水力負(fù)荷對地下滲濾系統(tǒng)凈化效果及氣體釋放的影響

潘 晶, 高 蕊, 鄭翻萍, 張智宇, 夏語擎, 姜曉業(yè), 佟德利

(1. 沈陽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034;2. 甘肅省白銀市景泰縣園林管理局, 甘肅 白銀 730400)

0 引 言

地下滲濾系統(tǒng)(subsurface infiltration system, SIS)是好氧和厭氧處理工藝的結(jié)合體,是一種應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理處理生活污水的凈化技術(shù)。此項技術(shù)非常適合處理農(nóng)村、別墅區(qū)、旅游度假村等分散地區(qū)產(chǎn)生的生活污水,具有建設(shè)成本較低廉、維護(hù)管理方便和凈化效果好等優(yōu)點。

本文研究了不同水力負(fù)荷(0.04, 0.08, 0.12, 0.16 m3·(m2·d)-1)對不同基質(zhì)SIS的凈化效果及氣體釋放的影響,試圖為SIS基質(zhì)構(gòu)建及運(yùn)行參數(shù)的調(diào)控提供基礎(chǔ),并促進(jìn)SIS在分散生活污水處理中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 SIS實驗裝置

本文構(gòu)建了2套模擬SIS,編號為1#SIS和2#SIS。基質(zhì)種類見表1。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置主體為有機(jī)玻璃柱,直徑為0.3 m,高為1.3 m。滴灌式布水管和曝氣盤位于基質(zhì)40 cm處,出水口位于底部。裝置上方布置密閉靜態(tài)箱收集系統(tǒng)釋放的氣體。

表1 2組地下滲濾系統(tǒng)基質(zhì)結(jié)構(gòu)Table 1 Matrix structure of two SISs

圖1 地下滲濾系統(tǒng)裝置Fig.1 Reaction device of simulated percolation system

1.2 實驗用水及SIS運(yùn)行

實驗用水為模擬生活污水,采用葡萄糖(C6H12O6)、硫酸銨[(NH4)2SO4]、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、氯化鈣(CaCl2)、硫酸亞鐵(FeSO4)和硫酸鎂(MgSO4)配制,藥品名稱及級別見表2,進(jìn)水水質(zhì)見表3。

表2 藥品名稱及級別Table 2 Drug name and grade

表3 SIS進(jìn)水水質(zhì)Table 3 Influent water quality indicators of two SISs

生活污水連續(xù)進(jìn)入2套SIS,曝氣量為(4.0±0.2) L·min-1,水力負(fù)荷分別為0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1,每種水力負(fù)荷下運(yùn)行20 d。

1.3 樣品采集和分析方法

表4 氣體檢測儀型號及靈敏度Table 4 Gas detector model and sensitivity

2 結(jié)果與分析

2.1 水力負(fù)荷對COD去除的影響

如圖2所示,水力負(fù)荷為0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1時,1#SIS中COD平均去除率分別為87.6%, 82.7%, 81.0%, 80.5%,2#SIS中COD平均去除率分別為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出水質(zhì)量濃度分別為31.3, 43.6, 50.7和53.6 mg·L-1,2#SIS的COD出水質(zhì)量濃度分別為28.1, 41.4, 42.8和47.2 mg·L-1,2個系統(tǒng)的出水COD濃度均符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級標(biāo)準(zhǔn)(COD≤60 mg·L-1)。水力負(fù)荷為0.04 m3·(m2·d)-1時,2個系統(tǒng)COD出水平均質(zhì)量濃度分別為31.3和28.1 mg·L-1,對有機(jī)物的平均去除率均達(dá)到了最高,分別為87.6%和89.0%。水力負(fù)荷最小時,污水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時間最長,有機(jī)物能得到充分的氧化分解。水力負(fù)荷由0.04 m3·(m2·d)-1增至0.16 m3·(m2·d)-1時,1#SIS中COD平均去除率從87.6%下降到了80.5%,2#SIS中COD平均去除率從89.0%下降到82.8%,二者分別下降了7.1%和6.2%。分析其原因有2個,一是隨著水力負(fù)荷的增加,SIS單位時間內(nèi)處理的污水量增加,土壤通氣性能減弱,曝氣量不足以氧化過多的有機(jī)物,使有機(jī)污染物去除率降低;二是COD的去除還依賴基質(zhì)的吸附和截留、微生物分解等,當(dāng)水力負(fù)荷不斷增大,系統(tǒng)內(nèi)含水量不斷增加,會使基質(zhì)的吸附與截留能力下降,導(dǎo)致部分有機(jī)物還來不及被吸附或者降解而隨著水流排出系統(tǒng)。進(jìn)水COD質(zhì)量濃度基本恒定,隨著水力負(fù)荷的增加,COD的去除率逐漸降低,本文中1#SIS, 2#SIS最佳水力負(fù)荷均為0.04 m3·(m2·d)-1。李海波和段玉龍等[5,7]在研究水力負(fù)荷對污水地下滲濾系統(tǒng)處理效果的影響時,發(fā)現(xiàn)COD去除率隨著水力負(fù)荷的增加都表現(xiàn)為降低的趨勢,與去除效果呈負(fù)相關(guān),與本文研究結(jié)果相一致。

圖2 不同水力負(fù)荷下COD的去除效果Fig.2 Removal performance of COD under different hydraulic loading rates

2.2 水力負(fù)荷對N-N去除效果的影響

圖3 不同水力負(fù)荷下N-N的去除效果Fig.3 Removal performance of N-N under different hydraulic loading rates

