多元濾料在農村生態滲井的去污能力試驗研究

包 磊

(彰武縣大冷鎮人民政府,遼寧 彰武 123202)

隨著農村地區經濟社會的發展,污染問題也變得日趨嚴重,特別是農村地區的污水污染問題比較突出,已經成為影響生態環境的重要因素。目前,我國大部分農村沒有建設污水管網和處理系統,許多農戶在自家庭院建設滲水井,將廚房、洗漱產生的生活灰水通過滲水井直排地下[1]。由于上述滲水井在建設過程中一般使用砂石料作為濾料,僅能過濾灰水中較大的顆粒物,而對氮磷等污染物沒有任何過濾作用。由于農村灰水特別是洗漱用水中含有磷元素等有害物質,大量建設和長期使用的滲水井必將會對土壤和地下水造成污染[2]。目前,在生態滲井領域的研究主要集中于雨水下滲對地下水的補給作用以及對地下水環境的影響方面,利用濾料過濾作用減輕農村滲水井污染問題的研究不多。基于此,本文通過試驗探討多元濾料對農村生態滲井去污能力的影響,以便為其推廣應用提供技術支持。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

試驗裝置與農村地區的滲井外觀基本相似,為圓柱形結構。考慮到成本因素、施工因素以及更換濾料等因素,滲井的井體選用抗老化、耐磨損、質量輕的PPH管[3]。其第一層為可拆卸式調節池,菜葉、樹枝等質量較大的污染物可以沉入調節池的底部待定期清理,收集灰水的收集管設置在調節池的底部,一般埋入地下50cm左右;污水在調節池的溢流堰均勻溢出,然后經過柵格降落至二次調節池,再通過布水系統進入過濾區,過濾區采用分層設計,裝填不同的濾料以強化對灰水的脫氮除磷效果,過濾后的水體經網孔滲入地層[4]。其主體結構包括6部分,分別是井體、調節池、二次調節池、布水系統、過濾層和滲透層(見圖1)。生態滲井的直徑為600mm,埋深3.5m,設置3層過濾層,每層層高450mm。

圖1 試驗裝置結構示意圖

1.2 濾料設計

目前,常見的過濾料有多孔濾料、纖維濾料和堆積介質等三大類[5]。其中,多孔濾料是指玻璃、燒瓷、多孔塑料管、燒結金屬等含有一定數量孔洞的固體介質;纖維濾料主要包括天然纖維和人造纖維兩種,具有比表面積大、孔隙率高、價格便宜、可重復使用等優勢;堆積介質主要是木炭、生物質灰渣、砂礫等具有特殊纖維層的堆積層。鑒于此次研究的過濾料用于農村地區的生態滲井,因此需要兼顧材料的經濟性和易獲取性。通過對多種不同常見過濾料進行對比分析,最終確定生物質灰渣、秸稈和聚酯纖維。

生物質灰渣是生物質燃料燃燒后的固體廢棄物,由于生物質能源儲量豐富,同時也是我國農村地區的重要燃料,因此生物質灰渣來源廣泛,成本較低,是比較理想的過濾材料。此次研究中使用的生物質灰渣為農村地區燒飯柴火燃燒后產生的灰渣,使用前需要進行篩分,去除未完全燃燒的較大顆粒[6]。

農作物秸稈是一種天然聚合物,富含具有一定吸附能力的纖維素,同時農村地區該原料來源廣泛,成本低廉,是一種具有相當發展潛力的吸附物質[7]。相關研究顯示,秸稈纖維對生活污水中的COD、磷酸根、鉻等污染物均具有良好的吸附性。此次研究中使用的秸稈為玉米秸稈,需要利用粉碎機粉碎分揀。

聚酯纖維是冬被、棉服等常用填充物,利用廢舊衣物提取聚酯纖維材料成本較低。相關研究顯示,聚酯纖維材料具有直徑小、均勻性好、比表面積大和吸附能力強的優勢。同時,隨著農村地區生活水平的提高,廢舊衣物的數量迅速增加,可以為再生聚酯纖維材料提供良好的原材料[8]。

根據濾料的滲透性和吸附性特點,在滲井裝置中,最上層布設聚酯纖維濾料、中間為生物質灰渣濾料、下層為秸稈濾料。

1.3 進水水質

此次研究主要針對遼寧省西部和北部偏遠農村地區的單戶生活灰水進行處理試驗。通過對遼西農村的實地調研發現,當地農戶生活飲食和清潔用品比較單一,因此生活灰水的污染物種類比較單一,含量也相對比較穩定。其COD含量一般在300mg/L,TN一般為15mg/L,TP一般為2.5mg/L。根據以上特點,配制出試驗所用的灰水,其特征見表1。

