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地埋式生物凈化槽處理農(nóng)村生活污水效果分析

2014-12-01 07:55:32楊帆梁和國(guó)
關(guān)鍵詞:出水口需氧量氨氮

楊帆,梁和國(guó)

(長(zhǎng)江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院,湖北 武漢430100)

農(nóng)村的居民居住相對(duì)分散、資金力量薄弱、基礎(chǔ)設(shè)施落后[1],因此,開發(fā)應(yīng)用費(fèi)用低廉、節(jié)省土地資源與能源、高效的特別是具有廣譜性除污能力和總體環(huán)境效益的多層次的分散式處理技術(shù)已迫在眉睫。近年來,日本研究者開發(fā)了一種稱為 “Johkasou”中文音譯為凈化槽的處理設(shè)施[2]。多年的實(shí)踐表明,該設(shè)施具有較強(qiáng)的實(shí)用性,特別適合農(nóng)村生活污水的處理[3]。凈化槽處理器集多種處理技術(shù)為一體,設(shè)置費(fèi)用低,在人口密度比較低的地區(qū),凈化槽處理器的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋪設(shè)公共下水道的費(fèi)用,減輕了地方政府的財(cái)政負(fù)擔(dān)。同時(shí)還具有安裝方便、用時(shí)少、安裝工期短、投資見效快、不受地形與環(huán)境影響等特點(diǎn)[4]。可與自然凈化相結(jié)合,確保水體生態(tài)平衡[5]。

生活污水凈化槽處理法是處理散居式農(nóng)村生活雜排污水和水沖廁所污水的一種方法,是典型的厭氧好氧曝氣方式的生物氧化法[6]。其特點(diǎn)是:(1)生物膜法為主要特征,采用復(fù)合式濾料,融合了生化法的好氧、兼氧、厭氧法優(yōu)點(diǎn);集沉淀、厭氧、缺氧和氧生物處理及消毒等功能于一體。(2)以高效生物處理技術(shù)為核心,采用有效復(fù)合微生物菌種進(jìn)行接種和馴化,處理效果穩(wěn)定,出水水質(zhì)優(yōu)良,能夠達(dá)到國(guó)家中水回用標(biāo)準(zhǔn)[7]。(3)污泥量很少,原則上不需排泥,避免了一般污水處理系統(tǒng)常見的污泥處理與處置問題,一般每半年或者一年左右清洗凈化槽時(shí)才排泥。(4)裝置埋于地下,污水處理溫度相對(duì)穩(wěn)定,處理效果不易受氣溫變化影響。(5)分散式處理水在農(nóng)村廣闊區(qū)域散點(diǎn)式達(dá)標(biāo)排放,利于水體的自凈作用,能有效地保持溝、渠的水體流量,便于農(nóng)田灌溉。(6)設(shè)有曝氣減噪裝置,噪聲小,運(yùn)行成本低,操作簡(jiǎn)單[8]。鑒于中國(guó)農(nóng)村地區(qū)地處偏僻而分散、經(jīng)濟(jì)條件差,生活污水處理十分不易,90%的生活污水沒有經(jīng)過任何處理就直接排放。本研究以江漢平原地區(qū)農(nóng)村為例,采用生活污水處理凈化槽法處理散居式農(nóng)村生活雜排污水和水沖廁所污水,結(jié)果表明生物凈化槽系統(tǒng)具有不易堵塞、操作簡(jiǎn)單、占地少、造價(jià)低、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn),適合農(nóng)村生活污水的分散式處理。

1 材料與方法

1.1 處理裝置及工藝流程

根據(jù)中國(guó)農(nóng)村3~5人家庭生活污水排放的特點(diǎn),設(shè)計(jì)一種兩級(jí)厭氧和一級(jí)好氧生物膜處理工藝的小型一體化農(nóng)村生活污水處理器。兩級(jí)厭氧室的上部設(shè)計(jì)為流量調(diào)節(jié)區(qū),由定量泵將第2厭氧室的出水提升到生物膜過濾槽中,并定期對(duì)生物膜過濾槽進(jìn)行反沖洗,反洗排水再進(jìn)入第1厭氧室中,其工藝流程詳見圖1。

使用該工藝自制了2臺(tái)適合于農(nóng)村單家獨(dú)戶使用的生活污水處理凈化器,分別于2013年1月15日和1月20日埋置于湖北省荊州市城郊白龍村徐氏和李埠嚴(yán)氏庭園內(nèi),定期采集該裝置各分室內(nèi)的水樣,進(jìn)行水質(zhì)分析。

