人工快速滲濾系統(tǒng)的運行方式對復(fù)氧效果的影響

孫小靜,馬利民,梁小超,崔程穎

(同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化國家重點實驗室,上海 200092)

1 引 言

人工快速滲濾系統(tǒng) (Constructed Rapid Infiltration,簡稱 CR I)是指有控制地將污水投放于人工構(gòu)筑的滲濾介質(zhì)的表面,使其在向下滲透的過程中經(jīng)歷不同的物理、化學(xué)和生物作用,最終達(dá)到凈化污水的過程[1]。CR I系統(tǒng)通常采用淹水和落干相交替的工作方式,這可在系統(tǒng)內(nèi)部的淺層剖面上交替形成氧化還原環(huán)境,從而使 CR I系統(tǒng)具有獨特的凈化污染物功能[2]。對于 CR I系統(tǒng),由于水力負(fù)荷大幅提高,污染物負(fù)荷也相應(yīng)提高,其復(fù)氧狀況對系統(tǒng)的處理效果有巨大的影響[3,4],復(fù)氧條件差的結(jié)果往往是造成系統(tǒng)內(nèi)部有機(jī)物的好氧生物降解效果不理想,硝化作用受到限制,系統(tǒng)處理效果差的主要原因。所以相對于傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)而言, CR I復(fù)氧問題的解決顯得更為重要。為了提高復(fù)氧效率,目前復(fù)氧采用的方法主要有三種：一是采用周期性干濕交替的工作方式加強(qiáng)系統(tǒng)復(fù)氧[5,7];二是利用植物的根系對系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行復(fù)氧[8];三是安裝通風(fēng)管對系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行復(fù)氧[9,10]。

CR I系統(tǒng)的淹水時間與落干時間之比即為濕干比,適宜的濕干比是確保系統(tǒng)復(fù)氧的關(guān)鍵。系統(tǒng)的水力負(fù)荷周期是一次淹水和一次落干所構(gòu)成的循環(huán),CR I系統(tǒng)中,擴(kuò)散是系統(tǒng)復(fù)氧的重要途徑[11,12],而系統(tǒng)的水力負(fù)荷周期[3,4],對改善系統(tǒng)的復(fù)氧狀況,提高處理效率,增強(qiáng)污染物去除效果具有重要意義。另外,有研究表明,設(shè)置通氣管對土地處理系統(tǒng)復(fù)氧有重要作用。本文通過研究 CR I系統(tǒng)現(xiàn)場系統(tǒng)中濕干比,水力負(fù)荷周期和增加通氣管對復(fù)氧效果的影響,從而為 CR I系統(tǒng)的工程優(yōu)化及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 試驗條件與方法

2.1 試驗裝置

本試驗采用自行設(shè)計的人工快速滲濾模擬柱進(jìn)行試驗。采用市售 PVC管材制作,高 250cm,直徑 (內(nèi)徑)19cm,在裝置[13]的下端和側(cè)面留有取樣口。CR I系統(tǒng)滲在裝置內(nèi)鵝卵石墊層按照由下往上礫石粒徑由大變小的方式填裝,填裝厚度約15cm左右。滲透區(qū)的介質(zhì)由天然河砂組成,河沙厚度為 170cm左右。隨后在頂部裝入土層厚度為10cm左右的耕土。耕層土壤采自污水廠綠化帶土壤,天然土壤含有豐富的有機(jī)質(zhì),土壤肥沃,微生物活性強(qiáng)。

本試驗在室內(nèi)條件下運行 (室溫 5℃～38℃),系統(tǒng)啟動階段后,經(jīng)過 1個月左右基本穩(wěn)定,CR I系統(tǒng)對 CODCr、NH3-N等的去除率都達(dá)到較高的水平,且系統(tǒng)出水較為穩(wěn)定,系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)采用兩種預(yù)處理方式 (初沉池出水和厭氧處理出水),原水通過計量泵向模擬裝置加入生活污水,供水水頭控制在 5cm,用預(yù)先設(shè)置好的時間繼電器控制淹水時間和干化時間。

2.2 試驗水質(zhì)

