趙 鵬

(中煤科工集團重慶設(shè)計研究院重慶 400016)

針對人工快滲系統(tǒng)處理生活污水正交試驗研究

趙 鵬

(中煤科工集團重慶設(shè)計研究院重慶 400016)

人工快滲系統(tǒng)自研發(fā)出以來，在生活污水的處理中發(fā)揮了重大的作用。本文對人工快滲系統(tǒng)在實驗室中的正交試驗進行分析，探究人工快滲系統(tǒng)相關(guān)的因素在污水處理過程中對于氮氨、化學(xué)需氧量和總氮含量TN的清除成效的影響，對人工快滲系統(tǒng)在運行過程中的適宜參數(shù)進行范圍確定。

人工快滲系統(tǒng)；生活污水；正交試驗；極差分析

人工快滲系統(tǒng)是一種新型的污水處理技術(shù)，是以之前的土地快速滲濾系統(tǒng)為基礎(chǔ)研發(fā)而成，用具有良好滲透性的煤矸石、陶粒及天然河砂作為滲透過濾的介質(zhì)，取代了天然土層的作用，將系統(tǒng)中的水力負荷在很大程度上加以提高。本文通過利用人工快滲系統(tǒng)在實驗室的條件下展開正交試驗，探究水力負荷、濕干比值、系統(tǒng)中的淹水時間和填料層中沸石層的厚度等重要因素對污水處理效果造成的影響，對人工快滲系統(tǒng)在運行過程中的參數(shù)進行確定。

1 試驗材料及裝置

1.1 生活污水的來源

在利用人工快滲系統(tǒng)進行生活污水處理的正交試驗中，用的生活污水來源于某市小區(qū)內(nèi)的污水管道，污水中包含餐飲及洗滌廢水，無工業(yè)廢水。采集污水的時間是中午及傍晚時分污水量較大的時候。

1.2 試驗材料

此次正交試驗中，主要是分段進行填料的裝填的，所用的填料包括沸石、河砂、石灰石，除此之外還有鵝卵石。其中，鵝卵石的粒徑在10mm至30mm范圍之內(nèi)，主要作用是便于試驗中的出水。

1.3 試驗裝置

試驗過程中設(shè)置的裝置主要包括高位水箱、PVC柱管、階梯狀鐵架臺、流量計和水泵等。其中，鐵架臺包含五個平臺，總高度是2.5m。PVC柱的外徑是0.16m，主要作用是將填料完全裝載，在本次正交試驗中，需要將填料的厚度進行改變，所以制備了多節(jié)高度不同的PVC柱，其柱高設(shè)置的范圍是0.3m到0.7m，每個柱高間隔0.1m，總共設(shè)置5個不同柱高。用PVC柱管封口板將柱體的底部進行封口處理，并在封口板的下部開個小口作為出水口。水箱放置在鐵架臺的最上面一層，經(jīng)由水泵將預(yù)處理污水送到水箱中，污水再從流量計流至水龍頭，最后經(jīng)過膠管在填料的表面灑布均勻。填料是進行分段裝載的，由河砂、沸石、石灰石分成不同的填料層并進行上下串聯(lián)構(gòu)造而成。污水從各層填料間流經(jīng)時只是依靠自身的重量，從上至下的流動。鵝卵石鋪在最底層，作為系統(tǒng)出水層。具體的試驗裝置如圖1所示。

1.4 選取試驗因素并確定水平

選取試驗中的因素作為可變因素。相關(guān)研究和試驗已經(jīng)證明，在系統(tǒng)中石灰石本身的物理化學(xué)性質(zhì)是去除磷的主要依據(jù)，所以此次試驗不將填料中石灰石層厚度作為對象展開研究，同時也不對去除磷的效果造成影響的因素展開討論。在本次試驗中，可變因素主要包括系統(tǒng)的淹水時間A、填料層中沸石層的厚度B、水力負荷C及濕干比值D做正交表，在三水平四因素的基礎(chǔ)上建立正交試驗L。在試驗中，需要對化學(xué)需氧量、TN的含量和氮氨含量進行檢測。

