嚴(yán)　群，汪　宏，韓冬雪，羅仙平，2，楊　健

（1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西贛州341000；3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092）

不同填料地下滲濾系統(tǒng)處理生活污水研究

嚴(yán)群1，汪宏1，韓冬雪1，羅仙平1，2，楊健3

（1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西贛州341000；3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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(fù)荷下的生活污水凈化效果，并分析了土壤煤渣分層裝填對(duì)裝置性能的改善作用。結(jié)果表明，在5、10 cm/d運(yùn)行時(shí)，除總氮外，2#裝置對(duì)其他指標(biāo)的去除率均＞80%，且運(yùn)行穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；在20 cm/d運(yùn)行時(shí)，1#裝置因堵塞而停止運(yùn)行，2#裝置對(duì)COD、總磷、氨氮、總氮的去除率分別為92.2%、84.4%、61.9%、57.8%。進(jìn)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(fù)荷，且保持了其對(duì)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(qiáng)化污水生態(tài)處理技術(shù)。污水進(jìn)入滲濾裝置后，在土壤毛管浸潤(rùn)和滲濾作用下向周圍擴(kuò)散，經(jīng)土壤物理截留、化學(xué)反應(yīng)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(yùn)行負(fù)荷低、占地面積大、易堵塞等缺點(diǎn)。不少學(xué)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(duì)系統(tǒng)污水處理效果有顯著影響。張建等〔4〕發(fā)現(xiàn)，向土壤中添加10%草炭，在4 cm/d運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)對(duì)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(yùn)行，通過控制分流比，系統(tǒng)對(duì)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(yùn)行時(shí)系統(tǒng)對(duì)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(gòu)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(gè)裝置在5、10、20 cm/d水力負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)的生活污水凈化效果，考察土壤煤渣分層裝填方式對(duì)地下滲濾系統(tǒng)的改善作用，以期為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)污水先經(jīng)調(diào)節(jié)池均衡水量和水質(zhì)后，由蠕動(dòng)泵輸送至配水槽，自流進(jìn)入滲濾裝置中。1#、2#兩裝置的尺寸構(gòu)造及內(nèi)部填料見表1。

表1　裝置尺寸及填料填裝方式

1.2進(jìn)水水質(zhì)及分析方法

實(shí)驗(yàn)期間水質(zhì)指標(biāo)見表2。水質(zhì)分析項(xiàng)目包括COD、總氮、氨氮和總磷，分別采用Merck COD測(cè)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(cè)定。

表2　進(jìn)水水質(zhì)mg/L

1.3運(yùn)行工況

實(shí)驗(yàn)測(cè)得土壤和煤渣的飽和滲透系數(shù)分別為0.417、468.0 cm/h。2個(gè)裝置從5 cm/d開始運(yùn)行〔7〕，待運(yùn)行穩(wěn)定后，水力負(fù)荷逐步增加到20 cm/d，但1#裝置在20 cm/d運(yùn)行時(shí)發(fā)生了堵塞。1#、2#裝置運(yùn)行工況見表3。

表3　運(yùn)行工況

2　結(jié)果與討論

2.1有機(jī)物去除效果的比較

不同水力負(fù)荷下1#、2#裝置的COD去除效果見圖2。

圖2　不同水力負(fù)荷下2個(gè)裝置的COD去除效果

圖2顯示，在5、10 cm/d條件下運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(gè)裝置對(duì)有機(jī)物均有較高的降解水平，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。但不同填料的裝置對(duì)有機(jī)物的去除效果有一定差異。其中2#裝置效果更好，分析原因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地密實(shí)，水力滲透性小，1#裝置內(nèi)的污水與土壤接觸不充分；而2#裝置內(nèi)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(cuò)分布，充分利用了填料的不同滲透性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的平面上飽水，提高了填料對(duì)污水的凈化作用。

水力負(fù)荷從側(cè)面反映了污水與填料的接觸時(shí)間，U.S.EPA推薦的地下滲濾系統(tǒng)的最高水力負(fù)荷為6.6 cm/d〔8〕。2#裝置在20 cm/d運(yùn)行時(shí)對(duì)有機(jī)物仍有較高的處理水平。可見，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(jī)污染物去除能力。

