柴宏祥,胡學斌,彭述娟

(重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400045)

采用中水處理與回用技術是提高綠色建筑節(jié)水率和非傳統水源利用率的有效途徑。對于賓館、酒店類水質水量波動大的建筑優(yōu)質雜排水,選用混凝沉淀+人工濕地組合工藝處理,具有抗擊水質水量波動變化負荷能力強的優(yōu)點[1]。該組合工藝處理后的中水主要用于綠化、道路澆灑、沖廁等市政雜用,出水水質要求達到《城市污水再生利用城市雜用水水質》標準(GB/T 18920-2002)(以下簡稱《雜用水回用標準》)。

采用混凝沉淀作為廢水生物處理、生態(tài)處理、物化處理等組合工藝的前處理,已經廣泛應用于工業(yè)廢水、城市供排水處理和微污染水源凈化處理與回用[2-6]。人工濕地由于在高水力負荷、低污染負荷運行方式下顯現的高效性,作為廢水處理與回用的后續(xù)生態(tài)凈化工藝,再生水已經廣泛回用于市政雜用水、工業(yè)用水、農業(yè)用水和城市河道湖泊等景觀水體等[7-11]。

然而,采用“混凝沉淀+人工濕地”組合工藝開展廢水處理與回用卻鮮有報道[12]。文中將充分利用混凝沉淀工藝在城鎮(zhèn)污水、工業(yè)廢水、微污染水源和城鎮(zhèn)供水處理的高效性和成熟性[13-14],并結合人工濕地生態(tài)后續(xù)處理的高效性和出水水質優(yōu)等優(yōu)點[15-16],以及這2種工藝處理水質水量變化大的廢水時運行管理靈活的優(yōu)勢[1],以綠色建筑優(yōu)質雜排水為研究對象,以中水處理達到《雜用水回用標準》為目標,選擇“混凝沉淀+側向潛流人工濕地”組合工藝,分別開展兩段工藝的影響因素綜合試驗,得出兩段工藝的回歸正交方程,構建組合工藝處理設施的最優(yōu)經濟模型,提出組合工藝的優(yōu)化組合參數,為該組合工藝的工程化推廣規(guī)模優(yōu)化和穩(wěn)定高效運行提供理論依據和技術支撐。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

1.1.1 混凝沉淀預處理裝置 混凝沉淀試驗裝置由加藥單元、快速混合單元、機械絮凝單元和沉淀單元組成?？焖倩旌蠁卧獮橐桓?有效水深0.25 m,容積0.010 m3,內設一臺攪拌機,絮凝部分總體積約為0.18 m3,分為3段,每段容積分別為0.06 m3,為機械攪拌絮凝,絮凝池中設不同攪拌速率的攪拌機。沉淀池采用平流式沉淀池,沉淀池的有效面積為1 m2,出水采用溢流堰的形式,在沉淀池下方是污泥沉淀。

1.1.2 側向潛流人工濕地試驗裝置

1)構造與尺寸

側向潛流人工濕地試驗裝置內設置平行交錯的導流墻,將濕地床內空間分隔成S形的水流廊道,沿廊道水流方向底坡為1%[17]。由于試驗場地限制,人工濕地平面布置成直角梯形,其平面布置和具體尺寸如圖1和圖2所示。

人工濕地試驗裝置按3級設計,每一級側向濕地床S形的水流廊道寬為0.4 m,有效面積2.5 m2,高1.0 m,容積2.5 m3,復氧槽長 2.2 m,寬 0.4 m。試驗時可以根據設計的負荷,分別選擇1級、1、2級組合或1、2、3級組合工況進行對比試驗。

圖1 側向潛流人工濕地試驗裝置平面圖

圖2 側向潛流人工濕地試驗裝置剖面圖

2)填料

試驗采用的人工濕地填料采用小試對比研究后的重慶大學的專利產品酶促填料。該填料比表面積大,孔隙率高并有一定機械強度,有利于微生物的附著和生長繁殖,以及微生物代謝過程中所需氧氣和營養(yǎng)物質的傳質過程。

3)植物選種

根據小試對比研究結果,試驗選用蘆葦、美人蕉、菖蒲、風車草4種植物組合搭配種植。其中蘆葦、美人蕉的種植密度為35株?m-2,菖蒲的種植密度為 40株?m-2,風車草的種植密度為20株?m-2。

1.2 試驗水質

試驗用水采用重慶大學學生宿舍的生活污水及雨季收集雨水的混合水,用以模擬綠色建筑灰水。校區(qū)生活污水水質受到學生活動規(guī)律的影響,進水水質變化較大,當生活污水進水濃度明顯偏高時,采用增加雨水量比例的方法,使試驗水質保持相對穩(wěn)定。中水處理試驗水質如表1所示。

表1 試驗用水水質

2 混凝沉淀預處理中水正交試驗

2.1 試驗方法

根據對溫度(T)、混凝段進水BOD5容積負荷(N v)、PAC加藥量(ρ)、pH 等單因素影響預試驗結果,試驗采用3因素2水平的正交試驗,考察溫度、負荷、加藥量對混凝沉淀工藝處理中水效能的綜合影響。

