基于新型土壤滲濾系統(tǒng)的農(nóng)村生活污水處理實(shí)驗(yàn)研究

鄒 淵， 鄭爽英

(西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

目前，在我國(guó)大部分農(nóng)村地區(qū)存在生活污水未經(jīng)處理直接排放的問(wèn)題。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2016年，全國(guó)農(nóng)村生活污水處理率為22 %[1]。農(nóng)村生活污水中有機(jī)物和氮磷等濃度較高，可生化性強(qiáng)，在排放上具有產(chǎn)生源分散、量小、變化系數(shù)大等特點(diǎn)[2]，根據(jù)農(nóng)村地區(qū)實(shí)際情況，國(guó)內(nèi)外對(duì)于農(nóng)村生活污水的處理一般采用運(yùn)行費(fèi)用低，管理方便的技術(shù)[3]。

土壤滲濾處理技術(shù)是利用土壤—微生物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)土壤的吸附沉淀以及微生物的降解等使污水得到凈化的一種處理方法，該處理方法建設(shè)費(fèi)用低、能耗低、維護(hù)和管理方便，很適合用于農(nóng)村地區(qū)生活污水處理[1]。土壤滲濾系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物和總磷有較好的處理效果，去除率可達(dá)85 %以上，但總氮脫除效果不佳，去除率僅為30 %左右。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，下部缺氧區(qū)碳源不足是造成系統(tǒng)脫氮效果不佳的主要原因[4]。要想強(qiáng)化土壤滲濾系統(tǒng)的脫氮效果，主要有兩種思路[5]：一是改善系統(tǒng)的基質(zhì)配置，二是調(diào)整進(jìn)水碳氮比。

為此，針對(duì)傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)脫氮的不足。實(shí)驗(yàn)以原水為碳源，采取上下分流的方式研究系統(tǒng)對(duì)總氮以及相關(guān)污染物的去除效果，為土壤滲濾系統(tǒng)進(jìn)一步的推廣提供理論依據(jù)。另外，實(shí)驗(yàn)選取農(nóng)村取材方便且經(jīng)濟(jì)的粉煤灰替換部分土壤，用于改良系統(tǒng)基質(zhì)，提高系統(tǒng)的吸附性和滲透性。

1 裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行工況

在大量研究土壤滲濾系統(tǒng)處理的實(shí)驗(yàn)中，土柱實(shí)驗(yàn)是其中的一個(gè)常用和重要手段。相關(guān)研究表明[6]，當(dāng)土柱裝置直徑大于10 cm和高度大于100 cm時(shí)，可最大消除邊壁效應(yīng)。同時(shí)，利用土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M污水處理效果，在凈化效果方面基本符合野外實(shí)際情況。本次污水實(shí)驗(yàn)裝置主要由沉淀池、配水箱、布水管和土柱等四部分組成。為模擬地下封閉情況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將有機(jī)玻璃柱外壁處用黑色塑料袋罩住，避免陽(yáng)光照射。為預(yù)防系統(tǒng)堵塞，水樣沉淀一星期后并經(jīng)無(wú)紡紗布過(guò)濾再進(jìn)入配水箱。實(shí)驗(yàn)平行設(shè)置四組系統(tǒng)，研究系統(tǒng)在四種分流比工況下的處理效果。模擬土柱裝置為直徑20 cm，高110 cm的有機(jī)玻璃柱，其底部密封上表面開放?；緲?gòu)造見(jiàn)圖1：從上往下依次敷設(shè)10 cm礫石層(粒徑為2～10 cm)，20 cm土壤層、10 cm粉煤灰層、20 cm土壤層、5 cm礫石層、10 cm土壤層、10 cm粉煤灰層、20 cm土壤層、5 cm礫石層。在礫石層與土壤層之間為了避免上部礫石匯入滲濾層而影響出水效果，鋪設(shè)200目尼龍網(wǎng)過(guò)濾紗布作為隔離層。生活污水沿多孔布水管進(jìn)入滲濾基質(zhì)，分為上下兩層進(jìn)水，上層進(jìn)水管鋪設(shè)在表面4 cm處，開孔率為15 %，下層進(jìn)水管鋪設(shè)在據(jù)表面52 cm處，開孔率為15 %。

