垂直流砂濾器現場污水處理系統的氧分布和阻塞

A Petitjean， N Forquet， C Boutin

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

?

垂直流砂濾器現場污水處理系統的氧分布和阻塞

A Petitjean， N Forquet， C Boutin

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

在法國，有1300萬人民(約占人口總數的20%)都使用就地處理廢水技術。這些廢水處理裝置常修建地埋豎流式砂過濾器，尤其是當沙的滲透率不足以處理化糞池的污水。堵塞是影響廢水處理的主要原因之一，且使用沙作為濾料時，堵塞的程度難以估計。筆者建議使用以下兩個方法用于檢測早期堵塞： 1)出口的NH4-N/NO3-N濃度比例； 2)使用多孔介質測量氧濃度。兩個試點規模的過濾器安裝上氧濃度探測儀并在不同深度采取水樣進行污染物檢測。進出口水樣一個星期檢測3次。實驗使用投料化糞池。在堵塞和未堵塞條件下的氧含量能監測。NH4-N出口濃度對早期堵塞的檢測用處不大，而NO3-N出口濃度和氧含量能用于診斷系統的早期堵塞。

豎流式過濾器； 堵塞； 化糞池； 就地處理

1　背景介紹

垂直不飽和地埋式過濾被廣泛應用于污水處理，這些不飽和的多孔介質為細菌提供了一個生長基質，使得當有機物和水力負荷變化時，這些系統仍然很穩定。而且，與傳統的污水處理系統相比，該過濾系統的水力和污染物負荷較低。在污水處理系統中，被動的曝氣可以維持需氧條件。氧氣的消耗主要是好氧細菌降解有機污染物，來減少生活污水中的碳和氮的形式。之前的研究主要突出了過濾系統的固體懸浮物的停留率、有機質的氧化、硝化作用。

造成垂直流砂過濾器故障的主要原因是堵塞，堵塞也即是過濾系統的溫度或者滲透系數降低。阻塞的形成是由于固體懸浮物的積累、化學和細菌生長產物直接覆蓋在過濾器的多孔介質的表面。對于污水處理系統，準確理解阻塞的形成過程是十分重要的。消除阻塞成因是不明智的，但我們可以辨別正常系統和阻塞故障。

導致阻塞的主要原因有以下幾個：1)固體滯留(TSS)； 2)生物膜生長，生物活動產生了生物降解； 3)植物生長，還未被明確發現； 4)化學反應，主要包括沉淀和吸附。

過濾系統的設計和操作特征也會影響阻塞的出現：1)廢水特征； 2)負荷率和頻率； 3)介質特征； 4)入口分布系統。

以上因素也同時影響了過濾器中的氧氣傳輸。事實上，廢水特征決定了需氧量和好氧細菌活動。載入的頻率影響了擴散時，通過過濾器表面的有效時間。介質特性影響了過濾器內的傳輸速率。入口分布系統影響氧氣通過過濾器表面時氧氣傳輸速率。過濾器內的氧含量是一個與阻塞現象有關的可觀測參數。但這個關系是生物與物理現象相互依賴的結果，具體機理尚不明確。一些學者認為，阻塞減少了過濾器中的無空氣部分，進一步阻止了氣態氧氣的傳輸和好氧活動。這個現象被稱為“物理阻塞”。其他學者認為，較高的細菌消耗(超過了過濾器的氧氣更新能力)導致了較低的氧含量，進而導致礦化作用。最終，生物物質的積累導致了過濾器的阻塞。這個現象被稱為“生物阻塞”。

對于地埋式垂直砂濾器的現場污水處理，最關鍵問題是在未獲得過濾器表面的情況下，辨別正常系統和阻塞故障。事實上，阻塞故障的發現經常是在系統完全阻塞后，沒有其它補救辦法，只能重新換掉過濾器。本文中，作者提出了兩種盡可能早的檢測阻塞故障的方法：1)NH4-N/NO3-N的出口濃度比，這個比率反映了過濾器中的硝化過程。硝化作用對于氧氣特別敏感，硝化反應的停止將直接導致阻塞； 2)直接計算多孔介質的氧含量。通過直接對過濾器進行氣體分析，根據過濾器阻塞程度，低的氧含量值意味著過濾器出現了再曝氣問題。

