潘 晶,孫鐵珩,李海波 (1.沈陽師范大學化學與生命科學學院,遼寧 沈陽 11004；2.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽 110016；.沈陽大學沈陽市環(huán)境工程重點實驗室,遼寧 沈陽 110044)

污水地下滲濾系統(tǒng)強化脫氮試驗研究

潘 晶1*,孫鐵珩2,3,李海波3(1.沈陽師范大學化學與生命科學學院,遼寧 沈陽 110034；2.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽 110016；3.沈陽大學沈陽市環(huán)境工程重點實驗室,遼寧 沈陽 110044)

構建了3套以5%爐渣+95%草甸棕壤為基質的地下滲濾系統(tǒng)室內模擬試驗裝置,在水力負荷為0.1m3/(m2·d)條件下進行了生活污水處理試驗.結果表明,當分流位置位于系統(tǒng)內110cm處,分流比為1:1時,可提高地下滲濾對總氮的去除效率,總氮的去除率由59.37%提高至68.41%,且對COD和總磷的去除效果沒有影響.

地下滲濾系統(tǒng)；生活污水；脫氮；分流

地下滲濾處理系統(tǒng)是基于生態(tài)凈化作用,結合厭氧、好氧的污水處理技術,形成的一種水處理技術[1].其原理是將經化糞池中預處理的生活污水有控制地投配到一定構造、距地面約 50～100cm深、具有良好擴散性能的土層中.污水經毛細管浸潤和土壤滲濾作用,向周圍運動.在土壤-微生物-植物系統(tǒng)的綜合凈化功能作用下,使水與污染物分離,水被滲濾并通過集水管收集.污染物通過物化吸附被截留在土壤中;碳和氮由于厭氧及好氧過程,一部分被分解成為無機碳、氮留在土壤中,一部分變成N2和CO2逸散在空氣中;磷則被土壤吸附,截留在土壤中,為草坪或者其 植物所利用[1].

地下滲濾系統(tǒng)中氮的脫除途徑包括反硝化、植物吸收、土壤固定和氨氮揮發(fā)等,其中生物硝化、反硝化過程是最主要的途徑[2-3].有研究表明

[4],碳源是影響地下滲濾生物反硝化的主要因素,若投配污水的(C/N)＜3,則碳源不足,反硝化菌的活性將受到抑制而不利于氮的去除.為提高地下滲濾系統(tǒng)對總氮的脫除效果,可在反硝化階段投加碳源(甲醇、有機廢水)來強化反硝化過程.本研究以生活污水為碳源,采用進水分流措施,考察不同分流位置、不同分流比及最佳分流條件時地下滲濾系統(tǒng)的凈化效果.

1 材料與方法

1.1 地下滲濾結構與試驗方法

試驗在圖 1所示的模擬土柱中進行,裝置采用直徑為50cm的有機玻璃柱,高130cm,分別標為1#～3#柱.表層分別為20cm草甸棕壤和20cm爐渣,滲濾基質高80cm(滲濾層).各土柱進水布水管位于土柱內90cm處(從上向下計算),并用2層目孔為1.1mm×1.1mm的尼龍網包裹,周圍填充直徑為5～10mm的礫石.1#柱無分流管(對照);2#柱進水分流管位于土柱內 100cm處(A);3#柱分流管位于土柱內110cm處(B)(從上向下計算).土柱的底部裝以10cm厚的直徑為5～10mm礫石層.處理后,水由底部排出.滲濾基質配方為 5%爐渣+95%草甸棕壤.3個試驗系統(tǒng)的水力負荷均為 0.1m3/(m2·d);干濕比為1:1 (淹水24h,落干24h);試驗室溫為15±3℃;分流比為布水管水量與分流管水量比值.進水為生活污水,水質如下:pH值為 6.5～7.9,COD為 147.5～262.2mg/L,總磷為 5.1～11.6mg/L,氨氮為 28.9～46.4mg/L,總氮為33.7～ 51.3mg/L.

圖1 地下滲濾系統(tǒng)試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of subsurface wastewater infiltration system

1.2 分析方法

不同分流位置、分流比地下滲濾進出水常規(guī)指標在系統(tǒng)運行60d后,每5d測定1次;COD、總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮按照文獻[5]進行測定.

