不同填料地下滲濾系統(tǒng)處理生活污水研究

嚴　群，汪　宏，韓冬雪，羅仙平，2，楊　健

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州341000；2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西贛州341000；3.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海200092）

不同填料地下滲濾系統(tǒng)處理生活污水研究

嚴群1，汪宏1，韓冬雪1，羅仙平1，2，楊健3

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州341000；2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西贛州341000；3.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海200092）

比較了以土壤裝填的1#地下滲濾裝置及以土壤煤渣分層裝填的2#地下滲濾裝置在不同水力負荷下的生活污水凈化效果，并分析了土壤煤渣分層裝填對裝置性能的改善作用。結果表明，在5、10 cm/d運行時，除總氮外，2#裝置對其他指標的去除率均＞80%，且運行穩(wěn)定，抗沖擊負荷能力強；在20 cm/d運行時，1#裝置因堵塞而停止運行，2#裝置對COD、總磷、氨氮、總氮的去除率分別為92.2%、84.4%、61.9%、57.8%。進一步說明土壤煤渣分層填料可充分利用填料的水力滲透性，有效提高地下滲濾系統(tǒng)的水力負荷，且保持了其對污染物去除的高效性。

地下滲濾系統(tǒng)；生活污水；生態(tài)處理

地下滲濾系統(tǒng)是綜合土地污灌和污水生態(tài)處理的人工強化污水生態(tài)處理技術。污水進入滲濾裝置后，在土壤毛管浸潤和滲濾作用下向周圍擴散，經土壤物理截留、化學反應及微生物降解作用，得到凈化處理〔1-3〕。傳統(tǒng)地下滲濾系統(tǒng)因土壤水力滲透性小，存在運行負荷低、占地面積大、易堵塞等缺點。不少學者考察了裝填不同填料地下滲濾系統(tǒng)的污水處理效果。填料種類及裝填方式對系統(tǒng)污水處理效果有顯著影響。張建等〔4〕發(fā)現，向土壤中添加10%草炭，在4 cm/d運行時，系統(tǒng)對氨氮和總氮的去除率分別提高12%、11%。潘晶等〔5〕以95%的草甸棕壤和5%的爐渣為填料，在10 cm/d運行，通過控制分流比，系統(tǒng)對總氮的去除率提高了9.04%。張思等〔6〕將土壤和粉煤灰分層裝填，在10 cm/d運行時系統(tǒng)對COD、總磷、總氮、氨氮的平均去除率分別為85.8%、98.1%、78.4%、93.7%。

筆者構建了以土壤為填料的傳統(tǒng)地下滲濾系統(tǒng)和以土壤、煤渣分層填料的改良地下滲濾系統(tǒng)，并探究了2個裝置在5、10、20 cm/d水力負荷下運行時的生活污水凈化效果，考察土壤煤渣分層裝填方式對地下滲濾系統(tǒng)的改善作用，以期為工程應用提供理論依據。

1　實驗部分

1.1實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

圖1　實驗裝置

實驗污水先經調節(jié)池均衡水量和水質后，由蠕動泵輸送至配水槽，自流進入滲濾裝置中。1#、2#兩裝置的尺寸構造及內部填料見表1。

表1　裝置尺寸及填料填裝方式

1.2進水水質及分析方法

實驗期間水質指標見表2。水質分析項目包括COD、總氮、氨氮和總磷，分別采用Merck COD測試儀、堿性過硫酸鉀紫外分光光度法、納氏試劑分光光度法和鉬銻抗分光光度法測定。

表2　進水水質mg/L

1.3運行工況

實驗測得土壤和煤渣的飽和滲透系數分別為0.417、468.0 cm/h。2個裝置從5 cm/d開始運行〔7〕，待運行穩(wěn)定后，水力負荷逐步增加到20 cm/d，但1#裝置在20 cm/d運行時發(fā)生了堵塞。1#、2#裝置運行工況見表3。

表3　運行工況

2　結果與討論

2.1有機物去除效果的比較

不同水力負荷下1#、2#裝置的COD去除效果見圖2。

圖2　不同水力負荷下2個裝置的COD去除效果

圖2顯示，在5、10 cm/d條件下運行時，1裝置的出水COD平均去除率分別為81.8%、80.7%，COD平均值分別為50.0、53.1 mg/L；在5、10、20 cm/d條件下運行時，2#裝置的出水COD平均去除率分別為89.4%、90.7%、92.2%，COD平均值分別為 23.5、22.3、21.5 mg/L。2個裝置對有機物均有較高的降解水平，抗沖擊負荷能力強。但不同填料的裝置對有機物的去除效果有一定差異。其中2#裝置效果更好，分析原因為土壤質地密實，水力滲透性小，1#裝置內的污水與土壤接觸不充分；而2#裝置內的煤渣孔隙率大，且與土壤分層裝填，使?jié)B透性不同的填料在垂直方向上交錯分布，充分利用了填料的不同滲透性，實現整個裝置的平面上飽水，提高了填料對污水的凈化作用。