關于垂直流砂濾器，該研究評估了兩種不同檢測阻塞程度的方法。

2　材料和方法

2.1小型過濾器

圖1　小型過濾器

圖1為小型過濾器，柱高為1米，表面積為 0.1 m2(直徑36 cm)。本研究假定垂直過濾為一維流動：只考慮了水或者溶質在水平面內的傳輸?；钚詫?60 cm)是由0～4 mm粒徑的沖積砂組成。為了確保出口處的平衡分布，用粒徑為10～20 mm的碎石覆蓋了沖積砂層，形成了10 cm厚的碎石層。在沖積砂層的下面，為了避免沖積砂的流失，同樣有一層10 cm厚的碎石層?？紤]到處理后水的漏出，較低的柱子底部包含了一個多孔板。實驗中，兩個柱子被用來測試結果的重復性。

用天平來獲得流入和流出的容器的質量、柱子的質量。在它們各自的質量范圍內，不確定度均小于0.05%。PT100用來測量在過濾器中心和流入槽中的溫度。所有的數據使用記錄器每分鐘記錄一次。

2.2光學氧探針

為了測量液相和氣相的氧含量，過濾器裝有光學氧探針。反應原理：當暴露在氧氣中時，一個在凝膠溶液中修飾過的化合物會發生熒光猝滅。這個探針很小，幾乎不消耗氧氣，在水中大約有一分鐘的反應時間，并且有很好的穩定性。在沖積砂過濾中被廣泛應用。

然而，整個測量需考慮探針附近的熱力學條件(尤其是溫度、相對濕度、氣-液相的氧濃度平衡)。事實上，依賴于溫度的光學信號沒有得到連續校正，因此只能獲得手動校正結果。在所有的實驗期間，柱子的溫度在20℃～24℃間變化。當在測量氣相氧濃度時，傳感器需要恒定的液相氧氣濃度(氣態飽和的條件)。最終，在氣相和液相都是在不飽和多孔性介質中。因此，考慮到氣液兩相的氧氣濃度的測量，假定氣液兩相中的氧氣濃度始終達到平衡(亨利定律)。正因為這點，當兩相發生了不同的變化(如細菌在液相消耗了氧氣)，會增加傳感器的有效反應時間。

兩相中的氧氣濃度被表示為氧氣飽和度的百分數，使用空間線性插值方法，繪制了10個測量值的氧含量分布曲線。

2.3吸盤和化學分析

在過濾器的核心插入了吸盤，是為了在操作中快速獲得銨鹽和硝酸鹽的濃度(過濾器的不同深度，5,15,30,45 cm)。相比較在柱子中，在出口處吸盤有更好的取樣效果。從柱子中流出的水收集到了容器中(9 mL的真空測試管)。在注入一個批次污水1小時后進行采樣分析(見2.4)。

流入和流出的樣品一周隨機采樣3次，使用標準方法進行分析。出口容器足夠大能夠容納每日的處理過的水，每日平均采樣結束后，清空容器。測試參數包括了COD, TSS, TKN, NH4-N, NO2-N,NO3-N。參數COD, TKN, NH4-N, NO3-N, NO2-N的不確定度為5%，TSS的為10%。COD的檢出限為30 mg·L-1。缺失的每日平均污染數據用已有的數據補齊。

2.4濾器的操作

將來自一個家庭的化糞池污水間歇性載入過濾器(一天3或4次)，使用蠕動泵將污水注入過濾器，為了確保過濾器表面的平衡分布，每個批次的污水載入時都出現水洼。表1給出了入口濃度和水力負荷率。

表1　實驗中水力負荷和污染物濃度

第一部分(以下簡稱A部分)的實驗(第1～40 d)是為了灌輸過濾器。固定有機污染物的載荷為污水進入過濾器時的平均值。為了獲得第一次的阻塞點，增加了水力和污染物的載荷(第二部分的實驗，從第41～55 d)。在本研究中，如果連續注入兩個批次的樣本時，過濾器都出現水洼，就認為過濾器阻塞。圖2和圖3定量描述了實驗中A，B部分的污染物載荷率的變化。

