多元滤料在农村生态渗井的去污能力试验研究

包 磊

(彰武县大冷镇人民政府,辽宁 彰武 123202)

随着农村地区经济社会的发展,污染问题也变得日趋严重,特别是农村地区的污水污染问题比较突出,已经成为影响生态环境的重要因素。目前,我国大部分农村没有建设污水管网和处理系统,许多农户在自家庭院建设渗水井,将厨房、洗漱产生的生活灰水通过渗水井直排地下[1]。由于上述渗水井在建设过程中一般使用砂石料作为滤料,仅能过滤灰水中较大的颗粒物,而对氮磷等污染物没有任何过滤作用。由于农村灰水特别是洗漱用水中含有磷元素等有害物质,大量建设和长期使用的渗水井必将会对土壤和地下水造成污染[2]。目前,在生态渗井领域的研究主要集中于雨水下渗对地下水的补给作用以及对地下水环境的影响方面,利用滤料过滤作用减轻农村渗水井污染问题的研究不多。基于此,本文通过试验探讨多元滤料对农村生态渗井去污能力的影响,以便为其推广应用提供技术支持。

1 试验设计

1.1 试验装置

试验装置与农村地区的渗井外观基本相似,为圆柱形结构。考虑到成本因素、施工因素以及更换滤料等因素,渗井的井体选用抗老化、耐磨损、质量轻的PPH管[3]。其第一层为可拆卸式调节池,菜叶、树枝等质量较大的污染物可以沉入调节池的底部待定期清理,收集灰水的收集管设置在调节池的底部,一般埋入地下50cm左右;污水在调节池的溢流堰均匀溢出,然后经过栅格降落至二次调节池,再通过布水系统进入过滤区,过滤区采用分层设计,装填不同的滤料以强化对灰水的脱氮除磷效果,过滤后的水体经网孔渗入地层[4]。其主体结构包括6部分,分别是井体、调节池、二次调节池、布水系统、过滤层和渗透层(见图1)。生态渗井的直径为600mm,埋深3.5m,设置3层过滤层,每层层高450mm。

图1 试验装置结构示意图

1.2 滤料设计

目前,常见的过滤料有多孔滤料、纤维滤料和堆积介质等三大类[5]。其中,多孔滤料是指玻璃、烧瓷、多孔塑料管、烧结金属等含有一定数量孔洞的固体介质;纤维滤料主要包括天然纤维和人造纤维两种,具有比表面积大、孔隙率高、价格便宜、可重复使用等优势;堆积介质主要是木炭、生物质灰渣、砂砾等具有特殊纤维层的堆积层。鉴于此次研究的过滤料用于农村地区的生态渗井,因此需要兼顾材料的经济性和易获取性。通过对多种不同常见过滤料进行对比分析,最终确定生物质灰渣、秸秆和聚酯纤维。

生物质灰渣是生物质燃料燃烧后的固体废弃物,由于生物质能源储量丰富,同时也是我国农村地区的重要燃料,因此生物质灰渣来源广泛,成本较低,是比较理想的过滤材料。此次研究中使用的生物质灰渣为农村地区烧饭柴火燃烧后产生的灰渣,使用前需要进行筛分,去除未完全燃烧的较大颗粒[6]。

农作物秸秆是一种天然聚合物,富含具有一定吸附能力的纤维素,同时农村地区该原料来源广泛,成本低廉,是一种具有相当发展潜力的吸附物质[7]。相关研究显示,秸秆纤维对生活污水中的COD、磷酸根、铬等污染物均具有良好的吸附性。此次研究中使用的秸秆为玉米秸秆,需要利用粉碎机粉碎分拣。

聚酯纤维是冬被、棉服等常用填充物,利用废旧衣物提取聚酯纤维材料成本较低。相关研究显示,聚酯纤维材料具有直径小、均匀性好、比表面积大和吸附能力强的优势。同时,随着农村地区生活水平的提高,废旧衣物的数量迅速增加,可以为再生聚酯纤维材料提供良好的原材料[8]。

根据滤料的渗透性和吸附性特点,在渗井装置中,最上层布设聚酯纤维滤料、中间为生物质灰渣滤料、下层为秸秆滤料。

1.3 进水水质

此次研究主要针对辽宁省西部和北部偏远农村地区的单户生活灰水进行处理试验。通过对辽西农村的实地调研发现,当地农户生活饮食和清洁用品比较单一,因此生活灰水的污染物种类比较单一,含量也相对比较稳定。其COD含量一般在300mg/L,TN一般为15mg/L,TP一般为2.5mg/L。根据以上特点,配制出试验所用的灰水,其特征见表1。

