李云鵬，王凱旋，陳 志，王華敬

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271000）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、人民生活水平的日益提高，在原始資源型缺水問(wèn)題日益突出的同時(shí)，污染型水資源短缺成為更加棘手的問(wèn)題。目前，上海、重慶、廣州等一大批省市已經(jīng)面臨嚴(yán)重的水質(zhì)污染型缺水，解決該問(wèn)題十分迫切。土壤滲濾系統(tǒng)凈化污水具有投資少、能耗低、成本低、凈化效果好的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越成為國(guó)內(nèi)外污水處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]。目前，該技術(shù)在許多國(guó)家得到了應(yīng)用，并且效果顯著。因此，可以考慮采用土壤滲濾技術(shù)解決水質(zhì)污染型缺水問(wèn)題，緩解當(dāng)前我國(guó)水資源緊張形勢(shì)。土壤滲濾系統(tǒng)又叫土壤含水層處理，是一種污水處理生態(tài)功能技術(shù)[2]。其利用生態(tài)學(xué)原理與環(huán)境工程技術(shù)，將經(jīng)過(guò)前處理的污水投入到具有一定構(gòu)造、良好擴(kuò)散性能的土層中，在毛管浸潤(rùn)和土壤滲濾作用下，利用土壤的物理、化學(xué)和生物凈化功能，使生活污水中有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)得以轉(zhuǎn)化利用，從而實(shí)現(xiàn)污水的再生與循環(huán)利用，以達(dá)到中水回用的目的[3]。

目前對(duì)土壤滲濾系統(tǒng)的研究主要集中在改良基質(zhì)方面，基質(zhì)是土壤滲濾系統(tǒng)的核心組成單元，性能優(yōu)良的基質(zhì)中含有豐富的微生物相，而且能夠供給微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并維持適宜的代謝環(huán)境[4]。因此，不少學(xué)者考察了裝填不同基質(zhì)的土壤滲濾系統(tǒng)的污水處理效果，并取得了一系列的研究成果。張思等選擇以粉煤灰和腐熟牛糞作為基質(zhì)配合土壤，改良土壤滲濾基質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)總磷（TP）和氨氮（NH3-N）具有較好的去除效果[5]。潘晶等以質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%爐渣和95%草甸棕壤為基質(zhì)，進(jìn)行強(qiáng)化脫氮研究，系統(tǒng)對(duì)總氮（TN）的去除率提高了9.04%[6]。張建等發(fā)現(xiàn)，向土壤中添加10%的草炭作為基質(zhì)，不僅提高了系統(tǒng)的水力負(fù)荷，而且對(duì)氨氮（NH3-N）和總氮（TN）的去除率分別提高了12%和11%[7]。Li等考察了65%草甸棕壤+30%煤渣+5%脫水污泥基質(zhì)系統(tǒng)的污水處理效果，在一定運(yùn)行情況下系統(tǒng)對(duì)氨氮（NH3-N）及總氮（TN）的平均去除率可分別達(dá)90%、78.6%[8]。

綜上所述，填充基質(zhì)對(duì)整個(gè)滲濾系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，改善了系統(tǒng)污水處理效果。眾多學(xué)者考察不同填料的土壤滲濾系統(tǒng)的污水處理效果，但在不同基質(zhì)配比下污水處理效果上是否存在最佳基質(zhì)配比的研究鮮有報(bào)道。本研究選用比表面積大、吸附能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的活性炭和粉質(zhì)黏土、標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行基質(zhì)混配，優(yōu)化土壤滲濾基質(zhì)結(jié)構(gòu)。筆者通過(guò)室內(nèi)模擬土壤滲濾系統(tǒng)研究不同質(zhì)量配比下的組合滲濾系統(tǒng)對(duì)污水中總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD）及pH值的處理效果，同時(shí)探究組合土壤滲濾系統(tǒng)在污水處理效果上是否存在最佳基質(zhì)配比，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置和材料

