农户污水分散式土地处理系统的研究

【摘要】：农户污水的随意排放是造成水体污染的重要原因。寻求高效、廉价、易于操作的农户污水土地处理工艺,对于控制农村地区水体污染、改善农村生态环境具有重要理论意义和实用价值。 本文是作者近几年实验室工作和工程实践的总结。本文的研究围绕着农户污水以及处理农户污水的土地处理系统展开。在文献整理与阅读过程中,本文运用文献计量学的新理论,发现国际学术界污水处理领域的研究趋势。在实验室工作中,本文利用非线性拟合方法研究土壤对磷的吸附；从污水受纳水体底泥中,分离出污水生物强化处理高效菌；建立模拟反应器研究预处理方法对反应器启动时间及填料对反应器处理污水效果的影响。在滇池工程实践中,运用改良型三格化粪池、复合基质滤床和人工湿地系统的组合工艺,在滇池北岸进行农户污水零散土地处理工程示范,取得较好效果。在爱尔兰综合型人工湿地(ICW)系统处理高污染负荷农户污水工程实践中,利用自组织映射(SOM)模型揭示该系统出水水质参数之间的关系,实现对土地处理系统出水水质的实时监控。 本文研究的总体思路是：通过文献计量分析当前研究热点和趋势,在实验室研究农户污水土地处理系统的共性机理和技术方法,通过示范工程建设进行工程实践。 本文主要研究结论如下： (1)分别用线性和非线性拟合方法研究了红土对污水中磷的吸附规律,结果表明,利用线性方法获得的r2的大小来判断最佳匹配等温线的方法存在理论缺陷,非线性拟合方法是研究土壤对磷吸附特征的正确方法；通过非线性拟合方法得到的Redlich-Peterson等温线曲线与等温吸附实验的实验数据点最为匹配。 (2)对四种可用于土地处理系统的填料(沸石、高炉水渣、陶粒、核桃壳)进行模拟实验,结果发现高炉水渣是适合于滇池北岸农户污水土地处理系统的填料；挂膜效果最好的填料为高炉水渣,最差的为核桃壳；高炉水渣对反应器系统的pH值也具有一定的调节能力,能使系统更有效的去除污染物。 (3)研究了预处理方法对反应器启动的影响以及启动后系统的性能,结果表明好氧预挂膜-厌氧污泥接种法预处理能加快反应器的启动速度,并能增强COD (chemical oxygen demand)的去除效果,经过该预处理法处理的反应器普遍比经过厌氧污泥接种法预处理的反应器的挂膜效果好；当COD负荷在100～900mg/d之间时,以水渣作为填料的反应器具有较强的耐负荷冲击能力,两个填充水渣的反应器的COD去除率较为稳定,均能维持在68～81%之间；在填充高炉水渣的反应器中,污染物的去除均符合一级动力学方程,污染物去除速率的快慢顺序为：总磷COD总氮。 (4)从污水受纳水体底泥中分离出两种COD降解高效菌(DWT-2和DWT-4) (DWT:domestic wastewater-treating bacteria)和两种磷去除高效菌(DWT-6和DWT-7),根据形态学和生理生化鉴定结果为：DWT-2属于产碱菌属(Alcaligenes sp.), DWT-4和DWT-7被鉴定为假单胞菌属(Pseudomonas sp.),而DWT-6则为克雷伯氏菌属(Klebsiella sp.),由DWT-2和DWT-7(比例分别为2：1、1：1、1：2)所组成的3组复合菌种是对COD和磷去除效果最好的复合菌种。 (5)在滇池北岸成功进行了农户污水零散土地处理系统工程示范,结果表明IST+CMFB+CW(改良型三格化粪池+复合基质滤床+人工湿地)系统处理农户污水后,出水中的COD、总磷、总氮浓度基本能达到《农田灌溉水质标准》(GB5084—92)“水作”标准；季节变化总体上对总磷和总氮的去除率影响不大,系统较为稳定；IST+CMFB系统对总磷和总氮的去除能力较强,耐污染负荷冲击能力也较好；系统在消减污染的同时,还具有较好的景观效果,无需占用额外的土地,无需外加动力,成本低廉,管理简单方便,适合于在我国广大农村地区推广应用。 (6)在爱尔兰Annestown流域研究了处理高浓度农户污水的综合型人工湿地(ICW)系统,结果表明该系统具有良好性能,对农户污水中溶解性磷(SRP)、NH4+-N、NO3--N、BOD(biochemical oxygen demand)、COD、SS(suspended solids)、E-coli的去除效果较好；ICW系统出水中SRP、NH4+-N、NO3--N、BOD、COD、SS、E-coli的平均浓度达到了爱尔兰环保局规定的污水处理系统出水水质标准；ICW系统对NH4+-N和SRP的去除效果受季节变化的影响较小,系统较稳定；ICW系统依自然地势条件设计,与当地自然景观协调一致,保证了系统中水体的自流,节省了建设费用和运行费用,且具有较高的生态适宜性；ICW系统对于高浓度农户养殖污水具有较好的处理效果,而且运行管理简单,适宜于在农村地区长效运行。 (7)运用自组织映射(SOM)模型分析了ICW工程的水质参数,结果表明SOM模型的可视化功能可直观地揭示各水质参数之间的关系；SOM模型预测准确率较高,实现了ICW系统出水BOD浓度的实时监控；ICW土地处理系统出水数据集中的空白数据和异常数据可以被SOM模型较好地预测和替换；SOM模型是适宜于野外工程数据分析的预测工具,在土地处理系统中具有较好的应用前景。 (8)我们的研究表明,滇池北岸的农户污水零散土地处理系统和爱尔兰Annestown流域的ICW系统均属于适合处理农户污水的分散式土地处理系统,两类系统既有共性,又存在适用条件上的差别。两个系统均能较好地控制农户污水对水体的污染；其设计都利用了工程建设地的地形地势,无需外加动力,具有较好的景观效果；两个系统的操作和管理简单,适合于农村地区推广应用；滇池北岸的农户污水零散土地处理系统主要是处理农户的生活污水,利用农户房舍周围的零散土地,占用土地面积小,而ICW系统主要用于处理高负荷的农户畜禽养殖污水,占地面积相对较大,这是制约该系统在中国农村推广应用的最大因素。 【关键词】：农户污水 土地处理系统 吸附 填料 SOM模型
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-18
• 引言18-19
• 第一章 绪论19-45
• 1.1 农村面源污染与农户污水19-20
• 1.2 分散式污水处理技术20-21
• 1.3 污水土地处理技术发展历史21-22
• 1.4 土地处理系统的构成、分类与特点22-26
• 1.4.1 土地处理系统的构成22
• 1.4.2 土地处理系统的分类22-25
• 1.4.3 土地处理系统的特点25-26
• 1.5 污水土地处理的机理26-30
• 1.5.1 去除有机物质的机理27
• 1.5.2 去除SS的机理27-28
• 1.5.3 脱氮的机理28-29
• 1.5.4 脱磷的机理29
• 1.5.5 去除金属的机理29-30
• 1.5.6 杀灭病菌的机理30
• 1.6 污水土地处理系统的基质研究状况30-32
• 1.6.1 土壤基质的研究状况31
• 1.6.2 其他填料基质的研究状况31-32
• 1.7 污水处理生物强化技术32-33
• 1.8 人工神经网络模型33-36
• 1.8.1 人工神经网络的概念33
• 1.8.2 人工神经网络的发展33-35
• 1.8.3 人工神经网络的分类35
• 1.8.4 人工神经网络在水资源领域的应用现状35-36
• 1.9 污水研究的文献计量学分析36-42
• 1.9.1 文献类型分析36-37
• 1.9.2 关键词分析37-39
• 1.9.3 文献的期刊分布分析39-40
• 1.9.4 作者文献产量分析40-41
• 1.9.5 国家或地区文献产量分析41-42
• 1.10 论文研究目的、思路、内容和意义42-45
• 第二章 土地处理系统土壤基质吸附磷的机理研究45-62
• 2.1 前言45
• 2.2 实验45-48
• 2.2.1 材料45-46
• 2.2.2 实验方法46-47
• 2.2.3 吸附量的计算47
• 2.2.4 吸附等温线理论47-48
• 2.3 结果与讨论48-60
• 2.3.1 线性回归48-55
• 2.3.2 非线性回归55-59
• 2.3.3 温度对吸附的影响59-60
