三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)處理高氨氮生活污水運行參數(shù)優(yōu)化研究
導讀:：級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)裝置內徑為200mm。屬于典型的高氨氮生活污水。水力負荷太高。濕干比(FDR)為1：11。水力負荷周期(HLC)為6h。
關鍵詞：三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)，高氨氮生活污水，水力負荷，濕干比，水力負荷周期
人工快速滲濾系統(tǒng)(Constructed Rapid Infiltration，簡稱CRI)是在傳統(tǒng)的污水土地處理系統(tǒng)上發(fā)展起來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,操作簡單,運行費用較低等優(yōu)點[1]。近年來我國主要應用于生活污水、洗浴廢水、微污染河水等方面的研究，并有實際工程應用[2-4]，筆者采用三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)對高氨氮生活污水進行研究，顯示系統(tǒng)對污染物的去除率和復氧效果明顯提升[5-6]。為了進一步優(yōu)化三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)處理高氨氮生活污水的運行參數(shù)，本實驗從水力負荷、濕干比以及水力負荷周期進行研究，確定最佳的運行參數(shù)，為以后的實際工程應用打下理論基礎。
1 實驗設計
1.1、實驗水質
實驗進水來自校園學生生活區(qū)化糞池，污水主要來源于學生宿舍的洗漱、沖廁以及其它雜用水，水質指標如表1所示，屬于典型的高氨氮生活污水。原水經(jīng)過微曝氣后進入快滲系統(tǒng)。試驗中的進水均是指微曝氣后的水質。
表1 廢水水質
|
水質指標 |
COD |
TN |
氨氮 |
SS |
pH |
|
平均濃度 |
510 |
159.2 |
147.1 |
205 |
8.03 |
Qualityof wastewater mg/L
table11.2、實驗設計參數(shù)
本試驗采用的工藝流程如下圖1。
圖1 工藝流程圖
Fig.1 Diagram of treatment process
三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)裝置內徑為200mm，由PVC管制成，下部1m設為飽水層。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充堿度。保護高0.4m，距頂部0.1m處為溢流口，一、二級子系統(tǒng)介質厚度均為0.5m，三級子系統(tǒng)介質厚度為1m，介質總高度為2m。一、二級子系統(tǒng)中間以及二、三級子系統(tǒng)中間均有0.2m高的通氣層。
1.3 試驗分析項目
試驗分析項目包括COD、NH4-N、TN等。檢測分析項目均采用國家標準方法。
2結果及討論
2.1 三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)最佳水力負荷確定
水力負荷(HL)是指單位時間、單位面積上的污水投配量(m3/m2·d)，水力負荷太高，將會導致系統(tǒng)出水水質變差和堵塞;水力負荷太低，將會減少污水處理量，同時增加了人工快滲系統(tǒng)的占地面積。為了考察三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)不同水力負荷對污染物的去除效果，選擇0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d三個不同水力負荷進行試驗，水力負荷周期(HLC)為6h，濕干比(FDR)為1：11，每隔兩天取一次樣，每個水力負荷運行3周左右中國。
不同水力負荷條件下，三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)對COD、氨氮和總氮的去除效果見圖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。三個水力負荷階段出水水質都達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標準》(GB18918-2002)一級A標準。一般來說，隨著HL的增大，污染物負荷也會增大，單位時間內單位體積的快滲柱需要處理的有機物也會增多。一旦有機物量積累太多，微生物來不及降解就會導致出水水質就會變壞，并發(fā)生堵塞。當然也并非HL越低去除率就越高，因為異養(yǎng)微生物的生存需要一定量的食物，當有機物負荷太低時就會影響微生物的數(shù)量和活性，出水水質也不會好。從實驗結果看HL在0.8~1.0m/d時最佳。
由圖3可以看出，水力負荷為0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d時，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準》(GB18918-2002)一級A標準，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準》(GB18918-2002)一級B標準。隨著水力負荷的增加，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)對氨氮負荷還有一定的接受能力環(huán)境保護，由于三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)增加了二次復氧，使其對氨化和硝化的作用加強，在1.0m/d左右時達到了最佳，隨后在增加水力負荷，由于氨氮的污染負荷增加，一部分污染物未能及時的降解就隨出水流出，所以導致去除率的下降。從實驗結果看HL在1.0m/d時對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，水力負荷為0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d時，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準》(GB18918-2002)一級B標準。其中水力負荷1.0m/d時，總氮的去除率最高，同時從圖5可以看出總氮的去除率和相對應的C/N比正相關。通常狀況當C/N比小于2時不利于反硝化的進行，需進行補充碳源[7]。雖然在水力負荷1.0m/d時，C/N比最高，但其也遠遠小于2，因此，碳源不足是影響三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)脫氮的主要限制因子。