圖2　A部分的荷載量

圖3　B部分的荷載量

3　結果

3.1柱子中銨鹽和硝酸鹽的平衡

圖4所示為銨鹽，TKN，硝酸鹽的物料平衡。NO3-N的入口濃度一般低于0.45 mg·L-1。

圖4　過濾器中氮轉化物料平衡圖

下面是關于3個階段實驗的描述：

第一階段出現在實驗開始，建立穩定的生物活動。不斷觀察TKN或者COD在出口處的濃度。當硝酸鹽從柱子中流出時，第一階段結束，說明硝化過程開始進行。

第二階段是過濾器的正常工作時間。在這階段，出口處NO3-N的流出說明了70%的TKN正在進行硝化作用。因此，出口處TKN的流量較低。而COD的濃度接近檢出限。在第二階段，過濾器出現了周期性活動。在過濾器中注入同一批次的有機物和銨鹽時，出現了下面的周期性。

圖5　NH4-N濃工

圖6　NO3-N濃度

前25 d過濾器正常工作。為了使過濾器堵塞，增加了水力和污染物的載荷。在這個變化后，第三階段出現了。缺乏氧氣阻止了硝化作用(出口處沒有NO3-N流出)。在實驗中周期性測試了NO2-N的濃度，在這個周期中濃度沒有增加(<0.02 mgN·L-1)。而NH4-N的濃度變化，只有在硝化反應停止后的第7天出現了明顯的變化。COD的濃度沒有明顯的變化，只觀察到了很小的增加趨勢， COD濃度的平均值為40 mg·L-1，幾乎接近檢出限。

圖5，圖6為第二和三階段的NH4-N ，NO3-N的濃度分布曲線，第24，31，37，42d為第二階段，第48，52d為第三階段。

第二階段中，NH4-N ，NO3-N的濃度分布曲線有相似的趨勢。在過濾器的5 cm～45 cm 間，沒有銨鹽的出現。NO3-N濃度10 cm處開始增加，并且從10 cm以下基本保持一個常量。這個說明硝化過程發生在柱子的前10 cm.

第三階段中，出口處沒有NO3-N流出，而NH4-N的濃度開始增加到柱子入口處的NH4-N濃度。

3.2柱子中氧氣變化趨勢

圖7　第2,3階段中反應物的質量變化

圖8　不同柱深處氧氣濃度隨時間變化

圖7，圖8所示為第二、三階段中，反應物的質量和氧氣的濃度與時間和柱子深度的關系。參考深度選擇為柱子中碎石-沖積砂的交界面。假定這個位置氧氣飽和(100%)，除非柱子中觀察到水洼時(氧氣濃度為0%,也即氧氣在入口處的濃度)。污水載入期間會出現短暫的水洼。

第二階段，由于充足的再曝氣滿足了氧氣的需求，氧氣濃度出現了擬周期性活動。同樣的，當過濾器的滲透系數足夠高時，我們就認為水力負荷疏通了入口處注入的不同批次的污水，并且保持了穩定的柱子質量。當出現水洼時，由于注入污水的過程中不能通過氣相進行再曝氣過程，柱子活性層的前5 cm氧氣的濃度幾乎為0。在過濾器中的水洼快要消失時(注入污水開始40 min)，由于氧氣開始在氣相中的傳輸，氧氣濃度迅速增加。然后，好氧細菌的活動導致氧濃度的降低。當注入不同批次的污水時，過濾器底部的氧濃度不變。事實上，在我們的實驗中(不包括后面的再曝氣)，由于氧氣擴散，過濾器下部儲存的氧氣會緩慢向上遷移。這是在柱子的不同部分氧氣的濃度不同導致的。

