1、 毕业论文 开题报告 环境工程 嘉兴市污染河道水体净化整治方案及其设计 1 选题的目的、意义 1.1 目的 通过对嘉兴市水质的调查，分析嘉兴市河道水质情况，有针对性地进行河道水质净化整治，使其符合 再生水回用于景观水体的水质标准 （ CJ/T95-2000） 要求；保证切断借水传染病的流行于发生，保障广大市民的身体健康，提高本市市民的身体素质。 的 1.2 意义 人是一个生物体，人体中有 70%左右是由水构成的，水对人体的重要性是不言而喻的，而且水资源是社会经济可持续发展中至关重要的基础资源 ,水资源的持续利用和水 环境的保护是我国最为突出的资源环境问题之一。近年来，随着城镇工业和乡镇工业的飞
2、速发展，人类对水资源需要越来越大，但水资源的污染问题也日益严重。由于人口数量的几何增长，工业废水的乱排乱放、城市垃圾、农村农药的施放等等，造成本来已是极少的淡水资源加剧短缺，无法为人所用，据世界卫生组织（ WTO）统计，目前水中污染物已达 2221 种，其中有些确认为致癌物或促癌物，主要为有机化学物、碳水物、重金属。甚至为了取水及排污的需要，大部分工厂、企业都建在河畔，同时影响着河流两岸居民的健康。我国面临重工业发达国家 20多年前所面临 的严重水污染问题 ,国家开始把城市污水处理设施建设作为水污染防治的重点。 我国的水污染一直也在持续恶化，七大水系、主要湖泊、近海岸海域及部分地区地下水污染严
3、重，流经城市的河流水质 90%不符合饮用水源标准， 75%的湖泊水域富营养化，“三河三湖”即辽河、海河、渭河、太湖、巢湖、滇池的治理，刚刚拉开了我国水污染防治的序幕，长江、黄河的污染也已经到了非治理不可的程度，从目前全国水环境状况看，水污染尚未得到有效控制，总磷、总氮、化学耗氧量和高锰酸钾等污染指标居高不下，城市地下水50%受到严重污染。据中国预防医学科学院统 计：全国约有 7 亿人饮用水大肠杆菌超标， 3亿人饮用水含铁超标， 1.7 亿人饮用水受到有机物的污染， 1.1 亿人饮用高硬度水， 0.7 亿人饮用高氟水， 0.5 亿人饮用高硝酸盐水。目前我国主要大城市只有 23%的居民饮用水符合卫
4、生标准，小城镇和农村饮用水合格率更低。水污染及饮水健康已经受到越来越多的专家和市民的关注。 2 研究背景 2.1 嘉兴水质现状 嘉兴市位于长江三角洲南翼的杭嘉湖平原 ,属于典型的江南平原河网地区。由于地势低平、污染加剧，至 2000 年，“江南水乡”嘉兴境内已无合格地表饮用水源，直接影响到嘉兴市民的饮 水安全和健康长寿 ,“水乡无好水”现象十分突出。水质性缺水又导致地下水过量开采，造成地面沉降，寻找外地新水源成为唯一选择。最终，嘉兴选择了邻近的太湖。 值得一提的是 ,近年来太湖多次暴发蓝藻。特别是 2007 年西太湖大规模暴发蓝藻，引发无锡市饮用水供给危机，严重影响到当地人民群众的生产和生活，
5、引起了社会各界的广泛关注，党中央、国务院也高度重视太湖水污染治理，进而也提醒人们太湖水污染状况不容乐观。近些年，由于经济的快速发展，人口的不断集聚、增长，污水和废水排放量逐年增加，河网水质均受到不同程度的污染，饮用水水源的水 质逐年下降，嘉兴市域饮用水取水河道水体富营养氧污染严重，水草滋生，水葫芦大片繁殖，也多次发生污水倒灌现象，严重威胁当地人民群众的生活和饮用水安全。 2.2 影响嘉兴水体污染的主要因素 2.2.1 境外客水的污染 嘉兴河网水体承接上游大量过境水，由于河流坡度低、比降小，河水流速平缓，且受黄浦江潮汐顶托影响，许多河道流向顺逆不定、倒流回荡，使得污染范围扩大。尤其是市域北部吴江
