劉惠軍　劉新程　曲威

摘要：采用海砂、校園土混合作為快濾介質(zhì)構(gòu)建人工土快濾系統(tǒng)用以處理生活污水，考察快濾系統(tǒng)對(duì)污染物特別是氮素的去除效果，并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)快濾池結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效率。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的有機(jī)物、氨氮處理效果，去除率分別達(dá)到78%、92%，但總氮去除效率不理想，僅有33.4%；有機(jī)物和氨氮的去除主要發(fā)生在系統(tǒng)上部40 cm土層中，總氮的去除和反硝化作用主要發(fā)生在系統(tǒng)下部60 cm土層中；土層下部設(shè)置長(zhǎng)度為30 cm的飽水帶人為增加了缺氧段長(zhǎng)度，促進(jìn)反硝化菌生長(zhǎng)，使系統(tǒng)TN去除效率提高到64.8%。

關(guān)鍵詞：人工土快濾；砂土混合物；飽水帶；總氮；去除率

中圖分類號(hào)：X799.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2016）08-0098-04

AbstractA constructed rapid infiltration （CRI） was developed to treat municipal wastewater with the mixture of sea sand and campus soil. The tests were conducted to investigate its pollutants removal effects， especially nitrogen. The reactor structure was also optimized to enhance the total nitrogen removal. The results showed that CRI exhibited better removal effects on organic compound and ammonia nitrogen with the removal efficiency as 78% and 92% respectively； but the total nitrogen removal efficiency was only 33.4%； the COD and NH+4-N removal were mainly focused on the upper 40-cm layer， whereas the total nitrogen removal and denitrification occured on the lower 60-cm layer of infiltration medium. Furthermore， the saturated zone with 30 cm in length was set up to artificially increase the anoxic zone and enhance the activity of denitrifying bacteria， which could made the removal efficiency of total nitrogen reach 64.8%.

KeywordsConstructed rapid infiltration； Mixture of sand and soil； Saturated zone； Total nitrogen； Removal efficiency

人工土快濾系統(tǒng)（constructed rapid infiltration，CRI）是在傳統(tǒng)的污水土地處理技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種污水處理系統(tǒng)，采用滲透性能較好的材料作為滲濾介質(zhì)，具有水力負(fù)荷較高、投資少、操作管理較方便、能耗較低的特點(diǎn)[1-3]。盡管普通的CRI系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物、氨氮等去除效果較好，但受淹水期時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)的影響，反硝化作用并不顯著，對(duì)硝態(tài)氮、總氮去除效果不理想[4，5]，難以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

本試驗(yàn)將海砂、校園土等介質(zhì)混合作為快濾介質(zhì)構(gòu)建人工土快濾系統(tǒng)，用以處理校園生活污水。在保證CRI系統(tǒng)有效去除有機(jī)物和氨氮效果的基礎(chǔ)上，分析氮素的轉(zhuǎn)化規(guī)律，改造池體，調(diào)整運(yùn)行方式，以期提高系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效率，為CRI技術(shù)的推廣、工程設(shè)計(jì)、實(shí)際應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置流程

試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中人工土床為有機(jī)玻璃圓柱，內(nèi)徑10 cm。玻璃柱上部裝填高度為100 cm砂土混合物，底部裝填10 cm厚的卵石層。高位水箱中原水因重力作用進(jìn)入平衡水箱，平衡水箱利用浮球閥控制快濾系統(tǒng)水位，試驗(yàn)過(guò)程中保持土層上方淹水高度為5 cm，進(jìn)水管道上加裝電磁閥以控制淹水時(shí)間。反應(yīng)器底部計(jì)量泵抽吸出水，出水流速為0.65 L/h，從而確保整個(gè)裝置淹水期水力負(fù)荷為8.25 cm/h。系統(tǒng)運(yùn)行淹沒(méi)時(shí)間、落干時(shí)間分別為8、24 h，即濕干時(shí)間比為1∶3，水力負(fù)荷相應(yīng)為0.5 m/d。電磁閥、計(jì)量泵由2個(gè)時(shí)間繼電器分別控制，使該人工土快濾系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)水—落干交替循環(huán)的工作方式。

