原则执行：（1）因地制宜：农村生活污水处理要因地制宜地选择有效、简单、经济的污水处理技术，就必须根据工程所在镇村的地形、人口、功能、气候、地质、经济水平和排放要求等，通过方案的技术经济比较来选择，不能拘泥于一种或几种模式。如；有的村镇用地紧张、经济条件好，就可以采用由生物厌氧-生物好氧组合工艺处理设备；有的村镇气候好、用地宽松，就可以采用稳定塘、人工湿地或其组合的生态处理技术。（2）维护管理简便：由于我国农村地区运行维护管理人员缺乏，经济落后，即使污水处理场站建成投产后，也无法正常的维护和科学的管理。因此，在农村宜采用日常管理简单、维护要求低的污水处理工艺。（3）运行费用低廉：目前，我国农村能够提供的生活污水处理设施运行费用十分有限，农村地区经济相对不发达，财政紧张，在城镇污水处理中推广使用的好氧处理技术投资大、运行费高，不宜在农村大面积应用。因此，在各项条件许可下，应尽可能采用污水处理能耗小的厌氧处理法或化生态法。（4）工艺流程简单：在一些村镇生活污水处理的设施缺乏管理人员，污水处理量小，运行管理跟不上，因此所选的工艺流程要简单，尽量采用工艺环节少的工艺流程。一般来说，农村生活污水处理工艺中最好做到不设二沉池和初沉池，可采用生物膜法或生态处理法省去二沉池，利用体积较大的均化池省去初沉池和调节池。从廉村镇王店中心村规划总平面图（2009-2025）来看，该村居民整体居住分散，且水域充足，村内有多处坑塘，依据地势特点，可以考虑采用两种模式，一种是污水排放采用整体与局部相结合，各部分规划一处污水处理设施（高效波纹玻璃钢化粪器，而后进入人工湿地处理）；二是道路上规划有污水管线，所有生活污水和废水经污水管网收集后汇流入污水处理设施（厌氧水解酸化池+人工湿地），再进行回用处理，经处理达标后用于农田灌溉或者排入寨壕沟。所有的处理设施为了与31 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文周围环境协调一致，要进行绿化处理。污水主干管管径为d400，宅前管管径为d200。根据该村回用水使用对象和污水处理工艺出水水质，结合我国目前农村污水回用处理的现有技术水平，宜选择混凝沉淀过滤和直接过滤法两种工艺。农村地区应严禁将粪便污水未经处理直接排入门前排水沟，村民为了改善生活环境，应改圈、改厕、改厨，将粪便污水排入沟渠之前要经过三格式化粪池预处理；为了保持村内的环境卫生，减少污废水的外排量，有条件的农村地区可建沼气池，消纳粪便污水和生活废水。沼气池做法示例见图3-1：图3-1沼气池工艺图3.2.1厌氧水解酸化池与人工湿地联合工艺村庄生活污水中的杂质、悬浮物、漂浮物通过沟渠或者管道进入格栅井截留后；进入沉砂池，通过物理的砂水分离作用，将污水中粒径较大的无机颗粒物分离出去；之后污水进入调节池，使污水处理系统的水量水质尽量均匀；水量水质调节后，进入后续的生化系统。首先进入生化处理系统的厌氧水解池，污水中大分子有机物在水解和产酸菌的水解酸化作用下，分解为小分子有机物，大大提高了污水中溶解性有机物的含量；在相对较高的负荷下和较短时间内，提高和改善水的可生化性，获得较高的悬浮物去除率，使得后续处理系统的有机物更容易降解。污水经过厌氧池进入人工湿地，人工湿地通过吸附、过滤、生物降解和植物吸收等作用以去除污水中的污染物，使污水最终达标排放。污水处理系统的格栅、沉砂池、厌氧水解池、人工湿地等处理单元都需要运行维护管理人员定期进行人工维护和清理。32 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文人工湿地是指将砂、砾石、煤渣和土壤等材料按一定比例填入由人工控制的、工程化的沼泽地，依据天然湿地污水净化机理，并且在其上种植一些适宜生物降解的水生植物的污水处理系统。人工湿地要求所选植物具有抗病虫害能力强、根系发达、茎叶茂盛、有一定经济价值，抗寒能力校和耐污能力强等，直接吸收、固定和富集污水中有毒有害物质和营养物质，其能量来自于光合作用，是污水净化的主体；还具有生产可再生资源、改善环境等价值。工艺流程见图3-2：截留污水格栅沉砂池调节池达标排放人工湿地厌氧酸化池图3-2厌氧预处理—人工湿地处理技术工艺图3.2.2化粪池与庭院式人工湿地联合工艺化粪池是依据厌氧发酵和沉淀原理，去除生活污水中有机物、悬浮性物质和病原微生物为主要目的的污水处理设施，属于初级的过渡性生活处理构筑物。污水中部分悬浮物通过化粪池一定时间的沉淀作用去除。沉淀下来污泥中的有机物再经过厌氧发酵转化为稳定的熟污泥，含水率大大下降的同时改变了污泥的结构。定期将化粪池所产生的污泥清掏，进行填埋或再利用[54]。化粪池的预处理是最有效防止管道堵塞的一种方式，同时可有效减轻后续处理构筑物的有机污染负荷。庭院小型人工湿地，依靠水生植物根系的吸收、本身基质的过滤吸附、厌氧生物菌群和好氧生物菌群的分解作用净化污水。该种模式规模较小，处理之后的出水水质好，污染物的去除率达百分之九十以上，并且处理系统的最终污泥量较少，是庭院生活污水处理系统最优选的工艺。根据调研结果，廉村镇王店村居民居住分散，采用分散式处理工艺，即为单户或2-3户修建单独的污水处理设施。人工湿地在宏观表现结构上大体有两部分组成，即床表种植物和由人工填充的床基（碎石）两部分组成。去污主要依靠微生物。无数的根系和空隙无数的床基适合于各种微生物的生长与代谢活动。庭院式人工湿地工艺示意图见图3-3：33 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文出水出水进水化粪池格栅人工湿地图3-3庭院式人工湿地示意图以上两种污水处理模式比较见表3-1表3-1两种污水处理模式技术经济比较工艺化粪池+人工湿地厌氧水解池+人工湿地化粪池HRT＞6h，一般为厌氧水解池HRT>6h，人工湿地12～24h，人工湿地HRT24～48h，水力负荷0.25～设计参数HRT24～36h，水力负荷0.5(m3/(m2·d))0.25～0.5(m3/(m2·d))有一定的抗水质水量冲击能耐冲击负荷力抗冲击负荷能力较强力COD去除率超过80%，氨氮COD去除率达到80%以上，氨氮去处理效果去除率高除率低出水水质达《农田灌溉水质国标GB18918-2002一级B标准出水水质标准》需要不定期维护，厌氧水解池每隔定期清理格栅杂物，冬季须运行管理1～2年清掏一次，冬季须及时收割及时收割人工湿地植物人工湿地植物3-5人的单户式处理系统，占地面积较大占地面积为3-6m2如服务3-5人的单户式处理建设成本（元系统，其投资为500-10001200-1300/m3）元无设备运行费（单户式运行运行费用维护成本约0.01-0.025元）无设备运行费土地资源丰富，有废弃坑塘土地资源丰富，有一定经济条件，和闲置洼地或废旧河道的农管理水平不高，排放要求严格的农适用对象村地区村地区运行费用低，工艺简单，无运行费用低，管理维护方便，出水动力消耗，管理方便，但占综合评价水质好，但占地面积大地面积大，34 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.2.3回用水处理工艺的选择直接过滤法，占地少，运行费用低，管理简单，但适应性差，运行管理严，水质变化小。雨季时，原水水质、水量变化非常大，但考虑到该村经济水平，综合考虑我国农村生活污水的处理水平较低，在污水处理及回用方面存在很多难以解决的问题，优选此方案。处理后的回用水可作绿化用水或农田灌溉。污水回用时为了防止管道或设备沉积和堵塞，首先最重要的环节要减少悬浮物的含量，因此在污水回用最常用的工艺就是过滤，是保证出水水质不可少过程，既可作为回用之前的最后把关步骤，也可以作为回用水处理流程中间的一个处理单元[55]。滤池种类很多，但其过滤过程均基于砂床过滤原理而进行，本工艺选用运行稳定、工艺简单的砂滤工艺。回用水处理的混凝沉淀工艺与传统给水处理工艺相同，设备简单，处理效果好，运行经验成熟，易于操作管理，易于上马等,适合于农村杂用水的处理。混凝处理需要投加一定的化学药剂，适于处理含一定悬浮物的出水，该村污水处理工艺采用化粪池和人工湿地的处理方法，出水悬浮物含量少，无需混凝沉淀过程，因此排除此方案。3.3污水处理工艺方案确定综合考虑该村经济状况、地理环境、人口规模及气候条件和技术经济对比，选择化粪池+人工湿地组合工艺。不需要砂砾等作基质的表面流湿地的优点是造价较低，其缺点是水力负荷较低。保湿性较好的水平潜流湿地，对重金属和COD、BOD等有机物等去除效果好，基本不受季节影响。垂直流湿地具有了以上两种湿地的特点，但其建造结构复杂，施工要求较高，至今不能广泛使用。由于该村产生的废水主要由生活废水、洗浴废水、餐饮废水组成,特点是COD和氨氮浓度较高，综合比较，本工程选用水平潜流人工湿地。回用水处理工艺采用砂滤-消毒工艺。处理后的回用水可作绿化用水或农田灌溉。