多介質土壤層滲濾系統處理農村生活污水冬季運行效果研究

牛澤南，鮑安紅，豆玉婷，徐顯，陳超

西南大學 工程技術學院，重慶 400715

農村水污染是我國目前面臨的一個嚴峻問題，相比城市污水處理，農村污水處理存在污染源多且污染源分散的問題，形成了排放高、處理難的現象，未經處理的污水排放入農村天然水體中導致水質惡化，對生態環境造成極大的危害[1].1993年Wakatsuki等[2]使用多介質土壤層(Multi-Soil-Layering System，MSL)滲濾系統來處理污水，系統由通水層(PL)和土壤混合層(SML)組成，通水層由粒徑較大的填料組成，土壤混合層由土壤與當地廢棄物混合組成.MSL系統具有低成本、低能耗、環保、易管理的優點，適宜我國農村地區分散型的污水處理模式[3].

傳統的MSL系統在農村地區的實際工程應用存在諸多問題，Latrach等[4]通過示蹤實驗發現，傳統MSL系統在運行時其系統內部存在死區，填料利用率低，影響MSL系統的處理效率.程銘[5]通過實驗比較了人工濕地季節變化對COD，NH3-N，TN，TP去除效果的影響，得到結論為夏季的處理效果最佳，冬季處理效果最差，且冬季處理效果僅為夏季的1/3.吳浩恩等[6]通過監測環境溫度的變化來探究進水溫度對MSL系統脫氮效果的影響，當環境平均溫度由19 ℃下降到15 ℃以下時，MSL系統對NH3-N和TN的去除效果分別下降了10%和17%，其原因在于低溫條件下系統內硝化菌和反硝化菌活性降低，從而影響硝化和反硝化反應過程，冬季污水脫氮效果能否達到排放標準便成為了農村污水處理的一大難題.本研究在傳統MSL系統的基礎上對其濾料和裝置結構進行優化，將4個MSL過濾單元以連通器的形成連接組成四級MSL系統，系統內部形成多個“好氧—厭氧”區域并加入稻殼炭作為反硝化反應的碳源，運行期間對四級MSL系統出水的COD，NH3-N，TN，TP濃度進行監測.結果表明，四級MSL系統能夠有效解決傳統MSL系統在低溫環境下(<15 ℃)對TN去除效率低的問題，同時解決MSL系統占地面積大、不便維護等實際應用問題，能夠為今后相關研究以及該設備的推廣使用提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置構建

如圖1所示，實驗裝置由儲水部分、油污分離部分和四級土壤滲濾系統組成.系統所用管件為直徑110 mm的PVC管，管件之間以連通器的模式連接.油污分離部分管件高度90 cm，無濾料填充，在距離底部45 cm位置設置排油口.四級MSL系統管件高度均為50 cm，濾料填充高度為35 cm，底部和頂部用礫石(粒徑范圍5～10 mm)填充防止系統堵塞，填充高度分別為10 cm和5 cm，中部濾料采用分層填充(單層層高5 cm，共分7層)，由下至上為土壤混合層與通水層交替填充，其中1，3，5，7層為土壤混合層，2，4，6層為沸石通水層.實驗所用沸石(粒徑范圍3～5 mm)購自河南弘之源凈水材料有限公司，土壤混合層由紫色土(重慶地區典型的紫色土土壤，有機質含量9.25 g/kg)、鐵屑(購自重慶北碚機械加工廠)和生物炭(實驗采用稻殼生物炭)按照8∶1∶1的質量比混合制成.在四級MSL系統的第二、三級連通管和系統末端設置有兩個排水口，分別命名為排水口A、排水口B.

圖1 四級MSL系統示意圖

圖2 四級MSL系統實物圖

1.2 實驗污水水質

侯京衛等[7]調研匯總了我國部分農村地區的生活污水排放量和污染物濃度，其中COD，TN，TP的平均值分別為386.4，50.5，3.7 mg/L.本實驗采用模擬生活污水進行試驗，配置方法：50 g葡萄糖，20 g淀粉，22 g NH4Cl，1.2 g KH2PO4，1.6 g K2HPO4，1.5 g蛋白胨加水稀釋至100 L，配置所得模擬污水的水質指標見表1.

