針對人工快滲系統處理生活污水正交試驗研究

趙 鵬

(中煤科工集團重慶設計研究院重慶 400016)

針對人工快滲系統處理生活污水正交試驗研究

趙 鵬

(中煤科工集團重慶設計研究院重慶 400016)

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

人工快滲系統；生活污水；正交試驗；極差分析

人工快滲系統是一種新型的污水處理技術，是以之前的土地快速滲濾系統為基礎研發而成，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，取代了天然土層的作用，將系統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，對人工快滲系統在運行過程中的參數進行確定。

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內的污水管道，污水中包含餐飲及洗滌廢水，無工業廢水。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，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，所以制備了多節高度不同的PVC柱，其柱高設置的范圍是0.3m到0.7m，每個柱高間隔0.1m，總共設置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，經由水泵將預處理污水送到水箱中，污水再從流量計流至水龍頭，最后經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構造而成。污水從各層填料間流經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。相關研究和試驗已經證明，在系統中石灰石本身的物理化學性質是去除磷的主要依據，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上建立正交試驗L。在試驗中，需要對化學需氧量、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 正交試驗結果與探討

2.1 正交試驗的結果

根據設計中的參數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，測得的結果如表2所示。

2.2 對試驗結果進行極差分析

對于試驗的結果可以采用極差分析的方法進行分析，判定試驗因素對結果的影響。對各因素的極差進行計算，并將極差的大小作為因素對結果的影響程度，將每一個因素在相同水平上的試驗結果求和，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在對生活污水進行處理時的工藝參數進行推斷。相關數據見表3。通過表3可以看出，在系統的淹水時間、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，對污水中相關物質去除率產生的影響按主次排序為：

表2：L正交試驗的相關結果

表3：對L正交試驗進行極差分析的結果

（1）在人工快滲系統對生活污水進行處理時，對COD的去除效果產生影響的因素為：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。之所以會產生這樣的結果，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，使之通透性恢復較好，為下一階段人工快滲系統的進水制造了優良條件。故而，濕干比值較小更利于去除COD。

（2）在去除氮氨時，根據氮氨的去除率可知四個因素的影響大小，依序為：系統的淹水時間、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。一旦污水進入系統中，在硝化細菌的作用中，氮氨可以更輕易的進行硝化反應，將之轉化成NO3-N。生活污水進行硝化反應以后，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，產生了厭氧的環境，這時反硝化細菌進行作用，在生活污水中發生反硝化的相關反應，促使NO3-N轉化成氮氣，從污水中溢出而使污水中原本的氮氨被清理出去。在人工快滲系統中，系統的濕干比值和淹水的時間是決定系統中填料層空氣含量的決定因素，對填料層中厭氧環境和有氧環境的制造有極其重要的作用，所以濕干比值與系統的淹水時間對人工快滲系統去除氮氨能力來說是至關重要的影響因素。

（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、系統中的淹水時間和水力負荷。產生這樣的影響順序的原因是由于人工快滲系統的填料層中，反硝化的相關反應進行的不徹底，使NO3-N不能完全轉換成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無法有效的去除TN的重要原因。同時，由于該系統中的組合填料系統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 試驗結論

通過利用該人工快滲系統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構造而成的填料人工快滲系統在去除化學需氧量、氮氨和TN時最適宜的運行水平，同時，還獲得了相關結論：

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

（2）影響系統中去除氮氨的最重要因素是系統的淹水時間，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，而系統的淹水時間及濕干比值是系統中厭氧環境和有氧環境的重要決定因素，從而決定著系統進行硝化反應和進行反硝化的反應時間。

（3）在系統去除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，導致無法將氮氨完全轉換成氮氣排出，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范圍內水力負荷本身的變化不能有效的沖擊系統去除能力，從側面也反應了這一組合填料系統的抗負荷耐沖擊能力比較強。

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