3.4本章小结通过常用污水处理及回用技术的概括总结，并结合王店村整体情况及环境现状对王店村污水处理及回用进行方案比选，有如下结论：35 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（1）本章分别介绍了常见的农村污水处理模式和污水回用深度处理工艺，并结合王店村地形地貌和经济条件等综合因素以及生活污水特点，确定了该村污水处理模式为厌氧-生态处理模式，污水回用深度处理工艺采用最为简单的过滤-消毒工艺。（2）从王店村规划总平面图（2009-2025）来看，该村居民整体居住分散，且水域充足，村内有多处坑塘，依据其地势特点，采用化粪池-人工湿地和厌氧水解酸化池-人工湿地两种模式进行比选，综合考虑占地面积、王店村地势、经济水平等因素，最终选用化粪池-人工湿地工艺，其中人工湿地采用水平潜流人工湿地。（3）综合考虑国内目前农村污水回用深度处理工艺的水平以及王店村的经济情况，污水回用采用最为简单的工艺，过滤-消毒工艺。36 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第4章王店村污水处理及回用工艺实验模拟第3章通过对王店村污水厂处理工艺以及污水回用方案进行了比较和优选，确定了最有处理工艺和回用方案，为进一步研究此系统工艺对该村实际运行的水质变化，本章主要通过实验模拟水厂运行，考察COD、SS、TP、氨氮以及微生物等指标的去除效果，主要研究主要包括湿地基质废弃矿渣实验设计、工艺优化及调试、系统对污水中各种污染因子的去除三个方面。4.1废渣对污染物去除的研究4.1.1废弃矿渣对磷的吸附（1）等温吸附实验称取风干粘土和废弃矿渣样各5.0g，经过过2.0mm筛子筛分，固液比按照1:20的比例各加入100.0mL含磷（KH2PO4，磷酸氢二钾）量为0、2、4、7、10、20、50、80、120、200、250、500、800和1200mgP/L的0.02mol/LKC1溶液，在25℃恒温培养箱不间断振荡24小时，取样后以转速4000r/min的速度离心10分钟，测定此时的平衡液中磷酸盐的浓度，依据吸附前和吸附后溶液中磷酸盐的浓度差，计算其吸附磷量。（2）与土壤吸附能力的对比2500a23102000FreundlichisothermequationFreundlich等温吸附式Minerilizedrefuse废弃矿渣))Y23102170e(X/355)2g-1Y=2310-2170×e(-X/355)R2=0.992K(mg/Kg)1500mg/((mg·Kg吸附容量1000粘土Claysoil吸附量吸附量50000500100015002000POPOPO-44-P-P浓度浓度(mg·L(mg/L)-1)4-P浓度(mg/L)37 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文0.005bb朗缪尔等温线方程Langmuirisothermequation0.004Claysoil粘土1/Q=0.00147+0.0457/CSS20.003R=0.966,P<0.001sQ=680mg/kgQS01/0.002Minerlizedrefuse废弃矿渣1/Q=5.06E-4+0.068/CRR20.001R=0.987,P<0.001Q=1976mg/kgR00.0000.000.010.020.030.040.051/Ce图4-1废弃矿渣与稻田土壤吸附磷的比较2.00mm筛的废弃矿渣颗粒对磷吸附吸附能力见图4-1。不难发现，对磷的吸附能力废弃矿渣远高于粘土，对于废弃矿渣吸附行为，当用Freundlich等温吸附式来模拟时，饱和吸附量计算值为2310mg/kg，比相关文献中报道过的粉煤灰（Coalslag）高出了70%以上，废弃矿渣与稻田土壤吸附磷的比较见图4-1。可采用Langmuir等温吸附方程式来模拟废弃矿渣颗粒与粘土颗粒吸附行为（如图4-1b），按照方程式计算所得废弃矿渣最大吸附量几乎为粘土吸附最大量的3倍，其值为1976mg/kg。（3）吸附速率的对比3500废弃矿渣Minerlizedrefuse3000Y=-13.7+14.8X,R2R=0.999,n=11,P<0.01))2500g-1Kmg/2000粘土Claysoil((mg·KgY=-16.6+4.3X,S15002R=0.981,P<0.01,n=11磷吸附量磷吸附量1000Phosphorusadsorbtion(mg/kg)5000050100150200250300POPOPO4-Pconcentrations(mg/L)--P浓度(mg·L-1)44-P浓度(mg/L)图4-2废弃矿渣与粘土对磷吸附速率的对比38 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文为了进一步研究废弃矿渣与粘土颗粒对磷的吸收能力，对磷溶液浓度在300mg/L以下进行吸附速率对比试验（图4-2）。废弃矿渣对磷的吸附与粘土颗粒对磷的吸附是按照零级动力学方程进行的。废弃矿渣颗粒的吸附速率常数要比粘土颗粒的吸附速率常数大约3.5倍。（4）废弃矿渣对磷的吸附与解吸)3.550-1Adsorption吸附De-adsorption解析3.0De-adsorptionrate解析率40))2.5mg/g(-1)30%(mg·g2.0((%)解析能力1.520解析率解析率吸附与1.0De-adsorptionrate(%)吸附与解析能力100.5Adsorption&de-adsorptioncapacity(mgg0.000500100015002000PO3--Pconcentrations(mgLPO3--P浓度(mg·L-1)-1)4PO44--P浓度(mg/L)图4-3废弃矿渣对磷的吸附与解析磷吸附与解析是相对的过程，实际应用中，需要考虑废弃矿渣材料作为磷库的安全性，磷的吸附与解析结果见图4-3。从中可以看出，磷的解析率只在30%上下波动，表现出良好的吸附性能。4.1.2废弃矿渣的硝化能力（1）硝化能力实验设计废弃矿渣/粘土土样中氮转化实验：在容积250mL的具塞血清瓶内，培养实验均批式进行，精确称取经风干、过2.00mm筛后的废弃矿渣（或粘土）土壤样品50g放置于瓶中。拿第1组土样进行培养，样品在分别投加(NH4)2SO4溶液后的第1天的第2、6、12、24时以及在第3天、第5天和第10天，取出该样品，经过(NH-+4)2SO4溶液后，进行测定土样NO3-N和NH4-N的含量，从中可以考察微生物对硝酸盐氮生成的能力和氨氮氧化的能力，氮的负荷按100mg·N/kg投加（废弃矿渣基于干基重，以下相同）。在废弃矿渣（或粘土）、(NH4)2SO4溶液投加后，为了保持含水率为15%，要不断调节蒸馏水的量，恒温（25℃）培养瓶先在摇床上连39 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文续振荡1小时后放入生化培养箱中，温度要求在25℃下，并且必须避光培养，同时每个样品至少设置2个平行样。（2）硝化能力实验结果从图4-4可以看出废弃矿渣与粘土土样硝化能力的实验结果，样品中氨氮浓度随着培养时间的增加迅速下降，而硝酸盐氮的浓度随着培养时间的增加迅速上升，但废弃矿渣样品中上升和下降的幅度随着培养时间的增加均高于粘土样品。350(b)Claysoil（b）黏土+-300NH-N;NO-N43+-(NH+NO)-N43(mg/Kg)250-,(mg/kg)3-浓度3200+NO+4+NO+,NH4150-3NH-,NO/+34100NH/NO+450NH0020406080100120Incubationtime(h)反应时间(h)图4-4废弃矿渣颗粒中氮转化能力实验氨氮的浓度在培养最初的24h小内，从128mg·N/kg迅速降到82.0mg·N/kg；同一时间内，硝酸盐氮含量从136mg·N/kg迅速上升到169mg·N/kg(图4-4)。（3）硝化能力的计算废弃矿渣和粘土样品在投加100mg·N/kg，120h中培养过程中，NO-3-N含量的生成能力可采用一级动力学方程（4-1）来描述：Nt=N0{1–EXP(-X/Kf)}+Ni（4-1）其中：N--t：培养时间内实际生成的NO3-N含量；Ni：培养实验开始时刻NO3-N含量；N-0：培养实验过程中最大的NO3-N净产生量；Kf:一级反应动力学方程式常数。显而易见，废弃矿渣在120h培养实验中NO-3-N净产生量是粘土土样的7.3倍（图4-5），也即硝化能力远强于一般土壤。