多介質(zhì)土壤層滲濾系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水冬季運(yùn)行效果研究

牛澤南，鮑安紅，豆玉婷，徐顯，陳超

西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715

農(nóng)村水污染是我國(guó)目前面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問題，相比城市污水處理，農(nóng)村污水處理存在污染源多且污染源分散的問題，形成了排放高、處理難的現(xiàn)象，未經(jīng)處理的污水排放入農(nóng)村天然水體中導(dǎo)致水質(zhì)惡化，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的危害[1].1993年Wakatsuki等[2]使用多介質(zhì)土壤層(Multi-Soil-Layering System，MSL)滲濾系統(tǒng)來處理污水，系統(tǒng)由通水層(PL)和土壤混合層(SML)組成，通水層由粒徑較大的填料組成，土壤混合層由土壤與當(dāng)?shù)貜U棄物混合組成.MSL系統(tǒng)具有低成本、低能耗、環(huán)保、易管理的優(yōu)點(diǎn)，適宜我國(guó)農(nóng)村地區(qū)分散型的污水處理模式[3].

傳統(tǒng)的MSL系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)的實(shí)際工程應(yīng)用存在諸多問題，Latrach等[4]通過示蹤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)MSL系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)其系統(tǒng)內(nèi)部存在死區(qū)，填料利用率低，影響MSL系統(tǒng)的處理效率.程銘[5]通過實(shí)驗(yàn)比較了人工濕地季節(jié)變化對(duì)COD，NH3-N，TN，TP去除效果的影響，得到結(jié)論為夏季的處理效果最佳，冬季處理效果最差，且冬季處理效果僅為夏季的1/3.吳浩恩等[6]通過監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度的變化來探究進(jìn)水溫度對(duì)MSL系統(tǒng)脫氮效果的影響，當(dāng)環(huán)境平均溫度由19 ℃下降到15 ℃以下時(shí)，MSL系統(tǒng)對(duì)NH3-N和TN的去除效果分別下降了10%和17%，其原因在于低溫條件下系統(tǒng)內(nèi)硝化菌和反硝化菌活性降低，從而影響硝化和反硝化反應(yīng)過程，冬季污水脫氮效果能否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)便成為了農(nóng)村污水處理的一大難題.本研究在傳統(tǒng)MSL系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)其濾料和裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將4個(gè)MSL過濾單元以連通器的形成連接組成四級(jí)MSL系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部形成多個(gè)“好氧—厭氧”區(qū)域并加入稻殼炭作為反硝化反應(yīng)的碳源，運(yùn)行期間對(duì)四級(jí)MSL系統(tǒng)出水的COD，NH3-N，TN，TP濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè).結(jié)果表明，四級(jí)MSL系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)MSL系統(tǒng)在低溫環(huán)境下(<15 ℃)對(duì)TN去除效率低的問題，同時(shí)解決MSL系統(tǒng)占地面積大、不便維護(hù)等實(shí)際應(yīng)用問題，能夠?yàn)榻窈笙嚓P(guān)研究以及該設(shè)備的推廣使用提供參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由儲(chǔ)水部分、油污分離部分和四級(jí)土壤滲濾系統(tǒng)組成.系統(tǒng)所用管件為直徑110 mm的PVC管，管件之間以連通器的模式連接.油污分離部分管件高度90 cm，無濾料填充，在距離底部45 cm位置設(shè)置排油口.四級(jí)MSL系統(tǒng)管件高度均為50 cm，濾料填充高度為35 cm，底部和頂部用礫石(粒徑范圍5～10 mm)填充防止系統(tǒng)堵塞，填充高度分別為10 cm和5 cm，中部濾料采用分層填充(單層層高5 cm，共分7層)，由下至上為土壤混合層與通水層交替填充，其中1，3，5，7層為土壤混合層，2，4，6層為沸石通水層.實(shí)驗(yàn)所用沸石(粒徑范圍3～5 mm)購(gòu)自河南弘之源凈水材料有限公司，土壤混合層由紫色土(重慶地區(qū)典型的紫色土土壤，有機(jī)質(zhì)含量9.25 g/kg)、鐵屑(購(gòu)自重慶北碚機(jī)械加工廠)和生物炭(實(shí)驗(yàn)采用稻殼生物炭)按照8∶1∶1的質(zhì)量比混合制成.在四級(jí)MSL系統(tǒng)的第二、三級(jí)連通管和系統(tǒng)末端設(shè)置有兩個(gè)排水口，分別命名為排水口A、排水口B.

