水力负荷对地下渗滤系统净化效果及气体释放的影响

潘 晶, 高 蕊, 郑翻萍, 张智宇, 夏语擎, 姜晓业, 佟德利

(1. 沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034;2. 甘肃省白银市景泰县园林管理局, 甘肃 白银 730400)

0 引 言

地下渗滤系统(subsurface infiltration system, SIS)是好氧和厌氧处理工艺的结合体,是一种应用生态学原理处理生活污水的净化技术。此项技术非常适合处理农村、别墅区、旅游度假村等分散地区产生的生活污水,具有建设成本较低廉、维护管理方便和净化效果好等优点。

本文研究了不同水力负荷(0.04, 0.08, 0.12, 0.16 m3·(m2·d)-1)对不同基质SIS的净化效果及气体释放的影响,试图为SIS基质构建及运行参数的调控提供基础,并促进SIS在分散生活污水处理中的应用。

1 材料与方法

1.1 SIS实验装置

本文构建了2套模拟SIS,编号为1#SIS和2#SIS。基质种类见表1。装置结构如图1所示。装置主体为有机玻璃柱,直径为0.3 m,高为1.3 m。滴灌式布水管和曝气盘位于基质40 cm处,出水口位于底部。装置上方布置密闭静态箱收集系统释放的气体。

表1 2组地下渗滤系统基质结构Table 1 Matrix structure of two SISs

图1 地下渗滤系统装置Fig.1 Reaction device of simulated percolation system

1.2 实验用水及SIS运行

实验用水为模拟生活污水,采用葡萄糖(C6H12O6)、硫酸铵[(NH4)2SO4]、磷酸二氢钾(KH2PO4)、氯化钙(CaCl2)、硫酸亚铁(FeSO4)和硫酸镁(MgSO4)配制,药品名称及级别见表2,进水水质见表3。

表2 药品名称及级别Table 2 Drug name and grade

表3 SIS进水水质Table 3 Influent water quality indicators of two SISs

生活污水连续进入2套SIS,曝气量为(4.0±0.2) L·min-1,水力负荷分别为0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1,每种水力负荷下运行20 d。

1.3 样品采集和分析方法

表4 气体检测仪型号及灵敏度Table 4 Gas detector model and sensitivity

2 结果与分析

2.1 水力负荷对COD去除的影响

如图2所示,水力负荷为0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1时,1#SIS中COD平均去除率分别为87.6%, 82.7%, 81.0%, 80.5%,2#SIS中COD平均去除率分别为89.0%, 84.0%, 83.8%, 82.8%。2#SIS中COD的平均去除率高于1#SIS。1#SIS的COD出水质量浓度分别为31.3, 43.6, 50.7和53.6 mg·L-1,2#SIS的COD出水质量浓度分别为28.1, 41.4, 42.8和47.2 mg·L-1,2个系统的出水COD浓度均符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级标准(COD≤60 mg·L-1)。水力负荷为0.04 m3·(m2·d)-1时,2个系统COD出水平均质量浓度分别为31.3和28.1 mg·L-1,对有机物的平均去除率均达到了最高,分别为87.6%和89.0%。水力负荷最小时,污水在系统内的停留时间最长,有机物能得到充分的氧化分解。水力负荷由0.04 m3·(m2·d)-1增至0.16 m3·(m2·d)-1时,1#SIS中COD平均去除率从87.6%下降到了80.5%,2#SIS中COD平均去除率从89.0%下降到82.8%,二者分别下降了7.1%和6.2%。分析其原因有2个,一是随着水力负荷的增加,SIS单位时间内处理的污水量增加,土壤通气性能减弱,曝气量不足以氧化过多的有机物,使有机污染物去除率降低;二是COD的去除还依赖基质的吸附和截留、微生物分解等,当水力负荷不断增大,系统内含水量不断增加,会使基质的吸附与截留能力下降,导致部分有机物还来不及被吸附或者降解而随着水流排出系统。进水COD质量浓度基本恒定,随着水力负荷的增加,COD的去除率逐渐降低,本文中1#SIS, 2#SIS最佳水力负荷均为0.04 m3·(m2·d)-1。李海波和段玉龙等[5,7]在研究水力负荷对污水地下渗滤系统处理效果的影响时,发现COD去除率随着水力负荷的增加都表现为降低的趋势,与去除效果呈负相关,与本文研究结果相一致。

图2 不同水力负荷下COD的去除效果Fig.2 Removal performance of COD under different hydraulic loading rates

2.2 水力负荷对N-N去除效果的影响

图3 不同水力负荷下N-N的去除效果Fig.3 Removal performance of N-N under different hydraulic loading rates

