基于多級土壤滲濾系統的高速公路施工期生活污水處理方法研究

文章編號：1674-6139（2025）06-0100-05

中圖分類號：X703文獻標志碼：B

Experimental Study on Treatment of Domestic Sewage by Multi- Soil Layer during Highway Construction Period

Liu Jiamin1，Wu Pan2，3，Zhao Changlin4，Zhang Yuanjia ¹ ，Che Ling ?^2，3 （1.Sichuan Tibetan Area Expressway Co.，Ltd.，Chengdu 61O041，China； 2.Sichuan Highway Planning，Survey，Design and Research Institute Ltd.，Chengdu 610041，China; 3.Sichuan ProvinceEnginering TechnologyResearch CenterofHighway Ecological Environment，Chengdu 610041，China; 4.Sichuan Jiuma Expressway Group Co.，Ltd.，Aba Tibetan Qiang Autonomous Prefecture 6240oo，China）

Abstract：Undercomplexgeologicalconditions，thenumberofconstructionpersonelateachconstructionsiteofcoupledmulti bridgeadtuelostructioprojectssgreatlyndisiglyspsdsutingigicantfuctuatiosinalityftic wastewaterduringthecostructionperiod.TraditionaltreatmentprocessshavehighcostsndoostabiltyTerefore，ftersiulatingthedomesticsewagegeneratedduringhighwayconstruction，amulti-stagesoilifiltrationsystemimprovedbybiocharwasadopted.Bycomparingandaalyngteectsofhdralicladndinfiltrationlaerightontreamenteficiency，itisoncudedtatthlti stagesoiliniltrationssteimproedbyoarastaracteistsfsistigaterualityndantityuctuatios，fiely ducingtheheightofinfilrationlaye，andstrengthenngeuentstabilityeaverageremoalratesofCOD，T，T，ndAbyte biochar system are 74.79% ，96. 54% ， 96.33% ，and 97. 54% ， respectively，and are less affected by hydraulic loads.When the height of the infiltration layer is 4 layers，it can already meet therelevant

Keywords：highway；domestic sewage；wastewater treatment; multi-soil layer system；construction period

前言

當前，中國建成的高速公路已約4萬公里，進入了一個新階段，產生的污水也隨之增多。除一部分來源于作業人員的生活區污水，還包括公路施工階段的施工污水以及沖洗設備產生的廢水等[1]。在公路施工期間，施工人員的生活點較為分散且大多位于農田和居民區附近，導致生活污水排放較少，對周圍環境的影響相對較小。然而，橋梁和互通立交等大型工程的施工會導致施工營地人員集中，再加上施工周期較長，因此污水排放更容易進人附近的水體，對水體造成污染的影響更大。

多級土壤滲濾系統（MSL）是20世紀90年代日本研究出的一種新型水處理系統，具有處理效率高、占地面積小、設備維護量小、壽命長等優勢[2-3]。該系統將土壤分成各個模塊搭建，縫隙填充沸石、砂粒等材料，主要通過過濾、吸附、降解等行為達到凈化污水的目的[4]，改變填料種類能進一步增加處理效率。由于復雜地形地貌環境下，高速公路施工場地生活污水具有分散性的特點，因此，該系統具有較好的優勢。

文章通過實驗室模擬高速公路施工期生活廢水，考察多級土壤滲濾系統技術對高速公路施工期生活污水的處理效果，并研究滲濾層高度與水力負荷對高速公路施工期生活污水的處理效果的影響，為施工期生活污水的生態處理提供理論支撐。

材料與方法

1.1 實驗材料

MSL系統中采用的材料簡單易得，成本較低。其中土壤模塊層SMBs采用紫色土壤、油菜秸稈、鐵粉以 .7：2：1 的干重比構成。紫色土與秸稈采集于四川省綿陽市，鐵粉購置自中冶新材科技有限公司。將秸稈經馬弗爐于 500^°C 熱解而成。如表1所示對紫色土、生物炭和秸稈進行了相關理化性質的表征。

