百二河水庫(kù)是湖北省十堰市一個(gè)重要的居民生活飲用水水源地，其上游百二河河段位于該市旅游景區(qū)，且當(dāng)?shù)貙⒙糜螛I(yè)作為經(jīng)濟(jì)支柱，農(nóng)家樂(lè)餐飲休閑業(yè)發(fā)展迅猛。但是由于山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)滯后、排水管網(wǎng)和污水處理設(shè)施建設(shè)尚不健全，導(dǎo)致大量生活污水未經(jīng)治理直接排入河道，對(duì)下游水源區(qū)的水質(zhì)安全構(gòu)成威脅。因此，采取有效措施集中治理分散的農(nóng)家樂(lè)生活污水是當(dāng)前的一項(xiàng)迫切任務(wù)。土地處理技術(shù)作為污水凈化的有效方法之一，其發(fā)展初期在我國(guó)并未受到重視，直到20世紀(jì)90年代初，我國(guó)才開(kāi)始對(duì)土壤滲濾技術(shù)進(jìn)行研究。隨著研究的深入，我國(guó)使用土地滲濾系統(tǒng)處理污水方面的研究也得到了較快的發(fā)展。該技術(shù)具有能耗、投資低和運(yùn)行管理方便等優(yōu)勢(shì)，目前已在國(guó)內(nèi)外污水處理技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。
盡管傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是隨著對(duì)土壤滲濾系統(tǒng)的研究和應(yīng)用的不斷深入，其存在的一些不足之處也逐漸被發(fā)現(xiàn)，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)易堵塞、處理負(fù)荷低、脫氮效果不佳和不易反沖洗等方面。在傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)中，污水未經(jīng)過(guò)預(yù)處理直接進(jìn)入系統(tǒng)，而污水中大量的SS很容易造成土壤孔隙堵塞，使系統(tǒng)的滲透性降低。針對(duì)這一問(wèn)題，本研究通過(guò)前置沉淀池和砂濾池將污水中的SS截留，達(dá)到初步凈化污水的目的，使后續(xù)的土壤滲濾池在較高的水力負(fù)荷下運(yùn)行而不堵塞。此外，砂濾池反沖洗操作簡(jiǎn)便，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行之后，可對(duì)其進(jìn)行反沖洗，以維持其較高的工作效率。對(duì)于傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)脫氮效果不佳的問(wèn)題，本研究通過(guò)對(duì)其填料的優(yōu)化配置，使系統(tǒng)內(nèi)部形成微“好氧一厭氧”環(huán)境，從而有助于系統(tǒng)中的微生物硝化和反硝化作用脫氮。通過(guò)上述改進(jìn)設(shè)計(jì)，考察了其對(duì)某農(nóng)家樂(lè)生活污水的改善效果，以期為百二河地區(qū)分散點(diǎn)源污水的有效處理提供理論和技術(shù)支撐。
1實(shí)驗(yàn)部分
1. 1實(shí)驗(yàn)材料
土壤，取自百二河河岸地表以下30-70 cm范圍內(nèi)的土壤;木屑，取自十堰市某木材加工廠;鐵屑，取自十堰市某廢鐵廠;煤渣，取自某農(nóng)家樂(lè)的廚房;多孔球形塑料(孔隙率51. 28% )，購(gòu)自江蘇省宜興市清溪環(huán)保填料有限公司;碎石、細(xì)砂、粗砂和石灰石，購(gòu)自十堰市辰宏建材市場(chǎng);沸石，購(gòu)自十堰市山鼎環(huán)保有限公司。污水取自百二河水庫(kù)上游河段沿途某農(nóng)家化糞池的出水(未經(jīng)過(guò)稀釋)，其主要水質(zhì)指標(biāo)SS ,COD,TN,NH4+ -N和TP的含量分別為350. 7一521. 2 mg / L,162. 4一341. 6 mg / L,31. 32-54. 57 mg / L、18. 67一37. 32 mg / L和2. 46一5. 16 mg / L。
1. 2實(shí)驗(yàn)裝置