40 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文20020(c)))-1))Kg-118016Kg(mg/(mg·Kg废弃矿渣Minerlizedrefuse(mg·Kg(mg/Yr=43{1-EXP(-X/10.6)}+135160212生成量R=0.83,n=7,P<0.01生成量生成量-N-3N-N3生成量3NO-NNO1408NO3中NOClaysoil粘土粘土中中--Ncontentsincalysoil(mg/kg)120Ys=5.9{1-EXP(-X/0.73)}+2.043废弃矿渣中-Ncontentsinminerlizedrefuse(mg/Kg)2NO粘土-3R=0.76,n=7,P<0.05废弃矿渣NO1000020406080100120Incubationtime(h)反应时间(h)图4-5废弃矿渣与土壤硝化能力的计算4.2工艺优化及调试4.2.1工艺运行装置设计设置装置：采用深15～20cm×长40cm×宽30cm的玻璃钢结构材料构建如下所示的小试装置，按照SBR的工艺状况“进水-反应-出水-闲置”四阶段运行。废弃矿渣填料上种植8～10颗旱伞草幼苗。将建设完毕的废弃矿渣床体，用清水（自来水）运行1-2周至稳定状态，实验室小试装置见图4-6，实物图见图4-7。41 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-6实验室小试示意图（需要5套）42 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-7实物图4.2.2工艺条件设计装置持续运行30d，水力负荷为1.25m3/(m2·d)，换算成固液体积比为1:20。筛选高羊茅作为植物种植，高羊茅具备四季常青，耐污能力强，根系发达的优点。不同运行阶段工艺参数设置见表4-1。表4-1不同运行阶段工艺参数设置时间（h）阶段1#2#3#4#5#（植物）(R-18)(R-12)(R-6)(R-3)(PR-18)进水44444反应18126312出水22222闲置06121564.3连续性运行对生活污水中各污染指数的去除分析湿地床层填充的体积为10L，每日进水量为1L，按照固液比1:10的工况运行，共选用4种植物进行，同时设置一组为空白（无植物），具体如下图4-8所示：43 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-8湿地床层植物筛选图湿地小试装置5套，采用自行设计的玻璃钢材料构建的方盒，长0.4m，宽0.3m，深0.2m，其中4套分别种植1kg湿重的芦苇苗、旱伞草、菖蒲和旱伞草，第5套为空白不种植物，光照条件采用自然光，两周之内内采用蒸馏水运行至稳定状态。按照序批式SBR工艺的（进水阶段4小时-反应阶段12小时-出水阶段2小时-闲置阶段6小时）4个阶段运行。湿地床层按照固液比1:20填充，其填充的体积为20L，水力负荷1.25m3/(m2·d)的工况运行，水样分析：第1、3、5、7、10、15、30、45、60、75和90天，运行时间为2014年4月-9月，共历时5个月。4.3.1TP的去除对水体中TP的去除率，4种植物和空白介于40.0%～68.1%之间(图4-9)，旱伞草-废弃矿渣湿地取得最高去除率68.1±4.7%(P<0.01，n=11)，比空白组无植物高出12%左右(P<0.05，n=11)，而芦苇和旱伞草-废弃矿渣湿地的去除率与空白相当(P<0.05，n=11)，TP去除率最差为菖蒲-废弃矿渣湿地取得。表面吸附、络合和化学沉淀等途径是去除在固体填料中污水中磷主要途径，而对于磷吸附能力来说，Fe、Ca、Al等物质含量高的矿物填料能力更强。富钙水化油岩灰粉体磷吸附容量，在Kaasik等人和Liira等人研究下可高达65mg/Pg，主要通过钙矾石Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O，碳酸盐CaCO3和氢氧钙石Ca(OH)2等晶44 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文相与磷形成络合物沉淀。而本研究中废弃矿渣同样具有Ca、Al和Fe的含量高的特性，所以对磷吸附能力强，。12菖蒲；美人蕉芦苇；旱伞草无植物；进水)9)-1(mg/L(mgL6含量含量TPTP30-101030507090运行天数(d)图4-9湿地系统对生活污水中磷的去除4.3.2COD和SS的去除与TP的去处率相比，空白实验组取得最高的CODCr和SS的去除率，分别为52.5±8.4%(P<0.01，n=11)和72.1±13.6%(P<0.01，n=11，图4-10)，源于废弃矿渣填料基质对TP的去除途径与CODCr和SS去除途径相类似，即表面吸附去除，而导致了TP、CODCr和SS之间去除率的不一致的原因是竞争吸附。300a菖蒲；美人蕉芦苇；旱伞草)250无植物；进水-1)(mgL200(mg/L浓度Cr150浓度crCOD100COD500-101030507090运行天数(d)45 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文120b菖蒲；美人蕉芦苇；旱伞草无植物；进水))90-1(mg/L(mgL60浓度浓度SSSS300-101030507090运行天数(d)图4-10序批式废弃矿渣湿地对生活污水中CODCr和SS的去除植物种类差异对废水中SS和CODCr的去除效果有很大的影响，表中可以看出，旱伞草湿地对CODCr的去除率比空白值低5%左右(P<0.01，n=11)，而菖蒲和芦苇湿地低出10%以上(P<0.05，n=11)。对SS去除率，旱伞草湿地，菖蒲及芦苇湿地与空白湿地之间的差异分别为3%(P<0.05，n=11)和15%(P<0.05，n=11)。4.3.3氮转化及去除硝化反硝化是传统氮去除的主要途径，废弃矿渣颗粒中含有丰富的硝化菌群，高达100000个/g。为此，空白组取得较高的氨氮去除率(图4-11a)，为64.4±8.8%(P<0.01，n=11)，而对氨氮的去除率，旱伞草-废弃矿渣湿地均超过百分之七十。菖蒲及芦苇-废弃矿渣湿地却非常低，分别为57.4±20.5%(P<0.01，n=11)和44.2±6.2%(P<0.01，n=11)。出水中硝酸盐氮的累积浓度高与氨氮的高去除率相对应(图4-11b)，相对进水而言1.5±0.7mg/L(P<0.01，n=11)，出水中硝酸盐氮平均值提高了十数倍不等，其中，菖蒲-废弃矿渣湿地出水中硝酸盐氮浓度均值为最低，15.1±9.4mg/L(P<0.01，n=11)；而旱伞草-废弃矿渣湿地出水中硝酸盐氮浓度均值为最高，72.5±33.6mg/L(P<0.01，n=11)。硝酸盐氮的累积同时也导致了装置对TN的去除率下降(图4-11c)，最高去除率为空白湿地取得，仅为45.9±15.5%(P<0.05，n=11)；植物差异对TN去除率的影响较小，仅为10%左右。为此，考虑填充高度构建厌氧环境实施反硝化脱氮。46 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文250a菖蒲；美人蕉芦苇；旱伞草200无植物；进水)mg/L(150浓度+-N1004NH500-101030507090运行天数(d)180b菖蒲；美人蕉芦苇；旱伞草150无植物；进水)120mg/L(90浓度--N360NO300-101030507090运行天数(d)240c菖蒲；美人蕉芦苇；旱伞草200无植物；进水)160mg/L(120浓度TN80400-101030507090运行天数(d)图4-11序批式废弃矿渣湿地床对生活污水中氮的转化和去除能力47 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.4废弃矿渣反应床对污染物的去除效能分析序批式废弃矿渣反应床对生活污水中各类污染物质的去处效率如图4-12所示，其中，CODCr的平均去处能力介于62.71±5.03%(n=14，P<0.01)和73.77±8.10%(n=14，P<0.01)，去处效率高低排序：PR-12>R-12>R-18>R-6>R-3(图4-12a)。而种植高羊茅的反应床与未种植相比，平均去除率仅仅提高了5%(P<0.01)。8585ab8080(%)75(%)75去除率7070Cr去除效率CODTP656560605555R-18R-12R-6R-3PR-12R-18R-12R-6R-3PR-12反应时间(h)反应时间(h)8585cd8080(%)75(%)75去除率70去除率70TN+-N465NH6560605555R-18R-12R-6R-3PR-12R-18R-12R-6R-3PR-12反应时间(h)反应时间(h)1208.5ef1008.480(mg/L)8.360pH去除率-N3不同8.2NO408.12008.0OrigianlwaterR-18R-12R-6R-3PR-12OriginalwaterR-18R-12R-6R-3PR-12反应时间(h)反应时间(h)图4-12湿地床层生活污水中污染因子的去除能力48 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文反应时间对总磷的去除影响较高(图4-12b)，污水中总磷的去除效率介于61.96±7.29%(n=14，P<0.01)和69.77±9.24%(n=14，P<0.01)之间，与CODCr去除效率不同的是，种植植物的反应器对总磷的去除效率低于未种植植物的反应器。