1.5 分析及檢測方法

分別利用標準重鉻酸鉀方法對水樣的化學(xué)需氧量COD進行檢測，利用納氏試劑進行分光光度檢測氮氨的含量，利用過硫酸鉀氧化紫外分光光度方法對TN的含量進行測量。

圖1：正交試驗試驗裝置示意圖

2 正交試驗結(jié)果與探討

2.1 正交試驗的結(jié)果

根據(jù)設(shè)計中的參數(shù)值利用試驗裝置對生活污水處理的情況展開試驗，并且每個試驗組要不間斷的運行十至十五個周期，測得的結(jié)果如表2所示。

2.2 對試驗結(jié)果進行極差分析

對于試驗的結(jié)果可以采用極差分析的方法進行分析，判定試驗因素對結(jié)果的影響。對各因素的極差進行計算，并將極差的大小作為因素對結(jié)果的影響程度，將每一個因素在相同水平上的試驗結(jié)果求和，用Ta表示，并對其求均值用mb表示，均值的最大值就是因素最適宜的水平。通過這樣的分析，可以對此人工快滲系統(tǒng)在對生活污水進行處理時的工藝參數(shù)進行推斷。相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。通過表3可以看出，在系統(tǒng)的淹水時間、填料層中沸石層的厚度、水力負荷及濕干比值這個四個因素中，對污水中相關(guān)物質(zhì)去除率產(chǎn)生的影響按主次排序為：

表2：L正交試驗的相關(guān)結(jié)果

表3：對L正交試驗進行極差分析的結(jié)果

（1）在人工快滲系統(tǒng)對生活污水進行處理時，對COD的去除效果產(chǎn)生影響的因素為：因素影響主次順序為濕干比值、填料層中沸石層的厚度、淹水時間和水力負荷。之所以會產(chǎn)生這樣的結(jié)果，可能是由于落干的時間越長，填料就可以得到越好的干燥和晾干效果，進入填料中的空氣更多，使填料中留存的懸浮污染物干化的程度越充足，從而加強了填料吸附及截擋污染物的能力，使之通透性恢復(fù)較好，為下一階段人工快滲系統(tǒng)的進水制造了優(yōu)良條件。故而，濕干比值較小更利于去除COD。

（2）在去除氮氨時，根據(jù)氮氨的去除率可知四個因素的影響大小，依序為：系統(tǒng)的淹水時間、濕干比值、填料層中沸石層的厚度和水力負荷。之所以有這樣的影響順序，可能是由于空氣可以很輕易的穿過填料并進入填料層中。一旦污水進入系統(tǒng)中，在硝化細菌的作用中，氮氨可以更輕易的進行硝化反應(yīng)，將之轉(zhuǎn)化成NO3-N。生活污水進行硝化反應(yīng)以后，向深一層的填料流入，而在深一層的填料中，由于空氣的稀少難以提供足夠的氧氣，產(chǎn)生了厭氧的環(huán)境，這時反硝化細菌進行作用，在生活污水中發(fā)生反硝化的相關(guān)反應(yīng)，促使NO3-N轉(zhuǎn)化成氮氣，從污水中溢出而使污水中原本的氮氨被清理出去。在人工快滲系統(tǒng)中，系統(tǒng)的濕干比值和淹水的時間是決定系統(tǒng)中填料層空氣含量的決定因素，對填料層中厭氧環(huán)境和有氧環(huán)境的制造有極其重要的作用，所以濕干比值與系統(tǒng)的淹水時間對人工快滲系統(tǒng)去除氮氨能力來說是至關(guān)重要的影響因素。

（3）在去除TN時，探討的四種因素對去除率的影響作用按主次排序為填料層中沸石層的厚度、濕干比值、系統(tǒng)中的淹水時間和水力負荷。產(chǎn)生這樣的影響順序的原因是由于人工快滲系統(tǒng)的填料層中，反硝化的相關(guān)反應(yīng)進行的不徹底，使NO3-N不能完全轉(zhuǎn)換成N2，雖然氮氨的總量有所減少，但是TN的減少值卻非常有限，這正是該人工快滲系統(tǒng)無法有效的去除TN的重要原因。同時，由于該系統(tǒng)中的組合填料系統(tǒng)在生物脫氮中無法取得明顯的成效，而更加凸顯了填料層中的沸石層吸附TN的重大作用。所以，填料層中沸石層的厚度是影響這一組合填料人工快滲系統(tǒng)中TN去除能力的決定性因素。