圖1 四級(jí)MSL系統(tǒng)示意圖

圖2 四級(jí)MSL系統(tǒng)實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)污水水質(zhì)

侯京衛(wèi)等[7]調(diào)研匯總了我國(guó)部分農(nóng)村地區(qū)的生活污水排放量和污染物濃度，其中COD，TN，TP的平均值分別為386.4，50.5，3.7 mg/L.本實(shí)驗(yàn)采用模擬生活污水進(jìn)行試驗(yàn)，配置方法：50 g葡萄糖，20 g淀粉，22 g NH4Cl，1.2 g KH2PO4，1.6 g K2HPO4，1.5 g蛋白胨加水稀釋至100 L，配置所得模擬污水的水質(zhì)指標(biāo)見表1.

1.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方法

系統(tǒng)自2018年11月開始運(yùn)行至2019年2月，監(jiān)測(cè)期間處于冬季，環(huán)境溫度4～15 ℃，進(jìn)水水溫處于偏低水平(<15 ℃).實(shí)驗(yàn)采用間歇式進(jìn)水的方式，控制系統(tǒng)表面水力負(fù)荷在1 000 L/(m2·d)，對(duì)取樣污水中COD，NH3-N，TN，TP的測(cè)定方法見表2，參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)[8].

表1 四級(jí)MSL系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)

表2 測(cè)試指標(biāo)和方法

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果

四級(jí)MSL系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段.第一階段為掛膜啟動(dòng)階段，期間采用連續(xù)進(jìn)水的方式，監(jiān)測(cè)出水水質(zhì).在連續(xù)進(jìn)水25 d后可以觀察到原本光滑的沸石填料和土壤混合層表面被一些生物絮體覆蓋，填料表面顏色變?yōu)橥梁稚?，相鄰兩次監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)指標(biāo)偏差不高于20%[9]，此時(shí)系統(tǒng)污水處理效果趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)掛膜成功.第二階段為運(yùn)行階段，期間控制進(jìn)水水力負(fù)荷在1 000 L/(m2·d)，連續(xù)監(jiān)測(cè)46 d.監(jiān)測(cè)期間從排水口A、排水口B取樣，對(duì)應(yīng)污染物濃度分別記為Mid濃度、Final濃度，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖3，對(duì)應(yīng)去除率見圖4.

圖3 四級(jí)MSL系統(tǒng)對(duì)水中污染物的去除效果

圖4 四級(jí)MSL系統(tǒng)對(duì)水中各污染物的去除率

2.2 COD去除效果分析

四級(jí)MSL系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除主要依靠系統(tǒng)內(nèi)基質(zhì)的吸附和異養(yǎng)型好氧微生物的代謝分解，污水中的有機(jī)物首先被吸附在土壤混合層內(nèi)部和沸石表面，隨后在好氧細(xì)菌作用下被降解[4].監(jiān)測(cè)期間進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度為353.16 mg/L，由圖3、圖4可知，排水口A、排水口B出水的平均質(zhì)量濃度為173.47 mg/L和85.24 mg/L，系統(tǒng)對(duì)COD的平均去除率為75.89%.出水COD濃度滿足GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(≤100 mg/L)，去除率滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍值(進(jìn)水COD濃度>350mg/L時(shí)，去除率應(yīng)大于60%).四級(jí)MSL系統(tǒng)在相同水力負(fù)荷條件下比傳統(tǒng)MSL系統(tǒng)對(duì)COD的去除率提升了10.69%[10]，這說明連通器結(jié)構(gòu)的四級(jí)MSL系統(tǒng)通過減小徑流截面面積、增加沿程距離提高了系統(tǒng)內(nèi)填料的有效體積和利用率，減少了內(nèi)部死區(qū)[4]，使系統(tǒng)在低溫條件下運(yùn)行也保持較好的COD去除效果.由圖3可觀察到從第34天開始，排水口A、B出水COD濃度出現(xiàn)了小幅同步上升，這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是期間環(huán)境溫度的降低使得系統(tǒng)中的好氧細(xì)菌活性下降，有機(jī)物分解速率減慢，基質(zhì)中截留的有機(jī)物顆粒沒能被及時(shí)分解，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)COD的去除率下降.

