土壤生態(tài)系統(tǒng)處理生活污水的應(yīng)用研究

蔣利偉，燕啟社，黃 飛，張瑞芹

(鄭州大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究院，河南鄭州450001)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)村及偏遠地區(qū)分散性污水的治理逐步引起人們的重視，傳統(tǒng)的活性污泥法由于建設(shè)費用、運行成本及管理方面的原因，不適合在這些地區(qū)推廣應(yīng)用，土壤生態(tài)處理技術(shù)由于具有低能耗、零排放、景觀和諧等特點，適用于這些地區(qū)的生活污水的處理.土壤生態(tài)處理技術(shù)屬于一種土地處理法［1-5］，是一項不斷發(fā)展的傳統(tǒng)污水處理技術(shù)，該技術(shù)利用土壤—微生物—植物等構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)控機制和對污染物的綜合凈化功能，實現(xiàn)污水資源化與無害化.充分利用當(dāng)?shù)氐匦魏偷孛玻?-7］，可以降低工程建設(shè)量，投資為常規(guī)二級處理的1/2～1/3;無需特殊管理，能耗為常規(guī)方法的1/3～1/5;出水水質(zhì)與二級處理相當(dāng)，且效果穩(wěn)定，在國外已有推廣應(yīng)用，目前河南省沒有發(fā)現(xiàn)該技術(shù)的應(yīng)用報道，本研究將為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論和實踐基礎(chǔ).

1 實驗部分

1.1 工程設(shè)計

在鄭州大學(xué)新校區(qū)內(nèi)，建立120 m2污水生態(tài)處理工程，處理學(xué)生宿舍洗手間排放的污水.土壤生態(tài)處理技術(shù)主要由布水系統(tǒng)、復(fù)合填料土壤層、集水系統(tǒng)3部分組成.土壤生態(tài)處理技術(shù)的關(guān)鍵是配制復(fù)合土壤.通過土柱實驗，優(yōu)選復(fù)合填料土壤層的合適配比.復(fù)合填料土壤層采用肥力較高的耕作土、質(zhì)輕多孔的陶粒、用作補充碳源的農(nóng)作物秸稈以及一定形狀的爐渣按一定比例配制而成;在復(fù)合土壤層上部回填原土;其上種植生長快、耐水、耐肥的牧用型草——黑麥草，土壤生態(tài)處理技術(shù)的復(fù)合土壤層深度為0.6 m.為了有效回收利用水資源以及防止二次污染，在土壤生態(tài)系統(tǒng)底部敷設(shè)收集系統(tǒng)和高分子防水抗?jié)B材料.凈化后的出水匯入收集系統(tǒng)，收集系統(tǒng)由砂濾層、集水渠、收集井組成.

學(xué)生生活污水從化糞池經(jīng)潛污泵提升進入調(diào)節(jié)池，經(jīng)過均勻水質(zhì)水量和初級厭氧處理，去除大部分顆粒懸浮物，降低了土壤生態(tài)處理系統(tǒng)堵塞的幾率.污水經(jīng)由布水系統(tǒng)被均勻分配到復(fù)合填料土壤層，由于土壤的物理吸附、微生物降解、植物根系吸收等綜合作用得到凈化;凈化后的出水由集水系統(tǒng)收集，自流進入集水井，經(jīng)消毒后用于沖廁、景觀水體或綠化灌溉.化糞池和調(diào)節(jié)池底部沉淀的污泥可用于農(nóng)業(yè)施肥.在工程正常運轉(zhuǎn)期間對其處理效果、運行狀況進行考察.

1.2 工藝流程

污水處理流程如圖1所示.

圖1 土壤生態(tài)系統(tǒng)處理工藝流程Fig.1 Process flow diagram of soil ecological system

1.3 工程運行概況

系統(tǒng)設(shè)計進水量為 5 m3/d，水力負荷為0.042 m3/(m2·d).自2009年9月至2010年6月對系統(tǒng)運行狀況進行了連續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)的出水率保持在50%～90%之間.在天氣炎熱蒸發(fā)量大的情況下出水量有所降低，通常情況下出水率不高于90%，當(dāng)有降雨時，由于雨水的下滲，系統(tǒng)出水量有所增加.

1.4 實驗方法

通過對進水、出水中CODcr、TN、TP和SS水質(zhì)指標(biāo)的分析，考察該系統(tǒng)對生活污水的處理效果.

CODcr的測定采用微波密封消解法.

TN、TP的測定采用微波消解聯(lián)合測定法.

SS的測定參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版).

