人工快速渗滤系统的运行方式对复氧效果的影响

孙小静,马利民,梁小超,崔程颖

(同济大学污染控制与资源化国家重点实验室,上海 200092)

1 引 言

人工快速渗滤系统 (Constructed Rapid Infiltration,简称 CR I)是指有控制地将污水投放于人工构筑的渗滤介质的表面,使其在向下渗透的过程中经历不同的物理、化学和生物作用,最终达到净化污水的过程[1]。CR I系统通常采用淹水和落干相交替的工作方式,这可在系统内部的浅层剖面上交替形成氧化还原环境,从而使 CR I系统具有独特的净化污染物功能[2]。对于 CR I系统,由于水力负荷大幅提高,污染物负荷也相应提高,其复氧状况对系统的处理效果有巨大的影响[3,4],复氧条件差的结果往往是造成系统内部有机物的好氧生物降解效果不理想,硝化作用受到限制,系统处理效果差的主要原因。所以相对于传统污水处理系统而言, CR I复氧问题的解决显得更为重要。为了提高复氧效率,目前复氧采用的方法主要有三种：一是采用周期性干湿交替的工作方式加强系统复氧[5,7];二是利用植物的根系对系统内部进行复氧[8];三是安装通风管对系统内部进行复氧[9,10]。

CR I系统的淹水时间与落干时间之比即为湿干比,适宜的湿干比是确保系统复氧的关键。系统的水力负荷周期是一次淹水和一次落干所构成的循环,CR I系统中,扩散是系统复氧的重要途径[11,12],而系统的水力负荷周期[3,4],对改善系统的复氧状况,提高处理效率,增强污染物去除效果具有重要意义。另外,有研究表明,设置通气管对土地处理系统复氧有重要作用。本文通过研究 CR I系统现场系统中湿干比,水力负荷周期和增加通气管对复氧效果的影响,从而为 CR I系统的工程优化及应用提供理论依据。

2 试验条件与方法

2.1 试验装置

本试验采用自行设计的人工快速渗滤模拟柱进行试验。采用市售 PVC管材制作,高 250cm,直径 (内径)19cm,在装置[13]的下端和侧面留有取样口。CR I系统渗在装置内鹅卵石垫层按照由下往上砾石粒径由大变小的方式填装,填装厚度约15cm左右。渗透区的介质由天然河砂组成,河沙厚度为 170cm左右。随后在顶部装入土层厚度为10cm左右的耕土。耕层土壤采自污水厂绿化带土壤,天然土壤含有丰富的有机质,土壤肥沃,微生物活性强。

本试验在室内条件下运行 (室温 5℃～38℃),系统启动阶段后,经过 1个月左右基本稳定,CR I系统对 CODCr、NH3-N等的去除率都达到较高的水平,且系统出水较为稳定,系统基本达到稳定状态。系统采用两种预处理方式 (初沉池出水和厌氧处理出水),原水通过计量泵向模拟装置加入生活污水,供水水头控制在 5cm,用预先设置好的时间继电器控制淹水时间和干化时间。

2.2 试验水质

本试验在上海市东区处理厂现场进行,污水取自初沉池出水 (表 1),为减轻污水对系统冲击,部分实验采用初沉池出水经过 EGSB厌氧出水 (表2)。该污水处理厂汇水区域内的染料厂、印染厂等工业企业生产废水未经处理直接排入该污水处理厂,使得进水中工业废水和生活污水混杂,水质变化较大。初沉池出水经过 EGSB厌氧水解后,其有机污染物浓度大幅降低,污水中有机氮得到一定程度的氨化。

表1 进出水水质Tab.1 Water quality of influent and effluent in CR I system (mg/L)

表2 EGSB系统水质情况Tab.2 Water quality of EGSB (mg/L)

2.3 试验方法

在相同水力负荷条件下,分别用不同的湿干比(1∶1、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶12和 1∶20)考察系统对CODCr和NH3-N去除率,了解系统复氧效果。

在确定的湿干周期比 1∶6,同一水力负荷的前提下,改变一天内污水不同的投配次数,实验设计两种工况 (工况 1：每次进水 0.5小时,落干 3小时,每天污水投配次数约为 7次,期间要保证系统完成复氧。工况 2：进水 1天,落干 6天,每天污水投配次数为 1次),考察在不同水力负荷周期条件下系统对CODCr和NH3-N的去除率,进而了解系统复氧状况。