2.3 最適宜水平的確定

通過以上的分析和探討，可以確定最適宜的水平組合如表4所示。

表4：最適宜的水平組合

3 試驗結(jié)論

通過利用該人工快滲系統(tǒng)對生活污水處理過程的正交試驗及探討，對影響生活污水中COD、氮氨和TN進行去除時的重要因素及產(chǎn)生影響的原因，并確定了這種由河砂、沸石、石灰石分成不同的填料層并進行上下串聯(lián)構(gòu)造而成的填料人工快滲系統(tǒng)在去除化學(xué)需氧量、氮氨和TN時最適宜的運行水平，同時，還獲得了相關(guān)結(jié)論：

（1）在系統(tǒng)對化學(xué)需氧量進行去除處理時，最重要的影響因素是系統(tǒng)填料的濕干比值。其中，當(dāng)濕干比值較小時，落干的時間就相對較長，可以更好的提高對于系統(tǒng)中化學(xué)需氧量去除的能力。

（2）影響系統(tǒng)中去除氮氨的最重要因素是系統(tǒng)的淹水時間，濕干比值的影響排在第二位。這主要是因為在去除氮氨時，主要是通過硝化細菌的硝化作用和反硝化作用進行的，而系統(tǒng)的淹水時間及濕干比值是系統(tǒng)中厭氧環(huán)境和有氧環(huán)境的重要決定因素，從而決定著系統(tǒng)進行硝化反應(yīng)和進行反硝化的反應(yīng)時間。

（3）在系統(tǒng)去除TN過程中，最重要的影響因素是填料層中沸石層的厚度，這是由于反硝化過程的不徹底，導(dǎo)致無法將氮氨完全轉(zhuǎn)換成氮氣排出，從而使去除TN的效率不能再加以提高，所以填料層中沸石層的吸附能力在TN的去除中得以凸顯。

（4）在這次的正交試驗過程中，對于系統(tǒng)處理生活污水的能力而言，水力負荷的影響相對來說不是特別的重要，這可能是因為在1.5-2.5 m3/m2·d范圍內(nèi)水力負荷本身的變化不能有效的沖擊系統(tǒng)去除能力，從側(cè)面也反應(yīng)了這一組合填料系統(tǒng)的抗負荷耐沖擊能力比較強。

[1]嚴博，劉康懷，覃許江，王櫟雯，龍飛，陳小杏.人工快滲系統(tǒng)處理生活污水正交試驗研究[A].水處理技術(shù).2012,38（12）：42-44

[2]郭勁松，王春燕.人工快滲系統(tǒng)在三峽庫區(qū)處理生活污水的適應(yīng)性研究[J].環(huán)境科學(xué).2006,27（11）：2327-2332

[3]劉傳，田媛.人工快滲系統(tǒng)處理生活污水的試驗研究[A].環(huán)境科學(xué)與技術(shù).2009,32（1）：134-137

[4]劉欣慶，田媛，劉效蘭.人工快滲系統(tǒng)處理生活污水的模擬試驗研究[A].北京工商大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2009,27（1）：1-5

[5]盛國榮.人工快滲工藝設(shè)計的若干問題探討[J].中國給水排水.2012,28（2）：10-13

[6]陳永杏，董紅敏等.人工快速滲濾法處理小城鎮(zhèn)污水的模擬試驗研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報.2011,20（2）：327-331

[7]吳濟華，文筑秀.關(guān)于人工快速滲濾污水處理技術(shù)適用性的評述[J].西南給排水.2012,34（5）：1-4

[8]薛強，張國臣.人工快滲的強化預(yù)處理研究[J].環(huán)境工程.2008，19（S1）：33-35

[9]朱文濤，司馬小峰.新型人工快速滲濾系統(tǒng)處理村鎮(zhèn)污水工藝參數(shù)優(yōu)化[J].環(huán)境工程學(xué)報.2012,13（5）：57-61

[10]張子元，黃權(quán)中，鄭艷俠.人工快速滲濾系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].南水北調(diào)與水利科技.2011,9（4）：81-86