1.3 實驗運行方法

系統自2018年11月開始運行至2019年2月，監測期間處于冬季，環境溫度4～15 ℃，進水水溫處于偏低水平(<15 ℃).實驗采用間歇式進水的方式，控制系統表面水力負荷在1 000 L/(m2·d)，對取樣污水中COD，NH3-N，TN，TP的測定方法見表2，參考《水和廢水監測分析方法》(第4版)[8].

表1 四級MSL系統進水水質

表2 測試指標和方法

2 結果與分析

2.1 系統運行監測結果

四級MSL系統實驗分為兩個階段.第一階段為掛膜啟動階段，期間采用連續進水的方式，監測出水水質.在連續進水25 d后可以觀察到原本光滑的沸石填料和土壤混合層表面被一些生物絮體覆蓋，填料表面顏色變為土褐色，相鄰兩次監測出水水質指標偏差不高于20%[9]，此時系統污水處理效果趨于穩定，系統掛膜成功.第二階段為運行階段，期間控制進水水力負荷在1 000 L/(m2·d)，連續監測46 d.監測期間從排水口A、排水口B取樣，對應污染物濃度分別記為Mid濃度、Final濃度，監測結果見圖3，對應去除率見圖4.

圖3 四級MSL系統對水中污染物的去除效果

圖4 四級MSL系統對水中各污染物的去除率

2.2 COD去除效果分析

四級MSL系統對有機物的去除主要依靠系統內基質的吸附和異養型好氧微生物的代謝分解，污水中的有機物首先被吸附在土壤混合層內部和沸石表面，隨后在好氧細菌作用下被降解[4].監測期間進水COD平均質量濃度為353.16 mg/L，由圖3、圖4可知，排水口A、排水口B出水的平均質量濃度為173.47 mg/L和85.24 mg/L，系統對COD的平均去除率為75.89%.出水COD濃度滿足GB 18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的二級標準(≤100 mg/L)，去除率滿足標準規定的范圍值(進水COD濃度>350mg/L時，去除率應大于60%).四級MSL系統在相同水力負荷條件下比傳統MSL系統對COD的去除率提升了10.69%[10]，這說明連通器結構的四級MSL系統通過減小徑流截面面積、增加沿程距離提高了系統內填料的有效體積和利用率，減少了內部死區[4]，使系統在低溫條件下運行也保持較好的COD去除效果.由圖3可觀察到從第34天開始，排水口A、B出水COD濃度出現了小幅同步上升，這一現象出現的原因是期間環境溫度的降低使得系統中的好氧細菌活性下降，有機物分解速率減慢，基質中截留的有機物顆粒沒能被及時分解，導致系統對COD的去除率下降.

2.3 NH3-N去除效果分析

(1)

(2)

4個過濾單元以連通器的形式串聯連接，使污水和基質的接觸相較于傳統MSL系統更充分，但低溫環境下硝化細菌的活性受到影響，氨氮和硝態氮之間的轉化過程變慢，導致NH3-N的出水質量濃度未能達到一級A標準.

2.4 TN去除效果分析

由圖3、圖4可知，監測期間進水TN的平均質量濃度為62.47 mg/L，排水口A、B的出水TN的平均質量濃度分別為34.96 mg/L和19.61 mg/L，出水平均去除率達到68.59%，出水水質滿足GB 18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級B標準(≤20 mg/L)，相較于兩段式MSL系統效果提升了17.37%[12].TN的去除主要是在缺氧條件下進行，系統中的硝態氮在反硝化細菌的作用下，以硝酸鹽氮為電子受體，以有機物為電子供體進行厭氧呼吸，將硝酸鹽氮還原為N2O和N2從系統中去除[13].冬季MSL系統對TN去除效果差原因在于低溫使得系統中的硝化反應減弱，參與硝化反應的硝態氮的含量降低，減弱了反硝化反應.四級MSL系統將MSL滲濾單元通過連通器的形式連接在一起，當污水進入時會淹沒裝置內部，這種淹沒式出水能夠在MSL滲濾單元底部營造出較好的厭氧環境，在結構上相比兩段式MSL系統更利于反硝化反應的進行.

