曝气与进水分流强化地下渗滤系统污水净化效果

潘 晶, 张智宇, 孙 博, 张 滢, 邱 雨, 黄琳丽, 佟德利

(沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)

0 引 言

地下渗滤系统(Subsurface infiltration systems, SIS)是应用较为广泛的分散式污水处理技术,该技术是将污水投配到具有一定渗透性和净化能力的土层中,污染物在土壤和微生物的联合作用下得以去除[1]。该技术建造和运行成本低、有机物的去除率高、维修需求少,被广泛用于美国、日本、俄罗斯、中国和其他国家[2]。传统的SIS的脱氮效率较低,限制了SIS的应用[2-4]。

SIS的脱氮过程中,硝化-反硝化作用占69%～77%,是主要的脱氮作用[5-6]。硝化作用需要足够的氧气,而反硝化作用则是在缺氧的环境中进行的,在传统的SIS中是无法同时实现的[7]。反硝化需要碳源[5],有机物的分解主要发生在SIS的上层,导致下层缺少碳源,反硝化作用较差[4]。碳源是制约传统地下渗滤系统反硝化作用的关键因素[4-8]。强化地下渗滤系统复氧技术,有利于改善电子受体浓度,提高系统处理效果。人工曝气是污水地下渗滤系统一种有效增加土壤基质溶解氧含量的方法[9-10]。为提高地下渗滤系统对TN的去除效果,研究人员以原水为碳源,采用进水分流的投配方式增加碳源,强化反硝化作用,结果表明,进水分流能够明显提高地下渗滤系统对TN的去除效果,TN去除率由55%提高到65%[11]。曝气对进水分流地下渗滤系统净化效果的影响鲜见报道。

本研究的主要内容有:1)不同分流比下,间歇曝气/不曝气对SIS基质溶解氧(DO)及污染物(COD、TP、NH3-N、TN)去除的影响;2)确定进水分流SIS的最佳运行参数。

1 材料与方法

1.1 SIS实验装置

SISs为高120 cm,内直径50 cm有机玻璃柱(如图1)。DO电极位于SISs基质中央的50 cm、80 cm、110 cm深处。布水管位于基质40 cm处,出水管位于SISs底部。SIS A没有曝气和进水分流的控制系统。SIS B只有进水分流的控制系统,分流管位于布水管下方20 cm处。SIS C具有间歇曝气和进水分流控制系统,分流管位于布水管下方20 cm处,间歇曝气装置位于基质40 cm处。SISs内部基质为80%棕壤和20%炉渣(质量百分比)。

1—渗滤主体; 2—高位水箱; 3—液体流量计; 4、5—间歇曝气装置; 6—DO电极; 7—布水管; 8—分流管; 9—排水口; 10—取样口图1 模拟地下渗滤系统示意图Fig.1 Schematic diagram of three subsurface infiltration systems (SISs).

1.2 SIS运行

化粪池预处理后的污水连续进入SISs。SIS A、SIS B和SIS C的总水力负荷为0.12 m3/(m2·d)。SIS C采取间歇曝气方式,即:曝气1 h,停止曝气5 h,每天曝气开始的时间为1点、7点、13点及19点。曝气量为(4.0±0.2) L/min。SIS B和SIS C进行3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和1∶3不同的分流比(分流水力负荷与进水水力负荷的比值)下实验。

SISs进水水质指标为: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稳定运行后进行实验。

1.3 样品采集和分析方法

SISs进水和出水样品每10 d采样一次。按照国家标准方法对水样中的COD、TP、TN、NH3-N和NO3-N进行分析。重复分析3次并记录。

1.4 统计分析

实验数据采用Excel 2010整理后,利用SPSS 12.0软件进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 一个曝气/不曝气周期基质DO浓度曲线