2 結果與討論

2.1 不同分流位置的去除效果

不同分流位置,分流比1:1時,地下滲濾處理效果如圖2所示.由圖2(a)、圖2(d)可以看出,采用分流的地下滲濾出水COD和氨氮濃度都略高于對照,2#、3#系統(tǒng)對COD去除率分別比對照下降 0.82%和 2.19%,氨氮的去除率分別比對照下降 2.87%和 3.36%,但出水遠遠低于排放標準.原因是一部分污水流經地下滲濾基質的距離減少,導致系統(tǒng)對污染物的去除效果下降.

由圖2(b)可以看出,無論進水是否采用分流,地下滲濾對總磷都有很好的去除效果,去除率均超過 94%,出水濃度遠低于我國城鎮(zhèn)污水處理廠一級排放標準:TP≤0.5mg/L(GB18921-2002)[6].地下滲濾中磷的去除是物理化學吸附和化學沉淀作用[7-8],這些作用能在很短時間內完成,分流不會影響總磷的去除.

由圖 2(c)可以看出,地下滲濾采用分流措施后,總氮的去除效果明顯上升,當分流位于土柱100cm(2#)、110cm(3#)時,總氮的去除率分別比對照增加了 3.84%和 9.06%.總氮的去除主要是硝化和反硝化作用,進水中的有機物絕大部分在氧充足的布水口附近被氧化,氧的濃度隨著深度的增加而減小,周圍環(huán)境變?yōu)閰捬趸蛉毖鯛顟B(tài),有利于反硝化進行;但在未分流地下滲濾中,隨著深度的增加污水中的有機物濃度大幅度減少,系統(tǒng)缺乏碳源,不利于反硝化進行.碳源是影響地下滲濾生物反硝化的主要因素[1],進水分流能補充碳源,滿足生物反硝化所需.采用分流措施可以提高系統(tǒng)對總氮的去除率,而對其他指標的去除幾乎沒有影響,最佳的分流位置位于土柱內 110cm處,即布水口下方20cm.

2.2 不同分流比的去除效果

不同分流比,分流位置位于系統(tǒng)內 110cm處,地下滲濾處理效果見圖3.由圖3(a)可以看出,在分流比為3:1、2:1和1:1時,出水COD幾乎沒有變化;但分流比為1:2和1:3時,分流對出水COD有影響.原因是低分流比時污水在系統(tǒng)中停留時間減少,導致微生物不能充分氧化有機物,使出水COD偏高.

由圖 3(b)可以看出,分流和未分流情況下氨氮的去除效率相差不大,出水氨氮隨下層進水量增加而有所上升,原因是下層進水增加將消耗更多的溶解氧,導致土壤氧化還原電位(ORP)隨深度增加趨于下降,而 ORP過低,氨氮無法進行有 效的轉化,進而導致出水氨氮濃度升高[9].

圖2 不同分流位置去除效果Fig.2 Removal performances at different shunt positions

圖3 不同分流比的去除效果Fig.3 Pollutants removal performances at different shunt ratios

系統(tǒng)的除氮效率一般用總氮去除率來表征,總氮的去除是多種因素共同促成,但許多資料表明,硝化/反硝化是其中最重要的影響因素,而總氮去除率的高低也反映了系統(tǒng)內部硝化和反硝化的進行程度.由圖 3(c)可以看出.分流比分別為3:1、2:1、1:1時,出水的總氮濃度都低于不采取分流措施,總氮的去除率由 59.37%分別提高到59.64%、62.08%、68.41%.當分流比為 1:2、1:3時,出水的總氮濃度都高于不采取分流措施,總氮的去除率由 59.37%分別降到 47.2%、29.07 %.地下滲濾中,氮的去除包括作物吸收、生物脫氮以及氨氮揮發(fā)等.生活污水中的氮通常以有機氮和氨(也可以是銨離子)的形式存在.在土壤-植物系統(tǒng)中,有機氮在微生物的作用下轉化為氨態(tài)氮,由于土壤顆粒帶有負電荷,銨離子很容易被吸附,土壤微生物通過硝化作用將氨態(tài)氮轉化為硝態(tài)氮,土壤又可恢復對銨離子的吸附功能.土壤對負電荷的NO3

