水力負(fù)荷對(duì)地下土壤滲濾裝置去除污水氮磷的影響

(1.玉溪師范學(xué)院 玉溪高原湖泊生態(tài)環(huán)境研究中心，云南 玉溪 653100；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 北京 100012)

地下滲濾處理技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代的日本，到了20世紀(jì)80年代，日本已經(jīng)開(kāi)始利用土壤、植物、微生物的整體生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出了地下土壤毛管滲濾溝工藝，該工藝對(duì)污水處理可以達(dá)到三級(jí)深度處理[1].相對(duì)而言，我國(guó)對(duì)地下滲濾系統(tǒng)用于污水處理的研究開(kāi)展得較晚，但在20世紀(jì)90年代初，該方面的研究受到多方關(guān)注，并有部分研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了深入研究[2].

本文中，筆者通過(guò)建立室內(nèi)土壤滲濾裝置來(lái)模擬地下土壤滲濾去除污水中的氮磷，并研究其在不同水力負(fù)荷下對(duì)氮磷的去除效果，旨在為地下土壤滲濾工藝的運(yùn)行提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 室內(nèi)地下土壤滲濾模擬裝置的設(shè)計(jì)

附圖 地下土壤滲濾模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 室內(nèi)模擬地下土壤滲濾裝置滲透速率的測(cè)定方法

實(shí)驗(yàn)裝置出水管設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)高度，以便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)的使用.實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)前,分別測(cè)定每套裝置的滲透速率，測(cè)定用水為常用的自來(lái)水.4套實(shí)驗(yàn)裝置的編號(hào)分別為C1、C2、C3、C4,其進(jìn)水水力負(fù)荷分別為3 cm/d、6 cm/d、9 cm/d、10 cm/d.此外,啟動(dòng)前需采用變水頭法測(cè)定每套裝置的飽和滲透速率.本實(shí)驗(yàn)中,測(cè)定土柱滲透速率的模擬裝置的橫截面為正方形，邊長(zhǎng)為20cm，用字母l表示，土柱供水管采用50 mm PVC管，半徑用r表示.

在測(cè)定過(guò)程中，進(jìn)水端加入定量的水，使得加到模擬裝置上面的水頭壓力是隨時(shí)變化的.在測(cè)定中,只測(cè)定模擬裝置水頭(H)隨時(shí)間(t)變化的一系列數(shù)據(jù).由達(dá)西公式計(jì)算進(jìn)水處流量隨時(shí)間的變化，同時(shí)參照質(zhì)量守恒定律進(jìn)行計(jì)算[5].其水流流量Q的計(jì)算公式如下：

(1)

通過(guò)(2)式計(jì)算出水流通量T(單位面積上通過(guò)的水流流量)，模擬裝置水流通量T的計(jì)算見(jiàn)下式：

(2)

通過(guò)整理公式(2)，在其左右兩邊分別對(duì)時(shí)間t1、t2以及對(duì)應(yīng)的水頭H1、H2進(jìn)行積分計(jì)算，可得出下面公式：

(3)

通過(guò)已知的土柱長(zhǎng)度L，正方形截面邊長(zhǎng)l和進(jìn)水管半徑r，分別測(cè)定兩組時(shí)間和水頭的變化數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(3)可計(jì)算出每套設(shè)備的滲透速率.根據(jù)4套裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，C1、C2、C3、C4的滲透速率分別為：96.8 cm/d、100.4 cm/d、94.36 cm/d、95.42 cm/d,由此得該套系統(tǒng)平均滲透速率為96.75 cm/d.

1.3 水質(zhì)分析方法

實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)出水中總磷、總氮、氨氮的分析方法分別采用過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法、過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法、納氏試劑分光光度法[6].

2 不同水力負(fù)荷下地下土壤滲濾裝置處理污水氮磷效果分析

2.1 氮去除效果分析

表1顯示，各反應(yīng)器TN進(jìn)水濃度在41.4 mg/L～45.8 mg/L之間，進(jìn)水TN濃度平均值為43.85 mg/L.C1反應(yīng)器TN出水濃度在6.48 mg/L～9.4 mg/L之間，出水TN濃度平均值為8.4 mg/L；C1反應(yīng)器對(duì)TN的去除率在79.39%～84.35%之間，其平均去除率為80.9%.C2反應(yīng)器TN出水濃度在9 mg/L～11.36 mg/L之間，出水TN濃度平均值為10.15 mg/L；C2反應(yīng)器對(duì)TN的去除率在73.89%～78.86%之間，其平均去除率為76.86%.C3反應(yīng)器TN出水濃度在9.36 mg/L～11.12 mg/L之間，出水TN濃度平均值為10.18 mg/L；C3反應(yīng)器對(duì)TN的去除率在75.96%～79.48%之間，其平均去除率為76.78%.C4反應(yīng)器TN出水濃度為12.28 mg/L～13.86 mg/L，出水TN濃度平均值為12.99 mg/L；C4反應(yīng)器對(duì)TN的去除率在67.81%～72.49%之間，其平均去除率為70.35%.4個(gè)反應(yīng)器出水TN濃度均低于15 mg/L，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)，出水水質(zhì)良好.4個(gè)反應(yīng)器對(duì)TN的平均去除率大小順序?yàn)镃1>C2>C3>C4，且C1、C2、C3反應(yīng)器對(duì)TN的去除率相近，C4反應(yīng)器對(duì)TN的去除率相對(duì)較低.