对总氮的去除效率变化趋势与总磷类似(图4-12c)；去除率较低介于56.19±6.05%(n=14，P<0.01)到61.01±6.75%(n=14，P<0.01)。与总氮的去除效率相比，氨氮的去除效率高出10%左右(图4-12d)，同时出现了硝酸盐氮累积的现象。与进水相比，硝酸盐氮的浓度提高了4.0～8.7倍。4.5废弃矿渣与生物组织作用效应研究4.5.1生物镜检分析对废弃矿渣表面指示性微生物进行了取样分析，见图4-13。分析结果显示，废弃矿渣表面含有大量的指示性微生物，包括微型后生动物（轮虫、线虫）、游泳性纤毛虫（漫游虫、扭头虫、盾纤虫等）、固着性纤毛虫（群居钟虫）；而且群居钟虫的数量和活性以及轮虫的活性相当好；另外镜检发现大量的菌胶团，菌胶团呈现出面积大、透明、薄、淡黄色等特征，均很好的表征了菌胶团良好的活性和效果。图4-13废弃矿渣中典型的指示性微生物废弃矿渣表面丰富的微孔隙、良好的生物亲和性和亲水性为其表面大量的生物膜的生长和增殖提供了条件，表明废弃矿渣适合于作为人工湿地的基质，为微生物的吸附、增殖和净化提供条件。4.5.2植物生长及组织的化学组成分析水生植物系统去除污染物的能力和效果在一定程度依靠于植物同化的产量与植物组织细胞中的元素化学物质含量。49 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文本次研究中旱伞草和菖蒲的存活率100%，而且生长状态均较好。从旱伞草收割产量来说，旱伞草重量（湿重）是每月413-529g，含水率平均为90.52%；从菖蒲收割产量来说，菖蒲重量（湿重）是每月79-118g，含水率平均为88.65%；从以上数据显示，不同的水生植物具有不同的植物同化作用、不同的含水率和不同的吸收量。另外，旱伞草中的蛋白质、粗纤维、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Zn2+、Cu2+等质量浓度分别为：169.2g/kg、243.9g/kg、7.22g/kg、1.98g/kg、0.41g/kg、0.08g/kg、2.96g/kg。菖蒲中的蛋白质、粗纤维、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Zn2+、Cu2+等质量浓度分别为：126.4g/kg、289.4g/kg、2.12g/kg、0.64g/kg、0.41g/kg、0.08g/kg、3.12g/kg。植物叶子中的干物质主要来自对水体中吸收及其同化合成。旱伞草中的C、N、P等质量浓度分别为：488.3g/kg、30.2g/kg、6.87g/kg；菖蒲中的C、N、P等质量浓度分别为：269.4g/kg、27.6g/kg、6.13g/kg。实验后期发现，3个浮床系统中的菖蒲根部和上不叶子之间出现了不同程度的病虫害以及菖蒲叶子不同翠绿程度而研究了植物中常见的植物酶系和抗胁迫作用的酶系。另外，植物（菖蒲）叶子生理生化特性直接影响着植物相关酶系特性和活性以及效果，从而影响到植物的同化作用以及植物与基质之间交互作用效果而影响到这个系统的修复效果。对于菖蒲叶绿素（包括Chl-a、Chl-b和叶绿素浓度）分别为3.50mg/L、7.85mg/L和11.36mg/L。4.6本章小结对王店村污水处理及回用工艺进行实验模拟，考察COD、SS、TP、氨氮以及微生物等指标的去除效果，有如下结论：（1）本章主要进行王店村污水处理实验模拟，包括湿地基质废弃矿渣实验设计、工艺优化及调试、系统对污水中各种污染因子的去除三个方面。（2）通过废弃矿渣对磷的吸附试验和硝化能力实验，不难看出废弃矿渣对磷的吸附能力远高于粘土，比粉煤灰高出70倍左右，其硝化能力也高于一般土壤，氨氮的浓度在培养最初的24h小内，从128mg·N/kg迅速降到82.0mg·N/kg；同一时间内，硝酸盐氮含量从136mg·N/kg迅速上升到169mg·N/kg。（3）工艺运行装置采用深15～20cm×长40cm×宽30cm的玻璃钢结构材料，装置持续运行30天，水力负荷为1.25m3/(m2·d)。50 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（4）序批式废弃矿渣反应床CODCr的平均去处能力介于62.71±5.03%和73.77±8.10%，污水中总磷的去除效率介于61.96±7.29%和69.77±9.24%之间，对总氮的去除效率变化趋势与总磷类似，去除率较低，介于56.19±6.05%到61.01±6.75%，与总氮的去除效率相比，氨氮的去除效率高出10%左右。（5）通过对废弃矿渣表面指示生物观察发现，废弃矿渣表面生物膜具有丰富的生物相和良好的生物活性，可能与废弃矿渣良好的生物亲和性、丰富的孔隙结构和丰富的矿物元素有密切关系。说明废弃矿渣可以很好的作为人工湿地的微生物吸附界面和植物生长基质。51 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第5章王店村污水处理及回用优选工艺方案设计上两章通过对王店村污水厂污水处理工艺及回用方案进行比选，并通过优化和调试确定运行参数，随之进行了连续性运行实验。为进一步对农村污水处理厂设计提供最优方案，本章主要本章对王店村污水处理及回用工艺进行设计，并对其进行了工程技术经济分析，为农村污水处理厂建设和运行提供指导。5.1污水处理技术选择原则现有的常规污水处理工艺流程和化粪池+人工湿地均可满足农村污水处理要求。因此，在技术选取方面在满足污水处理后水质达标的原则下尽量选取处理成本低、运行维护方便、适宜当地气候等生物处理工艺，并遵循以下原则：（1）降低成本根据王店村的实际情况，考虑到农村的经济情况，应该首先选用费用较低的技术，构建筑物选用的材料在满足工程质量前提下尽量在本地选购，以简单实用为原则。（2）减少维护维护主要体现在水厂运行期间。大型水厂由于运行单体较多，选用了多种进口设备，运行维护一般比较复杂。本工程立足于农村污水，结合当地实际情况，应尽可能选用运行维护费用低，维修次数少，同时能够满足工艺运行。（3）工艺灵活性选取的工艺不仅在设计进水水质符合的前提下可以满足出水要求，同时应考虑到农村污水进水水质、水量、水温的变化，即具备一定的抗冲击能力，并有较高的水力负荷，以满足污水各项指标的变化。5.2污水处理工艺技术分析5.2.1化粪池技术分析根据相关文献的调查，我国南北方农村水质相差较大，其数量、成分、污染浓度与居民的生活习惯、生产水平和生活方式有很大关系。其中有大部分悬浮状态有机物、尿液粪便等。一般去除此类物质采用化粪池和沼气池进行厌氧处理。本次设计采用集中式化粪池处理，处理流程上大致为过滤沉淀、厌氧发酵、固体分解以及废水排放等四个步骤。工作原理主要利用寄生虫卵的比重大于粪尿混合液而产生52 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文的沉淀作用及其粪便密闭厌氧发酵、液化、氨化、生物拮抗等原理除去和杀灭寄生虫卵及病菌，控制蚊蝇滋生，实现污泥的稳定化。去除COD能力不大于60%，TP去除率不会超过20%。其主要优点是节约能源，厌氧处理不需要消耗能源。进水水质根据当地实际情况调查，化粪池进水COD≤385mg/L，TP≤2.7mg/L，TN≤40mg/L。按同类工程调查，污水经化粪池后去除率见表5-1：表5-1污水经化粪池后去除率指标TN（mg/L）TP（mg/L）COD（mg/L）项目-402.7385去除率（%）81050剩余浓度36.82.43192.55.2.2人工湿地适宜性分析本次设计采用水平潜流人工湿地，其底部由废弃矿渣构成湿地的滤床，并种植适宜当地气候的旱伞草等对氮、磷吸附性较高的植物，对废水进行综合性处理。设计选用人工湿地主要有以下几点原因：（1）人工湿地的建设及运行费用均较常规水厂二级处理构筑物投资低，一般采用重力流不需要二次提升。（2）人工湿地比较适宜处理水量小，变化系数大的污水。因此本次设计采用人工湿地是合理的。且农村地区缺乏相对专业的技术人员，人工湿地运行维护相对较容易，需要人员较少。（3）人工湿地适用于污水不易收集地区，并可以实现黑水及灰水的有效分离。（4）人工湿地适用于资金相对短缺，土地面积广阔，地下水位较低的区域。因此，根据拟建区域的实际情况选用潜流水平人工湿地是合理的。通过上一章节实验得出设计选用的废弃矿渣作为基底滤料，其吸附能力远高于粘土和粉煤灰。植物的种类选取应考虑其耐污性能、生长适应能力、污染物去除能力、根系发达、经济及美观价值。湿地要种植不同季节性的植物，以便季节变化对污水的处理效果影响达到最小。本次设计时主要考虑根据当地气候、环境并遵循上述因素，选择了旱伞草作为人工湿地的净化植物。