在第三階段開始時，過濾器上部的氧氣濃度幾乎接近于0。1 d后，過濾器的表面持續出現水洼。

4　討論

當過濾器發生阻塞，九天后，銨鹽的濃度才開始增加，因此不能通過觀察出口處銨鹽的濃度來判斷阻塞故障。而硝酸鹽的濃度在阻塞發生的前一天出現增長的趨勢，因此硝酸鹽的濃度可作為判斷故障的一個參數。然而，對于地埋式過濾器，只有當過濾系統中的水流干并且過濾器有可以收集水的孔時，才可以得到硝酸鹽的濃度。這一點大大減少了該方法的應用。

氧氣濃度的測量也是一個好的檢測阻塞故障的方法，氧氣濃度可通過系統內部氣體含量得到。便攜式氣體分析儀可以方便的被應用于地埋式過濾器。至少在測量點，低的氧濃度說明發生了阻塞。在柱子的不同深度、不同位置，設置不同的觀察位置可更好建立一個好的過濾系統。然而，圖7，圖8所示，氧氣濃度會迅速變化因為一個關鍵因素。一個好的方法就是，當過濾系統停止工作1～2個小時之后，再進行氧氣濃度的測量。

關于銨鹽含量的降低有兩點需要討論，首先在實驗的前12 d，測量出口處沒有測得銨鹽流出(盡管每天注入2 gNH4-N·m-2d-1)。有3種解釋：1)銨鹽在過濾器中有滯留時間(這個時間無法測量而且可能會持續幾天)； 2)被異養生物同化用于生長； 3)被過濾器中的砂基質吸收，產生生物質。此外，圖 4說明了在第24天的時候，柱子中的銨鹽的濃度為0(在柱子活性層的5 cm～45 cm)。圖7和圖8說明了在同一天硝酸鹽有很高的濃度。第二點，在阻塞后的9 d間，銨鹽濃度沒有變化。相同的因素可以被用來解釋對這個現象。如，異養細菌自動地選擇較高能量的電子受體，這就可以解釋為什么出口處的COD濃度沒有大幅度增加。在柱子開始阻塞時，硝酸鹽的濃度依舊保持。呼吸作用的另一結果就是同化作用可能會出現不同的速率。

第二部分描述了過濾器在正常和阻塞狀況下的氧氣傳輸過程。Petitjean 等人的工作已經觀察到了正常操作下的氧氣傳輸現象。Turkovic等人使用合流的過濾系統也觀察到了同樣的現象。因此，這些結果可以幫助我們對于阻塞原因的假設。柱子的質量圖反映了，在氧氣濃度降為0的一天后，過濾器出現了連續的水洼。McKinley 和Siegrist 解釋了這個現象，即過濾器入口處活躍區域的低氧氣濃度易于造成堵塞，是由于生物物質積累。Nevo 和Mitchell (1967)證明了在低氧氣濃度下，多糖類產物并沒有減少，而氧氣消耗減少了。也就是說，該氧氣濃度足夠微生物生長，但對于生物質的礦化作用來說濃度太低。這個與前面的結論是一致的，生物活動主要是發生在過濾器的入口處。此外，在氧氣濃度降低之前，物理阻塞將會改變柱子的液壓。說明阻塞很有可能是因為過濾器上半部分的細菌生長造成。

5　結論

實驗擴展了污水處理中的垂直流砂過濾器的堵塞與含氧量趨勢的相互作用關系。筆者關注的是小規模的垂直過濾器，目的是為了得到可以用于辨別阻塞和正常工作的可觀測指標，比如地埋式過濾器(不易有可觀測點)。

此外，還關注了過濾系統中銨鹽和硝酸化合物的濃度變化。這個討論主要是關于銨鹽的傳輸過程，結論為：出口處硝酸化合物的濃度可用于預測過濾器的阻塞，而銨鹽的濃度不行。實驗重點研究了過濾器在正常和阻塞情況下的氧氣傳輸過程。在正常情況下，定量觀察到了氧氣流動的對流擴散現象。在過濾器出現持續的水洼的前一天，氧氣濃度幾乎降為0，說明了含氧量是預測過濾器阻塞發生的很好參數。(農業部沼氣科學研究所 彭德全 譯自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