水力負荷從側面反映了污水與填料的接觸時間，U.S.EPA推薦的地下滲濾系統(tǒng)的最高水力負荷為6.6 cm/d〔8〕。2#裝置在20 cm/d運行時對有機物仍有較高的處理水平?？梢?，土壤煤渣分層填料有效提高了地下滲濾系統(tǒng)的水力滲透性能，并保持良好的有機污染物去除能力。

2.2總磷去除效果的比較

不同水力負荷下1#、2#裝置對總磷的去除效果見圖3。

圖3　不同水力負荷下2個裝置的總磷去除效果

圖3顯示，在5、10 cm/d運行時，1#裝置出水總磷平均去除率分別為68.7%、38.9%，平均質量濃度分別為 1.95、3.18 mg/L；在 5、10、20 cm/d運行時，2#裝置出水總磷平均去除率分別為97.2%、93.2%、84.4%，平均質量濃度分別為0.15、0.56、0.76 mg/L?？梢娺M水水力負荷的增大會降低系統(tǒng)的除磷效果。

污水總磷的去除主要依賴填料的物理化學吸附作用，磷吸附能力的大小與填料中有機質含量、陽離子種類及其理化性質等有關〔9-10〕。煤渣孔隙率高達50%～60%，比表面積大，且含有10%～30%的殘?zhí)浚瑢α椎奈叫阅芎?，另外，煤渣中含有的Al3+、Fe3+、Ca2+等陽離子與磷酸鹽反應生成難溶物〔11-12〕，通過物理吸附和化學吸附共同作用達到降低總磷的目的。而土壤對磷的吸附主要有以靜電吸引為機制的陰離子交換和以配位為機理的專性吸附〔13〕，但其磷吸附容量小，吸附易趨于飽和，且吸附過程可逆。

在各水力負荷下，2#裝置對總磷的去除效果較1#裝置顯著，在20 cm/d運行時，其出水總磷能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級B標準。2#裝置不但提高了系統(tǒng)水力滲透性能，而且強化了對污水中磷的去除效果。

2.3氮的去除效果比較

地下滲濾系統(tǒng)因其進水和運行方式，系統(tǒng)內一般存在好氧和厭氧交替環(huán)境，硝化和反硝化反應可順利進行，完成污水的生物脫氮。

2.3.1氨氮的去除效果比較

在不同水力負荷下1#、2#裝置對氨氮的去除效果見圖4。

圖4　不同水力負荷下2個裝置對氨氮的去除效果

圖4顯示，在5、10 cm/d運行時，1#裝置出水氨氮平均去除率分別為66.9%、48.7%，平均值分別為9.50、13.68 mg/L；在5、10、20 cm/d運行時，2#裝置出水氨氮平均去除率分別為98.1%、92.5%、61.9%，平均值分別為0.56、2.29、9.68 mg/L。

填料的硝化強度和復氧性能是影響地下滲濾系統(tǒng)氨氮去除效果的主要因素。煤渣為多孔結構，硝化菌易在其空隙內聚集生長，硝化強度較大，土壤中含有較多的營養(yǎng)元素，也適宜硝化菌的生長繁殖；填料的復氧能力與填料物化性質及裝填方式有關，與有機物去除效果相似，煤渣疏松多孔，且與土壤分層裝填，使填料上層透氣性能較好，在落干期間有利于系統(tǒng)復氧，形成較好的好氧環(huán)境，強化了硝化細菌活性，土壤填料質地密實，復氧能力較低，缺氧環(huán)境限制了硝化微生物的大量生長。

2.3.2總氮的去除效果比較

在不同水力負荷下1#、2#裝置對總氮的去除效果見圖5。由圖5可知，在5、10 cm/d運行時，1#裝置出水總氮平均去除率分別為44.7%、43.5%，平均質量濃度分別為21.07、23.47 mg/L；在5、10、20 cm/d運行時，2#裝置出水總氮平均去除率分別為46.6%、28.2%、57.8%，平均質量濃度分別為 19.8、29.6、18.47 mg/L。

