毛管滲濾處理農村生活污水的研究

摘要：本文介紹了適合處理農村生活污水的處理技術之一毛管滲濾系統，以作者自制的模擬工藝說明了其特點和技術原理，根據實驗結果，分析出毛管滲濾系統對農村生活污水中各種污染物（COD、NH3-N、TN、TP）的去除效果及改變水力負荷對污染物去除效果的影響。

關鍵詞：毛管滲濾 水力負荷 去除率

中圖分類號：Ｘ５０６ 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)12(a)-0000-00

1 研究意義

我國農村地區隨著國民經濟的發達也逐漸富裕起來，農村地區用水量也越來越大，隨之生活污水的排放也大大增加。這類生活污水由于含氮磷較高，再加上污水處理的滯后，這些生活污水沒有經過處理最終進入到湖泊等受納水體，導致河流和湖泊的富營養化。在近幾年，水體的富營養化越來越嚴重，給很多城市造成了很大的影響。因此，為了有效控制面源的污染，遏制水體富營養化趨勢，對農村生活污水的處理已刻不容緩。

2 毛管滲濾的特點

毛管滲濾系統是一種較簡單的土地污水處理系統，操作方便，能耗低，投資又少，而且凈化效果較好。系統不僅可以高效的去除有機污染物，同時也能有效的去除氮和磷，對較好的保護水源有重大的意義。這種處理系統特別適用于處理未與城市排水系統接通的分散建筑物排出的小流量污水。

3 實驗裝置及方法

根據毛管滲濾的工藝，在實驗室搭建了一套小型的模擬裝置，前后運行了大概七個月的時間，由于就近沒有農村生活污水供原水之用，所以只能采用人工配水的方式模擬農村生活污水，參考各地農村生活污水指標，水質指標初步定為：COD：150mg/L；NH3-N：30mg/L；TN：40mg/L；TP：8mg/L。通過監測出水的COD、 NH3-N 、TN 、TP得出四種指標的去除效果，結合四種指標的去除機理分析改變水力負荷，系統對其去除效果的影響。

工藝特點：水箱中的污水經過水泵的提升被輸送至滲濾系統，滲濾系統中布有多條滲濾溝，污水經布水管分配到這些滲濾溝中，通過卵石層的再分布，在土壤毛細作用下上升，一部分進入人工土，進入好氧階段，一部分進入到基質層，進入厭氧階段，最后都通過集水管的收集排出系統之外。

人工土采用耕層壤質土和草炭為原料拌和而成，這類土壤中存在著種類繁多，數量龐大的各種菌群、藻類和原生動物等。人工土的厚度為25cm左右。基質層分為4層，使用廢棄的活性炭（粒徑為0.5-1.2mm）、粗砂、細沙、三七灰土組成。

由于此裝置中土壤都是人工配制而成，有機質含量豐富，基層質中還含有吸附性較好的活性炭，因此土壤的結構發達，滲透速率高，吸附作用強，通透性也較好。同時，污水給土壤提供豐富的營養和能源物質，這樣土壤就具有較高的生物活性。污水投配到滲濾系統后，沿著土壤上升，通過土壤的截留和吸附、微生物分解利用以及植物的根系吸收等一系列作用，污水中的有機物就得到了降解。去除有機污染物的關鍵過程就是：截留和吸附在土壤中的有機污染物在微生物的作用下，經過生化反應被轉化成無機物。

地表的人工草坪對有機物的吸收也是污水凈化的重要途徑。污水中的氮、磷等有機物也是植物生長所需要的營養，通過植物的根系有機物被吸收，除草時被移出系統這樣就達到了去除的目的。

4 實驗結果與分析

（一）毛管滲濾系統對COD的去除率及機理分析：

水力負荷的變化和COD去除率的變化，如下表：

由表看出，水力負荷為0.03 m3/m2#8226;d時，去除率已經達到98.59%，但增加到0.078 m3/m2#8226;d時，去除率只有67.93%，去除率隨著水力負荷的增加而減小。

COD的去除機理：生活污水中的COD主要分為兩種，可溶水的物質和不溶于水的物質。可溶于水的物質可以在好氧菌和厭氧菌的作用下分別產生氣體逸出，好氧過程降解產生CO2逸出系統，厭氧過程可以生成CH4、CO2逸出，在兩個過程中生成的一些中間產物例如小分子酸、醇、單糖等都可以被其它生物反應帶出系統。而不溶于水的COD以SS的形式存在，去除過程就相對簡單了。