DO浓度大于2.0 mg/L通常认为是好氧环境,而小于0.2 mg/L则表示厌氧环境。DO浓度在0.5 mg/L到0.2 mg/L之间代表缺氧环境[9-11]。一个曝气与不曝气周期内基质的DO浓度曲线如图2所示。间歇曝气与不曝气的系统基质DO浓度差异显著。在SIS A基质50 cm,80 cm,110 cm深度处DO平均浓度分别为0.65 mg/L,0.24 mg/L,0.10 mg/L。在SIS B中,在50 cm深度处的DO平均浓度为0.69～0.96 mg/L,在80 cm处和110 cm处的DO浓度低于0.23 mg/L和0.10 mg/L。结果表明,不曝气SIS基质50 cm的好氧环境不佳。SIS B中,进水分流没有改变基质上部缺氧或厌氧环境。以往的研究表明,空气扩散到SIS基质中的氧气是有限的,传统SIS中布水管以下是缺氧和厌氧环境[12]。人工曝气可以增加SIS C上层基质的氧浓度。在SIS C中50 cm深的DO浓度显著高于SIS A和SIS B(P<0.05),但是在80 cm和110 cm深度的DO浓度和SIS A、SIS B没有显著的差异(P>0.05)。不同的分流比下,SIS C中DO变化趋势相同,即曝气期基质DO保持较高浓度,非曝气期50 cm深度的DO浓度缓慢下降。在3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和1∶3的分流比下,曝气时50 cm基质DO浓度大于6.52 mg/L,不曝气时DO浓度高达2.84 mg/L;而在80 cm和110 cm深度时,曝气时的DO浓度分别低于0.46 mg/L和0.18 mg/L,未曝气时DO浓度分别低于0.38 mg/L和0.09 mg/L。在SIS C内,曝气创造了50 cm深度好氧环境,而未改变80 cm和110 cm深度缺氧或厌氧条件。上层基质的好氧条件,下层基质的缺氧或厌氧条件有利于硝化和反硝化反应的进行[13]。SIS B和SIS C中,50 cm深度DO浓度随着分流比的降低而降低,在较低分流比下,有机物和营养物质降解需要消耗更多的氧气。

图2 分流比为(a) 3∶1,(b) 2∶1,(c) 1∶1,(d) 1∶2,(e) 1∶3下,3组SISs基质溶解氧浓度

2.2 COD和TP的去除

如图3所示,进水COD浓度波动较大(范围从185.5 mg/L到261.8 mg/L),但SIS A的出水COD浓度保持相对稳定(39.28±3.6 mg/L),传统的SISs对有机物去除效果较好,在其他研究中也发现了类似的结论[2,4,7]。然而,进水分流系统中COD去除率随着分流比的增大而降低。分流比由1∶3增加到3∶1时,SIS B中COD平均去除率从94.02%降到81.12%;SIS C中COD平均去除率从51.26%降低到43.03%。分流比越大,水力停留时间越短,导致分流污水在缺氧或厌氧条件下有机物不能完全氧化。在3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和1∶3的分流比时,SIS B的平均出水COD浓度高于SIS A。此外,在分流比为3∶1和2∶1时,SIS B和SIS C的出水COD平均浓度都高于我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18921—2002)。高分流比下分流污水对COD去除具有不利的影响[14-15]。在最佳分流比下,分流污水对COD去除的影响可以忽略不计。在分流比为1∶2和1∶3时,SIS C的平均出水COD的浓度(22.38 mg/L和13.47 mg/L)显著低于SIS A(39.28 mg/L)(P<0.05),在同样分流比下,SIS C的COD平均去除率显著高于SIS B(P<0.05)。间歇曝气明显提高了COD的去除,这与其他研究一致[4]。在SIS中,有机质被土壤吸收,然后被微生物过程分解[14]。虽然有机物可以同时进行厌氧和好氧降解,但好氧降解通常更为重要[16]。氧气被认为是SISs中有机物降解的主要限制因素之一[17]。充足的氧气供应会大大地提高好氧生物化学氧化的性能[18]。在SIS C中,间歇曝气使上层基质拥有好氧环境,从而促进有机物的好氧去除。

