耦合生態(tài)技術(shù)深度處理農(nóng)村分散式生活污水效能與仿真.pdf

1、本研究以設(shè)計(jì)一種可推廣的分散式生活污水深度生態(tài)處理技術(shù)為目標(biāo)，以耦合Sequencing Batch Biofilm Reactor(SBBR)及Vertical Flow Constructed Wetlands(VFCW)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了SBBR-VFCW裝置。在SBBR-VFCW基礎(chǔ)上，以恢復(fù)和維持農(nóng)村塘、池水體生態(tài)健康為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了促生態(tài)恢復(fù)型集成式生態(tài)浮床(Restoration-Promoting Integrated Fl

2、oating Bed, RPIFB)。實(shí)驗(yàn)以SBBR-VFCW為核心處理技術(shù)，以RPIFB為農(nóng)村水體生態(tài)系統(tǒng)的保育技術(shù)，為農(nóng)村分散式生活污水深度處理及水體生態(tài)環(huán)境健康維護(hù)提供了一套新的技術(shù)方案。具體內(nèi)容包括:
　　(1)研究通過(guò)設(shè)計(jì)有效容積為18L、工作容積為12.5 L的SBBR反應(yīng)器，處理了TN、TP、NH4+-N、CODCr濃度范圍分別為87.0-100.0 mg/L、6.0-8.0 mg/L、75.0-85.0 mg/L、

3、490.0-510.0 mg/L的高濃度和64.0-75.0 mg/L、4.0-6.0 mg/L、55.0-64.0 mg/L、360.0-380.0 mg/L的中濃度模擬農(nóng)村分散式生活污水（文中簡(jiǎn)稱(chēng)污水）。以12 h為一個(gè)周期分兩階段共進(jìn)行了20周期的污水處理實(shí)驗(yàn)。其中，前10周期進(jìn)水負(fù)荷為7L，考察了SBBR系統(tǒng)對(duì)兩種濃度污水的處理能力;后10周期，進(jìn)水由7 L/cycle，以0.5 L/cycle的增長(zhǎng)速率漸增至12.5 L/cy

4、cle，考察了SBBR的耐負(fù)荷增長(zhǎng)能力。結(jié)果顯示:SBBR處理高濃度污水時(shí)出水中的TN、TP、NH4+-N、CODCr達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002，下稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)）Ⅰ級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的頻率分別為100％、0％、60％、20％，處理中濃度污水的出水達(dá)Ⅰ級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的頻率分別為100％、0％、100％、100％;Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值下，SBBR處理高濃度污水進(jìn)水負(fù)荷可增大至初負(fù)荷的1.3-1.6倍，處理中濃度污水時(shí)可至1.7-1.8

5、倍。因而，SBBR能較好的處理污水并耐污染負(fù)荷增長(zhǎng)，隨進(jìn)水濃度降低其處理及耐負(fù)荷能力增強(qiáng);但SBBR對(duì)污染物處理能力不均衡，TP處理能力較弱;出水雖能滿(mǎn)足農(nóng)田灌溉等再生利用標(biāo)準(zhǔn)，但仍具較強(qiáng)致富營(yíng)養(yǎng)化性。SBBR宜作為耦合工藝的第一環(huán)節(jié)技術(shù)，采取有效技術(shù)補(bǔ)充深化污染物的處理。
　　(2)研究通過(guò)設(shè)計(jì)體積80 L、有效容積為25.2 L的VFCW系統(tǒng)，以美人蕉為功能植物，布置卵石、天然沸石、土壤基質(zhì)，處理了TN、TP、NH4+-N、C

6、ODCr濃度范圍分別為59.0-62.0 mg/L、4.2-5.0 mg/L、45.0-50.0 mg/L、290.0-310.0 mg/L的中濃度和32.0-35.0 mg/L、1.4-1.7 mg/L、28.0-30.0 mg/L、61.0-65.0 mg/L的低濃度模擬污水，兩種濃度下以0.10 m3/m2·d和0.17m3/m2·d兩種負(fù)荷測(cè)試了VFCW對(duì)污染物的處理率及沸石基質(zhì)孔隙率的變化。VFCW系統(tǒng)在中濃度污水0.10m3

7、/m2·d負(fù)荷入水情況下，出水各指標(biāo)均未達(dá)GB18918-2002Ⅰ級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，相同負(fù)荷條件下處理低濃度污水時(shí)各出水指標(biāo)均達(dá)Ⅰ級(jí)A標(biāo)準(zhǔn);兩濃度污水負(fù)荷由0.10m3/m2·d增至0.17 m3/m2·d時(shí)，出水水質(zhì)均下降明顯;由VFCW系統(tǒng)沸石基質(zhì)孔隙率、出水可再生利用性、富營(yíng)養(yǎng)脅迫性的變化，發(fā)現(xiàn)高濃度、高水力負(fù)荷條件下VFCW孔隙率降低速率更快，出水可再生利用范圍更窄，對(duì)受納水體富營(yíng)養(yǎng)化脅迫更強(qiáng)。因而，VFCW系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求較高，宜