快濾系統(tǒng)進(jìn)出水總氮、出水硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮濃度變化情況如圖3所示。人工土床進(jìn)水TN（即氨氮，因氯化銨為進(jìn)水中唯一氮源）平均濃度為39.5 mg/L，出水NO-2-N、NO-3-N和TN平均濃度分別為0.6、16.3 mg/L和26.3 mg/L，系統(tǒng)所去除的氨氮有46%以上經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，總氮去除率為33.4%。與相同運(yùn)行條件的處理層高度為40 cm的快濾系統(tǒng)效果相比[6]，系統(tǒng)出水TN濃度有一定的下降，處理效果有所增強(qiáng)，這主要是因?yàn)闉V床高度的增加提高了系統(tǒng)微生物數(shù)量、對(duì)污染物的吸附能力和污水水力停留時(shí)間，但出水TN濃度并不符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求[9]?？鞛V系統(tǒng)采用短周期干濕交替運(yùn)行方式，良好的復(fù)氧條件使得硝化作用較為徹底，氨氮去除效率高，但同時(shí)減少了反硝化菌的生存空間，使淹水期反硝化作用和總氮去除效率不理想。分析認(rèn)為：如果進(jìn)一步提高濾床高度，TN去除效果應(yīng)該會(huì)有所提高，但是土層厚度的增加會(huì)影響快濾系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本。此外，高土床系統(tǒng)容易發(fā)生堵塞，對(duì)落干期土層的復(fù)氧和維持一定的水力負(fù)荷都有不利影響。因此，增加土層厚度并不是一個(gè)非常理想的方法，應(yīng)該從其他方面改善運(yùn)行條件來(lái)提高處理效果。

2.2快濾系統(tǒng)不同深度水質(zhì)情況

為了考察污水流經(jīng)土層不同高度對(duì)污染物的去除情況并分析其在快濾系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化規(guī)律，進(jìn)而改進(jìn)運(yùn)行條件來(lái)提高TN去除效率，試驗(yàn)測(cè)定了系統(tǒng)不同高度水質(zhì)情況。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行18 d后，在快濾系統(tǒng)處理層不同深度4個(gè)取水口處每周取水1次，分析COD、NH+4-N、NO-3-N、TN的濃度，同一取水口污染物濃度取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)并未測(cè)出水NO-2-N濃度，因其濃度較低，對(duì)TN影響不大。

可以看出，COD與氨氮轉(zhuǎn)化規(guī)律類似，濃度隨著土層厚度的增加而減小。進(jìn)水COD、氨氮濃度分別為256.0、42.0 mg/L，在40 cm處測(cè)得分別降到59.0、4.8 mg/L，濃度基本達(dá)標(biāo)，去除率分別達(dá)到77%、88%，去除率占裝置總?cè)コ实?8%和92%。裝置底部60 cm土層對(duì)COD、氨氮的去除并不明顯，去除效率僅占總?cè)コ实?%和8%。因此，COD和氨氮的去除主要發(fā)生在上部40 cm人工土層中，底部土層對(duì)上述污染物的去除幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。分析其原因可能為落干期上部土層首先接觸到空氣，下部達(dá)到通透和復(fù)氧有一定的延時(shí)和衰減，致使上層獲得的氧氣量和附著的好氧微生物均比下層要多，在上部土層中有機(jī)物氧化分解和硝化作用進(jìn)行的較為徹底。如果僅僅從COD、氨氮處理角度出發(fā)，本系統(tǒng)采用40 cm后的人工砂土混合物就可以滿足對(duì)廢水的處理要求。