實(shí)驗(yàn)開始于2018年10月，采用干濕交替間歇進(jìn)水的進(jìn)水方式，干濕比為3∶1，系統(tǒng)每天進(jìn)水6 h，落干時(shí)間18 h。為了防止土壤堵塞以及加強(qiáng)系統(tǒng)復(fù)氧，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每5 d對(duì)系統(tǒng)表層土壤進(jìn)行翻動(dòng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

1.2 分析項(xiàng)目及方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的檢測(cè)指標(biāo)以及方法如表1所示。

表1 指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法

系統(tǒng)運(yùn)行初期，每3 d抽取水樣進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，后期系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，每5 d進(jìn)行一次指標(biāo)檢測(cè)。

2 結(jié)果及分析

2.1 系統(tǒng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

土壤滲濾系統(tǒng)的啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)是指在系統(tǒng)正式穩(wěn)定運(yùn)行前的一段時(shí)間內(nèi)，通過(guò)向系統(tǒng)中投配少量穩(wěn)定的污水，使系統(tǒng)逐漸適應(yīng)污水環(huán)境，并且促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)微生物開始增殖，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定處理污染物的狀態(tài)。為便于后續(xù)研究，實(shí)驗(yàn)首先開始系統(tǒng)的啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，確保系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。判斷系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)是否對(duì)污染物達(dá)到穩(wěn)定適宜的去除效率[7]。在啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，水力負(fù)荷不宜過(guò)大，四組裝置均以0.04 m3/m2·d的水力負(fù)荷進(jìn)行污水量的投配，利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制進(jìn)水流量。每3 d監(jiān)測(cè)一次進(jìn)出水COD，以系統(tǒng)COD去除率作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)，即當(dāng)系統(tǒng)COD去除率趨于穩(wěn)定時(shí)，即認(rèn)為系統(tǒng)啟動(dòng)成功[7]。系統(tǒng)COD進(jìn)出水濃度及去除率曲線見(jiàn)圖2。

圖2 啟動(dòng)期COD濃度變化及去除率

從圖中可以看出，系統(tǒng)COD進(jìn)出水濃度都存在一定的起伏。從系統(tǒng)COD去除效率來(lái)看，四組系統(tǒng)都經(jīng)歷了一個(gè)先逐步增加然后降低最后再升高慢慢達(dá)到穩(wěn)定的一個(gè)過(guò)程。在最開始的一周，COD去除率穩(wěn)步上升達(dá)到了82 %左右， 9 d后，去除率逐漸下降，最低值為55.23 %，但在18 d后，系統(tǒng)去除率又開始出現(xiàn)上升趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在83 %左右。從系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除機(jī)理來(lái)看，去除COD主要靠吸附作用和微生物降解作用。 在系統(tǒng)啟動(dòng)初期，系統(tǒng)填料吸附能力強(qiáng)，空隙率大，截留吸附以及填料過(guò)濾作用進(jìn)行的較為徹底，因此系統(tǒng)的COD去除率逐步上升并達(dá)到一個(gè)較高的效率。而后隨著系統(tǒng)的不斷運(yùn)行，部分被截留的污染物還未徹底降解而滯留于填料表面，降低了系統(tǒng)的吸附作用。與此同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部微生物雖逐具規(guī)模，但并不活躍，因此相應(yīng)的出水COD濃度就增大，去除率下降。隨著系統(tǒng)的進(jìn)一步運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)部的微生物膜逐漸形成，微生物開始活躍起來(lái)，去除有機(jī)物的能力逐漸增強(qiáng)，系統(tǒng)對(duì)COD的去除率逐漸增加，并在25 d后的去除率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)完成。

2.2 分流比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在城市污水處理中，常用甲醇和淀粉廠、制糖廠等排出的高濃度有機(jī)廢水作為碳源[8]。而對(duì)于土壤滲濾系統(tǒng)，若投加甲醇或者有機(jī)廢水，會(huì)顯著增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本和負(fù)荷。生活污水中同樣含有大量的可降解有機(jī)物，理論上也是可以作為碳源。因此，在研究中，改變?cè)到y(tǒng)的進(jìn)水方式，通過(guò)上下分流的措施在反硝化階段補(bǔ)加原水作為碳源，研究系統(tǒng)的總氮脫除及相關(guān)污染物去除效果。