圖1 農(nóng)村生活污水處理器工藝流程圖

1.2 主要分析內(nèi)容

定期到現(xiàn)場(chǎng)采集該裝置各分室水樣,對(duì)其化學(xué)需氧量COD、生化需氧量BOD5、總氮含量TN、總磷含量TP、氨氮含量、濁度等水質(zhì)指標(biāo)及系統(tǒng)中微生物生長(zhǎng)情況進(jìn)行分析。具體步驟及分析內(nèi)容如下:

(1)不同農(nóng)戶的生活污水水質(zhì)采集 對(duì)不同農(nóng)戶安裝了地埋式污水處理裝置,分厭氧I室、厭氧II室、曝氣室、出水口室、回流水管和周邊水體按月采集水樣,取樣保存實(shí)驗(yàn)室以備水質(zhì)分析。

(2)污水中有機(jī)污染物去除效果分析 采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法分析水樣中的化學(xué)需氧量COD、生化需氧量BOD5等指標(biāo),根據(jù)處理前后水質(zhì)的變化,以去除率判斷有機(jī)污染物的去除效果。

(3)污水中總氮總磷去除效果分析 采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法分析水樣中的總氮含量TN、總磷含量TP指標(biāo),根據(jù)處理前后水質(zhì)總氮含量TN、總磷含量TP的變化,以去除率判斷氮磷的去除效果。

(4)污水中微生物數(shù)量和處理效果分析 采用國(guó)標(biāo)菌落總數(shù)測(cè)定GB/T 4789.2—2008,平板菌落計(jì)數(shù)法,根據(jù)所得結(jié)果分析凈化槽中微生物活性,探究微生物與處理效果之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)戶的生活污水水質(zhì)情況

對(duì)安裝了地埋式污水處理裝置試驗(yàn)點(diǎn)的2家農(nóng)戶,從2月至5月期間每隔2周取1次水樣進(jìn)行分析,2家試驗(yàn)點(diǎn)所有測(cè)定次數(shù)的各室平均值分別見表1和表2。由表1和表2可以看出,徐氏試驗(yàn)點(diǎn)的處理效果明顯好于嚴(yán)氏。除氨氮和總氮外,嚴(yán)氏的進(jìn)水水質(zhì)污染負(fù)荷均低于徐氏,但出水效果不理想,各指標(biāo)去除率均在50%以下。徐氏試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)水污染負(fù)荷雖然較高,但出水化學(xué)需氧量COD、生化需氧量BOD5和濁度已達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。因試驗(yàn)裝置安裝時(shí)間不長(zhǎng),尚在調(diào)試過程中,3月份的處理效果不是很理想,后期效果明顯好轉(zhuǎn),平均值也因此受到一定影響。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn):嚴(yán)氏試驗(yàn)點(diǎn)人口數(shù)較少,用水節(jié)約,水量明顯不夠;在裝置的安裝方面,嚴(yán)氏試驗(yàn)點(diǎn)的裝置前有化糞池,而徐氏試驗(yàn)點(diǎn)沒有化糞池,生活污水流經(jīng)化糞池后再進(jìn)入試驗(yàn)裝置中,導(dǎo)致生化性能大大降低;水質(zhì)測(cè)定結(jié)果顯示,嚴(yán)氏的水質(zhì)C/N失衡,導(dǎo)致微生物營(yíng)養(yǎng)不夠而死亡。徐氏的人口數(shù)是嚴(yán)氏的2倍,生活規(guī)律,排放水量較大,微生物的C/N營(yíng)養(yǎng)較均衡,生活污水不經(jīng)化糞室,直接排入污水處理裝置,處理效果較明顯。鑒于以上原因,僅分析來自白龍村徐氏的試驗(yàn)處理效果。

表1 嚴(yán)氏試驗(yàn)點(diǎn)各測(cè)定次數(shù)的各分室平均值

表2 徐氏試驗(yàn)點(diǎn)各測(cè)定次數(shù)的各分室平均值

2.2 污水中各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)去除效果

2.2.1 化學(xué)需氧量COD

表3為不同取樣時(shí)間內(nèi)埋設(shè)在徐氏試驗(yàn)點(diǎn)的生活污水處理凈化器各分室中化學(xué)需氧量COD及其去除率。從表3可以看出,在不同的取樣時(shí)間內(nèi),進(jìn)水口即厭氧I室中化學(xué)需氧量COD變幅較大(125.0~612.0mg/L),出水口室的濃度則降低到77.8~267.4mg/L,去除率達(dá)到了30.2%~75.9%,表明隨著裝置運(yùn)行時(shí)間增加,處理效果呈增強(qiáng)的趨勢(shì),最近2次測(cè)定結(jié)果表明,出水化學(xué)需氧量COD均穩(wěn)定在80mg/L左右,達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期值。

