潘 晶, 張智宇, 孫 博, 張 瀅, 邱 雨, 黃琳麗, 佟德利

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

0 引 言

地下滲濾系統(tǒng)(Subsurface infiltration systems, SIS)是應(yīng)用較為廣泛的分散式污水處理技術(shù),該技術(shù)是將污水投配到具有一定滲透性和凈化能力的土層中,污染物在土壤和微生物的聯(lián)合作用下得以去除[1]。該技術(shù)建造和運行成本低、有機物的去除率高、維修需求少,被廣泛用于美國、日本、俄羅斯、中國和其他國家[2]。傳統(tǒng)的SIS的脫氮效率較低,限制了SIS的應(yīng)用[2-4]。

SIS的脫氮過程中,硝化-反硝化作用占69%～77%,是主要的脫氮作用[5-6]。硝化作用需要足夠的氧氣,而反硝化作用則是在缺氧的環(huán)境中進行的,在傳統(tǒng)的SIS中是無法同時實現(xiàn)的[7]。反硝化需要碳源[5],有機物的分解主要發(fā)生在SIS的上層,導致下層缺少碳源,反硝化作用較差[4]。碳源是制約傳統(tǒng)地下滲濾系統(tǒng)反硝化作用的關(guān)鍵因素[4-8]。強化地下滲濾系統(tǒng)復氧技術(shù),有利于改善電子受體濃度,提高系統(tǒng)處理效果。人工曝氣是污水地下滲濾系統(tǒng)一種有效增加土壤基質(zhì)溶解氧含量的方法[9-10]。為提高地下滲濾系統(tǒng)對TN的去除效果,研究人員以原水為碳源,采用進水分流的投配方式增加碳源,強化反硝化作用,結(jié)果表明,進水分流能夠明顯提高地下滲濾系統(tǒng)對TN的去除效果,TN去除率由55%提高到65%[11]。曝氣對進水分流地下滲濾系統(tǒng)凈化效果的影響鮮見報道。

本研究的主要內(nèi)容有:1)不同分流比下,間歇曝氣/不曝氣對SIS基質(zhì)溶解氧(DO)及污染物(COD、TP、NH3-N、TN)去除的影響;2)確定進水分流SIS的最佳運行參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 SIS實驗裝置

SISs為高120 cm,內(nèi)直徑50 cm有機玻璃柱(如圖1)。DO電極位于SISs基質(zhì)中央的50 cm、80 cm、110 cm深處。布水管位于基質(zhì)40 cm處,出水管位于SISs底部。SIS A沒有曝氣和進水分流的控制系統(tǒng)。SIS B只有進水分流的控制系統(tǒng),分流管位于布水管下方20 cm處。SIS C具有間歇曝氣和進水分流控制系統(tǒng),分流管位于布水管下方20 cm處,間歇曝氣裝置位于基質(zhì)40 cm處。SISs內(nèi)部基質(zhì)為80%棕壤和20%爐渣(質(zhì)量百分比)。

1—滲濾主體; 2—高位水箱; 3—液體流量計; 4、5—間歇曝氣裝置; 6—DO電極; 7—布水管; 8—分流管; 9—排水口; 10—取樣口圖1 模擬地下滲濾系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three subsurface infiltration systems (SISs).

1.2 SIS運行

化糞池預處理后的污水連續(xù)進入SISs。SIS A、SIS B和SIS C的總水力負荷為0.12 m3/(m2·d)。SIS C采取間歇曝氣方式,即:曝氣1 h,停止曝氣5 h,每天曝氣開始的時間為1點、7點、13點及19點。曝氣量為(4.0±0.2) L/min。SIS B和SIS C進行3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和1∶3不同的分流比(分流水力負荷與進水水力負荷的比值)下實驗。

SISs進水水質(zhì)指標為:pH 7.1～7.4,COD 185.5～261.8 mg/L,TN 36.4～46.7 mg/L,TP 3.2～6.8 mg/L,NH3～N 32.3-43.8 mg/L。SISs穩(wěn)定運行后進行實驗。

1.3 樣品采集和分析方法

SISs進水和出水樣品每10 d采樣一次。按照國家標準方法對水樣中的COD、TP、TN、NH3-N和NO3-N進行分析。重復分析3次并記錄。

1.4 統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010整理后,利用SPSS 12.0軟件進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 一個曝氣/不曝氣周期基質(zhì)DO濃度曲線