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤生態(tài)處理系統(tǒng)對CODcr的去除

土壤生態(tài)處理系統(tǒng)對有機物的去除主要是靠異養(yǎng)微生物的代謝作用［8-10］，土壤吸附和植物根系的吸收.系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，進水口CODcr為121～252 mg/L范圍內(nèi)，平均為215 mg/L.出水口CODCr穩(wěn)定在13～47 mg/L，平均濃度為28 mg/L，達到設(shè)計出水水質(zhì)的要求(小于50 mg/L)，CODCr去除率保持在60% ～98%之間，平均去除率為91%，結(jié)果如圖2、圖3所示.

在土壤生態(tài)處理系統(tǒng)中，有機物首先被滲濾介質(zhì)及其表面的微生物過濾吸附而截留在系統(tǒng)內(nèi)［11］，最終通過微生物的作用特別是好氧微生物的降解作用得以去除.

首先，填料通過機械過濾與吸附作用將有機污染物從污水中去除，其中吸附有兩方面的內(nèi)容:①介質(zhì)顆粒對懸浮物和溶解固體的吸附作用;②介質(zhì)顆粒表面的生物膜以及顆粒之間的生物絮體對有機污染物的吸附作用.正是由于系統(tǒng)的這種過濾和吸附功能為水中有機污染物的進一步氧化分解和生物吸收創(chuàng)造了條件.

其次，在①中被截留與吸附的有機物顆粒逐步被水解成無機小分子，最終被微生物氧化分解.好氧微生物的氧化分解是有機物的主要去除途徑，在有氧條件下，這些微生物先把有機物氧化分解成中間產(chǎn)物，有些中間產(chǎn)物被合成細胞物質(zhì)，有的被直接氧化為無機物，此過程是耗氧過程，需要有足夠的溶解氧，因此，為了提高系統(tǒng)對有機污染物的去除效果，需要保證系統(tǒng)有良好的透氣性，這也是土壤生態(tài)處理技術(shù)需要不斷完善與發(fā)展的方面之一.

2.2 土壤生態(tài)處理系統(tǒng)對總氮(TN)的去除

生活污水的進水 TN濃度范圍為27～68 mg/L，平均濃度為47.1 mg/L.出水TN平均濃度為15.9 mg/L.平均去除率達到62%.達到設(shè)計出水水質(zhì)要求(小于20 mg/L).結(jié)果如圖4、圖5所示.

生活污水中氮主要以有機氮和銨態(tài)氮的形式存在，氮的主要去除途徑有植物吸收、生物脫氮以及氨氮揮發(fā)，其中生物脫氮起主要作用，微生物脫氮分為3個相互關(guān)聯(lián)的過程.

(1)氨化作用即在微生物作用下將污水中的有機氮轉(zhuǎn)化為NH4—N，氨化作用非常迅速，在一般污水處理設(shè)施中都可以完成，所以微生物除氮的關(guān)鍵是硝化—反硝化作用.

(2)硝化作用 即將氨化過程產(chǎn)生的NH4—N在好氧條件下［12］(DO＞0.5 mg/L)首先氧化為NO2—N再進一步氧化為NO3—N，此過程由亞硝化菌和硝化菌共同完成，該反應(yīng)為

(3)反硝化作用 反硝化是指在缺氧或厭氧(DO＜0.3～0.5 mg/L)條件下，NO3—N在微生物作用下作為電子受體被還原為N2或者N2O，反應(yīng)式為:

雖然植物生長需要一定的氮，例如植物可以直接利用硝酸氮和氨氮，但是植物吸收對總氮的去除率很有限，一般不超過總?cè)コ实?0%［13］，在很大程度上植物的存在只是為微生物的生長提供了較好的生長環(huán)境［14］，氮的去除主要還是通過硝化—反硝化作用來完成，因此依靠植物吸收氮，提高系統(tǒng)對總氮的去除能力空間不大;為系統(tǒng)提供良好的硝化—反硝化條件即好氧—厭氧條件是提高系統(tǒng)對氮去除的根本途徑［15］.

圖4 土壤生態(tài)處理系統(tǒng)對TN的去除Fig.4 TN removal of soil ecological system

2.3 土壤生態(tài)處理系統(tǒng)對總磷(TP)的去除

系統(tǒng)進水口的TP濃度為2.9～8.2 mg/L，平均濃度為4.58 mg/L.系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，出水口TP濃度為0.01～0.90 mg/L，平均濃度為0.34 mg/L.TP的去除率穩(wěn)定，平均去除率達到90%，實驗結(jié)果如圖6所示.

