三级串联人工快渗系统处理高氨氮生活污水运行参数优化研究
导读:：级串联人工快渗系统装置内径为200mm。属于典型的高氨氮生活污水。水力负荷太高。湿干比(FDR)为1：11。水力负荷周期(HLC)为6h。
关键词：三级串联人工快渗系统，高氨氮生活污水，水力负荷，湿干比，水力负荷周期
人工快速渗滤系统(Constructed Rapid Infiltration，简称CRI)是在传统的污水土地处理系统上发展起来的一种新的生物处理方法，具有处理效果好,投资少,管理方便,操作简单,运行费用较低等优点[1]。近年来我国主要应用于生活污水、洗浴废水、微污染河水等方面的研究，并有实际工程应用[2-4]，笔者采用三级串联人工快渗系统对高氨氮生活污水进行研究，显示系统对污染物的去除率和复氧效果明显提升[5-6]。为了进一步优化三级串联人工快渗系统处理高氨氮生活污水的运行参数，本实验从水力负荷、湿干比以及水力负荷周期进行研究，确定最佳的运行参数，为以后的实际工程应用打下理论基础。
1 实验设计
1.1、实验水质
实验进水来自校园学生生活区化粪池，污水主要来源于学生宿舍的洗漱、冲厕以及其它杂用水，水质指标如表1所示，属于典型的高氨氮生活污水。原水经过微曝气后进入快渗系统。试验中的进水均是指微曝气后的水质。
表1 废水水质
|
水质指标 |
COD |
TN |
氨氮 |
SS |
pH |
|
平均浓度 |
510 |
159.2 |
147.1 |
205 |
8.03 |
Qualityof wastewater mg/L
table11.2、实验设计参数
本试验采用的工艺流程如下图1。
图1 工艺流程图
Fig.1 Diagram of treatment process
三级串联人工快渗系统装置内径为200mm，由PVC管制成，下部1m设为饱水层。填料采用中砂，所选用的中砂粒径在0.4～1.2mm之间，d10=0.25mm，Cu=3.12，并混有少量大理石补充碱度。保护高0.4m，距顶部0.1m处为溢流口，一、二级子系统介质厚度均为0.5m，三级子系统介质厚度为1m，介质总高度为2m。一、二级子系统中间以及二、三级子系统中间均有0.2m高的通气层。
1.3 试验分析项目
试验分析项目包括COD、NH4-N、TN等。检测分析项目均采用国家标准方法。
2结果及讨论
2.1 三级串联人工快渗系统最佳水力负荷确定
水力负荷(HL)是指单位时间、单位面积上的污水投配量(m3/m2·d)，水力负荷太高，将会导致系统出水水质变差和堵塞;水力负荷太低，将会减少污水处理量，同时增加了人工快渗系统的占地面积。为了考察三级串联人工快渗系统不同水力负荷对污染物的去除效果，选择0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d三个不同水力负荷进行试验，水力负荷周期(HLC)为6h，湿干比(FDR)为1：11，每隔两天取一次样，每个水力负荷运行3周左右中国。
不同水力负荷条件下，三级串联人工快渗系统对COD、氨氮和总氮的去除效果见图2~图4。
图2 不同HL下COD去除效果图3 不同HL下NH4-N去除效果
Fig.2 COD removal of different HL Fig.3 NH4-N removal of different HL
从图2中可以看出，HL对COD的影响不是很大，0.8m/d、1.0m/d和1.2m/d下COD平均去除率分别为80.36%、79.35%和76.30%。随着HL增大COD去除率稍有下降。三个水力负荷阶段出水水质都达到了《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。一般来说，随着HL的增大，污染物负荷也会增大，单位时间内单位体积的快渗柱需要处理的有机物也会增多。一旦有机物量积累太多，微生物来不及降解就会导致出水水质就会变坏，并发生堵塞。当然也并非HL越低去除率就越高，因为异养微生物的生存需要一定量的食物，当有机物负荷太低时就会影响微生物的数量和活性，出水水质也不会好。从实验结果看HL在0.8~1.0m/d时最佳。
