水力負荷對地下土壤滲濾裝置去除污水氮磷的影響

(1.玉溪師范學院 玉溪高原湖泊生態環境研究中心，云南 玉溪 653100；2.中國環境科學研究院 北京 100012)

地下滲濾處理技術的研究開始于20世紀60年代的日本，到了20世紀80年代，日本已經開始利用土壤、植物、微生物的整體生態系統開發出了地下土壤毛管滲濾溝工藝，該工藝對污水處理可以達到三級深度處理[1].相對而言，我國對地下滲濾系統用于污水處理的研究開展得較晚，但在20世紀90年代初，該方面的研究受到多方關注，并有部分研究機構開展了深入研究[2].

本文中，筆者通過建立室內土壤滲濾裝置來模擬地下土壤滲濾去除污水中的氮磷，并研究其在不同水力負荷下對氮磷的去除效果，旨在為地下土壤滲濾工藝的運行提供相關數據支撐.

1 材料與方法

1.1 室內地下土壤滲濾模擬裝置的設計

附圖 地下土壤滲濾模擬實驗裝置示意圖

1.2 室內模擬地下土壤滲濾裝置滲透速率的測定方法

實驗裝置出水管設計成可調節高度，以便于后續實驗的使用.實驗裝置啟動前,分別測定每套裝置的滲透速率，測定用水為常用的自來水.4套實驗裝置的編號分別為C1、C2、C3、C4,其進水水力負荷分別為3 cm/d、6 cm/d、9 cm/d、10 cm/d.此外,啟動前需采用變水頭法測定每套裝置的飽和滲透速率.本實驗中,測定土柱滲透速率的模擬裝置的橫截面為正方形，邊長為20cm，用字母l表示，土柱供水管采用50 mm PVC管，半徑用r表示.

在測定過程中，進水端加入定量的水，使得加到模擬裝置上面的水頭壓力是隨時變化的.在測定中,只測定模擬裝置水頭(H)隨時間(t)變化的一系列數據.由達西公式計算進水處流量隨時間的變化，同時參照質量守恒定律進行計算[5].其水流流量Q的計算公式如下：

(1)

通過(2)式計算出水流通量T(單位面積上通過的水流流量)，模擬裝置水流通量T的計算見下式：

(2)

通過整理公式(2)，在其左右兩邊分別對時間t1、t2以及對應的水頭H1、H2進行積分計算，可得出下面公式：

(3)

通過已知的土柱長度L，正方形截面邊長l和進水管半徑r，分別測定兩組時間和水頭的變化數據，根據公式(3)可計算出每套設備的滲透速率.根據4套裝置的實驗結果，C1、C2、C3、C4的滲透速率分別為：96.8 cm/d、100.4 cm/d、94.36 cm/d、95.42 cm/d,由此得該套系統平均滲透速率為96.75 cm/d.

1.3 水質分析方法

實驗裝置進出水中總磷、總氮、氨氮的分析方法分別采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法、過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、納氏試劑分光光度法[6].

2 不同水力負荷下地下土壤滲濾裝置處理污水氮磷效果分析

2.1 氮去除效果分析

表1顯示，各反應器TN進水濃度在41.4 mg/L～45.8 mg/L之間，進水TN濃度平均值為43.85 mg/L.C1反應器TN出水濃度在6.48 mg/L～9.4 mg/L之間，出水TN濃度平均值為8.4 mg/L；C1反應器對TN的去除率在79.39%～84.35%之間，其平均去除率為80.9%.C2反應器TN出水濃度在9 mg/L～11.36 mg/L之間，出水TN濃度平均值為10.15 mg/L；C2反應器對TN的去除率在73.89%～78.86%之間，其平均去除率為76.86%.C3反應器TN出水濃度在9.36 mg/L～11.12 mg/L之間，出水TN濃度平均值為10.18 mg/L；C3反應器對TN的去除率在75.96%～79.48%之間，其平均去除率為76.78%.C4反應器TN出水濃度為12.28 mg/L～13.86 mg/L，出水TN濃度平均值為12.99 mg/L；C4反應器對TN的去除率在67.81%～72.49%之間，其平均去除率為70.35%.4個反應器出水TN濃度均低于15 mg/L，優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標，出水水質良好.4個反應器對TN的平均去除率大小順序為C1>C2>C3>C4，且C1、C2、C3反應器對TN的去除率相近，C4反應器對TN的去除率相對較低.

