改進型人工快滲系統處理分散型污水性能研究

劉全君

（常德市城區水利泵站管理處，湖南 常德 415000）

1 引言

研究將以分散型污水作為處理對象，從濾料配置和系統構型等方面進行改良，構建改進型人工快滲系統，探討其對分散污水的凈化效果，以期為該類型污水的處理提供一種復氧效率高、脫氮除磷效果好、運行性能穩定的可選方法，推進人工快滲技術在污水處理領域的發展進程。

2 材料與方法

2.1 結構設置

改進型人工快滲凈水裝置結構如圖1所示，由PVC材料加工而成，內徑24 cm，有效高度為150 cm。主體結構由布水區、碎石區、有氧區、缺氧區、陶粒區Ⅰ、陶粒區Ⅱ、排水口組成。

圖1 結構設置示意圖

有氧區由3 個分區組成，有氧區Ⅰ采用天然河砂（0.50～1 mm）作為濾料，上方設有碎石區，碎石區高度為5 cm，采用粒徑為0.50～1.50 cm的碎石作為填充，有氧區Ⅱ采用釋氧顆粒作為濾料。釋氧顆粒的制備方法如下：6 g過氧化鎂+5 g水泥+4 g天然河砂+2 g膨潤土+1 g黃糊精+1 g磷酸二氫鉀+1 g檸檬酸+水拌勻后造粒即得，粒徑為1～5 mm。有氧區Ⅲ采用粒徑為0.30～0.80 mm 的天然河砂作為濾料。有氧區Ⅰ、有氧區Ⅱ、有氧區Ⅲ的高度均為25 cm。

缺氧區分為缺氧區Ⅰ、缺氧區Ⅱ。缺氧區Ⅰ采用混合濾料進行填充，分別是天然河砂（0.10～0.50 mm）和微米零價鐵粉（0.50～5 μm），兩者質量占比分別為90%、10%。缺氧區Ⅱ采用粒徑為0.30～0.80 mm的天然河砂作為濾料。缺氧區Ⅰ、缺氧區Ⅱ的高度均為50 cm。缺氧區Ⅰ與缺氧區Ⅱ底部通過陶粒區Ⅰ連通，陶粒區Ⅰ厚5 cm，填充物為陶粒（2～5 mm）。缺氧區Ⅱ的上方設有陶粒區Ⅱ，陶粒區Ⅱ厚5 cm，填充物為陶粒（5～10 mm），右側設有排水口。

2.2 運行方式

污水從布水區上方進入人工快滲池后，依次流經碎石區、有氧區Ⅰ～Ⅲ、缺氧區Ⅰ、陶粒區Ⅰ、缺氧區Ⅱ、陶粒區Ⅱ，最后由排水口排出。運行條件如下：每天運行2 個周期，每周期淹水3 h，落干9 h，水力負荷（q）由0.50 m/d 逐步提升至1 m/d，環境溫度為25℃左右。

2.3 進水條件

采集成都某農戶生活污水進行凈化，進水水質如下：ρ（COD）=210.50～245.10 mg/L，ρ（BOD5）=137.40～170.60 mg/L，ρ（）=32.70～39.60 mg/L，ρ（TN）=42.50～52.40 mg/L，ρ（TP）=3.10～4.60 mg/L，pH=6.20～8.70。

2.4 分析方法

所有水質指標均采用國標法進行分析。

3 結果與討論

3.1 有機污染物去除情況

圖2 反映了改進型人工快滲系統對污水中有機污染物的去除情況。從圖2（a）所示的出水濃度變化狀況來看，當水力負荷較低（q=0.50 m/d）時，COD和BOD5的出水濃度均處于較低水平，結合圖2（b）可以看到它們的去除率均值分別為91.90%和97.40%。當水力負荷升高到0.80 m/d時，由于每日需要處理的水量增加，系統出現短暫的不適應期，出水有機物濃度均大幅增加，去除率分別降至81.40%和85.10%。隨著系統對該水力負荷條件的逐漸適應，運行至第23 d時，有機物去除率再次超過90%，此時再度提高水力負荷至1 m/d，系統同樣出現了與前一階段類似的現象，在受到水力負荷沖擊的首日，系統的出水有機物濃度出現了更大幅度的增加，COD 和BOD5去除率分別降至78.40%和81.10%。經過更長時間的適應后，于第40 d時有機污染物去除率恢復至90%以上。此后，運行效果較為穩定，經過改進型人工快滲系統對處理后的COD、BOD5出水濃度均值分別為20、4.90 mg/L，去除率均值分別為91.40%、96.70%，可見通過水力負荷梯級馴化的方式可實現系統的快速啟動和對有機物的高效去除。