由图3可以看出，水力负荷为0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d时，氨氮的平均去除率分别是92.78%、96.62%、91.6%。0.8m/d和1.0m/d的出水效果均满足《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，1.2m/d的出水效果满足《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。随着水力负荷的增加，氨氮的去除率先升高，然后又下降，即在0.8m/d条件下，系统对氨氮负荷还有一定的接受能力环境保护，由于三级串联人工快渗系统增加了二次复氧，使其对氨化和硝化的作用加强，在1.0m/d左右时达到了最佳，随后在增加水力负荷，由于氨氮的污染负荷增加，一部分污染物未能及时的降解就随出水流出，所以导致去除率的下降。从实验结果看HL在1.0m/d时对氨氮的去除效果最佳。
图4不同HL下平均TN去除效果图5 不同HL下各级C/N比变化
Fig.4 TN removal of different HL Fig.5 ratio of C/N indifferent HL
由图4可以看出，水力负荷为0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d时，总氮的平均去除率分别是44.1%、51.3%、44.0%。出水效果均不能满足《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。其中水力负荷1.0m/d时，总氮的去除率最高，同时从图5可以看出总氮的去除率和相对应的C/N比正相关。通常状况当C/N比小于2时不利于反硝化的进行，需进行补充碳源[7]。虽然在水力负荷1.0m/d时，C/N比最高，但其也远远小于2，因此，碳源不足是影响三级串联人工快渗系统脱氮的主要限制因子。
一般来说，随着HL的增大，HRT的减小，污水与生物膜的接触时间缩短，生物作用去除污染物的效果降低;HL的增大，有机负荷也增加了，微生物可利用的营养物质增多，微生物生长相对旺盛，快渗系统中微生物繁殖加快，保证了一定的污染物去除效果，但HL的增加，快渗装置中淹水时间也增加，落干时间相对要小，快渗系统通过自然复氧的效果较差，影响了微生物的活性，进而影响污染物的去除效率。综合以上因素，在本实验条件下，三级串联人工快渗系统处理高氨氮生活污水的最佳水力负荷时1.0m/d。
2.2 三级串联人工快渗系统湿干比确定
人工快渗系统一般采用间歇进水方式。淹水一段时间然后再落干一段时间环境保护，淹水时间和落干时间的比值为湿干比(FDR)。为了保证对耗氧有机物的降解和硝化作用得充分进行，同时防止系统堵塞，一般情况下落干时间要远大于淹水时间。合理的FDR既能保证出水的质量又能使系统最大负荷的运行。本实验选择湿干比为1：11、1：5、1：3分别进行研究，每种湿干比运行2周左右，水力负荷为1.0m/d，一天进水4次，一个周期为6小时。
不同湿干比条件下，三级串联人工快渗系统对COD、氨氮和总氮的去除效果见图6。
图6不同湿干比下COD、氨氮和TN平均去除效果
Fig.6 COD、NH4-N、TN removal of different the flooding-drying ratio
由图6可知，随着湿干比的增加，COD、氨氮和总氮的去除率都是先增加后减少，在湿干比为1：5时去除效率最大。当湿干比为1：3时，系统的进水时间为1.5h，进水时间相对较长，系统内表层处于缺氧的时间较长，表层吸附和截留的污染物没有及时的降解，被水流带到二级和三级子系统阶段，由于二级和三级子系统的复氧效果较好，因此，COD和氨氮总的去除率效率仍然较高，出水能满足《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。随着湿干比增加，即落干时间加长，当湿干比为1：11时，COD和氨氮的出水虽然都也能满足《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，但出水的效果明显下降。落干时间增加会导致微生物自身营养物质的缺乏，影响其生长繁殖的速度，降低微生物的活性，不能充分发挥微生物的降解作用，导致了出水水质的下降。