分別利用磷酸二氫鉀（AR）和硫酸銨（AR）模擬廢水中COD和 AN 。

1.2 實驗裝置

如圖1所示MSL系統的結構裝置，為保證設備進水安裝了蠕動泵和進水箱，MSL反應器作為水處理設備。其中，進水箱規格為 100cm×50cm× 60cm ，能容納 300L 的廢水;MSL箱體采用亞克力板構建，尺寸為 52cm×10cm×85cm ，體積約為36L 。在MSL反應器中，系統最下層為鵝卵石層，第二層為石英砂層，最上層為石英砂層，采用均勻開口的三通布水管布水，能夠保證系統的均勻布水。MSL主體由土壤磚塊與礫石形成交替的方形磚塊構成，共有5層。磚塊間間距為 4cm ，相鄰磚塊間和土壤磚塊開口內采用 2mm～4mm 的礫石填充，能防止系統堵塞。此外，方形磚塊交錯相間，迫使污水在系統中交替流動，形成好氧與厭氧環境。進入MSL系統的污水受重力作用向下流動，在系統內進行硝化與反硝化作用，使得系統的處理效率大大提升的同時也得到良好的處理效果。

裝置所用到的其他實驗儀器有便攜式溶解氧測定儀、COD恒溫消解儀、電熱鼓風干燥箱、馬弗爐、立式壓力蒸汽滅菌鍋、分析天平、數顯恒溫水浴鍋、雙光束紫外可見分光光度計等。

1.3 試驗方法與運行條件

1.3.1 水力負荷

實驗搭建2個MSL系統，分別為秸稈基多層土壤滲濾系統（AMSL）以及生物炭基多層土壤滲濾系統（BMSL）。由于在高速公路施工時，工程進度按照工期進行，不同標段在不同施工期間的施工人數存在較大差異，因此施工期間生活污水的排放量也會隨之有很大的變化，其他多種要素也會帶來污水排放量的差異問題，面對不同的水力負荷，MSL系統對污水的處理效果也不同。因此，通過在兩種材料的MSL系統中改變水力負荷模擬不同排放量對污水處理的影響。

采取的水力負荷如下：

高水力負荷： ?0.5m?d^-1 0.021m?h^-1 ：中水力負荷： ：0.4m?d^-1 0.017m?h^-1 低水力負荷： ?0.3m?d^-1 新 0.012m?h^-1 0

1.3.2 土壤滲濾層高度

目前，生活污水呈現低C/N比的特點，是中國污水處理的研究熱點[5]。因此在低C/N比條件下MSL系統處理效果是研究重點。MSL系統是分層結構，不同土壤層高度對生活污水的處理效果不同。從上至下分別在第三層、第四層和第五層設立出水口，在低C/N比條件下每一層土壤混合層分別運行10d，探究不同土壤層高度對MSL系統對污染物的處理效果的影響。

2 結果與討論

2.1水力負荷對MSL處理效果的影響

如表3所示調整蠕動泵的轉速調整水力負荷為高中低三類，最終出水水質見圖2。

模擬生活污水經過MSL處理后，在所有水力負荷中，生物炭都比秸稈更能提高對 COD，TN，TP 和AN的去除。通過對 COD，TN，TP 和AN四類物質的去除率進行均值計算，得到在AMSL系統中去除效率分別為 -33.40%.69.27%.92.00% 和 87.00% ，在BMSL系統分別為 74.79%.96.54%.96.33% 和97.54% 。究其原因可能是基于生物炭所具有的良好的吸附能力，較大的比表面積也促使其可以更有效的發揮吸附功能[6]，具有更好的吸附污染物的能力。值得注意的是，經過AMSL處理后，COD的出水濃度不降反增，去除率在某些時間點為負值，可能是因為在系統運行過程中，秸稈的腐熟和腐殖化會釋放出 cosμ 。因此AMSL系統在運用時可能需要較長時間平衡穩定。將水力負荷從高調整至中最后調整到低時，AMSL系統對四種污染物的去除率呈升高趨勢，當水力負荷較低時，處理效率相對最高，去除了系統中 -0.1% 的 COD，76.06% 的 TN，95，2% 的 TP，92.92% 的 AN 。這可能是因為在水力負荷較高的情況下，水力負荷的作用使得水流速度加快，導致水在系統中停留的時間變短，從而影響了系統的處理效果。而在BMSL系統中，水力負荷對污染物去除率的影響較小。

2.2滲濾層高度對MSL處理效果的影響

在低C/N比的條件下，AMSL和BMSL系統在改變滲濾層高度為5、4、3層時對COD、TN、TP和AN的去除效果見圖3。

在AMSL系統中，滲濾層高度為5層時，對cop，TP 和 AN去除率最大，分別為 62.30% 、96.67% 和 80.86% ；在4層時，對TN去除率最大，為60.79% ，但3層和5層時系統對TN的去除率分別為 59.12% 和 60.74% ，差距不大。在BMSL系統中，對COD和AN的去除率在4層時達到最大，分別為 82.58% 和 97.86% ；對TN和TP去除率最大的為5層，分別為 67.21% 和 92.80% 0