分析：由機理可知，毛管滲濾系統中COD去除可以在系統表面和靠近表面的淺層填料中發生，由于這一區域供氧較充分，生長著大量的菌群和原生動物，構成了復雜的生物鏈，大大提高了污水中有機物的去除。

（二）毛管滲濾系統對NH3-N的去除率及機理分析：

水力負荷的變化和NH3-N去除率的變化，如下表：

由表很容易看出，NH3-N的去除率沒有COD好，水力負荷增加以后，去除率由86.29%減少到46.17%，去除效果比較差。

NH3-N去除機理：生活污水中的氮大部分以氨氮和有機氮的形式存在[1][A.Tank B.Comakoglu.Nutrient removal from domestic wastewater by rapid infiltration system.Journalof Arid Environments(1996)34:379~390.]，其余的還以硝態氮和亞硝態氮的形式存在，在土地滲濾系統中也有可能以NH3、NO、NO2等氣體形式存在 [2][Marcia.B，Degen.R.B，Reneau.Jr.Denitrification in Onsite Wastewater Treatment and Disposal Systems.Virginia Water Resources Research Center.][3][Desiree A.Rammon J.Jeffrey Peirce.Biogenic nitric oxide from wastewater land application.AtmosphereEnvironment.1999，33:2115~2121.]。土地滲濾系統可以通過土壤的吸附、過濾、沉淀、離子交換、微生物的硝化和反硝化作用對氮進行去除 [4][劉超翔，董春宏，李峰民等.潛流式人工濕地污水處理系統硝化能力研究.環境科學.2003，24(1)：80～83.

姜翠玲， 夏自強， 劉凌， 等. 污水灌溉土壤及地下水三氮的變化動態分析. 水科學進展.1997，8(2):183～188.

祝萬鵬，楊津湘，楊志華.氨氮在飽和水粉砂土和亞砂土層中吸附過程及其模擬. 環境科學.1996，17(2):9～12.

黃紹敏，皇甫湘榮，寶德俊，等.土壤中硝態氮含量的影響因素研究. 農業環境保護.2001，20(5):351～354.

張軍， 周琪， 何蓉. 表面流人工濕地中氮磷的去除機理. 生態環境.2004，13(1):98～101.

吳瑩， 張經， 李道季. 營養鹽氮磷在濕地中的遷移與循環.海洋科學.2004，28(2):69~72.]。土地滲濾系統處理生活污水中的氨氮，可以有以下幾種轉化途徑：①揮發；②吸附；③硝化；④植物的吸收作用。對于毛管滲濾系統，一般除氮效果比較有限。

分析：在此過程中，增加水力負荷，NH3-N的處理效果明顯下降。一方面，水力負荷的增加就意味著有機負荷也增加了，根據機理分析，系統去除效果本來就有限，現在更是雪上加霜。另一方面，增加水力負荷也會影響到填料的含水率，從而影響到填料中的好氧條件以及系統的大氣復氧速率。就實驗結果看，去除率只有一半。

（三）毛管滲濾系統對 TN的去除率及機理分析：

水力負荷的變化和TN去除率的變化，如下表：

表3水力負荷變化時TN的平均去除率

項目1234

水力負荷（m3/m2#8226;d）0.030.050.0750.078

總氮平均去除率53.38%63.05%57.66%52.10%

由表說明，水力負荷變化時，TN的去除率變化不大，在0.05 m3/m2#8226;d 和0.075 m3/m2#8226;d的負荷值下，去除率稍有了增長。

TN去除機理：由NH3-N的去除機理可以看出，污水中的氮以有機氮和氨(或銨離子)的形式存在，而且根據上面的NH3-N去除效果看，它是地下滲濾系統中較難去除的物質，其去除率因污水水質、外在條件和操作條件的不同在10%~90%的范圍內變化[5][Mikael Pell， Fred Nyberg. Infiltration of wastewater in a newly started pilot sand-filter system:Ⅰ.Reduction of organic matter and phosphorus. J. Environ. Qual.，1989，8:451~475.]。氮在土壤中的遷移轉化大概經歷以下的過程：有機氮轉變成為氨態氮，氨態氮被土壤層截留、吸附，土壤吸附的氨態氮通過硝化作用轉化為硝態氮，硝態氮在反硝化作用下以N2或N2O的形式逸出。事實提高植物吸收去除氮的能力的上升空間不大，而設法為系統提供良好的硝化、反硝化條件才是去除氮最好的根本出路。