从图6可知，三种湿干比条件下对总氮的去除率均不是很高，出水均不能满足《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。三级串联人工快渗系统经过二次自然的复氧，使其硝化作用比较充分，所以整个系统的氨氮的去除效率比较高;虽然系统通过增加饱水段高度人为地营造了反硝化区域，但是由于碳源不足等因素影响环境保护，使反硝化的效果降低，整个系统对总氮的去除效率不是很高。通过以上实验结果可以看出，本实验条件下，湿干比为1：5时对污染物的去除效果较好。
2.3 三级串联人工快渗系统水力负荷周期确定
一次淹水和一次落干所构成的循环称为系统的水力负荷周期。水力负荷周期的确定要考虑湿干比的大小。淹水期过长会导致污染物吸附饱和出现穿透现象，介质渗透率下降并使系统堵塞导致水力负荷下降;淹水期过短不能保证硝化作用充分进行，同时不利于系统的连续运行，水力负荷也会下降。实验选择水力负荷为1.0m/d，湿干比是1：5的条件下，研究水力负荷周期分别是6h和4h的污染物的去除效果。实验结果见表2。
表2 不同HLC下对污染物的去除情况
Table 2 The removal of pollutants of different HLC
|
水质指标 HLC |
COD（mg/L） |
NH4-N（mg/L） |
TN（mg/L） |
||||||
|
进水 |
出水 |
去除率% |
进水 |
出水 |
去除率% |
进水 |
出水 |
去除率% |
|
|
6h |
145 |
32.0 |
77.9 |
83.3 |
3.2 |
96.2 |
103 |
48.2 |
53.2 |
|
4h |
139 |
25.0 |
82 |
85 |
2.1 |
97.5 |
107 |
47.4 |
55.7 |
对于水力负荷周期为6h时，快渗系统一天进水、落干各4次，水力负荷周期为4h时，快渗系统一天进水、落干各6次，落干频率较6h时提高了50%，增加了与空气的交换次数。人工快渗系统的复氧主要是通过扩散和对流作用，通过扩散作用，氧气很难到达系统深层，复氧效率不是很高，而由于水流入渗的负压吸入作用，引起的空气对流可以到达系统的深层区域，增加系统内的好氧空间。何江涛等人通过实验研究，缩短HLC，人为的加大系统淹水和落干的频率，可以有效的加强系统与外界空气的对流机会，加大系统的复氧效率，提高系统的整体的复氧效果，有利于系统中微生物对有机污染物的好氧生物降解[8]。
由表2可知水力负荷周期为4h时，COD、NH4-N和TN的去除效果比HLC为6h时均有不同程度的提高，虽然出水效果COD、NH4-N都能满足《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，但出水效果还是明显提高。水力负荷周期为4h时增加了每天污水投配的次数，增加了空气对流的频率，使得进入系统的空气量将会提高，增加了系统的复氧量，整个系统处于氧气相对较为充足的状态环境保护，有利于微生物对有机污染物和NH4-N的好氧生物降解，但由于三级串联的独特结构，本身就增加了各个子系统阶段的复氧效果，因此相对减弱了水力负荷周期变化对污染物的去除差异。同时，如果过多的增加每天的污水投放次数，每次的进水量就比较小，淹水时间相对的偏小，将影响快渗系统内好氧、厌氧区域的交替运行，影响污染物的降解。因此，综合以上因素，本实验条件下，水力负荷周期为4h时运行效果较好。
3 结论
1、本实验条件下最佳的运行参数为：水力负荷1.0m/d，湿干比为1：5，水力负荷周期为4h，出水中COD、NH4-N的浓度都能满足《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。
2、碳源不足是影响三级串联人工快渗系统脱氮效率较低的主要限制因子。
3、缩短水力负荷周期，加大系统淹水和落干的频率，可以有效的增加系统的复氧效率，提高系统的整体的复氧效果，有利于系统对COD、NH4-N的好氧生物降解。
参考文献
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[7]张自杰.排水工程(下册).中国建筑工业出版社.2000：310-311.
[8]何江涛，马振民等.污水渗滤土地处理系统中的堵塞问题[J].中国环境科学，2003，23(1)：85-89.
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