1.1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用自制的簡(jiǎn)易模擬土壤滲濾系統(tǒng)裝置。最上方為高度30 cm、內(nèi)徑為5 cm、壁厚0.5 cm的有機(jī)透明塑料管，管外壁標(biāo)有刻度。塑料管下端嵌套一個(gè)底部具有若干出水孔的管狀塑料瓶，瓶?jī)?nèi)填充粒徑為5～10 mm的礫石4 cm厚以防止出水孔堵塞。同時(shí)在有機(jī)透明塑料管與礫石接觸的管口處用棉紗網(wǎng)包裹，使其達(dá)到漏水不漏基質(zhì)的目的，工程中可用反濾層代替。塑料瓶與一玻璃漏斗相接起導(dǎo)流作用，裝置最下方是一個(gè)1 000 mL的大量筒作為集水器。有機(jī)透明塑料管上部留下10 cm作為淹水水頭空間，基質(zhì)高20 cm。

1.1.2 基質(zhì)選擇

試驗(yàn)用土為粉質(zhì)黏土，液限為32.2%，塑限為19.3%，塑性指數(shù)為12.9。土樣經(jīng)105℃烘干、除雜、碾碎，過(guò)2 mm篩后使用，土粒相對(duì)密度約為2.72，氮?dú)馕綔y(cè)定的比表面積為4.48 m2/g。試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂為實(shí)驗(yàn)室普通標(biāo)準(zhǔn)砂，粒徑0.3～0.6 mm，相對(duì)密度約為2.65。標(biāo)準(zhǔn)砂經(jīng)淘洗并晾干后使用?；钚蕴繉儆谝瑲ゎw粒炭，粒徑4～6 mm，比表面積900 m2/g左右，密度為0.55～0.58 g/cm3。

進(jìn)水選擇：試驗(yàn)污水取自泰安市第一污水處理廠進(jìn)水口。其水質(zhì)指標(biāo)為：TP平均濃度30.422 mg/L、NH3-N平均濃度8.439 mg/L、COD平均濃度70.1 mg/L、平均pH值7.93。

1.2 試驗(yàn)方法

利用控制變量法，設(shè)計(jì)5組不同質(zhì)量配比的活性炭、土壤、標(biāo)準(zhǔn)砂混合均勻的基質(zhì)，并依次編號(hào)為試驗(yàn)組1～5?；|(zhì)組成比例m（活性炭）：m（土）：m（標(biāo)準(zhǔn)砂）分別為0:3:6、0.5:3:6、1:3:6、1.5:3:6、2:3:6，其中活性炭用量依次為28.5 g、53 g、72 g、87 g。由相同的擊實(shí)能量控制各組混合基質(zhì)壓實(shí)程度一致，并固定滲徑為20 cm。試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，由3組平行滲濾裝置同時(shí)進(jìn)行平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。進(jìn)水通過(guò)人工加水，使有機(jī)透明塑料管上部留下的10 cm淹水水頭空間始終充滿水，直至量筒內(nèi)收集到500 mL滲濾出水即停止加水，并立即取其測(cè)定出水水質(zhì)指標(biāo)。

考慮到土壤本身所含有的一些物質(zhì)在滲濾過(guò)程中可能會(huì)進(jìn)入水中，進(jìn)而影響污水處理效果的判定。試驗(yàn)中通過(guò)未加活性炭的空白對(duì)照組在相同控制變量條件下用實(shí)驗(yàn)室純水進(jìn)行滲濾試驗(yàn)，以純水經(jīng)過(guò)滲濾后的出水水質(zhì)指標(biāo)作為土壤對(duì)進(jìn)水的水質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生的附加影響。將此附加影響與進(jìn)水的污水水質(zhì)指標(biāo)相綜合，作為滲濾系統(tǒng)的最終進(jìn)水指標(biāo)，如表1所示。水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法：測(cè)定的水質(zhì)指標(biāo)有總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD）和pH值四項(xiàng)。總磷（TP）含量采用磷釩鉬黃分光光度法測(cè)定；氨氮（NH3-N）含量采用奈氏試劑分光光度法測(cè)定；化學(xué)需氧量（COD）含量采用重鉻酸鉀法測(cè)定；pH值采用便攜式電子酸度計(jì)測(cè)定。

