不同填料地下渗滤系统处理生活污水研究

严　群，汪　宏，韩冬雪，罗仙平，2，杨　健

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西赣州341000；3.同济大学环境科学与工程学院，上海200092）

不同填料地下渗滤系统处理生活污水研究

严群1，汪宏1，韩冬雪1，罗仙平1，2，杨健3

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西赣州341000；3.同济大学环境科学与工程学院，上海200092）

比较了以土壤装填的1#地下渗滤装置及以土壤煤渣分层装填的2#地下渗滤装置在不同水力负荷下的生活污水净化效果，并分析了土壤煤渣分层装填对装置性能的改善作用。结果表明，在5、10 cm/d运行时，除总氮外，2#装置对其他指标的去除率均＞80%，且运行稳定，抗冲击负荷能力强；在20 cm/d运行时，1#装置因堵塞而停止运行，2#装置对COD、总磷、氨氮、总氮的去除率分别为92.2%、84.4%、61.9%、57.8%。进一步说明土壤煤渣分层填料可充分利用填料的水力渗透性，有效提高地下渗滤系统的水力负荷，且保持了其对污染物去除的高效性。

地下渗滤系统；生活污水；生态处理

地下渗滤系统是综合土地污灌和污水生态处理的人工强化污水生态处理技术。污水进入渗滤装置后，在土壤毛管浸润和渗滤作用下向周围扩散，经土壤物理截留、化学反应及微生物降解作用，得到净化处理〔1-3〕。传统地下渗滤系统因土壤水力渗透性小，存在运行负荷低、占地面积大、易堵塞等缺点。不少学者考察了装填不同填料地下渗滤系统的污水处理效果。填料种类及装填方式对系统污水处理效果有显著影响。张建等〔4〕发现，向土壤中添加10%草炭，在4 cm/d运行时，系统对氨氮和总氮的去除率分别提高12%、11%。潘晶等〔5〕以95%的草甸棕壤和5%的炉渣为填料，在10 cm/d运行，通过控制分流比，系统对总氮的去除率提高了9.04%。张思等〔6〕将土壤和粉煤灰分层装填，在10 cm/d运行时系统对COD、总磷、总氮、氨氮的平均去除率分别为85.8%、98.1%、78.4%、93.7%。

笔者构建了以土壤为填料的传统地下渗滤系统和以土壤、煤渣分层填料的改良地下渗滤系统，并探究了2个装置在5、10、20 cm/d水力负荷下运行时的生活污水净化效果，考察土壤煤渣分层装填方式对地下渗滤系统的改善作用，以期为工程应用提供理论依据。

1　实验部分

1.1实验装置

实验装置如图1所示。

图1　实验装置

实验污水先经调节池均衡水量和水质后，由蠕动泵输送至配水槽，自流进入渗滤装置中。1#、2#两装置的尺寸构造及内部填料见表1。

表1　装置尺寸及填料填装方式

1.2进水水质及分析方法

实验期间水质指标见表2。水质分析项目包括COD、总氮、氨氮和总磷，分别采用Merck COD测试仪、碱性过硫酸钾紫外分光光度法、纳氏试剂分光光度法和钼锑抗分光光度法测定。

表2　进水水质mg/L

1.3运行工况

实验测得土壤和煤渣的饱和渗透系数分别为0.417、468.0 cm/h。2个装置从5 cm/d开始运行〔7〕，待运行稳定后，水力负荷逐步增加到20 cm/d，但1#装置在20 cm/d运行时发生了堵塞。1#、2#装置运行工况见表3。

表3　运行工况

2　结果与讨论

2.1有机物去除效果的比较

不同水力负荷下1#、2#装置的COD去除效果见图2。

图2　不同水力负荷下2个装置的COD去除效果

图2显示，在5、10 cm/d条件下运行时，1装置的出水COD平均去除率分别为81.8%、80.7%，COD平均值分别为50.0、53.1 mg/L；在5、10、20 cm/d条件下运行时，2#装置的出水COD平均去除率分别为89.4%、90.7%、92.2%，COD平均值分别为 23.5、22.3、21.5 mg/L。2个装置对有机物均有较高的降解水平，抗冲击负荷能力强。但不同填料的装置对有机物的去除效果有一定差异。其中2#装置效果更好，分析原因为土壤质地密实，水力渗透性小，1#装置内的污水与土壤接触不充分；而2#装置内的煤渣孔隙率大，且与土壤分层装填，使渗透性不同的填料在垂直方向上交错分布，充分利用了填料的不同渗透性，实现整个装置的平面上饱水，提高了填料对污水的净化作用。

