污水地下滲濾系統(tǒng)強(qiáng)化脫氮試驗(yàn)研究

潘 晶,孫鐵珩,李海波 (1.沈陽(yáng)師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 11004；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110016；.沈陽(yáng)大學(xué)沈陽(yáng)市環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110044)

污水地下滲濾系統(tǒng)強(qiáng)化脫氮試驗(yàn)研究

潘 晶1*,孫鐵珩2,3,李海波3(1.沈陽(yáng)師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.沈陽(yáng)大學(xué)沈陽(yáng)市環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110044)

構(gòu)建了3套以5%爐渣+95%草甸棕壤為基質(zhì)的地下滲濾系統(tǒng)室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置,在水力負(fù)荷為0.1m3/(m2·d)條件下進(jìn)行了生活污水處理試驗(yàn).結(jié)果表明,當(dāng)分流位置位于系統(tǒng)內(nèi)110cm處,分流比為1:1時(shí),可提高地下滲濾對(duì)總氮的去除效率,總氮的去除率由59.37%提高至68.41%,且對(duì)COD和總磷的去除效果沒(méi)有影響.

地下滲濾系統(tǒng)；生活污水；脫氮；分流

地下滲濾處理系統(tǒng)是基于生態(tài)凈化作用,結(jié)合厭氧、好氧的污水處理技術(shù),形成的一種水處理技術(shù)[1].其原理是將經(jīng)化糞池中預(yù)處理的生活污水有控制地投配到一定構(gòu)造、距地面約 50～100cm深、具有良好擴(kuò)散性能的土層中.污水經(jīng)毛細(xì)管浸潤(rùn)和土壤滲濾作用,向周?chē)\(yùn)動(dòng).在土壤-微生物-植物系統(tǒng)的綜合凈化功能作用下,使水與污染物分離,水被滲濾并通過(guò)集水管收集.污染物通過(guò)物化吸附被截留在土壤中;碳和氮由于厭氧及好氧過(guò)程,一部分被分解成為無(wú)機(jī)碳、氮留在土壤中,一部分變成N2和CO2逸散在空氣中;磷則被土壤吸附,截留在土壤中,為草坪或者其 植物所利用[1].

地下滲濾系統(tǒng)中氮的脫除途徑包括反硝化、植物吸收、土壤固定和氨氮揮發(fā)等,其中生物硝化、反硝化過(guò)程是最主要的途徑[2-3].有研究表明

[4],碳源是影響地下滲濾生物反硝化的主要因素,若投配污水的(C/N)＜3,則碳源不足,反硝化菌的活性將受到抑制而不利于氮的去除.為提高地下滲濾系統(tǒng)對(duì)總氮的脫除效果,可在反硝化階段投加碳源(甲醇、有機(jī)廢水)來(lái)強(qiáng)化反硝化過(guò)程.本研究以生活污水為碳源,采用進(jìn)水分流措施,考察不同分流位置、不同分流比及最佳分流條件時(shí)地下滲濾系統(tǒng)的凈化效果.

1 材料與方法

1.1 地下滲濾結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在圖 1所示的模擬土柱中進(jìn)行,裝置采用直徑為50cm的有機(jī)玻璃柱,高130cm,分別標(biāo)為1#～3#柱.表層分別為20cm草甸棕壤和20cm爐渣,滲濾基質(zhì)高80cm(滲濾層).各土柱進(jìn)水布水管位于土柱內(nèi)90cm處(從上向下計(jì)算),并用2層目孔為1.1mm×1.1mm的尼龍網(wǎng)包裹,周?chē)畛渲睆綖?～10mm的礫石.1#柱無(wú)分流管(對(duì)照);2#柱進(jìn)水分流管位于土柱內(nèi) 100cm處(A);3#柱分流管位于土柱內(nèi)110cm處(B)(從上向下計(jì)算).土柱的底部裝以10cm厚的直徑為5～10mm礫石層.處理后,水由底部排出.滲濾基質(zhì)配方為 5%爐渣+95%草甸棕壤.3個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的水力負(fù)荷均為 0.1m3/(m2·d);干濕比為1:1 (淹水24h,落干24h);試驗(yàn)室溫為15±3℃;分流比為布水管水量與分流管水量比值.進(jìn)水為生活污水,水質(zhì)如下:pH值為 6.5～7.9,COD為 147.5～262.2mg/L,總磷為 5.1～11.6mg/L,氨氮為 28.9～46.4mg/L,總氮為33.7～ 51.3mg/L.