圖2 有機物去除情況圖

3.2 氮素污染物去除情況

3.3 磷素污染物去除情況

由TP出水濃度變化來看，經改進型人工快滲系統處理后，污水中的TP 濃度明顯降低，其中TP 出水濃度在水力負荷為0.50 m/d 時僅為0.25 mg/L，水力負荷為0.80 m/d 時，出水TP 濃度先升高后降低，最終穩定在0.31 mg/L左右，水力負荷為1 m/d時，出水TP 濃度先增高到0.79 mg/L，后逐漸減少，最終穩定在0.36 mg/L 左右。由TP 去除率變化來看，水力負荷為0.50、0.80、1 m/d 時，TP 去除率最終分別穩定在93.70%、91.80%、90.90%左右。改進型人工快滲系統在較為可觀的水力負荷條件下，對污水中的磷素污染物有著較佳的去除功能。

3.4 凈水原理分析

改進型人工快滲系統與傳統快滲系統相比，在濾料配置和系統構型上進行了改良升級。其中，有氧區細分為3 個區域，有氧區Ⅰ采用粒徑相對較大的天然河砂作為濾料，同時由于其靠近進水端，在落干期能獲得較高的復氧效率，有氧區Ⅱ采用釋氧顆粒作為濾料，緩釋的氧氣被污水攜帶后進入有氧區Ⅲ，因而污水流經有氧區Ⅰ～Ⅲ后可實現污染物的好氧轉化，包括有機污染物的去除、氨氮的氧化等過程。

缺氧區Ⅰ采用天然河砂、微米零價鐵粉混合作為濾料，微米零價鐵粉的加入不僅可以豐富缺氧區Ⅰ內濾料的粒徑級配，還能有效提高反硝化效率，原因如下：微米零價鐵與污水接觸后，在緩慢腐蝕過程中生成Fe2+和H2，如式（1）所示；Fe2+還可以進一步反應生成Fe3+，其中Fe2+和H2可被反硝化菌利用，分別進行鐵自養反硝化（如式2所示）和氫自養反硝化（如式3所示），從而提高脫氮效率，適量的Fe2+、Fe3+還可以提升微生物的酶活性，從而提高微生物的代謝活性，使脫氮效率進一步提高。此外，微米零價鐵粉的加入也為除磷提供了有利條件，因微米零價鐵粉具有巨大的比表面積和大量的反應位點，為磷素污染物的高效吸附和去除提供了基礎，因而能取得較優的除磷效果。

除此以外，缺氧區Ⅰ與缺氧區Ⅱ底部通過陶粒區Ⅰ連通，使得缺氧區Ⅰ與缺氧區Ⅱ內一直處于飽水狀態，為反硝化反應的發生提供了良好的缺/厭氧環境，同時大幅增加污水停留時間，使微生物能與污水更好接觸，污水中的污染物能被更加高效轉化或去除，多方面保障了系統出水效果的穩定。

4 結論

①改進型人工快滲系統對有機污染物處理效果較為穩定，COD、BOD5經處理后出水濃度均值分別降到20.00、4.90 mg/L，去除率均值分別為91.40%、96.70%。②在1.00 m/d水力負荷穩定運行條件下，、TN 的出水濃度均值分別為1.80、6.80 mg/L，去除率均值分別為95.20%、85.80%，比TN更容易被系統所去除。③通過水力負荷梯級增加方式，可實現污水中TP的高效去除，經改進型人工快滲系統處理后，TP出水濃度明顯降低，平均濃度僅為0.36 mg/L，平均去除率達到90.90%。