2.2總磷去除效果的比較

不同水力負(fù)荷下1#、2#裝置對(duì)總磷的去除效果見圖3。

圖3　不同水力負(fù)荷下2個(gè)裝置的總磷去除效果

圖3顯示，在5、10 cm/d運(yùn)行時(shí)，1#裝置出水總磷平均去除率分別為68.7%、38.9%，平均質(zhì)量濃度分別為 1.95、3.18 mg/L；在 5、10、20 cm/d運(yùn)行時(shí)，2#裝置出水總磷平均去除率分別為97.2%、93.2%、84.4%，平均質(zhì)量濃度分別為0.15、0.56、0.76 mg/L?？梢娺M(jìn)水水力負(fù)荷的增大會(huì)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(xué)吸附作用，磷吸附能力的大小與填料中有機(jī)質(zhì)含量、陽離子種類及其理化性質(zhì)等有關(guān)〔9-10〕。煤渣孔隙率高達(dá)50%～60%，比表面積大，且含有10%～30%的殘?zhí)?，?duì)磷的吸附性能好，另外，煤渣中含有的Al3+、Fe3+、Ca2+等陽離子與磷酸鹽反應(yīng)生成難溶物〔11-12〕，通過物理吸附和化學(xué)吸附共同作用達(dá)到降低總磷的目的。而土壤對(duì)磷的吸附主要有以靜電吸引為機(jī)制的陰離子交換和以配位為機(jī)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(fù)荷下，2#裝置對(duì)總磷的去除效果較1#裝置顯著，在20 cm/d運(yùn)行時(shí)，其出水總磷能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。2#裝置不但提高了系統(tǒng)水力滲透性能，而且強(qiáng)化了對(duì)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(jìn)水和運(yùn)行方式，系統(tǒng)內(nèi)一般存在好氧和厭氧交替環(huán)境，硝化和反硝化反應(yīng)可順利進(jìn)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(fù)荷下1#、2#裝置對(duì)氨氮的去除效果見圖4。

圖4　不同水力負(fù)荷下2個(gè)裝置對(duì)氨氮的去除效果

圖4顯示，在5、10 cm/d運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(qiáng)度和復(fù)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(jié)構(gòu)，硝化菌易在其空隙內(nèi)聚集生長(zhǎng)，硝化強(qiáng)度較大，土壤中含有較多的營(yíng)養(yǎng)元素，也適宜硝化菌的生長(zhǎng)繁殖；填料的復(fù)氧能力與填料物化性質(zhì)及裝填方式有關(guān)，與有機(jī)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(fù)氧，形成較好的好氧環(huán)境，強(qiáng)化了硝化細(xì)菌活性，土壤填料質(zhì)地密實(shí)，復(fù)氧能力較低，缺氧環(huán)境限制了硝化微生物的大量生長(zhǎng)。

2.3.2總氮的去除效果比較

在不同水力負(fù)荷下1#、2#裝置對(duì)總氮的去除效果見圖5。由圖5可知，在5、10 cm/d運(yùn)行時(shí)，1#裝置出水總氮平均去除率分別為44.7%、43.5%，平均質(zhì)量濃度分別為21.07、23.47 mg/L；在5、10、20 cm/d運(yùn)行時(shí)，2#裝置出水總氮平均去除率分別為46.6%、28.2%、57.8%，平均質(zhì)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(jìn)水方式使系統(tǒng)處于好氧與厭氧交替轉(zhuǎn)化的狀態(tài)，為內(nèi)部微生物提供了良好的生存環(huán)境，且在系統(tǒng)運(yùn)行的大環(huán)境中又存在各種微環(huán)境，使整個(gè)系統(tǒng)處于好氧與厭氧變化與共存的狀態(tài)〔14〕。

水力負(fù)荷的變化對(duì)1#裝置總氮去除效果影響較小，是由于土壤復(fù)氧性能差，導(dǎo)致其內(nèi)部易形成厭氧環(huán)境，反硝化菌活性強(qiáng)，通過反硝化作用實(shí)現(xiàn)了對(duì)總氮的去除。2#裝置對(duì)總氮去除率不高，且隨進(jìn)水水力負(fù)荷的增大，總氮去除率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這是由于：（1）裝置內(nèi)填料的孔隙率較高，復(fù)氧能力強(qiáng)，系統(tǒng)內(nèi)厭氧環(huán)境不佳，抑制了反硝化反應(yīng)；（2）污水到達(dá)填料下部時(shí)有機(jī)污染物濃度降低，碳源不足，限制了反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。但在較高水力負(fù)荷20 cm/d下運(yùn)行時(shí)，2#裝置對(duì)總氮平均去除率最高達(dá)到57.8%，分析原因?yàn)殡S水力負(fù)荷的增加部分填料處于水漬狀態(tài)，煤渣內(nèi)部的細(xì)小孔隙形成了厭氧的微環(huán)境，有利于反硝化菌的生長(zhǎng)從而促進(jìn)了總氮的去除。

圖5　不同水力負(fù)荷下2個(gè)裝置對(duì)總氮去除效果

3　結(jié)論

（1）在5、10 cm/d條件下運(yùn)行時(shí)，以土壤裝填的1#裝置和以土壤、煤渣分層裝填的2#裝置對(duì)生活污水均有穩(wěn)定的處理效果，除總氮外，2#裝置對(duì)COD、總磷和NH4+-N的平均去除率均＞80%，處理效果顯著，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；在20 cm/d運(yùn)行時(shí)，1#裝置由于堵塞而停止運(yùn)行，2#裝置對(duì)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(zhì)量濃度分別為21.5、0.76、9.68、18.47 mg/L，對(duì)污水仍有一定的處理效果。（2）2#裝置對(duì)總氮的去除率受進(jìn)水水力負(fù)荷影響較大。當(dāng)水力負(fù)荷從5 cm/d增加到20 cm/d時(shí)，其總氮去除率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，說明水力負(fù)荷對(duì)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(duì)生活污水有良好的處理效果，特別是在20 cm/d運(yùn)行時(shí)對(duì)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(cuò)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(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有積極的指導(dǎo)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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAC11B07）；江西省科技廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20122BAB203027）；江西省研究生創(chuàng)新基金（YC2015-S286）

嚴(yán)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）