李曉東等

摘要：利用室內(nèi)模擬裝置，對(duì)地下滲濾系統(tǒng)的水力負(fù)荷周期參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究不同水力負(fù)荷對(duì)污染物去除效果的影響。結(jié)果表明，水力負(fù)荷周期為24、12 h時(shí)，系統(tǒng)對(duì)CODCr去除效果較好，CODCr平均去除率分別為76%、74%；6、12 h時(shí)，氨氮去除效果好，平均去除率分別達(dá)到97.6%、99.2%；綜合考慮CODCr和氨氮去除效果，選擇12 h為最佳周期。推薦合適水力負(fù)荷為0.08 m3/（m2·d），此時(shí)，CODCr、氨氮出水濃度能滿(mǎn)足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的1級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：地下滲濾系統(tǒng)；水力負(fù)荷周期；水力負(fù)荷；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)： X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0362-03

收稿日期：2014-04-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：2012ZX07202-003、2012ZX07212-001）；遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃（編號(hào)：2014020164）。

作者簡(jiǎn)介：李曉東（1978—），男，山西太谷人，博士，高級(jí)工程師，從事污水生態(tài)治理與修復(fù)工作。E-mail：13889348902@126.com。地下滲濾土地處理系統(tǒng)具有興建運(yùn)行費(fèi)用低、受溫度影響小、不存在衛(wèi)生問(wèn)題、出水效果好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。傳統(tǒng)的土地滲濾直接以土壤作為基質(zhì)，滲透性差、易堵塞、占地面積大[2，4]。目前，基質(zhì)改良和優(yōu)化基質(zhì)的填充方式是地下滲濾系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。本試驗(yàn)構(gòu)建以生物基質(zhì)、爐渣、河沙分層裝填并適合沙質(zhì)土壤地區(qū)的地下滲濾系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)水力負(fù)荷周期[5]和水力負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，尋找最優(yōu)的運(yùn)行條件，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1地下滲濾系統(tǒng)

將基質(zhì)填充于高120 cm、外徑30 cm的有機(jī)玻璃柱內(nèi)來(lái)模擬地下滲濾系統(tǒng)，自上而下分別裝填15 cm河沙、40 cm生物基質(zhì)、5 cm爐渣、50 cm河沙、10 cm礫石，其中，生物基質(zhì)由活性污泥、河沙、爐渣和草炭土按照一定比例混合配制而成。散水管設(shè)置在40 cm處，在散水管下方5 cm處設(shè)置不透水槽，進(jìn)水由蠕動(dòng)泵輸送至散水管，進(jìn)入不透水槽后在毛細(xì)作用下上升一段距離，并由于重力作用下滲，最終從出水口流出（圖1）。滲濾系統(tǒng)裝置放置于室內(nèi)，溫度為16～28 ℃，系統(tǒng)進(jìn)水和落干交替進(jìn)行，時(shí)間和頻率由配電箱控制。

1.2試驗(yàn)用水

以試驗(yàn)用水模擬生活污水，水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.3檢測(cè)項(xiàng)目及方法

常規(guī)性水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目有CODCr、氨氮、TN，測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[6]。

1.4試驗(yàn)方案

1.4.1不同水力負(fù)荷周期對(duì)污染物凈化效果的影響水力負(fù)荷周期概念源于快速滲濾工藝，1次淹水和1次落干構(gòu)成的循環(huán)稱(chēng)為水力負(fù)荷周期[5]。滲濾系統(tǒng)設(shè)定水力負(fù)荷為008 m3/（m2·d），濕干比為1 ∶1，采用48、24、12、6 h共4個(gè)水力負(fù)荷周期進(jìn)行試驗(yàn)，確定最優(yōu)水力負(fù)荷周期。

1.4.2不同水力負(fù)荷對(duì)污染物凈化效果的影響滲濾系統(tǒng)以最優(yōu)水力負(fù)荷周期、濕干比1 ∶1進(jìn)行設(shè)定，采用8×10-2、10×10-2、12×10-2 m3/（m2·d） 共3個(gè)水力負(fù)荷進(jìn)行試驗(yàn)，確定最優(yōu)水力負(fù)荷。