DO濃度大于2.0 mg/L通常認為是好氧環(huán)境,而小于0.2 mg/L則表示厭氧環(huán)境。DO濃度在0.5 mg/L到0.2 mg/L之間代表缺氧環(huán)境[9-11]。一個曝氣與不曝氣周期內(nèi)基質(zhì)的DO濃度曲線如圖2所示。間歇曝氣與不曝氣的系統(tǒng)基質(zhì)DO濃度差異顯著。在SIS A基質(zhì)50 cm,80 cm,110 cm深度處DO平均濃度分別為0.65 mg/L,0.24 mg/L,0.10 mg/L。在SIS B中,在50 cm深度處的DO平均濃度為0.69～0.96 mg/L,在80 cm處和110 cm處的DO濃度低于0.23 mg/L和0.10 mg/L。結(jié)果表明,不曝氣SIS基質(zhì)50 cm的好氧環(huán)境不佳。SIS B中,進水分流沒有改變基質(zhì)上部缺氧或厭氧環(huán)境。以往的研究表明,空氣擴散到SIS基質(zhì)中的氧氣是有限的,傳統(tǒng)SIS中布水管以下是缺氧和厭氧環(huán)境[12]。人工曝氣可以增加SIS C上層基質(zhì)的氧濃度。在SIS C中50 cm深的DO濃度顯著高于SIS A和SIS B(P<0.05),但是在80 cm和110 cm深度的DO濃度和SIS A、SIS B沒有顯著的差異(P>0.05)。不同的分流比下,SIS C中DO變化趨勢相同,即曝氣期基質(zhì)DO保持較高濃度,非曝氣期50 cm深度的DO濃度緩慢下降。在3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和1∶3的分流比下,曝氣時50 cm基質(zhì)DO濃度大于6.52 mg/L,不曝氣時DO濃度高達2.84 mg/L;而在80 cm和110 cm深度時,曝氣時的DO濃度分別低于0.46 mg/L和0.18 mg/L,未曝氣時DO濃度分別低于0.38 mg/L和0.09 mg/L。在SIS C內(nèi),曝氣創(chuàng)造了50 cm深度好氧環(huán)境,而未改變80 cm和110 cm深度缺氧或厭氧條件。上層基質(zhì)的好氧條件,下層基質(zhì)的缺氧或厭氧條件有利于硝化和反硝化反應(yīng)的進行[13]。SIS B和SIS C中,50 cm深度DO濃度隨著分流比的降低而降低,在較低分流比下,有機物和營養(yǎng)物質(zhì)降解需要消耗更多的氧氣。

圖2 分流比為(a) 3∶1,(b) 2∶1,(c) 1∶1,(d) 1∶2,(e) 1∶3下,3組SISs基質(zhì)溶解氧濃度

2.2 COD和TP的去除

如圖3所示,進水COD濃度波動較大(范圍從185.5 mg/L到261.8 mg/L),但SIS A的出水COD濃度保持相對穩(wěn)定(39.28±3.6 mg/L),傳統(tǒng)的SISs對有機物去除效果較好,在其他研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論[2,4,7]。然而,進水分流系統(tǒng)中COD去除率隨著分流比的增大而降低。分流比由1∶3增加到3∶1時,SIS B中COD平均去除率從94.02%降到81.12%;SIS C中COD平均去除率從51.26%降低到43.03%。分流比越大,水力停留時間越短,導致分流污水在缺氧或厭氧條件下有機物不能完全氧化。在3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和1∶3的分流比時,SIS B的平均出水COD濃度高于SIS A。此外,在分流比為3∶1和2∶1時,SIS B和SIS C的出水COD平均濃度都高于我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18921—2002)。高分流比下分流污水對COD去除具有不利的影響[14-15]。在最佳分流比下,分流污水對COD去除的影響可以忽略不計。在分流比為1∶2和1∶3時,SIS C的平均出水COD的濃度(22.38 mg/L和13.47 mg/L)顯著低于SIS A(39.28 mg/L)(P<0.05),在同樣分流比下,SIS C的COD平均去除率顯著高于SIS B(P<0.05)。間歇曝氣明顯提高了COD的去除,這與其他研究一致[4]。在SIS中,有機質(zhì)被土壤吸收,然后被微生物過程分解[14]。雖然有機物可以同時進行厭氧和好氧降解,但好氧降解通常更為重要[16]。氧氣被認為是SISs中有機物降解的主要限制因素之一[17]。充足的氧氣供應(yīng)會大大地提高好氧生物化學氧化的性能[18]。在SIS C中,間歇曝氣使上層基質(zhì)擁有好氧環(huán)境,從而促進有機物的好氧去除。