圖5 土壤生態(tài)處理系統(tǒng)對TN的去除率Fig.5 TN removal rate of soil ecological system

土壤生態(tài)處理系統(tǒng)對磷的去除包括植物的吸收、微生物作用和土壤化學(xué)固磷.在土壤生態(tài)處理系統(tǒng)中，絕大部分磷是通過土壤化學(xué)固磷作用而被去除的.土壤固磷與土壤所含的Al、Fe和Ca等金屬離子的數(shù)量以及土壤的pH值和氧化還原狀態(tài)等有關(guān)［16-17］.土壤中 Al、Fe和 Ca等礦物質(zhì)含量多，在還原條件和較高的pH情況下有利于土壤固磷［18］.污水中溶解性的磷可被植物直接吸收，通過植物的收割從土壤生態(tài)處理系統(tǒng)中去除.磷的另一去除途徑是通過微生物的作用，一方面通過微生物正常代謝，磷被微生物正常同化吸收;另一方面是通過聚磷菌的過量攝磷作用而使磷得到去除.再就是磷被介質(zhì)(土壤或填料)通過吸附或離子交換作用去除.

土壤生態(tài)處理系統(tǒng)中磷的去除機理主要是土壤吸附固定，土壤作為一個磷的儲存庫，對磷具有極大的吸附固定能力，污水中99%的磷可吸附而貯存于土壤中［19］.土壤對磷的吸附容量與土壤所含的配土成分、土壤中的鋁、鐵、鈣等金屬離子數(shù)量以及土壤pH值有關(guān).一般情況，含有礦物質(zhì)多并具有團粒結(jié)構(gòu)的土壤對磷具有更大的吸附固定能力.污水土地處理系統(tǒng)除磷過程中BOD5/TP或COD/TP值是有一定范圍的，土壤生態(tài)處理系統(tǒng)除磷工藝主要是在缺氧及厭氧條件下運行的，因此缺氧及厭氧條件下微生物對基質(zhì)的利用率是該工藝在低碳源情況下正常運行的主要因素，控制進水的BOD5/TP或COD/TP以及污水在土壤中的停留時間，是提高除磷效果的關(guān)鍵.

圖6 土壤生態(tài)處理系統(tǒng)對TP的去除Fig.6 TP removal of soil ecological system

2.4 土壤生態(tài)系統(tǒng)對懸浮物的去除

土壤生態(tài)處理系統(tǒng)去除懸浮物的途徑主要是填料的過濾作用，土壤顆粒間的孔隙具有截留、濾除水中懸浮顆粒的性能.影響土壤物理過濾凈化的因素有土壤顆粒大小、顆粒間孔隙形狀和大小、孔隙分布、污水中懸浮顆粒性質(zhì)、多少、大小等.

系統(tǒng)對SS的去除十分有效，進水口懸浮物濃度為200～300 mg/L，出口水中懸浮物的濃度可降低到20～30 mg/L，去除率達92%.懸浮物大量進入系統(tǒng)容易造成系統(tǒng)堵塞，因此在進入系統(tǒng)之前應(yīng)該對污水進行預(yù)處理以降低進入系統(tǒng)中懸浮物含量，大量研究表明滲濾系統(tǒng)間歇運行可以延長系統(tǒng)壽命，因為，在系統(tǒng)落干期進入系統(tǒng)的有機懸浮顆粒被微生物充分降解，可以有效延緩系統(tǒng)堵塞.

2.5 溫度的影響

溫度對微生物的活性有著很大的影響，溫度過高和過低都會影響微生物活性，導(dǎo)致系統(tǒng)處理效果降低.鄭州屬溫帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷.為了抵御低溫對微生物活動的影響，系統(tǒng)采用地埋式設(shè)計，整個系統(tǒng)處于凍土層以下.檢測結(jié)果表明:系統(tǒng)幾乎不受冬季低溫的影響，處理效果沒有明顯降低，因此系統(tǒng)全年都能夠有效運行.

3 結(jié)論

對土壤生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測表明，當(dāng)水力負荷以及進水中CODcr、TN、TP、SS濃度在所述范圍內(nèi)變化時，其平均去除率分別為91%、62%、90%和92%，出水濃度分別小于 50、20、1.0，和 20 mg/L，符合《城市污水處理廠水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)(一級B標(biāo)準(zhǔn))》，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部厭氧—好氧環(huán)境是提高土壤生態(tài)處理技術(shù)對氮去除的關(guān)鍵.監(jiān)測數(shù)據(jù)表明采用地下式設(shè)計很好地解決了低溫對土壤生態(tài)處理技術(shù)造成的消極影響.

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