2.3 NH3-N去除效果分析

(1)

(2)

4個(gè)過濾單元以連通器的形式串聯(lián)連接，使污水和基質(zhì)的接觸相較于傳統(tǒng)MSL系統(tǒng)更充分，但低溫環(huán)境下硝化細(xì)菌的活性受到影響，氨氮和硝態(tài)氮之間的轉(zhuǎn)化過程變慢，導(dǎo)致NH3-N的出水質(zhì)量濃度未能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

2.4 TN去除效果分析

由圖3、圖4可知，監(jiān)測(cè)期間進(jìn)水TN的平均質(zhì)量濃度為62.47 mg/L，排水口A、B的出水TN的平均質(zhì)量濃度分別為34.96 mg/L和19.61 mg/L，出水平均去除率達(dá)到68.59%，出水水質(zhì)滿足GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(≤20 mg/L)，相較于兩段式MSL系統(tǒng)效果提升了17.37%[12].TN的去除主要是在缺氧條件下進(jìn)行，系統(tǒng)中的硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下，以硝酸鹽氮為電子受體，以有機(jī)物為電子供體進(jìn)行厭氧呼吸，將硝酸鹽氮還原為N2O和N2從系統(tǒng)中去除[13].冬季MSL系統(tǒng)對(duì)TN去除效果差原因在于低溫使得系統(tǒng)中的硝化反應(yīng)減弱，參與硝化反應(yīng)的硝態(tài)氮的含量降低，減弱了反硝化反應(yīng).四級(jí)MSL系統(tǒng)將MSL滲濾單元通過連通器的形式連接在一起，當(dāng)污水進(jìn)入時(shí)會(huì)淹沒裝置內(nèi)部，這種淹沒式出水能夠在MSL滲濾單元底部營(yíng)造出較好的厭氧環(huán)境，在結(jié)構(gòu)上相比兩段式MSL系統(tǒng)更利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行.

2.5 TP去除效果分析

水質(zhì)監(jiān)測(cè)期間系統(tǒng)進(jìn)水TP的平均質(zhì)量濃度為3.56 mg/L，排水口A和排水口B的出水TP平均質(zhì)量濃度分別為1.24 mg/L和0.45 mg/L，TP的平均去除率分別為63.50%和86.69%.出水滿足GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(≤0.5 mg/L).

四級(jí)MSL系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)TP的去除主要是通過系統(tǒng)內(nèi)部基質(zhì)的吸附作用，土壤混合層(SML)中存在Fe2+、Al3+、Ca2+等金屬離子，離子在SML中析出形成土壤膠體顆粒，與污水中的磷酸根離子結(jié)合形成膠體沉淀.在SML中加入鐵屑有助于基質(zhì)對(duì)TP的吸附，其作用過程為鐵屑在SML中被廢水溶解為Fe2+，隨污水由相對(duì)厭氧區(qū)間(SML)流入相對(duì)好氧區(qū)間(PL)，在PL的好氧條件下被氧化為Fe3+，與水中的OH-結(jié)合形成Fe(OH)3膠體，吸附固定污水中的磷酸根離子實(shí)現(xiàn)對(duì)TP的去除[13].整個(gè)吸附過程受溫度的影響較小，故在低溫條件下運(yùn)行時(shí)該系統(tǒng)對(duì)TP仍能取得較好的去除效果.