表3 不同取樣時(shí)間各室中化學(xué)需氧量COD及其去除率

從各分室10次采樣的平均值來看,通過厭氧Ⅱ室、曝氣室、出水口室去除的效果分別為31.9%、29.6%、15.3%,其中厭氧Ⅱ室去除效率最高,依次遞減。隨著污染負(fù)荷的增加,化學(xué)需氧量COD的去除率也隨之增加,說明此系統(tǒng)有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。由表3還可以看出,不同的取樣時(shí)間進(jìn)水化學(xué)需氧量COD變化較大,但出水化學(xué)需氧量COD值較穩(wěn)定。

2.2.2 生化需氧量BOD5

從表4可以看出,不同的取樣時(shí)間,進(jìn)水口即厭氧I室中生化需氧量BOD5變幅較大,從40.9mg/L到360.9mg/L,平均濃度為139.7mg/L。出水BOD5長(zhǎng)期穩(wěn)定在21mg/L以下,最低濃度達(dá)到1.5mg/L。去除率最高可達(dá)98.6%,最低為52.5%,且隨進(jìn)水生化需氧量BOD5增加,去除率不斷增加,達(dá)到了設(shè)計(jì)出水生化需氧量BOD5的預(yù)期值。

表4 不同取樣時(shí)間各室中生化需氧量BOD5及其去除率

從各分室9次采樣的平均值來看,通過厭氧Ⅱ室、曝氣室、出水口室的生化需氧量BOD5去除率分別為52.9%、59.7%、48.3%,其中曝氣室去除率最高,出水口室去除率最低。

從表4還可以看出,從3月到5月,隨著氣溫不斷增加,進(jìn)水生化需氧量BOD5值呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng),但出水水質(zhì)均穩(wěn)定在較低的范圍內(nèi)。

2.2.3 總氮和氨氮

從表5可以看出,除4月4日、4月24日外,在不同的取樣時(shí)間,進(jìn)水口即厭氧I室中總氮含量TN均穩(wěn)定在150mg/L左右。出水口室的總氮含量TN則降低到19.5~126.6mg/L不等,總氮去除率達(dá)到了16.0%~90.5%,出水的總氮含量TN仍然比較大,沒有達(dá)到期待的效果值。

從各分室采樣的平均值來看,通過厭氧Ⅱ室、曝氣室、出水口室去除的效果分別為43.1%、41.9%、17.9%,與化學(xué)需氧量COD測(cè)定結(jié)果相似,厭氧Ⅱ室去除率最高,出水口室去除率最低。

從表5還可以看出,進(jìn)水總氮含量TN較穩(wěn)定,進(jìn)水到曝氣一段總氮去除效果較明顯。對(duì)于最終出水總氮含量TN值偏高,仍需進(jìn)行調(diào)整。

表5 不同取樣時(shí)間各室中總氮含量TN及其去除率

表6為不同取樣時(shí)間內(nèi)各分室中氨氮含量及其去除率。從表6可以看出,進(jìn)水口即厭氧I室中氨氮的含量在不同的取樣時(shí)間里變幅較大,從201.5mg/L到8.8mg/L,出水口室的含量則降低到0.2~11.0mg/L,氨氮的最高去除率為99.0%,最低去除率為83.3%,出水氨氮含量穩(wěn)定在11mg/L以下,且越到后期,出水值越低,出水氨氮含量達(dá)到0.2mg/L,達(dá)到設(shè)計(jì)出水預(yù)期值。

從各分室采樣的平均值來看,通過厭氧Ⅱ室、曝氣室、出水口室去除的效果分別為45.8%、38.7%、83.2%,出水口室去除率最高,曝氣室去除率最低。

從表6還可以看出,進(jìn)水氨氮含量隨取樣時(shí)間推移波動(dòng)較大,且明顯降低,很可能是因?yàn)樗邪钡侩S季節(jié)變化,溫度升高而減少。

