垂直流砂滤器现场污水处理系统的氧分布和阻塞

A Petitjean， N Forquet， C Boutin

(IRSTEA, MALY, 5, rue de la Doua e CS70077, Villeurbanne Cedex, 69626 France)



垂直流砂滤器现场污水处理系统的氧分布和阻塞

A Petitjean， N Forquet， C Boutin

(IRSTEA, MALY, 5, rue de la Doua e CS70077, Villeurbanne Cedex, 69626 France)

在法国，有1300万人民(约占人口总数的20%)都使用就地处理废水技术。这些废水处理装置常修建地埋竖流式砂过滤器，尤其是当沙的渗透率不足以处理化粪池的污水。堵塞是影响废水处理的主要原因之一，且使用沙作为滤料时，堵塞的程度难以估计。笔者建议使用以下两个方法用于检测早期堵塞： 1)出口的NH4-N/NO3-N浓度比例； 2)使用多孔介质测量氧浓度。两个试点规模的过滤器安装上氧浓度探测仪并在不同深度采取水样进行污染物检测。进出口水样一个星期检测3次。实验使用投料化粪池。在堵塞和未堵塞条件下的氧含量能监测。NH4-N出口浓度对早期堵塞的检测用处不大，而NO3-N出口浓度和氧含量能用于诊断系统的早期堵塞。

竖流式过滤器； 堵塞； 化粪池； 就地处理

1　背景介绍

垂直不饱和地埋式过滤被广泛应用于污水处理，这些不饱和的多孔介质为细菌提供了一个生长基质，使得当有机物和水力负荷变化时，这些系统仍然很稳定。而且，与传统的污水处理系统相比，该过滤系统的水力和污染物负荷较低。在污水处理系统中，被动的曝气可以维持需氧条件。氧气的消耗主要是好氧细菌降解有机污染物，来减少生活污水中的碳和氮的形式。之前的研究主要突出了过滤系统的固体悬浮物的停留率、有机质的氧化、硝化作用。

造成垂直流砂过滤器故障的主要原因是堵塞，堵塞也即是过滤系统的温度或者渗透系数降低。阻塞的形成是由于固体悬浮物的积累、化学和细菌生长产物直接覆盖在过滤器的多孔介质的表面。对于污水处理系统，准确理解阻塞的形成过程是十分重要的。消除阻塞成因是不明智的，但我们可以辨别正常系统和阻塞故障。

导致阻塞的主要原因有以下几个：1)固体滞留(TSS)； 2)生物膜生长，生物活动产生了生物降解； 3)植物生长，还未被明确发现； 4)化学反应，主要包括沉淀和吸附。

过滤系统的设计和操作特征也会影响阻塞的出现：1)废水特征； 2)负荷率和频率； 3)介质特征； 4)入口分布系统。

以上因素也同时影响了过滤器中的氧气传输。事实上，废水特征决定了需氧量和好氧细菌活动。载入的频率影响了扩散时，通过过滤器表面的有效时间。介质特性影响了过滤器内的传输速率。入口分布系统影响氧气通过过滤器表面时氧气传输速率。过滤器内的氧含量是一个与阻塞现象有关的可观测参数。但这个关系是生物与物理现象相互依赖的结果，具体机理尚不明确。一些学者认为，阻塞减少了过滤器中的无空气部分，进一步阻止了气态氧气的传输和好氧活动。这个现象被称为“物理阻塞”。其他学者认为，较高的细菌消耗(超过了过滤器的氧气更新能力)导致了较低的氧含量，进而导致矿化作用。最终，生物物质的积累导致了过滤器的阻塞。这个现象被称为“生物阻塞”。

对于地埋式垂直砂滤器的现场污水处理，最关键问题是在未获得过滤器表面的情况下，辨别正常系统和阻塞故障。事实上，阻塞故障的发现经常是在系统完全阻塞后，没有其它补救办法，只能重新换掉过滤器。本文中，作者提出了两种尽可能早的检测阻塞故障的方法：1)NH4-N/NO3-N的出口浓度比，这个比率反映了过滤器中的硝化过程。硝化作用对于氧气特别敏感，硝化反应的停止将直接导致阻塞； 2)直接计算多孔介质的氧含量。通过直接对过滤器进行气体分析，根据过滤器阻塞程度，低的氧含量值意味着过滤器出现了再曝气问题。