2.1.1 正交試驗因素及水平的確定 根據單因素預試驗結果,選取負荷、溫度、加藥量作為正交試驗的因素,確定正交試驗的因素水平,負荷的上水平為8.6 kg BOD5?m-3?d-1,下水平為4.3 kg BOD5?m-3?d-1;溫度的上水平為35℃,下水平為5℃,PAC加藥量上水平為8 mg?L-1,下水平為2 mg?L-1。正交試驗的因子為:Z 1表示負荷,N v/kg BOD5?m-3?d-1,Z2表示溫度,T/℃,Z3表示PAC加藥量,ρ/mg? L-1。

在回歸正交表中,采用+1、-1表示因素的水平,對因素水平進行編碼,各試驗因素用 Z ij表示,因素取值線性變換為從而得出因素水平編碼如表2所示。在試驗中,

表2 混凝正交試驗因素水平表

2.1.2 正交試驗表頭設計及試驗安排 正交試驗表表頭設計選取3因素、2水平1次回歸正交設計表L8(27)。該試驗考慮到各因素之間可能有交互作用,因而采用重復試驗,在相同的條件下重復進行3次試驗,取2次試驗結果進行正交回歸計算。試驗安排及試驗結果如表3所示。

2.2 試驗結果及分析

負荷、溫度和加藥量對混凝沉淀預處理裝置綜合影響的正交試驗結果如表3所示。

表3 混凝正交試驗結果表

續(xù)表3

根據表3試驗結果,得出溫度、負荷、加藥量對混凝沉淀工藝處理中水效能的綜合影響的一次回歸正交試驗結果如表4所示。由表4可知,F檢驗臨界值F 0.01(1,8)=11.3,對于溫度,F 0.01(1,8)=11.8＞11.3,故溫度T的影響高度顯著;負荷和加藥量的F0.01(1,8)分別為4.8和5.1,也較顯著。而3因素之間的交互作用的影響不顯著,可忽略不計。由此得出一元線性回歸方程:

將式(1)-(3)代人式(4),得到N v、T、ρ與出水BOD5的一元線性回歸方程:

當進水負荷Nv、溫度T和PAC加藥量一定時,可通過式(5)預測中水混凝沉淀預處理的出水BOD5;同理,當要求混凝沉淀預處理出水BOD5達到某一濃度時,可以通過式(5)計算絮凝池的負荷,從而設計絮凝池的尺寸;在混凝沉淀池運行階段,也可以根據分別對應不同的水質、水量和溫度變化,通過式(5)計算出PAC加藥量。

表4 混凝正交試驗計算及方差分析表

3 人工濕地后處理中水正交試驗

3.1 試驗方法

中水經過混凝沉淀工藝預處理后,進水隨負荷、溫度和PAC加藥量變化時,出水BOD5一般在20～45 mg?L-1之間變化,此時出水還未達到《雜用水回用標準》,需將混凝沉淀預處理出水排入后續(xù)人工濕地進行后處理。根據影響人工濕地的單因素影響試驗結果,采用正交試驗,重點考察人工濕地的進水面積負荷和溫度對出水BOD5的綜合影響。

3.1.1 正交試驗因素及水平的確定 選取人工濕地進水面積負荷(以下簡稱“負荷 N A”)、溫度(T)作為正交試驗的因素,根據單因素預試驗結果,確定正交試驗的因素水平,負荷的上水平為8.6 kg BOD5?m-2?d-1,下水平為 4.3 kg BOD5?m-2?d-1;溫度的上水平為35℃,下水平為5℃。正交試驗的因子為:Z1表示負荷 N A,kgBOD 5?m-2?d-1,Z2表示溫度,℃。

在回歸正交表中,采用+1、-1表示因素的水平,對因素水平進行編碼,各試驗因素用 Z ij表示,因素取值線性變換為,從而得出因素水平編碼如見表5所示。

在該試驗中,

表5 人工濕地正交試驗因素水平表

3.1.2 正交試驗表頭設計及試驗安排 正交試驗表表頭設計選取2因素、2水平1次回歸正交設計表L4(23)?？紤]到各因素之間可能有交互作用,采用重復試驗,在相同的條件下重復進行3次試驗,取2次試驗結果進行正交回歸計算。試驗安排及試驗結果如表6所示。

3.2 試驗結果及分析

表6為負荷和溫度對人工濕地的綜合影響試驗結果。對比《雜用水回用標準》,在正交試驗結果中,p H、濁度、TSS、氨氮、陰離子表面活性劑等各項指標均能穩(wěn)定達標,出水受限制指標是BOD5。由試驗結果知,當負荷為下水平0.003 5 kgBOD5?m-2?d-1,溫度為上水平35℃時,出水BOD5=5～6 mg?L-1,出水達標;當負荷為上水平0.007 7 kgBOD5?m-2?d-1,溫度為下水平 5℃時,出水 BOD5=20～24 mg?L-1,出水BOD5未能達標;當負荷和溫度同時處于上水平或同時處于下水平時,BOD5≤15 mg?L-1,出水可用于道路清掃、消防、綠化和建筑施工用水等;當負荷和溫度處于一定條件時,出水可同時回用于室內沖廁和車輛沖洗等。

