李春來,劉康懷,覃許江,孫洪林

近年來,我國小城鎮(zhèn)經濟得到了快速的發(fā)展,但是小城鎮(zhèn)人口多、面積分布廣,基礎設施薄弱,大部分縣鎮(zhèn)的污水未經過處理就直接排入附近水體,小城鎮(zhèn)水污染問題日益嚴重。由于小城鎮(zhèn)污水水量小,成分簡單,同時缺乏污水處理設施建設、運行以及維護的資金和技術,使得一些小城鎮(zhèn)的水體污染問題難以解決[1-3]。因此,開發(fā)既適合小城鎮(zhèn)污水特點,又經濟、低耗、高效的污水處理工藝非常必要。本研究在現(xiàn)有的污水土地處理和生物濾池等工藝的基礎上,設計出了一套新型組合填料過濾裝置,通過試驗,研究其對生活污水的去除效果,確定最佳運行參數(shù),以期為解決小城鎮(zhèn)水污染問題提供參考。

1 試驗設備

1.1 試驗裝置概述

新型組合填料過濾裝置主要設備由提升水泵、高位水箱、過濾柱、布水管和鐵架組成。原污水在進入裝置前,采用粗布過濾和靜置沉淀的方法進行預處理,去除部分漂浮物及砂石,然后由水泵一次提升到高位水箱,利用高差,污水依次流過 3個過濾柱,并通過穿孔管在柱內布水,過濾柱分別填充不同的填料,通過機械過濾和生物作用共同去除污染物。因選用填料不同,因此各柱去除的主要污染物種類也不同,更有利于提高工藝的處理效果。試驗裝置見圖1。

圖1 過濾器示意

1.2 過濾柱

本試驗所用的過濾柱是由 PVC管改裝而成,共有兩組,以進行不同填料的對比試驗。每組由 3個小過濾柱組成,各小過濾柱高度均為 1 m。第 1組(1號)的填料填充情況:1-1號柱為 0.6 m天然砂,1-2號柱為 0.3 m天然砂,1-3號柱為 0.5 m石灰石。第2組 (2號)的填充情況:2-1號柱為0.6 m天然砂 ,2-2號為0.3m沸石 ,2-3號為0.5 m石灰石。為與實際接近,每組 PVC過濾柱均包以不透光塑料布。

1.3 填料

2 試驗方法

2.1 試驗操作與管理

供試污水取自桂林市六合路花園村生活污水排放口,主要是居民的生活和餐飲廢水等,不含工業(yè)廢水。

系統(tǒng)啟動完成,運行穩(wěn)定后,兩組裝置均采用間歇運行,每周期 12 h,其中進水 4 h,停止進水8 h,每隔 3天取一次樣,取原污水和最終出水進行檢測分析。試驗中,兩組保持在相同的水力負荷[1.5 m3/(m2·d)]條件下運行,以便對比處理效果。

2.2 監(jiān)測項目和分析方法

試驗的主要測試項目有:水溫:干濕溫度計;pH值:便攜式pHS― 3C精密 pH儀;COD:微波密封消解快速測定法;NH3-N:納氏試劑分光光度法;TN:紫外分光光度法;TP:鉬銻抗分光光度法。

3 試驗結果及討論

3.1 處理水檢測結果

根據(jù)系統(tǒng)每次的進出水水質監(jiān)測,正常運行階段,統(tǒng)計各進水和最終出水水質參數(shù)的結果見表1。

表1 1號柱和2號柱進出水水質參數(shù)

從表1可以看出,供試用水的總體特征與一般的生活污水相近,進水的各項水質指標具有一定的不穩(wěn)定性,但變化范圍并不大。而經過多級過濾處理后,各類污染物都得到很好的去除,出水的NH3-N和 TP均優(yōu)于 GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

3.2 系統(tǒng)的啟動及微生物培養(yǎng)

系統(tǒng)的啟動和微生物培養(yǎng)階段,采用城市污水處理廠好氧池中的活性污泥為種泥,并首先經簡單的處理,然后與實際廢水混合,定期、定量灌灑在第一級過濾柱表面。期間共運行了 31天;從第 5個運行周期以后,每隔 3個周期抽取出水水樣進行監(jiān)測和分析,獲得系統(tǒng)出水 COD的去除效果。系統(tǒng)運行的參數(shù)為:進水 4 h,停止進水 24 h(運行周期為28 h),水力負荷為 1.5 m3/(m2·d)。如圖2所示, 23天后,兩組過濾柱的 COD去除率逐天提高,繼續(xù)運行 7天后去除效果保持穩(wěn)定,此時,認為系統(tǒng)啟動及微生物培養(yǎng)已經完成。

圖2 系統(tǒng)啟動及微生物培養(yǎng)期COD去除效果

3.3 COD去除效果

從圖3比較兩柱對COD的去除效果可以看出,1號柱COD的平均去除率是 80%,2號柱對 COD的去除率穩(wěn)定在85%左右,可見,后者要略優(yōu)于前者。這主要是由于該過濾系統(tǒng)中去除COD的機理是填料對COD的吸附、過濾和好氧微生物的生物降解[5]。由于好氧微生物多存在于填料上層,故中、下層附著的微生物降解 COD的作用不大,而在吸附性能上沸石優(yōu)于天然砂,所以 2號柱處理效果得以提高,歸因于沸石填料對COD較強的吸附能力。

