污水地下渗滤系统强化脱氮试验研究

潘 晶,孙铁珩,李海波 (1.沈阳师范大学化学与生命科学学院,辽宁 沈阳 11004；2.中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016；.沈阳大学沈阳市环境工程重点实验室,辽宁 沈阳 110044)

污水地下渗滤系统强化脱氮试验研究

潘 晶1*,孙铁珩2,3,李海波3(1.沈阳师范大学化学与生命科学学院,辽宁 沈阳 110034；2.中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016；3.沈阳大学沈阳市环境工程重点实验室,辽宁 沈阳 110044)

构建了3套以5%炉渣+95%草甸棕壤为基质的地下渗滤系统室内模拟试验装置,在水力负荷为0.1m3/(m2·d)条件下进行了生活污水处理试验.结果表明,当分流位置位于系统内110cm处,分流比为1:1时,可提高地下渗滤对总氮的去除效率,总氮的去除率由59.37%提高至68.41%,且对COD和总磷的去除效果没有影响.

地下渗滤系统；生活污水；脱氮；分流

地下渗滤处理系统是基于生态净化作用,结合厌氧、好氧的污水处理技术,形成的一种水处理技术[1].其原理是将经化粪池中预处理的生活污水有控制地投配到一定构造、距地面约 50～100cm深、具有良好扩散性能的土层中.污水经毛细管浸润和土壤渗滤作用,向周围运动.在土壤-微生物-植物系统的综合净化功能作用下,使水与污染物分离,水被渗滤并通过集水管收集.污染物通过物化吸附被截留在土壤中;碳和氮由于厌氧及好氧过程,一部分被分解成为无机碳、氮留在土壤中,一部分变成N2和CO2逸散在空气中;磷则被土壤吸附,截留在土壤中,为草坪或者其 植物所利用[1].

地下渗滤系统中氮的脱除途径包括反硝化、植物吸收、土壤固定和氨氮挥发等,其中生物硝化、反硝化过程是最主要的途径[2-3].有研究表明

[4],碳源是影响地下渗滤生物反硝化的主要因素,若投配污水的(C/N)＜3,则碳源不足,反硝化菌的活性将受到抑制而不利于氮的去除.为提高地下渗滤系统对总氮的脱除效果,可在反硝化阶段投加碳源(甲醇、有机废水)来强化反硝化过程.本研究以生活污水为碳源,采用进水分流措施,考察不同分流位置、不同分流比及最佳分流条件时地下渗滤系统的净化效果.

1 材料与方法

1.1 地下渗滤结构与试验方法

试验在图 1所示的模拟土柱中进行,装置采用直径为50cm的有机玻璃柱,高130cm,分别标为1#～3#柱.表层分别为20cm草甸棕壤和20cm炉渣,渗滤基质高80cm(渗滤层).各土柱进水布水管位于土柱内90cm处(从上向下计算),并用2层目孔为1.1mm×1.1mm的尼龙网包裹,周围填充直径为5～10mm的砾石.1#柱无分流管(对照);2#柱进水分流管位于土柱内 100cm处(A);3#柱分流管位于土柱内110cm处(B)(从上向下计算).土柱的底部装以10cm厚的直径为5～10mm砾石层.处理后,水由底部排出.渗滤基质配方为 5%炉渣+95%草甸棕壤.3个试验系统的水力负荷均为 0.1m3/(m2·d);干湿比为1:1 (淹水24h,落干24h);试验室温为15±3℃;分流比为布水管水量与分流管水量比值.进水为生活污水,水质如下:pH值为 6.5～7.9,COD为 147.5～262.2mg/L,总磷为 5.1～11.6mg/L,氨氮为 28.9～46.4mg/L,总氮为33.7～ 51.3mg/L.

图1 地下渗滤系统试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of subsurface wastewater infiltration system

1.2 分析方法

不同分流位置、分流比地下渗滤进出水常规指标在系统运行60d后,每5d测定1次;COD、总氮、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮按照文献[5]进行测定.

2 结果与讨论

2.1 不同分流位置的去除效果

不同分流位置,分流比1:1时,地下渗滤处理效果如图2所示.由图2(a)、图2(d)可以看出,采用分流的地下渗滤出水COD和氨氮浓度都略高于对照,2#、3#系统对COD去除率分别比对照下降 0.82%和 2.19%,氨氮的去除率分别比对照下降 2.87%和 3.36%,但出水远远低于排放标准.原因是一部分污水流经地下渗滤基质的距离减少,导致系统对污染物的去除效果下降.

