本仿真系统将以污水土地处理工艺为核心模块，辅以常规厌氧、好氧及氧化塘模块，学生通过污水的水质及水量，达标标准以及成本等参数，计算并优化工艺参数，合理设置工艺模块的组合。

图1 微动力污水处理工艺基础组合流程

1.  厌氧消化对污染物的去除

厌氧生物反应包括水解、酸化和甲烷化三个大的阶段。污水中的污染物按分散体系划分为颗粒性、超胶体、胶体和溶解性四种不同形态。首先，水解反应器中大量微生物将进水中颗粒状颗粒物质和胶体物质迅速截留和吸附。截留下来的物质吸附在水解酸化污泥的表面，慢慢地被分解代谢，在大量水解酸化细菌的作用下，悬浮有机物和大分子物质（碳水化合物、脂肪和脂类等）通过微生物胞外酶水解成小分子，小分子有机物在酸化菌作用下转化成挥发性脂肪酸。

图2 厌氧池内部原理图

 

2.多介质土壤层对污染物的去除

多介质土壤层技术是新型的土地污水处理系统，包括了生物、土壤、气体以及水等因素之间的相互作用。废水进入系统以后，废水中的污染物通过一系列的生物及物化作用被去除。主要作用有：吸附、沉淀、过滤、截留、化学反应、生物转化以及生物降解等。其核心理念是充分利用土壤的净化功能处理污水，将土壤模块化处理，并在土壤模块周围设置通水层，有效解决了一般土地处理系统占地面积大、容易堵塞的问题，此外，还可以在土壤模块中添加其他介质来提高系统的净化能力。

图3多介质土壤层示意图

 

图4. 土壤多介质模块工作原理

 

（1）有机物去除效率与机理

运行初期，污水中的有机物主要通过系统中通水层材料、土壤和填料的物理截留和化学吸附作用而得到去除。当系统稳定后，在前期物理化学作用的基础上，异养好氧型微生物将系统前期截留吸附的有机物作为营养源合成自身细胞质或通过好氧代谢作用去除。表层土壤的通气传氧性好，有利于好氧细菌和硝化细菌的生长。

（2）氮去除效率与机理

   多介质土壤层通水层材料选择多样，有砾石、沸石、鹅卵石等，其中以沸石最为常见，首先系统内的一部分有机氮通过土壤、沸石的吸附和离子交换作用直接被去除，另一部分通过矿化作用变成氨氮，然后和污水中其他氮素一起通过硝化、反硝化的生物脱氮作用而被去除。在该系统中，大多数 BOD5成分和氨氮都在系统表土层和亚表土层被去除，这一表层区域中土壤微生物的活性非常强。

（3）磷去除效率与机理

磷的去除主要通过物化作用，通常发生在系统上部的混合模块层中。混合模块层中含有大量的 Al、Fe、Ca 等离子，这些离子可通过微弱的物理吸附及较强的化学吸附作用来去除污水中的磷酸盐，同时部分通水层填料，如木炭等也可吸附一部分磷酸盐，另外铁炭微电解系统也可通过电化学反应来去除一部分磷。

3. 人工湿地对污染物的去除

人工湿地主要有表面流式和潜流式，两种方式均能高效地对污水中的氮、磷的进行去除。其中人工潜流湿地处理系统是人工筑成的床横槽，床内充填介质支持芦苇类的挺水植物生长。床底设粘土隔水层，并具为一定的坡度。污水从沿床宽度设置布水装置进入，水平流动通过介质，与布满生物膜的介质表面和溶解氧充分的植物根区接触，在这一过程中得到净化。而表面流人工湿地则是可利用现有的野生池塘加以改造，在池塘中种植生态植物，对污水来进行净化。

 

 

图5 潜流人工湿地示意图

（1）人工湿地对SS的去除

污水中可沉降的SS主要依靠湿地系统中物理沉降作用去除。由于湿地中水的流动极其缓慢，水浅，加上植物茎杆的阻挡作用，ss在进水口几米内能有效地去除。实验表明，所有的固体物在系统最初的 20％面积处得到去除。胶体状的SS主要依靠微生物的作用、填料渗滤作用去除。

（2）人工湿地对有机物的去除

人工湿地对有机物有着较强的降解能力，污水中的不溶有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用，而污水中的可溶有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解去除，因此湿地对有机物的去除作用是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果。反应过程中主要氧源来自水面复氧和植物向根区的过量氧传导。湿地系统对BOD。的去除可达 80％以上。有研究表明，污水在湿地床内流动时，污水COD的降解速率会随着迁移距离的延长，呈现逐渐减慢的趋势，关于这一现象还有待研究。

（3）人工湿地对氮的去除

氮是植物生长不可缺少的一种元素，污水中的无机氮通常包括NH3—N和NO3—N，它们均可以被湿地中植物吸收。合成植物蛋白质，最终通过植物的收割从湿地中得到去除。另外，人工湿地中的填料也可通过一些物理和化学的途径如吸收、吸附、过滤、离子交换等去除一部分污水中的氮但是，湿地系统中氮的去除是主要的还是通过湿地中微生物的硝化和反硝化作用。人工湿地中种植的水生物植物的重要功能之一就是将氧气从上部输送至植物根部，从而在植物根区附近形成一个好氧环境，而随着离根系距离的逐渐增大，湿地中依次出现缺氧、厌氧状态。这样的条件有利于硝化菌和反硝化菌的生长。为硝化反应和反硝化反应的进行提供了条件。

（4）人工湿地对磷的去除

污水中磷的存在形态取决于污水中磷的类型。最常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐等。人工湿地对磷的却除是通过植物的吸收、 微生物的去除作用和填料的吸收过滤等几方面的作用共同完成的。 磷和氮一样，都是植物的必需元素，污水中的无机磷在植物的吸收和同化作用下被合成ATP等有机成分，通过收割而从系统中去除。微生物对磷的去除作用包括微生物对磷的正常吸收和过量积累，湿地中某些细菌种类因从污水中吸收超过其生长所需的磷，而微生物细胞的内含物储存过量积累，可通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。

4. 运行成本及温室气体排放约束

运行成本是限制污水处理工艺在农村地区推广的重要因素，通过水质及水量核算，合理配置工艺流程，优化占地面积，有效的节约投资和运行成本是仿真教学的重要环节。此外，温室气体的无序排放是气候变化的关键影响因素，污水处理设施，特别是土地污水处理设施是温室气体的一个源，污水处理的厌氧过程伴随着二氧化碳、甲烷及氮氧化物等温室气体的排放，微动力处理设施，外界干涉手段少，基本依赖自然过程，因此，这些温室气体在各工艺模块中的贡献具有不确定性和复杂性，通过仿真模拟计算，优化工艺流程，设计绿色高效的污水处理设施是本仿真教学的重要目的。

 

图6 污水处理工艺温室气体核算