圖3 1號柱和2號柱COD去除效果

3.4 NH3-N去除效果

從圖4可看出,由于前期微生物培養(yǎng)已經成功,因此,從檢測的第 1周期開始就具有較高的去除率。但 1號柱NH3-N去除率隨進水濃度的改變波動較大,在運行前期,去除率為 42%～88%,之后一直穩(wěn)定在 70%以上。這主要是相比 2號柱,1號柱中的天然砂和石灰石吸附 NH3-N的性能較差,因此NH3-N的去除機理主要是生物脫氮,同時由于抗沖擊負荷能力相對較弱,因而在進水水質變化較大時,處理效果也不穩(wěn)定。

圖4 1號柱和 2號柱NH3-N去除效果

2號柱 NH3-N去除率一直穩(wěn)定在 77%以上,最高達到 97%,出水平均濃度低于 5 mg/L,去除效果整體上趨向平穩(wěn),明顯好于 1號柱。這是因為 2號柱中層采用的是沸石填料,能良好地吸附NH3-N[6],又由于其多孔結構,有利于反硝化細菌的附著生長,因此在物理作用和生物作用共同增強的情況下,系統(tǒng)去除 NH3-N的效果得以提高。但從整體趨勢看,去除率有所下降,說明沸石的吸附能力隨著時間的遞增在逐漸下降。

3.5 TN去除效果

在運行過程中,系統(tǒng)對 TN的去除效果一直不太穩(wěn)定,由表1可見,1號柱和 2號柱的平均去除率分別是 44.32%、55.57%。這是由于,試驗中采用的是淹水期為一個周期 4 h,遠低于落干期 8 h的模式,雖然保證了氧氣供應量,但缺乏足夠的缺氧期,不利于細菌反硝化作用,使得系統(tǒng) TN的去除效果不佳。相對而言,2號柱的處理效果要好于 1號柱,這說明沸石吸附了NH3-N,也就增加了 TN的去除效果。

3.6 TP去除效果

由圖5可見,兩柱在 TP的去除上均保持較高水平,去除率均在 85%以上。表1出水中 TP的最高濃度僅為 0.45 mg/L,除磷效果非常顯著。分析可知,磷的去除機理主要是靠填料對磷的吸附和磷酸根離子與填料中的 Fe、Al及 Ca等金屬離子反應,發(fā)生化學沉淀的結果[7]。由于天然砂對磷的吸附性能不強,其主要成分是硅,也不利于沉淀反應的進行,因此對除磷貢獻不大,而起主要作用的則是石灰石,因為石灰石中的部分 Ca溶解后,能與污水中的磷酸根離子發(fā)生反應生成磷酸鈣,沉積在填料上,達到除磷的目的。

圖5 1號柱和2號柱 TP去除效果

從圖5可看出,1號柱除磷效果不如 2號柱,2號柱 TP的去除率最高達到 98%,最低也是 96%。這是因為,2號柱中層的沸石填料也是一種優(yōu)良除磷吸附劑[8],在經過石灰石之前,已有一部分磷被沸石吸附,因此處理效果要比 1號柱好。

4 結論和建議

通過以天然砂、沸石、石灰石為組合的新型過濾裝置的試驗研究,得到以下結論和建議:

(1)新型組合填料過濾裝置采用間歇運行的方式,好氧、缺氧和厭氧交替出現(xiàn),提供了硝化和反硝化條件,能夠脫氮除磷,同時實現(xiàn)了無動力運行,節(jié)省了運行費用。

(2)新型組合填料過濾裝置在周期為 12 h,水力負荷為 1.5 m3/(m2·d)時,COD、NH3-N和 TP的平均去除率分別為 85.00%、89.67%和 96.93%,處理后出水水質良好。

(3)以沸石為裝置的填料,既有助于去除COD,又有利于NH3-N的吸附;石灰石填料能提供Ca離子,加強了磷的沉淀反應,大大地提高了磷的去除效果。

(4)過濾填料分成三級,每級種類不同,污染物去除具有針對性,有利于提高處理效果,在填料堵塞或失效時,方便更換。

(5)新型組合填料過濾裝置對于目前正在深入研究的人工快速滲濾工藝有一定的借鑒意義,兩者去除污染物的機理類似,如果人工快速滲濾工藝采用類似組合填料,并分成多段,勢必會提高系統(tǒng)的處理能力,且有助于解決填料堵塞等問題。

(6)新型組合填料過濾裝置的研究仍存在很多問題有待解決,如各層填料的最佳高度、多層的合理結構、改性材料的應用以及其他深入的定量分析等。

[1]劉智曉,崔福義,丁雷,等.中小城鎮(zhèn)高效低耗污水處理工藝的選擇[J].給水排水,2006,32(4):32-36.

[2]李發(fā)蓉,李太富.小城鎮(zhèn)污水處理研究[J].環(huán)境科學與管理,2006,31(7):109-114.

[3]王保學,王銀川.小城鎮(zhèn)污水處理現(xiàn)狀與展望 [J].國外建材科技,2007,28(1):119-122.

[4]徐麗花,周琪.不同填料人工濕地處理系統(tǒng)的凈化能力研究[J].上海環(huán)境科學,2002,10(10):603-605.

[5]王春燕,郭勁松,姚若虛,等.三峽地區(qū)人工土層快滲系統(tǒng)處理生活污水的試驗[J].重慶大學學報:自然科學版,2006,29(11):132-136.

[6]汪超,馮曉西,顧印玉,等.沸石在廢水脫氨氮中的應用(Ⅲ):沸石生化結合脫氨氮 [J].化學世界,2002(增刊):63-65.

[7]梁威,吳振斌.人工濕地對污水中氮磷的去除機制研究進展 [J].環(huán)境科學動態(tài),2000(3):32-37.

[8]Del Bubba M,Arias C A,Brix H.Phosphorus adsorption maximum of sands for use asmedia in subsurface flow constructed reed beds as measured by the Langmuir isother m [J].Water Research,2003,37(14):3390-3400.