针对人工快渗系统处理生活污水正交试验研究

赵 鹏

(中煤科工集团重庆设计研究院重庆 400016)

针对人工快渗系统处理生活污水正交试验研究

赵 鹏

(中煤科工集团重庆设计研究院重庆 400016)

人工快渗系统自研发出以来，在生活污水的处理中发挥了重大的作用。本文对人工快渗系统在实验室中的正交试验进行分析，探究人工快渗系统相关的因素在污水处理过程中对于氮氨、化学需氧量和总氮含量TN的清除成效的影响，对人工快渗系统在运行过程中的适宜参数进行范围确定。

人工快渗系统；生活污水；正交试验；极差分析

人工快渗系统是一种新型的污水处理技术，是以之前的土地快速渗滤系统为基础研发而成，用具有良好渗透性的煤矸石、陶粒及天然河砂作为渗透过滤的介质，取代了天然土层的作用，将系统中的水力负荷在很大程度上加以提高。本文通过利用人工快渗系统在实验室的条件下展开正交试验，探究水力负荷、湿干比值、系统中的淹水时间和填料层中沸石层的厚度等重要因素对污水处理效果造成的影响，对人工快渗系统在运行过程中的参数进行确定。

1 试验材料及装置

1.1 生活污水的来源

在利用人工快渗系统进行生活污水处理的正交试验中，用的生活污水来源于某市小区内的污水管道，污水中包含餐饮及洗涤废水，无工业废水。采集污水的时间是中午及傍晚时分污水量较大的时候。

1.2 试验材料

此次正交试验中，主要是分段进行填料的装填的，所用的填料包括沸石、河砂、石灰石，除此之外还有鹅卵石。其中，鹅卵石的粒径在10mm至30mm范围之内，主要作用是便于试验中的出水。

1.3 试验装置

试验过程中设置的装置主要包括高位水箱、PVC柱管、阶梯状铁架台、流量计和水泵等。其中，铁架台包含五个平台，总高度是2.5m。PVC柱的外径是0.16m，主要作用是将填料完全装载，在本次正交试验中，需要将填料的厚度进行改变，所以制备了多节高度不同的PVC柱，其柱高设置的范围是0.3m到0.7m，每个柱高间隔0.1m，总共设置5个不同柱高。用PVC柱管封口板将柱体的底部进行封口处理，并在封口板的下部开个小口作为出水口。水箱放置在铁架台的最上面一层，经由水泵将预处理污水送到水箱中，污水再从流量计流至水龙头，最后经过胶管在填料的表面洒布均匀。填料是进行分段装载的，由河砂、沸石、石灰石分成不同的填料层并进行上下串联构造而成。污水从各层填料间流经时只是依靠自身的重量，从上至下的流动。鹅卵石铺在最底层，作为系统出水层。具体的试验装置如图1所示。

1.4 选取试验因素并确定水平

选取试验中的因素作为可变因素。相关研究和试验已经证明，在系统中石灰石本身的物理化学性质是去除磷的主要依据，所以此次试验不将填料中石灰石层厚度作为对象展开研究，同时也不对去除磷的效果造成影响的因素展开讨论。在本次试验中，可变因素主要包括系统的淹水时间A、填料层中沸石层的厚度B、水力负荷C及湿干比值D做正交表，在三水平四因素的基础上建立正交试验L。在试验中，需要对化学需氧量、TN的含量和氮氨含量进行检测。

1.5 分析及检测方法

分别利用标准重铬酸钾方法对水样的化学需氧量COD进行检测，利用纳氏试剂进行分光光度检测氮氨的含量，利用过硫酸钾氧化紫外分光光度方法对TN的含量进行测量。

图1：正交试验试验装置示意图

2 正交试验结果与探讨

2.1 正交试验的结果

根据设计中的参数值利用试验装置对生活污水处理的情况展开试验，并且每个试验组要不间断的运行十至十五个周期，测得的结果如表2所示。

2.2 对试验结果进行极差分析

对于试验的结果可以采用极差分析的方法进行分析，判定试验因素对结果的影响。对各因素的极差进行计算，并将极差的大小作为因素对结果的影响程度，将每一个因素在相同水平上的试验结果求和，用Ta表示，并对其求均值用mb表示，均值的最大值就是因素最适宜的水平。通过这样的分析，可以对此人工快渗系统在对生活污水进行处理时的工艺参数进行推断。相关数据见表3。通过表3可以看出，在系统的淹水时间、填料层中沸石层的厚度、水力负荷及湿干比值这个四个因素中，对污水中相关物质去除率产生的影响按主次排序为：