負荷和溫度對人工濕地處理中水的1次回歸正交試驗結果如表7所示。由表7可知,F檢驗臨界值F0.01(1,4)=4.54,對于溫度,F0.01(1,4)=15.0＞11.3,影響高度顯著;負荷的F0.01(1,4)=4.2,也較顯著。而兩因素之間的交互作用的影響F0.01(1,4)=0.4,影響不顯著,忽略不計。由此得一元線性回歸方程:

將式(6)、(7)代人式(8),得到 N A、T與出水BOD5的一元線性回歸方程:

當人工濕地進水面積負荷 N A和溫度 T確定時,可通過式(9)預測人工濕地的出水BOD5;也可通過式(9),根據中水出水水質的要求和溫度,設計人工濕地的尺寸;在人工濕地工程應用時,可以通過式(9),計算一定溫度條件下,在確定中水用途即明確出水水質要求時,人工濕地所能承受的負荷,即可計算出中水產量。

表6 人工濕地正交試驗結果表

續(xù)表6

表7 人工濕地正交試驗計算及方差分析表

4 組合工藝中水處理規(guī)模最優(yōu)經濟模型構建

由以上混凝沉淀預處理和人工濕地后處理中水試驗結果可知,影響該組合工藝出水達到《雜用水標準》的限制性控制指標為BOD5,通過這2種工藝的回歸正交試驗,分別得出了出水BOD5與負荷、溫度、加藥量之間的一次回歸方程如式(5)和(9)所示。

在綠色建筑節(jié)水與水資源利用中,中水處理受一年四季不同溫度的影響,其出水水質也在變化波動。由式(5)、(9)得知,在相同進水負荷條件下,溫度越低,出水BOD5越高。在綠色建筑節(jié)水與水資源利用項目中,一旦設計施工建設后,混凝沉淀池的池容和人工濕地的面積均是固定的。為了充分利用組合工藝的效能,可以結合不同季節(jié)時中水總水量的需求,實現冬季產水少、夏季產水多,使得工程項目投資設計時該組合工藝投資額最低。

在式(5)中,不妨令PAC加藥量為試驗的中水平,即 ρ=10 mg?L-1,用 PAC加藥量作為控制混凝沉淀工藝的運行參數,則式(5)可轉化為:

式(11)代入式(12)中,可得:

為使投資最低,可得出混凝沉淀和人工濕地組合工藝工程投資最優(yōu)化模型:

式中:P混凝沉淀池為混凝池單位容積的投資,元?m-3,定量;V為混凝池的容積,m3,變量;P人工濕地為人工濕地單位面積的投資,元?m-2,定量;A為人工濕地的面積容積,m2,變量;Q為中水處理量,m3?d-1,定量;C0為中水進水BOD5濃度,mg?L-1,定量;T為溫度,℃,定量;BOD5限值為中水出水BOD5濃度,mg?L-1,定量,根據中水出水用途選擇,用于沖廁和車輛沖洗時BOD5限值=10 mg?L-1,用于道路沖洗、消防、建筑施工時BOD5限值=15 mg?L-1,用于城市綠化時BOD5限值=20 mg?L-1,同時滿足多種用水功能時,取低值。

根據混凝沉淀和人工濕地組合工藝工程投資最優(yōu)化模型,可以計算在不同季節(jié)(T)和水量平衡計算得出的中水流量(Q)條件下,分別求解不同條件下的混凝沉淀與人工濕地組合工藝的設計和運行參數,以及兩者的工程投資。在工程設計應用時,取其各種條件投資較高情況的最優(yōu)化模型計算結果,使得不同條件下中水出水均能穩(wěn)定達標。

5 結論

1)采用“混凝沉淀-人工濕地”組合工藝處理綠色建筑優(yōu)質雜排水,對BOD5、濁度、TSS、氨氮、陰離子表面活性劑都有明顯的去除效果,影響該組合工藝的限制性指標是BOD5。根據兩段工藝不同的溫度、負荷以及加藥量的工況組合,中水處理可以分別達到《雜用水回用標準》的不同回用用途。

2)分別通過混凝沉淀和人工濕地的綜合影響效能試驗,得出了兩段工藝的一次回歸正交方程,以此為基礎構建的不同季節(jié)和不同負荷條件下該組合工藝的工程投資經濟最優(yōu)化模型,可以合理確定中水處理規(guī)模,為處理水質水量波動大的綠色建筑優(yōu)質雜排水中水處理的優(yōu)化設計、穩(wěn)定高效運行以及中水處理的產水量和出水水質預測提供理論依據和技術支撐。

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