基于新型土壤渗滤系统的农村生活污水处理实验研究

邹 渊， 郑爽英

(西南交通大学, 四川成都 610031)

目前，在我国大部分农村地区存在生活污水未经处理直接排放的问题。据相关数据统计，到2016年，全国农村生活污水处理率为22 %[1]。农村生活污水中有机物和氮磷等浓度较高，可生化性强，在排放上具有产生源分散、量小、变化系数大等特点[2]，根据农村地区实际情况，国内外对于农村生活污水的处理一般采用运行费用低，管理方便的技术[3]。

土壤渗滤处理技术是利用土壤—微生物复合生态系统，通过土壤的吸附沉淀以及微生物的降解等使污水得到净化的一种处理方法，该处理方法建设费用低、能耗低、维护和管理方便，很适合用于农村地区生活污水处理[1]。土壤渗滤系统对有机物和总磷有较好的处理效果，去除率可达85 %以上，但总氮脱除效果不佳，去除率仅为30 %左右。根据相关学者研究，下部缺氧区碳源不足是造成系统脱氮效果不佳的主要原因[4]。要想强化土壤渗滤系统的脱氮效果，主要有两种思路[5]：一是改善系统的基质配置，二是调整进水碳氮比。

为此，针对传统土壤渗滤系统脱氮的不足。实验以原水为碳源，采取上下分流的方式研究系统对总氮以及相关污染物的去除效果，为土壤渗滤系统进一步的推广提供理论依据。另外，实验选取农村取材方便且经济的粉煤灰替换部分土壤，用于改良系统基质，提高系统的吸附性和渗透性。

1 装置与方法

1.1 实验装置与运行工况

在大量研究土壤渗滤系统处理的实验中，土柱实验是其中的一个常用和重要手段。相关研究表明[6]，当土柱装置直径大于10 cm和高度大于100 cm时，可最大消除边壁效应。同时，利用土柱实验模拟污水处理效果，在净化效果方面基本符合野外实际情况。本次污水实验装置主要由沉淀池、配水箱、布水管和土柱等四部分组成。为模拟地下封闭情况，实验过程中将有机玻璃柱外壁处用黑色塑料袋罩住，避免阳光照射。为预防系统堵塞，水样沉淀一星期后并经无纺纱布过滤再进入配水箱。实验平行设置四组系统，研究系统在四种分流比工况下的处理效果。模拟土柱装置为直径20 cm，高110 cm的有机玻璃柱，其底部密封上表面开放。基本构造见图1：从上往下依次敷设10 cm砾石层(粒径为2～10 cm)，20 cm土壤层、10 cm粉煤灰层、20 cm土壤层、5 cm砾石层、10 cm土壤层、10 cm粉煤灰层、20 cm土壤层、5 cm砾石层。在砾石层与土壤层之间为了避免上部砾石汇入渗滤层而影响出水效果，铺设200目尼龙网过滤纱布作为隔离层。生活污水沿多孔布水管进入渗滤基质，分为上下两层进水，上层进水管铺设在表面4 cm处，开孔率为15 %，下层进水管铺设在据表面52 cm处，开孔率为15 %。

实验开始于2018年10月，采用干湿交替间歇进水的进水方式，干湿比为3∶1，系统每天进水6 h，落干时间18 h。为了防止土壤堵塞以及加强系统复氧，实验过程中每5 d对系统表层土壤进行翻动。

图1 实验装置结构

1.2 分析项目及方法

实验过程中的检测指标以及方法如表1所示。

表1 指标监测方法

系统运行初期，每3 d抽取水样进行指标检测，后期系统稳定运行时，每5 d进行一次指标检测。

2 结果及分析

2.1 系统启动实验

土壤渗滤系统的启动实验是指在系统正式稳定运行前的一段时间内，通过向系统中投配少量稳定的污水，使系统逐渐适应污水环境，并且促进系统内微生物开始增殖，以达到系统稳定处理污染物的状态。为便于后续研究，实验首先开始系统的启动实验，确保系统达到稳定运行的状态。判断系统达到稳定运行状态的标准为系统是否对污染物达到稳定适宜的去除效率[7]。在启动实验中，水力负荷不宜过大，四组装置均以0.04 m3/m2·d的水力负荷进行污水量的投配，利用转子流量计控制进水流量。每3 d监测一次进出水COD，以系统COD去除率作为评价系统稳定性指标，即当系统COD去除率趋于稳定时，即认为系统启动成功[7]。系统COD进出水浓度及去除率曲线见图2。