本試驗在上海市東區(qū)處理廠現(xiàn)場進(jìn)行,污水取自初沉池出水 (表 1),為減輕污水對系統(tǒng)沖擊,部分實驗采用初沉池出水經(jīng)過 EGSB厭氧出水 (表2)。該污水處理廠匯水區(qū)域內(nèi)的染料廠、印染廠等工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)廢水未經(jīng)處理直接排入該污水處理廠,使得進(jìn)水中工業(yè)廢水和生活污水混雜,水質(zhì)變化較大。初沉池出水經(jīng)過 EGSB厭氧水解后,其有機(jī)污染物濃度大幅降低,污水中有機(jī)氮得到一定程度的氨化。

表1 進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Water quality of influent and effluent in CR I system (mg/L)

表2 EGSB系統(tǒng)水質(zhì)情況Tab.2 Water quality of EGSB (mg/L)

2.3 試驗方法

在相同水力負(fù)荷條件下,分別用不同的濕干比(1∶1、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶12和 1∶20)考察系統(tǒng)對CODCr和NH3-N去除率,了解系統(tǒng)復(fù)氧效果。

在確定的濕干周期比 1∶6,同一水力負(fù)荷的前提下,改變一天內(nèi)污水不同的投配次數(shù),實驗設(shè)計兩種工況 (工況 1：每次進(jìn)水 0.5小時,落干 3小時,每天污水投配次數(shù)約為 7次,期間要保證系統(tǒng)完成復(fù)氧。工況 2：進(jìn)水 1天,落干 6天,每天污水投配次數(shù)為 1次),考察在不同水力負(fù)荷周期條件下系統(tǒng)對CODCr和NH3-N的去除率,進(jìn)而了解系統(tǒng)復(fù)氧狀況。

2.4 測定項目及方法

天然河沙粒徑采用 LS230型激光粒度儀測定,其他指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定[14],分析測定的項目包括與系統(tǒng)復(fù)氧有關(guān)的指標(biāo) CODCr、NH3-N、TN、。

2.5 復(fù)氧量計算方法

快速滲濾處理通過空氣擴(kuò)散進(jìn)入系統(tǒng)的氧量(O Id)可由下式計算而得[4]：

式中：O Id—通過空氣擴(kuò)散作用每天進(jìn)入系統(tǒng)的氧量,g/d;K—系統(tǒng)通過擴(kuò)散作用的復(fù)氧效率,按 1g/m2·h計;A—滲濾面積,m2;t—落干時間(空氣向滲濾介質(zhì)中擴(kuò)散的時間),h/d。

空氣對流對系統(tǒng)復(fù)氧的貢獻(xiàn)可由進(jìn)入系統(tǒng)中的空氣體積來計算[15]。空氣對流作用進(jìn)入系統(tǒng)的氧量 (O Ic)可由下式計算而得：

式中：c—空氣中氧的濃度,一般按 0.3gO2/L計;V—當(dāng)滲池表面殘水落干之后到下一次布水之前流出系統(tǒng)的水的體積,L;N—1天內(nèi)投配污水的次數(shù),d-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 濕干比對系統(tǒng)復(fù)氧的影響

3.1.1 濕干比對 CODCr去除率的影響

本次試驗中不同濕干比對 CODCr的去除情況如圖1所示。

圖1 不同濕干比條件下快速滲濾系統(tǒng)對 CODCr的去除情況Fig.1 The removal rates of CODCrat differentwet to dry ratio in CR I system

由圖 1知,在濕干比為 1∶6時,CODCr去除效果最好,平均去除率達(dá)到 84.47%,在整個試驗周期內(nèi),出水水質(zhì)和 CODCr去除效果最為穩(wěn)定,出水水質(zhì)都能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)》一級 [A類 ]標(biāo)準(zhǔn)。