2.6 沖擊負(fù)荷下的系統(tǒng)運(yùn)行效果

農(nóng)村生活污水排放呈現(xiàn)間歇性，日變化系數(shù)高，水質(zhì)具有波動(dòng)性，污水的處理設(shè)施和技術(shù)應(yīng)具有一定的抵抗沖擊負(fù)荷能力來適應(yīng)處理負(fù)荷的突然增加且不對(duì)系統(tǒng)造成破壞.四級(jí)MSL系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間保持負(fù)荷為1 000 L/(m2·d)，在1 d的14：00到17：00增加進(jìn)水的表面水力負(fù)荷到2 000 L/(m2·d)，之后將該系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷降至1 000 L/(m2·d).在系統(tǒng)運(yùn)行過程中選取的水樣取樣時(shí)間分別為10：00，12：00，14：00，15：30，17：00，19：00，21：00，對(duì)取樣污水進(jìn)行污染物濃度測(cè)定，結(jié)果如圖5所示.

圖5 四級(jí)MSL系統(tǒng)在沖擊負(fù)荷條件下的運(yùn)行結(jié)果

四級(jí)MSL系統(tǒng)在表面水力負(fù)荷從1 000 L/(m2·d)增加到2 000 L/(m2·d)的過程中，出水的COD，NH3-N，TN，TP濃度均明顯升高，當(dāng)水力負(fù)荷重新恢復(fù)到1 000 L/(m2·d)時(shí)，系統(tǒng)出水中各污染物的濃度恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行的水平.可見，在高水力負(fù)荷的條件下系統(tǒng)對(duì)污染物的去除率會(huì)下降，短時(shí)間的沖擊負(fù)荷不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成破壞，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷恢復(fù)初始水平時(shí)，系統(tǒng)對(duì)污染物的去除率也能夠恢復(fù)到初始水平.實(shí)驗(yàn)過程未出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后觀察內(nèi)部未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)崩壞現(xiàn)象，說明系統(tǒng)在沖擊負(fù)荷作用下運(yùn)行具有穩(wěn)定性.

3 結(jié) 論

1) 四級(jí)MSL系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低溫條件下生活污水的有效處理，COD，NH3-N，TN，TP的平均去除率為75.89%，71.43%，68.59%，86.69%，平均出水濃度為85.24，14.2，19.61，0.45 mg/L.系統(tǒng)出水的TP濃度滿足國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，TN和NH3-N濃度滿足標(biāo)準(zhǔn)中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，COD濃度滿足標(biāo)準(zhǔn)中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

2) 四級(jí)MSL系統(tǒng)的連通器結(jié)構(gòu)能夠有效改善傳統(tǒng)MSL系統(tǒng)填料有效體積低、暗流死區(qū)占比大的問題，提高填料利用率.

3) 短時(shí)間的沖擊負(fù)荷不會(huì)對(duì)四級(jí)MSL系統(tǒng)造成破壞，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷恢復(fù)初始水平時(shí)，系統(tǒng)對(duì)污染物的去除量也能夠恢復(fù)到初始水平，說明系統(tǒng)在沖擊負(fù)荷作用下具有一定的穩(wěn)定性.

4) 四級(jí)MSL系統(tǒng)在低溫環(huán)境的運(yùn)行研究結(jié)果表明，多級(jí)土壤滲濾系統(tǒng)處理農(nóng)村分散型生活污水，既能達(dá)到水質(zhì)處理要求，又具有能耗低、維護(hù)和管理方便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是一種適宜于丘陵山區(qū)推廣的污水處理工藝.

5) 在后續(xù)的實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該系統(tǒng)的進(jìn)水動(dòng)力和運(yùn)行工況問題，并就MSL系統(tǒng)模塊化的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益展開分析研究.