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水资源的短缺、生活污水排放量的持续增加以及污水处理率较低的现状导致我国水环境持续恶化。本文选用廉价的天然地质矿物如石英砂、灰岩、磁铁矿、生铝土矿、熟铝土矿等矿物作为渗滤介质，构筑多级地质矿物滤池处理生活污水，致力于增强去除效果，提高水力负荷，降低处理成本，为实现该工艺在各中小城镇和农村中的推广和应用提供理论依据。
研究中通过设置初滤池减少悬浮固体在后续滤池中的累积，防治后续滤池堵塞，降低后续滤池的进水有机物污染负荷;于主体滤池投加灰岩，利用其水解中和硝化反应产生的酸性物质，维持处理系统内部中性偏碱的微生物最佳生长环境，提高微生物活性，增强滤池对NH4+-N的去除效果，并延缓堵塞;设置反硝化滤池，提高滤池反硝化作用，并进行地质矿物除磷等温吸附实验、动力学实验及影响因素实验，研究各地质矿物的除磷容量，综合考虑不同滤池段降解污染物的最适理化条件，确定最佳的地质矿物滤池渗滤介质组成。最终通过上述实验研究，达到提高污染物去除效果，维持滤池较高水力负荷并防治堵塞的效果，为高效地质矿物滤池技术的推广应用提供理论依据。具体研究成果可分为四个方面。
(1)有机物降解实验
COD去除实验中，粒径对COD去除效果的影响不明显，经过3到4天的微生物生长挂膜所需缓冲期之后，混砂、中砂及粗砂地质矿物滤池对COD的去除率分别为69.79％、66.48％及64.98％，差别不大;粒径对滤池水力负荷有一定的影响，三滤池平均水力负荷为分别为1.40m/d、1.78m/d及1.89m/d;粒径对滤池抗污染负荷冲击的能力有一定的影响，粗砂滤池的COD去除率变化较大。综合考虑，石英砂的最佳粒径为0.5～2.0mm。
填料厚度对COD去除效果的影响不明显，1m及2m的混砂地质矿物滤池对COD平均去除率分别为87.48％及88.88％。COD去除规律的实验结果显示，有机物在滤池中的降解主要发生在渗滤介质表层以下0～1.1m的区域，该区域对COD的去除率可达到65％以上，其中表层以下0～0.1m区域对COD的去除率为30％左右。对COD的去除而言，渗滤介质厚度为1m左右时即可达到较好的效果。
灰岩的投加对地质矿物滤池COD去除效果的影响不大，全程COD去除率在60％左右。在增强硝化作用的情况下，由于硝化作用与有机物降解两者之间相互抑制，地质矿物滤池对COD的去除率有所下降，但出水COD仍能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级标准中的A类标准。
地质矿物滤池对COD的去除能力较强，以石英砂作为渗滤介质即可到达较好的去除效果，其中石英砂的最佳粒径为0.5～2.0mm，最佳厚度为1m左右。
(2)脱氮实验
渗滤介质粒径对地质矿物滤池硝化脱氨氮效果的影响不明显。混砂及粗砂地质矿物滤池对NH4+-N平均去除率分别为52.68％及49.37％。总体而言，混砂及粗砂对NH4+-N的去除效果较差，且受水力负荷的影响明显，在水力负荷大于1.5m/d时，两滤池出水NH4+-N浓度高于排放标准中的一级标准。
灰岩可提高地质矿物滤池出水pH值。在加强滤池复氧、降低进水有机物污染负荷的条件下，滤池内部硝化作用增强，此时灰岩水解可与硝化产酸形成动态的pH缓冲体系，保持滤池内部微生物最佳生长pH值环境，提高滤池对NH4+-N的去除率，且能长时间保持稳定。在该情况下50％灰岩体积分数的地质矿物滤池对NH4+-N的去除率稳定在79.15％左右。而30％灰岩体积分数的地质矿物滤池由于水力负荷较高，导致有机物污染负荷高，硝化作用被抑制，NH4+-N平均去除率仅为16.18％，不能产生足够的酸性物质中和灰岩水解产碱过程，其出水pH值反而高于50％体积分数的灰岩滤池。
在二级地质矿物滤池中，初滤池对COD的去除率平均可达64.84％，能有效降低后续主体滤池进水有机物污染负荷，增强硝化菌活性。在该条件下，后续中砂主体滤池对NH4+-N的去除率由第1次取样时的48.83％逐渐上升到第8次取样时的92.95％，之后由于中砂主体滤池不含灰岩，不能中和硝化作用产生的酸性物质，滤池内部pH值持续下降，降低硝化菌活性，导致中砂滤池对NH4+-N的去除能力减弱，实验中对NH4+-N的去除率平均仅为51.95％。