2.4 测定项目及方法

天然河沙粒径采用 LS230型激光粒度仪测定,其他指标采用标准方法测定[14],分析测定的项目包括与系统复氧有关的指标 CODCr、NH3-N、TN、。

2.5 复氧量计算方法

快速渗滤处理通过空气扩散进入系统的氧量(O Id)可由下式计算而得[4]：

式中：O Id—通过空气扩散作用每天进入系统的氧量,g/d;K—系统通过扩散作用的复氧效率,按 1g/m2·h计;A—渗滤面积,m2;t—落干时间(空气向渗滤介质中扩散的时间),h/d。

空气对流对系统复氧的贡献可由进入系统中的空气体积来计算[15]。空气对流作用进入系统的氧量 (O Ic)可由下式计算而得：

式中：c—空气中氧的浓度,一般按 0.3gO2/L计;V—当渗池表面残水落干之后到下一次布水之前流出系统的水的体积,L;N—1天内投配污水的次数,d-1。

3 结果与讨论

3.1 湿干比对系统复氧的影响

3.1.1 湿干比对 CODCr去除率的影响

本次试验中不同湿干比对 CODCr的去除情况如图1所示。

图1 不同湿干比条件下快速渗滤系统对 CODCr的去除情况Fig.1 The removal rates of CODCrat differentwet to dry ratio in CR I system

由图 1知,在湿干比为 1∶6时,CODCr去除效果最好,平均去除率达到 84.47%,在整个试验周期内,出水水质和 CODCr去除效果最为稳定,出水水质都能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》一级 [A类 ]标准。

在 CR I系统中,有机物的去除首先是通过渗滤介质及其表面的微生物过滤吸附作用而截留在系统内,并通过微生物作用特别是落干期好氧微生物的降解作用而获得最终去除的。根据有机物在水中的存在形式,COD可以分为悬浮性 COD和溶解性COD,前者中的大部分可由机械过滤去除,后者可以通过吸附作用得到部分去除。生活污水中有机污染物浓度不是很高,而且可生化降解的有机物所占比重较大,因此,好氧生物降解更能发挥作用。选择适当的湿干比和落干期,一方面可以恢复系统渗透性能,使悬浮性 COD得到较好去除,另一方面也可以使系统复氧完全,能够对溶解性 COD进行生物降解。但由于 CR I系统采用渗透性能良好的渗滤介质,系统堵塞现象产生较慢,且渗透性能恢复也较快,因此,CR I系统湿干比对 CODCr去除的情况主要考虑系统复氧的影响,即系统复氧状况可以通过 CODCr去除率来了解。

从图 1知,在前 3种湿干比时,CODCr的去除效果较低,这可能是由于在湿干比为 1∶1,1∶2和1∶4时,由于落干时间相对较短,系统复氧不充分,致使好氧环境未能得到恢复,因而对 CODCr的生物降解效果较差,而当湿干比为 1∶8,1∶12和1∶20时,由于落干时间较长,造成系统内好氧微生物营养物质缺乏,致使其生长较慢,活性变差,最终影响出水水质。

3.1.2 湿干比对NH3-N去除率的影响

CR I系统落干期的作用主要包括系统渗透性能恢复和系统复氧,保证硝化作用进行,因为 CR I系统渗透性能恢复较快,因此,在相同水力负荷条件下系统湿干比对 NH3-N去除率的影响主要考虑系统复氧对硝化作用进行程度的影响,所以系统复氧效果也可以通过NH3-N去除率来了解。

本次试验在相同水力负荷条件下,不同湿干比对NH3-N的去除情况如图 2所示。

图2 不同湿干比对NH3-N去除的影响Fig.2 The effect ofwet to dry on NH3-N removal

从图 2可知,湿干比较大时,CR I系统对NH3-N的去除效果略差,湿干比为 1∶1和 1∶2时,系统对NH3-N的去除率分别为 89.16%、83.68%。随着湿干比的减小,系统对 NH3-N的去除效果随之提高,在湿干比为 1∶4、1∶6、1∶8和 1∶12时,系统对NH3-N去除率效果差别不大,其平均去除率分别为 95.02%、98.39%、97.70%和 95.49%,湿干比为1∶6时,去除效果略高,而且运行效果最为稳定。当湿干比进一步减小为1∶20时,系统对NH3-N的去除效果明显降低,平均去除率为 83.49%。