2結(jié)果與分析

2.1最佳水力負(fù)荷周期的確定

2.1.1水力負(fù)荷周期對(duì)CODCr去除率的影響由圖2可見(jiàn)，水力負(fù)荷周期為24、12 h時(shí)，CODCr去除效果較好，平均去除率分別為76%、74%；水力負(fù)荷周期為6 h時(shí)，1 d內(nèi)進(jìn)水4次，進(jìn)水頻率較大，每次落干時(shí)間只有3 h，落干時(shí)間相對(duì)較短，在落干期內(nèi)微生物無(wú)法將有機(jī)物完全分解就又進(jìn)入下次淹水期，同時(shí)，未分解的有機(jī)物還會(huì)影響淹水期微生物對(duì)有機(jī)物的吸收，從而CODCr去除效果最差，平均去除率僅為59%；48 h時(shí)，CODCr去除率為67%，與24、12 h時(shí)相比，CODCr去除效果下降，可能是由于淹水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，微生物較長(zhǎng)時(shí)間處于缺氧狀態(tài)而活性降低，同時(shí)，落干時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致微生物營(yíng)養(yǎng)不足，甚至死亡，這與馬利民等的研究結(jié)論[7]較為吻合。

2.1.2水力負(fù)荷周期對(duì)氨氮去除率的影響氨氮的去除涉及自然揮發(fā)、基質(zhì)吸附和微生物硝化作用，并且微生物硝化作用是去除氨氮的主要途徑[8]。由圖3可見(jiàn)，水力負(fù)荷周期為6、12 h時(shí)，滲濾系統(tǒng)復(fù)氧效果較好，硝化作用強(qiáng)烈，氨氮去除率分別達(dá)到97.6%、99.2%，這與嚴(yán)群等的研究結(jié)果[9-10]比較一致；24、48 h時(shí)，由于淹水時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致基質(zhì)中的氧含量較低，限制了硝化細(xì)菌的活性，導(dǎo)致氨氮去除率下降。

2.1.3水力負(fù)荷周期對(duì)TN去除率的影響TN去除與氨氮揮發(fā)、基質(zhì)吸附和微生物硝化-反硝化作用[8]有關(guān)。在pH值<8的體系中，氨氮揮發(fā)量很小[11]，大部分氨氮都被轉(zhuǎn)化成NOx-N，NOx-N由于帶有負(fù)電而不會(huì)被基質(zhì)吸附[12]，因此，反硝化作用是總氮去除的主要途徑，而決定反硝化程度的主要因素包括 DO 濃度、C/N 比和缺氧段的停留時(shí)間[13]。由圖4可見(jiàn)，水力負(fù)荷周期為6 h時(shí)，TN的去除效果雖然相對(duì)較好，但去除率仍然較低，平均去除率僅為21.2%，這是因?yàn)?，間歇運(yùn)行使系統(tǒng)的復(fù)氧效果較好，僅在基質(zhì)局部形成小范圍的缺氧環(huán)境，在系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)法形成較大范圍、有效的適合反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的環(huán)境，從而導(dǎo)致反硝化效果很差，TN去除率低。

2.2最佳水力負(fù)荷的確定

2.2.1水力負(fù)荷對(duì)CODCr去除率的影響由圖5可見(jiàn)，CODCr去除率隨水力負(fù)荷的增大而降低，其中，水力負(fù)荷為008 m3/（m2·d）時(shí)，CODCr去除率在80%左右；當(dāng)水力負(fù)荷由0.08 m3/（m2·d）變?yōu)?.10 m3/（m2·d）時(shí)，CODCr去除率變化較小，出水仍能滿(mǎn)足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放1級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918—2002），說(shuō)明系統(tǒng)有一定的抗有機(jī)負(fù)荷沖擊能力；當(dāng)水力負(fù)荷增大到0.12 m3/（m2·d）時(shí)，CODCr去除率明顯降低，穩(wěn)定在60%左右，出水滿(mǎn)足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放1級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，這是由于水力負(fù)荷增大，污染物負(fù)荷提高，出水中攜帶了一些脫落的生物膜，水流的沖刷使生物膜加速脫落而系統(tǒng)中生物量減少，系統(tǒng)中有限的生物量導(dǎo)致CODCr去除率下降，同時(shí)，基質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)短流，水力停留時(shí)間縮短[14]，系統(tǒng)內(nèi)的基質(zhì)和微生物與污水接觸不充分，而對(duì)污染物吸附、吸收作用下降，微生物與污水進(jìn)行的物質(zhì)交換減弱，另外，高負(fù)荷進(jìn)水在基質(zhì)上層可能形成積水，產(chǎn)生過(guò)濾壓力，而導(dǎo)致上層基質(zhì)過(guò)濾效果下降[15]。綜上所述，以CODCr出水濃度達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì)，建議水力負(fù)荷為0.10 m3/（m2·d）。endprint