6、市盛泽镇等地工业废水的排放大量转移入境，滞留嘉兴内河，严重危害全市饮用水源和水体水质。 2.2.2 来自本地的污染 1）工业、生活污 水 近几年来随着经济发展，城乡人口的增加，政府加大了对污水处理的投入，通过排污企业的积极改造和治理，近几年从废水排放总量看没有大的变化趋势。另外全市已有多家污水处理企业相应投入使用，工业、生活污水已全部进入污水管网，就这一块废水排放关键在于是否能控制污水达标排放。 2）农村面源污染 面源污染是由降水、径流，把大气、地面中的污染物质带到水体中引起的，其中农作物使用的农药、化肥以及畜禽养殖业污染是主要的污染源。 3）河网淤积 河道底部的抬高，导致水流不畅，水环境功能
7、衰退，从而加剧了河网水质恶化和水环境容量的减 小。 3 相关研究的最新成果及动态 3.1 人工湿地 3.1.1 概况 介质、水生植物和微生物是人工湿地的主要组成部分。介质为微生物的生长提供稳定的空间 , 为水生植物提供载体和营养物质 , 并通过一些物理和化学途径净化污水；水生植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外 , 还有输送氧气至根区和维持水力传输的作用。 人工湿地中有着丰富的微生物群落 , 水生植物根系格当发达 , 因而酶相当活跃微生物数量的大小、酶活性的高低直接关系到生物降解作用的大小及生物化学活动的强弱 , 20cm 以下层微 生物的丰度显著下降 , 酶活性也
8、从表层而下逐渐下降 , 水生植物根系主要集中在 25cm以上的湿地基质区域 , 由此可以初步得出人工湿地中有机污染物的降解主要发生在 20cm 以上的基质区域。 3.1.2 净化机理 人工湿地中微生物的代谢作用是污水中有机污染物质降解的主要机制 , 污水中的有机污染物质包括含氮、含磷化合物 , 经微生物的作用 , 降解成终极产物释放到大气中或固定于土壤、或成为水生植物及微生物可以吸收的营养物质、或转化为对水环境无毒或弱毒的物质。各种酶在土壤中的积累是由于土壤微生物、好中温动物区系和植物根系的 生命活动的结果 , 它们参与了土壤中腐殖质的合成和分解、有机化合物、高等植物和微生物残体的水解及其转化
9、成为可利用的形态、以及还原反应等。 水生植物的存在有利于微生物在人工湿地纵深的扩展。不同类群的微生物亦存在着相互的联系。细菌是土壤微生物中数量最多的一个类群，在污水净化过程中起着巨大作用，使复杂的含氮化合物转化为可供植物和微生物利用的含氮无机化合物；真菌是好气性的微生物，是水生植物根系输氧作用的受益者，具有强大的酶系统，能引起纤维素、木质素、果胶等的分解，能分解蛋白质化合物释放氨；放线菌是含氮和不含氮化合物分 解作用的 积极参与者，还能形成抗生物质维持湿地生物群落的动态平衡；磷细菌能将有机物质状态的、不可直接利用的磷素降解为简单的、可供植物及微生物吸收的磷化物；人工湿地中的藻类起着光合放氧和吸
10、收营养物质的作用；原生动物摄食一些微生物和碎屑 , 起调节微生物群落的动态平衡和清洁水体的作用。他们共同协作构成互利共生的系统 , 发挥整体作用净化污水。 3.2 河道曝气技术 3.2.1 概述 河道曝气技术是根据河流受到污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气 (或氧气），加速水体复氧过程，以提高水体的溶解氧水平，恢复和增强水体 中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以净化，从而改善河流的水质。河道曝气技术作为一种投资少、见效快的河流污染治理技术，在很多国家被优先采用。 根据国外河道曝气的工程实践，河道曝气一般应用在以下两种情况：第一种是在污水截流管道和污水处理厂建成之前，为解决河道水体的有
