水力负荷对地下土壤渗滤装置去除污水氮磷的影响

(1.玉溪师范学院 玉溪高原湖泊生态环境研究中心，云南 玉溪 653100；2.中国环境科学研究院 北京 100012)

地下渗滤处理技术的研究开始于20世纪60年代的日本，到了20世纪80年代，日本已经开始利用土壤、植物、微生物的整体生态系统开发出了地下土壤毛管渗滤沟工艺，该工艺对污水处理可以达到三级深度处理[1].相对而言，我国对地下渗滤系统用于污水处理的研究开展得较晚，但在20世纪90年代初，该方面的研究受到多方关注，并有部分研究机构开展了深入研究[2].

本文中，笔者通过建立室内土壤渗滤装置来模拟地下土壤渗滤去除污水中的氮磷，并研究其在不同水力负荷下对氮磷的去除效果，旨在为地下土壤渗滤工艺的运行提供相关数据支撑.

1 材料与方法

1.1 室内地下土壤渗滤模拟装置的设计

附图 地下土壤渗滤模拟实验装置示意图

1.2 室内模拟地下土壤渗滤装置渗透速率的测定方法

实验装置出水管设计成可调节高度，以便于后续实验的使用.实验装置启动前,分别测定每套装置的渗透速率，测定用水为常用的自来水.4套实验装置的编号分别为C1、C2、C3、C4,其进水水力负荷分别为3 cm/d、6 cm/d、9 cm/d、10 cm/d.此外,启动前需采用变水头法测定每套装置的饱和渗透速率.本实验中,测定土柱渗透速率的模拟装置的横截面为正方形，边长为20cm，用字母l表示，土柱供水管采用50 mm PVC管，半径用r表示.

在测定过程中，进水端加入定量的水，使得加到模拟装置上面的水头压力是随时变化的.在测定中,只测定模拟装置水头(H)随时间(t)变化的一系列数据.由达西公式计算进水处流量随时间的变化，同时参照质量守恒定律进行计算[5].其水流流量Q的计算公式如下：

(1)

通过(2)式计算出水流通量T(单位面积上通过的水流流量)，模拟装置水流通量T的计算见下式：

(2)

通过整理公式(2)，在其左右两边分别对时间t1、t2以及对应的水头H1、H2进行积分计算，可得出下面公式：

(3)

通过已知的土柱长度L，正方形截面边长l和进水管半径r，分别测定两组时间和水头的变化数据，根据公式(3)可计算出每套设备的渗透速率.根据4套装置的实验结果，C1、C2、C3、C4的渗透速率分别为：96.8 cm/d、100.4 cm/d、94.36 cm/d、95.42 cm/d,由此得该套系统平均渗透速率为96.75 cm/d.

1.3 水质分析方法

实验装置进出水中总磷、总氮、氨氮的分析方法分别采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法、过硫酸钾消解-紫外分光光度法、纳氏试剂分光光度法[6].

2 不同水力负荷下地下土壤渗滤装置处理污水氮磷效果分析

2.1 氮去除效果分析

表1显示，各反应器TN进水浓度在41.4 mg/L～45.8 mg/L之间，进水TN浓度平均值为43.85 mg/L.C1反应器TN出水浓度在6.48 mg/L～9.4 mg/L之间，出水TN浓度平均值为8.4 mg/L；C1反应器对TN的去除率在79.39%～84.35%之间，其平均去除率为80.9%.C2反应器TN出水浓度在9 mg/L～11.36 mg/L之间，出水TN浓度平均值为10.15 mg/L；C2反应器对TN的去除率在73.89%～78.86%之间，其平均去除率为76.86%.C3反应器TN出水浓度在9.36 mg/L～11.12 mg/L之间，出水TN浓度平均值为10.18 mg/L；C3反应器对TN的去除率在75.96%～79.48%之间，其平均去除率为76.78%.C4反应器TN出水浓度为12.28 mg/L～13.86 mg/L，出水TN浓度平均值为12.99 mg/L；C4反应器对TN的去除率在67.81%～72.49%之间，其平均去除率为70.35%.4个反应器出水TN浓度均低于15 mg/L，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标，出水水质良好.4个反应器对TN的平均去除率大小顺序为C1>C2>C3>C4，且C1、C2、C3反应器对TN的去除率相近，C4反应器对TN的去除率相对较低.