改良型土壤滲濾系統(tǒng)由沉淀池(78 cm x 75 cm x 94cm)、砂濾池(74 cm x 63 cm x 81 cm)和土壤滲濾池(235cm x 42 cm x 128 cm ) 3部分組成，如圖1所示。沉淀池的實(shí)際水深為86 cm。砂濾池內(nèi)部裝填細(xì)砂，實(shí)際細(xì)砂的深度為72 cm。土壤滲濾池內(nèi)部填料的實(shí)際深度為120 cm,共分為5層，其剖面圖見(jiàn)圖2,①層:粗砂，層厚100 mm ;②層:60%土壤,20%石灰石，15%煤渣，5%木屑，層厚500 mm ;③層:95 % R30一R60沸石，5%鐵屑，層厚250mm;④層:R12多孔球形塑料填料，層厚250 mm ;⑤層:R10一R30碎石，層厚100 mm。
1. 3實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先將多孔球形塑料填料進(jìn)行滅菌處理，再用農(nóng)家樂(lè)污水進(jìn)行人工掛膜，掛膜期間晝夜平均水溫23. 1 ℃，每隔5h通過(guò)漩渦式氣泵向水中曝氣1h，每?jī)商鞊Q水1次，DO維持在2. 0 mg / L左右，直到生物膜生成為止(大約14 d)，再將各種實(shí)驗(yàn)所用的填料按要求進(jìn)行裝填至如圖2所示的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)10 d的啟動(dòng)階段，系統(tǒng)正式開(kāi)始運(yùn)行，使用蠕動(dòng)泵連續(xù)進(jìn)水，維持其較大的水力負(fù)荷2 m3 / (m2˙d)，實(shí)驗(yàn)裝置放置于河道旁，并做好防雨措施。實(shí)驗(yàn)于2015年6月24日開(kāi)始，2015年8月22日結(jié)束，歷經(jīng)60 d，期間每3 d取一次水樣進(jìn)行測(cè)定。
1. 4分析與測(cè)定方法
COD,NH4+ -N,TN和TP按第4版國(guó)家環(huán)境保護(hù)局水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法測(cè)定。COD的測(cè)定:重鉻酸鉀法;NH4+ -N的測(cè)定:納氏試劑分光光度法;TN的測(cè)定:堿性過(guò)硫酸鉀消解一紫外分光光度法;TP的測(cè)定:過(guò)硫酸鉀消解一鑰銻抗分光光度法;DO的測(cè)定:哈希HQ30d便攜式溶解氧測(cè)定儀;SS的測(cè)定:重量法。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2. 1對(duì)ss的去除效果及分析
懸浮固體(SS)是污水治理的水質(zhì)指標(biāo)的一種，主要包括不溶于水中的泥沙、粘土、有機(jī)物和微生物等懸浮物質(zhì)。SS是導(dǎo)致土壤滲濾系統(tǒng)堵塞的主要原因，且其引發(fā)的堵塞過(guò)程較迅速且通常無(wú)法恢復(fù)。為了加強(qiáng)污水的預(yù)處理，本實(shí)驗(yàn)增設(shè)沉淀池、砂濾池環(huán)節(jié)，通過(guò)沉淀池的沉降和砂濾池的截留來(lái)降低污水中55的濃度。砂濾池出水55的去除效果如圖3所示，其平均去除率達(dá)到85. 15 %，很大程度上緩解了后續(xù)土壤滲濾池得滲透壓力，同時(shí)經(jīng)過(guò)沉淀池、砂濾池的預(yù)處理之后，水體中污染物濃度也有所降低，使得后續(xù)土壤滲濾池的污染物負(fù)荷相對(duì)減小，水力負(fù)荷大為提高。SS進(jìn)水濃度在350.7-521.2 mg / L范圍內(nèi)變化，出水濃度能維持在80 mg / L以下，去除率也相對(duì)較穩(wěn)定。根據(jù)砂濾池出水的變化情況，大約平均每經(jīng)過(guò)17 d的運(yùn)行，對(duì)砂濾池進(jìn)行反沖洗操作一次，以保持其對(duì)污水中SS較高的去除效率。
2. 2對(duì)COD的去除效果及分析