在 CR I系統(tǒng)中,有機(jī)物的去除首先是通過滲濾介質(zhì)及其表面的微生物過濾吸附作用而截留在系統(tǒng)內(nèi),并通過微生物作用特別是落干期好氧微生物的降解作用而獲得最終去除的。根據(jù)有機(jī)物在水中的存在形式,COD可以分為懸浮性 COD和溶解性COD,前者中的大部分可由機(jī)械過濾去除,后者可以通過吸附作用得到部分去除。生活污水中有機(jī)污染物濃度不是很高,而且可生化降解的有機(jī)物所占比重較大,因此,好氧生物降解更能發(fā)揮作用。選擇適當(dāng)?shù)臐窀杀群吐涓善?一方面可以恢復(fù)系統(tǒng)滲透性能,使懸浮性 COD得到較好去除,另一方面也可以使系統(tǒng)復(fù)氧完全,能夠?qū)θ芙庑?COD進(jìn)行生物降解。但由于 CR I系統(tǒng)采用滲透性能良好的滲濾介質(zhì),系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象產(chǎn)生較慢,且滲透性能恢復(fù)也較快,因此,CR I系統(tǒng)濕干比對 CODCr去除的情況主要考慮系統(tǒng)復(fù)氧的影響,即系統(tǒng)復(fù)氧狀況可以通過 CODCr去除率來了解。

從圖 1知,在前 3種濕干比時,CODCr的去除效果較低,這可能是由于在濕干比為 1∶1,1∶2和1∶4時,由于落干時間相對較短,系統(tǒng)復(fù)氧不充分,致使好氧環(huán)境未能得到恢復(fù),因而對 CODCr的生物降解效果較差,而當(dāng)濕干比為 1∶8,1∶12和1∶20時,由于落干時間較長,造成系統(tǒng)內(nèi)好氧微生物營養(yǎng)物質(zhì)缺乏,致使其生長較慢,活性變差,最終影響出水水質(zhì)。

3.1.2 濕干比對NH3-N去除率的影響

CR I系統(tǒng)落干期的作用主要包括系統(tǒng)滲透性能恢復(fù)和系統(tǒng)復(fù)氧,保證硝化作用進(jìn)行,因為 CR I系統(tǒng)滲透性能恢復(fù)較快,因此,在相同水力負(fù)荷條件下系統(tǒng)濕干比對 NH3-N去除率的影響主要考慮系統(tǒng)復(fù)氧對硝化作用進(jìn)行程度的影響,所以系統(tǒng)復(fù)氧效果也可以通過NH3-N去除率來了解。

本次試驗在相同水力負(fù)荷條件下,不同濕干比對NH3-N的去除情況如圖 2所示。

圖2 不同濕干比對NH3-N去除的影響Fig.2 The effect ofwet to dry on NH3-N removal

從圖 2可知,濕干比較大時,CR I系統(tǒng)對NH3-N的去除效果略差,濕干比為 1∶1和 1∶2時,系統(tǒng)對NH3-N的去除率分別為 89.16%、83.68%。隨著濕干比的減小,系統(tǒng)對 NH3-N的去除效果隨之提高,在濕干比為 1∶4、1∶6、1∶8和 1∶12時,系統(tǒng)對NH3-N去除率效果差別不大,其平均去除率分別為 95.02%、98.39%、97.70%和 95.49%,濕干比為1∶6時,去除效果略高,而且運行效果最為穩(wěn)定。當(dāng)濕干比進(jìn)一步減小為1∶20時,系統(tǒng)對NH3-N的去除效果明顯降低,平均去除率為 83.49%。

可以看出濕干比越小,干化時間越長,則越有利于系統(tǒng)復(fù)氧,恢復(fù)好氧條件,在此條件下,可使硝化作用和反硝化作用進(jìn)行得更充分,故對氨氮去除也增大。而干化時間短,不能使系統(tǒng)恢復(fù)好氧條件,從而阻礙了去除氨氮途徑的第一步,即硝化作用的完成。但落干時間過長,會使系統(tǒng)內(nèi)硝化菌和反硝化菌無法正常生長甚至死亡,從而影響下一個周期系統(tǒng)對NH3-N的去除率。