實(shí)驗(yàn)采用四組分流比：1∶0(上部進(jìn)水：下部進(jìn)水)、1∶1、1∶2、2∶1來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，水力負(fù)荷為0.08 m3/m2·d。

2.2.1 COD去除效果分析

從圖3可知，系統(tǒng)在分流比1∶0、1∶1、1∶2、2∶1的情況下，對(duì)COD的平均去除效率分別為86.39 %、78.32 %、75.24 %、82.36 %?？梢钥闯?，系統(tǒng)在未分流時(shí)，對(duì)COD的去除效率最高，當(dāng)在系統(tǒng)下部投加原水時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD的去除效率降低，并且下部進(jìn)水量越大，COD去除率越低。這說(shuō)明當(dāng)上下分流時(shí)，會(huì)在一定程度降低系統(tǒng)去除COD的效率。而分析該現(xiàn)象的可能原因是，在系統(tǒng)下部投加原水時(shí)，系統(tǒng)下部的污水在系統(tǒng)中的停留時(shí)間相對(duì)上部進(jìn)水的污水更短，從而總體縮短了污水在系統(tǒng)中的停留時(shí)間，下部進(jìn)水的污水中的某些可降解有機(jī)物可能還未來(lái)得及經(jīng)微生物吸收降解就隨出水留出系統(tǒng)，從而造成系統(tǒng)出水有機(jī)物含量增加。因此，下部進(jìn)水在一定程度上降低了系統(tǒng)對(duì)COD的去除率。

圖3 COD濃度變化及去除率

2.2.2 氨氮去除效果分析

從圖4可以看出，與COD類似，隨著系統(tǒng)下部進(jìn)水量的增大，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效率也呈逐漸降低的趨勢(shì)，分流比1∶2工況下，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效率由未分流時(shí)的85.59 %降低至73.66 %。參考系統(tǒng)對(duì)COD的結(jié)果分析中所指出的，污水在系統(tǒng)中的水力停留時(shí)間的縮短也是造成系統(tǒng)對(duì)氨氮去除效率下降的原因之一。另外根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果中[9]，系統(tǒng)的ORP(氧化還原電位)是影響系統(tǒng)氨氮去除效率的重要影響因素，氨氮的脫除效率與系統(tǒng)的ORP呈正相關(guān)關(guān)系，系統(tǒng)ORP越高，氨氮脫除效率越好。原水中含有一定量的溶解氧，因此當(dāng)系統(tǒng)下部投配原水，在帶來(lái)大量有機(jī)物的同時(shí)也帶來(lái)了一定量的溶解氧，而有機(jī)物的降解過(guò)程會(huì)消耗溶解氧，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的ORP下降，并且系統(tǒng)下部的通氣性較差，不利于硝化作用的進(jìn)行，氨氮的脫除效率也隨之下降，出水氨氮濃度增高，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效率隨著下降。

圖4 氨氮濃度變化及去除率

2.2.3 總氮去除效果分析

如圖5所示，系統(tǒng)在不同分流比下總氮的去除率有明顯的差異。系統(tǒng)在分流比為1∶1和2∶1的時(shí)候，總氮出水濃度低于未分流時(shí)的系統(tǒng)出水濃度，總氮去除效率由42.92 %分別提高到47.91 %和63.78 %。這說(shuō)明分流進(jìn)水時(shí)，下部進(jìn)水能在一定程度上為系統(tǒng)的缺氧區(qū)提供碳源，增強(qiáng)系統(tǒng)的反硝化作用，從而加強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果，提高系統(tǒng)的脫氮能力。但是，從分流比為1∶2的結(jié)果來(lái)看，其總氮出水濃度高于未分流時(shí)候的系統(tǒng)出水濃度，總氮去除效率由未分流的42.92 %下降到37.91 %。說(shuō)明當(dāng)下部進(jìn)水量過(guò)高時(shí)，反而會(huì)降低系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效率。從污染物的去除機(jī)理來(lái)看，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)下部進(jìn)水過(guò)多時(shí)，系統(tǒng)缺氧區(qū)內(nèi)的有機(jī)氮及氨氮過(guò)多，還來(lái)不及被氧化就被排出系統(tǒng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)總氮含量增加，系統(tǒng)效率降低。