NO-3-N濃度隨土層厚度的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在上層40 cm土柱中，NO-3-N濃度上升到24.5 mg/L，反硝化作用較弱。其下層60 cm土柱中，NO-3-N濃度持續(xù)降低，100 cm處NO-3-N濃度為15.7 mg/L。受NO-3-N濃度降低的影響，TN在系統(tǒng)下層去除效率要高于上層，從40 cm處的38.8 mg/L下降到100 cm處的26.8 mg/L，該部分去除率為31%，占系統(tǒng)總?cè)コ实?5%。這主要是由于隨著土層深度的增加氧氣濃度逐漸衰減，附著的厭氧微生物數(shù)量要比上層多，反硝化菌活性增強(qiáng)，部分硝態(tài)氮通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛蝗コ５麄€(gè)淹水期系統(tǒng)內(nèi)部反硝化作用并不顯著，NO-3-N、TN出水濃度不符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。分析其原因，與一個(gè)周期落干時(shí)間為24 h相比，快濾系統(tǒng)運(yùn)行淹沒(méi)時(shí)間僅為8 h，土層內(nèi)部缺氧環(huán)境存在時(shí)間較短，而反硝化作用主要依靠淹水期形成的缺氧或者厭氧環(huán)境來(lái)完成，因此反硝化作用和硝態(tài)氮去除并不充分?；谝陨辖Y(jié)果，考慮在土床最下面30 cm設(shè)立專門的飽水帶，人為地制造一個(gè)缺氧環(huán)境，提高下層反硝化菌的數(shù)量和活性，目的是在保證COD和氨氮去除效率的同時(shí)，提高TN的去除效果[5]。

2.3人工土床設(shè)立飽水帶對(duì)污水處理效果

人工土快濾系統(tǒng)采用進(jìn)水—落干交替循環(huán)的工作方式，受時(shí)間繼電器控制，計(jì)量泵在抽吸出水后期提前結(jié)束工作，使土層下部殘留30 cm水柱，形成飽水帶，試驗(yàn)測(cè)定進(jìn)出水總氮、硝態(tài)氮濃度變化情況如圖5所示。盡管落干期人工土床復(fù)氧深度減小，系統(tǒng)硝化作用依然出色，出水氨氮濃度依然保持在2 mg/L以下，去除效率高。出水NO-3-N、TN平均濃度分別為9.5、14.2 mg/L，與未設(shè)立飽水帶相比，濃度分別下降了4.8、12.1 mg/L。TN濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)A標(biāo)準(zhǔn)要求，去除率從33.4% 提高到64.8%，增加了31.4個(gè)百分點(diǎn)。可以看出，在CRI系統(tǒng)落干期設(shè)置飽水帶可以人為地增加缺氧段，增強(qiáng)反硝化菌活性，促進(jìn)反硝化作用，從而提高系統(tǒng)對(duì)TN的處理效果。

3結(jié)論

3.1CRI系統(tǒng)具有良好的有機(jī)物、氨氮處理效果。在人工土層深度100 cm，砂土比1.5∶1，淹水時(shí)間分別為8、24 h，水力負(fù)荷0.5 m/d的條件下，出水COD、氨氮平均濃度為56.0、2.9 mg/L，二者去除率分別達(dá)到78%、92%。但出水中硝態(tài)氮含量較高，總氮去除效果并不理想。

3.2CRI系統(tǒng)上、下部在污染物去除過(guò)程中承擔(dān)的任務(wù)不同。COD的去除和硝化作用主要發(fā)生在系統(tǒng)上部40 cm土層中，NO-3-N、TN的去除和反硝化作用主要發(fā)生在系統(tǒng)下部60 cm土層中。

3.3土層下部飽水帶的設(shè)立可以人為增加缺氧段的長(zhǎng)度，使系統(tǒng)TN去除效率提高了31.4個(gè)百分點(diǎn)，促進(jìn)反硝化菌生長(zhǎng)，提高系統(tǒng)對(duì)TN的處理效果。

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