表1 人工配制灰水的水质特征

1.4 试验方法

根据农村地区的调查情况,每户月均灰水产生量约为1.5～2.3m3。基于此,研究中按照每月2.1m3的灰水产生量进行试验,每天将70L灰水以1.5h的间隔分7次注入试验装置,试验周期为90d,每隔5d收集一次过滤水样并进行污染物浓度测试。其中,COD采用重铬酸钾-硫酸银消解分光光度法,TN采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法,TP采用钼锑抗分光光度法。根据检测结果计算获取污染物的去除率,以评价过滤效果。计算公式为

污染物去除率=(1-过滤水样污染物含量/

灰水污染物含量)×100%

2 试验结果与分析

2.1 COD过滤效果

根据试验数据,计算获取不同试验时间节点过滤试样中COD的去除率,其变化曲线见图2。从试验结果可以看出,多元滤料设计对COD过滤效果随时间的变化可以划分为5个阶段。前10天为第一阶段,该阶段COD去除率呈现出快速上升的变化特点,原因是刚填入的滤料需要与试验装置“磨合”;10～35天为稳定阶段,该阶段的多元滤料对COD过滤效果比较稳定,一直维持在82%～87%的较高水平,过滤效果良好;35～60天为缓慢下降阶段,该阶段的COD去除率呈现出缓慢降低的变化特征,经过一段时间的工作,过滤料的过滤和吸附能力有所下降,但是仍有一定的效果;60～80天为迅速下降阶段,该阶段的多元滤料对COD过滤效果迅速降低,原因是过滤料对吸附区域饱和,秸秆滤料开始腐烂,功能基本丧失;80～90天为失效阶段,该阶段多元滤料的过滤和吸附作用完全丧失,过滤效果为0。

图2 COD去除率变化曲线

2.2 TN去除效果

根据试验数据,计算获取不同试验时间节点过滤试样中TN的去除率,其变化曲线见图3。从试验结果可以看出,多元滤料设计对TN过滤效果随时间的变化可以划分为4个阶段。其时间节点变化规律与COD的前4个阶段类似。不同的是对TN试验中尚未出现失效阶段。具体来看,前10天为第一阶段,该阶段的TN去除率呈现出快速上升的变化特点;10～35天为稳定阶段,该阶段的多元滤料对TN过滤效果比较稳定,一直维持在90%以上的较高水平,由此可见,多元滤料对TN的去除效果优于对COD的去除效果;35～60天为缓慢下降阶段,该阶段的TN去除率呈现出缓慢降低的变化特征;60天以后为迅速下降阶段,该阶段的多元滤料对TN过滤效果迅速降低,原因是过滤料对吸附区域饱和,秸秆滤料开始腐烂,功能基本丧失。

图3 TN去除率变化曲线

2.3 TP去除效果

根据试验数据,计算获取不同试验时间节点过滤试样中TP的去除率,其变化曲线见图4。从试验结果可以看出,多元滤料设计对TP过滤效果随时间的变化可以划分为4个阶段。前10天为第一阶段,该阶段TP去除率呈现出快速上升的变化特点;10～45天为稳定阶段,该阶段多元滤料对TP过滤效果比较稳定,一直维持在55%以上的水平,最高去除率为66%,由此可见,多元滤料对TP的去除效果不及COD和TN;45～70天为迅速下降阶段,该阶段多元滤料对TP过滤效果迅速降低;70天以后为失效阶段。从试验结果来看,与COD和TN不同,多元滤料对TP的去除效果没有缓慢下降阶段,在稳定阶段之后,由于颗粒物沉积和材料变质等因素的影响,生态渗井内部好氧环境受到干扰,同时有机负荷变高,磷无法被有效吸收或降解,因此滤料的过滤作用迅速下降并失效。

图4 TP去除率变化曲线

3 结 语

此次研究利用模型试验的方式,探讨多元滤料对农村单户灰水中污染物的过滤效果,试验结果显示,采用多元滤料对农村单户灰水中的COD、TP和TN污染物具有良好的过滤效果。在稳定阶段,对三种污染物的去除率分别达到80%、90%和55%以上。对不同污染物,去除率的稳定阶段一般可以持续到35～45天,在45天之后,对TP的去除率会迅速下降。因此,在实际应用中,建议滤料的使用时长为35～45天,否则将影响污染物的过滤效果。当然,在工程应用过程中,废弃过滤料的处理也是需要解决的技术问题,否则也会造成二次污染。