圖1 地下滲濾系統(tǒng)試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of subsurface wastewater infiltration system

1.2 分析方法

不同分流位置、分流比地下滲濾進(jìn)出水常規(guī)指標(biāo)在系統(tǒng)運(yùn)行60d后,每5d測(cè)定1次;COD、總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮按照文獻(xiàn)[5]進(jìn)行測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同分流位置的去除效果

不同分流位置,分流比1:1時(shí),地下滲濾處理效果如圖2所示.由圖2(a)、圖2(d)可以看出,采用分流的地下滲濾出水COD和氨氮濃度都略高于對(duì)照,2#、3#系統(tǒng)對(duì)COD去除率分別比對(duì)照下降 0.82%和 2.19%,氨氮的去除率分別比對(duì)照下降 2.87%和 3.36%,但出水遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn).原因是一部分污水流經(jīng)地下滲濾基質(zhì)的距離減少,導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果下降.

由圖2(b)可以看出,無(wú)論進(jìn)水是否采用分流,地下滲濾對(duì)總磷都有很好的去除效果,去除率均超過(guò) 94%,出水濃度遠(yuǎn)低于我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn):TP≤0.5mg/L(GB18921-2002)[6].地下滲濾中磷的去除是物理化學(xué)吸附和化學(xué)沉淀作用[7-8],這些作用能在很短時(shí)間內(nèi)完成,分流不會(huì)影響總磷的去除.

由圖 2(c)可以看出,地下滲濾采用分流措施后,總氮的去除效果明顯上升,當(dāng)分流位于土柱100cm(2#)、110cm(3#)時(shí),總氮的去除率分別比對(duì)照增加了 3.84%和 9.06%.總氮的去除主要是硝化和反硝化作用,進(jìn)水中的有機(jī)物絕大部分在氧充足的布水口附近被氧化,氧的濃度隨著深度的增加而減小,周?chē)h(huán)境變?yōu)閰捬趸蛉毖鯛顟B(tài),有利于反硝化進(jìn)行;但在未分流地下滲濾中,隨著深度的增加污水中的有機(jī)物濃度大幅度減少,系統(tǒng)缺乏碳源,不利于反硝化進(jìn)行.碳源是影響地下滲濾生物反硝化的主要因素[1],進(jìn)水分流能補(bǔ)充碳源,滿足生物反硝化所需.采用分流措施可以提高系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率,而對(duì)其他指標(biāo)的去除幾乎沒(méi)有影響,最佳的分流位置位于土柱內(nèi) 110cm處,即布水口下方20cm.

2.2 不同分流比的去除效果

不同分流比,分流位置位于系統(tǒng)內(nèi) 110cm處,地下滲濾處理效果見(jiàn)圖3.由圖3(a)可以看出,在分流比為3:1、2:1和1:1時(shí),出水COD幾乎沒(méi)有變化;但分流比為1:2和1:3時(shí),分流對(duì)出水COD有影響.原因是低分流比時(shí)污水在系統(tǒng)中停留時(shí)間減少,導(dǎo)致微生物不能充分氧化有機(jī)物,使出水COD偏高.

由圖 3(b)可以看出,分流和未分流情況下氨氮的去除效率相差不大,出水氨氮隨下層進(jìn)水量增加而有所上升,原因是下層進(jìn)水增加將消耗更多的溶解氧,導(dǎo)致土壤氧化還原電位(ORP)隨深度增加趨于下降,而 ORP過(guò)低,氨氮無(wú)法進(jìn)行有 效的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而導(dǎo)致出水氨氮濃度升高[9].

