活性炭和土壤組合滲濾系統處理污水效果的研究

李云鵬，王凱旋，陳 志，王華敬

（山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271000）

近年來，隨著我國經濟的高速發展、人民生活水平的日益提高，在原始資源型缺水問題日益突出的同時，污染型水資源短缺成為更加棘手的問題。目前，上海、重慶、廣州等一大批省市已經面臨嚴重的水質污染型缺水，解決該問題十分迫切。土壤滲濾系統凈化污水具有投資少、能耗低、成本低、凈化效果好的優點，越來越成為國內外污水處理技術的研究熱點[1]。目前，該技術在許多國家得到了應用，并且效果顯著。因此，可以考慮采用土壤滲濾技術解決水質污染型缺水問題，緩解當前我國水資源緊張形勢。土壤滲濾系統又叫土壤含水層處理，是一種污水處理生態功能技術[2]。其利用生態學原理與環境工程技術，將經過前處理的污水投入到具有一定構造、良好擴散性能的土層中，在毛管浸潤和土壤滲濾作用下，利用土壤的物理、化學和生物凈化功能，使生活污水中有機物、氮、磷等物質得以轉化利用，從而實現污水的再生與循環利用，以達到中水回用的目的[3]。

目前對土壤滲濾系統的研究主要集中在改良基質方面，基質是土壤滲濾系統的核心組成單元，性能優良的基質中含有豐富的微生物相，而且能夠供給微生物營養物質并維持適宜的代謝環境[4]。因此，不少學者考察了裝填不同基質的土壤滲濾系統的污水處理效果，并取得了一系列的研究成果。張思等選擇以粉煤灰和腐熟牛糞作為基質配合土壤，改良土壤滲濾基質結構，對總磷（TP）和氨氮（NH3-N）具有較好的去除效果[5]。潘晶等以質量分數5%爐渣和95%草甸棕壤為基質，進行強化脫氮研究，系統對總氮（TN）的去除率提高了9.04%[6]。張建等發現，向土壤中添加10%的草炭作為基質，不僅提高了系統的水力負荷，而且對氨氮（NH3-N）和總氮（TN）的去除率分別提高了12%和11%[7]。Li等考察了65%草甸棕壤+30%煤渣+5%脫水污泥基質系統的污水處理效果，在一定運行情況下系統對氨氮（NH3-N）及總氮（TN）的平均去除率可分別達90%、78.6%[8]。

綜上所述，填充基質對整個滲濾系統起著至關重要的作用，改善了系統污水處理效果。眾多學者考察不同填料的土壤滲濾系統的污水處理效果，但在不同基質配比下污水處理效果上是否存在最佳基質配比的研究鮮有報道。本研究選用比表面積大、吸附能力強、化學性質穩定的活性炭和粉質黏土、標準砂進行基質混配，優化土壤滲濾基質結構。筆者通過室內模擬土壤滲濾系統研究不同質量配比下的組合滲濾系統對污水中總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學需氧量（COD）及pH值的處理效果，同時探究組合土壤滲濾系統在污水處理效果上是否存在最佳基質配比，以期為實際工程應用提供理論依據。

1 試驗

1.1 試驗裝置和材料

1.1.1 試驗裝置

試驗采用自制的簡易模擬土壤滲濾系統裝置。最上方為高度30 cm、內徑為5 cm、壁厚0.5 cm的有機透明塑料管，管外壁標有刻度。塑料管下端嵌套一個底部具有若干出水孔的管狀塑料瓶，瓶內填充粒徑為5～10 mm的礫石4 cm厚以防止出水孔堵塞。同時在有機透明塑料管與礫石接觸的管口處用棉紗網包裹，使其達到漏水不漏基質的目的，工程中可用反濾層代替。塑料瓶與一玻璃漏斗相接起導流作用，裝置最下方是一個1 000 mL的大量筒作為集水器。有機透明塑料管上部留下10 cm作為淹水水頭空間，基質高20 cm。

1.1.2 基質選擇

試驗用土為粉質黏土，液限為32.2%，塑限為19.3%，塑性指數為12.9。土樣經105℃烘干、除雜、碾碎，過2 mm篩后使用，土粒相對密度約為2.72，氮氣吸附測定的比表面積為4.48 m2/g。試驗用標準砂為實驗室普通標準砂，粒徑0.3～0.6 mm，相對密度約為2.65。標準砂經淘洗并晾干后使用。活性炭屬于椰殼顆粒炭，粒徑4～6 mm，比表面積900 m2/g左右，密度為0.55～0.58 g/cm3。

