新型组合填料过滤装置处理生活污水的试验＊

李春来,刘康怀,覃许江,孙洪林

近年来,我国小城镇经济得到了快速的发展,但是小城镇人口多、面积分布广,基础设施薄弱,大部分县镇的污水未经过处理就直接排入附近水体,小城镇水污染问题日益严重。由于小城镇污水水量小,成分简单,同时缺乏污水处理设施建设、运行以及维护的资金和技术,使得一些小城镇的水体污染问题难以解决[1-3]。因此,开发既适合小城镇污水特点,又经济、低耗、高效的污水处理工艺非常必要。本研究在现有的污水土地处理和生物滤池等工艺的基础上,设计出了一套新型组合填料过滤装置,通过试验,研究其对生活污水的去除效果,确定最佳运行参数,以期为解决小城镇水污染问题提供参考。

1 试验设备

1.1 试验装置概述

新型组合填料过滤装置主要设备由提升水泵、高位水箱、过滤柱、布水管和铁架组成。原污水在进入装置前,采用粗布过滤和静置沉淀的方法进行预处理,去除部分漂浮物及砂石,然后由水泵一次提升到高位水箱,利用高差,污水依次流过 3个过滤柱,并通过穿孔管在柱内布水,过滤柱分别填充不同的填料,通过机械过滤和生物作用共同去除污染物。因选用填料不同,因此各柱去除的主要污染物种类也不同,更有利于提高工艺的处理效果。试验装置见图1。

图1 过滤器示意

1.2 过滤柱

本试验所用的过滤柱是由 PVC管改装而成,共有两组,以进行不同填料的对比试验。每组由 3个小过滤柱组成,各小过滤柱高度均为 1 m。第 1组(1号)的填料填充情况:1-1号柱为 0.6 m天然砂,1-2号柱为 0.3 m天然砂,1-3号柱为 0.5 m石灰石。第2组 (2号)的填充情况:2-1号柱为0.6 m天然砂 ,2-2号为0.3m沸石 ,2-3号为0.5 m石灰石。为与实际接近,每组 PVC过滤柱均包以不透光塑料布。

1.3 填料

2 试验方法

2.1 试验操作与管理

供试污水取自桂林市六合路花园村生活污水排放口,主要是居民的生活和餐饮废水等,不含工业废水。

系统启动完成,运行稳定后,两组装置均采用间歇运行,每周期 12 h,其中进水 4 h,停止进水8 h,每隔 3天取一次样,取原污水和最终出水进行检测分析。试验中,两组保持在相同的水力负荷[1.5 m3/(m2·d)]条件下运行,以便对比处理效果。

2.2 监测项目和分析方法

试验的主要测试项目有:水温:干湿温度计;pH值:便携式pHS― 3C精密 pH仪;COD:微波密封消解快速测定法;NH3-N:纳氏试剂分光光度法;TN:紫外分光光度法;TP:钼锑抗分光光度法。

3 试验结果及讨论

3.1 处理水检测结果

根据系统每次的进出水水质监测,正常运行阶段,统计各进水和最终出水水质参数的结果见表1。

表1 1号柱和2号柱进出水水质参数

从表1可以看出,供试用水的总体特征与一般的生活污水相近,进水的各项水质指标具有一定的不稳定性,但变化范围并不大。而经过多级过滤处理后,各类污染物都得到很好的去除,出水的NH3-N和 TP均优于 GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

3.2 系统的启动及微生物培养

系统的启动和微生物培养阶段,采用城市污水处理厂好氧池中的活性污泥为种泥,并首先经简单的处理,然后与实际废水混合,定期、定量灌洒在第一级过滤柱表面。期间共运行了 31天;从第 5个运行周期以后,每隔 3个周期抽取出水水样进行监测和分析,获得系统出水 COD的去除效果。系统运行的参数为:进水 4 h,停止进水 24 h(运行周期为28 h),水力负荷为 1.5 m3/(m2·d)。如图2所示, 23天后,两组过滤柱的 COD去除率逐天提高,继续运行 7天后去除效果保持稳定,此时,认为系统启动及微生物培养已经完成。

图2 系统启动及微生物培养期COD去除效果

3.3 COD去除效果

从图3比较两柱对COD的去除效果可以看出,1号柱COD的平均去除率是 80%,2号柱对 COD的去除率稳定在85%左右,可见,后者要略优于前者。这主要是由于该过滤系统中去除COD的机理是填料对COD的吸附、过滤和好氧微生物的生物降解[5]。由于好氧微生物多存在于填料上层,故中、下层附着的微生物降解 COD的作用不大,而在吸附性能上沸石优于天然砂,所以 2号柱处理效果得以提高,归因于沸石填料对COD较强的吸附能力。