地下土壤系统为反硝化提供了很好的厌氧条件，因此4个反应器对TN的处理效果较好，也表现出地下土壤渗滤系统对N去除的优势所在.

表1 各反应器运行后进出TN浓度(单位：mg/L)

表2显示，各反应器氨氮进水浓度在33.3 mg/L～37.5 mg/L之间，进水氨氮浓度平均值为35.75 mg/L.4个反应器中C1、C2、C3出水氨氮浓度均低于8 mg/L，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标，出水水质良好，C4反应器出水氨氮平均浓度达到0.49 mg/L，表明水力负荷达到12cm/d时，反应器对氨氮的处理效果大大降低.4个反应器对氨氮的平均去除率分别为83.59%、78.62%、78.51%和70.62%，其大小顺序为C1>C2>C3>C4，且C1、C2、C3反应器对氨氮的去除率相近，C4反应器对氨氮的去除率相对较低.

表2 各反应器运行后进出水浓度(单位：mg/L)

2.2 磷去除效果分析

表3显示，各反应器TP进水浓度在7.3 mg/L～7.8 mg/L之间，进水TP浓度平均值为7.52 mg/L.C1反应器TP出水浓度在0.25 mg/L～0.31 mg/L之间，出水TP浓度平均值为0.27 mg/L；C1反应器对TP的去除率在95.87%～96.67%之间，其平均去除率为96.38%.C2反应器TP出水浓度在0.27 mg/L～0.31 mg/L之间，出水TP浓度平均值为0.29 mg/L；C2反应器对TP的去除率在95.89%～96.54%之间，其平均去除率为96.16%.C3反应器TP出水浓度在0.26 mg/L～0.32 mg/L之间，出水TP浓度平均值为0.29 mg/L；C3反应器对TP的去除率在95.79%～96.53%之间，其平均去除率为96.21%.C4反应器TP出水浓度在0.32 mg/L～0.37 mg/L之间，出水TP浓度平均值为0.35 mg/L；C4反应器对TP的去除率在94.93%～95.73%之间，其平均去除率为95.41%.4个反应器出水TP浓度均低于0.5 mg/L，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标，出水水质良好.4个反应器对氨氮的平均去除率分别为96.38%、96.16%、96.21%和95.41%，其大小顺序为C1>C3>C2>C4，且C1、C2、C3反应器对TP的去除率相近，C4反应器对TP的去除率相对较低.

表3 各反应器运行后进出水TP浓度(单位：mg/L)

一般认为，地下土壤系统通过化学吸附、物理吸附、沉淀以及微生物的共同作用来达到去除磷的目的.本研究中的反应器使用了水洗铁矿渣、陶粒、云南红壤等填料，对磷的吸附效果显著.

3 结 论

(1)本研究中，笔者通过建立室内土壤渗滤装置来模拟地下土壤渗滤去除污水中的氮磷，并研究不同水力负荷下其对氮磷的去除效果.本研究所用土壤渗滤模拟装置的土柱高度为1.2 m，其中土柱中设置五层填充，由上而下分别为种植层(20 cm)、布水层(20 cm)、强化处理层(20 cm)、生态填料层(40 cm)、集水层(20 cm).通过实验结果和相关公式进行计算，得出4套反应器的平均渗透速率为96.75 cm/d.

(2)实验表明,本研究所用的4套反应装置在其水力负荷分别为3 cm/d、6 cm/d、9 cm/d、12 cm/d时，系统出水TN、TP均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标；当反应器水力负荷超过9 cm/d时，装置出水氨氮处理效果将下降，但也达到或接近《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准.因此，在本研究条件下,地下土壤渗滤系统的水力负荷应以≤9 cm/d为宜.

[1]张永锋，贾中华.西安地区地下渗滤系统处理生活污水的试验研究[J].西安理工大学学报，2007，23(2)：11-13.

[2]李海波,李英华,孙铁珩,等.改良地下渗滤系统处理生活污水的研究[J]．中国给水排水,2009,25(13):45-51.

[3]张建,黄霞,魏杰,等．地下渗滤污水处理系统的氮磷去除机理[J]．中国环境科学,2002,22(05):438-441.

[4]唐受印，戴友芝.水处理工程师手册[M].北京：化学工业出版社，2000.

[5]任姗姗，尚岳全，何婷婷，等.边坡虹吸排水数值模拟方法及应用[J].岩石力学与工程学报.2013，32(10):2022-2027.

[6]国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法:第4版[M].北京：中国环境科学出版社，2002.