2.5 TP去除效果分析

水質監測期間系統進水TP的平均質量濃度為3.56 mg/L，排水口A和排水口B的出水TP平均質量濃度分別為1.24 mg/L和0.45 mg/L，TP的平均去除率分別為63.50%和86.69%.出水滿足GB 18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準(≤0.5 mg/L).

四級MSL系統內部對TP的去除主要是通過系統內部基質的吸附作用，土壤混合層(SML)中存在Fe2+、Al3+、Ca2+等金屬離子，離子在SML中析出形成土壤膠體顆粒，與污水中的磷酸根離子結合形成膠體沉淀.在SML中加入鐵屑有助于基質對TP的吸附，其作用過程為鐵屑在SML中被廢水溶解為Fe2+，隨污水由相對厭氧區間(SML)流入相對好氧區間(PL)，在PL的好氧條件下被氧化為Fe3+，與水中的OH-結合形成Fe(OH)3膠體，吸附固定污水中的磷酸根離子實現對TP的去除[13].整個吸附過程受溫度的影響較小，故在低溫條件下運行時該系統對TP仍能取得較好的去除效果.

2.6 沖擊負荷下的系統運行效果

農村生活污水排放呈現間歇性，日變化系數高，水質具有波動性，污水的處理設施和技術應具有一定的抵抗沖擊負荷能力來適應處理負荷的突然增加且不對系統造成破壞.四級MSL系統穩定運行期間保持負荷為1 000 L/(m2·d)，在1 d的14：00到17：00增加進水的表面水力負荷到2 000 L/(m2·d)，之后將該系統的運行負荷降至1 000 L/(m2·d).在系統運行過程中選取的水樣取樣時間分別為10：00，12：00，14：00，15：30，17：00，19：00，21：00，對取樣污水進行污染物濃度測定，結果如圖5所示.

圖5 四級MSL系統在沖擊負荷條件下的運行結果

四級MSL系統在表面水力負荷從1 000 L/(m2·d)增加到2 000 L/(m2·d)的過程中，出水的COD，NH3-N，TN，TP濃度均明顯升高，當水力負荷重新恢復到1 000 L/(m2·d)時，系統出水中各污染物的濃度恢復到穩定運行的水平.可見，在高水力負荷的條件下系統對污染物的去除率會下降，短時間的沖擊負荷不會對系統造成破壞，當系統的負荷恢復初始水平時，系統對污染物的去除率也能夠恢復到初始水平.實驗過程未出現系統堵塞現象，實驗結束后觀察內部未出現結構崩壞現象，說明系統在沖擊負荷作用下運行具有穩定性.

3 結 論

1) 四級MSL系統可以實現低溫條件下生活污水的有效處理，COD，NH3-N，TN，TP的平均去除率為75.89%，71.43%，68.59%，86.69%，平均出水濃度為85.24，14.2，19.61，0.45 mg/L.系統出水的TP濃度滿足國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中一級A標準，TN和NH3-N濃度滿足標準中一級B標準，COD濃度滿足標準中二級標準.

2) 四級MSL系統的連通器結構能夠有效改善傳統MSL系統填料有效體積低、暗流死區占比大的問題，提高填料利用率.

3) 短時間的沖擊負荷不會對四級MSL系統造成破壞，當系統的負荷恢復初始水平時，系統對污染物的去除量也能夠恢復到初始水平，說明系統在沖擊負荷作用下具有一定的穩定性.

4) 四級MSL系統在低溫環境的運行研究結果表明，多級土壤滲濾系統處理農村分散型生活污水，既能達到水質處理要求，又具有能耗低、維護和管理方便、費用低等優點，是一種適宜于丘陵山區推廣的污水處理工藝.

5) 在后續的實際工程應用中應重點關注該系統的進水動力和運行工況問題，并就MSL系統模塊化的應用前景和經濟效益展開分析研究.