如圖3所示, SIS A、B、C對TP去除率高達91%,出水TP濃度均低于我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18921—2002)。3組SIS對TP去除沒有顯著的差異(P>0.05)。進水分流對TP的去除率無顯著影響(P>0.05)。SIS對TP的去除機制包括物理沉降、化學吸附和沉淀以及生物過程[18],其中物理沉降和化學吸附是SIS中TP的去除主要途徑[19]。在相同分流比下,SIS C的TP去除率略高于SIS B。曝氣促進基質(zhì)對TP的吸附和沉淀[20-21]。TP的去除率隨分流比的增加而降低,分流比由1∶3增加到3∶1時,SIS B中TP平均去除率從92.58%下降到91.43%;SIS C中TP平均去除率從93.65%下降到92.17%。原因是在較低的分流比下,水力停留時間更長,這增加了接觸時間,有利于吸附與沉淀[22]。

圖3 COD和TP凈化效果Fig.3 Removal performance of COD and TP

上述結(jié)果表明,進水分流與間歇曝氣相結(jié)合,在分流比1∶2時,顯著提高COD的去除,對TP的去除影響較小;進水分流無曝氣措施下,分流比為1∶3時,COD和TP的去除效果較好。

2.3 NH3-N和TN的去除

在SISs中,氨氮去除是通過硝化-反硝化、植物吸收、氨揮發(fā)、吸附等過程完成。其中,硝化和反硝化是主要的去除過程,其機理如下[7,14]:

氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽必須有氧參與,硝化過程通常是SISs中脫氮的限速步驟[23]。

圖4 NH3-N、TN凈化效果和進出水NO3-N的濃度Fig.4 Removal performance of NH3-N, TN and NO3-N concentrations of effluent and influent

如圖4所示,在分流比為1∶2和1∶3的情況下,間歇曝氣使SIS C中NH3-N去除率在88%以上。間歇曝氣提高了上層基質(zhì)中的DO濃度,這有利于硝化作用。由于DO濃度的限制,大多數(shù)傳統(tǒng)的SISs無法實現(xiàn)有效的硝化作用[7,24]。人工曝氣是提高基質(zhì)中DO濃度的最有效方法[7]。DO濃度高于1.5 mg/L對于硝化作用是必不可少的[25],而在不曝氣的SIS A和SIS B中NH3-N平均去除率均低于71%,由于基質(zhì)DO濃度低于1.0 mg/L,導致NH3-N的去除受限。隨著分流比的增大,SIS B和SIS C中的NH3-N的去除率降低。由于分流污水直接進入較深的基質(zhì)中,且不利的缺氧或厭氧條件限制了硝化作用,所以,SIS B出水NH3-N平均濃度高于SIS A。在分流比為3∶1、2∶1的情況下,SIS B和SIS C出水NH3-N平均濃度均高于我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18921—2002)。SIS B相比于SIS A而言,在分流比為1∶1、1∶2和1∶3的情況下,分流污水對NH3-N的去除影響很小。在同樣分流比下,SIS C中,平均出水NH3-N濃度明顯低于SIS B和SIS A(P<0.05)。結(jié)果表明,人工曝氣是提高地下滲濾系統(tǒng)NH3-N去除率的有效措施。

3 結(jié) 論

間歇曝氣創(chuàng)造了地下滲濾系統(tǒng)基質(zhì)50 cm深度的好氧條件,而沒有改變基質(zhì)80 cm和110 cm深度的缺氧或厭氧條件,促進了系統(tǒng)硝化作用和反硝化作用。間歇曝氣和進水分流SIS在最佳分流比為1∶2時, COD、TP、NH3-N和TN去除率分別為90.06%、93.17%、88.20%和85.79%;進水分流SIS在最佳分流比為1∶3時,COD、TP、NH3-N和TN去除率分別為81.12%、92.58%、69.14%和58.73%。間歇曝氣和進水分流相結(jié)合的SIS,污染物去除性能好,為新型的SIS的設(shè)計、建造和運行提供了參考。