11、机污染问题而进行人工充氧，如德国莱茵河支流 Emscher 河的情况。第二种是在已经过治理的河道中设立人工曝气装置作为对付突发性河道污染的应急措施。突发性河道污染是指连续降雨时，城市雨 -污混合排水系统溢流，或企业因发生突发性事故排放废水造成的污染 。另外，在夏季，因水温较高，有机物降解速率和耗氧速率加快，也可能造成水体的溶解氧降低。以上两种情况发生后，进行河道曝气复氧是恢复河道的生态环境和自净能力的有效措施。 3.2.2 理论依据 河水中溶解氧的含量是反映水体污染状态的一个重要指标，受污染水体溶解氧浓度变化的过程反映了河流的自净过程。当水体中存在溶解氧时，河水中的有机物往往为好氧菌所分解，使
12、水中溶解氧含量下降，浓度低于饱和值，而水面大气中的氧就溶解到河水中，补充消耗掉的氧。如果有机物含量太多，溶解氧消耗太快，大气中的氧来不及供应，水体的溶解氧将会逐 渐下降，乃至消耗殆尽，从而影响水生态系统的平衡。当河水中的溶解氧耗尽之后河流就出现无氧状态，有机物的分解就从有氧分解转为无氧分解，水质就会恶化，甚至出现黑臭现象。此时，水生态系统已遭到严重破坏，无法自行恢复。由此可见，溶解氧在河水自净过程中起着非常重要的作用，并且水体的自净能力直接与曝气能力有关。 河水中的溶解氧主要来源于大气复氧和水生植物的光合作用，其中大气复氧是水体溶解氧的主要来源。大气复氧是指空气中的氧溶于水中的气 -液相传质过
13、程，这一过程也可称为天然曝气。但是，如果单靠天然曝气作用，河水的自净过程将 非常缓慢。人工曝气也可产生天然曝气的同样效果。当河水受到严重的有机污染，导致污染源下游或下游某段河道处于缺氧或厌氧状态时，如果在适当的位置向河水进行人工充氧，就可以避免出现缺氧或厌氧河段，使整个河道自净过程始终处于好氧状态。因此，可以采用人工曝气的方式向河流水体充氧，加速水体复氧过程，提高水体中好氧微生物的活力，以改善水质。 此外，如果向一条已遭受严重有机污染且处于黑臭状态的河道进行人工曝气时，充入的溶解氧可以迅速地氧化有机物厌氧降解时产生的 H2S、甲硫醇及 FeS 等致黑致臭物质，有效地改善、缓和水体的黑臭程 度。
14、 3.3 生物接触氧化技术 3.3.1 概述 生物接触氧化法兼有活性污泥法和生物膜法的优点，同时还具有维护管理方便、占地面积小、不需要污泥回流、不产生污泥膨胀、处理效果稳定、运转灵活等特点，因而自 20 世纪 70 年代以来得到了广泛应用。近年来该法也被用于受污染河道的治理，许多发达国家，如日本、韩国和荷兰等，已经用于工程实践，在我国则刚刚起步，但发展较快。从空间分布来看，生物接触氧化技术可以应用于河道原位处理和河道旁路处理。 3.3.2 河道原位生物接触氧化处理技术 在河道原位处理中，国内外学者对生 物接触氧化技术中的填料、生物膜特性及水质净化机理和与其他技术联合使用等方面做了大量研究。 1
15、） 填料 生物接触氧化法中的填料是生物载体，其费用约占接触氧化池总造价的 40 % 50 %，填料的选用直接影响接触氧化池运行效果和投资，因此生物接触氧化技术应用于污染河道治理以来，填料的研究从未间断过。 生物接触氧化技术最初采用天然或废弃材料（如卵石、砾石等）应用于污染河道治理，取得良好的净化效果并大量应用于各中小污染河流的治理。在 20 世纪 90 年代，日本和韩国有许多受污染的河流采用砾间接触氧化法净化河道水质。 为 了得到经济上合理、技术上为微生物提供良好的生存空间（大的比表面积、易于挂膜等）的填料，近几年人工填料的开发有很大的进展。采用密度接近于水的 TX 型柱形悬浮填料投入水体进行