-沒有吸附截留能力,NO3-隨水運動遷移;在遷移過程中NO3-可以被植物根系吸收而成為植物營養(yǎng)成分,也可能發(fā)生反硝化過程,最終轉化為N2或N2O揮發(fā)掉.通過硝化、反硝化作用實現生物脫氮是地下滲濾去除氮的主要途徑,改善條件以促進反硝化反應是提高總氮去除率的關鍵.研究表明[10-12],地下滲濾的氧化還原條件不是反硝化的限制因素,合適的碳氮比才是脫氮高效進行的關鍵.污水進入地下滲濾后,在好氧微生物的作用下,有機物被吸附、降解,當污水進入缺氧區(qū)后,碳源不足,通過適當比例的分流措施,補充碳源,加強了反硝化作用.但當分流比過大時,進入到厭氧區(qū)的大多數有機氮、氨氮不能被氧化,所以總氮去除率比不采取分流措施降低.

由圖 3(d)可以看出,采用進水分流措施對系統(tǒng)總磷的去除影響很小.只有當分流比為1:3時,系統(tǒng)出水的總磷濃度略超標.原因可能是分流污水量大且停留時間較短,吸附、化學沉淀作用不完全造成.地下滲濾總磷的去除主要是土壤吸附與沉淀作用,去除的總磷量高達系統(tǒng)投配總磷量的90%以上[13].

地下滲濾的反硝化過程中,能進行人工調節(jié)的因素有2個,一是反硝化環(huán)境的氧化還原特性,二是污水中的 C/N.氧化還原性可通過改變填充基質或提高出水位等手段,而C/N可通過采取分流措施調節(jié).一般情況下,處理生活污水的地下滲濾系統(tǒng)在進行反硝化時碳源往往不夠,因此必須增加碳源.前述試驗結果表明,采取適當分流比的分流措施能顯著改善對總氮的去除效果,同時對COD和TP的去除影響很小,由此可得最佳的分流比為1:1.

2.3 最佳分流位置及分流比的去除效果

最佳分流條件,即分流位置位于土柱內110cm處、分流比1:1時,地下滲濾運行50d的處理效果見表1.

表1 最佳分流條件時去除效果 (mg/L)Table 1 Pollutants removal under optimized conditions (mg/L)

進水中的COD在187.6～262.2mg/L之間波動,最佳分流條件時系統(tǒng)出水和未分流系統(tǒng)的出水 COD濃度相差不大;進水總磷濃度為5.1～9.2mg/L,兩系統(tǒng)對總磷的去除率均在90%以上,出水總磷濃度在0.45mg/L以下.

系統(tǒng)進水氨氮濃度為 28.9～46.4mg/L,最佳分流條件時出水氨氮濃度略高于對照,因分流污水從后半段進入,而該處土壤的埋深較大、通氣性較差,不利于硝化反應的進行,使部分氨氮未完成硝化過程就流出系統(tǒng),導致氨氮去除率有所降低,但遠低于排放標準.

最佳分流條件時出水總氮濃度始終比對照系統(tǒng)低,原因是采取了分流措施.污水自布水管進入后,其中多數 COD已在上層的好氧區(qū)降解,污水進入缺氧區(qū)后,碳源嚴重不足,通過進水分流,補充系統(tǒng)碳源,加強反硝化作用,所以對總氮去除效果大為提高.

進水硝態(tài)氮濃度＜2.0mg/L,而兩套系統(tǒng)出水硝態(tài)氮濃度均遠高于進水,原因是地下滲濾中良好的硝化反應導致.最佳分流條件時出水的硝態(tài)氮濃度比對照低得多,說明采取分流措施的確可以明顯促進反硝化反應的進行.

進水亞硝態(tài)氮濃度低于0.15mg/L,對照系統(tǒng)出水亞硝態(tài)氮濃度也較低,而最佳分流條件時出水亞硝態(tài)氮濃度則很高,原因是分流污水的水力流通路徑短,當污水進入系統(tǒng)后主要在缺氧環(huán)境中下滲,不利于硝化反應的進行,導致出水硝化反應的中間產物亞硝態(tài)氮濃度較高.

綜上,最佳分流條件時地下滲濾的硝化反應受到一定程度的抑制,導致出水氨氮、亞硝態(tài)氮濃度略高于對照,但該系統(tǒng)的反硝化效果顯著優(yōu)于對照,即采取分流措施有利于提高地下滲濾對總氮的去除,且對出水水質基本無影響.

