活性炭和土壤组合渗滤系统处理污水效果的研究

李云鹏，王凯旋，陈 志，王华敬

（山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271000）

近年来，随着我国经济的高速发展、人民生活水平的日益提高，在原始资源型缺水问题日益突出的同时，污染型水资源短缺成为更加棘手的问题。目前，上海、重庆、广州等一大批省市已经面临严重的水质污染型缺水，解决该问题十分迫切。土壤渗滤系统净化污水具有投资少、能耗低、成本低、净化效果好的优点，越来越成为国内外污水处理技术的研究热点[1]。目前，该技术在许多国家得到了应用，并且效果显著。因此，可以考虑采用土壤渗滤技术解决水质污染型缺水问题，缓解当前我国水资源紧张形势。土壤渗滤系统又叫土壤含水层处理，是一种污水处理生态功能技术[2]。其利用生态学原理与环境工程技术，将经过前处理的污水投入到具有一定构造、良好扩散性能的土层中，在毛管浸润和土壤渗滤作用下，利用土壤的物理、化学和生物净化功能，使生活污水中有机物、氮、磷等物质得以转化利用，从而实现污水的再生与循环利用，以达到中水回用的目的[3]。

目前对土壤渗滤系统的研究主要集中在改良基质方面，基质是土壤渗滤系统的核心组成单元，性能优良的基质中含有丰富的微生物相，而且能够供给微生物营养物质并维持适宜的代谢环境[4]。因此，不少学者考察了装填不同基质的土壤渗滤系统的污水处理效果，并取得了一系列的研究成果。张思等选择以粉煤灰和腐熟牛粪作为基质配合土壤，改良土壤渗滤基质结构，对总磷（TP）和氨氮（NH3-N）具有较好的去除效果[5]。潘晶等以质量分数5%炉渣和95%草甸棕壤为基质，进行强化脱氮研究，系统对总氮（TN）的去除率提高了9.04%[6]。张建等发现，向土壤中添加10%的草炭作为基质，不仅提高了系统的水力负荷，而且对氨氮（NH3-N）和总氮（TN）的去除率分别提高了12%和11%[7]。Li等考察了65%草甸棕壤+30%煤渣+5%脱水污泥基质系统的污水处理效果，在一定运行情况下系统对氨氮（NH3-N）及总氮（TN）的平均去除率可分别达90%、78.6%[8]。

综上所述，填充基质对整个渗滤系统起着至关重要的作用，改善了系统污水处理效果。众多学者考察不同填料的土壤渗滤系统的污水处理效果，但在不同基质配比下污水处理效果上是否存在最佳基质配比的研究鲜有报道。本研究选用比表面积大、吸附能力强、化学性质稳定的活性炭和粉质黏土、标准砂进行基质混配，优化土壤渗滤基质结构。笔者通过室内模拟土壤渗滤系统研究不同质量配比下的组合渗滤系统对污水中总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化学需氧量（COD）及pH值的处理效果，同时探究组合土壤渗滤系统在污水处理效果上是否存在最佳基质配比，以期为实际工程应用提供理论依据。

1 试验

1.1 试验装置和材料

1.1.1 试验装置

试验采用自制的简易模拟土壤渗滤系统装置。最上方为高度30 cm、内径为5 cm、壁厚0.5 cm的有机透明塑料管，管外壁标有刻度。塑料管下端嵌套一个底部具有若干出水孔的管状塑料瓶，瓶内填充粒径为5～10 mm的砾石4 cm厚以防止出水孔堵塞。同时在有机透明塑料管与砾石接触的管口处用棉纱网包裹，使其达到漏水不漏基质的目的，工程中可用反滤层代替。塑料瓶与一玻璃漏斗相接起导流作用，装置最下方是一个1 000 mL的大量筒作为集水器。有机透明塑料管上部留下10 cm作为淹水水头空间，基质高20 cm。

1.1.2 基质选择

试验用土为粉质黏土，液限为32.2%，塑限为19.3%，塑性指数为12.9。土样经105℃烘干、除杂、碾碎，过2 mm筛后使用，土粒相对密度约为2.72，氮气吸附测定的比表面积为4.48 m2/g。试验用标准砂为实验室普通标准砂，粒径0.3～0.6 mm，相对密度约为2.65。标准砂经淘洗并晾干后使用。活性炭属于椰壳颗粒炭，粒径4～6 mm，比表面积900 m2/g左右，密度为0.55～0.58 g/cm3。