污水中的污染物可通過(guò)微生物降解、填料吸附等形式去除，其中微生物降解作用占主導(dǎo)地位。改良型土壤滲濾系統(tǒng)對(duì)農(nóng)家樂(lè)污水中的COD具有較好的處理效果，從圖4可以看出，系統(tǒng)出水COD平均去除率達(dá)到82. 41 %，且其基本能維持在50 mg / L以下，達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠污染物排放一級(jí)A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。較高的去除率主要有兩方面原因:其一，污水進(jìn)入土壤滲濾池后，有機(jī)物首先與多孔球形塑料填料及沸石發(fā)生物理、化學(xué)吸附作用，同時(shí)，由于多孔球形塑料填料具有豐富的內(nèi)表面，可為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供良好的生存環(huán)境，且該填料已提前進(jìn)行過(guò)掛膜處理，生物膜較厚，微生物數(shù)量多，加上持續(xù)的曝氣復(fù)氧，進(jìn)而可以保證其中的好氧/異樣型微生物等均能夠充分吸收污水中的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)維持自身的新陳代謝，從而使有機(jī)物得到分解利用;其二，當(dāng)污水依次流經(jīng)土壤段時(shí)，厭氧型微生物也能利用部分有機(jī)物質(zhì)來(lái)充當(dāng)碳源，進(jìn)而保證反硝化過(guò)程進(jìn)行。期間進(jìn)水COD變化較大，在162. 4一341.6mg / L之間，最大濃度值出現(xiàn)在第24天，最小濃度值出現(xiàn)在第36天，這短時(shí)間內(nèi)的COD負(fù)荷大幅度變化對(duì)去除率沒(méi)有明顯的影響，系統(tǒng)仍保持較高的去除效率。這說(shuō)明了系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗污染沖擊負(fù)荷能力。
2. 3對(duì)NH4+ -N,TN的去除效果及分析
從圖2可以看出，③、④和⑤層分別為沸石層、多孔球形塑料層和碎石層，均為粒徑較大的顆粒填料，填料間間隙較大，有較好的滲水性，同時(shí)在曝氣條件下，復(fù)氧效果好。②層為人工選擇配比的土壤填料，厭氧條件好。①層為粗砂層，主要防止土壤的流失。所以，土壤滲濾池也可以看作由③、④和⑤層填料形成的好氧區(qū)，②層填料形成的厭氧區(qū)組成。系統(tǒng)內(nèi)部形成的微“好氧一厭氧”環(huán)境，使得系統(tǒng)具有較好的脫氮效果。由圖5和6可知，農(nóng)家樂(lè)污水中，NH獷-N和TN濃度較高，范圍分別為18. 67-37. 32 mg / L、31. 32 -54. 57 mg / L，屬于劣V類(lèi)水質(zhì)。系統(tǒng)出水NH4+ -N的平均去除率高達(dá)91. 06%，且NH4+ -N去除率受進(jìn)水NH4+ -N濃度變化的影響較小，這主要是由于曝氣段的好氧環(huán)境使得多孔球形塑料填料內(nèi)部大量活躍的硝化細(xì)菌通過(guò)硝化作用吸收利用污水的NH4+ -N，同時(shí)，沸石填料對(duì)NH4+ -N具有強(qiáng)烈的離子交換和化學(xué)吸附能力。污水中的NH4+ -N在好氧區(qū)被氧化成N03- -N，繼而隨水流遷移至厭氧區(qū)，通過(guò)反硝化作用被還原為含氮?dú)怏w，土壤填料中添加的碎木屑作為厭氧微生物的碳源，保證反硝化脫氮作用的順利進(jìn)行。系統(tǒng)出水TN的平均去除率為80. 62 %，相對(duì)于NH4+ -N平均去除率偏低，這可能是因?yàn)樗ω?fù)荷較大，造成水力停留時(shí)間較短，從而使得好氧區(qū)出水中少量的N03- -N未能在厭氧區(qū)反硝化脫去。但是該系統(tǒng)出水TN的平均濃度為8. 38 mg / L，已遠(yuǎn)優(yōu)于城鎮(zhèn)污水廠污染物排放一級(jí)A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，因此，對(duì)于該農(nóng)家樂(lè)污水TN的去除率已經(jīng)相對(duì)較高。
2. 4對(duì)TP的去除效果及分析