圖2 不同分流位置去除效果Fig.2 Removal performances at different shunt positions

圖3 不同分流比的去除效果Fig.3 Pollutants removal performances at different shunt ratios

系統(tǒng)的除氮效率一般用總氮去除率來(lái)表征,總氮的去除是多種因素共同促成,但許多資料表明,硝化/反硝化是其中最重要的影響因素,而總氮去除率的高低也反映了系統(tǒng)內(nèi)部硝化和反硝化的進(jìn)行程度.由圖 3(c)可以看出.分流比分別為3:1、2:1、1:1時(shí),出水的總氮濃度都低于不采取分流措施,總氮的去除率由 59.37%分別提高到59.64%、62.08%、68.41%.當(dāng)分流比為 1:2、1:3時(shí),出水的總氮濃度都高于不采取分流措施,總氮的去除率由 59.37%分別降到 47.2%、29.07 %.地下滲濾中,氮的去除包括作物吸收、生物脫氮以及氨氮揮發(fā)等.生活污水中的氮通常以有機(jī)氮和氨(也可以是銨離子)的形式存在.在土壤-植物系統(tǒng)中,有機(jī)氮在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮,由于土壤顆粒帶有負(fù)電荷,銨離子很容易被吸附,土壤微生物通過(guò)硝化作用將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,土壤又可恢復(fù)對(duì)銨離子的吸附功能.土壤對(duì)負(fù)電荷的NO3

-沒(méi)有吸附截留能力,NO3-隨水運(yùn)動(dòng)遷移;在遷移過(guò)程中NO3-可以被植物根系吸收而成為植物營(yíng)養(yǎng)成分,也可能發(fā)生反硝化過(guò)程,最終轉(zhuǎn)化為N2或N2O揮發(fā)掉.通過(guò)硝化、反硝化作用實(shí)現(xiàn)生物脫氮是地下滲濾去除氮的主要途徑,改善條件以促進(jìn)反硝化反應(yīng)是提高總氮去除率的關(guān)鍵.研究表明[10-12],地下滲濾的氧化還原條件不是反硝化的限制因素,合適的碳氮比才是脫氮高效進(jìn)行的關(guān)鍵.污水進(jìn)入地下滲濾后,在好氧微生物的作用下,有機(jī)物被吸附、降解,當(dāng)污水進(jìn)入缺氧區(qū)后,碳源不足,通過(guò)適當(dāng)比例的分流措施,補(bǔ)充碳源,加強(qiáng)了反硝化作用.但當(dāng)分流比過(guò)大時(shí),進(jìn)入到厭氧區(qū)的大多數(shù)有機(jī)氮、氨氮不能被氧化,所以總氮去除率比不采取分流措施降低.

由圖 3(d)可以看出,采用進(jìn)水分流措施對(duì)系統(tǒng)總磷的去除影響很小.只有當(dāng)分流比為1:3時(shí),系統(tǒng)出水的總磷濃度略超標(biāo).原因可能是分流污水量大且停留時(shí)間較短,吸附、化學(xué)沉淀作用不完全造成.地下滲濾總磷的去除主要是土壤吸附與沉淀作用,去除的總磷量高達(dá)系統(tǒng)投配總磷量的90%以上[13].

地下滲濾的反硝化過(guò)程中,能進(jìn)行人工調(diào)節(jié)的因素有2個(gè),一是反硝化環(huán)境的氧化還原特性,二是污水中的 C/N.氧化還原性可通過(guò)改變填充基質(zhì)或提高出水位等手段,而C/N可通過(guò)采取分流措施調(diào)節(jié).一般情況下,處理生活污水的地下滲濾系統(tǒng)在進(jìn)行反硝化時(shí)碳源往往不夠,因此必須增加碳源.前述試驗(yàn)結(jié)果表明,采取適當(dāng)分流比的分流措施能顯著改善對(duì)總氮的去除效果,同時(shí)對(duì)COD和TP的去除影響很小,由此可得最佳的分流比為1:1.

2.3 最佳分流位置及分流比的去除效果

最佳分流條件,即分流位置位于土柱內(nèi)110cm處、分流比1:1時(shí),地下滲濾運(yùn)行50d的處理效果見(jiàn)表1.

表1 最佳分流條件時(shí)去除效果 (mg/L)Table 1 Pollutants removal under optimized conditions (mg/L)

進(jìn)水中的COD在187.6～262.2mg/L之間波動(dòng),最佳分流條件時(shí)系統(tǒng)出水和未分流系統(tǒng)的出水 COD濃度相差不大;進(jìn)水總磷濃度為5.1～9.2mg/L,兩系統(tǒng)對(duì)總磷的去除率均在90%以上,出水總磷濃度在0.45mg/L以下.

系統(tǒng)進(jìn)水氨氮濃度為 28.9～46.4mg/L,最佳分流條件時(shí)出水氨氮濃度略高于對(duì)照,因分流污水從后半段進(jìn)入,而該處土壤的埋深較大、通氣性較差,不利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行,使部分氨氮未完成硝化過(guò)程就流出系統(tǒng),導(dǎo)致氨氮去除率有所降低,但遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn).