图3 1号柱和2号柱COD去除效果

3.4 NH3-N去除效果

从图4可看出,由于前期微生物培养已经成功,因此,从检测的第 1周期开始就具有较高的去除率。但 1号柱NH3-N去除率随进水浓度的改变波动较大,在运行前期,去除率为 42%～88%,之后一直稳定在 70%以上。这主要是相比 2号柱,1号柱中的天然砂和石灰石吸附 NH3-N的性能较差,因此NH3-N的去除机理主要是生物脱氮,同时由于抗冲击负荷能力相对较弱,因而在进水水质变化较大时,处理效果也不稳定。

图4 1号柱和 2号柱NH3-N去除效果

2号柱 NH3-N去除率一直稳定在 77%以上,最高达到 97%,出水平均浓度低于 5 mg/L,去除效果整体上趋向平稳,明显好于 1号柱。这是因为 2号柱中层采用的是沸石填料,能良好地吸附NH3-N[6],又由于其多孔结构,有利于反硝化细菌的附着生长,因此在物理作用和生物作用共同增强的情况下,系统去除 NH3-N的效果得以提高。但从整体趋势看,去除率有所下降,说明沸石的吸附能力随着时间的递增在逐渐下降。

3.5 TN去除效果

在运行过程中,系统对 TN的去除效果一直不太稳定,由表1可见,1号柱和 2号柱的平均去除率分别是 44.32%、55.57%。这是由于,试验中采用的是淹水期为一个周期 4 h,远低于落干期 8 h的模式,虽然保证了氧气供应量,但缺乏足够的缺氧期,不利于细菌反硝化作用,使得系统 TN的去除效果不佳。相对而言,2号柱的处理效果要好于 1号柱,这说明沸石吸附了NH3-N,也就增加了 TN的去除效果。

3.6 TP去除效果

由图5可见,两柱在 TP的去除上均保持较高水平,去除率均在 85%以上。表1出水中 TP的最高浓度仅为 0.45 mg/L,除磷效果非常显著。分析可知,磷的去除机理主要是靠填料对磷的吸附和磷酸根离子与填料中的 Fe、Al及 Ca等金属离子反应,发生化学沉淀的结果[7]。由于天然砂对磷的吸附性能不强,其主要成分是硅,也不利于沉淀反应的进行,因此对除磷贡献不大,而起主要作用的则是石灰石,因为石灰石中的部分 Ca溶解后,能与污水中的磷酸根离子发生反应生成磷酸钙,沉积在填料上,达到除磷的目的。

图5 1号柱和2号柱 TP去除效果

从图5可看出,1号柱除磷效果不如 2号柱,2号柱 TP的去除率最高达到 98%,最低也是 96%。这是因为,2号柱中层的沸石填料也是一种优良除磷吸附剂[8],在经过石灰石之前,已有一部分磷被沸石吸附,因此处理效果要比 1号柱好。

4 结论和建议

通过以天然砂、沸石、石灰石为组合的新型过滤装置的试验研究,得到以下结论和建议:

(1)新型组合填料过滤装置采用间歇运行的方式,好氧、缺氧和厌氧交替出现,提供了硝化和反硝化条件,能够脱氮除磷,同时实现了无动力运行,节省了运行费用。

(2)新型组合填料过滤装置在周期为 12 h,水力负荷为 1.5 m3/(m2·d)时,COD、NH3-N和 TP的平均去除率分别为 85.00%、89.67%和 96.93%,处理后出水水质良好。

(3)以沸石为装置的填料,既有助于去除COD,又有利于NH3-N的吸附;石灰石填料能提供Ca离子,加强了磷的沉淀反应,大大地提高了磷的去除效果。

(4)过滤填料分成三级,每级种类不同,污染物去除具有针对性,有利于提高处理效果,在填料堵塞或失效时,方便更换。

(5)新型组合填料过滤装置对于目前正在深入研究的人工快速渗滤工艺有一定的借鉴意义,两者去除污染物的机理类似,如果人工快速渗滤工艺采用类似组合填料,并分成多段,势必会提高系统的处理能力,且有助于解决填料堵塞等问题。

(6)新型组合填料过滤装置的研究仍存在很多问题有待解决,如各层填料的最佳高度、多层的合理结构、改性材料的应用以及其他深入的定量分析等。

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