可以看出，系統(tǒng)采取上下分流的措施，能有效提高系統(tǒng)的總氮去除效率。但需要控制下部進(jìn)水量，不宜過(guò)高，若過(guò)高反而會(huì)降低系統(tǒng)總氮去除效率。本次實(shí)驗(yàn)中，分流比為2∶1時(shí)，總氮去除效率最高。

圖5 總氮濃度變化及去除率

2.2.4 總磷去除效果分析

從圖6可以看出，系統(tǒng)在分流比1∶0、1∶1、1∶2、2∶1的情況下，對(duì)總磷的平均去除效率分別為94.12 %、84.76 %、77.66 %、89.93 %。說(shuō)明當(dāng)系統(tǒng)下部進(jìn)水時(shí)，對(duì)總磷的去除效率同樣存在一定影響。當(dāng)分流比為1∶2時(shí)，系統(tǒng)總磷去除效率最低，為77.66 %，總磷去除效率最高時(shí)為未分流狀態(tài)下，去除效率為94.12 %。根據(jù)前面各項(xiàng)污染物的去除效果分析結(jié)果來(lái)看，分流造成系統(tǒng)總磷去除效率下降的原因可能是因?yàn)椋虏窟M(jìn)水在系統(tǒng)的停留時(shí)間較短，污水中的部分磷元素來(lái)不及經(jīng)系統(tǒng)土壤及填料的物理化學(xué)吸附及微生物的同化作用就流出系統(tǒng)，從而導(dǎo)致出水總磷濃度增加，系統(tǒng)總磷去除效率下降。

圖6 總磷濃度變化及去除率

3 結(jié)論

(1)土壤滲濾系統(tǒng)在未分流的情況下對(duì)有機(jī)物、氨氮和總磷均有較好的去除效果，去除率分別達(dá)到86.39 %、85.59 %和94.12 %，但總氮脫除效果不佳，僅為42.92 %。

(2)采取分流措施后，可有效降低系統(tǒng)出水的總氮濃度，增強(qiáng)系統(tǒng)的反硝化作用，當(dāng)分流比為2∶1時(shí)，總氮去除率由未分流時(shí)的42.92 %提高到63.78 %。但當(dāng)下部進(jìn)水量過(guò)大時(shí)，由于水力停留時(shí)間縮短，部分氨氮和硝態(tài)氮還未經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng)就隨出水流出，系統(tǒng)出水總氮濃度增大，總氮去除效率降低。

(3)中間分流會(huì)降低系統(tǒng)對(duì)COD、氨氮和總磷的去除效率，若控制下部進(jìn)水量的比例時(shí)，使其不能過(guò)高，也可在滿足出水標(biāo)準(zhǔn)的情況下有效提高系統(tǒng)脫氮效果，適宜的分流比是提高脫氮效果的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)中，在 8 cm/d的水力負(fù)荷下，分流比2∶1時(shí)，污染物去除效率為COD為82.36 %、氨氮80.07 %、TN為63.78 %、TP為89.93 %。四種污染指標(biāo)可達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠排放一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)，可滿足農(nóng)村地區(qū)污水處理標(biāo)準(zhǔn)。

(4)相對(duì)于向系統(tǒng)中添加生物基質(zhì)以提高脫氮效果，分流措施工藝建設(shè)簡(jiǎn)單，可在不增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本的基礎(chǔ)上顯著改善系統(tǒng)脫氮效果，在上部進(jìn)水管和下部進(jìn)水管設(shè)置流量調(diào)節(jié)裝置，可對(duì)上下進(jìn)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)得到系統(tǒng)最佳的分流比例，一定程度上提高了土壤滲濾系統(tǒng)的適用性以及分流的可行性。