基于新型土壤滲濾系統的農村生活污水處理實驗研究

鄒 淵， 鄭爽英

(西南交通大學, 四川成都 610031)

目前，在我國大部分農村地區存在生活污水未經處理直接排放的問題。據相關數據統計，到2016年，全國農村生活污水處理率為22 %[1]。農村生活污水中有機物和氮磷等濃度較高，可生化性強，在排放上具有產生源分散、量小、變化系數大等特點[2]，根據農村地區實際情況，國內外對于農村生活污水的處理一般采用運行費用低，管理方便的技術[3]。

土壤滲濾處理技術是利用土壤—微生物復合生態系統，通過土壤的吸附沉淀以及微生物的降解等使污水得到凈化的一種處理方法，該處理方法建設費用低、能耗低、維護和管理方便，很適合用于農村地區生活污水處理[1]。土壤滲濾系統對有機物和總磷有較好的處理效果，去除率可達85 %以上，但總氮脫除效果不佳，去除率僅為30 %左右。根據相關學者研究，下部缺氧區碳源不足是造成系統脫氮效果不佳的主要原因[4]。要想強化土壤滲濾系統的脫氮效果，主要有兩種思路[5]：一是改善系統的基質配置，二是調整進水碳氮比。

為此，針對傳統土壤滲濾系統脫氮的不足。實驗以原水為碳源，采取上下分流的方式研究系統對總氮以及相關污染物的去除效果，為土壤滲濾系統進一步的推廣提供理論依據。另外，實驗選取農村取材方便且經濟的粉煤灰替換部分土壤，用于改良系統基質，提高系統的吸附性和滲透性。

1 裝置與方法

1.1 實驗裝置與運行工況

在大量研究土壤滲濾系統處理的實驗中，土柱實驗是其中的一個常用和重要手段。相關研究表明[6]，當土柱裝置直徑大于10 cm和高度大于100 cm時，可最大消除邊壁效應。同時，利用土柱實驗模擬污水處理效果，在凈化效果方面基本符合野外實際情況。本次污水實驗裝置主要由沉淀池、配水箱、布水管和土柱等四部分組成。為模擬地下封閉情況，實驗過程中將有機玻璃柱外壁處用黑色塑料袋罩住，避免陽光照射。為預防系統堵塞，水樣沉淀一星期后并經無紡紗布過濾再進入配水箱。實驗平行設置四組系統，研究系統在四種分流比工況下的處理效果。模擬土柱裝置為直徑20 cm，高110 cm的有機玻璃柱，其底部密封上表面開放?；緲嬙煲妶D1：從上往下依次敷設10 cm礫石層(粒徑為2～10 cm)，20 cm土壤層、10 cm粉煤灰層、20 cm土壤層、5 cm礫石層、10 cm土壤層、10 cm粉煤灰層、20 cm土壤層、5 cm礫石層。在礫石層與土壤層之間為了避免上部礫石匯入滲濾層而影響出水效果，鋪設200目尼龍網過濾紗布作為隔離層。生活污水沿多孔布水管進入滲濾基質，分為上下兩層進水，上層進水管鋪設在表面4 cm處，開孔率為15 %，下層進水管鋪設在據表面52 cm處，開孔率為15 %。

實驗開始于2018年10月，采用干濕交替間歇進水的進水方式，干濕比為3∶1，系統每天進水6 h，落干時間18 h。為了防止土壤堵塞以及加強系統復氧，實驗過程中每5 d對系統表層土壤進行翻動。

圖1 實驗裝置結構

1.2 分析項目及方法

實驗過程中的檢測指標以及方法如表1所示。

表1 指標監測方法

系統運行初期，每3 d抽取水樣進行指標檢測，后期系統穩定運行時，每5 d進行一次指標檢測。

2 結果及分析

2.1 系統啟動實驗

土壤滲濾系統的啟動實驗是指在系統正式穩定運行前的一段時間內，通過向系統中投配少量穩定的污水，使系統逐漸適應污水環境，并且促進系統內微生物開始增殖，以達到系統穩定處理污染物的狀態。為便于后續研究，實驗首先開始系統的啟動實驗，確保系統達到穩定運行的狀態。判斷系統達到穩定運行狀態的標準為系統是否對污染物達到穩定適宜的去除效率[7]。在啟動實驗中，水力負荷不宜過大，四組裝置均以0.04 m3/m2·d的水力負荷進行污水量的投配，利用轉子流量計控制進水流量。每3 d監測一次進出水COD，以系統COD去除率作為評價系統穩定性指標，即當系統COD去除率趨于穩定時，即認為系統啟動成功[7]。系統COD進出水濃度及去除率曲線見圖2。