16、试验，其结果表明，该法适宜于直接在河道上进行污水生物曝气处理工艺的改造。利用自行开发的悬浮载体生物膜反应器（ SCBR）进行了修复受污染河水的试验，在对悬浮载体生物膜反应器进行了结构改造和流态优化的基础上，将其应用于受污染河水水质的原位修复。利用生物飘带污水处理技术在河道内建设分散污水处理设施，达到了消除水体黑臭的目的。 2）生物膜特性 生物 接触氧化技术处理河道污水，主要由填料上形成的生物膜来完成，因此对生物膜特性（包括生物相、生物量及生物活性等）的研究，能够帮助了解水质净化效果与生物膜特性的关系。 生化池进水处填料层生物膜厚度为 0.3 0.5 mm，出水处填料层膜厚为 0.1 0.3 m
17、m，当水中溶解氧控制在 7 9 mg L-1 时， 填料上生物膜全是好氧层，膜上的生物相丰富，主要是高好氧贫营养性微生物。污染物氨、氮的生物降解速率很快，污染的去除主要是填料上的好氧生物膜在起作用。 3）与其他技术的组合 单一的生物接触氧化技术不是使河道变清的一劳 永逸的方法，若将多种技术与其集成在一起，就能够形成高效经济并长期稳定的净化河流的技术方案。 采用多级接触氧化渠，以经活化处理的多孔异形填料（聚丙烯 /维尼龙 /不定型聚氯乙烯）为生物载体，通过适当添加经就地驯化的优势微生物使城镇污染严重的中小河道得到了较好的净化。 在扬水曝气条件下，在原位进行了强化生物接触氧化技术改善滦河水源水质的
18、试验研究后认为，扬水曝气加原位生物接触氧化组合用于水源水质改善是可行的。 国家“十五”重大科技专项 苏州城市水环境质量改善及综合示范工程中的苗家河在挂膜成熟后，结合浮床植物，使 COD、 TN、 TP 的平均去除负荷显著高于文献报道的单纯浮床植物净化负荷。 在上海的闸北区夏长浦河道曾运用科利尔生物接触氧化工艺（ KIC）治理河水，并取得了较好的效果。 KIC 工艺主要包含科利尔活菌净水剂、科亮生物带、科亮微孔曝气管和科利尔生物接触氧化工艺等几个方面，它是一种就地处理中、小黑臭河道的经济合理技术。 3.3.3 河道旁路生物接触氧化处理技术 一般河道的功能多为行洪，其水质、水量在雨、旱季差异大，因
19、此，河道的原位处理效果很难保证。利用河侧区域建立与河道原位处理并行的旁路净化系统，则可有效保证河道水质 净化效果。因此，近些年来，研究河道旁路生物接触氧化技术已经有了很大进展，而其中的主要研究对象是接触氧化生物反应器。 3.4 生物膜技术 3.4.1 概况 生物膜技术是人们长期以来根据自然界中水体自净的现象 , 农田灌溉时土壤对污染物的净化作用以及有机物的腐败过程 , 总结、模拟而发展起来的一种污水处理技术。它使微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状 , 通过与污水接触 , 生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养吸收并加以同化 , 从而使污水得到净化。该方法自 1893 年第一个生物膜处理
20、设施生物滤池试验成功以来 , 因其降解能力强、接触时间短、占地面积小以及投资少等特点而得到了长足的发展与应用。近年来 , 由于城市周围中小河流污染事故的不断发生 , 生物膜技术又有了新的应用领域。当前国外特别是日本 , 在利用生物膜技术净化河流方面发展较快 , 已达到了工程化程度。我国对该法在河流治理中的应用研究还处于起步阶段。 3.4.2 基本原理 生物膜法净化河流的实质是对天然河流中所发生的生物过程的一种强化 , 把天然过程变为了天然过程和人工过程的结合体。它根据天然河床上附着的生物膜的净化作用及过滤作用 , 人工填充滤料或载体 , 供细菌絮凝生 长 , 形成生物膜。当污染的河水经过生物膜