• 2.4 小结60-62
• 第三章 土地处理系统填料性能研究62-79
• 3.1 前言62-63
• 3.2 实验63-68
• 3.2.1 填料63-64
• 3.2.2 静态吸附实验64-65
• 3.2.3 污水处理模拟实验65-66
• 3.2.4 COD、TN、TP去除的动力学分析66-67
• 3.2.5 样品监测项目及方法67-68
• 3.3 结果与讨论68-77
• 3.3.1 填料的吸附性能68-70
• 3.3.2 模拟实验反应器的启动70-72
• 3.3.3 模拟实验反应器稳定后的运行效果72-75
• 3.3.4 有机负荷的影响75-76
• 3.3.5 COD、TN、TP去除的动力学分析76-77
• 3.4 小结77-79
• 第四章 农户污水生物强化处理技术研究79-96
• 4.1 前言79-80
• 4.2 实验80-84
• 4.2.1 菌种的分离80-81
• 4.2.2 高效菌的选育81
• 4.2.3 高效菌的鉴定81-82
• 4.2.4 不同菌种组合处理污水实验82-83
• 4.2.5 实验参数的优化83
• 4.2.6 水质参数检测83-84
• 4.2.7 实验分析设备84
• 4.3. 结果与讨论84-95
• 4.3.1 高效菌的分离和筛选84-86
• 4.3.2 高效菌的鉴定86-88
• 4.3.3 复合菌种对污水的处理效果88-90
• 4.3.4 不同参数对复合菌种处理污水的影响90-95
• 4.4 小结95-96
• 第五章 滇池北岸农户污水零散土地处理技术研究96-111
• 5.1 前言96-98
• 5.2 工程设计及运行监测98-103
• 5.2.1 工程地点98-99
• 5.2.2 工程技术要点99-100
• 5.2.3 工艺流程100-101
• 5.2.4 工程规模及材料101-102
• 5.2.5 运行参数设计102-103
• 5.2.6 运行及监测103
• 5.3 工程运行效果与讨论103-110
• 5.3.1 总体效果103-104
• 5.3.2 IST+CMFB对TN、TP的去除效果104-108
• 5.3.3 总体评价108-110
• 5.4 小结110-111
• 第六章 爱尔兰综合型人工湿地处理技术研究111-125
• 6.1 前言111-112
• 6.2 工程设计及运行监测112-115
• 6.2.1 工程地点112
• 6.2.2 工程技术要点112-113
• 6.2.3 工艺流程113
• 6.2.4 工程规模及材料113-114
• 6.2.5 运行参数设计114
• 6.2.6 运行及监测114-115
• 6.3 工程运行效果与讨论115-123
• 6.3.1 总体效果115-116
• 6.3.2 对N和P的去除116-121
• 6.3.3 地下水水质121-122
• 6.3.4 总体评价122-123
• 6.4 小结123-125
• 第七章 土地处理系统自组织映射模型研究125-139
• 7.1 前言125-126
• 7.2 实验数据与处理模型126-129
• 7.2.1 实验数据126
• 7.2.2. 统计分析126
• 7.2.3 空白数据和异常数据126-127
• 7.2.4 SOM模型127-129
• 7.3 结果与讨论129-137
• 7.3.1 数据的预处理与分析129-132
• 7.3.2 SOM模型的可视化结果132-134
• 7.3.3 利用SOM模型的实时监控134-136
• 7.3.4 利用SOM模型预测空白数据136-137
• 7.4 小结137-139
• 第八章 结论与建议139-143
• 8.1 主要结论139-142
• 8.2 有待进一步研究的问题142-143
• 参考文献143-161
• 攻博期间发表的科研成果161-163
• 致谢163

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