关于垂直流砂滤器，该研究评估了两种不同检测阻塞程度的方法。

2　材料和方法

2.1小型过滤器

图1　小型过滤器

图1为小型过滤器，柱高为1米，表面积为 0.1 m2(直径36 cm)。本研究假定垂直过滤为一维流动：只考虑了水或者溶质在水平面内的传输。活性层(60 cm)是由0～4 mm粒径的冲积砂组成。为了确保出口处的平衡分布，用粒径为10～20 mm的碎石覆盖了冲积砂层，形成了10 cm厚的碎石层。在冲积砂层的下面，为了避免冲积砂的流失，同样有一层10 cm厚的碎石层。考虑到处理后水的漏出，较低的柱子底部包含了一个多孔板。实验中，两个柱子被用来测试结果的重复性。

用天平来获得流入和流出的容器的质量、柱子的质量。在它们各自的质量范围内，不确定度均小于0.05%。PT100用来测量在过滤器中心和流入槽中的温度。所有的数据使用记录器每分钟记录一次。

2.2光学氧探针

为了测量液相和气相的氧含量，过滤器装有光学氧探针。反应原理：当暴露在氧气中时，一个在凝胶溶液中修饰过的化合物会发生荧光猝灭。这个探针很小，几乎不消耗氧气，在水中大约有一分钟的反应时间，并且有很好的稳定性。在冲积砂过滤中被广泛应用。

然而，整个测量需考虑探针附近的热力学条件(尤其是温度、相对湿度、气-液相的氧浓度平衡)。事实上，依赖于温度的光学信号没有得到连续校正，因此只能获得手动校正结果。在所有的实验期间，柱子的温度在20℃～24℃间变化。当在测量气相氧浓度时，传感器需要恒定的液相氧气浓度(气态饱和的条件)。最终，在气相和液相都是在不饱和多孔性介质中。因此，考虑到气液两相的氧气浓度的测量，假定气液两相中的氧气浓度始终达到平衡(亨利定律)。正因为这点，当两相发生了不同的变化(如细菌在液相消耗了氧气)，会增加传感器的有效反应时间。

两相中的氧气浓度被表示为氧气饱和度的百分数，使用空间线性插值方法，绘制了10个测量值的氧含量分布曲线。

2.3吸盘和化学分析

在过滤器的核心插入了吸盘，是为了在操作中快速获得铵盐和硝酸盐的浓度(过滤器的不同深度，5,15,30,45 cm)。相比较在柱子中，在出口处吸盘有更好的取样效果。从柱子中流出的水收集到了容器中(9 mL的真空测试管)。在注入一个批次污水1小时后进行采样分析(见2.4)。

流入和流出的样品一周随机采样3次，使用标准方法进行分析。出口容器足够大能够容纳每日的处理过的水，每日平均采样结束后，清空容器。测试参数包括了COD, TSS, TKN, NH4-N, NO2-N,NO3-N。参数COD, TKN, NH4-N, NO3-N, NO2-N的不确定度为5%，TSS的为10%。COD的检出限为30 mg·L-1。缺失的每日平均污染数据用已有的数据补齐。

2.4滤器的操作

将来自一个家庭的化粪池污水间歇性载入过滤器(一天3或4次)，使用蠕动泵将污水注入过滤器，为了确保过滤器表面的平衡分布，每个批次的污水载入时都出现水洼。表1给出了入口浓度和水力负荷率。

表1　实验中水力负荷和污染物浓度

第一部分(以下简称A部分)的实验(第1～40 d)是为了灌输过滤器。固定有机污染物的载荷为污水进入过滤器时的平均值。为了获得第一次的阻塞点，增加了水力和污染物的载荷(第二部分的实验，从第41～55 d)。在本研究中，如果连续注入两个批次的样本时，过滤器都出现水洼，就认为过滤器阻塞。图2和图3定量描述了实验中A，B部分的污染物载荷率的变化。