進水選擇：試驗污水取自泰安市第一污水處理廠進水口。其水質指標為：TP平均濃度30.422 mg/L、NH3-N平均濃度8.439 mg/L、COD平均濃度70.1 mg/L、平均pH值7.93。

1.2 試驗方法

利用控制變量法，設計5組不同質量配比的活性炭、土壤、標準砂混合均勻的基質，并依次編號為試驗組1～5。基質組成比例m（活性炭）：m（土）：m（標準砂）分別為0:3:6、0.5:3:6、1:3:6、1.5:3:6、2:3:6，其中活性炭用量依次為28.5 g、53 g、72 g、87 g。由相同的擊實能量控制各組混合基質壓實程度一致，并固定滲徑為20 cm。試驗運行時，由3組平行滲濾裝置同時進行平行試驗，試驗結果取其平均值。進水通過人工加水，使有機透明塑料管上部留下的10 cm淹水水頭空間始終充滿水，直至量筒內收集到500 mL滲濾出水即停止加水，并立即取其測定出水水質指標。

考慮到土壤本身所含有的一些物質在滲濾過程中可能會進入水中，進而影響污水處理效果的判定。試驗中通過未加活性炭的空白對照組在相同控制變量條件下用實驗室純水進行滲濾試驗，以純水經過滲濾后的出水水質指標作為土壤對進水的水質指標產生的附加影響。將此附加影響與進水的污水水質指標相綜合，作為滲濾系統的最終進水指標，如表1所示。水質指標測定方法：測定的水質指標有總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學需氧量（COD）和pH值四項。總磷（TP）含量采用磷釩鉬黃分光光度法測定；氨氮（NH3-N）含量采用奈氏試劑分光光度法測定；化學需氧量（COD）含量采用重鉻酸鉀法測定；pH值采用便攜式電子酸度計測定。

表1 進水指標（考慮土壤影響）

2 結果與討論

2.1 總磷（TP）的滲濾處理效果分析

總磷是反映水體富營養化的指標，在污水中主要以有機態磷和磷酸鹽的形式存在。模擬土壤滲濾系統選擇了比表面積大、吸附能力強、化學性質穩定的活性炭為填充基質，結果表明活性炭的添加有利于總磷的去除。由圖1和圖2可知，5組試驗組別對TP的平均去除率分別為96.09%、96.41%、98.10%、98.22%、85.10%，TP的平均出水質量濃度分別為1.566 mg/L、1.386 mg/L、0.723 mg/L、0.663 mg/L、5.422 mg/L。可見5組滲濾系統對污水中總磷均有較好的去除效果。同時，由TP去除率曲線可以看出，在處理過程中不同組合滲濾系統處理效果存在最佳的基質配比。第3、4組處理的出水TP質量濃度達均到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中的一級A標準，其中第4組處理效果為最佳。

圖1 TP進出水濃度曲線

圖2 TP去除率曲線

土壤滲濾系統對污水中總磷的去除主要依賴于填料（基質）的物理化學吸附作用，磷吸附能力的大小與填料中有機質含量、陽離子種類及其理化性質等有關[9]。活性炭孔隙率高達70%，比表面積大，對磷的吸附性能好。滲濾系統隨著活性炭質量比例的增加，對污水中TP的去除效果先增強后下降。當滲濾系統基質質量比m（土）:m（標準砂）:m（活性炭）達到3:6:2時，混合基質的水滲透性能增強，滲濾出水流速從10-2mL/s數量級變為了10-1mL/s數量級，污水在滲濾系統中停留時間不足，處理不充分，進而使TP出水濃度上升，去除率明顯下降。

2.2 氨氮（NH3-N）的滲濾處理效果分析

水中氨氮（NH3-N）以游離氨（NH3）或銨鹽（NH4+）形式存在水中，來源主要為生活污水中含氮有機物受微生物作用的分解產物，測定水中各種形態的氮化合物，有助于評價水體被污染和自凈狀況。5組滲濾試驗結果表明，除了未加活性炭的試驗組，其他4組處理對污水中氨氮的去除效果均較好。由NH3-N去除率曲線也可以看出，在處理過程中組合滲濾系統存在最佳基質配比，第4組處理效果最好。由圖3和圖4可知，5組試驗組別對NH3-N的平均去除率分別 為23.75%、89.06%、91.05%、92.68%、91.92%，NH3-N的平均出水質量濃度分別為7.300 mg/L、1.029 mg/L、0.836 mg/L、0.677 mg/L、0.739 mg/L。5組處理出水氨氮濃度均達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中的一級B標準，其中第2、3、4和5四組處理均已達到了一級A標準。