由图2(b)可以看出,无论进水是否采用分流,地下渗滤对总磷都有很好的去除效果,去除率均超过 94%,出水浓度远低于我国城镇污水处理厂一级排放标准:TP≤0.5mg/L(GB18921-2002)[6].地下渗滤中磷的去除是物理化学吸附和化学沉淀作用[7-8],这些作用能在很短时间内完成,分流不会影响总磷的去除.

由图 2(c)可以看出,地下渗滤采用分流措施后,总氮的去除效果明显上升,当分流位于土柱100cm(2#)、110cm(3#)时,总氮的去除率分别比对照增加了 3.84%和 9.06%.总氮的去除主要是硝化和反硝化作用,进水中的有机物绝大部分在氧充足的布水口附近被氧化,氧的浓度随着深度的增加而减小,周围环境变为厌氧或缺氧状态,有利于反硝化进行;但在未分流地下渗滤中,随着深度的增加污水中的有机物浓度大幅度减少,系统缺乏碳源,不利于反硝化进行.碳源是影响地下渗滤生物反硝化的主要因素[1],进水分流能补充碳源,满足生物反硝化所需.采用分流措施可以提高系统对总氮的去除率,而对其他指标的去除几乎没有影响,最佳的分流位置位于土柱内 110cm处,即布水口下方20cm.

2.2 不同分流比的去除效果

不同分流比,分流位置位于系统内 110cm处,地下渗滤处理效果见图3.由图3(a)可以看出,在分流比为3:1、2:1和1:1时,出水COD几乎没有变化;但分流比为1:2和1:3时,分流对出水COD有影响.原因是低分流比时污水在系统中停留时间减少,导致微生物不能充分氧化有机物,使出水COD偏高.

由图 3(b)可以看出,分流和未分流情况下氨氮的去除效率相差不大,出水氨氮随下层进水量增加而有所上升,原因是下层进水增加将消耗更多的溶解氧,导致土壤氧化还原电位(ORP)随深度增加趋于下降,而 ORP过低,氨氮无法进行有 效的转化,进而导致出水氨氮浓度升高[9].

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

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

系统的除氮效率一般用总氮去除率来表征,总氮的去除是多种因素共同促成,但许多资料表明,硝化/反硝化是其中最重要的影响因素,而总氮去除率的高低也反映了系统内部硝化和反硝化的进行程度.由图 3(c)可以看出.分流比分别为3:1、2:1、1:1时,出水的总氮浓度都低于不采取分流措施,总氮的去除率由 59.37%分别提高到59.64%、62.08%、68.41%.当分流比为 1:2、1:3时,出水的总氮浓度都高于不采取分流措施,总氮的去除率由 59.37%分别降到 47.2%、29.07 %.地下渗滤中,氮的去除包括作物吸收、生物脱氮以及氨氮挥发等.生活污水中的氮通常以有机氮和氨(也可以是铵离子)的形式存在.在土壤-植物系统中,有机氮在微生物的作用下转化为氨态氮,由于土壤颗粒带有负电荷,铵离子很容易被吸附,土壤微生物通过硝化作用将氨态氮转化为硝态氮,土壤又可恢复对铵离子的吸附功能.土壤对负电荷的NO3

-没有吸附截留能力,NO3-随水运动迁移;在迁移过程中NO3-可以被植物根系吸收而成为植物营养成分,也可能发生反硝化过程,最终转化为N2或N2O挥发掉.通过硝化、反硝化作用实现生物脱氮是地下渗滤去除氮的主要途径,改善条件以促进反硝化反应是提高总氮去除率的关键.研究表明[10-12],地下渗滤的氧化还原条件不是反硝化的限制因素,合适的碳氮比才是脱氮高效进行的关键.污水进入地下渗滤后,在好氧微生物的作用下,有机物被吸附、降解,当污水进入缺氧区后,碳源不足,通过适当比例的分流措施,补充碳源,加强了反硝化作用.但当分流比过大时,进入到厌氧区的大多数有机氮、氨氮不能被氧化,所以总氮去除率比不采取分流措施降低.