水力负荷从侧面反映了污水与填料的接触时间，U.S.EPA推荐的地下渗滤系统的最高水力负荷为6.6 cm/d〔8〕。2#装置在20 cm/d运行时对有机物仍有较高的处理水平。可见，土壤煤渣分层填料有效提高了地下渗滤系统的水力渗透性能，并保持良好的有机污染物去除能力。

2.2总磷去除效果的比较

不同水力负荷下1#、2#装置对总磷的去除效果见图3。

图3　不同水力负荷下2个装置的总磷去除效果

图3显示，在5、10 cm/d运行时，1#装置出水总磷平均去除率分别为68.7%、38.9%，平均质量浓度分别为 1.95、3.18 mg/L；在 5、10、20 cm/d运行时，2#装置出水总磷平均去除率分别为97.2%、93.2%、84.4%，平均质量浓度分别为0.15、0.56、0.76 mg/L。可见进水水力负荷的增大会降低系统的除磷效果。

污水总磷的去除主要依赖填料的物理化学吸附作用，磷吸附能力的大小与填料中有机质含量、阳离子种类及其理化性质等有关〔9-10〕。煤渣孔隙率高达50%～60%，比表面积大，且含有10%～30%的残炭，对磷的吸附性能好，另外，煤渣中含有的Al3+、Fe3+、Ca2+等阳离子与磷酸盐反应生成难溶物〔11-12〕，通过物理吸附和化学吸附共同作用达到降低总磷的目的。而土壤对磷的吸附主要有以静电吸引为机制的阴离子交换和以配位为机理的专性吸附〔13〕，但其磷吸附容量小，吸附易趋于饱和，且吸附过程可逆。

在各水力负荷下，2#装置对总磷的去除效果较1#装置显著，在20 cm/d运行时，其出水总磷能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准。2#装置不但提高了系统水力渗透性能，而且强化了对污水中磷的去除效果。

2.3氮的去除效果比较

地下渗滤系统因其进水和运行方式，系统内一般存在好氧和厌氧交替环境，硝化和反硝化反应可顺利进行，完成污水的生物脱氮。

2.3.1氨氮的去除效果比较

在不同水力负荷下1#、2#装置对氨氮的去除效果见图4。

图4　不同水力负荷下2个装置对氨氮的去除效果

图4显示，在5、10 cm/d运行时，1#装置出水氨氮平均去除率分别为66.9%、48.7%，平均值分别为9.50、13.68 mg/L；在5、10、20 cm/d运行时，2#装置出水氨氮平均去除率分别为98.1%、92.5%、61.9%，平均值分别为0.56、2.29、9.68 mg/L。

填料的硝化强度和复氧性能是影响地下渗滤系统氨氮去除效果的主要因素。煤渣为多孔结构，硝化菌易在其空隙内聚集生长，硝化强度较大，土壤中含有较多的营养元素，也适宜硝化菌的生长繁殖；填料的复氧能力与填料物化性质及装填方式有关，与有机物去除效果相似，煤渣疏松多孔，且与土壤分层装填，使填料上层透气性能较好，在落干期间有利于系统复氧，形成较好的好氧环境，强化了硝化细菌活性，土壤填料质地密实，复氧能力较低，缺氧环境限制了硝化微生物的大量生长。

2.3.2总氮的去除效果比较

在不同水力负荷下1#、2#装置对总氮的去除效果见图5。由图5可知，在5、10 cm/d运行时，1#装置出水总氮平均去除率分别为44.7%、43.5%，平均质量浓度分别为21.07、23.47 mg/L；在5、10、20 cm/d运行时，2#装置出水总氮平均去除率分别为46.6%、28.2%、57.8%，平均质量浓度分别为 19.8、29.6、18.47 mg/L。

