導(dǎo)讀:：級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)裝置內(nèi)徑為200mm。屬于典型的高氨氮生活污水。水力負(fù)荷太高。濕干比(FDR)為1：11。水力負(fù)荷周期(HLC)為6h。

關(guān)鍵詞：三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)，高氨氮生活污水，水力負(fù)荷，濕干比，水力負(fù)荷周期

人工快速滲濾系統(tǒng)(Constructed Rapid Infiltration，簡(jiǎn)稱CRI)是在傳統(tǒng)的污水土地處理系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的一種新的生物處理方法，具有處理效果好,投資少,管理方便,操作簡(jiǎn)單,運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)我國(guó)主要應(yīng)用于生活污水、洗浴廢水、微污染河水等方面的研究，并有實(shí)際工程應(yīng)用[2-4]，筆者采用三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)對(duì)高氨氮生活污水進(jìn)行研究，顯示系統(tǒng)對(duì)污染物的去除率和復(fù)氧效果明顯提升[5-6]。為了進(jìn)一步優(yōu)化三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)處理高氨氮生活污水的運(yùn)行參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)從水力負(fù)荷、濕干比以及水力負(fù)荷周期進(jìn)行研究，確定最佳的運(yùn)行參數(shù)，為以后的實(shí)際工程應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1、實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水來(lái)自校園學(xué)生生活區(qū)化糞池，污水主要來(lái)源于學(xué)生宿舍的洗漱、沖廁以及其它雜用水，水質(zhì)指標(biāo)如表1所示，屬于典型的高氨氮生活污水。原水經(jīng)過(guò)微曝氣后進(jìn)入快滲系統(tǒng)。試驗(yàn)中的進(jìn)水均是指微曝氣后的水質(zhì)。

表1 廢水水質(zhì)

Qualityof wastewater mg/L

table11.2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

本試驗(yàn)采用的工藝流程如下圖1。

圖1 工藝流程圖

Fig.1 Diagram of treatment process

三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)裝置內(nèi)徑為200mm，由PVC管制成，下部1m設(shè)為飽水層。填料采用中砂，所選用的中砂粒徑在0.4～1.2mm之間，d10=0.25mm，Cu=3.12，并混有少量大理石補(bǔ)充堿度。保護(hù)高0.4m，距頂部0.1m處為溢流口，一、二級(jí)子系統(tǒng)介質(zhì)厚度均為0.5m，三級(jí)子系統(tǒng)介質(zhì)厚度為1m，介質(zhì)總高度為2m。一、二級(jí)子系統(tǒng)中間以及二、三級(jí)子系統(tǒng)中間均有0.2m高的通氣層。

1.3 試驗(yàn)分析項(xiàng)目

試驗(yàn)分析項(xiàng)目包括COD、NH4-N、TN等。檢測(cè)分析項(xiàng)目均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。

2結(jié)果及討論

2.1 三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)最佳水力負(fù)荷確定

水力負(fù)荷(HL)是指單位時(shí)間、單位面積上的污水投配量(m3/m2·d)，水力負(fù)荷太高，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出水水質(zhì)變差和堵塞;水力負(fù)荷太低，將會(huì)減少污水處理量，同時(shí)增加了人工快滲系統(tǒng)的占地面積。為了考察三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)不同水力負(fù)荷對(duì)污染物的去除效果，選擇0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d三個(gè)不同水力負(fù)荷進(jìn)行試驗(yàn)，水力負(fù)荷周期(HLC)為6h，濕干比(FDR)為1：11，每隔兩天取一次樣，每個(gè)水力負(fù)荷運(yùn)行3周左右中國(guó)。

不同水力負(fù)荷條件下，三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)對(duì)COD、氨氮和總氮的去除效果見(jiàn)圖2~圖4。

圖2 不同HL下COD去除效果圖3 不同HL下NH4-N去除效果

Fig.2 COD removal of different HL Fig.3 NH4-N removal of different HL

從圖2中可以看出，HL對(duì)COD的影響不是很大，0.8m/d、1.0m/d和1.2m/d下COD平均去除率分別為80.36%、79.35%和76.30%。隨著HL增大COD去除率稍有下降。三個(gè)水力負(fù)荷階段出水水質(zhì)都達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，隨著HL的增大，污染物負(fù)荷也會(huì)增大，單位時(shí)間內(nèi)單位體積的快滲柱需要處理的有機(jī)物也會(huì)增多。一旦有機(jī)物量積累太多，微生物來(lái)不及降解就會(huì)導(dǎo)致出水水質(zhì)就會(huì)變壞，并發(fā)生堵塞。當(dāng)然也并非HL越低去除率就越高，因?yàn)楫愷B(yǎng)微生物的生存需要一定量的食物，當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷太低時(shí)就會(huì)影響微生物的數(shù)量和活性，出水水質(zhì)也不會(huì)好。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看HL在0.8~1.0m/d時(shí)最佳。