图2 启动期COD浓度变化及去除率

从图中可以看出，系统COD进出水浓度都存在一定的起伏。从系统COD去除效率来看，四组系统都经历了一个先逐步增加然后降低最后再升高慢慢达到稳定的一个过程。在最开始的一周，COD去除率稳步上升达到了82 %左右， 9 d后，去除率逐渐下降，最低值为55.23 %，但在18 d后，系统去除率又开始出现上升趋势，最终稳定在83 %左右。从系统对有机物的去除机理来看，去除COD主要靠吸附作用和微生物降解作用。 在系统启动初期，系统填料吸附能力强，空隙率大，截留吸附以及填料过滤作用进行的较为彻底，因此系统的COD去除率逐步上升并达到一个较高的效率。而后随着系统的不断运行，部分被截留的污染物还未彻底降解而滞留于填料表面，降低了系统的吸附作用。与此同时，系统内部微生物虽逐具规模，但并不活跃，因此相应的出水COD浓度就增大，去除率下降。随着系统的进一步运行，系统内部的微生物膜逐渐形成，微生物开始活跃起来，去除有机物的能力逐渐增强，系统对COD的去除率逐渐增加，并在25 d后的去除率达到相对稳定，系统启动实验完成。

2.2 分流比实验结果分析

在城市污水处理中，常用甲醇和淀粉厂、制糖厂等排出的高浓度有机废水作为碳源[8]。而对于土壤渗滤系统，若投加甲醇或者有机废水，会显著增加系统的运行成本和负荷。生活污水中同样含有大量的可降解有机物，理论上也是可以作为碳源。因此，在研究中，改变原系统的进水方式，通过上下分流的措施在反硝化阶段补加原水作为碳源，研究系统的总氮脱除及相关污染物去除效果。

实验采用四组分流比：1∶0(上部进水：下部进水)、1∶1、1∶2、2∶1来进行实验，水力负荷为0.08 m3/m2·d。

2.2.1 COD去除效果分析

从图3可知，系统在分流比1∶0、1∶1、1∶2、2∶1的情况下，对COD的平均去除效率分别为86.39 %、78.32 %、75.24 %、82.36 %。可以看出，系统在未分流时，对COD的去除效率最高，当在系统下部投加原水时，系统对COD的去除效率降低，并且下部进水量越大，COD去除率越低。这说明当上下分流时，会在一定程度降低系统去除COD的效率。而分析该现象的可能原因是，在系统下部投加原水时，系统下部的污水在系统中的停留时间相对上部进水的污水更短，从而总体缩短了污水在系统中的停留时间，下部进水的污水中的某些可降解有机物可能还未来得及经微生物吸收降解就随出水留出系统，从而造成系统出水有机物含量增加。因此，下部进水在一定程度上降低了系统对COD的去除率。

图3 COD浓度变化及去除率

2.2.2 氨氮去除效果分析

从图4可以看出，与COD类似，随着系统下部进水量的增大，系统对氨氮的去除效率也呈逐渐降低的趋势，分流比1∶2工况下，系统对氨氮的去除效率由未分流时的85.59 %降低至73.66 %。参考系统对COD的结果分析中所指出的，污水在系统中的水力停留时间的缩短也是造成系统对氨氮去除效率下降的原因之一。另外根据有关学者的研究结果中[9]，系统的ORP(氧化还原电位)是影响系统氨氮去除效率的重要影响因素，氨氮的脱除效率与系统的ORP呈正相关关系，系统ORP越高，氨氮脱除效率越好。原水中含有一定量的溶解氧，因此当系统下部投配原水，在带来大量有机物的同时也带来了一定量的溶解氧，而有机物的降解过程会消耗溶解氧，导致该区域内的ORP下降，并且系统下部的通气性较差，不利于硝化作用的进行，氨氮的脱除效率也随之下降，出水氨氮浓度增高，系统对氨氮的去除效率随着下降。