图2　A部分的荷载量

图3　B部分的荷载量

3　结果

3.1柱子中铵盐和硝酸盐的平衡

图4所示为铵盐，TKN，硝酸盐的物料平衡。NO3-N的入口浓度一般低于0.45 mg·L-1。

图4　过滤器中氮转化物料平衡图

下面是关于3个阶段实验的描述：

第一阶段出现在实验开始，建立稳定的生物活动。不断观察TKN或者COD在出口处的浓度。当硝酸盐从柱子中流出时，第一阶段结束，说明硝化过程开始进行。

第二阶段是过滤器的正常工作时间。在这阶段，出口处NO3-N的流出说明了70%的TKN正在进行硝化作用。因此，出口处TKN的流量较低。而COD的浓度接近检出限。在第二阶段，过滤器出现了周期性活动。在过滤器中注入同一批次的有机物和铵盐时，出现了下面的周期性。

图5　NH4-N浓工

图6　NO3-N浓度

前25 d过滤器正常工作。为了使过滤器堵塞，增加了水力和污染物的载荷。在这个变化后，第三阶段出现了。缺乏氧气阻止了硝化作用(出口处没有NO3-N流出)。在实验中周期性测试了NO2-N的浓度，在这个周期中浓度没有增加(<0.02 mgN·L-1)。而NH4-N的浓度变化，只有在硝化反应停止后的第7天出现了明显的变化。COD的浓度没有明显的变化，只观察到了很小的增加趋势， COD浓度的平均值为40 mg·L-1，几乎接近检出限。

图5，图6为第二和三阶段的NH4-N ，NO3-N的浓度分布曲线，第24，31，37，42d为第二阶段，第48，52d为第三阶段。

第二阶段中，NH4-N ，NO3-N的浓度分布曲线有相似的趋势。在过滤器的5 cm～45 cm 间，没有铵盐的出现。NO3-N浓度10 cm处开始增加，并且从10 cm以下基本保持一个常量。这个说明硝化过程发生在柱子的前10 cm.

第三阶段中，出口处没有NO3-N流出，而NH4-N的浓度开始增加到柱子入口处的NH4-N浓度。

3.2柱子中氧气变化趋势

图7　第2,3阶段中反应物的质量变化

图8　不同柱深处氧气浓度随时间变化

图7，图8所示为第二、三阶段中，反应物的质量和氧气的浓度与时间和柱子深度的关系。参考深度选择为柱子中碎石-冲积砂的交界面。假定这个位置氧气饱和(100%)，除非柱子中观察到水洼时(氧气浓度为0%,也即氧气在入口处的浓度)。污水载入期间会出现短暂的水洼。

第二阶段，由于充足的再曝气满足了氧气的需求，氧气浓度出现了拟周期性活动。同样的，当过滤器的渗透系数足够高时，我们就认为水力负荷疏通了入口处注入的不同批次的污水，并且保持了稳定的柱子质量。当出现水洼时，由于注入污水的过程中不能通过气相进行再曝气过程，柱子活性层的前5 cm氧气的浓度几乎为0。在过滤器中的水洼快要消失时(注入污水开始40 min)，由于氧气开始在气相中的传输，氧气浓度迅速增加。然后，好氧细菌的活动导致氧浓度的降低。当注入不同批次的污水时，过滤器底部的氧浓度不变。事实上，在我们的实验中(不包括后面的再曝气)，由于氧气扩散，过滤器下部储存的氧气会缓慢向上迁移。这是在柱子的不同部分氧气的浓度不同导致的。