污水中的TP主要以有機(jī)態(tài)磷和磷酸鹽的形式存在。農(nóng)家樂(lè)污水中以顆粒形態(tài)存在的有機(jī)磷能夠很好的被系統(tǒng)中填料攔截、阻留，同時(shí)好氧區(qū)微生物能通過(guò)礦化作用等分解利用。該系統(tǒng)對(duì)污水中的磷酸鹽的去除，一方面是由于土壤中大量的Al,Fe和Ca等離子形成了土壤膠體顆粒，進(jìn)而通過(guò)物理吸附及較強(qiáng)的化學(xué)吸附去除污水中的磷酸鹽，同時(shí)，沸石層添加的鐵屑，先被轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+，進(jìn)而被氧化成Fe3+，隨水流進(jìn)土壤填料層，進(jìn)一步形成Fe(OH)3，固定在土壤顆粒表面，從而吸附固定污水中的磷酸鹽，另外，好氧區(qū)的球形塑料填料和沸石也能吸附部分的磷酸鹽。由圖7看出，該系統(tǒng)對(duì)TP具有較好的去除效果，其出水濃度都保持在0. 8 mg / L以下，平均去除率達(dá)到88. 59%。此外，TP進(jìn)水濃度沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，出水濃度有降低的趨勢(shì)，這可能是由于沸石層添加的鐵屑不斷的溶出Fe離子，使得土壤填料中Fe(OH)3膠體有所增加，提高了對(duì)TP的吸附效率。同時(shí)，隨著好氧區(qū)聚磷菌的生長(zhǎng)繁殖，其數(shù)量不斷增加，聚磷效果也越發(fā)明顯。針對(duì)傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)出水磷溶出的問(wèn)題，該系統(tǒng)通過(guò)鐵屑固磷技術(shù)大大延長(zhǎng)了整個(gè)系統(tǒng)磷擊穿的時(shí)間。
綜上所述，改良型土壤滲濾系統(tǒng)對(duì)農(nóng)家樂(lè)水體中的污染物處理效果明顯。且該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)砂濾池中的細(xì)砂反復(fù)進(jìn)行反沖洗，循環(huán)利用，節(jié)約了一定的經(jīng)濟(jì)成本。土壤滲濾池主要是通過(guò)其中的微生物對(duì)水體中的污染物進(jìn)行處理，實(shí)際操作管理方便、運(yùn)行成本低。此外，運(yùn)用鐵屑固磷技術(shù)大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)又提高了污水的處理效率，實(shí)際工程應(yīng)用中環(huán)境效益較高，經(jīng)濟(jì)適用性較好，在污水處理領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
3結(jié)論
1)在此改良型土壤滲濾系統(tǒng)運(yùn)行期間，對(duì)農(nóng)家樂(lè)污水有較好的處理效果，在2 m3 / (m2˙d)的水力負(fù)荷下，COD,NH4+ -N ,TN和TP平均去除率分別達(dá)到了82. 41 % ,91. 06% ,80. 12%和88. 59%，且其平均出水濃度均達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠污染物排放一級(jí)A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。
2)改良型土壤滲濾系統(tǒng)通過(guò)前置沉淀池、砂濾池，人工制造微“好氧一厭氧”環(huán)境，很好地解決了傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中遇到的系統(tǒng)易堵塞、處理負(fù)荷低、脫氮效果差和不易反沖洗等問(wèn)題。此外，通過(guò)運(yùn)用鐵屑固磷技術(shù)提升了系統(tǒng)的固磷效率，同時(shí)在很大程度上延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命。
3)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了污染物的快速降解，提高污染物的降解效率，且其運(yùn)行成本低、處理效率高、環(huán)境效益好、維護(hù)管理簡(jiǎn)單，在該地區(qū)生活污水無(wú)公害處理方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
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