图4 氨氮浓度变化及去除率

2.2.3 总氮去除效果分析

如图5所示，系统在不同分流比下总氮的去除率有明显的差异。系统在分流比为1∶1和2∶1的时候，总氮出水浓度低于未分流时的系统出水浓度，总氮去除效率由42.92 %分别提高到47.91 %和63.78 %。这说明分流进水时，下部进水能在一定程度上为系统的缺氧区提供碳源，增强系统的反硝化作用，从而加强了系统对总氮的去除效果，提高系统的脱氮能力。但是，从分流比为1∶2的结果来看，其总氮出水浓度高于未分流时候的系统出水浓度，总氮去除效率由未分流的42.92 %下降到37.91 %。说明当下部进水量过高时，反而会降低系统对总氮的去除效率。从污染物的去除机理来看，导致这种结果的原因可能是因为当系统下部进水过多时，系统缺氧区内的有机氮及氨氮过多，还来不及被氧化就被排出系统，从而导致系统总氮含量增加，系统效率降低。

可以看出，系统采取上下分流的措施，能有效提高系统的总氮去除效率。但需要控制下部进水量，不宜过高，若过高反而会降低系统总氮去除效率。本次实验中，分流比为2∶1时，总氮去除效率最高。

图5 总氮浓度变化及去除率

2.2.4 总磷去除效果分析

从图6可以看出，系统在分流比1∶0、1∶1、1∶2、2∶1的情况下，对总磷的平均去除效率分别为94.12 %、84.76 %、77.66 %、89.93 %。说明当系统下部进水时，对总磷的去除效率同样存在一定影响。当分流比为1∶2时，系统总磷去除效率最低，为77.66 %，总磷去除效率最高时为未分流状态下，去除效率为94.12 %。根据前面各项污染物的去除效果分析结果来看，分流造成系统总磷去除效率下降的原因可能是因为，下部进水在系统的停留时间较短，污水中的部分磷元素来不及经系统土壤及填料的物理化学吸附及微生物的同化作用就流出系统，从而导致出水总磷浓度增加，系统总磷去除效率下降。

图6 总磷浓度变化及去除率

3 结论

(1)土壤渗滤系统在未分流的情况下对有机物、氨氮和总磷均有较好的去除效果，去除率分别达到86.39 %、85.59 %和94.12 %，但总氮脱除效果不佳，仅为42.92 %。

(2)采取分流措施后，可有效降低系统出水的总氮浓度，增强系统的反硝化作用，当分流比为2∶1时，总氮去除率由未分流时的42.92 %提高到63.78 %。但当下部进水量过大时，由于水力停留时间缩短，部分氨氮和硝态氮还未经系统反应就随出水流出，系统出水总氮浓度增大，总氮去除效率降低。

(3)中间分流会降低系统对COD、氨氮和总磷的去除效率，若控制下部进水量的比例时，使其不能过高，也可在满足出水标准的情况下有效提高系统脱氮效果，适宜的分流比是提高脱氮效果的关键。实验中，在 8 cm/d的水力负荷下，分流比2∶1时，污染物去除效率为COD为82.36 %、氨氮80.07 %、TN为63.78 %、TP为89.93 %。四种污染指标可达到城镇污水处理厂排放一级B标准(GB 18918-2002)，可满足农村地区污水处理标准。

(4)相对于向系统中添加生物基质以提高脱氮效果，分流措施工艺建设简单，可在不增加系统的运行成本的基础上显著改善系统脱氮效果，在上部进水管和下部进水管设置流量调节装置，可对上下进水流量进行调节来得到系统最佳的分流比例，一定程度上提高了土壤渗滤系统的适用性以及分流的可行性。