圖3 NH3-N進出水濃度曲線

圖4 NH3-N去除率曲線

土壤滲濾系統中主要通過土壤吸附、生物轉化和氨氮揮發等作用去除NH3-N[10]。活性炭的作用在滲濾系統中表現突出，未加活性炭的對照組和加入活性炭的組別處理NH3-N的效果差異顯著，加入活性炭的4組滲濾裝置對NH3-N的平均去除率在90%以上。活性炭表面具備多孔結構，是良好的生物載體材料，非常適合微生物附著，并形成生物膜，微生物可以利用有機碳源轉化NH3-N[11]。同時，活性炭因其具有發達孔隙結構，吸附容量大，對NH3-N也有較好的吸附性能。第5組滲濾系統混合基質中活性炭質量比例的進一步增加，滲濾出水速度加快，污水在滲濾系統中處理不充分，導致NH3-N出水濃度有所上升，去除率下降。

2.3 化學需氧量（COD）的滲濾處理效果分析

化學需氧量（COD）是指在一定的條件下，用強氧化劑處理水時所消耗氧化劑的量，反映了水中受還原性物質污染的程度及有機物的含量，是水質污染度的重要指標。5組滲濾試驗結果表明，活性炭的加入對COD的去除有一定的促進作用。由圖5和圖6可知，5組試驗組別對COD的平均去除率分別為61.94%、69.75%、78.92%、80.14%、83.32%，COD的平均出水質量濃度分別為284.2 mg/L、195.3 mg/L、127.6 mg/L、110.2 mg/L、81.6 mg/L。第4、5組處理出水COD濃度達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中的三級標準，其中第5組達到了二級標準。

圖5 COD進出水濃度曲線

圖6 COD去除率曲線

在土壤滲濾系統中，COD的去除主要靠填充基質的過濾、吸附以及生物氧化作用。有機物進入系統后，首先經基質的過濾、吸附作用被截留下來，然后通過微生物的生物氧化作用被降解，在污水與基質的接觸過程中，污水中的有機污染物被大量的微生物氧化分解而得以去除[12]。同時，活性炭的表面有豐富的官能團，一般可分為含氧官能團和含氮官能團，這些官能團賦予了活性炭獨特的化學性能，能與多種物質進行結合[13]。因此，其具有較強的表面反應性，更容易與極性吸附質形成氫鍵，更有利于COD的吸附。5組滲濾裝置隨著活性炭質量比例的增加，對COD的去除率逐漸增大，COD的平均去除率由61.94%上升到83.32%。

2.4 pH滲濾處理效果分析

pH作為土壤滲濾系統污水處理中監測的常規指標，對系統長期運行效率的評價起著重要作用。通過5組滲濾裝置的處理效果來看，pH均有一定程度的下降，變化范圍均在6～9，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）污水排放標準。由圖7和圖8可知，5組滲濾試驗pH的變化率分別為0.63%、2.52%、3.53%、4.54%、0.88%，平均出水pH值分別為7.88、7.73、7.65、7.57、7.86。由pH值變化率曲線可見，組合滲濾系統在pH去除效果上亦存在最佳基質配比。滲濾系統混合基質中活性炭質量比例的增加，使得對pH的處理效果先增強后降低。處理效果下降的原因是混合基質的水滲透性能增強，滲濾出水速度過快，污水在滲濾系統中滯留時間短，處理不充分。

圖7 pH值進出水變化曲線

圖8 pH值變化率曲線

3 結論

活性炭與土壤組合滲濾系統對污水的處理效果理想，在相同進水條件、相同滲徑、相同壓實程度下，不同的基質配比在污水處理效果上存在最佳的基質配比。第4組滲濾系統基質組成比例m（活性炭）:m（土）:m（標準砂）為1.5:3:6，此時處理污水效果最佳，TP平均去除率達98.22%、NH3-N平均去除率達92.68%，出水TP平均濃度0.663mg/L、出水NH3-N平均濃度0.677mg/L，均達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中的一級A標準；COD平均去除率也達到了80.14%，出水COD平均濃度110.2 mg/L達到了三級標準，出水平均pH值變化無顯著差異但滿足國家污水排放標準。

活性炭由于具有比表面積大、多孔結構、吸附能力強、化學性質穩定等性質，在滲濾系統中起到了至關重要的作用，不僅可以提高系統的滲透性能，還可有效促進污水中總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學需氧量（COD）等的去除。對于不同水質指標主導的污水，合理控制滲濾系統的基質配比具有重要意義。當處理COD含量過高的污水時，可適當提高活性炭的比例以提高COD的去除效率。