表6 不同取樣時(shí)間各室中氨氮含量及其去除率

2.2.4 總磷

該裝置僅通過污泥沉降除磷之外并無特殊的除磷設(shè)計(jì),故該裝置的總磷去除效果并不明顯。從表7可以看出,厭氧Ⅰ室即進(jìn)水口總磷含量TP比較穩(wěn)定,出水總磷含量TP也穩(wěn)定在10mg/L左右,平均去除率為37.0%。

從各分室采樣的平均值來看,通過厭氧Ⅱ室、曝氣室、出水口室總磷去除的效果分別為12.9%、13.8%、4.9%,出水口室去除率最低,幾乎為零。

表7 在不同取樣時(shí)間各室中總磷含量TP及其去除率

2.3 凈化槽系統(tǒng)中微生物數(shù)量與處理效果

2.3.1 生物凈化槽系統(tǒng)中微生物的生長(zhǎng)狀況

裝置運(yùn)行過程中,地埋式生物凈化槽系統(tǒng)中細(xì)菌﹑真菌以及其他微生物數(shù)量均有較大變化,但都在108~1010個(gè)/ml數(shù)量級(jí)上[7],微生物具體數(shù)量表如表8所示。

表8 凈化槽系統(tǒng)中微生物數(shù)量及各水樣指標(biāo)去除率

從表8可以看出,隨著不斷向系統(tǒng)中投加微生物,系統(tǒng)中微生物數(shù)量出現(xiàn)較大波動(dòng),且隨著時(shí)間的推移最終趨于穩(wěn)定。系統(tǒng)中細(xì)菌數(shù)量明顯高于真菌和其他微生物的數(shù)量,這說明細(xì)菌對(duì)生活污水的凈化作用大于真菌和放線菌[9]。微生物總量隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)先增多后減少再增多的趨勢(shì)。

2.3.2 生物凈化槽系統(tǒng)中微生物數(shù)量與化學(xué)需氧量COD去除率的關(guān)系

通過對(duì)表8中微生物數(shù)量和化學(xué)需氧量COD去除率的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),細(xì)菌(r=0.7835,0.01<P<0.05)和真菌(r=0.9033,P<0.01)數(shù)量與化學(xué)需氧量COD去除率都存在顯著相關(guān)性,而放線菌(r=0.3219,P>0.05)與COD去除率之間不存在顯著相關(guān)性。證明細(xì)菌和真菌在凈化槽凈化生活污水系統(tǒng)中化學(xué)需氧量COD的去除中起了較大的作用,放線菌對(duì)化學(xué)需氧量COD的去除效果不明顯。這與梁威等[10]研究人工濕地中植物根區(qū)微生物數(shù)量與系統(tǒng)化學(xué)需氧量COD去除率的相關(guān)性分析結(jié)論不完全相同。也有研究表明放線菌在降解土壤有機(jī)物中發(fā)揮著積極的作用[11]。本研究結(jié)果表明,細(xì)菌和真菌可以對(duì)生物凈化槽污水處理系統(tǒng)中的有機(jī)物起到降解作用。

2.3.3 生物凈化槽系統(tǒng)中微生物數(shù)量與生化需氧量BOD5去除率的關(guān)系

通過對(duì)表8中微生物數(shù)量和生化需氧量BOD5去除率的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),真菌(r=0.7554,0.01<P<0.05)數(shù)量與生化需氧量BOD5去除率存在顯著相關(guān)性,而細(xì)菌(r=0.3364,P>0.05)和放線菌(r=0.5823,P>0.05)與生化需氧量BOD5去除率之間不存在顯著相關(guān)性。說明真菌在凈化槽凈化生活污水系統(tǒng)中生化需氧量BOD5的去除中發(fā)揮了較大的作用,其細(xì)菌和放線菌對(duì)生化需氧量BOD5的去除效果不明顯。