8、在通過(guò)前處理初步消減污染物，使入水污染物濃度有所降低的基礎(chǔ)上發(fā)揮深度處理作用。
　　(3)研究通過(guò)設(shè)計(jì)的耦合SBBR及VFCW兩種工藝的一體化SBBR-VFCW裝置，以3個(gè)SBBR-VFCW裝置在不同DO、曝停比、干濕比、進(jìn)水量條件下處理了高、中、低3個(gè)濃度（以TN、TP、NH4+-N、CODCr為指標(biāo)）水平的模擬污水。取連續(xù)20 d的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)作為BPN人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的樣本，應(yīng)用MATLAB軟件，設(shè)置隱含層為7，學(xué)習(xí)速率

9、為0.14，動(dòng)量因子為0.6，學(xué)習(xí)時(shí)間為8000 h對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示，3組SBBR-VFCW出水NH4+-N、TN、CODCr全部可以達(dá)到Ⅰ級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水TP介于Ⅰ級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)與Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)間;低濃度進(jìn)水時(shí)TN、TP、NH4+-N、CODCr的去除率分別可達(dá)91.5％、88.5％、98.5％、97％。以隨機(jī)抽取的6組測(cè)試樣本對(duì)BPN模型的模擬能力檢驗(yàn)，TN、TP、NH4+-N、CODCr的MAER值分別為6.6％、5.9％、7.2％、6

10、.4％均低于13.5％，測(cè)試樣本均方根誤差(RMSE)均小于0.078，相關(guān)系數(shù)均大于0.99，證明BPN模型泛化能力和過(guò)程模擬能力良好。通過(guò)模型權(quán)重分析，可知SBBR-VFCW出水TN、TP、NH4+-N、CODCr受進(jìn)水NH4+-N、曝停比、DO影響明顯。實(shí)驗(yàn)顯示SBBR-VFCW對(duì)模擬農(nóng)村生活污水處理能力好，出水可再生利用性強(qiáng)，對(duì)農(nóng)村水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化脅迫小，BPN模型能較好的模擬SBBR-VFCW這一非線性多變量的耦合污水處理過(guò)程，

11、為預(yù)測(cè)系統(tǒng)水質(zhì)變化、在線監(jiān)測(cè)、工藝自動(dòng)控制提供了基礎(chǔ)。
　　(4)研究通過(guò)設(shè)計(jì)的促生態(tài)恢復(fù)型人工浮床(restoration-promoting integratedfloating bed，RPIFB)為SBBR-VFCW系統(tǒng)的處理生活污水的出水的環(huán)境轉(zhuǎn)歸做了進(jìn)一步深度凈化補(bǔ)充技術(shù)的探索。RPIFB中，浮水床、沉水床以天然沸石為基質(zhì)，為挺水植物（美人蕉，Canna indica Linn.）和沉水植物（菹草，Potamogeto

12、ncrispus Linn.）著生提供了條件，RPIFB以網(wǎng)裹覆，內(nèi)部放養(yǎng)銅銹環(huán)棱（Bellamyaaeruginosa）、泥鰍（Misgurnus anguillicaudatus），所有組分為系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成完整的生物鏈提供了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)以富含藍(lán)綠藻類(lèi)和原生動(dòng)物的富營(yíng)養(yǎng)化池塘水為基礎(chǔ)，添加KH2PO4、(NH2)2CO和NH4NO3營(yíng)造重富營(yíng)養(yǎng)化水體。實(shí)驗(yàn)1以CODCr、NO3--N、NH4+-N、TN、TP、Chl.a、濁度等指標(biāo)（其中

13、TN、TP、NH4+-N、CODCr濃度值均大于SBBR-VFCW出水濃度）的變化對(duì)比了FB、GSB及RPIFB對(duì)水體的凈化能力，研究了光照作用于GSB進(jìn)而影響RPIFB凈化功能的特點(diǎn);實(shí)驗(yàn)2探究了RPIFB中美人蕉、菹草、泥鰍、銅銹環(huán)棱螺對(duì)沉水床光照和深度變化的生理響應(yīng)，分析了RPIFB的生態(tài)保育能力。結(jié)果顯示，PRIFB作用下TN、TP、NH4+-N、和CODCr的去除率分別可達(dá)74.5％±1.4％、98.3％±4.3％、74.7％