经湿地净化后的去除率见表5-2：53 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表5-2污水经湿地后去除率指标TN（mg/L）TP（mg/L）COD（mg/L）项目-36.82.43192.5去除率（%）557072出水水质16.560.72953.9出水标准≤20≤1≤605.3王店村污水处理工艺技术分析5.3.1设计水量确定王店村规模较大，共有2150人，确定当地居民人均日排水量为30L，计算王店村日均污水排放量为64.5m3/d。5.3.2设计工艺污水处理工艺采用化粪池—人工湿地处理工艺—液氯消毒工艺，具体流程见图5-1生活污水化粪池人工湿地消毒出水图5-1王店村污水处理设计方案5.3.3化粪池的设计有两种化粪池的布置方式：集中布置是一种，即以一个独立的建设单位为服务范围，如一个组团或一个区域；分散布置是一种，即一个化粪池设置在一幢或两幢建筑内。研究表明，随着化粪池容积的增大，造价、土地利用、环境污染、运行管理等各项值已经达到较低值，化粪池容积小于20m3的，在造价、性能和使用年限方面采用砖砌化粪池都劣与钢筋混凝土化粪池；化粪池渗漏的机会越大的原因就是它太分散；再看管理方面，分散的化粪池不如集中的化粪池容易管理，对小区环境影响方面和清掏污泥工作量等也比集中的要小，综合结合王店村整体布局，整体分散，局部集中，因此选用集中布置的化粪池。化粪池的位置应在设置在建筑物靠近卫生间的背面，这样便于将其出水接入人工湿地。54 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文化粪池容积的计算是最主要的设计，容积主要是由两部分组成，分别是有效容积和保护层容积，保护层容积根本不需要计算，因为保护层高度250mm和450mm之间，所以保护层容积是定值。化粪池的有效容积由两部分组成，分别是污泥部分和污水部分，计算公式如下:VVV（5-1）sn其中V指化粪池总容积，m3；V3s指化粪池污水部分容积，m；V3n指化粪池污泥部分容积，mNqtVs141000NqT(1b)kmVn(1c)1000其中α指使用人数占总人数的百分数（100%）；N指设计总人数（人）；t指设计停留时间，在12h、24h；q指每日每人污水量，L/(人·d)；K指污泥体积缩减系数，值为0.8；T指清掏周期（d）；m指污泥量（清掏污泥后遗留）容积系数，值为1.2。化粪池的设计池容采取分片设计，结合王店中心村规划设计图，根据各个集中居民区人口规模，选择不同池容,化粪池结构示意图如图5-2。停留时间的设计取值，在考虑建设造价方面的同时一定以污水处理效果为前提。化粪池的最重要指标是停留时间，因为它与化粪池的造价、容积和污水处理效果都有关系，如果停留时间太长了，布置困难的同时使化粪池容积与造价都大幅度提高；如果停留时间太短了，会使污水处理效果太差。因考虑到各种不利因素的影响，如瞬时变化大的污水量对进水流量不均匀性的影响和沉淀必须的层流状态由发酵产生气泡的影响，化粪池的设计停留时间必须留要考虑这些因素引起的适量余地。一般可按12h、24h设计，为了进一步提高污水处理效果，本设计取18h，清掏周期为180天，化粪池的体积为100m3。为了防止化粪池对当地地下水造成污染，设计选用具有防渗功能的钢筋混凝土材质。55 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文正视图俯视图图5-2化粪池示意图5.3.4人工湿地的设计（1）湿地植物的选择与栽种直到现在,全世界效果良好的用于湿地处理的植物只有几十种，它只占发现用于湿地的6700多种高等植物的及少的一部分。最常见的包括以下几种：浮水植物（水葫芦、水浮莲、凤眼莲等）；挺水植物（水生旱伞草、芦苇、香蒲、皇草等）；沉水植物（苦草、金鱼藻等）。湿地植物的选择和种植所需要的时间是设计人工湿地的最重要的项目，一些植被是用播种来种植，这种一般不会被选择，而要选择的湿生植物繁殖体要求是植株、休眠根茎或块茎，因为水的流动会把正在发芽的种子冲走，种子只有在平稳的水体环境里才能发芽，而流动的人工湿地是做不到的。这样植物的根茎可种在湿地中一定深度处，但不能太深，应该留一部分茎秆在地面以上，这样湿地植物才能在空气中呼吸。如眼子菜属、蓼属等就是这样种植的。还有一种好方法就是把天然湿地中的苗、块茎、根茎和它周围的平均9cm土壤一起挖出，整体的种植在新建的湿地上，这样，植物的根和植物芽都保留在原来的土壤中，使植物可以更快的适应新的环境，更快的生长起来。这种方法也带来一些问题，最明显的就是种植、运输56 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文不方便，收集种苗比较浪费时间，单株栽种的成本费用高。种植方法可实际湿地的具体环境情况对穴植、沟植、面植分别对待采用。春季是最好的种植时间。湿地种植还要考虑空间的布置。在植物的配置中尽量要把植物种在中心位置，不要靠边；植物密度的设计要根据工程要求和水质情况进行调整，不要太密也不要太疏。过密的情况会导致植物根把湿地的生物床堵死，使湿地的单位处理量降低，减少湿地的使用年限。植物种植的太稀疏会使得植物的周围生长其他无用的植物。导致输氧能力和氧含量都大幅度降低、污水中污染物的处理能力大为降低。湿地种植的顺序应该是在污水进入之前把湿生植物种活。污水中的污染物浓度要逐渐增加，因为，植物需要一段适应新污染物浓度冲击的时间。为保证植物的成活率，种植的同时要注意观察，发现有植物枯死，要立即补苗，同时应该减少污染负荷，提高植物种植的成活率。人工湿地的植物应根据实际的工程环境进行选择，要选择多年生根系发并且耐寒、耐水吸收营养物质量大的植物，同时要考虑到美观和经济。有研究表明，芦苇与茭白混种更能体现他们各自的优势，芦苇输氧能力非常强,茭白吸收氮、磷的能力非常强。本工程应用植物有旱伞草、旱伞草、菖蒲及芦苇。为了提高效率、节约时间、加快植物生长、提高成活率，采用世界上通用的等间距面植的育苗移植方式在湿地上栽种湿生植物。（2）基质的配置在湿地系统中，基质是非常重要的，它把湿地中的各个处理单元连在一起，它不但是微生物的生长介质还是植物的载体。基质去除污染物作用主要够通过沉淀、过滤和吸附等作用来完成。基质的配置最主要是要考虑它对磷的去除率，同时要考虑基质的粒径、深度和种类的影响。有研究表明，以下几种基质在湿地对磷的去除效果由强到若的排列顺序是矿渣、粉煤、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、沸石、砂子。这几种基质磷素吸附饱和后，只会释放极少一部分磷素，不考虑造成二次污染的可能性。基质也会对其他污染物的去除率有影响。有研究表明：煤灰渣基质BOD5的去除率为80％～89％，COD的去除率为71％～88％，可见煤灰渣基质的污染物去除率是非常高的。本项目采用一种废弃矿渣作为填料，考察不同种类植物在废弃矿渣填料上生长繁殖能力，以及对生活污水污染因子的去除能力。通过对废弃矿渣进行XRD矿物相分析和SEM电镜扫描分析显示，废弃矿渣填料含有11.20±1.64%的有机质，1.58±0.13%的Fe2O3,0.82±0.06%的Al2O3，和5.43±0.21%的CaCO3(n=3)。其中，57 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文铁、铝、钙的含量高，预示废弃矿渣颗粒在污水处理系统中具备成为磷库的潜力，而有机质含量高，废弃矿渣表面的微生物活性强；再从废弃矿渣颗粒物微观来看，最多的就是不规则多面球形状，球的表面凹凸不平，矿颗粒粒径分布存在良好的级配，故比表面积大，颗粒间空隙较大，利于自然通风复氧，可存在好氧微区。废弃矿渣的XRD分析和SEM电镜扫描见图5-3、5-4。12000CaCO3100008000600040002000001020304050607080902θ（度）图5-3废弃矿渣的XRD分析图5-4废弃矿渣的SEM电镜扫描综上所述，本项目人工湿地基质采用废弃矿渣，湿地床的不同区域，对基质颗粒大小的要求不同。基质在出水集水区和进水配水区整个宽度内要均匀布置，颗粒的大小最好在60mm和100mm之间。处理区选用颗粒大小最好在8mm和16mm之间。另一个重要的参数就是基质深度，污水处理效率和人工湿地的横截面面积的58 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文大小都受其影响。为了保重人工湿地的设计好氧量，基质深度的确定要依据所选植物的种类及其根部系统的生长深度，本项目的潜流湿地的机制深度采用600mm。（3）人工湿地系统的设计人工湿地工艺设计主要分为工程参数设计和人工湿地的构造设计两部分，主要考虑水力学特性设计、湿地床构型设计和配套设施的构筑设计。水力停留时间的选取、水力负荷的计算属于水力学特性；水力坡度的计算、湿地床的长宽比的选取、水位如何控制属于湿地床构型设计；进出水装置选择、隔板装置的设计和选取什么样的防渗设施属于配套设施的构筑设计。