圖2 啟動期COD濃度變化及去除率

從圖中可以看出，系統COD進出水濃度都存在一定的起伏。從系統COD去除效率來看，四組系統都經歷了一個先逐步增加然后降低最后再升高慢慢達到穩定的一個過程。在最開始的一周，COD去除率穩步上升達到了82 %左右， 9 d后，去除率逐漸下降，最低值為55.23 %，但在18 d后，系統去除率又開始出現上升趨勢，最終穩定在83 %左右。從系統對有機物的去除機理來看，去除COD主要靠吸附作用和微生物降解作用。 在系統啟動初期，系統填料吸附能力強，空隙率大，截留吸附以及填料過濾作用進行的較為徹底，因此系統的COD去除率逐步上升并達到一個較高的效率。而后隨著系統的不斷運行，部分被截留的污染物還未徹底降解而滯留于填料表面，降低了系統的吸附作用。與此同時，系統內部微生物雖逐具規模，但并不活躍，因此相應的出水COD濃度就增大，去除率下降。隨著系統的進一步運行，系統內部的微生物膜逐漸形成，微生物開始活躍起來，去除有機物的能力逐漸增強，系統對COD的去除率逐漸增加，并在25 d后的去除率達到相對穩定，系統啟動實驗完成。

2.2 分流比實驗結果分析

在城市污水處理中，常用甲醇和淀粉廠、制糖廠等排出的高濃度有機廢水作為碳源[8]。而對于土壤滲濾系統，若投加甲醇或者有機廢水，會顯著增加系統的運行成本和負荷。生活污水中同樣含有大量的可降解有機物，理論上也是可以作為碳源。因此，在研究中，改變原系統的進水方式，通過上下分流的措施在反硝化階段補加原水作為碳源，研究系統的總氮脫除及相關污染物去除效果。

實驗采用四組分流比：1∶0(上部進水：下部進水)、1∶1、1∶2、2∶1來進行實驗，水力負荷為0.08 m3/m2·d。

2.2.1 COD去除效果分析

從圖3可知，系統在分流比1∶0、1∶1、1∶2、2∶1的情況下，對COD的平均去除效率分別為86.39 %、78.32 %、75.24 %、82.36 %?？梢钥闯?，系統在未分流時，對COD的去除效率最高，當在系統下部投加原水時，系統對COD的去除效率降低，并且下部進水量越大，COD去除率越低。這說明當上下分流時，會在一定程度降低系統去除COD的效率。而分析該現象的可能原因是，在系統下部投加原水時，系統下部的污水在系統中的停留時間相對上部進水的污水更短，從而總體縮短了污水在系統中的停留時間，下部進水的污水中的某些可降解有機物可能還未來得及經微生物吸收降解就隨出水留出系統，從而造成系統出水有機物含量增加。因此，下部進水在一定程度上降低了系統對COD的去除率。

圖3 COD濃度變化及去除率

2.2.2 氨氮去除效果分析

從圖4可以看出，與COD類似，隨著系統下部進水量的增大，系統對氨氮的去除效率也呈逐漸降低的趨勢，分流比1∶2工況下，系統對氨氮的去除效率由未分流時的85.59 %降低至73.66 %。參考系統對COD的結果分析中所指出的，污水在系統中的水力停留時間的縮短也是造成系統對氨氮去除效率下降的原因之一。另外根據有關學者的研究結果中[9]，系統的ORP(氧化還原電位)是影響系統氨氮去除效率的重要影響因素，氨氮的脫除效率與系統的ORP呈正相關關系，系統ORP越高，氨氮脫除效率越好。原水中含有一定量的溶解氧，因此當系統下部投配原水，在帶來大量有機物的同時也帶來了一定量的溶解氧，而有機物的降解過程會消耗溶解氧，導致該區域內的ORP下降，并且系統下部的通氣性較差，不利于硝化作用的進行，氨氮的脫除效率也隨之下降，出水氨氮濃度增高，系統對氨氮的去除效率隨著下降。