3.2 水力負(fù)荷周期對系統(tǒng)復(fù)氧的影響

工況 1的運行方式加強(qiáng)了空氣對流對系統(tǒng)的復(fù)氧。如果以 7d作為一個計算運行周期,則在每一個運行周期有 49次空氣對流的機(jī)會,而在此期間,工況 2的柱中只有一次空氣對流機(jī)會。利用試驗過程中測得的V值,由式2可分別計算工況1和工況2由空氣對流作用的復(fù)氧量分別為 13.23g和 0.92g (見表 3)。即空氣對流作用對工況 1的復(fù)氧量遠(yuǎn)大于對工況 2的復(fù)氧量。

表3 不同運行方式下復(fù)氧量Tab.3 The reaeration amount at different methods of operation (g)

由空氣擴(kuò)散作用對兩柱的復(fù)氧效率也有差異。對于工況 1,由于在實際運行過程中柱的水力負(fù)荷周期雖然沒有變化,但在相同的水力負(fù)荷條件下,系統(tǒng)的濕干比隨時間呈逐漸增大的趨勢,所以實際測得其平均濕干比基本為 1∶4,而工況 2的濕干比為 1∶6,以 7天為一個計算周期,由式 1可計算工況 1和工況 2在每個運行周期由空氣擴(kuò)散作用的平均復(fù)氧量分別為 0.54g和 0.58g(見表 3),即由空氣擴(kuò)散作用對工況 1的復(fù)氧量略小于對工況 2的復(fù)氧量,工況 1中濕干比的變化對系統(tǒng)復(fù)氧的影響基本可以忽略。

因此,可以認(rèn)為小的水力負(fù)荷周期工作方式對改善系統(tǒng)的復(fù)氧狀況,要比大水力負(fù)荷周期的工作方式有效,且在干濕交替過程中,只要存在完整的落干過程就能實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)氧,影響系統(tǒng)復(fù)氧效果的因素主要是干濕交替的頻率 (水力負(fù)荷周期),而落干時間的長短對空氣中氧向水中擴(kuò)散的影響基本可以忽略,因為在淹水過程中封閉在系統(tǒng)內(nèi)的空氣仍可以繼續(xù)向水中擴(kuò)散。

表4 不同運行方式下污染物去除效果Tab.4 The pollutant removal rates at differentmethods of operation (mg/L)

從試驗結(jié)果 (表 4)看,工況 1對 CODCr和 NH3-N的去除效果均高于工況 2。這主要因為在本試驗條件下,工況 1柱的復(fù)氧途徑主要是空氣對流作用,而工況 2柱的復(fù)氧途徑主要是空氣擴(kuò)散作用,工況 1柱的復(fù)氧效率要明顯高于工況 2柱,這將有利于工況 1柱中微生物對有機(jī)污染物的好氧生物降解,其污染物去除效果得到了明顯的改善。

3.3 增加通氣管對系統(tǒng)復(fù)氧的影響

表5表示在確定濕干比 1∶6,同一水力負(fù)荷前提下開關(guān)通氣管對 CR I系統(tǒng) CODCr和 NH3-N處理效果的影響。從表 5可知,打開 CRI通氣管后,其處理效果沒有得到顯著提高。除 CODCr的去除率略有提高外,NH3-N的去除效果與通氣管關(guān)閉時差不多。因此,通氣管的設(shè)置對系統(tǒng)復(fù)氧效果的影響并不顯著,原因可能是本次試驗中通氣管的設(shè)置不夠合理。

表5 通氣管對 CR I系統(tǒng)處理效果的影響Tab.5 The impact of aeration pipe number on the removal rate in CR I (mg/L)

4 結(jié) 論

在濕干比 1∶6時,CR I系統(tǒng)對與復(fù)氧有關(guān)的指標(biāo) CODCr、NH3-N的去除率較高,系統(tǒng)復(fù)氧效果較好;在確定濕干周期比 1∶6,同一水力負(fù)荷的前提下,通過縮短系統(tǒng)水力負(fù)荷周期,加大系統(tǒng)淹水和落干頻率,可以加大系統(tǒng)的復(fù)氧量,提高系統(tǒng)的復(fù)氧效率;通氣管的設(shè)置對系統(tǒng)復(fù)氧效果的影響并不顯著。

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