由圖3可以看出，水力負(fù)荷為0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d時(shí)，氨氮的平均去除率分別是92.78%、96.62%、91.6%。0.8m/d和1.0m/d的出水效果均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，1.2m/d的出水效果滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。隨著水力負(fù)荷的增加，氨氮的去除率先升高，然后又下降，即在0.8m/d條件下，系統(tǒng)對(duì)氨氮負(fù)荷還有一定的接受能力環(huán)境保護(hù)，由于三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)增加了二次復(fù)氧，使其對(duì)氨化和硝化的作用加強(qiáng)，在1.0m/d左右時(shí)達(dá)到了最佳，隨后在增加水力負(fù)荷，由于氨氮的污染負(fù)荷增加，一部分污染物未能及時(shí)的降解就隨出水流出，所以導(dǎo)致去除率的下降。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看HL在1.0m/d時(shí)對(duì)氨氮的去除效果最佳。

圖4不同HL下平均TN去除效果圖5 不同HL下各級(jí)C/N比變化

Fig.4 TN removal of different HL Fig.5 ratio of C/N indifferent HL

由圖4可以看出，水力負(fù)荷為0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d時(shí)，總氮的平均去除率分別是44.1%、51.3%、44.0%。出水效果均不能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。其中水力負(fù)荷1.0m/d時(shí)，總氮的去除率最高，同時(shí)從圖5可以看出總氮的去除率和相對(duì)應(yīng)的C/N比正相關(guān)。通常狀況當(dāng)C/N比小于2時(shí)不利于反硝化的進(jìn)行，需進(jìn)行補(bǔ)充碳源[7]。雖然在水力負(fù)荷1.0m/d時(shí)，C/N比最高，但其也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2，因此，碳源不足是影響三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)脫氮的主要限制因子。

一般來(lái)說(shuō)，隨著HL的增大，HRT的減小，污水與生物膜的接觸時(shí)間縮短，生物作用去除污染物的效果降低;HL的增大，有機(jī)負(fù)荷也增加了，微生物可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增多，微生物生長(zhǎng)相對(duì)旺盛，快滲系統(tǒng)中微生物繁殖加快，保證了一定的污染物去除效果，但HL的增加，快滲裝置中淹水時(shí)間也增加，落干時(shí)間相對(duì)要小，快滲系統(tǒng)通過(guò)自然復(fù)氧的效果較差，影響了微生物的活性，進(jìn)而影響污染物的去除效率。綜合以上因素，在本實(shí)驗(yàn)條件下，三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)處理高氨氮生活污水的最佳水力負(fù)荷時(shí)1.0m/d。

2.2 三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)濕干比確定

人工快滲系統(tǒng)一般采用間歇進(jìn)水方式。淹水一段時(shí)間然后再落干一段時(shí)間環(huán)境保護(hù)，淹水時(shí)間和落干時(shí)間的比值為濕干比(FDR)。為了保證對(duì)耗氧有機(jī)物的降解和硝化作用得充分進(jìn)行，同時(shí)防止系統(tǒng)堵塞，一般情況下落干時(shí)間要遠(yuǎn)大于淹水時(shí)間。合理的FDR既能保證出水的質(zhì)量又能使系統(tǒng)最大負(fù)荷的運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)選擇濕干比為1：11、1：5、1：3分別進(jìn)行研究，每種濕干比運(yùn)行2周左右，水力負(fù)荷為1.0m/d，一天進(jìn)水4次，一個(gè)周期為6小時(shí)。

不同濕干比條件下，三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)對(duì)COD、氨氮和總氮的去除效果見(jiàn)圖6。

圖6不同濕干比下COD、氨氮和TN平均去除效果

Fig.6 COD、NH4-N、TN removal of different the flooding-drying ratio

由圖6可知，隨著濕干比的增加，COD、氨氮和總氮的去除率都是先增加后減少，在濕干比為1：5時(shí)去除效率最大。當(dāng)濕干比為1：3時(shí)，系統(tǒng)的進(jìn)水時(shí)間為1.5h，進(jìn)水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，系統(tǒng)內(nèi)表層處于缺氧的時(shí)間較長(zhǎng)，表層吸附和截留的污染物沒(méi)有及時(shí)的降解，被水流帶到二級(jí)和三級(jí)子系統(tǒng)階段，由于二級(jí)和三級(jí)子系統(tǒng)的復(fù)氧效果較好，因此，COD和氨氮總的去除率效率仍然較高，出水能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。隨著濕干比增加，即落干時(shí)間加長(zhǎng)，當(dāng)濕干比為1：11時(shí)，COD和氨氮的出水雖然都也能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，但出水的效果明顯下降。落干時(shí)間增加會(huì)導(dǎo)致微生物自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏，影響其生長(zhǎng)繁殖的速度，降低微生物的活性，不能充分發(fā)揮微生物的降解作用，導(dǎo)致了出水水質(zhì)的下降。