2.2.2水力負(fù)荷對(duì)氨氮去除率的影響由圖6可見(jiàn)，水力負(fù)荷0.08 m3/（m2·d）時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氨氮有很高的去除率，保持在99%以上，出水氨氮濃度接近為零；隨著水力負(fù)荷的逐漸增大，氨氮去除率逐漸降低，依次為85%、65%左右，此時(shí)氨氮出水濃度在10 mg/L以上，難以滿(mǎn)足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放1級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。這主要是因?yàn)樗ω?fù)荷增大，使氨氮的停留時(shí)間縮短，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)的氨氮負(fù)荷升高，再加上硝化細(xì)菌數(shù)量有限，無(wú)法與硝化細(xì)菌充分接觸[14]，導(dǎo)致氨氮去除效果差。另外，基質(zhì)對(duì)氨氮吸附能力有限，無(wú)法對(duì)氨氮進(jìn)行有效的吸附。綜上所述，以氨氮出水濃度達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì)，建議水力負(fù)荷為0.08 m3/（m2·d）。

2.2.3水力負(fù)荷對(duì)TN去除率的影響由圖7可見(jiàn)，滲濾系統(tǒng)整體對(duì)TN的去除效果不理想；水力負(fù)荷0.10 m3/（m2·d）時(shí)，TN去除效果最好，去除率也僅約40%，此時(shí)出水TN在 40 mg/L 以上，難以滿(mǎn)足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；水力負(fù)荷0.08、0.12 m3/（m2·d）時(shí)，TN去除率僅在10%、20%左右。這主要是因?yàn)?，?dāng)水力負(fù)荷增大到010 m3/（m2·d）時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)水量增加，促進(jìn)缺氧環(huán)境的形成，進(jìn)而提高微生物反硝化效果；水力負(fù)荷達(dá)到0.12 m3/（m2·d）時(shí)，雖然形成更好的缺氧環(huán)境，但由于氨氮去除效果急劇下降（圖6），進(jìn)而影響TN的去除，TN去除能力低限制了地下滲濾系統(tǒng)的應(yīng)用。

3結(jié)論

地下滲濾系統(tǒng)水力負(fù)荷周期優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明，水力負(fù)荷周期為24、12 h時(shí)，CODCr的去除效果較好，平均去除率分別為76%、74%，周期為6、12 h時(shí)，氨氮去除率分別達(dá)到976%、99.2%。綜合考慮氨氮、CODCr的去除效果，建議選擇12 h為水力負(fù)荷最佳的運(yùn)行周期，即進(jìn)水6 h、落干6 h。

不同水力負(fù)荷對(duì)污染物去除效果研究表明，水力負(fù)荷為0.08、0.10 m3/（m2·d）時(shí)，CODCr出水濃度都能滿(mǎn)足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放1級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；水力負(fù)荷為0.08 m3/（m2·d）時(shí)，氨氮出水濃度滿(mǎn)足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放1級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。因此，推薦合適的水力負(fù)荷為0.08 m3/（m2·d）。

地下滲濾系統(tǒng)對(duì)CODCr、氨氮有較高的去除能力，而對(duì)TN的去除效果卻不理想。因此，在保證CODCr、氨氮去除效果的基礎(chǔ)上，如何提高系統(tǒng)的TN去除能力，將是下一步研究的重點(diǎn)。

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