硝化、反硝化脫氮是地下滲濾系統(tǒng)去除總氮的主要途徑。間歇式進水方式使系統(tǒng)處于好氧與厭氧交替轉化的狀態(tài)，為內部微生物提供了良好的生存環(huán)境，且在系統(tǒng)運行的大環(huán)境中又存在各種微環(huán)境，使整個系統(tǒng)處于好氧與厭氧變化與共存的狀態(tài)〔14〕。

水力負荷的變化對1#裝置總氮去除效果影響較小，是由于土壤復氧性能差，導致其內部易形成厭氧環(huán)境，反硝化菌活性強，通過反硝化作用實現了對總氮的去除。2#裝置對總氮去除率不高，且隨進水水力負荷的增大，總氮去除率呈現先減小后增大的趨勢，這是由于：（1）裝置內填料的孔隙率較高，復氧能力強，系統(tǒng)內厭氧環(huán)境不佳，抑制了反硝化反應；（2）污水到達填料下部時有機污染物濃度降低，碳源不足，限制了反硝化反應的進行。但在較高水力負荷20 cm/d下運行時，2#裝置對總氮平均去除率最高達到57.8%，分析原因為隨水力負荷的增加部分填料處于水漬狀態(tài)，煤渣內部的細小孔隙形成了厭氧的微環(huán)境，有利于反硝化菌的生長從而促進了總氮的去除。

圖5　不同水力負荷下2個裝置對總氮去除效果

3　結論

（1）在5、10 cm/d條件下運行時，以土壤裝填的1#裝置和以土壤、煤渣分層裝填的2#裝置對生活污水均有穩(wěn)定的處理效果，除總氮外，2#裝置對COD、總磷和NH4+-N的平均去除率均＞80%，處理效果顯著，抗沖擊負荷能力強；在20 cm/d運行時，1#裝置由于堵塞而停止運行，2#裝置對COD、總磷、NH4+-N、總氮的去除率分別為92.2%、84.4%、61.9%、57.8%，平均質量濃度分別為21.5、0.76、9.68、18.47 mg/L，對污水仍有一定的處理效果。（2）2#裝置對總氮的去除率受進水水力負荷影響較大。當水力負荷從5 cm/d增加到20 cm/d時，其總氮去除率呈現先減小后增加的趨勢，說明水力負荷對土壤煤渣分層裝填地下滲濾系統(tǒng)的脫氮環(huán)境有顯著影響。（3）綜合比較可見，2#裝置對生活污水有良好的處理效果，特別是在20 cm/d運行時對污水仍有較好的處理效果。土壤煤渣的分層裝填使?jié)B透性能不同的填料在垂直方向上交錯分布，提高了地下滲濾系統(tǒng)的水力滲透性，且保持了高效的去除污染物的能力，對實際工程應用具有積極的指導作用。

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Research on the treatment of domestic sewage by subsurface infiltration systems with different filling materials

Yan Qun1，Wang Hong1，Han Dongxue1，Luo Xianping1，2，Yang Jian3
（1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Jiangxi Key Laboratory of Environment Pollution Control of Mining and Metallurgy，Ganzhou 341000，China；3.School of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

The domestic sewage purifying effect of soil loaded 1#subsurface infiltration system and the soil-cinder layer loaded 2#subsurface infiltration system have been compared under different hydraulic loads，and the improving effect of soil-cinder layer loaded on the system capability is analyzed.The results show that when it runs at 5，10 cm/d，the removing rates of other indexes by 2#system，except TN，are all higher than 80%.It runs stably and has strong shock resistance loading.When it runs at 20 cm/d，1#system stops running because of blockage.The removing rates of COD，TP，ammonia-nitrogen，and TN are 92.2%，84.4%，61.9%and 57.8%，respectively.The results indicate further that soil-cinder layered filling materials can make full use of the hydraulic permeability of the filling materials and effectively improve the hydraulic load of subsurface infiltration system and keep its highly efficient capacity for the removal of pollutants.

subsurface infiltration system；domestic sewage；ecological treatment

X703

A

1005-829X（2016）04-0065-04

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAC11B07）；江西省科技廳自然科學基金資助項目（20122BAB203027）；江西省研究生創(chuàng)新基金（YC2015-S286）

嚴群（1973—），博士，副教授。E-mail：yanqun8219893@ 163.com。通訊聯(lián)系人：楊健，E-mail：yishu@online.sh.cn。

2016-03-15（修改稿）