硝化、反硝化脱氮是地下渗滤系统去除总氮的主要途径。间歇式进水方式使系统处于好氧与厌氧交替转化的状态，为内部微生物提供了良好的生存环境，且在系统运行的大环境中又存在各种微环境，使整个系统处于好氧与厌氧变化与共存的状态〔14〕。

水力负荷的变化对1#装置总氮去除效果影响较小，是由于土壤复氧性能差，导致其内部易形成厌氧环境，反硝化菌活性强，通过反硝化作用实现了对总氮的去除。2#装置对总氮去除率不高，且随进水水力负荷的增大，总氮去除率呈现先减小后增大的趋势，这是由于：（1）装置内填料的孔隙率较高，复氧能力强，系统内厌氧环境不佳，抑制了反硝化反应；（2）污水到达填料下部时有机污染物浓度降低，碳源不足，限制了反硝化反应的进行。但在较高水力负荷20 cm/d下运行时，2#装置对总氮平均去除率最高达到57.8%，分析原因为随水力负荷的增加部分填料处于水渍状态，煤渣内部的细小孔隙形成了厌氧的微环境，有利于反硝化菌的生长从而促进了总氮的去除。

图5　不同水力负荷下2个装置对总氮去除效果

3　结论

（1）在5、10 cm/d条件下运行时，以土壤装填的1#装置和以土壤、煤渣分层装填的2#装置对生活污水均有稳定的处理效果，除总氮外，2#装置对COD、总磷和NH4+-N的平均去除率均＞80%，处理效果显著，抗冲击负荷能力强；在20 cm/d运行时，1#装置由于堵塞而停止运行，2#装置对COD、总磷、NH4+-N、总氮的去除率分别为92.2%、84.4%、61.9%、57.8%，平均质量浓度分别为21.5、0.76、9.68、18.47 mg/L，对污水仍有一定的处理效果。（2）2#装置对总氮的去除率受进水水力负荷影响较大。当水力负荷从5 cm/d增加到20 cm/d时，其总氮去除率呈现先减小后增加的趋势，说明水力负荷对土壤煤渣分层装填地下渗滤系统的脱氮环境有显著影响。（3）综合比较可见，2#装置对生活污水有良好的处理效果，特别是在20 cm/d运行时对污水仍有较好的处理效果。土壤煤渣的分层装填使渗透性能不同的填料在垂直方向上交错分布，提高了地下渗滤系统的水力渗透性，且保持了高效的去除污染物的能力，对实际工程应用具有积极的指导作用。

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Research on the treatment of domestic sewage by subsurface infiltration systems with different filling materials

Yan Qun1，Wang Hong1，Han Dongxue1，Luo Xianping1，2，Yang Jian3
（1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Jiangxi Key Laboratory of Environment Pollution Control of Mining and Metallurgy，Ganzhou 341000，China；3.School of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

The domestic sewage purifying effect of soil loaded 1#subsurface infiltration system and the soil-cinder layer loaded 2#subsurface infiltration system have been compared under different hydraulic loads，and the improving effect of soil-cinder layer loaded on the system capability is analyzed.The results show that when it runs at 5，10 cm/d，the removing rates of other indexes by 2#system，except TN，are all higher than 80%.It runs stably and has strong shock resistance loading.When it runs at 20 cm/d，1#system stops running because of blockage.The removing rates of COD，TP，ammonia-nitrogen，and TN are 92.2%，84.4%，61.9%and 57.8%，respectively.The results indicate further that soil-cinder layered filling materials can make full use of the hydraulic permeability of the filling materials and effectively improve the hydraulic load of subsurface infiltration system and keep its highly efficient capacity for the removal of pollutants.

subsurface infiltration system；domestic sewage；ecological treatment

X703

A

1005-829X（2016）04-0065-04

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAC11B07）；江西省科技厅自然科学基金资助项目（20122BAB203027）；江西省研究生创新基金（YC2015-S286）

严群（1973—），博士，副教授。E-mail：yanqun8219893@ 163.com。通讯联系人：杨健，E-mail：yishu@online.sh.cn。

2016-03-15（修改稿）