本设计潜流湿地设计停留时间为48h，设计BOD负荷率为100kg/(hm2·d)，水力坡度选择0.6%，湿地床面积按式5-2计算：AQC/ALR（5-2）s0式中As指湿地设计面积，hm2；Q指湿地设计流量，m3/d；C3o指污水污染物质的浓度，kg/m。通过计算设计湿地床面积为2000m2，湿地的长宽比不宜过大，一般在3:1一下，本项目设计长宽比为2:1。潜流湿地系统的水位控制要求主要有以下几点：一是在系统来水量最大时，为了防止表面流，系统的前端不允许有雍水现象发生；二是在系统来水量最小时，为了防止表面流，系统的末端不允许填料被淹没；为了植物的生长的更好，要让底坡的坡度与水面的坡度相等，植物根系被水浸没的高度要基本相当，本项目的潜流湿地进水端的设计水深取0.4m，基质深度设计采用0.5m；湿地的进水装置设计和出水装置的设计一定要布水均匀，穿孔管多被用于进水设施，穿孔管设在水面以下，通过闸板的调节来控制系统的进水量，同时要设溢流管，同样穿孔管也用于出水装置的设计，穿孔管设在填料层最下部，通过控制阀门、旋转弯头来控制湿地系统的水位；本次设计用0.8mm油毛毡密封铺垫作为防渗设施。5.3.5工程运行实际效果王店村的工程与2013年底完工，2014年开始正式运行。根据对2014年全年进出水水质的监测，其进出水水质波动较平稳且出水水质均达到了GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级B标准。监测结果详见表5-3。59 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表5-32014年王店村进出水水质监测化粪池进化粪池出水人工湿地进人工湿地项目去除率%去除率%水(mg/L)(mg/L)水(mg/L)出水(mg/L)311.67～184.31～51.58～184.31～39.75～COD77.25～69.25369.45155.4047.63155.4055.42159.592.32～35.3192.32～14.2381.70～85.08BOD7～189.27112.25～44.73112.25～19.2064.43～71.4220.50～18.26～8.78～18.26～5.22～NH3-N25.6823.4311.8823.437.69TP---4.16～5.281.90～2.9144.34～57.5940052.051.535051.030050.5250(mg/L)50.0(%)20049.5浓度49.0COD150去除率48.5100COD进水48.0COD出水50去除率47.5047.01月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月图5-5污水经化粪池COD浓度变化2007818077160761407512074(mg/L)(%)10073浓度8072去除率COD6071COD进水40COD出水7020去除率690681月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月图5-6污水经人工湿地COD浓度变化60 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文200461804416014042(mg/L)120(%)10040浓度BOD80去除率3860BOD进水40BOD出水3620去除率0341月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月图5-7污水经化粪池BOD浓度变化12085.585.0100BOD进水BOD出水84.580去除率84.0(mg/L)(%)83.560浓度83.0去除率BOD4082.52082.081.501月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月图5-8污水经人工湿地BOD浓度变化2613.0NH-N进水25312.5NH-N出水312.024去除率11.523(mg/L)11.022(%)浓度10.5-N21310.0去除率NH209.5199.0188.5178.01月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月图5-9污水经化粪池NH3-N浓度变化61 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文257271207069(mg/L)15(%)浓度68-N310去除率NH67665NH-N进水3NH-N出水653去除率0641月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月图5-10污水经人工湿地NH3-N浓度变化5.560585.0564.5TP进水544.0TP出水(%)(mg/L)去除率523.5浓度50去除率TP3.048462.5442.0421月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月图5-11污水经人工湿地TP浓度变化经过对污水处理流程的水质监测分析得出如下结论：（1）污泥经化粪池+人工湿地后出水可以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B出水标准，其中污水在化粪池中停留时间为24h；人工湿地停留时间为48h。（2）污水进水中BOD/COD比值基本在0.51～0.53之间，可生化性很高；BOD/TP的比值在30.22～41.17之间，在污水处理中对去除TP有要求时，一般要求BOD/TP＞17，根据本工程的进水水质可以满足TP的去除。（3）经过对水质的12个月分析，发现各种污染物在夏季去除效果最好、春秋次之，冬季最差。主要是由于冬季水温低，抑制微生物的活性，影响了污染物的去除。（4）根据小试装置得出COD的去除率为52.5%；NH3-N的去除率为57.4%；TP的去除为61.96%～69.77%；TN的去除率为56.19%～61.01%。62 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文本次设计的污水污染物去除率如下：COD去除率为69.25%～77.25%；BOD去除率为81.70%～85.08%；NH3-N去除率为64.43%～71.42%；TP的去除率为44.343%～57.59%。实际工程实践中的污染物去除率除TP外，其它污染物的去除均高于实验装置。但去除率相差不大，基本可以吻合。TP的去除率下降主要是由于污水在经过化粪池时处于厌氧状态，导致部分磷释放，并可能产生一部分抑制聚磷菌微生物的生长。5.4污水回用现状与工艺设计目前发达国家大部分均已实现了城市、农村污水的再生利用，以邻近的国家日本为例。早在上个世纪，日本就已经建设成了约2000座污水处理厂，用于处理农村分散的污水排放。每座污水处理厂的负荷约为1000人的污水。处理后的中水主要回用于稻田和果园的灌溉。污泥经浓缩脱水后可作为肥料用于农田[56]。王店村污水处理工程目前只是小范围试验，待日后周围农村污水处理普及后，应考虑污水回用设计。根据对当地的实际情况，该处污水回用主要是灌溉农田、浇洒菜地及绿地等。处理后的中水根据其实际用途执行以下标准，用于农田灌溉、浇洒菜地执行GB5084-2005《农田灌溉水质标准》,常规污染物执行标准见表5-4：表5-4农田灌溉用水水质控制项目作物种类序号项目类别水作旱作蔬菜1五日生化需氧量/（mg/L）60100152化需氧量/（mg/L）150200603悬浮物/（mg/L）80100154pH5.5～8.5浇洒绿地执行《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》（GB/T18920-2002）要求，用水水质标准见表5-5：表5-5城市杂用水水质标准序道路清扫、消城市绿车辆冲建筑施指标项目冲厕号防化洗工1pH6.0～9.02色（度）≤303嗅无不快感4浊度（NTU）510105205溶解性总固体（mg/L）1500150010001000-≤63 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表5-5（续表）序冲道路清扫、消城市绿车辆冲建筑施指标项目号厕防化洗工6五日化学需氧量（BOD5）10152010157氨氮（mg/L）≤1010201020（mg/l）≤8阴离子表面活性剂（mg/L）≤1.01.01.00.51.09铁（mg/L）≤0.3--0.3-10锰（mg/L）≤0.1--0.1-11溶解氧（mg/L）≥1.012总余氯（mg/L）接触30min后≥1.0，管网末端≥0.213总大肠菌群（个/L）≤3活性砂过滤器集絮凝、沉淀、过滤于一体。具有占地面积小、污染物去除效率高、维修工作量低等优点。比较适用于农村污水的深度处理。