從圖6可知，三種濕干比條件下對(duì)總氮的去除率均不是很高，出水均不能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)經(jīng)過(guò)二次自然的復(fù)氧，使其硝化作用比較充分，所以整個(gè)系統(tǒng)的氨氮的去除效率比較高;雖然系統(tǒng)通過(guò)增加飽水段高度人為地營(yíng)造了反硝化區(qū)域，但是由于碳源不足等因素影響環(huán)境保護(hù)，使反硝化的效果降低，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效率不是很高。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本實(shí)驗(yàn)條件下，濕干比為1：5時(shí)對(duì)污染物的去除效果較好。

2.3 三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)水力負(fù)荷周期確定

一次淹水和一次落干所構(gòu)成的循環(huán)稱為系統(tǒng)的水力負(fù)荷周期。水力負(fù)荷周期的確定要考慮濕干比的大小。淹水期過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致污染物吸附飽和出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，介質(zhì)滲透率下降并使系統(tǒng)堵塞導(dǎo)致水力負(fù)荷下降;淹水期過(guò)短不能保證硝化作用充分進(jìn)行，同時(shí)不利于系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，水力負(fù)荷也會(huì)下降。實(shí)驗(yàn)選擇水力負(fù)荷為1.0m/d，濕干比是1：5的條件下，研究水力負(fù)荷周期分別是6h和4h的污染物的去除效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同HLC下對(duì)污染物的去除情況

Table 2 The removal of pollutants of different HLC

對(duì)于水力負(fù)荷周期為6h時(shí)，快滲系統(tǒng)一天進(jìn)水、落干各4次，水力負(fù)荷周期為4h時(shí)，快滲系統(tǒng)一天進(jìn)水、落干各6次，落干頻率較6h時(shí)提高了50%，增加了與空氣的交換次數(shù)。人工快滲系統(tǒng)的復(fù)氧主要是通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流作用，通過(guò)擴(kuò)散作用，氧氣很難到達(dá)系統(tǒng)深層，復(fù)氧效率不是很高，而由于水流入滲的負(fù)壓吸入作用，引起的空氣對(duì)流可以到達(dá)系統(tǒng)的深層區(qū)域，增加系統(tǒng)內(nèi)的好氧空間。何江濤等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，縮短HLC，人為的加大系統(tǒng)淹水和落干的頻率，可以有效的加強(qiáng)系統(tǒng)與外界空氣的對(duì)流機(jī)會(huì)，加大系統(tǒng)的復(fù)氧效率，提高系統(tǒng)的整體的復(fù)氧效果，有利于系統(tǒng)中微生物對(duì)有機(jī)污染物的好氧生物降解[8]。

由表2可知水力負(fù)荷周期為4h時(shí)，COD、NH4-N和TN的去除效果比HLC為6h時(shí)均有不同程度的提高，雖然出水效果COD、NH4-N都能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，但出水效果還是明顯提高。水力負(fù)荷周期為4h時(shí)增加了每天污水投配的次數(shù)，增加了空氣對(duì)流的頻率，使得進(jìn)入系統(tǒng)的空氣量將會(huì)提高，增加了系統(tǒng)的復(fù)氧量，整個(gè)系統(tǒng)處于氧氣相對(duì)較為充足的狀態(tài)環(huán)境保護(hù)，有利于微生物對(duì)有機(jī)污染物和NH4-N的好氧生物降解，但由于三級(jí)串聯(lián)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，本身就增加了各個(gè)子系統(tǒng)階段的復(fù)氧效果，因此相對(duì)減弱了水力負(fù)荷周期變化對(duì)污染物的去除差異。同時(shí)，如果過(guò)多的增加每天的污水投放次數(shù)，每次的進(jìn)水量就比較小，淹水時(shí)間相對(duì)的偏小，將影響快滲系統(tǒng)內(nèi)好氧、厭氧區(qū)域的交替運(yùn)行，影響污染物的降解。因此，綜合以上因素，本實(shí)驗(yàn)條件下，水力負(fù)荷周期為4h時(shí)運(yùn)行效果較好。

3 結(jié)論

1、本實(shí)驗(yàn)條件下最佳的運(yùn)行參數(shù)為：水力負(fù)荷1.0m/d，濕干比為1：5，水力負(fù)荷周期為4h，出水中COD、NH4-N的濃度都能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

2、碳源不足是影響三級(jí)串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)脫氮效率較低的主要限制因子。

3、縮短水力負(fù)荷周期，加大系統(tǒng)淹水和落干的頻率，可以有效的增加系統(tǒng)的復(fù)氧效率，提高系統(tǒng)的整體的復(fù)氧效果，有利于系統(tǒng)對(duì)COD、NH4-N的好氧生物降解。

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