2.3.4 生物凈化槽系統(tǒng)中微生物數(shù)量與總氮去除率的關(guān)系

通過對(duì)表8中微生物數(shù)量與總氮去除率的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),細(xì)菌(r=-0.032,P>0.05)和真菌(r=-0.533,P>0.05)數(shù)量與總氮去除率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),相關(guān)性不顯著。而放線菌(r=-0.8952,P<0.01)數(shù)量與總氮去除率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),相關(guān)性較顯著。該生物凈化槽系統(tǒng)在不同的取樣時(shí)間,進(jìn)水口即厭氧I室中總氮含量TN均穩(wěn)定在150mg/L左右。出水口室的總氮含量TN則降低到19.5~126.6mg/L不等,總氮去除率達(dá)到了37.1%~90.5%,但出水的總氮含量TN仍然比較大,還沒有達(dá)到期待的效果值。說明其生物除氮能力不足,可能原因是系統(tǒng)中微生物所需營(yíng)養(yǎng)不平衡,不能充分發(fā)揮細(xì)菌和真菌對(duì)總氮的降解,需進(jìn)一步調(diào)整。

2.3.5 生物凈化槽系統(tǒng)中微生物數(shù)量與總磷去除率的關(guān)系

通過對(duì)表8中各階段微生物數(shù)量與系統(tǒng)對(duì)總磷的去除率的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),細(xì)菌(r=0.213,P>0.05)、真菌(r=0.279,P>0.05)和放線菌(r=-0.332,P>0.05)與總磷去除率不顯著相關(guān),該生物凈化槽系統(tǒng)僅通過污泥沉降除磷之外并無特殊的除磷設(shè)計(jì),故該裝置的總磷去除效果并不明顯,表明微生物活動(dòng)并非去除總磷的主要原因。這說明聚磷細(xì)菌等微生物對(duì)總磷的去除并非主要除磷途徑,還與含磷物質(zhì)的沉淀、植物吸收、介質(zhì)固定以及有機(jī)物質(zhì)積累等作用有關(guān),且磷容易被富含F(xiàn)e、Al及Ca等的礦物質(zhì)所吸附[12-13]。

2.3.6 生物凈化槽系統(tǒng)中微生物數(shù)量與氨氮去除率的關(guān)系

通過對(duì)表8中微生物數(shù)量和氨氮去除率相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),細(xì)菌(r=-0.879,P<0.01)數(shù)量與氨氮呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),且相關(guān)性較為顯著,而真菌(r=-0.57,P>0.05)和放線菌(r=-0.304,P>0.05)數(shù)量與氨氮去除率相關(guān)性不顯著。該生物凈化槽系統(tǒng)氨氮去除率高達(dá)99.0%,說明細(xì)菌在凈化槽凈化生活污水系統(tǒng)中氨氮的去除中發(fā)揮了較大的作用,真菌和放線菌對(duì)氨氮的去除效果不明顯。

3 結(jié)論

(1)從嚴(yán)氏與徐氏試驗(yàn)點(diǎn)的效果上來看,徐氏的處理效果比較好,嚴(yán)氏的處理效果差,嚴(yán)氏試驗(yàn)裝置仍需根據(jù)具體的進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行調(diào)試。

(2)從各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的去除率來看,氨氮去除率最高,為94.9%,表明曝氣效果顯著;其余依次為生化需氧量BOD587.8%、濁度82.8%、總氮66.9%、化學(xué)需氧量COD59.4%、總磷37.0%。進(jìn)水生化需氧量BOD5/化學(xué)需氧量COD的比值平均值為0.36,表明生活污水的可生化性較好,故以生化需氧量BOD5和總氮作為檢驗(yàn)該裝置去除效果的水質(zhì)指標(biāo)。

(3)從各分室采樣分析的平均值計(jì)算出的厭氧Ⅱ室、曝氣室、出水口室中各水質(zhì)指標(biāo)去除率來看,厭氧Ⅱ室中化學(xué)需氧量COD和總氮的去除率最大,曝氣室中生化需氧量BOD5和濁度去除率最大,出水口室中氨氮去除率最大。

(4)該生物凈化槽系統(tǒng)中化學(xué)需氧量COD去除率與細(xì)菌和真菌數(shù)量具有相關(guān)性,而與放線菌數(shù)量不顯著相關(guān);生化需氧量BOD5去除率與真菌數(shù)量具有相關(guān)性,而與細(xì)菌和真菌數(shù)量沒有明顯的相關(guān)性;總氮去除率與細(xì)菌和真菌數(shù)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,且相關(guān)性不明顯,而與放線菌數(shù)量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性;氨氮去除率與細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)顯著地負(fù)相關(guān)性,而與真菌和放線菌數(shù)量沒有顯著的相關(guān)性;該地埋式生物凈化槽系統(tǒng)中總磷的去除率與微生物數(shù)量沒有明顯的相關(guān)性,說明總磷的去除主要依靠其他非微生物途徑。

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