进水选择：试验污水取自泰安市第一污水处理厂进水口。其水质指标为：TP平均浓度30.422 mg/L、NH3-N平均浓度8.439 mg/L、COD平均浓度70.1 mg/L、平均pH值7.93。

1.2 试验方法

利用控制变量法，设计5组不同质量配比的活性炭、土壤、标准砂混合均匀的基质，并依次编号为试验组1～5。基质组成比例m（活性炭）：m（土）：m（标准砂）分别为0:3:6、0.5:3:6、1:3:6、1.5:3:6、2:3:6，其中活性炭用量依次为28.5 g、53 g、72 g、87 g。由相同的击实能量控制各组混合基质压实程度一致，并固定渗径为20 cm。试验运行时，由3组平行渗滤装置同时进行平行试验，试验结果取其平均值。进水通过人工加水，使有机透明塑料管上部留下的10 cm淹水水头空间始终充满水，直至量筒内收集到500 mL渗滤出水即停止加水，并立即取其测定出水水质指标。

考虑到土壤本身所含有的一些物质在渗滤过程中可能会进入水中，进而影响污水处理效果的判定。试验中通过未加活性炭的空白对照组在相同控制变量条件下用实验室纯水进行渗滤试验，以纯水经过渗滤后的出水水质指标作为土壤对进水的水质指标产生的附加影响。将此附加影响与进水的污水水质指标相综合，作为渗滤系统的最终进水指标，如表1所示。水质指标测定方法：测定的水质指标有总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化学需氧量（COD）和pH值四项。总磷（TP）含量采用磷钒钼黄分光光度法测定；氨氮（NH3-N）含量采用奈氏试剂分光光度法测定；化学需氧量（COD）含量采用重铬酸钾法测定；pH值采用便携式电子酸度计测定。

表1 进水指标（考虑土壤影响）

2 结果与讨论

2.1 总磷（TP）的渗滤处理效果分析

总磷是反映水体富营养化的指标，在污水中主要以有机态磷和磷酸盐的形式存在。模拟土壤渗滤系统选择了比表面积大、吸附能力强、化学性质稳定的活性炭为填充基质，结果表明活性炭的添加有利于总磷的去除。由图1和图2可知，5组试验组别对TP的平均去除率分别为96.09%、96.41%、98.10%、98.22%、85.10%，TP的平均出水质量浓度分别为1.566 mg/L、1.386 mg/L、0.723 mg/L、0.663 mg/L、5.422 mg/L。可见5组渗滤系统对污水中总磷均有较好的去除效果。同时，由TP去除率曲线可以看出，在处理过程中不同组合渗滤系统处理效果存在最佳的基质配比。第3、4组处理的出水TP质量浓度达均到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级A标准，其中第4组处理效果为最佳。

图1 TP进出水浓度曲线

图2 TP去除率曲线

土壤渗滤系统对污水中总磷的去除主要依赖于填料（基质）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]。活性炭孔隙率高达70%，比表面积大，对磷的吸附性能好。渗滤系统随着活性炭质量比例的增加，对污水中TP的去除效果先增强后下降。当渗滤系统基质质量比m（土）:m（标准砂）:m（活性炭）达到3:6:2时，混合基质的水渗透性能增强，渗滤出水流速从10-2mL/s数量级变为了10-1mL/s数量级，污水在渗滤系统中停留时间不足，处理不充分，进而使TP出水浓度上升，去除率明显下降。

2.2 氨氮（NH3-N）的渗滤处理效果分析

水中氨氮（NH3-N）以游离氨（NH3）或铵盐（NH4+）形式存在水中，来源主要为生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物，测定水中各种形态的氮化合物，有助于评价水体被污染和自净状况。5组渗滤试验结果表明，除了未加活性炭的试验组，其他4组处理对污水中氨氮的去除效果均较好。由NH3-N去除率曲线也可以看出，在处理过程中组合渗滤系统存在最佳基质配比，第4组处理效果最好。由图3和图4可知，5组试验组别对NH3-N的平均去除率分别 为23.75%、89.06%、91.05%、92.68%、91.92%，NH3-N的平均出水质量浓度分别为7.300 mg/L、1.029 mg/L、0.836 mg/L、0.677 mg/L、0.739 mg/L。5组处理出水氨氮浓度均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级B标准，其中第2、3、4和5四组处理均已达到了一级A标准。