圖4 氨氮濃度變化及去除率

2.2.3 總氮去除效果分析

如圖5所示，系統在不同分流比下總氮的去除率有明顯的差異。系統在分流比為1∶1和2∶1的時候，總氮出水濃度低于未分流時的系統出水濃度，總氮去除效率由42.92 %分別提高到47.91 %和63.78 %。這說明分流進水時，下部進水能在一定程度上為系統的缺氧區提供碳源，增強系統的反硝化作用，從而加強了系統對總氮的去除效果，提高系統的脫氮能力。但是，從分流比為1∶2的結果來看，其總氮出水濃度高于未分流時候的系統出水濃度，總氮去除效率由未分流的42.92 %下降到37.91 %。說明當下部進水量過高時，反而會降低系統對總氮的去除效率。從污染物的去除機理來看，導致這種結果的原因可能是因為當系統下部進水過多時，系統缺氧區內的有機氮及氨氮過多，還來不及被氧化就被排出系統，從而導致系統總氮含量增加，系統效率降低。

可以看出，系統采取上下分流的措施，能有效提高系統的總氮去除效率。但需要控制下部進水量，不宜過高，若過高反而會降低系統總氮去除效率。本次實驗中，分流比為2∶1時，總氮去除效率最高。

圖5 總氮濃度變化及去除率

2.2.4 總磷去除效果分析

從圖6可以看出，系統在分流比1∶0、1∶1、1∶2、2∶1的情況下，對總磷的平均去除效率分別為94.12 %、84.76 %、77.66 %、89.93 %。說明當系統下部進水時，對總磷的去除效率同樣存在一定影響。當分流比為1∶2時，系統總磷去除效率最低，為77.66 %，總磷去除效率最高時為未分流狀態下，去除效率為94.12 %。根據前面各項污染物的去除效果分析結果來看，分流造成系統總磷去除效率下降的原因可能是因為，下部進水在系統的停留時間較短，污水中的部分磷元素來不及經系統土壤及填料的物理化學吸附及微生物的同化作用就流出系統，從而導致出水總磷濃度增加，系統總磷去除效率下降。

圖6 總磷濃度變化及去除率

3 結論

(1)土壤滲濾系統在未分流的情況下對有機物、氨氮和總磷均有較好的去除效果，去除率分別達到86.39 %、85.59 %和94.12 %，但總氮脫除效果不佳，僅為42.92 %。

(2)采取分流措施后，可有效降低系統出水的總氮濃度，增強系統的反硝化作用，當分流比為2∶1時，總氮去除率由未分流時的42.92 %提高到63.78 %。但當下部進水量過大時，由于水力停留時間縮短，部分氨氮和硝態氮還未經系統反應就隨出水流出，系統出水總氮濃度增大，總氮去除效率降低。

(3)中間分流會降低系統對COD、氨氮和總磷的去除效率，若控制下部進水量的比例時，使其不能過高，也可在滿足出水標準的情況下有效提高系統脫氮效果，適宜的分流比是提高脫氮效果的關鍵。實驗中，在 8 cm/d的水力負荷下，分流比2∶1時，污染物去除效率為COD為82.36 %、氨氮80.07 %、TN為63.78 %、TP為89.93 %。四種污染指標可達到城鎮污水處理廠排放一級B標準(GB 18918-2002)，可滿足農村地區污水處理標準。

(4)相對于向系統中添加生物基質以提高脫氮效果，分流措施工藝建設簡單，可在不增加系統的運行成本的基礎上顯著改善系統脫氮效果，在上部進水管和下部進水管設置流量調節裝置，可對上下進水流量進行調節來得到系統最佳的分流比例，一定程度上提高了土壤滲濾系統的適用性以及分流的可行性。