21、时 , 污水和滤料或载体上附着生长的菌胶团开始接触 , 菌胶团表面由于细菌和胞外聚合物的作用 , 絮凝或吸附了水中的有机物 , 与介质中的有机物浓度形成一种动态的平衡 , 使菌胶团表面既附有大量的活性细菌 , 又有较高浓度的有机物 , 成为细菌繁殖活动的适宜场所。由于这种有利条件 , 菌胶团表层的细菌迅速繁殖 , 很快消耗水中有机物 , 这时污染河水中的有机物大部分被去除 , 水质也得到了改善。 生物膜降解污染物质的具体过程主要分为四个阶段： 污染物质向生物膜表面扩散； 污染物在生物膜 内部扩散； 微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应； 代谢生成物排出生物膜。生物膜由于固着在滤料或载体上 ,
22、因此能在其中生长世代时间较长的细菌和较高级的微生物 , 如硝化菌的繁殖速度要比一般的假单胞菌慢一倍 , 这就使生物膜法在去除有机物的同时具有脱氮除磷的作用 , 尤其是对受有机物及氨氮污染的河流有明显的净化效果。另外 , 在生物膜上还可能大量出现丝状菌、轮虫、线虫等 , 从而使生物膜净化能力大大增强。 3.4.3 国外常用的净化河流的生物膜技术 当前 , 国外常用于净化河流的生物膜技术主要有砾间接触氧化法、排水 沟渠的接触氧化法、生物活性炭填充柱净化法、薄层流法和伏流净化法。 1)砾间接触叙化法 该方法是根据河床生物膜净化河水的原理设计而成 , 通过人工填充的砾石 , 使水与生物膜的接触面积增大
23、数十倍 , 甚至上百倍。水中污染物在砾间流动过程中与砾石上附着的生物膜接触、沉淀 , 进而被生物膜作为营养物质而吸附、氧化分解 , 从而使水质得到改善。 2)排水沟渠的接触叙化法 该方法是在排水沟渠内或外设置净化设施 ,在设施内填充粒状、细线状、垫子状、波板状及各种各样的砾石和塑料等接触材 , 利用接触材比表面积大、空隙率高的特点 , 使大 量的微生物附着在其表面 , 形成生物膜。当污水流过净化装置时 , 其中的污染物质与生物膜接触被吸附、沉淀 , 进而被分解掉。这样 ,污水在排人河流之前就能得到充分的净化 , 减少了河 流污染的发生源。同时 , 还能对污染的河流起到稀释作用。该方法具有净化效
24、果好、便于管理的特点 , 尤其是该法有时是在几十厘米深的沟渠中进行的 ,往往不需要曝气 , 所以能充分节省能源。 3)生物活性炭填充柱净化法 该净化法是一种以活性炭为填料的生物膜净化法主要是利用活性炭对基质的强吸附能力 , 同时为微生物的附着生长提供巨大的比表面积 , 特别是细 菌分解水中有机物的“ 生物膜效应” 和微生物吸着在活性炭上分解有机物的“ 生物再生效应” 以及活性炭微孔隙捕捉有机物的“ 吸着效应” 去除河水中的污染物质 ,使水质得到改善。该方法充分发挥了活性炭比表面积大、空隙大、吸附性能好的特性 , 使附着在其表面的微生物种类多、数量大、活性强、增殖速度快 , 形成了吸附与好氧生物
25、膜的完美结合 , 进一步提高了生物膜的净化能力。 4)薄层流法 河流的净化作用主要在于河床上附着的生物膜 ,生物膜面积增大 , 通过膜表面的水的流量就会减少 ,生物膜的净化能力就得到了增强。薄层流法就是使水 流形成水深数厘米的薄层流过生物膜 , 使河流的自净作用增强数十倍。 5)伏流净化法 伏流净化法主要是利用河床向地下的渗透作用和伏流水的稀释作用来净化河流的。该方法可被看作是一种缓速过滤法微生物膜过滤 , 整个河床是一个大的过滤池 , 由河床上附着的生物膜构成缓速过滤池的过滤膜 , 污染的河水经过滤膜的过滤作用缓慢地向地下扩散 , 成为清洁的地下水。用于稀释的伏流水是渗入地下的清洁水 , 人