3 結論

3.1 在以 5%爐渣+95%草甸棕壤為基質的地下滲濾系統(tǒng),進水分流可以增加反硝化過程的碳源,加強反硝化作用.當分流位置位于土柱內 110cm處,分流比分別為3:1、2:1、1:1時,地下滲濾出水總氮濃度都低于不采取分流措施,總氮的去除率由59.37%分別提高到59.64%、62.08%、68.41%.當分流比為1:2、1:3時,出水的總氮濃度都高于不分流措施.分流比為1:2、1:3時,出水COD和總磷的濃度都不同程度升高.地下滲濾最佳的分流比為1:1,最佳分流位置為系統(tǒng)內110cm處.

3.2 采取分流措施后,地下滲濾出水總氮濃度明顯降低,對于COD、總磷、氨氮的去除效率基本無影響.

[1] Kong Hai Nan, Yuzuru Kimochi, Motoyuki Mizuochi. Study of the characteristics of CH4and N2O emission and methods of controlling their emission in the soil-trench wastewater treatment process [J]. Sci. Total Environ., 2002,290:59-67.

[2] 張 建,黃 霞,魏 杰,等.地下滲濾污水處理系統(tǒng)的氮磷去除機理 [J]. 中國環(huán)境科學, 2002,22(5):438-441.

[3] 潘 晶,張 陽,孫鐵珩,等.地下滲濾基質中微生物空間分布與污水凈化效果 [J]. 中國環(huán)境科學, 2008,28(7):656-660.

[4] 張希衡.水污染控制工程 [M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2003, 282-286.

[5] 國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法 [M]. 4版.北京:中國環(huán)境科學出版社, 2002, 107-696.

[6] G B 18921-2002 城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質.[S].

[7] Pratt C, Shilton A, Pratt S. Haverkamp. Phosphorus removal mechanisms in active slag filters treating waste stabilization pond effluent [J]. Environ. Sci. Technol., 2007,41:3296-3301.

[8] Ifrim G, Bahrim G, Rapeanu G. Nitrogen removal strategy from baker’s yeast industry effluents [J]. Innovative Romanian Food Biotech., 2008,2:11-24.

[9] Ingraham J. Microbiology and genetics of denitrifiers: denitrification, nitrification and atmospheric nitrous oxide [M]. NY: John Wiley and Sons, Inc., 1981:455-465.

[10] Lafolie F. Modeling water flow, nitrogen transport and foot uptake including physical non-equlibrium and optimization of the root water potential [J]. Fertilizer Research, 1991,27:193-198.

[11] Mirsechet W. Simulation of the effects of nitrogen supply on yield formation processes in winter wheat with the model TRITSIM [J]. Fertilizer Research, 1991,27:215-230.

[12] Kersebaum K, Richer J. Modeling nitrogen dynamics in a plant-soil system with a simply model for advisorym purposes [J]. Fertilizer Research, 1991,27:273-276.

[13] 孫鐵珩,周啟星,張凱松.污水生態(tài)處理技術體系及應用 [J]. 水資源保護, 2002,3:6-13.

Studies on intensified nitrogen removal in subsurface wastewater infiltration system.

PAN Jing1*, SUN Tie-heng2,3, LI Hai-bo3(1.College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China；2.Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China；3.Shenyang Key Laboratory of Environment Engineering, Shenyang University, Shenyang 110004, China). China Environmental Science, 2011,31(9)：1456～1460

The reason of low removal efficiency of total nitrogen in vertical infiltration of subsurface wastewater infiltration system (SWIS) is deficiency of carbon. Three pilot SWISs filled with the same mixed matrix of 5% slag and 95% brown soil were constructed in the laboratory. The experiment results showed that shunt distributing wastewater could significantly improve total nitrogen removal and the average removal rates of total nitrogen increased from 59.37% (without taking distributary measures) to 68.41%, and it had no great influence on the removal of COD and total phosphorus, when distributary ratio was 1:1 and shunt position at the depth of 110 cm. The results suggested that shunt distributing wastewater was simple and effective for nitrogen removal.

subsurface wastewater infiltration system；domestic sewage；nitrogen removal；shunt distributing wastewater

X52

A

1000-6923(2011)09-1456-05

2010-12-11

國家自然科學基金資助項目(41001321);沈陽市科技計劃項目(110457);沈陽師范大學博士啟動基金

* 責任作者, 副教授, crystalpan78@126.com

潘 晶(1977-),女,遼寧沈陽人,副教授,博士,主要從事污水生態(tài)處理研究.發(fā)表論文13篇.