一般來說，隨著HL的增大，HRT的減小，污水與生物膜的接觸時間縮短，生物作用去除污染物的效果降低;HL的增大，有機負荷也增加了，微生物可利用的營養(yǎng)物質增多，微生物生長相對旺盛，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，快滲裝置中淹水時間也增加，落干時間相對要小，快滲系統(tǒng)通過自然復氧的效果較差，影響了微生物的活性，進而影響污染物的去除效率。綜合以上因素，在本實驗條件下，三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)處理高氨氮生活污水的最佳水力負荷時1.0m/d。
2.2 三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)濕干比確定
人工快滲系統(tǒng)一般采用間歇進水方式。淹水一段時間然后再落干一段時間環(huán)境保護，淹水時間和落干時間的比值為濕干比(FDR)。為了保證對耗氧有機物的降解和硝化作用得充分進行，同時防止系統(tǒng)堵塞，一般情況下落干時間要遠大于淹水時間。合理的FDR既能保證出水的質量又能使系統(tǒng)最大負荷的運行。本實驗選擇濕干比為1：11、1：5、1：3分別進行研究，每種濕干比運行2周左右，水力負荷為1.0m/d，一天進水4次，一個周期為6小時。
不同濕干比條件下，三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)對COD、氨氮和總氮的去除效果見圖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時去除效率最大。當濕干比為1：3時，系統(tǒng)的進水時間為1.5h，進水時間相對較長，系統(tǒng)內表層處于缺氧的時間較長，表層吸附和截留的污染物沒有及時的降解，被水流帶到二級和三級子系統(tǒng)階段，由于二級和三級子系統(tǒng)的復氧效果較好，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準》(GB18918-2002)一級A標準。隨著濕干比增加，即落干時間加長，當濕干比為1：11時，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準》(GB18918-2002)一級A標準，但出水的效果明顯下降。落干時間增加會導致微生物自身營養(yǎng)物質的缺乏，影響其生長繁殖的速度，降低微生物的活性，不能充分發(fā)揮微生物的降解作用，導致了出水水質的下降。
從圖6可知，三種濕干比條件下對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準》(GB18918-2002)一級B標準。三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)經(jīng)過二次自然的復氧，使其硝化作用比較充分，所以整個系統(tǒng)的氨氮的去除效率比較高;雖然系統(tǒng)通過增加飽水段高度人為地營造了反硝化區(qū)域，但是由于碳源不足等因素影響環(huán)境保護，使反硝化的效果降低，整個系統(tǒng)對總氮的去除效率不是很高。通過以上實驗結果可以看出，本實驗條件下，濕干比為1：5時對污染物的去除效果較好。
2.3 三級串聯(lián)人工快滲系統(tǒng)水力負荷周期確定
一次淹水和一次落干所構成的循環(huán)稱為系統(tǒng)的水力負荷周期。水力負荷周期的確定要考慮濕干比的大小。淹水期過長會導致污染物吸附飽和出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，介質滲透率下降并使系統(tǒng)堵塞導致水力負荷下降;淹水期過短不能保證硝化作用充分進行，同時不利于系統(tǒng)的連續(xù)運行，水力負荷也會下降。實驗選擇水力負荷為1.0m/d，濕干比是1：5的條件下，研究水力負荷周期分別是6h和4h的污染物的去除效果。實驗結果見表2。
表2 不同HLC下對污染物的去除情況
Table 2 The removal of pollutants of different HLC
|
水質指標 HLC |
COD（mg/L） |
NH4-N（mg/L） |
TN（mg/L） |
||||||
|
進水 |
出水 |
去除率% |
進水 |
出水 |
去除率% |
進水 |
出水 |
去除率% |
|
|
6h |
145 |
32.0 |
77.9 |
83.3 |
3.2 |
96.2 |
103 |
48.2 |
53.2 |
|
4h |
139 |
25.0 |
82 |
85 |
2.1 |
97.5 |
107 |
47.4 |
55.7 |
對于水力負荷周期為6h時，快滲系統(tǒng)一天進水、落干各4次，水力負荷周期為4h時，快滲系統(tǒng)一天進水、落干各6次，落干頻率較6h時提高了50%，增加了與空氣的交換次數(shù)。人工快滲系統(tǒng)的復氧主要是通過擴散和對流作用，通過擴散作用，氧氣很難到達系統(tǒng)深層，復氧效率不是很高，而由于水流入滲的負壓吸入作用，引起的空氣對流可以到達系統(tǒng)的深層區(qū)域，增加系統(tǒng)內的好氧空間。何江濤等人通過實驗研究，縮短HLC，人為的加大系統(tǒng)淹水和落干的頻率，可以有效的加強系統(tǒng)與外界空氣的對流機會，加大系統(tǒng)的復氧效率，提高系統(tǒng)的整體的復氧效果，有利于系統(tǒng)中微生物對有機污染物的好氧生物降解[8]。
由表2可知水力負荷周期為4h時，COD、NH4-N和TN的去除效果比HLC為6h時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準》(GB18918-2002)一級A標準，但出水效果還是明顯提高。水力負荷周期為4h時增加了每天污水投配的次數(shù)，增加了空氣對流的頻率，使得進入系統(tǒng)的空氣量將會提高，增加了系統(tǒng)的復氧量，整個系統(tǒng)處于氧氣相對較為充足的狀態(tài)環(huán)境保護，有利于微生物對有機污染物和NH4-N的好氧生物降解，但由于三級串聯(lián)的獨特結構，本身就增加了各個子系統(tǒng)階段的復氧效果，因此相對減弱了水力負荷周期變化對污染物的去除差異。同時，如果過多的增加每天的污水投放次數(shù)，每次的進水量就比較小，淹水時間相對的偏小，將影響快滲系統(tǒng)內好氧、厭氧區(qū)域的交替運行，影響污染物的降解。因此，綜合以上因素，本實驗條件下，水力負荷周期為4h時運行效果較好。
3 結論
1、本實驗條件下最佳的運行參數(shù)為：水力負荷1.0m/d，濕干比為1：5，水力負荷周期為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準》(GB18918-2002)一級A標準。
2、碳源不足是影響三級串聯(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)的復氧效率，提高系統(tǒng)的整體的復氧效果，有利于系統(tǒng)對COD、NH4-N的好氧生物降解。
參考文獻
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