2.3 水力负荷对TP去除效果的影响

如图4所示,水力负荷为0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1时,1#SIS中TP的平均去除率分别为84.8%, 84.4%, 79.1%, 78.2%,出水TP质量浓度分别为0.7, 0.8, 0.9和1 mg·L-1;2#SIS中TP的平均去除率分别为93.9%, 90.3%, 85.5%, 86.0%,出水TP质量浓度分别为0.3, 0.5, 0.8和0.7 mg·L-1。2组SIS出水TP质量浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级标准(TP≤1 mg·L-1)。当水力负荷为0.04 m3·(m2·d)-1时,1#SIS和2#SIS中TP的平均去除率最高。2组SIS随着水力负荷的增加,TP的平均去除率逐渐下降。相同水力负荷下,2#SIS中TP的平均去除率高于1#SIS。其原因是2#SIS中生物炭具有很强的吸附力,能够促使磷结合基质中的Al3+和Fe3+等阳性离子,加快磷的转化[9-10]。

2.4 水力负荷对气体释放的影响

不同水力负荷运行条件下,2组地下渗滤系统中CO2, CH4, NH3, N2的释放速率如图5所示。水力负荷为0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1时,1#SIS中CO2释放速率分别为286.80, 304.90, 329.50和412.50 mg·(m2·d)-1,2#SIS中CO2释放速率分别为330.90, 335.40, 338.80和428.20 mg·(m2·d)-1。随着水力负荷的增加,CO2的释放速率越来越大,主要是因为随着水力负荷的增大,SIS单位时间内处理的污水量增加,使CO2的释放速率增大。2#SIS的CO2释放速率大于1#SIS,2#SIS中COD的去除率高于1#SIS,在相同时间内,2#SIS中释放的CO2量大于1#SIS。

在污水处理过程中,CH4主要是来自污水中有机物的厌氧分解。当水力负荷为0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1时,1#SIS中CH4的释放速率分别为20.65, 24.68, 31.50和35.00 mg·(m2·d)-1,2#SIS中CH4的释放速率分别为30.28, 32.90, 31.70和39.90 mg·(m2·d)-1。随着水力负荷的增加,CH4的释放速率逐渐增大,主要是因为CH4是产甲烷菌群的代谢产物,而产甲烷菌群是严格的厌氧菌[11]。随着水力负荷的增加,SIS内单位时间处理的污水量增加,下层土壤复氧能力较差,导致系统内呈现厌氧环境,有利于CH4的生成。

图4 不同水力负荷下TP的去除效果Fig.4 Removal performance of TP under different hydraulic loading rates

图5 不同水力负荷下CO2, CH4, NH3, N2的释放速率Fig.5 Emission rates of CO2, CH4, NH3, N2 under different hydraulic loading rates

SIS释放的N2主要来源于反硝化作用[12]。水力负荷为0.04, 0.08,0.12和0.16 m3·(m2·d)-1时,1#SIS中N2的释放速率分别为1.61, 1.59, 2.26和2.50 mg·(m2·d)-1,2#SIS中N2的释放速率分别为1.63, 1.72, 2.46和3.10 mg·(m2·d)-1。随着水力负荷的增大,1#SIS和2#SIS的N2释放速率也逐渐增大。当水力负荷增加时,单位时间内处理的污水量增多,相应的处理的氮污染物也增多,所以N2的释放速率增大。2#SIS的N2释放速率高于1#SIS,原因可能是2#SIS的硝化作用高于1#SIS,同时2#SIS中含有生物炭,生物炭吸附了污水中的可溶性有机碳,在厌氧条件下为反硝化微生物提供了碳源,提高了反硝化作用的速率,所以2#SIS中N2的释放速率更高[13]。

NH3的生成主要来源于氨挥发[6]。如图5所示,当水力负荷为0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1时,1#SIS中NH3释放速率分别为0.31, 0.32, 0.33和0.35 mg·(m2·d)-1,2#SIS中NH3释放速率分别为0.32, 0.34, 0.36和0.49 mg·(m2·d)-1。随着水力负荷的增加,1#SIS和2#SIS中NH3的释放速率逐渐增加,原因是单位时间内处理的含氮污水量增多,氨挥发的速率逐渐加快,1#SIS和2#SIS中的NH3释放速率没有明显的区别且与水力负荷没有显著的差异(P>0.05)。有研究表明,当基质的pH值小于9.3时,NH3的释放速率可忽略不计。在本文中,SIS基质的pH值在6.7～7.2,NH3的释放速率变化不显著,与其他研究结果相一致[14]。

3 结 语

致谢感谢沈阳师范大学重大孵化项目(ZD201904)、沈阳师范大学第九批教育教学改革项目(JG2021-YB099)、沈阳师范大学大学生创新创业项目(X202110166142,X202110166145,X202110166148)的支持。