在初滤池降低有机污染负荷的作用下，在灰岩体积分数为50％的主体滤池中，所含的灰岩可作为碱源，与硝化产酸过程形成动态pH缓冲体系，保持滤池内部中性偏碱的微生物最佳生长环境，硝化菌活性维持在较高水平，对NH4+-N的降解转化作用强。其中，平均水力负荷为1.99m/d的灰岩主体滤池NH4+-N平均去除率可达83.94％，并随着硝化体系的逐渐完善，NH4+-N去除率趋于稳定;平均水力负荷为1.51m/d的灰岩主体滤池由于前期水力负荷低，复氧充分，硝化菌活性强，其NH4+-N平均去除率可达95.58％，且最为稳定。
改变进水落干时间比，延长落干时间可增强滤池复氧，提高二级地质矿物滤池对NH4+-N去除效果。随着进水落干时间比值的减小，滤池落干复氧期延长，主体滤池对NH4+-N的去除率逐渐增加，并于进水落干时间比为1h∶2h时达到最高值88.79±3.35％。继续减少进水时间，在保持相同水力负荷的情况下，单位时间内水力负荷增加，导致单位时间内滤池降解的N4+-N污染物总量增加，且水力停留时间变短，滤池出水NH4+-N浓度有所上升。主体滤池布水最佳进水落干时间比为1h∶2h。
曝气可提高污水中溶解氧，增强硝化菌活性，有助于提高二级地质矿物滤池对NH4+-N的去除效果，其中曝气对中砂主体滤池去除效果的提升明显，其NH4+-N平均去除率在曝气前后分别为51.95％及87.95％;曝气对灰岩主体滤池NH4+-N去除率的提升有限，其中进水落干时间比为1h∶2h的灰岩主体滤池NH4+-N平均去除率在曝气前后分别为95.58％及98.22％。由于曝气导致主体滤池进水溶解氧浓度过高，破坏滤池内部的缺氧、厌氧环境，主体滤池反硝化作用被抑制，出水NO3--N浓度明显上升。对灰岩主体滤池而言，无需设置曝气单元。
在保持水力负荷为2.0m/d，并采用进水落干时间比为1h∶2h的布水方式下，随着进水NH4+-N浓度的增加，二级灰岩地质矿物滤池对NH4+-N的降解容量逐渐上升，并趋于稳定，在进水NH4+-N浓度为50.17mg/L时到达最高值39.66mg/(L.d)。继续提高进水NH4+-N浓度，受水中溶解氧的制约，滤池硝化反应速率降低，对NH4+-N的降解容量减少。在上述水力负荷及布水方式下，灰岩主体滤池的最佳进水NH4+-N负荷为45mg/L左右，此时滤池NH4+-N降解容量较大，且出水可达到排放标准的一级A类标准。
在保持进水NH4+-N浓度相对稳定时，并采用进水落干时间比为1h∶2h的布水方式下，灰岩主体滤池的硝化脱氨氮的能力随着水力停留时间的延长而增强，当滤池水力负荷低于1.79m/d、水力停留时间高于0.24d时，灰岩主体滤池出水NH4+-N去除率高于98％，浓度低于0.5mg/L。灰岩主体滤池出水NH4+-N浓度与水力停留时间两者之间满足一级反应动力学模型，通过对实验数据的拟合，其一级反应速率常数KT为11.9730，显著高于同类污水土地处理系统，即地质矿物滤池对NH4+-N的去除速率明显高于其他污水土地处理系统。在达到相同NH4+-N去除效果的条件下，地质矿物滤池所需的水力停留时间短，水力负荷高，占地面积小。
二级地质矿物滤池硝化脱氨氮能力较强，主体滤池出水存在NO3--N累积的现象，且曝气会加剧这一情况。平均水力负荷为1.99m/d的灰岩主体滤池出水NO3--N浓度在曝气前后分别为8.7及15.4mg/L。在多级地质矿物滤池中，后置的反硝化滤池对NO3--N有一定的去除效果，去除率在40％左右，且由于反硝化产碱，其出水pH值相对于进水有明显提高，进水、出水平均pH值分别为7.37及7.75。
地质矿物滤池对NH4+-N的去除能力较强，在构筑初滤池、进水落干时间比为1h∶2h的情况下，灰岩的投加可显著改善主体滤池的pH环境，提高硝化脱氨氮的效果，在平均水力负荷为2.0m/d左右，进水NH4+-N浓度为41.36mg/L时，地质矿物滤池出水NH4+-N浓度为3.94mg/L，低于一级A类排放标准;反硝化滤池可去除部分NO3--N，但由于缺乏碳源，反硝化作用不是很强。
(3)除磷实验
本研究所选地质矿物中，灰岩对PO43--p的去除效果最好，且去除速率快，除磷能力灰岩＞磁铁矿＞熟铝土矿＞生铝土矿。其中生铝土矿除磷满足零级反应动力学模型，反映出其对PO43--p的吸附容量低，污水中的PO43--p相对其投加量处于过量状态，且生铝土矿易破碎形成粉末状，作为渗滤介质将导致滤池迅速堵塞。