26、为用泵提升到地面来稀释河流 ,使河流的自净作用进一步增强。 3.5 投菌法 河流中污染物的降解主要依靠微生物的降解作用，当河 流污染严重而且缺乏有效的微生物作用时，直接向河道内投加微生物菌剂，可以促进有机污染物降解。投菌法常作为一种水质改善的应急措施，在短时间内发挥净化功效，改善水质，适合于河流净化的微生物主要有硝化菌、有机污染物高效降解菌和光合细菌等。 投菌法需要向河道投加足够剂量的菌剂，如此大量的高效微生物的选育需要较长的时间，但其净化效果持续时间较短，这其中的原因一方面是所投菌难以在复杂河流系统中占有竞争优势，另一方面是河水流动性造成的菌剂流失。为保持微生物净化效果，通常需要经常性地投加
27、菌剂，直至河流恢复其生态自净功能，处理 成本较高。但是可以预期的是，随着现代生物技术的进步，将会有越来越多的更为高效经济的生物菌剂被开发并应用于河流污染治理中。 3.6 强化絮凝技术 强化絮凝技术是在一级处理工艺基础上，通过投加化学絮凝剂，强化去除水中各种胶体物质及细小的悬浮物质，可以在短时间内以较少的投资和较低运行费用而大幅度消减污染负荷。 该方法一般不受气候条件影响，处理效果较明显和稳定，但产生的底泥、泥渣等须妥善处置，否则可能造成二次污染。 3.7 氧化塘 氧化塘，又称生物塘或稳定塘，是一种利用天然池塘或经过一定人工修整的池塘，形成细 菌、藻类、微型动物（原生动物与后生动物）、水生植物以
28、及其他水生动物的稳定生态系统，对污水进行净化的构筑物。净化作用主要包括稀释作用、沉淀和絮凝作用、好氧及厌氧微生物的代谢作用、浮游生物的作用以及水生维管束植物的吸收作用等。处理河道污水一般采用曝气塘（内置各种填料）和前置预沉塘、水生动植物塘相结合的形式配套使用。塘内水生植物还可构建为人工浮岛以强化植物的吸收作用，选择的水生植物宜尽量考虑使用当地土著植物，不要盲目引进，以免引起外来物种入侵的生态问题。 4 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及 预期达到的目标 4.1 研究内 容 嘉兴市河道污染严重，本课题主要通过采用生物接触氧化技术和水生植物净化污染河道的水质。 生物接触氧化法兼有
29、活性污泥法和生物膜法的优点，同时还具有维护管理方便、占地面积小、不 需要污泥回流、不产生污泥膨胀、处理效果稳定、运转灵活等特点，所以采用此方法。 4.2 研究方法和技术路线 在生物接触氧化法中，微生物主要以生物膜的状态附着在固体填料上，有部分生物絮体呈破碎生物膜状悬浮于处理水中，生物接触氧化法中有机物的去除主要靠生物膜 (附着微生物 )的作用来完成。 生物接触氧化法的中心 处理构筑物是接触氧化池。接触氧化池主要由池体、填料、布水装置和曝气系统 4 部分组成。接触氧化池采用直流式，直流式就是直接在填料底部进行鼓风充氧。 工艺流程图如下： 图 工艺流程图 4.3 研究难点 污染水体原地处理较难，相
30、关资料较难搜集。 5 论文详细工作进度和安排 2010.11.22-2011.1.10 完成外文翻译、文献综述和开题报告等工作； 2011.1.10-2011.3.11 编写毕业设计方案，做好设计所需前期准备工作； 2011.3.11-2011.4.10 完成工艺、设备设计计 算，编写设计说明书； 2011.4.11-2011.5.1 用 Auto CAD画出污水收集和预处理工艺流程和主要设备、构筑物图； 2011.5.1-2011.5.14 毕业设计初稿撰写、修改及定稿，评阅； 2011.5.15-2011.5.23 论文 ppt 制作、参加设计答辩，提交与毕业设计相关的其它材料； 2011.5.24-2011.6.9 毕业论文答辩资格审查、答辩和成绩评定。