图3 NH3-N进出水浓度曲线

图4 NH3-N去除率曲线

土壤渗滤系统中主要通过土壤吸附、生物转化和氨氮挥发等作用去除NH3-N[10]。活性炭的作用在渗滤系统中表现突出，未加活性炭的对照组和加入活性炭的组别处理NH3-N的效果差异显著，加入活性炭的4组渗滤装置对NH3-N的平均去除率在90%以上。活性炭表面具备多孔结构，是良好的生物载体材料，非常适合微生物附着，并形成生物膜，微生物可以利用有机碳源转化NH3-N[11]。同时，活性炭因其具有发达孔隙结构，吸附容量大，对NH3-N也有较好的吸附性能。第5组渗滤系统混合基质中活性炭质量比例的进一步增加，渗滤出水速度加快，污水在渗滤系统中处理不充分，导致NH3-N出水浓度有所上升，去除率下降。

2.3 化学需氧量（COD）的渗滤处理效果分析

化学需氧量（COD）是指在一定的条件下，用强氧化剂处理水时所消耗氧化剂的量，反映了水中受还原性物质污染的程度及有机物的含量，是水质污染度的重要指标。5组渗滤试验结果表明，活性炭的加入对COD的去除有一定的促进作用。由图5和图6可知，5组试验组别对COD的平均去除率分别为61.94%、69.75%、78.92%、80.14%、83.32%，COD的平均出水质量浓度分别为284.2 mg/L、195.3 mg/L、127.6 mg/L、110.2 mg/L、81.6 mg/L。第4、5组处理出水COD浓度达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的三级标准，其中第5组达到了二级标准。

图5 COD进出水浓度曲线

图6 COD去除率曲线

在土壤渗滤系统中，COD的去除主要靠填充基质的过滤、吸附以及生物氧化作用。有机物进入系统后，首先经基质的过滤、吸附作用被截留下来，然后通过微生物的生物氧化作用被降解，在污水与基质的接触过程中，污水中的有机污染物被大量的微生物氧化分解而得以去除[12]。同时，活性炭的表面有丰富的官能团，一般可分为含氧官能团和含氮官能团，这些官能团赋予了活性炭独特的化学性能，能与多种物质进行结合[13]。因此，其具有较强的表面反应性，更容易与极性吸附质形成氢键，更有利于COD的吸附。5组渗滤装置随着活性炭质量比例的增加，对COD的去除率逐渐增大，COD的平均去除率由61.94%上升到83.32%。

2.4 pH渗滤处理效果分析

pH作为土壤渗滤系统污水处理中监测的常规指标，对系统长期运行效率的评价起着重要作用。通过5组渗滤装置的处理效果来看，pH均有一定程度的下降，变化范围均在6～9，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）污水排放标准。由图7和图8可知，5组渗滤试验pH的变化率分别为0.63%、2.52%、3.53%、4.54%、0.88%，平均出水pH值分别为7.88、7.73、7.65、7.57、7.86。由pH值变化率曲线可见，组合渗滤系统在pH去除效果上亦存在最佳基质配比。渗滤系统混合基质中活性炭质量比例的增加，使得对pH的处理效果先增强后降低。处理效果下降的原因是混合基质的水渗透性能增强，渗滤出水速度过快，污水在渗滤系统中滞留时间短，处理不充分。

图7 pH值进出水变化曲线

图8 pH值变化率曲线

3 结论

活性炭与土壤组合渗滤系统对污水的处理效果理想，在相同进水条件、相同渗径、相同压实程度下，不同的基质配比在污水处理效果上存在最佳的基质配比。第4组渗滤系统基质组成比例m（活性炭）:m（土）:m（标准砂）为1.5:3:6，此时处理污水效果最佳，TP平均去除率达98.22%、NH3-N平均去除率达92.68%，出水TP平均浓度0.663mg/L、出水NH3-N平均浓度0.677mg/L，均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级A标准；COD平均去除率也达到了80.14%，出水COD平均浓度110.2 mg/L达到了三级标准，出水平均pH值变化无显著差异但满足国家污水排放标准。

活性炭由于具有比表面积大、多孔结构、吸附能力强、化学性质稳定等性质，在渗滤系统中起到了至关重要的作用，不仅可以提高系统的渗透性能，还可有效促进污水中总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化学需氧量（COD）等的去除。对于不同水质指标主导的污水，合理控制渗滤系统的基质配比具有重要意义。当处理COD含量过高的污水时，可适当提高活性炭的比例以提高COD的去除效率。