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为适应我国农村地区水污染治理高效、节能的要求,满足水环境安全保护的要求,东南大学提出了“厌氧-缺氧-跌水充氧-人工湿地”的新型生物生态组合工艺。该工艺主要通过湿地除磷,但如果完全依赖生态法除磷,会存在湿地面积偏大的问题。根据钙离子除磷原理,利用废弃模具石膏可以实现磷从液相向固相的转化,从而提高人工湿地除磷效率,保证出水达到国家标准。
本研究对废弃石膏构建了静态烧杯试验、填料柱装置模拟试验及人工湿地小试试验,通过静态单因素试验及正交试验探讨石膏除磷的主要机理、不同因素(pH值、石膏颗粒粒径、投加量等)的影响及石膏除磷过程中出现钝化现象的解决方法;利用因子分析法,结合人工湿地除磷效果与经济效益,建立评价人工湿地强化除磷质量和能耗的综合评判模型。强化人工湿地除磷效果研究的主要结论如下:
1、对于烧杯试验,二水合硫酸钙和石膏除磷反应要求偏碱性的pH值;磷去除率随投加量增加而上升,随颗粒粒径增加而减小。碳酸盐浓度影响pH值变化,起缓冲作用。对于装置模拟试验,磷去除效果及石膏钝化前的有效除磷时间与石膏投加量、溶液pH值和水力停留时间呈正相关,但单位质量石膏除磷率与以上三个因素呈负相关。在人工湿地中,pH值和投加量对除磷效果的影响与装置模拟实验结果相同,但pH值的影响显著度较低。随湿地水力负荷的增加,强化除磷单元和湿地本身除磷效率均下降,组合工艺磷去除率降低;石膏有效除磷时间也随水力负荷增加而减少。水力负荷的选取需考虑经济和环境因素,建议水力负荷小于0.25m3/(m2.d)。
2、正交试验结果表明,石膏除磷中,pH是最主要的影响因素;对成分较单一的实验室配水,影响因素影响力大小依次为pH值>投加量>颗粒粒径,对人工湿地进水(即工艺中实际进水)影响顺序为pH值>颗粒粒径>投加量。铁屑除磷与其相反,因素影响顺序为颗粒粒径>投加量>pH值。当进水磷浓度为3.00mg/L,最适条件下,废石膏和废铁屑化学强化除磷反应的反应时程曲线相似,出水磷浓度均降到0.50mg/L以下。
3、石膏钝化和石膏消耗影响模拟装置持续除磷效果。石膏钝化后,进行静置或抖动石膏层能实现石膏除磷性能的活化。石膏在化学除磷过程中平均消耗速率为4.51g石膏/(mgP.d),需定时补充。
4、石膏强化除磷的装填位置可设为前置化学除磷或基质强化除磷两种。前置除磷法的除磷率为57.95%,低于石膏作为基质时67.89%的除磷率。但前置除磷便于石膏活化,长期运行时石膏消耗量较小。
5、选取人工湿地磷去除率、水力负荷和石膏投加量为因素集,利用SAS软件,建立了模糊综合评判模型。经验证,所建立模型评价结果与实际情况较吻合。