表1 進(jìn)水指標(biāo)（考慮土壤影響）

2 結(jié)果與討論

2.1 總磷（TP）的滲濾處理效果分析

總磷是反映水體富營(yíng)養(yǎng)化的指標(biāo)，在污水中主要以有機(jī)態(tài)磷和磷酸鹽的形式存在。模擬土壤滲濾系統(tǒng)選擇了比表面積大、吸附能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的活性炭為填充基質(zhì)，結(jié)果表明活性炭的添加有利于總磷的去除。由圖1和圖2可知，5組試驗(yàn)組別對(duì)TP的平均去除率分別為96.09%、96.41%、98.10%、98.22%、85.10%，TP的平均出水質(zhì)量濃度分別為1.566 mg/L、1.386 mg/L、0.723 mg/L、0.663 mg/L、5.422 mg/L?？梢?jiàn)5組滲濾系統(tǒng)對(duì)污水中總磷均有較好的去除效果。同時(shí)，由TP去除率曲線可以看出，在處理過(guò)程中不同組合滲濾系統(tǒng)處理效果存在最佳的基質(zhì)配比。第3、4組處理的出水TP質(zhì)量濃度達(dá)均到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其中第4組處理效果為最佳。

圖1 TP進(jìn)出水濃度曲線

圖2 TP去除率曲線

土壤滲濾系統(tǒng)對(duì)污水中總磷的去除主要依賴(lài)于填料（基質(zhì)）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(yáng)離子種類(lèi)及其理化性質(zhì)等有關(guān)[9]。活性炭孔隙率高達(dá)70%，比表面積大，對(duì)磷的吸附性能好。滲濾系統(tǒng)隨著活性炭質(zhì)量比例的增加，對(duì)污水中TP的去除效果先增強(qiáng)后下降。當(dāng)滲濾系統(tǒng)基質(zhì)質(zhì)量比m（土）:m（標(biāo)準(zhǔn)砂）:m（活性炭）達(dá)到3:6:2時(shí)，混合基質(zhì)的水滲透性能增強(qiáng)，滲濾出水流速?gòu)?0-2mL/s數(shù)量級(jí)變?yōu)榱?0-1mL/s數(shù)量級(jí)，污水在滲濾系統(tǒng)中停留時(shí)間不足，處理不充分，進(jìn)而使TP出水濃度上升，去除率明顯下降。

2.2 氨氮（NH3-N）的滲濾處理效果分析

水中氨氮（NH3-N）以游離氨（NH3）或銨鹽（NH4+）形式存在水中，來(lái)源主要為生活污水中含氮有機(jī)物受微生物作用的分解產(chǎn)物，測(cè)定水中各種形態(tài)的氮化合物，有助于評(píng)價(jià)水體被污染和自?xún)魻顩r。5組滲濾試驗(yàn)結(jié)果表明，除了未加活性炭的試驗(yàn)組，其他4組處理對(duì)污水中氨氮的去除效果均較好。由NH3-N去除率曲線也可以看出，在處理過(guò)程中組合滲濾系統(tǒng)存在最佳基質(zhì)配比，第4組處理效果最好。由圖3和圖4可知，5組試驗(yàn)組別對(duì)NH3-N的平均去除率分別 為23.75%、89.06%、91.05%、92.68%、91.92%，NH3-N的平均出水質(zhì)量濃度分別為7.300 mg/L、1.029 mg/L、0.836 mg/L、0.677 mg/L、0.739 mg/L。5組處理出水氨氮濃度均達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，其中第2、3、4和5四組處理均已達(dá)到了一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 NH3-N進(jìn)出水濃度曲線

圖4 NH3-N去除率曲線

土壤滲濾系統(tǒng)中主要通過(guò)土壤吸附、生物轉(zhuǎn)化和氨氮揮發(fā)等作用去除NH3-N[10]。活性炭的作用在滲濾系統(tǒng)中表現(xiàn)突出，未加活性炭的對(duì)照組和加入活性炭的組別處理NH3-N的效果差異顯著，加入活性炭的4組滲濾裝置對(duì)NH3-N的平均去除率在90%以上?；钚蕴勘砻婢邆涠嗫捉Y(jié)構(gòu)，是良好的生物載體材料，非常適合微生物附著，并形成生物膜，微生物可以利用有機(jī)碳源轉(zhuǎn)化NH3-N[11]。同時(shí)，活性炭因其具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)，吸附容量大，對(duì)NH3-N也有較好的吸附性能。第5組滲濾系統(tǒng)混合基質(zhì)中活性炭質(zhì)量比例的進(jìn)一步增加，滲濾出水速度加快，污水在滲濾系統(tǒng)中處理不充分，導(dǎo)致NH3-N出水濃度有所上升，去除率下降。