其具体的工作原理如下：活性砂过滤器的过滤原理来源于逆流原理，进水端在设备底部，污水通过布水器进入过滤器内部，在活性砂滤床内水流自下而上通过滤床，滤砂自上而下通过滤床，从而完成了循环清洗，这种水和砂相向对流状态，使活性砂的污染物截留效率大大提高增，杂质被留在活性砂滤层中，经过过滤后的水从装置的上部出口管流出。结构图5-12。图5-12活性砂滤池结构图64 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（1）布水器设计布水器主要有两个作用，第一个作用就是使水均匀布在整个过滤器上，第二个作用就是消除进水的多余能量。布水器的8根支管（每根其底部布置了等间距大小一致的22个小孔）成放射性布置。进水由进水口进入支管，通过支管的小孔均匀的分布于整个滤层，这就保证了过滤装置的截面上的任何位置的上升速度一致。如图5-13所示图5-13布水器形状（2）洗砂器设计进入洗砂器中的污水（这部分污水携带了石英砂）来自于提砂管中。在重力作用下，进口的石英砂颗粒由于密度大、受力大，在洗砂器内环外侧堆积之后沿环形排砂管落到过滤器的活性砂滤层。活性砂在下落时，不断碰撞和摩擦，在水的冲刷下使石英砂上的附着悬浮物和其分离，在内外压差的作用下，通过冲洗水出口排出过滤装置外。（3）提砂系统设计提砂管与活性砂过滤器的底部采用法兰连接。在本次设计中，为了滤料在停机时不堵气嘴，气嘴水平安装于过滤器正下方的提砂管中。安装气嘴时，气嘴的长度要高于提砂管的进口。（4）提砂管管径的设计提砂管的管径大小计算来源于滤料清洗周期计算，滤料的清洗周期和滤料的清洗效果都与提升装置的提砂速度有关，而提砂速度由管径大小决定。提砂管管径不能过大也不能过小，管径太大了会导致滤料提升过快，滤料的拥挤会使滤料清洗不净直到滤层被严重污染;管径太小了会导致滤料提升过慢，污染物的向上移动速度会大于滤料的清洗速度，长时间不能有效的清洗滤层，杂质透滤层，导致水质不合格。滤料清洗周期和管内滤料的流动速度决定了提砂管截面积与过滤面积的比值。根据有关研究，提砂管截面积与过滤面积的比值应该在1/311～1/388之间，而要取得良好的提砂效果，提砂管直径与过滤器直径比值最好在1/18～1/25之间。65 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文为了满足回用水标准中规定的细菌学指标，回用水处理的最后要进行杀菌消毒。消毒方法主要分为物理法和化学法。物理法主要是指紫外线消毒，化学法就是投加一些化学药剂进行杀菌消毒，消毒剂主要包括液氯、臭氧、二氧化氯等。其中最常用的是液氯消毒，加氯量为5～10mg/L，取为7mg/L，即7×10-3kg/m3。王店村目前的污水处理规模较小不具备中水回用规模，待当地的农村污水全面处理时可以考虑增加中水回用系统，用于绿地、菜园、农田等灌溉。可以实现污水的循环使用，最大程度的减少对环境影响。5.5污水处理工艺经济评价5.5.1成本及年运行费用总投资包括土建费用、设备购置费用和设备安装费用等。总投资估算见表5-6。表5-6总投资估算表概算价值（万元）编号工程或费用名程建筑设备安装合工程购置工程计Ⅰ第一部分工程费用165.8062.0010.25238.05一湿地工程69.5069.501场地平整2.502.502阀门井1.501.503检查井1.301.304渠道1.201.205种植土18.0018.006粗砂16.5016.507砾石15.5015.508湿地植物13.0013.00二化粪池96.3096.30三管道25.002.5027.5066 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表5-6（续表）概算价值（万元）编号工程或费用名程建筑设备安装合工程购置工程计四阀门15.002.2517.25五电气仪表工程22.005.5027.50Ⅱ工程其他费用26.45建设项目总投资264.50项目运行期内的年运行费用指工程投产后，每年所要支付的新增费用，年运行费主要是工程维护费、水资源费、管理费用和其他费用。因工程需配备管理人员，故应考虑管理人员的工资及福利费用。（1）工程维护费按工程总投资的1%计算，化粪池-人工湿地的维护费用为2.645万元。（2）管理费及其他费用按总投资的0.55%计算，故化粪池-人工湿地工艺的管现费及其他费用为1.45万元。（3）设备用电费电价按0.3780元/KW.h县农业排灌电价计算，年总用电量计算值为43.89万KW.h/d，经计算得出年电费为16560元。（4）人员的工资及福利费用人员的工资及福利费用按5人，每人每年3万元计，则每年人员的工资及福利费用为15万元。5.5.2经济效益分析（1）节省排污费每年节约污水外排量约为650m3/d×365d×80%=189800m3，外排污水处理费用按1.2元/m3算，则年节省费用为189800×1.2=22.776万元/年。（2）中水灌溉绿化的效益每年用于绿化树木草地的回用水量为189800m3/年，按照每亩的土地上种植74棵树木，灌溉定额为150m3/亩，绿化面积为189800/150=1265亩，每亩的木材产量（按20年计）为31m3/亩，木材价格为630元/m3，总效益（按20年计）为67 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文31×630=19530元/亩，每年效益为19530/20=977元/亩，每年1265亩的效益为977×1265/10000=123.59万元。5.5.3经济评价通过计算工艺的费用效益比(R)可以更准确的评价工艺可行性，效率费用比与以下两个值有关：经济费用现值、效益流量现值(净现值)，其中效益流量现值可以通过动态指标评价中净现值法求得，年折旧额与现金流量有关，而现金流量又与效益流量有关。CCI0NPV(1i)式中CI指总收入，万元；Co指总支出，万元；I指基准收益率，取10%；t指年限，年。项目经济净现值(NPV)/费用现值=效益费用比(FI)表5-7化粪池+人工湿地工艺计算汇总表投资固管理运投资固定管理运行年收入净现金流量净现值定费行费现值费现值2013264.5-264.5-240.45240.45201420.88146.366125.485114.0818.98201520.88146.366125.485103.7117.26201620.88146.366125.48594.2815.69201720.88146.366125.48585.7114.26201820.88146.366125.48577.9212.97201920.88146.366125.48570.8311.79202020.88146.366125.48564.3910.72202120.88146.366125.48558.549.74202220.88146.366125.48553.228.86202320.88146.366125.48548.388.05202420.88146.366125.48543.987.3268 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表5-7（续表）投资固管理运投资固定管理运行年收入净现金流量净现值定费行费现值费现值202520.88146.366125.48539.986.65202620.88146.366125.48536.356.05202720.88146.366125.48533.045.50202820.88146.366125.48530.045.00202920.88146.366125.48527.314.54203020.88146.366125.48524.834.13203120.88146.366125.48522.573.76203220.88146.366125.48520.523.41203320.88146.366125.48518.653.10合计827.87240.45177.77基础年从2013年12月份计，基准收益率按10%计算。化粪池+人工湿地工艺的净现值NPV为827.87万元，计算汇总详见表5-7。化粪池+人工湿地技术工艺效益费用比(Ri)=项目经济净现值(NPV)/费用现值R1=827.87/(240.45+177.77)=1.98.5.6本章小结本章对王店村污水处理及回用工艺进行设计，并对其进行了工程技术经济分析，得出如下结论：（1）在确定处理工艺的基础上，进一步确定了设计水量为650m³/d，按人均0.3m3/d计算。（2）综合结合王店村整体布局，整体分散，局部集中，选用集中布置的化粪池，钢筋混凝土结构，设计停留时间18h。设置在建筑物的阴面，既靠近卫生间又便于将其出水接入人工湿地；本工程人工湿地应用植物有旱伞草、旱伞草、菖蒲及芦苇。植物的栽培方式采用育苗移栽,在湿地以一定间距面植的方式，基质采用一种废弃矿渣作为填料，进出水区颗粒的大小在60mm和100mm之间。处理区选用颗粒大小在8mm和16mm之间。