表2：L正交试验的相关结果

表3：对L正交试验进行极差分析的结果

（1）在人工快渗系统对生活污水进行处理时，对COD的去除效果产生影响的因素为：因素影响主次顺序为湿干比值、填料层中沸石层的厚度、淹水时间和水力负荷。之所以会产生这样的结果，可能是由于落干的时间越长，填料就可以得到越好的干燥和晾干效果，进入填料中的空气更多，使填料中留存的悬浮污染物干化的程度越充足，从而加强了填料吸附及截挡污染物的能力，使之通透性恢复较好，为下一阶段人工快渗系统的进水制造了优良条件。故而，湿干比值较小更利于去除COD。

（2）在去除氮氨时，根据氮氨的去除率可知四个因素的影响大小，依序为：系统的淹水时间、湿干比值、填料层中沸石层的厚度和水力负荷。之所以有这样的影响顺序，可能是由于空气可以很轻易的穿过填料并进入填料层中。一旦污水进入系统中，在硝化细菌的作用中，氮氨可以更轻易的进行硝化反应，将之转化成NO3-N。生活污水进行硝化反应以后，向深一层的填料流入，而在深一层的填料中，由于空气的稀少难以提供足够的氧气，产生了厌氧的环境，这时反硝化细菌进行作用，在生活污水中发生反硝化的相关反应，促使NO3-N转化成氮气，从污水中溢出而使污水中原本的氮氨被清理出去。在人工快渗系统中，系统的湿干比值和淹水的时间是决定系统中填料层空气含量的决定因素，对填料层中厌氧环境和有氧环境的制造有极其重要的作用，所以湿干比值与系统的淹水时间对人工快渗系统去除氮氨能力来说是至关重要的影响因素。

（3）在去除TN时，探讨的四种因素对去除率的影响作用按主次排序为填料层中沸石层的厚度、湿干比值、系统中的淹水时间和水力负荷。产生这样的影响顺序的原因是由于人工快渗系统的填料层中，反硝化的相关反应进行的不彻底，使NO3-N不能完全转换成N2，虽然氮氨的总量有所减少，但是TN的减少值却非常有限，这正是该人工快渗系统无法有效的去除TN的重要原因。同时，由于该系统中的组合填料系统在生物脱氮中无法取得明显的成效，而更加凸显了填料层中的沸石层吸附TN的重大作用。所以，填料层中沸石层的厚度是影响这一组合填料人工快渗系统中TN去除能力的决定性因素。

2.3 最适宜水平的确定

通过以上的分析和探讨，可以确定最适宜的水平组合如表4所示。

表4：最适宜的水平组合

3 试验结论

通过利用该人工快渗系统对生活污水处理过程的正交试验及探讨，对影响生活污水中COD、氮氨和TN进行去除时的重要因素及产生影响的原因，并确定了这种由河砂、沸石、石灰石分成不同的填料层并进行上下串联构造而成的填料人工快渗系统在去除化学需氧量、氮氨和TN时最适宜的运行水平，同时，还获得了相关结论：

（1）在系统对化学需氧量进行去除处理时，最重要的影响因素是系统填料的湿干比值。其中，当湿干比值较小时，落干的时间就相对较长，可以更好的提高对于系统中化学需氧量去除的能力。

（2）影响系统中去除氮氨的最重要因素是系统的淹水时间，湿干比值的影响排在第二位。这主要是因为在去除氮氨时，主要是通过硝化细菌的硝化作用和反硝化作用进行的，而系统的淹水时间及湿干比值是系统中厌氧环境和有氧环境的重要决定因素，从而决定着系统进行硝化反应和进行反硝化的反应时间。

（3）在系统去除TN过程中，最重要的影响因素是填料层中沸石层的厚度，这是由于反硝化过程的不彻底，导致无法将氮氨完全转换成氮气排出，从而使去除TN的效率不能再加以提高，所以填料层中沸石层的吸附能力在TN的去除中得以凸显。

（4）在这次的正交试验过程中，对于系统处理生活污水的能力而言，水力负荷的影响相对来说不是特别的重要，这可能是因为在1.5-2.5 m3/m2·d范围内水力负荷本身的变化不能有效的冲击系统去除能力，从侧面也反应了这一组合填料系统的抗负荷耐冲击能力比较强。

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