最佳分流條件時(shí)出水總氮濃度始終比對(duì)照系統(tǒng)低,原因是采取了分流措施.污水自布水管進(jìn)入后,其中多數(shù) COD已在上層的好氧區(qū)降解,污水進(jìn)入缺氧區(qū)后,碳源嚴(yán)重不足,通過(guò)進(jìn)水分流,補(bǔ)充系統(tǒng)碳源,加強(qiáng)反硝化作用,所以對(duì)總氮去除效果大為提高.

進(jìn)水硝態(tài)氮濃度＜2.0mg/L,而兩套系統(tǒng)出水硝態(tài)氮濃度均遠(yuǎn)高于進(jìn)水,原因是地下滲濾中良好的硝化反應(yīng)導(dǎo)致.最佳分流條件時(shí)出水的硝態(tài)氮濃度比對(duì)照低得多,說(shuō)明采取分流措施的確可以明顯促進(jìn)反硝化反應(yīng)的進(jìn)行.

進(jìn)水亞硝態(tài)氮濃度低于0.15mg/L,對(duì)照系統(tǒng)出水亞硝態(tài)氮濃度也較低,而最佳分流條件時(shí)出水亞硝態(tài)氮濃度則很高,原因是分流污水的水力流通路徑短,當(dāng)污水進(jìn)入系統(tǒng)后主要在缺氧環(huán)境中下滲,不利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行,導(dǎo)致出水硝化反應(yīng)的中間產(chǎn)物亞硝態(tài)氮濃度較高.

綜上,最佳分流條件時(shí)地下滲濾的硝化反應(yīng)受到一定程度的抑制,導(dǎo)致出水氨氮、亞硝態(tài)氮濃度略高于對(duì)照,但該系統(tǒng)的反硝化效果顯著優(yōu)于對(duì)照,即采取分流措施有利于提高地下滲濾對(duì)總氮的去除,且對(duì)出水水質(zhì)基本無(wú)影響.

3 結(jié)論

3.1 在以 5%爐渣+95%草甸棕壤為基質(zhì)的地下滲濾系統(tǒng),進(jìn)水分流可以增加反硝化過(guò)程的碳源,加強(qiáng)反硝化作用.當(dāng)分流位置位于土柱內(nèi) 110cm處,分流比分別為3:1、2:1、1:1時(shí),地下滲濾出水總氮濃度都低于不采取分流措施,總氮的去除率由59.37%分別提高到59.64%、62.08%、68.41%.當(dāng)分流比為1:2、1:3時(shí),出水的總氮濃度都高于不分流措施.分流比為1:2、1:3時(shí),出水COD和總磷的濃度都不同程度升高.地下滲濾最佳的分流比為1:1,最佳分流位置為系統(tǒng)內(nèi)110cm處.

3.2 采取分流措施后,地下滲濾出水總氮濃度明顯降低,對(duì)于COD、總磷、氨氮的去除效率基本無(wú)影響.

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Studies on intensified nitrogen removal in subsurface wastewater infiltration system.

PAN Jing1*, SUN Tie-heng2,3, LI Hai-bo3(1.College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China；2.Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China；3.Shenyang Key Laboratory of Environment Engineering, Shenyang University, Shenyang 110004, China). China Environmental Science, 2011,31(9)：1456～1460

The reason of low removal efficiency of total nitrogen in vertical infiltration of subsurface wastewater infiltration system (SWIS) is deficiency of carbon. Three pilot SWISs filled with the same mixed matrix of 5% slag and 95% brown soil were constructed in the laboratory. The experiment results showed that shunt distributing wastewater could significantly improve total nitrogen removal and the average removal rates of total nitrogen increased from 59.37% (without taking distributary measures) to 68.41%, and it had no great influence on the removal of COD and total phosphorus, when distributary ratio was 1:1 and shunt position at the depth of 110 cm. The results suggested that shunt distributing wastewater was simple and effective for nitrogen removal.

subsurface wastewater infiltration system；domestic sewage；nitrogen removal；shunt distributing wastewater

X52

A

1000-6923(2011)09-1456-05

2010-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41001321);沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(110457);沈陽(yáng)師范大學(xué)博士啟動(dòng)基金

* 責(zé)任作者, 副教授, crystalpan78@126.com

潘 晶(1977-),女,遼寧沈陽(yáng)人,副教授,博士,主要從事污水生態(tài)處理研究.發(fā)表論文13篇.