在第三阶段开始时，过滤器上部的氧气浓度几乎接近于0。1 d后，过滤器的表面持续出现水洼。

4　讨论

当过滤器发生阻塞，九天后，铵盐的浓度才开始增加，因此不能通过观察出口处铵盐的浓度来判断阻塞故障。而硝酸盐的浓度在阻塞发生的前一天出现增长的趋势，因此硝酸盐的浓度可作为判断故障的一个参数。然而，对于地埋式过滤器，只有当过滤系统中的水流干并且过滤器有可以收集水的孔时，才可以得到硝酸盐的浓度。这一点大大减少了该方法的应用。

氧气浓度的测量也是一个好的检测阻塞故障的方法，氧气浓度可通过系统内部气体含量得到。便携式气体分析仪可以方便的被应用于地埋式过滤器。至少在测量点，低的氧浓度说明发生了阻塞。在柱子的不同深度、不同位置，设置不同的观察位置可更好建立一个好的过滤系统。然而，图7，图8所示，氧气浓度会迅速变化因为一个关键因素。一个好的方法就是，当过滤系统停止工作1～2个小时之后，再进行氧气浓度的测量。

关于铵盐含量的降低有两点需要讨论，首先在实验的前12 d，测量出口处没有测得铵盐流出(尽管每天注入2 gNH4-N·m-2d-1)。有3种解释：1)铵盐在过滤器中有滞留时间(这个时间无法测量而且可能会持续几天)； 2)被异养生物同化用于生长； 3)被过滤器中的砂基质吸收，产生生物质。此外，图 4说明了在第24天的时候，柱子中的铵盐的浓度为0(在柱子活性层的5 cm～45 cm)。图7和图8说明了在同一天硝酸盐有很高的浓度。第二点，在阻塞后的9 d间，铵盐浓度没有变化。相同的因素可以被用来解释对这个现象。如，异养细菌自动地选择较高能量的电子受体，这就可以解释为什么出口处的COD浓度没有大幅度增加。在柱子开始阻塞时，硝酸盐的浓度依旧保持。呼吸作用的另一结果就是同化作用可能会出现不同的速率。

第二部分描述了过滤器在正常和阻塞状况下的氧气传输过程。Petitjean 等人的工作已经观察到了正常操作下的氧气传输现象。Turkovic等人使用合流的过滤系统也观察到了同样的现象。因此，这些结果可以帮助我们对于阻塞原因的假设。柱子的质量图反映了，在氧气浓度降为0的一天后，过滤器出现了连续的水洼。McKinley 和Siegrist 解释了这个现象，即过滤器入口处活跃区域的低氧气浓度易于造成堵塞，是由于生物物质积累。Nevo 和Mitchell (1967)证明了在低氧气浓度下，多糖类产物并没有减少，而氧气消耗减少了。也就是说，该氧气浓度足够微生物生长，但对于生物质的矿化作用来说浓度太低。这个与前面的结论是一致的，生物活动主要是发生在过滤器的入口处。此外，在氧气浓度降低之前，物理阻塞将会改变柱子的液压。说明阻塞很有可能是因为过滤器上半部分的细菌生长造成。

5　结论

实验扩展了污水处理中的垂直流砂过滤器的堵塞与含氧量趋势的相互作用关系。笔者关注的是小规模的垂直过滤器，目的是为了得到可以用于辨别阻塞和正常工作的可观测指标，比如地埋式过滤器(不易有可观测点)。

此外，还关注了过滤系统中铵盐和硝酸化合物的浓度变化。这个讨论主要是关于铵盐的传输过程，结论为：出口处硝酸化合物的浓度可用于预测过滤器的阻塞，而铵盐的浓度不行。实验重点研究了过滤器在正常和阻塞情况下的氧气传输过程。在正常情况下，定量观察到了氧气流动的对流扩散现象。在过滤器出现持续的水洼的前一天，氧气浓度几乎降为0，说明了含氧量是预测过滤器阻塞发生的很好参数。(农业部沼气科学研究所 彭德全 译自Oxygen profile and clogging in vertical flow sand filters for on-site wastewater treatment[J] .Journal of Environmental Management，2016(146)：32-39)

2016-09-01

S216.4; X703

A

1000-1166(2016)05-0099-05