可以看出湿干比越小,干化时间越长,则越有利于系统复氧,恢复好氧条件,在此条件下,可使硝化作用和反硝化作用进行得更充分,故对氨氮去除也增大。而干化时间短,不能使系统恢复好氧条件,从而阻碍了去除氨氮途径的第一步,即硝化作用的完成。但落干时间过长,会使系统内硝化菌和反硝化菌无法正常生长甚至死亡,从而影响下一个周期系统对NH3-N的去除率。

3.2 水力负荷周期对系统复氧的影响

工况 1的运行方式加强了空气对流对系统的复氧。如果以 7d作为一个计算运行周期,则在每一个运行周期有 49次空气对流的机会,而在此期间,工况 2的柱中只有一次空气对流机会。利用试验过程中测得的V值,由式2可分别计算工况1和工况2由空气对流作用的复氧量分别为 13.23g和 0.92g (见表 3)。即空气对流作用对工况 1的复氧量远大于对工况 2的复氧量。

表3 不同运行方式下复氧量Tab.3 The reaeration amount at different methods of operation (g)

由空气扩散作用对两柱的复氧效率也有差异。对于工况 1,由于在实际运行过程中柱的水力负荷周期虽然没有变化,但在相同的水力负荷条件下,系统的湿干比随时间呈逐渐增大的趋势,所以实际测得其平均湿干比基本为 1∶4,而工况 2的湿干比为 1∶6,以 7天为一个计算周期,由式 1可计算工况 1和工况 2在每个运行周期由空气扩散作用的平均复氧量分别为 0.54g和 0.58g(见表 3),即由空气扩散作用对工况 1的复氧量略小于对工况 2的复氧量,工况 1中湿干比的变化对系统复氧的影响基本可以忽略。

因此,可以认为小的水力负荷周期工作方式对改善系统的复氧状况,要比大水力负荷周期的工作方式有效,且在干湿交替过程中,只要存在完整的落干过程就能实现系统的复氧,影响系统复氧效果的因素主要是干湿交替的频率 (水力负荷周期),而落干时间的长短对空气中氧向水中扩散的影响基本可以忽略,因为在淹水过程中封闭在系统内的空气仍可以继续向水中扩散。

表4 不同运行方式下污染物去除效果Tab.4 The pollutant removal rates at differentmethods of operation (mg/L)

从试验结果 (表 4)看,工况 1对 CODCr和 NH3-N的去除效果均高于工况 2。这主要因为在本试验条件下,工况 1柱的复氧途径主要是空气对流作用,而工况 2柱的复氧途径主要是空气扩散作用,工况 1柱的复氧效率要明显高于工况 2柱,这将有利于工况 1柱中微生物对有机污染物的好氧生物降解,其污染物去除效果得到了明显的改善。

3.3 增加通气管对系统复氧的影响

表5表示在确定湿干比 1∶6,同一水力负荷前提下开关通气管对 CR I系统 CODCr和 NH3-N处理效果的影响。从表 5可知,打开 CRI通气管后,其处理效果没有得到显著提高。除 CODCr的去除率略有提高外,NH3-N的去除效果与通气管关闭时差不多。因此,通气管的设置对系统复氧效果的影响并不显著,原因可能是本次试验中通气管的设置不够合理。

表5 通气管对 CR I系统处理效果的影响Tab.5 The impact of aeration pipe number on the removal rate in CR I (mg/L)

4 结 论

在湿干比 1∶6时,CR I系统对与复氧有关的指标 CODCr、NH3-N的去除率较高,系统复氧效果较好;在确定湿干周期比 1∶6,同一水力负荷的前提下,通过缩短系统水力负荷周期,加大系统淹水和落干频率,可以加大系统的复氧量,提高系统的复氧效率;通气管的设置对系统复氧效果的影响并不显著。

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