2.3 化學(xué)需氧量（COD）的滲濾處理效果分析

化學(xué)需氧量（COD）是指在一定的條件下，用強(qiáng)氧化劑處理水時(shí)所消耗氧化劑的量，反映了水中受還原性物質(zhì)污染的程度及有機(jī)物的含量，是水質(zhì)污染度的重要指標(biāo)。5組滲濾試驗(yàn)結(jié)果表明，活性炭的加入對(duì)COD的去除有一定的促進(jìn)作用。由圖5和圖6可知，5組試驗(yàn)組別對(duì)COD的平均去除率分別為61.94%、69.75%、78.92%、80.14%、83.32%，COD的平均出水質(zhì)量濃度分別為284.2 mg/L、195.3 mg/L、127.6 mg/L、110.2 mg/L、81.6 mg/L。第4、5組處理出水COD濃度達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中第5組達(dá)到了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 COD進(jìn)出水濃度曲線

圖6 COD去除率曲線

在土壤滲濾系統(tǒng)中，COD的去除主要靠填充基質(zhì)的過(guò)濾、吸附以及生物氧化作用。有機(jī)物進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)基質(zhì)的過(guò)濾、吸附作用被截留下來(lái)，然后通過(guò)微生物的生物氧化作用被降解，在污水與基質(zhì)的接觸過(guò)程中，污水中的有機(jī)污染物被大量的微生物氧化分解而得以去除[12]。同時(shí)，活性炭的表面有豐富的官能團(tuán)，一般可分為含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)，這些官能團(tuán)賦予了活性炭獨(dú)特的化學(xué)性能，能與多種物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合[13]。因此，其具有較強(qiáng)的表面反應(yīng)性，更容易與極性吸附質(zhì)形成氫鍵，更有利于COD的吸附。5組滲濾裝置隨著活性炭質(zhì)量比例的增加，對(duì)COD的去除率逐漸增大，COD的平均去除率由61.94%上升到83.32%。

2.4 pH滲濾處理效果分析

pH作為土壤滲濾系統(tǒng)污水處理中監(jiān)測(cè)的常規(guī)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行效率的評(píng)價(jià)起著重要作用。通過(guò)5組滲濾裝置的處理效果來(lái)看，pH均有一定程度的下降，變化范圍均在6～9，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）污水排放標(biāo)準(zhǔn)。由圖7和圖8可知，5組滲濾試驗(yàn)pH的變化率分別為0.63%、2.52%、3.53%、4.54%、0.88%，平均出水pH值分別為7.88、7.73、7.65、7.57、7.86。由pH值變化率曲線可見(jiàn)，組合滲濾系統(tǒng)在pH去除效果上亦存在最佳基質(zhì)配比。滲濾系統(tǒng)混合基質(zhì)中活性炭質(zhì)量比例的增加，使得對(duì)pH的處理效果先增強(qiáng)后降低。處理效果下降的原因是混合基質(zhì)的水滲透性能增強(qiáng)，滲濾出水速度過(guò)快，污水在滲濾系統(tǒng)中滯留時(shí)間短，處理不充分。

圖7 pH值進(jìn)出水變化曲線

圖8 pH值變化率曲線

3 結(jié)論

活性炭與土壤組合滲濾系統(tǒng)對(duì)污水的處理效果理想，在相同進(jìn)水條件、相同滲徑、相同壓實(shí)程度下，不同的基質(zhì)配比在污水處理效果上存在最佳的基質(zhì)配比。第4組滲濾系統(tǒng)基質(zhì)組成比例m（活性炭）:m（土）:m（標(biāo)準(zhǔn)砂）為1.5:3:6，此時(shí)處理污水效果最佳，TP平均去除率達(dá)98.22%、NH3-N平均去除率達(dá)92.68%，出水TP平均濃度0.663mg/L、出水NH3-N平均濃度0.677mg/L，均達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；COD平均去除率也達(dá)到了80.14%，出水COD平均濃度110.2 mg/L達(dá)到了三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，出水平均pH值變化無(wú)顯著差異但滿足國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

活性炭由于具有比表面積大、多孔結(jié)構(gòu)、吸附能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等性質(zhì)，在滲濾系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用，不僅可以提高系統(tǒng)的滲透性能，還可有效促進(jìn)污水中總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD）等的去除。對(duì)于不同水質(zhì)指標(biāo)主導(dǎo)的污水，合理控制滲濾系統(tǒng)的基質(zhì)配比具有重要意義。當(dāng)處理COD含量過(guò)高的污水時(shí)，可適當(dāng)提高活性炭的比例以提高COD的去除效率。