表1 人工配制灰水的水質特征

1.4 試驗方法

根據農村地區的調查情況,每戶月均灰水產生量約為1.5～2.3m3。基于此,研究中按照每月2.1m3的灰水產生量進行試驗,每天將70L灰水以1.5h的間隔分7次注入試驗裝置,試驗周期為90d,每隔5d收集一次過濾水樣并進行污染物濃度測試。其中,COD采用重鉻酸鉀-硫酸銀消解分光光度法,TN采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法,TP采用鉬銻抗分光光度法。根據檢測結果計算獲取污染物的去除率,以評價過濾效果。計算公式為

污染物去除率=(1-過濾水樣污染物含量/

灰水污染物含量)×100%

2 試驗結果與分析

2.1 COD過濾效果

根據試驗數據,計算獲取不同試驗時間節點過濾試樣中COD的去除率,其變化曲線見圖2。從試驗結果可以看出,多元濾料設計對COD過濾效果隨時間的變化可以劃分為5個階段。前10天為第一階段,該階段COD去除率呈現出快速上升的變化特點,原因是剛填入的濾料需要與試驗裝置“磨合”;10～35天為穩定階段,該階段的多元濾料對COD過濾效果比較穩定,一直維持在82%～87%的較高水平,過濾效果良好;35～60天為緩慢下降階段,該階段的COD去除率呈現出緩慢降低的變化特征,經過一段時間的工作,過濾料的過濾和吸附能力有所下降,但是仍有一定的效果;60～80天為迅速下降階段,該階段的多元濾料對COD過濾效果迅速降低,原因是過濾料對吸附區域飽和,秸稈濾料開始腐爛,功能基本喪失;80～90天為失效階段,該階段多元濾料的過濾和吸附作用完全喪失,過濾效果為0。

圖2 COD去除率變化曲線

2.2 TN去除效果

根據試驗數據,計算獲取不同試驗時間節點過濾試樣中TN的去除率,其變化曲線見圖3。從試驗結果可以看出,多元濾料設計對TN過濾效果隨時間的變化可以劃分為4個階段。其時間節點變化規律與COD的前4個階段類似。不同的是對TN試驗中尚未出現失效階段。具體來看,前10天為第一階段,該階段的TN去除率呈現出快速上升的變化特點;10～35天為穩定階段,該階段的多元濾料對TN過濾效果比較穩定,一直維持在90%以上的較高水平,由此可見,多元濾料對TN的去除效果優于對COD的去除效果;35～60天為緩慢下降階段,該階段的TN去除率呈現出緩慢降低的變化特征;60天以后為迅速下降階段,該階段的多元濾料對TN過濾效果迅速降低,原因是過濾料對吸附區域飽和,秸稈濾料開始腐爛,功能基本喪失。

圖3 TN去除率變化曲線

2.3 TP去除效果

根據試驗數據,計算獲取不同試驗時間節點過濾試樣中TP的去除率,其變化曲線見圖4。從試驗結果可以看出,多元濾料設計對TP過濾效果隨時間的變化可以劃分為4個階段。前10天為第一階段,該階段TP去除率呈現出快速上升的變化特點;10～45天為穩定階段,該階段多元濾料對TP過濾效果比較穩定,一直維持在55%以上的水平,最高去除率為66%,由此可見,多元濾料對TP的去除效果不及COD和TN;45～70天為迅速下降階段,該階段多元濾料對TP過濾效果迅速降低;70天以后為失效階段。從試驗結果來看,與COD和TN不同,多元濾料對TP的去除效果沒有緩慢下降階段,在穩定階段之后,由于顆粒物沉積和材料變質等因素的影響,生態滲井內部好氧環境受到干擾,同時有機負荷變高,磷無法被有效吸收或降解,因此濾料的過濾作用迅速下降并失效。

圖4 TP去除率變化曲線

3 結 語

此次研究利用模型試驗的方式,探討多元濾料對農村單戶灰水中污染物的過濾效果,試驗結果顯示,采用多元濾料對農村單戶灰水中的COD、TP和TN污染物具有良好的過濾效果。在穩定階段,對三種污染物的去除率分別達到80%、90%和55%以上。對不同污染物,去除率的穩定階段一般可以持續到35～45天,在45天之后,對TP的去除率會迅速下降。因此,在實際應用中,建議濾料的使用時長為35～45天,否則將影響污染物的過濾效果。當然,在工程應用過程中,廢棄過濾料的處理也是需要解決的技術問題,否則也會造成二次污染。