如图3所示, SIS A、B、C对TP去除率高达91%,出水TP浓度均低于我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18921—2002)。3组SIS对TP去除没有显著的差异(P>0.05)。进水分流对TP的去除率无显著影响(P>0.05)。SIS对TP的去除机制包括物理沉降、化学吸附和沉淀以及生物过程[18],其中物理沉降和化学吸附是SIS中TP的去除主要途径[19]。在相同分流比下,SIS C的TP去除率略高于SIS B。曝气促进基质对TP的吸附和沉淀[20-21]。TP的去除率随分流比的增加而降低,分流比由1∶3增加到3∶1时,SIS B中TP平均去除率从92.58%下降到91.43%;SIS C中TP平均去除率从93.65%下降到92.17%。原因是在较低的分流比下,水力停留时间更长,这增加了接触时间,有利于吸附与沉淀[22]。

图3 COD和TP净化效果Fig.3 Removal performance of COD and TP

上述结果表明,进水分流与间歇曝气相结合,在分流比1∶2时,显著提高COD的去除,对TP的去除影响较小;进水分流无曝气措施下,分流比为1∶3时,COD和TP的去除效果较好。

2.3 NH3-N和TN的去除

在SISs中,氨氮去除是通过硝化-反硝化、植物吸收、氨挥发、吸附等过程完成。其中,硝化和反硝化是主要的去除过程,其机理如下[7,14]:

氨氮转化为硝酸盐必须有氧参与,硝化过程通常是SISs中脱氮的限速步骤[23]。

图4 NH3-N、TN净化效果和进出水NO3-N的浓度Fig.4 Removal performance of NH3-N, TN and NO3-N concentrations of effluent and influent

如图4所示,在分流比为1∶2和1∶3的情况下,间歇曝气使SIS C中NH3-N去除率在88%以上。间歇曝气提高了上层基质中的DO浓度,这有利于硝化作用。由于DO浓度的限制,大多数传统的SISs无法实现有效的硝化作用[7,24]。人工曝气是提高基质中DO浓度的最有效方法[7]。DO浓度高于1.5 mg/L对于硝化作用是必不可少的[25],而在不曝气的SIS A和SIS B中NH3-N平均去除率均低于71%,由于基质DO浓度低于1.0 mg/L,导致NH3-N的去除受限。随着分流比的增大,SIS B和SIS C中的NH3-N的去除率降低。由于分流污水直接进入较深的基质中,且不利的缺氧或厌氧条件限制了硝化作用,所以,SIS B出水NH3-N平均浓度高于SIS A。在分流比为3∶1、2∶1的情况下,SIS B和SIS C出水NH3-N平均浓度均高于我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18921—2002)。SIS B相比于SIS A而言,在分流比为1∶1、1∶2和1∶3的情况下,分流污水对NH3-N的去除影响很小。在同样分流比下,SIS C中,平均出水NH3-N浓度明显低于SIS B和SIS A(P<0.05)。结果表明,人工曝气是提高地下渗滤系统NH3-N去除率的有效措施。

3 结 论

间歇曝气创造了地下渗滤系统基质50 cm深度的好氧条件,而没有改变基质80 cm和110 cm深度的缺氧或厌氧条件,促进了系统硝化作用和反硝化作用。间歇曝气和进水分流SIS在最佳分流比为1∶2时, COD、TP、NH3-N和TN去除率分别为90.06%、93.17%、88.20%和85.79%;进水分流SIS在最佳分流比为1∶3时,COD、TP、NH3-N和TN去除率分别为81.12%、92.58%、69.14%和58.73%。间歇曝气和进水分流相结合的SIS,污染物去除性能好,为新型的SIS的设计、建造和运行提供了参考。