在AMSL系統中，有機物在每一層都會發生降解作用，不斷增加滲濾層的高度，COD的去除率也會隨之提高。而BMSL在4層時就基本完成COD的去除，因此在4層和5層時，系統對COD的去除率差距不大。

AMSL系統與BMSL系統隨著層數的減少，TP去除率呈降低趨勢。污水中的TP去除歸功于沸石的吸附作用，微生物作用較為有限。系統中的Fe將磷酸鹽沉淀下來，隨后被吸附攔截。但BMSL對TP的去除率卻小于AMSL，可能是由于pH值的影響。BMSL系統的出水pH值小于AMSL，可能是由于生物炭具有強大的硝化能力，硝化反應使水體pH值降低，進而減少了Fe的氧化速率，因此減少了除磷效率[7]。

滲濾層高度的改變會影響DO的濃度，而DO濃度變化會導致微生物種類和新陳代謝變化，對TN和AN的去除有一定影響。在5層、4層、3層進水的DO濃度分別為 7.32mg?L^-1，5.95mg?L^-1 、5.90mg?L^-1 ，AMSL系統在出水層數為5層、4層、3層時，系統出水的DO 濃度分別為 2.15mg?L^-1 、（204號 ，BMSL系統在出水層數為5層、4層、3層時，系統出水的DO濃度分別為3.46mg?L^-1?4.04mg?L^-1?3.99mg?L^-1 。層數越少，出水DO濃度越高，影響好氧微生物的活性及反應速率，也影響其產物。

在AMSL系統中，當系統為5層時，低層DO濃度最低，厭氧反硝化效率較高，提高了AN的去除效果。而在BMSL系統中，AN處理效率都在 90% 以上，差距很小，這說明了在系統中，生物炭比秸稈有更強的AN去除性能。

在AMSL系統中，TN的去除率隨層數的變化不大。在BMSL系統中，隨著層數的減少，TN的去除率明顯降低，可能是受到了反硝化速率的限制。污水中DO含量較AMSL系統更高，這使得反硝化細菌的繁殖與代謝受到了抑制，進而限制了系統中氮的轉化。

3 結束語

文章通過實驗室模擬公路施工生活區污水水質，并通過兩種不同材料的多級土壤滲濾系統進行處理，考察水力負荷、滲濾層高度對系統處理效果的影響，主要結論為BMSL系統更適合在變化的水力負荷情況下處理污水。生物炭具有更強的吸附能力，比秸稈更能提高污染物的去除率。將水力負荷從高調整至中最后調整到低時，AMSL系統對四種污染物的去除率呈升高趨勢，BMSL系統去除率更穩定，而AMSL系統在運用時可能需要較長時間平衡穩定;AMSL在5層時，COD、TP、AN去除效率最高，TN隨層數變化不大。BMSL在4層時就已基本完成COD去除，在5層時對TP、TN的去除率最大，AN隨層數變化不大。可以根據污水的水質和出水標準選擇不同高度的系統。

參考文獻：

[1]封國強.鐵路工程施工期水環境污染分析與控制[J].鐵路節能環保與安全衛生，2021，11（5）：25-28.

[2]李厚禹，徐艷，譚璐，等.多介質土壤滲濾系統去除農村污水中典型污染物的研究進展［J].水資源保護，2022，38（4）：156-165.

[3]牛澤南，鮑安紅，豆玉婷，等.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[J」.西南大學學報（自然科學版），2022，44（2）：154-160.

[4]鄭世界，張建強，何楊，等.生物炭對MSL污水處理及微生物群落結構的影響[J].中國環境科學，2023，43（4）：1696-1705.

[5]郝如杰，鄭紀永，韓士偉，等.低 C/N 農村生活污水處理試驗研究[J].環境科學導刊，2023，42（2）：50-54.

[6]左金龍，張迎停，馬雪薇，等.生物炭的制備及其環境應用的研究進展[J].應用化工，2023，52（9）：2708-2712;2717.

[7]張洋，劉巧，鞏飛，等.生物炭添加對人工濕地處理農村生活污水的影響[J].水處理技術，2023，49（9）：96-101.