由图 3(d)可以看出,采用进水分流措施对系统总磷的去除影响很小.只有当分流比为1:3时,系统出水的总磷浓度略超标.原因可能是分流污水量大且停留时间较短,吸附、化学沉淀作用不完全造成.地下渗滤总磷的去除主要是土壤吸附与沉淀作用,去除的总磷量高达系统投配总磷量的90%以上[13].

地下渗滤的反硝化过程中,能进行人工调节的因素有2个,一是反硝化环境的氧化还原特性,二是污水中的 C/N.氧化还原性可通过改变填充基质或提高出水位等手段,而C/N可通过采取分流措施调节.一般情况下,处理生活污水的地下渗滤系统在进行反硝化时碳源往往不够,因此必须增加碳源.前述试验结果表明,采取适当分流比的分流措施能显著改善对总氮的去除效果,同时对COD和TP的去除影响很小,由此可得最佳的分流比为1:1.

2.3 最佳分流位置及分流比的去除效果

最佳分流条件,即分流位置位于土柱内110cm处、分流比1:1时,地下渗滤运行50d的处理效果见表1.

表1 最佳分流条件时去除效果 (mg/L)Table 1 Pollutants removal under optimized conditions (mg/L)

进水中的COD在187.6～262.2mg/L之间波动,最佳分流条件时系统出水和未分流系统的出水 COD浓度相差不大;进水总磷浓度为5.1～9.2mg/L,两系统对总磷的去除率均在90%以上,出水总磷浓度在0.45mg/L以下.

系统进水氨氮浓度为 28.9～46.4mg/L,最佳分流条件时出水氨氮浓度略高于对照,因分流污水从后半段进入,而该处土壤的埋深较大、通气性较差,不利于硝化反应的进行,使部分氨氮未完成硝化过程就流出系统,导致氨氮去除率有所降低,但远低于排放标准.

最佳分流条件时出水总氮浓度始终比对照系统低,原因是采取了分流措施.污水自布水管进入后,其中多数 COD已在上层的好氧区降解,污水进入缺氧区后,碳源严重不足,通过进水分流,补充系统碳源,加强反硝化作用,所以对总氮去除效果大为提高.

进水硝态氮浓度＜2.0mg/L,而两套系统出水硝态氮浓度均远高于进水,原因是地下渗滤中良好的硝化反应导致.最佳分流条件时出水的硝态氮浓度比对照低得多,说明采取分流措施的确可以明显促进反硝化反应的进行.

进水亚硝态氮浓度低于0.15mg/L,对照系统出水亚硝态氮浓度也较低,而最佳分流条件时出水亚硝态氮浓度则很高,原因是分流污水的水力流通路径短,当污水进入系统后主要在缺氧环境中下渗,不利于硝化反应的进行,导致出水硝化反应的中间产物亚硝态氮浓度较高.

综上,最佳分流条件时地下渗滤的硝化反应受到一定程度的抑制,导致出水氨氮、亚硝态氮浓度略高于对照,但该系统的反硝化效果显著优于对照,即采取分流措施有利于提高地下渗滤对总氮的去除,且对出水水质基本无影响.

3 结论

3.1 在以 5%炉渣+95%草甸棕壤为基质的地下渗滤系统,进水分流可以增加反硝化过程的碳源,加强反硝化作用.当分流位置位于土柱内 110cm处,分流比分别为3:1、2:1、1:1时,地下渗滤出水总氮浓度都低于不采取分流措施,总氮的去除率由59.37%分别提高到59.64%、62.08%、68.41%.当分流比为1:2、1:3时,出水的总氮浓度都高于不分流措施.分流比为1:2、1:3时,出水COD和总磷的浓度都不同程度升高.地下渗滤最佳的分流比为1:1,最佳分流位置为系统内110cm处.

3.2 采取分流措施后,地下渗滤出水总氮浓度明显降低,对于COD、总磷、氨氮的去除效率基本无影响.

[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.

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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

国家自然科学基金资助项目(41001321);沈阳市科技计划项目(110457);沈阳师范大学博士启动基金

* 责任作者, 副教授, crystalpan78@126.com

潘 晶(1977-),女,辽宁沈阳人,副教授,博士,主要从事污水生态处理研究.发表论文13篇.