地下土壤系統為反硝化提供了很好的厭氧條件，因此4個反應器對TN的處理效果較好，也表現出地下土壤滲濾系統對N去除的優勢所在.

表1 各反應器運行后進出TN濃度(單位：mg/L)

表2顯示，各反應器氨氮進水濃度在33.3 mg/L～37.5 mg/L之間，進水氨氮濃度平均值為35.75 mg/L.4個反應器中C1、C2、C3出水氨氮濃度均低于8 mg/L，優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級B標，出水水質良好，C4反應器出水氨氮平均濃度達到0.49 mg/L，表明水力負荷達到12cm/d時，反應器對氨氮的處理效果大大降低.4個反應器對氨氮的平均去除率分別為83.59%、78.62%、78.51%和70.62%，其大小順序為C1>C2>C3>C4，且C1、C2、C3反應器對氨氮的去除率相近，C4反應器對氨氮的去除率相對較低.

表2 各反應器運行后進出水濃度(單位：mg/L)

2.2 磷去除效果分析

表3顯示，各反應器TP進水濃度在7.3 mg/L～7.8 mg/L之間，進水TP濃度平均值為7.52 mg/L.C1反應器TP出水濃度在0.25 mg/L～0.31 mg/L之間，出水TP濃度平均值為0.27 mg/L；C1反應器對TP的去除率在95.87%～96.67%之間，其平均去除率為96.38%.C2反應器TP出水濃度在0.27 mg/L～0.31 mg/L之間，出水TP濃度平均值為0.29 mg/L；C2反應器對TP的去除率在95.89%～96.54%之間，其平均去除率為96.16%.C3反應器TP出水濃度在0.26 mg/L～0.32 mg/L之間，出水TP濃度平均值為0.29 mg/L；C3反應器對TP的去除率在95.79%～96.53%之間，其平均去除率為96.21%.C4反應器TP出水濃度在0.32 mg/L～0.37 mg/L之間，出水TP濃度平均值為0.35 mg/L；C4反應器對TP的去除率在94.93%～95.73%之間，其平均去除率為95.41%.4個反應器出水TP濃度均低于0.5 mg/L，優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標，出水水質良好.4個反應器對氨氮的平均去除率分別為96.38%、96.16%、96.21%和95.41%，其大小順序為C1>C3>C2>C4，且C1、C2、C3反應器對TP的去除率相近，C4反應器對TP的去除率相對較低.

表3 各反應器運行后進出水TP濃度(單位：mg/L)

一般認為，地下土壤系統通過化學吸附、物理吸附、沉淀以及微生物的共同作用來達到去除磷的目的.本研究中的反應器使用了水洗鐵礦渣、陶粒、云南紅壤等填料，對磷的吸附效果顯著.

3 結 論

(1)本研究中，筆者通過建立室內土壤滲濾裝置來模擬地下土壤滲濾去除污水中的氮磷，并研究不同水力負荷下其對氮磷的去除效果.本研究所用土壤滲濾模擬裝置的土柱高度為1.2 m，其中土柱中設置五層填充，由上而下分別為種植層(20 cm)、布水層(20 cm)、強化處理層(20 cm)、生態填料層(40 cm)、集水層(20 cm).通過實驗結果和相關公式進行計算，得出4套反應器的平均滲透速率為96.75 cm/d.

(2)實驗表明,本研究所用的4套反應裝置在其水力負荷分別為3 cm/d、6 cm/d、9 cm/d、12 cm/d時，系統出水TN、TP均優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標；當反應器水力負荷超過9 cm/d時，裝置出水氨氮處理效果將下降，但也達到或接近《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級B標準.因此，在本研究條件下,地下土壤滲濾系統的水力負荷應以≤9 cm/d為宜.

[1]張永鋒，賈中華.西安地區地下滲濾系統處理生活污水的試驗研究[J].西安理工大學學報，2007，23(2)：11-13.

[2]李海波,李英華,孫鐵珩,等.改良地下滲濾系統處理生活污水的研究[J]．中國給水排水,2009,25(13):45-51.

[3]張建,黃霞,魏杰,等．地下滲濾污水處理系統的氮磷去除機理[J]．中國環境科學,2002,22(05):438-441.

[4]唐受印，戴友芝.水處理工程師手冊[M].北京：化學工業出版社，2000.

[5]任姍姍，尚岳全，何婷婷，等.邊坡虹吸排水數值模擬方法及應用[J].巖石力學與工程學報.2013，32(10):2022-2027.

[6]國家環保局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法:第4版[M].北京：中國環境科學出版社，2002.