地下土壤系統(tǒng)為反硝化提供了很好的厭氧條件，因此4個(gè)反應(yīng)器對(duì)TN的處理效果較好，也表現(xiàn)出地下土壤滲濾系統(tǒng)對(duì)N去除的優(yōu)勢(shì)所在.

表1 各反應(yīng)器運(yùn)行后進(jìn)出TN濃度(單位：mg/L)

表2顯示，各反應(yīng)器氨氮進(jìn)水濃度在33.3 mg/L～37.5 mg/L之間，進(jìn)水氨氮濃度平均值為35.75 mg/L.4個(gè)反應(yīng)器中C1、C2、C3出水氨氮濃度均低于8 mg/L，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)B標(biāo)，出水水質(zhì)良好，C4反應(yīng)器出水氨氮平均濃度達(dá)到0.49 mg/L，表明水力負(fù)荷達(dá)到12cm/d時(shí)，反應(yīng)器對(duì)氨氮的處理效果大大降低.4個(gè)反應(yīng)器對(duì)氨氮的平均去除率分別為83.59%、78.62%、78.51%和70.62%，其大小順序?yàn)镃1>C2>C3>C4，且C1、C2、C3反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除率相近，C4反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除率相對(duì)較低.

表2 各反應(yīng)器運(yùn)行后進(jìn)出水濃度(單位：mg/L)

2.2 磷去除效果分析

表3顯示，各反應(yīng)器TP進(jìn)水濃度在7.3 mg/L～7.8 mg/L之間，進(jìn)水TP濃度平均值為7.52 mg/L.C1反應(yīng)器TP出水濃度在0.25 mg/L～0.31 mg/L之間，出水TP濃度平均值為0.27 mg/L；C1反應(yīng)器對(duì)TP的去除率在95.87%～96.67%之間，其平均去除率為96.38%.C2反應(yīng)器TP出水濃度在0.27 mg/L～0.31 mg/L之間，出水TP濃度平均值為0.29 mg/L；C2反應(yīng)器對(duì)TP的去除率在95.89%～96.54%之間，其平均去除率為96.16%.C3反應(yīng)器TP出水濃度在0.26 mg/L～0.32 mg/L之間，出水TP濃度平均值為0.29 mg/L；C3反應(yīng)器對(duì)TP的去除率在95.79%～96.53%之間，其平均去除率為96.21%.C4反應(yīng)器TP出水濃度在0.32 mg/L～0.37 mg/L之間，出水TP濃度平均值為0.35 mg/L；C4反應(yīng)器對(duì)TP的去除率在94.93%～95.73%之間，其平均去除率為95.41%.4個(gè)反應(yīng)器出水TP濃度均低于0.5 mg/L，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)，出水水質(zhì)良好.4個(gè)反應(yīng)器對(duì)氨氮的平均去除率分別為96.38%、96.16%、96.21%和95.41%，其大小順序?yàn)镃1>C3>C2>C4，且C1、C2、C3反應(yīng)器對(duì)TP的去除率相近，C4反應(yīng)器對(duì)TP的去除率相對(duì)較低.

表3 各反應(yīng)器運(yùn)行后進(jìn)出水TP濃度(單位：mg/L)

一般認(rèn)為，地下土壤系統(tǒng)通過(guò)化學(xué)吸附、物理吸附、沉淀以及微生物的共同作用來(lái)達(dá)到去除磷的目的.本研究中的反應(yīng)器使用了水洗鐵礦渣、陶粒、云南紅壤等填料，對(duì)磷的吸附效果顯著.

3 結(jié) 論

(1)本研究中，筆者通過(guò)建立室內(nèi)土壤滲濾裝置來(lái)模擬地下土壤滲濾去除污水中的氮磷，并研究不同水力負(fù)荷下其對(duì)氮磷的去除效果.本研究所用土壤滲濾模擬裝置的土柱高度為1.2 m，其中土柱中設(shè)置五層填充，由上而下分別為種植層(20 cm)、布水層(20 cm)、強(qiáng)化處理層(20 cm)、生態(tài)填料層(40 cm)、集水層(20 cm).通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，得出4套反應(yīng)器的平均滲透速率為96.75 cm/d.

(2)實(shí)驗(yàn)表明,本研究所用的4套反應(yīng)裝置在其水力負(fù)荷分別為3 cm/d、6 cm/d、9 cm/d、12 cm/d時(shí)，系統(tǒng)出水TN、TP均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)；當(dāng)反應(yīng)器水力負(fù)荷超過(guò)9 cm/d時(shí)，裝置出水氨氮處理效果將下降，但也達(dá)到或接近《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn).因此，在本研究條件下,地下土壤滲濾系統(tǒng)的水力負(fù)荷應(yīng)以≤9 cm/d為宜.

[1]張永鋒，賈中華.西安地區(qū)地下滲濾系統(tǒng)處理生活污水的試驗(yàn)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，23(2)：11-13.

[2]李海波,李英華,孫鐵珩,等.改良地下滲濾系統(tǒng)處理生活污水的研究[J]．中國(guó)給水排水,2009,25(13):45-51.

[3]張建,黃霞,魏杰,等．地下滲濾污水處理系統(tǒng)的氮磷去除機(jī)理[J]．中國(guó)環(huán)境科學(xué),2002,22(05):438-441.

[4]唐受印，戴友芝.水處理工程師手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[5]任姍姍，尚岳全，何婷婷，等.邊坡虹吸排水?dāng)?shù)值模擬方法及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2013，32(10):2022-2027.

[6]國(guó)家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法:第4版[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.