本设计潜流湿地设计停留时间为48h，设计BOD负荷率为100kg/(hm2·d)，水力坡度选择0.6%，湿地床面积为2000m2，设计长宽比2:1。69 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（3）回用水处理系统采用活性砂过滤器，提砂管截面积与过滤面积的比值在1/311～1/388之间，提砂管直径与过滤器直径比值在1/18～1/25之间。消毒工艺采用液氯消毒，加氯量为5～10mg/L，取为7mg/L，即7×10-3kg/m3。（4）污水处理工艺技术总投资264.5万元，年运行费用20.88万元。年节省排污费22.776万元，中水灌溉绿化的效益为123.59万元。70 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文结论针对目前大部分农村地区环境现状，以平顶山市王店村为例，提出化粪池—人工湿地污水处理工艺以及砂滤—消毒的污水回用工艺，对工艺进行了详细的试验模拟以及优化调试和技术经济评价，结论如下：（1）王店村生活污水处理工程项目属于美丽乡村建设的环境整治型模式，结合王店村地形地貌、气候特征、人口规模以及经济条件，选择厌氧水解池-人工湿地组合工艺和化粪池-人工湿地组合工艺作为比选方案，通过技术经济比较，最终选定化粪池-人工湿地组合工艺，该工艺具有运行费用低，工艺简单，无动力消耗，管理方便，占地面积大等特点。（2）化粪池的设计池容采取分片设计，结合王店中心村规划设计图居民区人口规模，选择不同池容，化粪池设计停留时间采用18h。人工湿地植物选择旱伞草、芦苇苗、旱伞草和菖蒲，基质采用一种废弃矿渣，并在在出水集水区和进水配水区均匀布置，颗粒大小在60mm和100mm之间。潜流湿地基质深度为60cm，潜流湿地设计停留时间为48h，BOD负荷率为100kg/(hm2·d)，水力坡度选择0.6%，湿地床面积为2000m2，设计长宽比为2:1；湿地进水装置采用多孔管，多孔管埋于床面以下，系统的进水通过闸板的调节来控制系统的进水量，同时要设溢流管，出水装置的穿孔管设在填料层最下部，通过控制阀门、旋转弯头来控制湿地系统的水位；本次设计用0.8mm油毛毡密封铺垫作为防渗设施。（3）废弃矿渣对磷的吸附能力远高于粘土，比文献中报道的粉煤灰高出70%左右，其最大吸附量为1976mg/kg，几乎为粘土吸附最大量的3倍，其颗粒的吸附速率常数约为粘土颗粒的3.5倍，废弃矿渣对磷的解析率仅在30%左右波动，表现出良好的吸附性能；废弃矿渣的硝化能力也明显高于粘土，随着时间的推移，样品中氨氮浓度下降很快，伴随而来的是硝酸盐氮的浓度上升很快，但废弃矿渣样品中无论是上升幅度，还是下降的幅度都要大于粘土样品。（4）旱伞草-废弃矿渣湿地对TP去除效果最好，达68.0±4.7%，比空白组无植物高出12%左右，TP去除率最差为菖蒲-废弃矿渣湿地。与TP的去处率相比，空白实验组取得最高的CODCr和SS的去除率，分别为52.5±8.4%和72.1±13.6%。氨氮去除效果最好的为空白组无植物。（5）污水处理工艺技术总投资264.5万元，年运行费用20.88万元。年节省排污费22.776万元，中水灌溉绿化的效益为123.59万元。71 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文参考文献[1]林雄荣.美丽乡村生活污水整治规划-以厦门集美灌口镇村庄污水整治为例[J].四川建材.2014,40(02):81-82.[2]涂星.湖北村镇污水处理技术遴选及推广模式研究[D].武汉:华中科技大学,2012.[3]杨文涛,刘春平,文红艳.浅谈污水土地处理系统[J].土壤通报.2007,38(02):394-398.[4]李海明.农村生活污水分散式处理系统与实用技术研究[J].环境科学与技术.2009,32(09):178-181.[5]刘晓璐,牛宏斌,闫海等.农村生活污水生态处理工艺研究与应用[J].农业工程学报.2013,29(09):184-191.[6]胡恒祥,吕伟娅,梁磊等.农村地区生活污水处理技术研究[J].安徽农业科学.2010,31(38):17625-17626.[7]张清.人工湿地的构建与应用[J].湿地科学.2011,09(04):374-379.[8]SawaittayothinV,PolprasertC.Nitrogenmassbalanceandmicrobialanalysisofconstructedwetlandstreatingmunicipalland-llleachate[J].BioresourceTech.2006,98(03):565-570.[9]黄炜杰,胡晓东,萧灿强.化粪池组合工艺在南方农村生活污水处理中的应用[J].华南地震.2014,34(01):139-142.[10]吴迪,李玉华,赵琳娜等.沼气型厌氧好氧一体生化反应器处理分散型生活污水的研究[J].天津农业科学.2010,16(03):118-120.[11]翟建玲.谈化粪池的应用与发展[J].山西建筑.2011,37(26):141-142.[12]黄武,陈明晖,赵光桦等.无动力-地埋分散式厌氧系统处理农村生活污水[J].中国给水排水.2008,24(20):43-45.[13]AtkinsonS,FernandesL,CapraraA,etal.Preventionandpromotionindecentralizedrhealthsystems:Acompara-tivestudyfromnortheastBrazil[J].HealthPolicyandPlanning.2005,20(02):69-79.[14]SatoshiT,TakashO,KoichiS.Simultaneousnitrogenandphosphorusremovalusingdenitrifyingphosphate-accumulatingorganismsinasequencingbatchreactor[J].Biochem.Eng.2006,27(03):191-196.[15]BaezaJA,GabrielD,LafuenteJ.Effectofinternalrecycleonthenitrogenremoval72 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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的学位论文《王店村污水处理工艺优化设计研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读学位期间独立进行研究工作所取得的成果，且学位论文中除已标注引用文献的部分外不包含他人完成或已发表的研究成果。对本学位论文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。作者签名：日期：2016年12月19日学位论文使用授权说明学位论文是研究生在哈尔滨工业大学攻读学位期间完成的成果，知识产权归属哈尔滨工业大学。学位论文的使用权限如下：（1）学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，并向国家图书馆报送学位论文；（2）学校可以将学位论文部分或全部内容编入有关数据库进行检索和提供相应阅览服务；（3）研究生毕业后发表与此学位论文研究成果相关的学术论文和其他成果时，应征得导师同意，且第一署名单位为哈尔滨工业大学。保密论文在保密期内遵守有关保密规定，解密后适用于此使用权限规定。本人知悉学位论文的使用权限，并将遵守有关规定。作者签名：日期：2016年12月19日导师签名：日期：2016年12月19日76 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文致谢本文是在尊敬的导师杜茂安教授的悉心指导下完成的。在开展研究期间，无论是课题方向，研究方法，还是论文书写都得到了杜茂安教授的认真细致的指导，在此特向杜茂安教授表示最诚挚的谢意。导师丰富的知识，严谨的学风深深地感动着我，将使我受益一生。至此论文完成之际，谨向多年来给予我辛勤指导的杜茂安教授致以最衷心的敬意和最诚挚的感谢！衷心感谢所有老师在我攻读硕士学位方面给予我的关心和帮助！在课题进行过程中，得到设计院及业主相关人员的的热情支持，在此向他们表示真诚的感谢。曾光荣2015.1077 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文个人简历曾光荣（1977年～），男，汉族，中共党员，籍贯湖北省大冶县，给水排水专业；1996年～2000年：就读于哈尔滨工业大学给水排水工程专业，获工学学士学位；2000年～至今：就职于中国市政工程东北设计研究总院工作；2011年～至今：于哈尔滨工业大学市政学院攻读工程硕士学位。78'