分析：結果表明，該系統對污水中總氮的去除效果并不顯著，當水力負荷增加時，系統脫氮效果比較有限，其重要原因之一是碳源不足。

（四）毛管滲濾系統對 TP的去除率及機理分析：

水力負荷的變化和TP去除率的變化，如下表：

由表看出，水力負荷在0.03 m3/m2#8226;d時，TP的處理效果是最好的，隨著水力負荷的增加，去除率明顯降低。

TP的去除機理：土壤中存在的總磷包括可溶性磷酸鹽、不溶性磷酸鹽、可溶性有機磷、不溶性有機磷，在土地滲濾系統中，對于可溶性磷酸鹽，主要是通過土壤層對其沉淀、吸附而得以去除，此外還可以通過植物和微生物的同化被去除；而可溶性有機磷，是先被轉化成磷酸鹽，然后再進行上述可溶性磷酸鹽的去除，也有一部分可能直接被生物同化；對于不溶性有機磷，通過土壤的截留、吸附，轉化成可溶性磷酸鹽或者可溶性有機磷從而去除掉；對于不溶性磷酸鹽，通過土壤的截留可以去除，被吸附沉淀的磷會有部分被釋放到水中[6-7][王亞男， 王紅旗，舒艷. 含磷污水淋濾條件下土壤中磷遷移轉化模擬實驗.環境科學學報.2001，21(6):737~741.

梁威. 人工濕地對污水中氮磷的去除機制研究進展. 環境科學態.2000，3:32~37.

張建， 黃霞， 魏杰，等. 地下滲濾污水處理系統的氮磷去除機理. 中國環境科學.2002，22(5):438~441.]。污水進入地下滲濾系統后有90%的總磷短時間內立即被土壤吸附，而后被吸附的磷通過與Ca2+、Fe3+和Al3+的反應被轉化成不可溶解的形式。

分析：通過機理可以看出，土地滲濾系統中磷的去除主要是借助內部填料的物理和化學的吸附，生物作用并不起太大的作用。因此毛管滲濾系統中磷的去除效果最主要是取決于填料對磷的吸附性。

5 結論和建議

本文主要研究了毛管滲濾系統對農村生活污水中各種污染物（COD、NH3-N、TN、TP）的去除效果及改變水力負荷對污染物去除效果的影響，實驗結果表明，水力負荷為0.03 m3/m2#8226;d時，系統對COD、氨氮、總磷處理效果是最好的，水力負荷的改變將明顯降低毛管滲濾系統對污染物的去除率。同時毛管滲濾系統使用的填料對于處理效果起著相當關鍵的作用。當水力負荷加大時，為了提高系統對污染物的去除率，除了改善內部填料還可以強化布水措施。為了進一步提高總氮的去除率，需改善條件以促進反硝化作用。

參考文獻

[1] A.Tank B.Comakoglu.Nutrient removal from domestic wastewater by rapid infiltration system.Journalof Arid Environments(1996)34:379~390.

[2] Marcia.B，Degen.R.B，Reneau.Jr.Denitrification in Onsite Wastewater Treatment and Disposal Systems.Virginia Water Resources Research Center.

[3] Desiree A.Rammon J.Jeffrey Peirce.Biogenic nitric oxide from wastewater land application.AtmosphereEnvironment.1999，33:2115~2121.

[4] 劉超翔，董春宏，李峰民等.潛流式人工濕地污水處理系統硝化能力研究[N].環境科學.2003，24(1)：80～83.

[5] Mikael Pell， Fred Nyberg. Infiltration of wastewater in a newly started pilot sand-filter system:Ⅰ.Reduction of organic matter and phosphorus. J. Environ. Qual.，1989，8:451~475.

[6] 王亞男， 王紅旗，舒艷. 含磷污水淋濾條件下土壤中磷遷移轉化模擬實驗.環境科學學報.2001，21(6):737~741.

[7] 梁威. 人工濕地對污水中氮磷的去除機制研究進展. 環境科學態.2000，3:32~37.