2.3 水力負(fù)荷對TP去除效果的影響

如圖4所示,水力負(fù)荷為0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1時,1#SIS中TP的平均去除率分別為84.8%, 84.4%, 79.1%, 78.2%,出水TP質(zhì)量濃度分別為0.7, 0.8, 0.9和1 mg·L-1;2#SIS中TP的平均去除率分別為93.9%, 90.3%, 85.5%, 86.0%,出水TP質(zhì)量濃度分別為0.3, 0.5, 0.8和0.7 mg·L-1。2組SIS出水TP質(zhì)量濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級標(biāo)準(zhǔn)(TP≤1 mg·L-1)。當(dāng)水力負(fù)荷為0.04 m3·(m2·d)-1時,1#SIS和2#SIS中TP的平均去除率最高。2組SIS隨著水力負(fù)荷的增加,TP的平均去除率逐漸下降。相同水力負(fù)荷下,2#SIS中TP的平均去除率高于1#SIS。其原因是2#SIS中生物炭具有很強(qiáng)的吸附力,能夠促使磷結(jié)合基質(zhì)中的Al3+和Fe3+等陽性離子,加快磷的轉(zhuǎn)化[9-10]。

2.4 水力負(fù)荷對氣體釋放的影響

不同水力負(fù)荷運(yùn)行條件下,2組地下滲濾系統(tǒng)中CO2, CH4, NH3, N2的釋放速率如圖5所示。水力負(fù)荷為0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1時,1#SIS中CO2釋放速率分別為286.80, 304.90, 329.50和412.50 mg·(m2·d)-1,2#SIS中CO2釋放速率分別為330.90, 335.40, 338.80和428.20 mg·(m2·d)-1。隨著水力負(fù)荷的增加,CO2的釋放速率越來越大,主要是因為隨著水力負(fù)荷的增大,SIS單位時間內(nèi)處理的污水量增加,使CO2的釋放速率增大。2#SIS的CO2釋放速率大于1#SIS,2#SIS中COD的去除率高于1#SIS,在相同時間內(nèi),2#SIS中釋放的CO2量大于1#SIS。

在污水處理過程中,CH4主要是來自污水中有機(jī)物的厭氧分解。當(dāng)水力負(fù)荷為0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1時,1#SIS中CH4的釋放速率分別為20.65, 24.68, 31.50和35.00 mg·(m2·d)-1,2#SIS中CH4的釋放速率分別為30.28, 32.90, 31.70和39.90 mg·(m2·d)-1。隨著水力負(fù)荷的增加,CH4的釋放速率逐漸增大,主要是因為CH4是產(chǎn)甲烷菌群的代謝產(chǎn)物,而產(chǎn)甲烷菌群是嚴(yán)格的厭氧菌[11]。隨著水力負(fù)荷的增加,SIS內(nèi)單位時間處理的污水量增加,下層土壤復(fù)氧能力較差,導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)呈現(xiàn)厭氧環(huán)境,有利于CH4的生成。

圖4 不同水力負(fù)荷下TP的去除效果Fig.4 Removal performance of TP under different hydraulic loading rates

圖5 不同水力負(fù)荷下CO2, CH4, NH3, N2的釋放速率Fig.5 Emission rates of CO2, CH4, NH3, N2 under different hydraulic loading rates

SIS釋放的N2主要來源于反硝化作用[12]。水力負(fù)荷為0.04, 0.08,0.12和0.16 m3·(m2·d)-1時,1#SIS中N2的釋放速率分別為1.61, 1.59, 2.26和2.50 mg·(m2·d)-1,2#SIS中N2的釋放速率分別為1.63, 1.72, 2.46和3.10 mg·(m2·d)-1。隨著水力負(fù)荷的增大,1#SIS和2#SIS的N2釋放速率也逐漸增大。當(dāng)水力負(fù)荷增加時,單位時間內(nèi)處理的污水量增多,相應(yīng)的處理的氮污染物也增多,所以N2的釋放速率增大。2#SIS的N2釋放速率高于1#SIS,原因可能是2#SIS的硝化作用高于1#SIS,同時2#SIS中含有生物炭,生物炭吸附了污水中的可溶性有機(jī)碳,在厭氧條件下為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的釋放速率更高[13]。

NH3的生成主要來源于氨揮發(fā)[6]。如圖5所示,當(dāng)水力負(fù)荷為0.04, 0.08, 0.12和0.16 m3·(m2·d)-1時,1#SIS中NH3釋放速率分別為0.31, 0.32, 0.33和0.35 mg·(m2·d)-1,2#SIS中NH3釋放速率分別為0.32, 0.34, 0.36和0.49 mg·(m2·d)-1。隨著水力負(fù)荷的增加,1#SIS和2#SIS中NH3的釋放速率逐漸增加,原因是單位時間內(nèi)處理的含氮污水量增多,氨揮發(fā)的速率逐漸加快,1#SIS和2#SIS中的NH3釋放速率沒有明顯的區(qū)別且與水力負(fù)荷沒有顯著的差異(P>0.05)。有研究表明,當(dāng)基質(zhì)的pH值小于9.3時,NH3的釋放速率可忽略不計。在本文中,SIS基質(zhì)的pH值在6.7～7.2,NH3的釋放速率變化不顯著,與其他研究結(jié)果相一致[14]。

3 結(jié) 語

致謝感謝沈陽師范大學(xué)重大孵化項目(ZD201904)、沈陽師范大學(xué)第九批教育教學(xué)改革項目(JG2021-YB099)、沈陽師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(X202110166142,X202110166145,X202110166148)的支持。