在除磷在等温吸附实验中，灰岩较符合Freundlich等温吸附模型，相关系数为0.9383;磁铁矿及熟铝土矿对Langmuir及Freundlich等温吸附模型拟合程度都很高，相关系数在0.97以上。在Langmuir模型中，200目的磁铁矿对PO43--p的最大吸附容量为1586.5381mg/kg，远高于熟铝土矿的596.1413mg/kg;Freundlich模型中，反映吸附能力的常数k值灰岩＞磁铁矿＞熟铝土。各地质矿物等温吸附模型中，拟合理论值与实验结果相符，即PO43--p吸附容量灰岩＞磁铁矿＞熟铝土矿。
在除磷反应动力学实验中，Elovich及双常数方程对三种地质矿物除磷动力学实验的拟合度较好，相关系数在0.94以上，其次为二级反应动力学模型。Elovich及双常数方程中与吸附速率相关的常数值灰岩＞磁铁矿＞熟铝土矿;在二级反应动力学模型中，反应速率常数k值灰岩＞磁铁矿＞熟铝土矿。三种模型的拟合结果一致，显示除磷吸附速率灰岩＞磁铁矿＞熟铝土矿。
在除磷投加量实验中，200目灰岩对人工污水中PO43--p去除率最高，最大可达88.04％，且需要的投加量最少，为120g/L。在pH影响实验中，于3～10的pH值范围内，随着pH的增加，各地质矿物对PO43--p的吸附容量逐渐降低，在生活污水所处的中性pH条件下，灰岩的磷吸附容量最高。
水力负荷对地质矿物滤池除磷效果的影响较大。在水力负荷小于0.5m/d时，混砂及中砂滤池对TP的去除效果即可达到较高的水平;在水力负荷达到1.65m/d时，中砂滤池对TP的去除率显著降低，平均去除率仅为49.31％，出水TP浓度难以达到一级排放标准;于主体滤池及反硝化滤池分别投加粒径为2.0～5.0mm的灰岩及磁铁矿，在平均水力负荷为1.99m/d时，其TP平均去除率为64.52％，仍然较低。
选取200目的磁铁矿构筑厌氧段滤池，可有效提高滤池对TP的去除率，在高水力负荷下其出水TP浓度可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A类标准。
地质矿物对PO43--p有一定的吸附能力，灰岩作为硝化脱氮作用所需的碱源，对PO43--p的吸附容量相对较高，是地质矿物滤池最佳的渗滤介质。在反硝化滤池中，可考虑寻求其他对水环境pH值影响较小的富含铁、铝、镁等金属元素的精矿，进一步提高滤池的除磷效果。
(4)堵塞防治实验
悬浮固体在滤池内的累积现象明显，实验初期，悬浮固体主要累积于滤池顶部，随着运行时间的延长，悬浮固体的累积逐渐向滤池深部发展。实验第一天悬浮固体于20cm深处即可降至8mg/L，而实验第三天悬浮固体于160cm深处降为4mg/L。
初滤池对生活污水中的悬浮固体有非常好的去除效果，去除率可达75％以上。初滤池可有效降低后续主体滤池进水悬浮固体浓度，悬浮固体在主体滤池中的累积现象不明显，且在渗滤介质表层得到有效去除，不易形成滤池深部堵塞
在投加灰岩且滤池硝化作用较强的情况下，灰岩与硝化产酸过程形成动态的pH缓冲体系，使滤池内部处于中性偏碱的pH环境，微生物活性高，降解能力强，截留的污染物与更新脱落的生物膜被快速分解利用，且胞外聚合物产量少，有效延缓了三者对渗滤介质孔隙的堵塞。同等粒径下50％灰岩体积分数的地质矿物滤池正常运行时间在56天以上，平均水力负荷为2.05m/d;粗砂滤池实验初期正常运行时间为20天，后期经自然恢复后水力负荷下降速度更快。
初滤池可显著防治后续主体滤池的堵塞。初滤池由于水力负荷高，进水悬浮固体浓度高，容易发生堵塞。初滤池完全堵塞一般需要一个月左右，期间会发上部的轻微堵塞，可通过人工扰动渗滤介质表层快速恢复;在严重堵塞期间，通过长时间的空置可令其渗透性有所恢复。一般构筑两个初滤池交替运行。
在构筑初滤池的灰岩地质矿物滤池系统中，灰岩主体滤池正常运行近三个月，水力负荷稳定在2.0m/d左右;在构筑初滤池的中砂地质矿物滤池系统，中砂主体滤池稳定运行时间为39天，之后水力负荷逐渐下降。
悬浮固体的累积以及微生物的活性共同对地质矿物滤池的堵塞过程产生影响。其中难降解的悬浮固体导致的堵塞速度快，程度深，恢复较为困难;微生物活性的影响速度较慢，由可降解污染物的累积、更新脱落的生物膜以及胞外聚合物的聚集导致的滤池堵塞需要较长的时间，且程度较轻，易于恢复。
高效地质矿物滤池技术对生活污水中主要污染物去除能力强，且水力负荷高，稳定运行时间长，在生产实践中有较好的应用前景，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。